А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
ХиММотология топлив
 Химмотология(от греч. chemia — химия, лат. motor — приво- дящий в движение и греч. logos — наука) — область знаний о свойствах, качестве и рациональном использовании топлива и смазочных материалов (ТСМ) в технике (двигателях, особенно внутреннего сгорания, машинах и механизмах). Термин «химмото- логия» впервые предложен в СССР (К.К. Папок, 1964).Xиммотология возникла и развивается на стыке органической, физической и коллоидной химии, нефтехимии, физики, экономи- ки и экологии. Формирование химмотологии в самостоятельное направление науки обусловлено увеличением объемов потребле- ния ТСМ, возрастанием их значения в обеспечении надежности и долговечности техники. Кроме того, перед химмотологией в по- следнее время остро встали две относительно новые проблемы: стабилизация добычи нефти и получение моторных топлив из альтернативного сырья; изучение и улучшение экологических свойств ТСМ в связи с тем, что влияние многочисленных видов транспорта на окружа- ющую среду зависит от состава и свойств применяемых топлив и масел (прекращение производства этилирированных бензинов, разработка городского дизельного топлива, снижение расхода сма- зочных масел на угар и т.д.). Задачи химмотологии можно условно разделить на три груп- пы. Первая из них связана с оптимизацией качества ТСМ, обеспе- чением наиболее полного соответствия их эксплуатационных свойств требованиям двигателей. Решение задач этой группы ба- зируется на исследовании комплекса физико-химических процес- сов, протекающих при использовании ТСМ (испарение, смесе- образование, сгорание, лако- и нагарообразование, коррозионный и механический износ и т.д.). Эта же группа включает работы по оценке эффективности путей улучшения качества ТСМ (новые компоненты, методы очистки, присадки, добавки и др.) и расши- рению их ресурсов (например, альтернативные топлива, синтети- ческие смазочные материалы). Вторая группа задач направлена на повышение эффективности применения ТСМ в условиях эксплуатации. К этой группе отно- сятся разработка и научное обоснование норм расхода ТСМ, сро- ков их хранения, принципов классификации, унификации сортов и марок, взаимозаменяемости, методов восстановления качества некондиционных топлив и регенерации отработавших смазочных материалов. Третья группа задач посвящена разработке и совершенствова- нию методов оценки качества ТСМ. В эту группу входят также исследования по совершенствованию приборов и методов анали- тического контроля качества топлив и масел, разработке стандар- тов и технических условий на них и методов анализа.
Повышение мировых цен на традиционные источники энер- гии, политическая и экономическая нестабильность в странах, яв- ляющихся основными поставщиками нефти и газа на мировые рынки, заставляют ведущие страны искать другие виды источни- ков энергии.Эволюция конструкции двигателя внутреннего сгорания долж- на подчиняться современным требованиям норм охраны окружаю- щей среды. Эти требования касаются как самих двигателей, так и применяемых в них топлив. Развитие топлив идет по следую- щим направлениям: совершенствование технологии переработки нефти; поиск новых добавок к топливам; применение альтернатив- ных топлив. По определению Д.И. Менделеева, «топливом называется го- рючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты». Топливо должно отвечать следующим основным требованиям: при сгорании выделять возможно большее количество теплоты, срав- нительно легко загораться, быть широко распространенным в при- роде, доступным для разработки, дешевым при использовании, сохранять свои свойства во время хранения. Очень важно, чтобы в процессе сгорания топлива не выделялись вещества, представ- ляющие опасность для окружающей среды. Этим требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемые угли, дрова, горючие сланцы, торф (табл. 2.1). Таблица2.1 Общая классификация топлив
Топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючая часть топлива представляет собой совокупность различных орга- нических соединений, в которые входят углерод, водород, кисло- род, азот, сера. Негорючая часть (балласт) состоит из минераль- ных примесей, включающих золу и влагу. Углерод С — основная горючая часть топлива, с увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. Для раз- личных топлив содержание углерода составляет от 50 до 97 %. Водород Н является второй по значимости горючей составля- ющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25 %. Однако при сгорании водорода выделяется в 4 раза больше тепло- ты, чем при сгорании углерода. Кислород О, входящий в состав топлива, не горит и не выде- ляет теплоты, поэтому является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива колеблется в ши- роких пределах: от 0,5 до 43 %. Азот N не горит и так же, как кислород, является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах то- плива невелико и составляет 0,5...1,5 %. Сера S, при сгорании которой выделяется определенное коли- чество теплоты, является весьма нежелательной составной частью топлива, так как продукты ее сгорания — сернистый SO2 и серный SО3 ангидриды — вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в твер- дом топливе достигает 8 %, в нефти — от 0,1 до 4 %. Зола Апредставляет собой негорючий твердый компонент, ко- личество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной и даже вредной примесью, так как в ее присутствии усиливаются абразивные износы, усложняется экс- плуатация котельных установок и т.