บทท บทท 33 อณหเคอณหเคมของสารผสมเชอเพลงกบอากาศมของสารผสมเชอเพลงกบอากาศ

– มความเขาใจเกยวกบเคมอณหศาสตรพนฐาน สาหรบเครองยนตสนดาปภายใน

ใ ป – เขาใจเกยวกบสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง

– เขาใจเกยวกบปรมาณสมมพนธของการเผาไหม

– เขาใจเกยวกบกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม

– เขาใจเกยวกบกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมเขาใจเกยวกบกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม

– เขาใจเกยวกบปฏกรยาทางเคมของสารผสมของแกส

บทนาบทนา

ไ • การเผาไหมของสารผสมเชอเพลงกบอากาศทเกดขนภายในกระบอกสบ

ของเครองยนตเปนกระบวนการหนงทควบคมกาลง ประสทธภาพ และ

มลพษทออกมาจากเครองยนต

• กระบวนการเผาไหมเปนปฏกรยาทางเคมทใหความรอนออกมา• กระบวนการเผาไหมเปนปฏกรยาทางเคมทใหความรอนออกมา

• ลกษณะการเผาไหมถกกาหนดโดยสารทาปฏกรยา ไดแก อากาศ

เชอเพลง ความรอนทเกดขน และสารทไดจากการเผาไหม

บทนาบทนา

ไ เครองยนตสนดาปภายในสวนใหญ ไดพลงงานจากการสนดาปของ

เชอเพลงไฮโดรคารบอนกบอากาศโดยการแปลงพลงงานเคมของ

เชอเพลง เปนพลงงานภายในของแกสในกระบอกสบ

ในขณะเดยวกนเชอเพลงจะปลดปลอยพลงงานเคม (ความรอน) ในขณะเดยวกนเชอเพลงจะปลดปลอยพลงงานเคม (ความรอน)

ออกมาเพอใหไดงานสงสด กตอเมอทาปฏกรยากบออกซเจนในสดสวน

โ ป สมบรณ (stoichiometric) โดยปรมาณออคซเจนทเหมาะสมสงสดทาง

ทฤษฏ จะพอเหมาะกบการแปลงคารบอน(C) เปน CO2 และแปลง H2

เปน H2O

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง

ปสวนประกอบของอากาศ

อากาศชนหรอทเรยกวาไอนา

อากาศแหง

)( 2OHอากาศแหง

ไนโตรเจน (78.09 %)

ออคซเจน (20.95 %)

อารกอน (0.93 %)

และสวนอนๆอกเลกนอยเชน (0.03 %)

HeCHNeCO , , , 42

เนองจากในการเผาไหม ออกซเจนจะเปนตวทาปฏกรยากบเชอเพลง สวนไนโตรเจน อารกอนและแกส

อนๆ มคณสมบตทางเคมเปนกลาง และจะไมทาปฏกรยาในกระบวนการสนดาป เราจงสามารถนบรวมกบ

ไนโตรเจนได ซงเรยกวาไนโตรเจนบรรยากาศ (Atmospheric nitrogen) ดงนนอากาศแหงโดยประมาณจง

ประกอบดวย ไนโตเจนบรรยากาศ และออกซเจน

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป สวนประกอบของอากาศแหง

ตารางท 3.1 สวนประกอบหลกของอากาศแหง

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป สวนประกอบของอากาศแหง (ตอ)

เมอคดตอหนงโมลของออกซเจนจะมไนโตรเจนบรรยากาศเทากบ

โมล773.3209.0

209.01=

−

นาหนกโมเลกลของไนโตรเจนบรรยากาศ

โดยสมมตใหอากาศแหงเปนสารผสมของแกสอดมคตจะได

x~Mx~MM

Mx~M

2222 aNaNooair

ii

i

+=

=∑

16.282095.01

)2095.0x998.31(962.28x~

x~MMM

2

22

2

2222

aN

ooairaN

aNaNooair

=−

−=

−=

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป สวนประกอบของอากาศแหง (ตอ)

ความหนาแนนของอากาศแหง

ไ โ สามารถหาไดโดยคดอากาศแหงเปนแกสอคมคต คอทความดน 1 บรรยากาศ (1.0133 x 105 Pa)

และอณหภม 25 oC จะได

mRTPv =

R~

TMR~mPv

air

=

เมอ

TMRP

air

ρ=

~ เปนคาคงตวของแกสสากล มคาเทากบ 8314.3 J/ (kmol.K)

