Лекции - горюче смазочные материалы

Введение

В состав агропромышленного комплекса страны входит огромный парк с/х техники. Для эксплуатации этой техники ежегодно требуется десятки миллионов тонн нефтепродуктов. К ним относится топливо, моторные и трансмиссионные масла, пластические смазки, технические жидкости. Для того чтобы рационально и экономно использовать нефтепродукты, необходимо овладеть определенными знаниями.

В данном предмете изучаются теоретические основы применения, дается оценка эксплуатационных свойств топлива, масел, смазок и жидкостей, необходимых для технически правильной эксплуатации машинно-тракторного парка, рационального использования нефтепродуктов и их экономии.

Глава 1. СВОЙСТВА И ВИДЫ ТОПЛИВА

1. Классификация и состав топлива

Топливо необходимо для получения теплоты с целью наиболее полного ее использования для нужд человека. Не каждое способное гореть вещество может быть топливом, поэтому оно должно обладать следующими свойствами:7

Топливо должно отвечать следующим основном требованиям:

1. Присгорании выделять возможно большее количество теплоты;

2. Сравнительно легко загораться и давать высокую температуру;

3. Быть достаточно широко распространенным в природе;

4. Доступным для разработки, дешевым при использовании;

5. Сохранять свои свойства во время хранения;

6. Не образовывать в процессе сгорания вредные для окружающей среды вещества.

Этим требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемый уголь, дрова, горючие сланцы, торф.

По агрегатному состоянию все виды топлива могут быть разделены на жидкие, газообразные и твердые, а по происхождению — на естественные и искусственные (табл. 1).

1. Общая классификация топлива

Происхождение

естественное

искусственное

Жидкое

Газообразное

Твердое

Нефть

Природный и нефтепромысловый газы

Ископаемые угли, горючие сланцы, торф, дрова

Бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, спирт, бензол, смолы (каменноугольная, торфяная, сланцевая).

Коксовый, доменный, конвертерный, ферросплавный, газы на нефтеперерабатывающих заводах.

Каменноугольный кокс, древесный уголь.

Топливо состоит из горючей и негорючей частей.

Горючая часть представляет собой совокупность различных органических соединений, в которую входят углерод, водород и сера.

Негорючая часть (балласт) — это минеральные примеси, в которые входят порода, зола и влага. Своим присутствием минеральные примеси и влага уменьшают содержание горючей массы в единице массы рабочего топлива; кроме того, при сжигании топлива на испарение влаги затрачивается определенное количество тепла. Поэтому с увеличением зольности и влажности уменьшается теплота сгорания топлива, увеличивается его расход у потребителя, соответственно увеличиваются расходы на добычу и перевозку.

Углерод С — основная горючая часть топлива. С увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. В различных видах топлива содержится от 50 до 97 % углерода.

Водород Н — вторая по значимости после углерода составляющая. По сравнению с углеродом водорода в топливе содержится меньше (до 25%), однако при его сгорании теплоты выделяется в 4 раза больше.

Кислород О, входящий в состав топлива, не горит и не выделяет теплоты, поэтому фактически является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива составляет 0,5...43%.

Азот N не горит и так же, как кислород, представляет собой внутренний балласт. Содержание его в жидких и твердых видах топлива невелико и составляет 0,5…1,5 %.

Сера Sпри сгорании выделяет определенное количество теплоты. Однако она весьма нежелательная составная часть топлива, ибо продукты ее сгорания - сернистый S02и серный S03ангидриды — вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в топливе колеблется от долей процента до восьми.

Зола А представляет собой негорючий твердый остаток, образующийся после полного сгорания топлива. Присутствие ее в топливе нежелательно и даже вредно, так как снижается теплота сгорания, ухудшается загораемость, усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация котельных установок и т. д.

Влага Wвесьма нежелательная примесь топлива, так как часть теплоты отбирается на испарение, снижаются выделение теплоты и температура сгорания топлива. В присутствии влаги усложняется эксплуатация установок (особенно в зимнее время), ускоряется процесс коррозии ит. д.

В зависимости от состава топлива в практике перещитывают его элементарный состав на следующие составляющие:

- рабочее топливо – это топливо, которое поступает к потребителям в естественном состоянии и содержит в себе кроме горючей части золу и влагу

С^р + Н^р + N^p + O^p + S^pл + А^р + W^p = 100%

р – рабочее; л – летучее.

