ЛЕКЦИЯ Испарение
.docОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСПАРЕНИЯ
ЖИДКИХ ТОПЛИВ
Основные показатели и характеристика испаряемости жидких топлив
Испарение и горение жидких топлив. воспламеняемость и горючесть – это важнейшие эксплуатационные характеристики топлив различного назначения. Испаряемость это способность топлив переходить из жидкого состояния в парообразное Испаряемость – химмотологическое свойство.,характеризующее особенности и результат процесса перехода топлива из жидкого состояния в парообразное. Испаряемость определяет 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
Испаряемость характеризует важное эксплуатационное свойство топлив – способность к образованию топливо-воздушной смеси требуемого качественного состава., условия смесеобразования и состав горючей смеси.. 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)
Стандартные показатели испаряемости
.
Испаряемость топлива оценивают показателями фракционного состава и и летучести
Показатели фракционного состава:
температура начала перегонки
температура выкипания 10. 20, 90, 96 %
температура конца перегонки
обьем остатка, неперегнанного в стандартных условиях
обьем потерь при перегонке
В последнее время в стандарты на автомобильные бензины введены новые показатели фракционного состава:
Обьем испарившегося бензина(%) при температуре 70, !00, 180°С
Показатели летучести:
потери от испарения:
давление насыщенных паров при 38°С ,гПа
склонность к образованию паровых пробок
индекс испаряемости
Давление насыщенных паров бензина-это давление паров, находящихся в равновесии с жидкой фазой при определенных соотношениях жидкой и паровой фазы и данной температуре. Давление насыщенных паров дает дополнительную характеристику по содержанию и составу низкокипящих фракций бензина. По величине давления насыщенных паров можно судить о пусковых свойствах бензина, о склонности к образованию паровых пробок в топливной системе двигателя, о возможных потерях бензина при транспортировании и хранении
Давление насыщенных паров (РS) определяют в бомбе Рейда, при соотношении объемов паровой и жидкой фаз Vn/Vж = 4 и Т = 311К (38ºС). 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 1 где при разных давлениях находят температуры кипения углеводородов
Рисунок 1 – Номограмма для определения давления насыщенных паров углеводородов в зависимости от температуры при PS
Фракционный состав нефтепродуктов показывает содержание отдельных углеводородных фракций в объемных или массовых процентах, выкипающих при перегонке топлива в заданном интервале температур в стандартных условиях испытаний. 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.
Из среднеобъемной температуры кипения топлива определяют 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).
Фракционный состав дизельного топлива определяет его испаряемость. В дизельных двигателях смесеобразование происходит за 20...40° поворота коленчатого вала в течение всего лишь 0,001...0,004 с, т.е. время смесеобразования в дизелях примерно в 10 .15 раз меньше, чем в карбюраторных двигателях. При таком ограниченном времени получение однородной качественной горючей смеси возможно только при достаточно хороших распыливании и испаряемости топлива.
Применение дизельного топлива с утяжеленным фракционным составом вследствие плохой его испаряемости обусловливает несвоевременное воспламенение и плохое сгорание горючей смеси, дымный выпуск, смывание масла со стенок цилиндров и, следовательно, повышенный износ цилиндропоршневой группы, увеличение образования отложений и ухудшение топливной экономичности двигателя.
Применение дизельного топлива со слишком облегченным фракционным составом, т. е. состоящего из углеводородов, плохо самовоспламеняющихся, затрудняющих пуск и определяющих жесткую работу двигателя, также недопустимо. Поэтому дизельное топливо имеет вполне определенный фракционный состав.
В результате фракционной разгонки получают температуры выкипания 50 и 96 % дизельного топлива. Температура выкипания 50 % определяет наличие в топливе пусковых фракций, а 96 % — является температурой конца кипения и свидетельствует о наличии в нем тяжелых фракций, ухудшающих смесеобразование, повышающих дымность выпускных газов, нагарообразование и снижающих топливную экономичность двигателя.
Утяжеление или одновременное утяжеление и облегчение фракционного состава дизельных топлив рассматривается как одно из перспективных направлений увеличения их ресурсов.