เปนนาหนกโมเลกลของอากาศแหง มคาเทากบ 28.962

เปนคาความหนาแนนของอากาศแหงมคาเทากบ 1 184 kg / m3

R~

airM

ρ เปนคาความหนาแนนของอากาศแหงมคาเทากบ 1.184 kg / m

ρ

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ไ ใความชนหรอไอนาในอากาศ

สาหรบปรมาณความชนในอากาศ จะขนอยกบอณหภมและระดบการอมตว สามารถหาไดโดยการวดอณหภม

กระเปาะแหง และอณหภมกระเปาะเปยก แลวอานคามวลของไอนาตอมวลของอากาศแหง จากแผนภมอากาศชน กระเปาะแหง และอณหภมกระเปาะเปยก แลวอานคามวลของไอนาตอมวลของอากาศแหง จากแผนภมอากาศชน

(Psychometric chart)

ภาพท 3.1 แผนภมอากาศชนสาหรบสารผสมของอากาศและไอนาทหนงบรรยากาศ

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ไ ใ ความชนหรอไอนาในอากาศ(ตอ)

ซงความชนหรอไอนาจะทาใหคณสมบตของอากาศเปลยนไป ดงแสดงในภาพท 3.2

ccR

p

v

เปนคาคงทของแกส

ความรอนจาเพาะทปรมาตรคงท

ความรอนจาเพาะทความดนคงท

kcc

v

p

p

=γ

ความรอนจาเพาะทความดนคงท

สมประสทธการนาความรอน

ภาพท 3.2 ผลของความชนทมตอคณสมบตของอากาศ

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป สวนประกอบของเชอเพลงสาหรบเชอเพลงทใชกนมากทสดสาหรบเครองยนตเผาไหมภายในคอ นามนเบนซนและนามนดเซล ซงเปน

สารผสมของสารประกอบไฮโดรคารบอนทตางกนหลายตว เชอเพลงทงสองโดยทวไปประกอบดวยคารบอนรอยละ 86 และไฮโดรเจนรอยละ 14 โดยนาหนกและไฮโดรเจนรอยละ 14 โดยนาหนก

สารประกอบไฮโดรคารบอนทควรรจก สารประกอบอลคล (alkyl compound)

พาราฟน (Paraffins)

ไซโคลพาราฟฟน (Cycloparaffins)

โอเลฟน (Olefins)

อะเซทลน (Acetylene)

สารประกอบอะโรแมตค (aromatics compound)

แอลกอฮอล (alcohol)

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป ไ โ ( )สารประกอบไฮโดรคารบอนทควรรจก (ตอ)

พาราฟน (Paraffins) หรอ อลเคน (alkanes) เปนโมเลกลลกโซ ตามสตร CnH2n+2

เปนสารประกอบไฮโดรคารบอนอมตว(saturated hydrocarbon compound)

การจบยดอะตอมของคารบอนกบอะตอมของไฮโดรเจนเปนพนธะเดยวชนดหวงโซตรง

ตวอยางสารประกอบในกลมนเชน มเทน(methane,CH4), อเทน (ethane,C2H6), โพรเพน (propane, C3H8), ไอโซออกเทน(isooctane, C8H18)

C3H8

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป ไ โ ( )สารประกอบไฮโดรคารบอนทควรรจก (ตอ)

ไซโคลพาราฟฟน (Cycloparaffins) หรอไซเคลน (cyclane) หรอ แนพทน (napthene) มโมเลกลลกโซ ตามสตร CnH2n

มอะตอมคารบอนพนธะเดยวเปนวงแหวน

ตวอยางสารประกอบในกลมนเชน ไซโคลโพรเพน (cyclopropane, C3H6), ไซโคลบวเทน (cyclobutane, C4H8), ไซโคลเพนเทน (cyclopentane, C5H10)

C5H10

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป ไ โ ( )สารประกอบไฮโดรคารบอนทควรรจก (ตอ)

โอเลฟน (Olefins) หรอ อลคน (alkene) มโมเลกลลกโซ ตามสตร CnH2n

เปนสารประกอบไฮโดรคารบอนชนดไมอมตว

มการจบยดแบบพนธะคระหวางอะตอมคารบอน 2 ตวของหวงโซตรง

ตวอยางสารประกอบในกลมนเชน อทน (ethene, C2H4), โพรพน (propene, C3H6), บวทน (butene, C4H8)

C2H4

2 4

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป ไ โ ( )สารประกอบไฮโดรคารบอนทควรรจก (ตอ)

