Bài tập về nhiên liệu

Các bài tập dưới đây giúp bạn thực hành những kiến thức thu thập trong chương "Nhiên liệu". Mỗi bài tập hay câu hỏi đều chừa sẵn một ô trống (ô kết quả) để bạn ghi kết quả. Lưu ý là bạn không ghi đơn vị vào ô này và số liệu ghi vào tương ứng với đơn vị ở câu hỏi. Sau khi điền xong bạn kích vào nút "Kết quả". Nếu kết quả đúng, ô kết quả sẽ có đường viền màu xanh lá cây và bên cạnh ô này có dấu "V" xanh lá cây. Nếu kết quả chưa đúng, ô kết quả có đường viền màu đỏ và bên cạnh có dấu "X" màu đỏ. Bạn có thể xóa bỏ kết quả bằng cách kích vào nút "Thử lại".

Các bài tập có lời giải đi kèm nhưng ở dạng ẩn. Để hiện lời giải, bạn kích chuột vào ô "Lời giải" màu xanh dương nhạt. Bạn chỉ nên dùng nó để kiểm tra sau khi đã giải xong, hoặc gặp những bài quá khó, không nên lạm dụng phần lời giải này.

Chúc bạn ôn tập tốt.

Bài tập 1

 

Một động cơ sử dụng toluen C7H8 làm nhiên liệu.

1. Tính thành phần của các nguyên tố trong toluen (dạng phần trăm).

Lời giải

Phân tử lượng của toluen là :

    `mu_("C"_7"H"_8)=(7xx12)+8=92\ "kg/kmol"`

Vậy thành phần khối lượng của cacbon là :  `x_C = 84 / 92 = 0,913`   (hay 91,3%)

Và của hydro là :  `x_H = 1 - x_C = 0,087`   (hay 8,7%)


2. Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp của toluen là bao nhiêu kJ/kg ?

Lời giải

Do ta dùng dư không khí nên khi cacbon cháy sẽ tạo ra CO2. Vậy nhiệt trị cao của toluen là:

    `bar q = x_C bar q_C + x_H bar q_H = (0,913 xx 32.700) + (0,087 xx 142.000)`

    `bar q=42.211\ "kJ/kg"`

Lượng nhiệt bị mất đi để làm sôi nước là:

    `q_n = 20.340 x_H = 20.340 xx 0,087 = 1770\ "kJ/kg"`

Vậy nhiệt trị thấp của toluen là:

    `bar q_t = 42.211 - 1770 = 40.441\ "kJ/kg"`


3. Động cơ này sử dụng mỗi giờ 15 lít toluen. Hiệu suất nhiệt của động cơ là 52% và tỷ trọng toluen là 0,86. Hỏi công suất động cơ này là bao nhiêu kW ?

Lời giải

Khối lượng toluen sử dụng mỗi giờ là:

    `M_("toluen") = d rho_oV_("toluen") = 0,87 xx 1000 xx 0,015 = 13,05\ "kg"`

Lượng nhiệt mà động cơ nhận mỗi giờ là:

    `Q = M_("toluen") bar q_t = 13,05 xx 40.441 = 527.755\ "kJ"`

Lượng công mà động cơ sinh ra là:

   ` W = eta_t Q = 0,52 xx 527.755 = 274.433\ "kJ"`

Và công suất động cơ là :

    `N = W / 3600 = 274.433 / 3600 = 76,23\ "kW"`


4. Quá trình đốt toluen có hệ số không khí thừa là 1,1. Nếu không khí có nhiệt độ là 30ºC thì mỗi giờ thiết bị này dùng bao nhiêu m3 không khí.

Lời giải

Để đốt 1 kg toluen với `alpha = 1,1` thì lượng không khí cần thiết là:

 `M_k=4,35\ alpha\ sum_i x_i M_("oxy, i")`

 `M_k=4,35xx1,1xx[(0,913xx2,67)+(0,087xx8)]`

 `M_k=14,65\ "kg/kg nl"`

Vậy để đốt 13,05 kg toluen thì thể tích không khí cần là:

 `V=(13,05M_kRT)/p=(13,05xx14,65xx287xx(30+273)) / 100.000`

 `V=166,3\ "m"^3`


5. Ống xả của động cơ này có hình trụ với đường kính là 50 mm. Nhiệt độ trung bình của ống xả là 180ºC và áp suất trung bình là 1,25 bar. Tính vận tốc sản phẩm cháy khi di chuyển trong ống xả theo đơn vị m/s.

