![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Основные показатели и характеристика испаряемости жидких топлив
Одним из главных вопросов в основах химмотологии является изучение процессов испарения и горения жидких топлив, так как испаряемость, воспламеняемость и горючесть – это важнейшие эксплуатационные характеристики топлив различного назначения. Испаряемость как способность топлив переходить из жидкого состояния в парообразное во многом определяет надежность, экономичность и долговечность работы двигателя на разных режимах, его приемистость к топливу, полноту сгорания, характер горения топлива, количество отложений в двигателе, образование паровых пробок в топливной системе, разжижение масла в картере, потери топлив от испарения при хранении, перекачках и транспортировании [1, 5, 7, 8, 12]. Испаряемость характеризует важное эксплуатационное свойство топлив – способность к образованию топливо-воздушной смеси требуемого качественного состава. Испарение представляет собой сложный физико-химический процесс, при котором одновременно изменяется масса топлива, температура, скорость относительного перемещения топлива и воздуха. Интенсивность и полнота испарения топлива в двигателе зависят от физико-химических свойств топлива, параметров среды, конструкции двигателя, особенностей подачи топлива и способа образования горючей смеси. Важными показателями испаряемости топлив являются давление насыщенных паров и фракционный состав, теплофизические и физические характеристики: энтальпия образования, теплоемкость, теплопроводность, теплота парообразования, коэффициент диффузии, вязкость, поверхностное натяжение и фуггитивность (летучесть). Давление насыщенных паров (РS) определяют в бомбе Рейда, при соотношении объемов паровой и жидкой фаз Vn/Vж = 4 и Т = 311К (38º С). При других температурах давление насыщенных паров определяют по эмпирической формуле
PS= PS(311K) 104, 6 - (1430/Т). (6.1)
Определить давление насыщенных паров можно по номограмме, представленной на рисунке 15, где при разных давлениях находят температуры кипения углеводородов. Фракционный состав нефтепродуктов представляет собой содержание в них углеводородных фракций в объемных или массовых процентах, выкипающих в стандартном аппарате для прямой разгонки в заданном интервале температур. При определении фракционного состава любого топлива фиксируют температуру начала (tнк) и конца (tкк) перегонки (кипения), а также температуры 10%-го (t10%), 50%-го (t50%), 90%-го (t90%) и 96%-го (t96%) выкипания. Полученные результаты оформляют в виде таблицы, строят кривую фракционной разгонки и определяют среднеобъемную температуру кипения (tср. о) топлива по формуле
tср. о = (tнк + 4t50% + tкк)/6, (6.2)
которую используют для нахождения характерной вязкости и теплоемкости жидкого топлива.
Рисунок 15 – Номограмма для определения давления насыщенных Из среднеобъемной температуры кипения топлива определяют с помощью поправок, показанных на рисунке 16, среднюю температуру разгонки (tср.). Неполное сгорание увеличивает расход топлива, снижает мощность двигателя, смывает масло с рабочих поверхностей цилиндропоршневой группы, увеличивая их износ, загрязняет окружающую среду, нанося ей и экономике страны непоправимый ущерб. Дизельные топлива должны обладать оптимальной испаряемостью и, следовательно, иметь оптимальный фракционный состав. Большое содержание в дизельных топливах высококипящих углеводородов затрудняет пуск двигателя, снижает его экономичность и увеличивает дымность отработавших газов. Дизельные топлива облегченного состава близки к бензинам, быстро и полно испаряются, но обладают плохой самовоспламеняемостью в камере сгорания. Испаряемость дизельных топлив обычно нормируют по трем или четырем температурам выкипания фракций (t10%, t50%, t96% и tкк).
Рисунок 16 – График для нахождения поправки при определении
По кривой разгонки топлива и его плотности можно определить многие параметры топлива, а зная фракционный состав, по номограмме, представленной на рисунке 17, определяют для заданной температуры воздуха пусковые свойства бензина, вероятность образования паровых пробок в топливной системе, прогрев и приёмистость двигателя по топливу, степень разжижения масла в картере, возможную полноту сгорания топлива карбюраторных двигателей.