อะเซทลน (Acetylene) หรอ อลไคน (alkyne) มโมเลกลลกโซ ตามสตร CnH2n-2

เปนสารประกอบไฮโดรคารบอนชนดไมอมตว

มการจบยดแบบพนธะสาม ระหวางอะตอมคารบอน 2 ตวของหวงโซตรง

ตวอยางสารประกอบในกลมนเชน อะเซทลน (acetylene, C2H2)

C2H2

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป ไ โ สารประกอบไฮโดรคารบอนทควรรจก (ตอ)

สารประกอบอะโรแมตค (Aromatics) มโมเลกลลกโซ ตามสตร CnH2n-6

เปนสารประกอบไฮโดรคารบอน มลกษณะโครงสรางเปนวงแหวน เปนสารประกอบไฮโดรคารบอน มลกษณะโครงสรางเปนวงแหวน

ตวอยางสารประกอบในกลมนเชน เบนซน (benzene, C6H6)

C6H6

ป ป สวนประกอบของอากาศและเชอเพลงสวนประกอบของอากาศและเชอเพลง ((ตอตอ))

ป ไ โ สารประกอบไฮโดรคารบอนทควรรจก (ตอ)

แอลกอฮอล (alcohol)

มโครงสรางเชนเดยวกนกบพาราฟน โดยมไฮดรอกซล (OH) มาแทนทอะตอมไฮโดรเจนหนงอะตอม มโครงสรางเชนเดยวกนกบพาราฟน โดยมไฮดรอกซล (OH) มาแทนทอะตอมไฮโดรเจนหนงอะตอม

ดงนนมเทนกจะกลายเปนเมทลแอลกอฮอล (methy alcohol, CH3OH) หรอบางทเรยกวาเมทานอล

อเทนกจะกลายเปนเอทลแอลกอฮอล (ethyl alcohol, C2H5OH) หรอบางทเรยกวาเอทานอล

CH3OH

ป ไ ป ไ ปรมาณสมพนธของการเผาไหมปรมาณสมพนธของการเผาไหมการเผาไหมการเผาไหม

การเผาไหมเปนปฏกรยาทางเคมระหวางเชอเพลงกบสารออกซไดซ ซงสวนใหญแลวมกใชออกซเจนในอากาศเปนสารออกซไดซ ซงความสมพนธระหวางสารทาปฏกรยาและสารทไดจากการเผาไหมจะถกกาหนดโดยสมการเคมเคม

การเผาไหมทสมบรณพอด หรอทเรยกวาการเผาไหมทางทฤษฏ (stoichiometric combustion, Theoretical combustion)

โ ป ป (C) ป CO ป Hโดยปรมาณออคซเจนทเหมาะสมสงสดทางทฤษฏ จะพอเหมาะกบการแปลงคารบอน(C) เปน CO2 และแปลง H2เปน H2O

ซงเชอเพลงไฮโดรคารบอนใด ๆ ทมสตรเปน CaHbสามารถเขยนเปนสมการเคมสาหรบการเผาไหม ไดดงน

bbb

อตราสวน อากาศ/เชอเพลง หรอ เชอเพลง/อากาศ ไดเปน

22222ba N)4ba(773.3OH

2baCO)N773.3O)(

4b(aHC +++=+++

)0081(b)00112(a

))16.28(773.332)(4ba(

AF

FA 1

+

++=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−

)008.1(b)001.12(aAF ss +⎠⎝⎠⎝

ไปรมาณสมพนธของการเผาไหม

โ โ ไ ไ อตราสวนโดยโมลของสารทาปฏกรยาและสารทไดจากการเผาไหม

สวนประกอบของเชอเพลงสามารถเขยนไดเปน โดยท

สมการเคมสาหรบการเผาไหมสมบรณ

22222 )4

1(773.32

)773.3)(4y(1 NyOHyCONOCH y +++=+++

อตราสวน อากาศ/เชอเพลง หรอ เชอเพลง/อากาศ ไดเปน

)008.1()001.12(

))16.28(773.332)(4

1(1

y

y

AF

FA

ss +

++=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−

ป ไ ป ไ ปรมาณสมพนธของการเผาไหม ปรมาณสมพนธของการเผาไหม ((ตอตอ))

อตราสวน อากาศ/เชอเพลง หรอ เชอเพลง/อากาศ (ตอ)

ภาพท 3.3 แสดงการเปลยนแปลงระหวางอตราสวน (A/F)s กบ อตราสวนของ H/C ของเชอเพลง

ป ไ ป ไ ปรมาณสมพนธของการเผาไหมปรมาณสมพนธของการเผาไหม ((ตอตอ))