Lời giải

Trước hết ta tính lượng sản phẩm cháy dựa trên phương trình cháy thực tế qua các bước.

Phương trình cháy lý thuyết (phương trình A):

C7H8 + 9 O2 → 7 CO2 + 4 H2O

Điều chỉnh phương trình A bằng cách đưa thêm nitơ vào hai vế. Số kmol nitơ là `3,76xx9=33,84`.

C7H8 + 9 O2 + 33,84 N2 → 7 CO2 + 4 H2O + 33,84 N2

Tiếp tục điều chỉnh phương trình vừa thu được bằng cách tính đến lượng không khí cung cấp thừa 10%. Ta có:

  • số kmol oxy cung cấp thực tế :  1,1 × 9  =  9,9
  • số kmol nitơ cung cấp thực tế :  1,1 × 33,84  =  37,22
  • số kmol oxy dư trong sản phẩm cháy :  9,9 - 9  =  0,9

Do đó phương trình cháy thực tế là :

C7H8 + 9,9 O2 + 37,22 N2 → 7 CO2 + 4 H2O + 37,22 N2 + 0,9 O2

Vậy nếu ta đốt 1 kmol toluen (hay 92 kg), số kmol sản phẩm cháy thu được là:

    `m_(spc) = 7 + 4 + 37,22 + 0,9 = 49,12\ "kmol"`

Vậy lượng sản phẩm cháy do động cơ tạo ra trong mỗi giờ là:

    `m = (13,05) / 92 xx 49,12 = 6,968\ "kmol"`

Với điều kiện về nhiệt độ và áp suất của ống xả, thể tích của sản phẩm cháy sẽ là:

    `V=(mR_(mu)T)/p=(6,968xx8314xx(180+273))/(1,25xx10^5)=209,9\ "m"^3`

Và vận tốc trung bình của sản phẩm cháy trong ống xả là:

    `omega=(V/3600)/((piD^2)/4)=((209,9)/3600) / ((3,14xx0,05^2)/4)=29,71\ "m/s"`


6. Về mặt lý thuyết, ta xem như quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh không có tổn thất nhiệt lượng. Xác định nhiệt độ cao nhất trong xy lanh của động cơ này khi cháy nhiên liệu.(đơn vị là ºC).

Lời giải

Nhiệt độ cao nhất trong xy lanh của động cơ này chính là nhiệt độ cháy lý thuyết. Để xác định thông số này, ta ứng dụng công thức (17) cho 1 kmol toluen (hay 92 kg).

Khi đốt 1 kmol toluen, lượng nhiệt tạo ra là:

    `bar Q_t = 92 xx 40.441 = 3.720.570\ "kJ"`

Từ phương trình cháy thực tế, khi đốt 1 kmol toluen ta thu được:

  • 7 + 4  =  11 kmol khí 3 nguyên tử
    có nhiệt dung riêng là  `C_(mu p)=37,6` kJ•kmol-1•độ-1
  • 37,22 + 0,9  =  38,12 kmol khí 2 nguyên tử
    có nhiệt dung riêng là  `C_(mu p)=29,3` kJ•kmol-1•độ-1

Vậy :   `Delta t=(bar Q_t)/(sum_i m_i C_(mu i))`

  `Delta t=(3.720.570)/((11xx37,6)+(38,12xx29,3))=2431"°C"`

Do đó nhiệt độ cao nhất trong quá trình cháy là 30 + 2431 = 2461ºC


Bài tập 2

 

Trong công nghiệp, người ta dùng axetylen C2H2 để cắt thép bằng cách đốt cháy khí này bằng oxy nguyên chất. Trong bài tập này ta sẽ so sánh nhiệt độ cháy lý thuyết khi đốt axetylen dùng oxy nguyên chất với khi đốt dùng không khí thông thường. Các quá trình đốt đều được tổ chức rất tốt nên không dùng thừa oxy và nhiệt độ môi trường là 30ºC.