Рисунок 17 – Номограмма для эксплутационной оценки бензинов
Испаряемость топлив в определенной степени зависит от его молекулярной массы (Мт), которая функционально связана с плотностью и средней температурой разгонки топлива, как показано на рисунке 18. Процессы испарения и смешения топлив связаны с подводом или отводом тепла, поэтому важно знать такие характеристики, как энтальпия, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности жидкого топлива и его паров, а также теплота парообразования.
Рисунок 18 – Зависимость молекулярной массы топлива
Энтальпия жидкого топлива (hт) представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания топлива с 273К до нормальной температуры (Т). Энтальпия паров углеводородов (
где Энтальпия жидкого топлива приближенно определяется по формуле hт = (1, 7t + 0, 0017t2)/
Удельная теплоемкость жидких углеводородов, в том числе и моторных топлив, находится в интервале 1, 3–2, 5 кДж/(кг·К), а для жидких топлив при температуре 0º С теплоемкость можно рассчитать по эмпирической формуле
Ст, 0 = 1, 7 Для других температур в интервале 0–200º С она определяется из соотношения
Ст, t = Ст, 0(1 + 0, 001t). (6.6)
Удельная теплоемкость паров топлив зависит от химического состава, температуры и давления, но так как при 0º С она для всех моторных топлив находится в пределах Сп, o = 1, 5–1, 7 кДж/(кг·К), то при других температурах ее величину определяют по формуле
Сп, t = Сп, o (1 + 1, 2·10-3t), кДж/(кг·К). (6.7)
Коэффициент теплопроводности жидких топлив (λ т, 0) при 0º С рассчитывают по формуле
λ т, 0 = 0, 117/
Однако с повышением температуры он уменьшается и в интервале температур 0–200º С определяется из соотношения
λ т = λ т, 0(1 – 1, 1·10-3t). (6.9)
Коэффициент теплопроводности паров топлив (λ п) при 0º С определяют из зависимости
где Но так как с повышением температуры он увеличивается, то определяется в кДж/(м·с·К) из соотношения
где n = 1, 7–2. Теплота парообразования (Lv) моторных топлив зависит от их фракционного состава, температуры и определяется по номограмме, показанной на рисунке 19. С повышением температуры она понижается, а при 0º С для бензинов она находится в пределах 90–315 кДж/кг, для керосинов 250–270 кДж/кг и для дизельных топлив Коэффициент диффузии паров (Dп, м2/с) зависит от температуры и давления по зависимости: Dп = Dп, 0( где Dп, 0 – коэффициент диффузии паров при нормальных условиях
Рисунок 19 – Номограмма для определения теплоты парообразования топлив
Коэффициент (Dп) уменьшается с увеличением молекулярной массы (Мт) топлив, а при одинаковых Мт он имеет наименьшие значения для ароматических углеводородов и наибольшие для нафтенов. Кроме того, коэффициент диффузии подчиняется закону аддитивности, зависит от скорости воздуха ( Коэффициент диффузии паров топлива в воздух зависит от скорости воздуха в соответствии с соотношением Dп, ω = Dп, 0 где Dп, ω и Dп, 0 – коэффициенты диффузии паров топлива в подвижный и неподвижный воздух; PS и P – давления насыщенных паров топлива и парциальное давление паров в топливно-воздушной смеси. Кроме этих параметров испаряемость топлив косвенно зависит от вязкости и поверхностного натяжения, так как процесс испарения жидкого топлива связан с быстрым насыщением его парами тонкого приповерхностного слоя, которые затем путем диффузии распространяются в окружающую среду. В зависимости от соотношения скоростей испарения жидкости из поверхностного слоя и диффузии паров в окружающую среду различают два режима испарения: кинетический и диффузионный. Как правило, в поршневых ДВС топливо испаряется в диффузионном режиме, но процесс определяется в основном тепломассопереносом между поверхностью испарения и окружающей средой. В зависимости от ее (окружающей среды) гидродинамического состояния диффузия может быть молекулярной или конвективной. Молекулярная диффузия подчиняется эмпирическому закону Фика, который справедлив для изотермических условий, например, испарения топлив в неподвижной среде в резервуарах. В большинстве случаев основным видом массопереноса в двигателях является конвективная диффузия паров топлива при движении среды, причем в ламинарном потоке (как и в неподвижной среде) перенос вещества осуществляется в основном за счет молекулярной диффузии, а при турбулентном движении – за счет турбулентных пульсаций. Перенос массы вещества одновременно молекулярной и конвективной диффузиями называют конвективным массообменном, и когда он происходит между движущейся средой и поверхностью (жидкой или твердой) другой среды, его называют массоотдачей. Для описания конвективной массоотдачи на границе раздела поверхность – среда применяют формулу Дальтона:
i = где i – удельный поток пара;
Тт – средняя температура паров топлива; R – газовая постоянная паров; PS – давление насыщенных паров топлива; PV, Коэффициент
где
Ср, п – теплоемкость паров топлива. При смесеобразовании в поршневых ДВС происходит неизотермическое испарение, когда температуры испаряющегося топлива и среды не равны. При этом происходят два вида испарения: низкотемпературное, когда температура среды ниже температуры кипения топлива; высокотемпературное, когда температура среды выше температуры кипения топлива. Низкотемпературный режим характерен для испарения капель и пленки топлива во впускных трубопроводах в двигателях с внешним смесеобразованием, например, в карбюраторных ДВС. Испарение топлива в ДВС происходит с одновременным теплообменом, который в простейшем случае происходит за счет молекулярной теплопроводности. Для заторможенных капель топлива в относительно неподвижной среде (капли в потоке воздуха) характерна молекулярная диффузионная теплопроводность. При движении капель в воздушной среде и обдуве пленок топлива протекает конвективный теплообмен, где удельный тепловой поток q определяют из выражения
q = a(Тв - Тпов), (6.16)
где Тпов – температура поверхности испарения; Тв – температура воздуха. При испарении капель топлива в нагретом воздухе массовый поток паров от поверхности капли уменьшает тепловой поток и, следовательно, скорость испарения. В поршневых ДВС испарение капли топлива обычно сопровождается одновременным ее нагреванием, особенно интенсивным в дизелях. Поэтому для упрощения расчета скорости испарения принимают, что процесс состоит из двух стадий: нагревания поверхности капли до температуры квазистационарного испарения; стационарного испарения при этой температуре. Температура квазистационарного испарения (Ти) зависит от фракционного состава, температуры кипения, давления насыщенных паров, давления и температуры окружающей среды, но почти не зависит от относительной скорости движения и диаметра капли. При высоких температурах окружающей среды (например, в дизелях) Ти можно принимать равной температуре кипения (ТS), так как при определении Ти, в условиях поршневых ДВС, тепло лучеиспускания не учитывается, а его доля составляет менее 1, 5 %. При температуре окружающей среды (воздуха) меньшей температуры кипения испарение близко к изотермическому и лимитируется диффузией паров, а когда температура воздуха больше температуры кипения, то испарение топлива лимитируется теплообменом. В расчетах скорости испарения топлив теплоту испарения (Lv), теплоемкость жидкой фазы (Ст), давление насыщенного пара (РS) необходимо брать при температуре квазистационарного испарения капли (Ти). Коэффициенты диффузии (Dп) и температуропроводности ( В дизелях топливо испаряется в виде факела, состоящего из множества капель разного размера, движущихся со скоростями, измеряемыми сотнями метров в секунду и при этом идет интенсивный теплообмен с нагретым воздухом, который определяет скорость испарения топлива. При испарении массы капель в турбулентной газовой струе существуют два предельных режима испарения: кинетический и диффузионный. Для кинетического режима скорость испарения системы капель определяется как сумма скоростей испарения отдельных капель в этой системе, а для диффузионного – испарение струи (факела капель) – определяется скоростью поступления наружного воздуха в объем струи (факела).
Вопросы для самопроверки 1. Назовите основные закономерности испарения топлив. 2. Каково влияние испаряемости на экономию топлив, мощностные характеристики ДВС и экологическую безопасность автомобиля? 3. Как и в каком режиме происходит образование горючей смеси распыленного топлива?
|