อตราสวน อากาศ/เชอเพลง หรอ เชอเพลง/อากาศ (ตอ)อตราสวน อากาศ/เชอเพลง หรอ เชอเพลง/อากาศ (ตอ)

ถาการเผาไหมสารผสมบาง (Fuel - lean combustion) อากาศทเกนจะไมเขาไปทาปฏกรยากบเชอเพลง

และถาการเผาไหมสารผสมหนา (Fuel - rich combustion) จะมออกซเจนไมเพยงพอทจะออกซไดซเชอเพลงส ส ( ue c co bust o )

ไฮโดรคารบอนไปเปนคารบอนไดออกไซดและนาไดเตมท

เนองจากสวนประกอบของสารทไดจากการเผาไหมในสารผสมบางและสารผสมหนาจะแตกตางกน และ

ป ปอตราสวนเชอเพลง/อากาศพอดจะขนอยกบสวนประกอบของเชอเพลง ดงนนจงมการกาหนดสวนประกอบของ

สารผสมในรปของอตราสวนของ “ (F/A)actual ” ตอ “ (F/A)s” ซงจะได

อตราสวนสมมลของเชอเพลง/อากาศ =

(Fuel/air equivalence ratio, )φsaf

actualaf

s

actual

)m/m()m/m(

)A/F()A/F(

=

เมอ

LB4

Vm 2dactual

πρ=ρ=

lfl )m/m()F/A(อตราสวนอากาศ/เชอเพลงสมพทธ =

(Relative air/fuel ratio, )

λsfa

actualfa

s

actual

)m/m()m/m(

)F/A()F/A(

=

ป ไ ป ไ ปรมาณสมพนธของการเผาไหมปรมาณสมพนธของการเผาไหม ((ตอตอ))อตราสวน อากาศ/เชอเพลง หรอ เชอเพลง/อากาศ (ตอ)อตราสวน อากาศ/เชอเพลง หรอ เชอเพลง/อากาศ (ตอ)

ในการเผาไหมสารผสมเชอเพลงกบอากาศสามารถแยกออกไดเปน 3 ลกษณะคอ

สารผสมบาง (Fuel –lean mixture) เปนสารผสมทมคา หรอ คอมเชอเพลงนอยหรออากาศมาก1<φ 1>λเกนกวาคาพอด

สารเผาไหมพอด (Stoichiometric mixture) เปนสารผสมทมคา หรอ คอมเชอเพลงพอดทจะถกออกซไดซ โดยออกซเจนในอากาศไดหมด

1=φ 1=λ

สารผสมหนา (Fuel-rich mixture) เปนสารผสมทมคา หรอ คอมเชอเพลงมากเกนไปหรอมออกซเจนนอยเกนไปทจะออกซไดซเชอเพลงไดหมด

สาหรบเชอเพลงทมออกซเจนเปนสวนประกอบ การเขยนสมการเคมของการเผาไหม ออกซเจนใน

1>φ 1<λ

สาหรบเชอเพลงทมออกซเจนเปนสวนประกอบ การเขยนสมการเคมของการเผาไหม ออกซเจนในเชอเพลงจะตองรวมในการสมดลออกซเจนระหวางสารทาปฏกรยา และสารทไดจากการเผาไหม เชน เม

ทานอล สมการเผาไหมพอดจะไดวา

222223 5.66NO2HCO)3.773N1.5(OOHCH ++=++

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมการวเคราะหการเผาไหมของสารผสมเชอเพลงกบอากาศนอกจากจะประเมนสารทไดจากการเผาการวเคราะหการเผาไหมของสารผสมเชอเพลงกบอากาศนอกจากจะประเมนสารทไดจากการเผา

ไหมโดยใชสมการเคมแลว ยงตองมการวเคราะหหาสมบตของสารทไดจากการเผาไหมและความรอนทถกปลดปลอยออกมาซงการวเคราะหดงกลาวนสามารถนาเอาหลกการของกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรมาใ ไ ใชได

สมดลของพลงงาน

ในกระบวนการเผาไหม เชอเพลงและสารออกซไดซจะทาปฏกรยากนไดสารทเกดจากการเผาไหม ในกระบวนการเผาไหม เชอเพลงและสารออกซไดซจะทาปฏกรยากนไดสารทเกดจากการเผาไหม