д. Топливо с высоким содержа- нием золы имеет низкую теплоту сгорания и воспламенения. Влага W является весьма нежелательной примесью, так как, отбирая часть теплоты на испарение, снижает теплоту и темпера- туру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (осо- бенно в зимнее время), способствует коррозии и т.д. Примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке или хранении, а вторые входят в его химический состав. Топливо, которое поступает к потребителю в естественном со- стоянии и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называет- ся рабочим. Для определения сухой массы топлива его высушива- ют при температуре 105 С для удаления влаги. Состав газообразных топлив весьма разнообразен. Горючая часть его включает водород Н, окись углерода СО, метан СН4 и другие газообразные углеводороды (CnHm) с числом углеводо- родных атомов до 4 включительно. Тепловую ценность газообразного топлива представляют ме- тан и более тяжелые углеводороды. Окись углерода при сгорании выделяет незначительное количество тепла. Балластную часть га- зообразных топлив составляют негорючие газы, такие как азот N, углекислый СО3 и сернистый SО2, кислород О и пары воды Н2O. Теплота сгорания топлива является его основной качественной характеристикой. Для характеристики различных видов топлив служит удельнаятеплотасгорания— количество теплоты, выде- ляемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг). Для газообразных топлив применяется объемнаятеплотасго- рания — количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы объема (кДж/м3). Газообразное топливо оценивают так- же по молярнойтеплотесгорания, т.е. по количеству теплоты, вы- деляемой при полном сгорании одного моля газа (кДж/моль). Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива вычисляют по формуле Д.И. Менделеева. Высшее удельное количество теплоты сгорания определяют по формуле Qв 339C 1256H – 109(O – S). (2.1) Низшее (рабочее) удельное количество теплоты сгорания то- плива определяют по формуле Qн Qв – 25(9H W). (2.2) В формулах (2.1) и (2.2) содержание химических элементов выражается в процентах. Низшая, или рабочая, теплота сгорания Qн — это теплота сго- рания, получаемая в практических условиях. Вычитаемое 25(9H W) в формуле (2.2) представляет собой удельное количе- ство теплоты, которое затрачивается на превращение в пар влаги, выделяющейся при сгорании топлива. Пар уносится с продуктами сгорания в атмосферу (9Н — число массовых частей воды, образу- ющихся при сгорании одной массовой части водорода; Н, W — со- держание в топливе соответственно водорода и воды, %). В выражении (2.2) принято, что дымовые газы охлаждаются до 20 С, оставаясь в газо- и парообразном состояниях. Значит, 1 кг пара при выносе в атмосферу будет забирать 2671 – (100 – 20) 2,0096 2512 кДж/кг, где 2671 кДж/кг — количество теплоты, затрачиваемой на испарение 1 кг воды, (100 – 20) — условный перепад температуры паров воды, С; 2,0096 кДж/(кг град) — теплоемкость паров воды. В автотрактротных двигателях продукты сгорания отводят из цилиндров при температурах, значительно более высоких, чем температура конденсации паров воды. Поэтому рабочей теплотой сгорания бензинов и других жидких топлив считают величину Qн. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, зави- сит от химического состава, а следовательно, от содержания в нем углерода и водорода. Наибольшая массовая теплота сгорания водорода составляет 121 100 кДж/кг, углерода — 34 100 кДж/кг, поэтому парафиновые углеводороды с большим содержанием водорода имеют большую массовую теплоту сгорания по сравнению с ароматическими, со- держащими меньше водорода. Объемная же теплота сгорания меньше у парафиновых углеводородов и больше у нафтеновых и ароматических, так как у них выше плотность. Теплоту сгорания нефтепродуктов (кДж/кг) с достаточной степенью точности можно определить по формуле t Q 4,187(К– 2015 20 ), (2.3) t где К— коэффициент, зависящий от плотности нефтепродукта при 20 С и определяемый по справочной таблице; 20 — относи- тельная плотность нефтепродукта при 20 С. Основной характеристикой газообразных топлив является объемная теплота сгорания (кДж/м3), которая определяется деле- нием молярного количества теплоты сгорания на объем 1 киломо- ля газа. 1 киломоль любого газа при нормальных условиях (0 С и 760 мм рт. ст.) занимает объем 22,4 м3. Высшее объемное количество теплоты сгорания газообразного топлива в расчете на сухую массу может быть определено по фор- муле Qс.в 128(СО Н2) 399СН4 639СnНm, (2.4) а ее низшее объемное количество — Qc.н 128CO 108H2 356CH4 589CnHm. (2.5) Объемное количество теплоты сгорания рабочей массы газо- образного топлива, содержащего водяные пары, вычисляют по формулам Qp. 0, 805 Qc.B (2.6) или B 0, 805 W Qp.H 0, 805 Qc.H 0, 805 W , (2.7) где 0,805 — масса 1 м3 водяного пара, кг; W — содержание влаги в 1 м3 газа, кг. Теплоту сгорания определяют также опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах (кало- риметрах). Теплоту сгорания оценивают по повышению темпера- туры воды в калориметре. Для сравнения топлив введено понятие «условное топливо». За единицу такого топлива принято топливо, которое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 выделяет 29307,6 кДж. Чтобы перевести любое топливо в условное и потом сравнить его с другими, нужно теплоту сгорания данного топлива разделить на теплоту сгорания условного топлива. Полученное число представляет собой кало- рийный эквивалент данного топлива и показывает, во сколько раз реальное топливо выделяет больше или меньше теплоты по срав- нению с условным (табл. 2.2). Таблица2.2 Теплота сгорания и калорийные эквиваленты различных видов топлива
 Классификация топлив и их краткая характеристика 35Окончаниетабл.2.2
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||