1. Tính thành phần của các nguyên tố trong axetylen (dạng phần trăm).

Lời giải

Phân tử lượng của axetylen là :

    `mu_("C"_2"H"_2) = (2 xx 12) + 2 = 26\ "kg/kmol"`

Vậy thành phần khối lượng của cacbon là:  `x_C = 24 / 26 = 0,923`   (hay 92,3%)

Và của hydro là :  `x_H = 1 - x_C = 0,077`   (hay 7,7%)


2. Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp của axetylen là bao nhiêu kJ/kg?

Lời giải

Do quá trình cháy được tổ chức tốt va không thiếu không khí nên khi cacbon cháy sẽ tạo ra CO2. Vậy nhiệt trị cao của axetylen là:

    `bar q = x_C bar q_C + x_H bar q_H = (0,923 xx 32.700) + (0,077 xx 142.000)`

    `bar q=41.119\ "kJ/kg"`

Lượng nhiệt bị mất đi để làm sôi nước là:

    `q_n = 20.340 x_H = 20.340 xx 0,077 = 1566\ "kJ/kg"`

Vậy nhiệt trị thấp của axetylen là:

    `bar q_t = 41.119 - 1566 = 39.553\ "kJ/kg"`


3. Lượng sản phẩm cháy sinh ra khi đốt 1 kmol axetylen bằng không khí là bao nhiêu kmol?

Lời giải

Phương trình cháy lý thuyết của axetylen là:

C2H2 + 2,5 O2 → 2 CO2 + H2O

Điều chỉnh phương trình này bằng cách đưa thêm nitơ vào hai vế. Số kmol nitơ là `3,76xx2,5=9,4`.

C2H2 + 2,5 O2 + 9,4 N2 → 2 CO2 + H2O + 9,4 N2

Vậy khi đốt 1 kmol axetylen, số kmol sản phẩm cháy thu được là:

`m_(spc) = 2 + 1 + 9,4 = 12,4\ "kmol"`


4. Nhiệt độ cháy lý thuyết khi đốt axetylen bằng không khí là bao nhiêu ºC ?

Lời giải

Khi đốt 1 kmol axetyen, lượng nhiệt tạo ra là:

    `bar Q_t = 26 xx 39.553 = 1.028.380\ "kJ"`

Từ phương trình cháy thực tế, khi đốt 1 kmol axetylen ta thu được:

  • 2 + 1  =  3 kmol khí 3 nguyên tử
    có nhiệt dung riêng là  `C_(mu p) = 37,6` kJ•kmol-1•độ-1
  • 9,4 kmol khí 2 nguyên tử
    có nhiệt dung riêng là  `C_(mu p) = 29,3` kJ•kmol-1•độ-1

Vậy :   `Delta t=(bar Q_t)/(sum_i m_i C_(mu i))`

  `Delta t=(1.028.380)/((3xx37,6)+(9,4xx29,3))=2649"°C"`

Do đó nhiệt độ cháy lý thuyết khi đốt axetylen bằng không khí là:
30 + 2649  =  2679ºC


5. Lượng sản phẩm cháy sinh ra khi đốt 1 kmol axetylen bằng oxy là bao nhiêu kmol?

Lời giải

Phương trình cháy của axetylen là :

C2H2 + 2,5 O2 → 2 CO2 + H2O

Vậy khi đốt 1 kmol axetylen bằng oxy, số kmol sản phẩm cháy thu được là:

    `m_(spc) = 2 + 1 = 3\ "kmol"`


6. Nhiệt độ cháy lý thuyết khi đốt axetylen bằng oxy là bao nhiêu ºC ?

Lời giải

Khi đốt 1 kmol axetyen bằng oxy, lượng nhiệt tạo ra vẫn là 1.028.380 kJ.

Từ phương trình cháy, khi đốt 1 kmol axetylen bằng oxy ta thu được 3 kmol khí 3 nguyên tử.

Vậy :   `Delta t=(bar Q_t)/(sum_i m_i C_(mu i))`

  `Delta t=(1.028.380)/(3xx37,6)=9117"°C"`

Do đó nhiệt độ cháy lý thuyết khi đốt axetylen bằng oxy là `30+9117=9147\ "°C"`





Trang web này được cập nhật lần cuối ngày 17/12/2018