และมความรอนถกปลอยออกมา ซงปรมาณความรอนนสามารถหาไดจากกฎขอทหนงของอณหพลศาสตร โดยพจารณาระบบทมมวล m ซงเปลยนสวนประกอบจากสารทาปฏกรยาไปเปนสารทไดจากการเผาไหม โ ป ( ป ป ) ( ป ไ โดยปฏกรยาเคมระหวางสภาวะเรมตน (เปนสารทาปฏกรยา) และสภาวะสดทาย (เปนสารทไดจากการเผาไหม) ดงภาพท 3.4 จะได

ไ ไ (( กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))สมดลของพลงงาน (ตอ)สมดลของพลงงาน (ตอ)

ภาพท 3.4ระบบทเปลยนจากสารทาปฏกรยาไปเปนสารทไดจากการเผาไหม

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

สมดลของพลงงาน (ตอ)

RPPRPR UUWQ −=− −−

โดย เปนปรมาณความรอนถายเทผานระบบ

เปนงานทถายเทผานระบบ

PR

PR

WQ

−

−

เปนพลงงานภายในของระบบทสภาวะเรมตน (เปนสารทาปฏกรยา)

เปนพลงงานภายในของระบบทสภาวะสดทาย (เปนสารทไดจากการเผาไหม)R

P

UU

ถากระบวนการเผาไหมเปนกระบวนการปรมาตรคงตว จะไดเปน

TVRPPR )U(UUQ ′Δ=′−′=

โดย เปนการเปลยนแปลงพลงงานภายในของระบบ

เปนอณหภมเรมตนแล อณหภมสดทาย

T,VRPPR )(Q −

T)U( T,V

′

Δ ′

เปนอณหภมเรมตนและอณหภมสดทาย

T

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

สมดลของพลงงาน (ตอ)

ถากระบวนการเผาไหมเปนกระบวนการความดนคงตว จะไดเปน

UU)VV(pQ ′′′′

Tp,

RPRRPPPR

RPRPPR

H)( HH)VpU()VpU(Q

UU)VV(pQ

′

−

−

Δ=

′−′=′+′−′+′=−=−−

โดย เปนความดนซงคงตว

เปนปรมาตรทสภาวะสดทาย VP

เปนปรมาตรทสภาวะสดทาย

เปนปรมาตรทสภาวะเรมตน

เปนการเปลยนแปลงเอนทลปT,p

R

P

)H(VV

′Δ

p

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

ป เอนทลปของการรวมตว

สาหรบการเผาไหมของเชอเพลงทเปนสารประกอบไฮโดรคารบอนชนดเดยวหรอ เชอเพลงทอยในรปสวนประกอบทแนนอน พลงงานภายในและเอนทลปของสารทาปฏกรยาและสารทไดจากการเผาไหมฏสามารถหาไดจากเอนทลปของการรวมตว

เอนทลปของการรวมตว (Enthalpy of formation, ) ของสารประกอบทางเคม คอ เอนทลปทเพมขนจากปฏกรยาของธาตตาง ๆ รวมตวกนเกดเปนสารประกอบนนหนงโมลทอณหภม 25 oC และ

ofh~Δ

เพมขนจากปฏกรยาของธาตตาง ๆ รวมตวกนเกดเปนสารประกอบนนหนงโมลทอณหภม 25 oC และความดน1บรรยากาศ โดยทวไปกาหนดใหเอนทลปของธาตเทากบศนยทสภาวะมาตรฐาน

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

ป ( )เอนทลปของการรวมตว(ตอ)

ตารางท 3.2 เอนทลปของการรวมตวทสภาวะมาตรฐาน (ท 25 องศาเซลเซยส, 1 บรรยากาศ)

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

ป ( )เอนทลปของการรวมตว(ตอ)

สาหรบปฏกรยาของการเผาไหมทกาหนดใด ๆ เอนทลปของสารทไดจากการเผาไหมทสภาวะมาตรฐานจะหาไดจากฐ

∑ Δ=product

i,fiP h~nH oo

และเอนทลปของสารทาปฏกรยาทสภาวะมาตรฐานจะหาไดจาก

∑ Δ= i,fiR h~nH o

ซงการเปลยนแปลงของเอนทลปทสภาวะมาตรฐาน จะเทากบ

ttanreac

RPT,p HH)H(0

−=Δ

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

เอนทลปของการรวมตว(ตอ)เอนทลปของการรวมตว(ตอ)

สวนการเปลยนแปลงของพลงงานภายในทสภาวะมาตรฐาน สามารถหาไดจาก

คาความรอน

)VV(p)U()H( RPT,VT,p 00−=Δ−Δ

คาความรอน (Heating value หรอ calorific value, QHV) ของเชอเพลงเปนคาความรอนของปฏกรยาการเผาไหมทความดนคงตว หรอทปรมาตรคงตว ทอณหภมมาตรฐาน สาหรบการเผาไหมสมบรณของหนงหนวยมวลของเชอเพลง จะได

