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氫氣引射器設計之絕熱指數的確定

氫氣引射器設計之絕熱指數的確定

范衛軍

在氫燃料電池中，氫氣引射器承擔供氫和回收廢氣中氫氣的重任。氫氣引射器以其卓越的性能，如無需電能消耗、回收氫氣、無故障等，奠定了自己的優勢地位。

氫氣引射器的設計中，涉及許多的物性參數。絕熱指數就是其中之一。

高壓氫氣噴射的過程，可視為絕熱過程，其許多狀態參數的計算，都必須依賴絕熱指數的決定。對於多種氣體的混合物，如循環廢氣，同樣需要根據實際組分來計算其絕熱指數。

根據絕熱指數的定義，理想氣體的定壓比熱容與定容比熱容之比，即為其絕熱指數，也稱為比熱容比。即：

k = Cp / Cv

而理想氣體的絕熱狀態方程式則為：

P / ρk = Constant

結合理想氣體通用狀態方程，可以確定亞臨界流速、臨界流速和超臨界流速下的密度、比容、溫度、壓力等參數了。

要確定絕熱指數，我們還需要知道一個重要的公式----梅耶方程式。

梅耶方程式指明，在相同溫度條件下，任何理想氣體的定壓比熱必大於其定容比熱，且兩者的差值恆等於一常數。梅耶方程是研究理想气体热物理性质的重要公式之一，其表达式如下：

Cp − Cv = R

即，在一定溫度下，理想氣體的定壓比熱容與定容比熱容差為氣體常數。

這樣，已知某溫度下氣體的定壓比熱容，就可以計算出對應溫度下的絕熱指數了。

對於混合氣體，則可以根據各組分的摩爾分率，計算出混合氣體的摩爾定壓比熱容，然後就可以求得其絕熱指數了。

氫燃料電池循環回收氣是氫氣、氮氣和水蒸氣等的混合氣體，其絕熱指數可依上述方法計算。

對於在常見溫度範圍絕熱指數變化不大的，也可以按照查表值來使用。下表是常見氣體的絕熱指數。

表 2-86 某些有機、無機物氣體在 1.01325×10⁵ Pa（1atm）下質量熱容比 Cp/Cv
化學式 中文名 英文名 t/℃ 熱容比 k=Cp/Cv 化學式 中文名 英文名 t/℃ 熱容比 k=Cp/Cv
C2H4O 乙醛 acetaldehyde 30 1.14 HCN 氰化氫 hydrogen cyanide 65 1.31
C2H4O2 醋酸 acetic acid 136 1.15 HCN 氰化氫 hydrogen cyanide 140 1.28
C2H2 乙炔 acetylene 15 1.26 HCN 氰化氫 hydrogen cyanide 210 1.24
C2H2 乙炔 acetylene −71 1.31 HI 碘化氫 hydrogen iodide 20～100 1.40
空氣 air 925 1.36 H2S 硫化氫 hydrogen sulfide 15 1.32
空氣 air 17 1.403 H2S 硫化氫 hydrogen sulfide −45 1.30
空氣 air −78 1.408 H2S 硫化氫 hydrogen sulfide −57 1.29
空氣 air −118 1.415 I2 碘 iodine 185 1.30
NH3 氨 ammonia 15 1.310 C4H10 異丁烷 Isobutane 15 1.11
Ar 氬 argon 15 1.668 Kr 氪 krypton 19 1.68
Ar 氬 argon −180 1.76 Hg 汞 mercury 360 1.67
Ar 氬 argon 0～100 1.67 CH4 甲烷 methane 600 1.113
C6H6 苯 benzene 90 1.10 CH4 甲烷 methane 300 1.16
Br2 溴 bromine 20～350 1.32 CH4 甲烷 methane 15 1.31
CO2 二氧化碳 carbon dioxide 15 1.304 CH4 甲烷 methane −80 1.34
CO2 二氧化碳 carbon dioxide −75 1.37 CH4 甲烷 methane −115 1.41
CS2 二硫化碳 disulfide 100 1.21 C3H6O2 乙酸甲酯 methyl acetate 15 1.14
CO 一氧化碳 monoxide 15 1.404 CH4O 甲醇 alcohol 77 1.203
CO 一氧化碳 monoxide −180 1.41 C2H6O 甲醚 ether 6～30 1.11
Cl2 氯 chlorine 15 1.355 C3H8O2 二甲氧基甲烷（俗稱甲縮醛） methylal 13 1.06
CHCl3 氯仿 chloroform 100 1.15 C3H8O2 二甲氧基甲烷（俗稱甲縮醛） methylal 40 1.09
(CN)2 氰 cyanogen 15 1.256 Ne 氖 neon 19 1.64
C6H12 環己烷 cyclohexane 80 1.08 NO 氧化氮 nitric oxide 15 1.400
CCl2F2 二氯二氟甲烷 dichlorodifluoromethane 25 1.139 NO 氧化氮 nitric oxide −45 1.39
C2H6 乙烷 Ethane 100 1.19 NO 氧化氮 nitric oxide −80 1.35
C2H6 乙烷 Ethane 15 1.22 N2 氮 nitrogen 15 1.404
C2H6 乙烷 Ethane −82 1.28 N2 氮 nitrogen −181 1.47
C2H6O 乙醇 ethyl alcohol 90 1.13 N2O 氧化亞氮 nitrous oxide 100 1.28
C4H10O 乙醚 ether 35 1.08 N2O 氧化亞氮 nitrous oxide 15 1.303
C4H10O 乙醚 ether 80 1.086 N2O 氧化亞氮 nitrous oxide −30 1.31
C2H4 乙烯 ethylene 100 1.18 N2O 氧化亞氮 nitrous oxide −70 1.34
C2H4 乙烯 ethylene 15 1.255 O2 氧 oxygen 15 1.401
C2H4 乙烯 ethylene −91 1.35 O2 氧 oxygen −76 1.415
He 氦 helium −180 1.660 O2 氧 oxygen −181 1.45
C6H14 正己烷 hexane (n-) 80 1.08 C5H12 戊烷 pentane (n-) 86 1.086
H2 氫 hydrogen 15 1.410 P 磷 phosphorus 300 1.17
H2 氫 hydrogen −76 1.453 K 鉀 potassium 850 1.77
H2 氫 hydrogen −181 1.597 Na 鈉 sodium 750～920 1.68
HBr 溴化氫 hydrogen bromide 20 1.42 SO2 二氧化硫 sulfur dioxide 15 1.29
HCl 氯化氫 hydrogen chloride 15 1.41 Xe 氙 xenon 19 1.66
HCl 氯化氫 hydrogen chloride 100 1.40

對於實際氣體的絕熱指數，需遵循不同的方程，另文介紹。

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