- сухое топливо - С^с + Н^с + N^с + O^с + S^сл + А^с = 100%

- горючее топливо – С^г + Н^г + S^гл = 100%

- органическое топливо – С^о + Н^о + N^о + O^о + S^ол = 100%

Так как на практике используется только рабочее топливо, то возникает необходимость в пересчетах элементарного состава твердого и жидкого топлива с одной массы на другую. Этот пересчет производится с помощью коэффициентов:

Например, зная состав горючей массы топлива, можно найти состав рабочей его массы по формуле:

С^р = С^г *100 – (A^p + W^p)/100

Н^р = Н^г *100 – (A^p + W^p)/100

и т. д. Можно также перейти от рабочей к органической массе:

С^о = С^о *100 / 100 – (S^рл + А^р + W^p)

Н^о = Н^о *100 / 100 – (S^рл + А^р + W^p)

Горючая часть газообразного топлива состоит из водорода Н, оксида углерода СО, метана СН4 и других газообразных углеводородов (СnНm) с числом углеводородных атомов до четырех включительно. Основную тепловую ценность представляют метан и более тяжелые углеводороды. Оксид углерода дает небольшое количество теплоты.

Балластную часть составляют негорючие газы, такие как азот N, углекислый С02 и сернистый S02 газы, СО2, кислород 02 и пары воды Н2О, а так же различные смолы, угольная пыль и др..

2. Теплота сгорания топлива

Характеризуется количеством теплоты (МДж), которая выделяется при полном сгорании 1 кг жидкого или 1 м³ газообразного топлива. Различают высшую Qв и низшую Qн удельную теплоту сгорания. Высшая определяется при условии, что вода, образующаяся в процессе сгорания топлива, и влага, содержащаяся в нем, находится в жидком состоянии, а низшая – при условии , что вода, образующаяся при сгорании топлива, и влага, содержащаяся в нем, будет в парообразном состоянии. Низшая теплотворная способность бензина и дизельного топлива равна 42 – 44 МДж/кг.

Зная элементный состав, можно определить теплоту сгорания на основе закона Г. И. Гесса, согласно которому теплота сгорания зависит от состава начальных и конечных продуктов горения и не зависит от характера промежуточных реакций. В соответствии с этим теплота сгорания топлива будет равна суммарной теплоте сгорания всех его составных элементов. Однако при его сгорании получается несколько меньший тепловой эффект. Это объясняется тем, что топливо не механическая смесь элементов, а сложное химическое соединение и некоторая часть теплоты затрачивается на разрушение связей между молекулами.

Связь между высшей и низшей теплотой сгорания определяется уравнением:

Q^pн = Q^pв – 25,12(9Н^р + W^p),

где Q^pн, Q^pв – низшая и высшая теплоты сгорания, 25,12(9Н^р + W^p) – теплота затраченная на испарение влаги топлива и воды, образовавшейся от сгорания водорода топлива. На практике используется низшая теплота сгорания.

Если известен элементарный состав топлива то Q^pн для твердого и жидкого топлива определяется по формуле Менделеева:

Q^pн = 338С^р + 1025Н^р – 108,5 (О^р – S^рл) – 25W^р

где С^р, Н^р, О^р,S^рл ,W^р составляющие рабочей массы топлива в %.

Для газообразного топлива:

Q^pн = 120 (СО + Н2) + 339 СН4 + 589 Сn Нm

Теплоту сгорания определяют не только расчетными методами, но и опытным путем, сжигая топливо в специальных приборах, называемых калориметрами( для этой цели берется навеска топлива массой 0,8-1,5 г и сжигается в атмосфере чистого кислорода. Количество выделенного тепла определяется по изменению температуры воды в калориметре).

В связи с тем что одна и та же масса различных видов топлива имеет различную теплоту сгорания, для удобства их сравнительной оценки введено понятие условного топлива, у которого Q^pн = 29,3 при полном сгорании 1 кг или 1 м³ топлива.

Отношение теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгорания условного топлива называется тепловым эквивалентом:

Э = Q^pн /29,3

В таблице 2 приведены значения рабочей теплоты сгорания для основных видов топлива и их калорийные эквиваленты.

2. Теплота сгорания и калорийные эквиваленты топлива

Тепловой

Вид топлива

сгорания

эквивалент

Qр.н, кДж/кг

Условное топливо (донец

29 308

1,00

кий каменный уголь)

Антрацит

30 230

1,03

Бурый уголь

14 235

0,49

Торф

13 440

0,46

Дрова

12 560

0,43

Нефть

41 867

1,42

Мазут

41 448

1,40

3. Горение топлива

Для осуществления процесса горения к топливу необходимо подводить определенное количество воздуха. Если известен химический состав топлива, то для его полного сгорания можно определить теоретически необходимое количество воздуха. Для этого сначала нужно записать реакции горения отдельных составляющих топлива.

