ЛЕКЦИЯ Испарение

ОСНОВНЫЕ 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 (Р_S) определяют в бомбе Рейда, при соотношении объемов паровой и жидкой фаз V_n/V_ж = 4 и Т = 311К (38ºС). 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 1 где при разных давлениях находят температуры кипения углеводородов

Рисунок 1 – Номограмма для определения давления насыщенных паров углеводородов в зависимости от температуры при P_S

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 (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.

Из среднеобъемной температуры кипения топлива определяют 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).

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 (М_т), 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 (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, (1)

где – плотность углеводорода относительно дистиллированной воды.

Энтальпия жидкого топлива приближенно определяется по формуле

h_т = (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

С_т,0 = 1,7. (3)

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

С_т,t = С_т,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 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). (5)

Коэффициент теплопроводности жидких топлив (λ_т,0) при 0ºС рассчитывают по формуле

λ_т,0 = 0,117/, Bт/(м·К). ()

Однако с повышением температуры он уменьшается и в интервале температур 0–200ºС определяется из соотношения

λ_т = λ_т,0(1 – 1,1·10^-3t). ()

Коэффициент теплопроводности паров топлив (λ_п) при 0ºС определяют из зависимости

= 6,3··С_р,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 (L_v) 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 (D_п, м²/с) зависит от температуры и давления по зависимости:

D_п = D_п,0()²·, ()

где D_п,0 – коэффициент диффузии паров при нормальных условиях (Т₀ и Р₀).

Рисунок 3 – 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,0ln, (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.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 = (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 = (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).

9