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 (Р_S) определяют в бомбе Рейда, при соотношении объемов паровой и жидкой фаз V_n/V_ж = 4 и Т = 311К (38º С). При других температурах давление насыщенных паров определяют по эмпирической формуле

P_S= P_S(311K) 10^{4, 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 (t_нк) и конца (t_кк) перегонки (кипения), а также температуры 10%-го (t_10%), 50%-го (t_50%), 90%-го (t_90%) и 96%-го (t_96%) выкипания. Полученные результаты оформляют в виде таблицы, строят кривую фракционной разгонки и определяют среднеобъемную температуру кипения (t_{ср. о}) топлива по формуле

t_{ср. о} = (t_нк + 4t_50% + t_кк)/6, (6.2)

которую используют для нахождения характерной вязкости и теплоемкости жидкого топлива.

Рисунок 15 – Номограмма для определения давления насыщенных
паров углеводородов в зависимости от температуры при P_S

Из среднеобъемной температуры кипения топлива определяют с помощью поправок, показанных на рисунке 16, среднюю температуру разгонки (t_ср.). 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 (t_10%, t_50%, t_96% и t_кк).

Рисунок 16 – График для нахождения поправки при определении
среднемассовой, среднемольной и средней температур по
среднеобъемной температуре (цифры на кривых) в зависимости
от наклона кривой разгонки: a – поправка для нахождения
среднемассовой и средней температур; б – поправка для нахождения среднемольной температуры

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
по данным их разгонки: 1 – возможно образование паровых пробок;
2 – легкий пуск двигателя; 3 – затрудненный пуск двигателя;
4 – практически невозможен пуск холодного двигателя; 5 – быстрый прогрев и хорошая приемистость; 6 – медленный прогрев и плохая приемистость; 7 – незначительное разжижение масла в картере;
8 – заметное разжижение масла в картере; 9 – интенсивное разжижение масла в картере

Испаряемость топлив в определенной степени зависит от его молекулярной массы (М_т), 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
от относительной плотности и средней температуры

Энтальпия жидкого топлива (h_т) представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания топлива с 273К до нормальной температуры (Т). Энтальпия паров углеводородов (, кДж/кг) при атмосферном давлении рассчитывается по температурной зависимости вида

= (214 + 0, 456t + 0, 000587t²)(4 - ) - 310, (6.3)

где – плотность углеводорода относительно дистиллированной воды.

Энтальпия жидкого топлива приближенно определяется по формуле

h_т = (1, 7t + 0, 0017t²)/ . (6.4)

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

С_{т, 0} = 1, 7 . (6.5)

Для других температур в интервале 0–200º С она определяется из соотношения

С_{т, t} = С_{т, 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 С_{п, o} = 1, 5–1, 7 кДж/(кг·К), то при других температурах ее величину определяют по формуле

С_{п, t} = С_{п, 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/ , Bт/(м·К). (6.8)

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

= 6, 3· ·С_{р, п, о}, кДж/(м·с·К), (6.10)

где – динамическая вязкость паров топлива, кг/(м·с).

Но так как с повышением температуры он увеличивается, то определяется в кДж/(м·с·К) из соотношения

= ()ⁿ, (6.11)

где n = 1, 7–2.

Теплота парообразования (L_v) 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
190–230 кДж/кг.

Коэффициент диффузии паров (D_п, м²/с) зависит от температуры и давления по зависимости:

D_п = D_{п, 0}()²· , (6.12)

где D_{п, 0} – коэффициент диффузии паров при нормальных условиях
(Т₀ и Р₀).

Рисунок 19 – Номограмма для определения теплоты парообразования топлив

Коэффициент (D_п) уменьшается с увеличением молекулярной массы (М_т) топлив, а при одинаковых М_т он имеет наименьшие значения для ароматических углеводородов и наибольшие для нафтенов. Кроме того, коэффициент диффузии подчиняется закону аддитивности, зависит от скорости воздуха () и для паров бензинов составляет
D_п ≈ 8, 5·10^-6 м²/с, для паров дизельных топлив D_п ≈ 7, 3 10^-6 м²/с.

Коэффициент диффузии паров топлива в воздух зависит от скорости воздуха в соответствии с соотношением

D_{п, ω} = D_{п, 0} ln , (6.13)

где D_{п, ω} и D_{п, 0} – коэффициенты диффузии паров топлива в подвижный и неподвижный воздух;

P_S 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 = (P_S – P_V, ), (6.14)

где i – удельный поток пара;

– коэффициент массоотдачи (константа скорости диффузии);

Т_т – средняя температура паров топлива;

R – газовая постоянная паров;

P_S – давление насыщенных паров топлива;

P_V, – парциальное давление паров топлива в воздухе.

Коэффициент находят эмпирически или используя подобие процессов тепло- и массообмена, в частности, из соотношения Льюиса:

= С_{р, п}, (6.15)

где – коэффициент теплоотдачи;

_т – плотность топлива;

С_{р, 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(Т_в - Т_пов), (6.16)

где – коэффициент конвективной теплоотдачи;

Т_пов – температура поверхности испарения;

Т_в – 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 (Т_и) 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) Т_и можно принимать равной температуре кипения (Т_S), так как при определении Т_и, 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 (L_v), теплоемкость жидкой фазы (С_т), давление насыщенного пара (Р_S) необходимо брать при температуре квазистационарного испарения капли (Т_и). Коэффициенты диффузии (D_п) и температуропроводности (), кинематическую вязкость (), теплоемкость паров (С_{р, п}) – при температуре пограничного слоя (Т_т), а коэффициент теплопроводности среды – при температуре воздуха (Т_в).

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?