Установлено, что за счет увеличения температуры конца кипения с 360 до 380 °С ресурсы дизельного топлива могут быть увеличены на 3... 4 %. В связи с этим уже сейчас многие марки дизельных топлив, выпускаемых в Венгрии, Германии, Великобритании, Франции, характеризуются повышенной температурой конца кипения (380 °С и более). Расширение фракционного состава (одновременное его утяжеление и облегчение), т.е. отбор дизельных топлив в интервале температур от 106 до 380 "С, позволяет увеличить их выход на 14 ... 16 % при неизменном расходе нефти.
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 2. 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 2– Зависимость молекулярной массы топлива
от относительной плотности и средней температуры
Теплофизические характеристики топлив
Энтальпия жидкого топлива (hт) 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, (1)
где – плотность углеводорода относительно дистиллированной воды.
Энтальпия жидкого топлива приближенно определяется по формуле
hт = (1,7t + 0,0017t2)/. (2)
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 0ºС теплоемкость можно рассчитать по эмпирической формуле
Ст,0 = 1,7. (3)
Для других температур в интервале 0–200ºС она определяется из соотношения
Ст,t = Ст,0(1 + 0,001t). (4)
Удельная теплоемкость паров топлив зависит от химического состава, температуры и давления, но так как при 0ºС 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). (5)
Коэффициент теплопроводности жидких топлив (λт,0) при 0ºС рассчитывают по формуле
λт,0 = 0,117/, Bт/(м·К). ()
Однако с повышением температуры он уменьшается и в интервале температур 0–200ºС определяется из соотношения
λт = λт,0(1 – 1,1·10-3t). ()
Коэффициент теплопроводности паров топлив (λп) при 0ºС определяют из зависимости
= 6,3··Ср,п,о, кДж/(м·с·К), ()
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 (Lv) моторных топлив зависит от их фракционного состава, температуры и определяется по номограмме, показанной на рисунке 3. С повышением температуры она понижается, а при 0ºС 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 (Dп, м2/с) зависит от температуры и давления по зависимости:
Dп = Dп,0()2·, ()
где Dп,0 – коэффициент диффузии паров при нормальных условиях (Т0 и Р0).
Рисунок 3 – 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 () и для паров бензинов составляет Dп ≈ 8,5·10-6 м2/с, для паров дизельных топлив Dп ≈ 7,3 10-6 м2/с.
Коэффициент диффузии паров топлива в воздух зависит от скорости воздуха в соответствии с соотношением
Dп,ω = Dп,0ln, (6.13)
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.Вязкость и поверхностное натяжение влияют на процесс испарения через характеристики испарения. С увеличением вязкости и поверхностного натяжения распыление становится более неоднородным. Теплоемкость и теплопроводность топлива оказывают влияние на температуру и время прогрева топлива
Скорость испарения-количество вещества, которое испаряется с единицы поверхности в окружающую среду в единицу времени. Факторы, влияющие на скорость испарения:1 Размеры, форма и материал камеры. 2.Степень распыления топлива..3. Давление насышенных паров и коэффициент диффузии
В зависимости от соотношения скоростей испарения жидкости из поверхностного слоя и диффузии паров в окружающую среду различают два режима испарения: кинетический и диффузионный. Диффузия (распространение)- взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества Диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации и ведет к его более равномерному распределению по занимаемому обьему. Диффузия осуществляется благодаря броуновскому движению частиц. Смещение частицы L меняется со временем случайно, но средний квадрат смещенияза большое число столкновений растет пропорционально времени t
L=Dt
Коэффициент пропорциональности Д называют коэффициентом диффузии.
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 = (PS – PV,), (6.14)
где i – удельный поток пара;
– коэффициент массоотдачи (константа скорости диффузии);
Тт – средняя температура паров топлива;
R – газовая постоянная паров;
PS – давление насыщенных паров топлива;
PV,– парциальное давление паров топлива в воздухе.
Коэффициент находят эмпирически или используя подобие процессов тепло- и массообмена, в частности, из соотношения Льюиса:
=Ср,п, (6.15)
где – коэффициент теплоотдачи;
т – плотность топлива;
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 = (Тв Тпов), (6.16)
где – коэффициент конвективной теплоотдачи;
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 (), кинематическую вязкость (), теплоемкость паров (Ср,п) – при температуре пограничного слоя (Тт), а коэффициент теплопроводности среды – при температуре воздуха (Тв).
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).