0p T,pHV )H(Q Δ−=

)U(Q Δ 0V T,VHV )U(Q Δ−=

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))คาความรอน (ตอ)คาความรอน (ตอ)

การเผาไหมทสมบรณ หมายความวา คารบอนทงหมดถกเปลยนไปเปนคารบอนไดออกไซด, ไฮโดรเจนทงหมดถกเปลยนไปเปนนา และซลเฟอรทงหมดถกเปลยนไปเปนซลเฟอรไดออกไซด

ไ โ ใ ไ ไ โ ใ สาหรบเชอเพลงทมไฮโดรเจนจะมนาในสารทไดจากการเผาไหม โดยอยในสถานะแกสหรอของเหลวซงจะมผลตอคาความรอนของปฏกรยาการเผาไหม จงมการกาหนดคาความรอนออกเปน 2 คา คอ

คาความรอนสง (Higher heating value, QHHV) เปนคาความรอนเมอนาทเกดขนถกควบแนนเปนของเหลวทงหมด

และคาความรอนตา (Lower heating value, QLHV) เปนคาความรอนเมอนาทเกดขนอยในสถานะไอทงหมด ซงความสมพนธระหวางคาความรอนทความดนคงตวและปรมาตรคงตว สามารถเขยนเปนสมการไดคอ

OH2 hm

QQ ⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

+= OfgHf

LHVHHV 2pph

mQQ ⎟⎟

⎠⎜⎜⎝

+=

OfgHOH

LHVHHV 2

2

VVu

mm

QQ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

เครองมอทใชในการวดคาความรอนของเชอเพลง คอ แคลอรมเตอร (Calorimeter) ซงม 2 แบบ คอ แบบไหลตอเนองทความดนบรรยากาศ (แบบความดนคงตว) ซงใชกบเชอเพลงแกส และแบบปรมาตรคงตวภายใตความดนท

f2VV m ⎟

⎠⎜⎝

เรยกวาบอมบแคลอรมเตอร (Bomb calorimeter) ใชกบเชอเพลงทเปนของเหลวและของแขง

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

คาความรอน (ตอ)คาความรอน (ตอ)

ตารางท 3.3 สมบตของเชอเพลง

ไ ไ กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

ประสทธภาพการเผาไหมของเครองยนตเผาไหมภายในประสทธภาพการเผาไหมของเครองยนตเผาไหมภายใน

ในทางปฏบตไอเสยทออกมาจากเครองยนตเผาไหมภายในจะมทงสารทเผาไหมทไมสมบรณ รวมกบสารทเกด

การเผาไหมทสมบรณเสมอ จงทาใหพลงงานของเชอเพลงไมไดถกปลดปลอยออกมาอยางสมบรณในระหวางการเผา

ไหม ซงเปนผลมาจากการทางานภายใตสภาวะสารผสมบาง หรอสารผสมหนา จงมการกาหนดประสทธภาพการเผา

ไหม (Combustion efficiency, ) ขนเพอใชวดประสทธภาพของกระบวนการเผาไหม

ปรมาณพลงงานเคมของเชอเพลงทสงเขาไปในเครองยนตเผาไหมภายในทสามรถถกปลดปลอยออกมาจากการ

cη

ปรมาณพลงงานเคมของเชอเพลงทสงเขาไปในเครองยนตเผาไหมภายในทสามรถถกปลดปลอยออกมาจากการ

เผาไหมกคอ ดงนน ประสทธภาพของการเผาไหมกคอ อตราสวนระหวางพลงงานเคมทปลดปลอยออกมา

สทธตอพลงงานเคมของเชอเพลงทสงเขาไป ซงเขยนเปนสมการไดเปนHVf Qm

เมอ n เปนจานวนโมลของสาร i ในสารทาปฏกรยาหรอสารทไดจากการเผาไหมตอหนวยมวลของสารทางาน HVf

APARc Qm

)T(H)T(H −=η ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Δ−Δ=− ∑ ∑

ttanreac,i product,ii,fii,fiAPAR h~nh~nm)T(H)T(H; oo

เมอ ni เปนจานวนโมลของสาร i ในสารทาปฏกรยาหรอสารทไดจากการเผาไหมตอหนวยมวลของสารทางาน

