نسبة الهواء إلى الوقود

تُعد كلمة "الخليط" الكلمة السائدة التي تظهر في النصوص التدريبية، وأدلة التشغيل، وأدلة الصيانة في عالم الطيران.

نسبة الهواء إلى الوقود هي النسبة بين كتلة الهواء وكتلة الوقود في خليط الهواء والوقود في أي لحظة معينة. الكتلة هي كتلة جميع المكونات التي تشكل الهواء أو الوقود، سواء شاركت في الاحتراق أم لا. على سبيل المثال، حساب كتلة الغاز الطبيعي كوقود - والذي غالبًا ما يحتوي على ثاني أكسيد الكربون ( CO₂)₂ )،النيتروجين(N₂ )،والألكانات- يشمل كتلة ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وجميع الألكانات في تحديد قيمة (كتلة_الوقود. ^{[ 2 ]} )

بالنسبة للأوكتان النقي، فإن الخليط المتكافئ تقريبًا هو 15.1:1، أو λ 1.00 بالضبط.

في المحركات ذات السحب الطبيعي التي تعمل بالأوكتان، يتم الوصول إلى أقصى قدرة في كثير من الأحيان عند نسب الهواء إلى الوقود التي تتراوح من 12.5 إلى 13.3:1 أو λ من 0.850 إلى 0.901.

تعتبر نسبة الهواء إلى الوقود 12:1 هي نسبة الإنتاج القصوى، بينما تعتبر نسبة الهواء إلى الوقود 16:1 هي نسبة الاقتصاد في استهلاك الوقود القصوى.

تُستخدم نسبة الوقود إلى الهواء بشكل شائع في صناعة التوربينات الغازية وكذلك في الدراسات الحكومية لمحركات الاحتراق الداخلي ، وتشير إلى نسبة الوقود إلى الهواء.

${\displaystyle \mathrm {FAR} ={\frac {1}{\mathrm {AFR} }}}$

نسبة تكافؤ الهواء والوقود، λ (لامدا)، هي نسبة نسبة الهواء إلى الوقود الفعلية إلى النسبة المتكافئة لخليط معين. λ  =  1.0 تعني نسبة متكافئة، والخليط غني λ  <  1.0، والخليط فقير λ  >  1.0.

توجد علاقة طردية بين λ و AFR. لحساب AFR من قيمة λ معينة ، اضرب قيمة λ المقاسة في نسبة AFR المثالية لهذا الوقود. أو، لاستعادة λ من AFR، اقسم AFR على نسبة AFR المثالية لهذا الوقود. تُستخدم هذه المعادلة الأخيرة غالبًا كتعريف لـ λ .

${\displaystyle \lambda ={\frac {\mathrm {AFR} }{\mathrm {AFR} _{\text{stoich}}}}}$

نظراً لأن تركيبة أنواع الوقود الشائعة تختلف باختلاف المواسم، ولأن العديد من المركبات الحديثة يمكنها التعامل مع أنواع وقود مختلفة عند ضبطها، فمن المنطقي أكثر الحديث عن قيم λ بدلاً من نسبة الهواء إلى الوقود. ^{[ 3 ]}

معظم أجهزة قياس نسبة الهواء إلى الوقود العملية تقيس في الواقع كمية الأكسجين المتبقي (للمخاليط الفقيرة) أو الهيدروكربونات غير المحترقة (للمخاليط الغنية) في غاز العادم.

تُعرَّف نسبة التكافؤ بين الوقود والهواء ، Φ (فاي)، لنظام ما بأنها نسبة نسبة الوقود إلى المؤكسد إلى نسبة الوقود إلى المؤكسد المتكافئة. رياضياً،

${\displaystyle \phi ={\frac {\mbox{نسبة الوقود إلى المؤكسد}}{({\mbox{نسبة الوقود إلى المؤكسد}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{الوقود}}/m_{\text{المؤكسد}}}{\left(m_{\text{الوقود}}/m_{\text{المؤكسد}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{الوقود}}/n_{\text{المؤكسد}}}{\left(n_{\text{الوقود}}/n_{\text{المؤكسد}}\right)_{\text{st}}}}}$

حيث يمثل m الكتلة، ويمثل n عدد المولات، ويشير الرمز السفلي st إلى الظروف المتكافئة.

تكمن ميزة استخدام نسبة التكافؤ على نسبة الوقود إلى المؤكسد في أنها تأخذ في الاعتبار (وبالتالي فهي مستقلة عن) كل من القيم الكتلية والمولية للوقود والمؤكسد. لنأخذ على سبيل المثال خليطًا من مول واحد من الإيثان ( C₂ ساعة₆ ) ومول واحد منالأكسجين(O₂ ) نسبة الوقود إلى المؤكسد في هذا الخليط بناءً على كتلة الوقود والهواء هي

${\displaystyle {\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{1\times (2\times 16)}}={\frac {30}{32}}=0.9375}$

ونسبة الوقود إلى المؤكسد في هذا الخليط بناءً على عدد مولات الوقود والهواء هي

${\displaystyle {\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_ {{\ce {O2}}}}}={\frac {1}{1}}=1}$

من الواضح أن القيمتين غير متساويتين. ولمقارنتها بنسبة التكافؤ، نحتاج إلى تحديد نسبة الوقود إلى المؤكسد في خليط الإيثان والأكسجين. ولتحقيق ذلك، يجب مراعاة التفاعل المتكافئ للإيثان والأكسجين.