1. Горение углерода происходит по уравнению

С + О2 = СО2 + 33,6 МДж / кг

Молекулярной массой вещества называют массу молекулы выраженную в атомных единицах массы (т. Менделеева), например Н2О = 2 * 1 + 16 = 18; СН4 = 12 + 1 * 4 = 16 Киломоль – называется количество вещества в кг равное его молекулярной массе Н2 µН2 = 2; 2 кг Н2 – 1 киломольН2 ; О2 µО2 = 32; 32 кг О2 – 1 киломоль О2 [pic]

[pic]

Атомная масса – это масса химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а. е.м.). За 1 а. е.м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с атомным весом 12. 1а.е.м.=1,6605655·10-27 кг. Атомная масса складывается из масс всех протонов и нейтронов в данном атоме. Изото́п — разновидность атома (и ядра) какого-либо химического элемента, отличающаяся от других изотопов только количеством нейтронов в ядре.

Для одного киломоля углерода можно записать: 12кг С + 32кг О2 = 44кг СО2

Следовательно при сжигании 1кг углерода до СО2 требуется 32 / 12 = 2,67кг О2

2. Горение водорода происходит по уравнению

2Н2 + О2 = 2Н2О + 139,19 МДж / кг

или 4кг Н2 + 32кг О2 = 36кг Н2О

Значит для сжигания 1кг водорода требуется 32 / 4 = 8кг О

3. Горение серы происходит по уравнению

S + О2 = О2 + 9 МДж/кг

или 32кг S + 32кг О2 = 64кг SО2

Для сжигания 1кг серы требуется 32 / 32 = 1кг О2

Зная рабочий состав топлива, можно определить массовое количество кислорода, потребное для полного сгорания 1кг топлива, с учетом кислорода, имеющегося в топливе.

Так как в топочное устройство подводится не кислород, а воздух, в котором на 100 массовых частей приходится 23,3 массовых частей кислорода и плотность воздуха при нормальных физических условиях ρ = 1,29 кг / м³ то для сгорания 1кг топлива потребуется следующее теоретически необходимое количество воздуха:

Vт = 2,67С^р + 8Н^р + S^рл – О^р / 100*0,233*1,293, м³ воздуха / 1кг топлива

В действительности для полного сгорания топлива теоретически необходимого количества воздуха оказывается недостаточно, так как поступающий в топочное пространство воздух не полностью перемешивается с топливом и часть воздуха, не приняв участие в горении, уходит с продуктами горения. Поэтому для обеспечения полного сгорания топлива подводят больше, чем теоретически необходимо, количество воздуха:

Vд = αVт

где α – к-т избытка воздуха.

Коэффициентом избытка воздуха называется отношение действительного количества воздуха к теоретическому:

α= Vд / Vт

Ориентировочные значения α

Вид топлива

α

Газообразное

Бензин

Дизельное

Бурый уголь, торф, дрова

Каменный уголь

Кокс, антрацит

1,05…1,2

0,90…1,15

1,20…1,40

1,50…2,00

1,30…1,900

1,40…1,60

Уменьшение к-та избытка воздуха в сравнении с его оптимальным значением приводит к повышению расходу топлива за счет неполноты его сгорания

При чрезмерном увеличении α процесс сгорания также будет неоптимальным из-за потерь теплоты на нагревание избыточного воздуха и снижение температуры горения.

Состав продуктов сгорания также характеризует процесс горения топлива.

Если в продуктах сгорания топлива СО, это свидетельствует о полном сгорании топлива. Наличие в продуктах сгорания СО или Н2 указывает на неполное сгорание топлива.

По составу продуктов сгорания топлива можно определить значение α.

1. Неполное сгорание α = 1 / ( 1 – 3,76(О2 – 0,5СО) / N2)

2. Полное сгорание α = 1 / ( 1 – 3,76О2 / N2)

где составные элементы выражены в %.

Пример. Определить низшую теплоту сгорания топлива Q^pн и необходимое количество воздуха Vд на 1 кг топлива следующего состава.

Дано: С^г = 83%; Н^г = 5,1%; N^г = 1,5%; О2^г = 5,6%; S^г = 4,8%; А^р = 18,8%; W^р = 6%.

Решение: К = 1000 – (А^р + W^р) / 100 = 100 – (18,8 + 6) / 100 = 0,752

С^р = К*С^г = 0,752*83 = 62,4

Н^р = К*Н^г = 0,752*5,1 = 3,83

О^р = К*О^г = 0,752*5,6 = 4,21

S^р = К*S^г = 0,752*4,8 = 3,6

N^р = К*N^г = 0,752*1,5 = 1,128

Q^pн = Q^pн = 338С^р + 1025Н^р – 108,5 (О^р – S^рл) – 25W^р = 24,8 МДж/кг

Vт = 2,67С^р + 8Н^р + S^рл – О^р / 100*0,233*1,293 = 6,53 М³/кг

Vд = αVт = 1,15 * 6,53 = 7,51 м³/кг