เปนเอนทลปของการรวมตวของสาร i ทอณหภมโดยรอบ

TA เปนอณหภมโดยรอบ

oi,fh~Δ

ไ ไ กฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม

กฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม จะใชสาหรบหาความรอนทเกดขนจากการเผากฎขอทหนงของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม จะใชสาหรบหาความรอนทเกดขนจากการเผา

ไหมสารผสมของเชอเพลงกบอากาศ แตไมสามารถวเคราะหไดวาความรอนทเกดขนจากการเผา

ไหมจะเปลยนเปนงานสงสดไดเทาได ดงนน จงจาเปนตองใชกฎขอทหนงรวมกบกฎขอทสองของ ฎ ฎ

อณหพลศาสตร

เครองยนตเผาไหมภายในสามารถวเคราะหเปนระบบเปดมการแลกเปลยนความรอนและงานกบ

สงแวดลอม มเชอเพลงและอากาศ (สารทาปฏกรยา) ไหลเขาไปในระบบ มไอเสย (สารทไดจากการ

เผาไหม) ไหลออกจากระบบ ดงภาพท 3.5

ภาพท 3.5 ปรมาตรควบคมลอมรอบเครองยนต

ไ ไ กฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

เมอพจารณามวล ของของไหลทไหลผานปรมาตรควบคมทลอมรอบเครองยนต จากกฎขอทเมอพจารณามวล m ของของไหลทไหลผานปรมาตรควบคมทลอมรอบเครองยนต จากกฎขอท

หนงของอณหพลศาสตร จะได

HHWQ ΔΔ

โดย เปนงานทถายทอดสสงแวดลอม

RPU HHWQ −=Δ−Δ

UWΔ

เปนเอนทลปของสารทไดจากการเผาไหม

เปนเอนทลปของสารทาปฏกรยา

PH

RH

QΔ Tแตเนองจากการถายเทความรอน เกดขนกบสงแวดลอมทอณหภม เทานน ดงนนจากกฎขอทสองของอณ

หพลศาสตร จะได

QΔ AT

SQΔ≤

Δ

ซงถารวมทงสองสมการจะไดวา

STA

Δ≤

( )STHW AΔ−Δ−≤Δ

ไ ไ กฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

โดยปกตแลว และ และงานสงสดจะไดเมอ และ ซงเขยนไดpp TT pp TTโดยปกตแลว และ และงานสงสดจะไดเมอ และ ซงเขยนได

เปน

AR pp =

( ) ( )[ ]AP,ATAP,AT RPmax TSHTSHW −−−−=Δ

AR TT = AR pp =AR TT =

จากคาพลงงานเสรของกบส (Gibbs free energy, G) ทกาหนดใหเทากบ จะได TSH −

A,A PTmaxU )G(W Δ−=Δ

ซง กคอพลงงานเสรของกบสทเพมขนของปฏกรยาของสารผสมเชอเพลงกบ

อากาศเมอเปลยนไปเปนสารทไดจากการเผาไหมทอณหภมและความดนบรรยากาศ และจะม

,

A,A PT)G(Δ

คาสงสดเมอการเผาไหมสมบรณ

งานสงสดนจะใชในการวดประสทธภาพของเครองยนต โดยหาในรปของอตราสวนของ

งานทไดจรงตองานสงสด ซงเรยกวา “ประสทธภาพการเปลยนสภาพทใชประโยชนไดสงสด”

(Availability conversion efficiency, ) aη

AA T,PmaxUa G

WW

WΔ−Δ

=ΔΔ

=η

ไ ไ กฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

ตารางท 3 4 เอนทลปและพลงงานเสรของปฏกรยาการเผาไหม ตารางท 3.4 เอนทลปและพลงงานเสรของปฏกรยาการเผาไหม

ไ ไ กฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

ใ ป ไปใ ไ ไ ป ในความเปนจรงแลว พลงงานเคมของเชอเพลงทสงเขาไปในเครองยนตไมไดถกปลอย

ออกมาทงหมดโดยกระบวนการเผาไหม เนองจากการเผาไหมเกดขนไมสมบรณ ดงนนจงมการ

แยกผลของการเผาไหมทไมสมบรณออกโดยกาหนดเปนประสทธภาพ ซงแสดงถงความสมพนธแยกผลของการเผาไหมทไมสมบรณออกโดยกาหนดเปนประสทธภาพ ซงแสดงถงความสมพนธ

