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氢气引射器设计

氢气引射器设计之绝热指数的确定

范卫军

在氢燃料电池中，氢气引射器承担着供氢和回收尾气中氢气的重任。氢气引射器以其卓越的性能，如无需电能消耗、回收氢气、无故障等，奠定了自己的优势地位。

氢气引射器的设计中，涉及到许多的物性参数。绝热指数就是其中之一。

高压氢气喷射的过程，可视为绝热过程，其许多状态参数的计算，都必须依赖于绝热指数的确定。对于多种气体的混合物，如循环尾气，同样需要根据实际组分来计算其绝热指数。

根据绝热指数的定义，理想气体的定压比热容与定容比热容之比，即为其绝热指数，也叫比热容比。即：

k = Cp / Cv

而理想气体的绝热状态方程则为：

P / ρ^k = Constant

结合理想气体通用状态方程，可以确定亚临界流速、临界流速和超临界流速下的密度、比容、温度、压力等参数了。

要确定绝热指数，我们还需要知道一个重要的公式----梅耶方程。

梅耶方程指明，在相同温度条件下，任何理想气体的定压比热必大于其定容比热，且两者的差值恒等于一常数。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，在一定温度下，理想气体的定压比热容与定容比热容之差为气体常数。

这样，已知某温度下气体的定压比热容，就可以计算出相应温度下的绝热指数了。

对于混合气体，则可以根据各组分的摩尔分率，计算出混合气体的摩尔定压比热容，然后就可以求得其绝热指数了。

氢燃料电池循环回收气是氢气、氮气和水蒸气等的混合气体，其绝热指数就可以按照上述方法来计算。

对于在常见温度范围绝热指数变化不大的，也可以按照查表值来使用。下表是常见气体的绝热指数。

表 2-86 某些有机、无机物气体在 1.01325×10⁵ Pa（1atm）下质量热容比 Cp/Cv
化学式 中文名 英文名 t/℃ 热容比 k=Cp/Cv 化学式 中文名 英文名 t/℃ 热容比 k=Cp/Cv
C2H4O 乙醛 acetaldehyde 30 1.14 HCN 氰化氢 hydrogen cyanide 65 1.31
C2H4O2 乙酸 acetic acid 136 1.15 HCN 氰化氢 hydrogen cyanide 140 1.28
C2H2 乙炔 acetylene 15 1.26 HCN 氰化氢 hydrogen cyanide 210 1.24
C2H2 乙炔 acetylene −71 1.31 HI 碘化氢 hydrogen iodide 20～100 1.40
空气 air 925 1.36 H2S 硫化氢 hydrogen sulfide 15 1.32
空气 air 17 1.403 H2S 硫化氢 hydrogen sulfide −45 1.30
空气 air −78 1.408 H2S 硫化氢 hydrogen sulfide −57 1.29
空气 air −118 1.415 I2 碘 iodine 185 1.30
NH3 氨 ammonia 15 1.310 C4H10 异丁烷 Isobutane 15 1.11
Ar 氩 argon 15 1.668 Kr 氪 krypton 19 1.68
Ar 氩 argon −180 1.76 Hg 汞 mercury 360 1.67
Ar 氩 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（俗称甲缩醛） methylal 13 1.06
CHCl3 氯仿 chloroform 100 1.15 C3H8O2 二甲氧基甲烷（俗称甲缩醛） methylal 40 1.09
(CN)2 氰 cyanogen 15 1.256 Ne 氖 neon 19 1.64
C6H12 环己烷 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 氧化亚氮 nitrous oxide 100 1.28
C4H10O 乙醚 ether 35 1.08 N2O 氧化亚氮 nitrous oxide 15 1.303
C4H10O 乙醚 ether 80 1.086 N2O 氧化亚氮 nitrous oxide −30 1.31
C2H4 乙烯 ethylene 100 1.18 N2O 氧化亚氮 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 氢 hydrogen 15 1.410 P 磷 phosphorus 300 1.17
H2 氢 hydrogen −76 1.453 K 钾 potassium 850 1.77
H2 氢 hydrogen −181 1.597 Na 钠 sodium 750～920 1.68
HBr 溴化氢 hydrogen bromide 20 1.42 SO2 二氧化硫 sulfur dioxide 15 1.29
HCl 氯化氢 hydrogen chloride 15 1.41 Xe 氙 xenon 19 1.66
HCl 氯化氢 hydrogen chloride 100 1.40

对于实际气体的绝热指数，需遵循不同的方程，将另文进行介绍。

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