C ₂ H ₆ + 7 ⁄ O 2 _→ 2 CO ₂ + 3 H ₂ O   

هذا يعطي

${\displaystyle ({\text{نسبة الوقود إلى المؤكسد بناءً على الكتلة}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268}$

${\displaystyle ({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286}$

وبالتالي يمكننا تحديد نسبة التكافؤ للمزيج المعطى على النحو التالي:

${\displaystyle \phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5}$

أو، على نحو مماثل، كما

${\displaystyle \phi ={\frac {n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}}{\left(n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {1}{0.286}}=3.5}$

من مزايا استخدام نسبة التكافؤ أن النسب الأكبر من واحد تعني دائمًا وجود كمية وقود في خليط الوقود والمؤكسد تفوق الكمية اللازمة للاحتراق الكامل (التفاعل المتكافئ)، بغض النظر عن نوع الوقود والمؤكسد المستخدمين. أما النسب الأقل من واحد فتدل على نقص في الوقود أو زيادة في المؤكسد في الخليط. وهذا لا ينطبق عند استخدام نسبة الوقود إلى المؤكسد، التي تأخذ قيمًا مختلفة باختلاف الخلائط.

ترتبط نسبة تكافؤ الوقود والهواء بنسبة تكافؤ الهواء والوقود (المحددة سابقًا) على النحو التالي:

${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\lambda }}}$

يمكن تحديد الكميات النسبية لإثراء الأكسجين وتخفيف الوقود من خلال نسبة الخليط ، Z، المعرفة على النحو التالي:

${\displaystyle Z=\left[{\frac {sY_{\mathrm {F} }-Y_{\mathrm {O} }+Y_{\mathrm {O,0} }}{sY_{\mathrm {F,0} }+Y_{\mathrm {O,0} }}}\right]}$،

أين

${\displaystyle s=\mathrm {AFR} _{\mathrm {stoich} }={\frac {W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}$،

يمثل Y_{_F,0} و Y_{_O,0} نسبتي كتلة الوقود والمؤكسد عند المدخل، بينما يمثل W_{_F} و W_{_O} الوزن الجزيئي للأنواع، ويمثل v_{_F} و v_{_O} معاملات التكافؤ للوقود والأكسجين، على التوالي. نسبة الخليط المتكافئ هي

${\displaystyle Z_{\mathrm {st} }=\left[{\frac {1}{1+{\frac {Y_{\mathrm {F,0} }\times W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{Y_{\mathrm {O,0} }\times W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}}\right]}$^{[ 4 ]}

ترتبط نسبة الخليط المتكافئ بـ λ (لامدا) و Φ (فاي) من خلال المعادلات التالية:

${\displaystyle Z_{\text{st}}={\frac {\lambda }{1+\lambda }}={\frac {1}{1+\phi }}}$،

بافتراض

${\displaystyle \mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}}$^{[ 5 ]}

في السخانات الصناعية التي تعمل بالوقود ، ومولدات البخار في محطات توليد الطاقة ، والتوربينات الكبيرة التي تعمل بالغاز ، تُستخدم مصطلحات أكثر شيوعًا مثل نسبة الهواء الزائد للاحتراق ونسبة الهواء المتكافئ. ^{[ 6 ] [ 7 ]} على سبيل المثال، تعني نسبة 15% من الهواء الزائد للاحتراق استخدام كمية من الهواء تزيد بنسبة 15% عن كمية الهواء المتكافئ المطلوبة (أو 115% من الهواء المتكافئ).

يمكن تحديد نقطة التحكم في الاحتراق بتحديد النسبة المئوية للهواء الزائد (أو الأكسجين) في المؤكسد ، أو بتحديد النسبة المئوية للأكسجين في نواتج الاحتراق. ^{[ 8 ]} يمكن استخدام مقياس نسبة الهواء إلى الوقود لقياس النسبة المئوية للأكسجين في غاز الاحتراق، ومنها يمكن حساب النسبة المئوية للأكسجين الزائد من خلال حسابات التكافؤ الكيميائي وموازنة الكتلة لاحتراق الوقود. على سبيل المثال، بالنسبة للبروبان ( C₃ ساعات₈ ) الاحتراق بين نسبة الهواء المتكافئة ونسبة الهواء الزائد بنسبة 30 بالمائة (_{كتلة نسبة}بين 15.58 و 20.3)، تكون العلاقة بين نسبة الهواء الزائد ونسبة الأكسجين كما يلي:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Mass\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1433(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.214(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\\\mathrm {Volume\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1208(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.186(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\end{aligned}}}$