ระหวาง “งานทเกดขนจรงตอวฏจกร” กบ “ปรมาณของพลงงานเคมของเชอเพลงทปลอย

ออกมาในกระบวนการเผาไหม” เรยกวา “ประสทธภาพการเปลยนความรอน” (Thermal

conversion efficiency, )

CC WW−==η

tη

และจากสมการ

ATAPARt )H()T(H)T(H Δ

−=−

=η

HVf

APARc Qm

)T(H)T(H −=η

จะไดวาHVfc

Ct Qm

Wη

=η

ไ ไ กฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหมกฎขอทสองของอณหพลศาสตรสาหรบการเผาไหม((ตอตอ))

และจากสมการ

CW=η

จะไดวา

HVff Qm=η

tcf ηη=η

ป ป ปฏกรยาทางเคมของสารผสมของแกสปฏกรยาทางเคมของสารผสมของแกส

สารทางานของเครองยนตเผาไหมภายในเปนสารผสมของแกสสารทางานของเครองยนตเผาไหมภายในเปนสารผสมของแกส

โดยแกสทประกอบกนเปนสารผสมนอาจทาปฏกรยาซงกนและกนและอาจทาใหสวนประกอบของ

สารผสมเปลยนแปลง ซงสามารถเปนไปได 3 ลกษณะสารผสมเปลยนแปลง ซงสามารถเปนไปได 3 ลกษณะ

ปฏกรยาทเกดขนชามาก ซงถอไดวาไมมผลตอสวนประกอบของสารผสม

ปฏกรยาทางเคมทเกดขนอยางรวดเรว ซงถอไดวาสวนประกอบของสารผสมอยในสภาวะสมดลเคม ปฏกรยาทางเคมทเกดขนอยางรวดเรว ซงถอไดวาสวนประกอบของสารผสมอยในสภาวะสมดลเคม

(chemical equilibrium)

ปฏกรยาทางเคมทเกดขนไมรวดเรวพอ ทจะถอวาสวนประกอบของสารผสมจงแปรผนกบเวลา

ป ป ปฏกรยาทางเคมของสารผสมของแกสปฏกรยาทางเคมของสารผสมของแกส((ตอตอ))

สมดลเคมสมดลเคม

สารผสมของแกสทเกดจากการเผาไหมของเชอเพลงกบอากาศในเครองยนตเผาไหมภายใน(ในชวงตนของ

กระบวนการขยายตว) พอประเมนไดวาปฏกรยาทางเคมของแกสเหลานอยในสภาวะสมดลเคม

เกณฑสาหรบสภาวะสมดลเคมจะถกกาหนดโดยกฏขอทสองของอณหพลศาสตร

ทสภาวะสมดลเคม G ของสารทไดจะเทากบ G ของสารทาปฏกรยา

อตราการเกดปฏกรยาเคม

กระบวนการทางเคมทเกดขนในเครองยนตเผาไหมภายในมกจะไมอยในสภาวะสมมดลเคม

0)G( T,p =Δ

กระบวนการทางเคมทเกดขนในเครองยนตเผาไหมภายในมกจะไมอยในสภาวะสมมดลเคม

ซงกระบวนการทไมอยในสภาวะสมดลเหลานกจะถกควบคมดวยอตราการเกดปฏกรยาเคมทจะเปลยนสารทา

ปฏกรยาไปเปนสารทไดจาการเผาไหม

โดยอตราดงกลาวจะขนอยกบความเขมขนของสารทาปฏกรยา อณหภม และตวเรงปฏกรยา

เมอกระบวนการไมอยในสภาวะสมดล สวนประกอบของสารผสมททาปฏกรยากจะแปรผนกบเวลา อตราการ

เกดปฏกรยาเคมหาไดโดยพจารณาสมการปฏกรยา คอเกดปฏกรยาเคมหาไดโดยพจารณาสมการปฏกรยา คอ

ป ป ปฏกรยาทางเคมของสารผสมของแกสปฏกรยาทางเคมของสารผสมของแกส((ตอตอ))

อตราการเกดปฏกรยาเคม (ตอ)อตราการเกดปฏกรยาเคม (ตอ)

จากกฏของการกระทาของมวล (law of mass action)

อตราการเกดสารทไดและอตราทสารทาปฏกรยาถกใชไปแปรผนโดยตรงกบผลคณของความเขมขนของส ส ฏ ณ

สารทาปฏกรยาแตละตวยกกาลงสมประสทธปรมาณสมพนธ

ในสภาวะสมดลเคม อตราการเกดปฏกรยาไปขางหนาและอตราการเกดปฏกรยายอนกลบจะเทากน+ −+ = RR