4.2 Методика расчета теплоемкости дизельного топлива при температурах ниже температуры помутнения

Для определения теплоемкости топлива с_топ находим количество теплоты, которое необходимо сообщить дизельное топливу массой m_о для того, чтобы изменить его температуру от Т_т (текущей температуры топлива) до Т_п (температуры помутнения топлива) , если Т₃ ≤ Т_т ≤ Т_п .

Для бесконечно малого изменения температуры справедливо выражение

,

(4.15)

где dQ_т — теплота, сообщаемая дизельному топливу для изменения его

температуры на dT_Т;

dQ₁ — теплота, идущая на плавление кристаллов н-алканов в

интервале температур dT_Т;

dQ₂ — теплота, идущая на изменение теплосодержания расплавлен-

ной фазы в интервале температур dT_Т ;

dQ₃ — теплота, идущая на изменение теплосодержание

кристаллической фазы в интервале температур dT_Т .

Удельная теплота плавления для органических соединений определяется по формуле

,

(4.16)

где Т_пл - температура плавления.

Введя средний мольный объем кристаллической фазы, имеем

, (кДж/м3)

(4.17)

Тогда, количество теплоты, необходимое для плавления кристаллической фазы объемом

.

(4.18)

Объем кристаллической фазы, которая плавится

,

(4.19)

где m_кр -- масса кристаллической фазы, которая плавится при температуре

Т_т (кг);

с_кр -- средняя плотность кристаллической фазы (кг/м³).

Предполагаем, что процесс плавления непрерывный в интервале температур от Т_з до Т_п , а масса кристаллов, которая плавится при температуре Т_т - есть близкая к линейной функции температуры ( рис. 4.2).

Суммарная масса кристаллов при температуре топлива, равной температуре замерзания Т_з

,

(4.20)

где -- масса кристаллов, которая плавится при температуре топлива,

равной температуре замерзания Т₃ .

Предполагаем, что суммарная масса кристаллов m_кр при температуре Т_т — есть также близкая к линейной функции температуры (см. рис.4.2), отвечающая следующим допущениям: при Т_т = Т_п ; m_кр= 0, а при Т_Т = Т_з ; m_кр = m₀ , где m₀ - масса всего топлива. Тогда с учетом рис. 4.2 и формулы (4.20) имеем

,

(4.21)

Рис 4.2. Процесс плавления кристаллов парафина

Аналогично (рис. 4.2)

.

(4.22)

Массу расплавленной фазы определяем как разницу массы всего топлива и массы кристаллической фазы

,

(4.23)

С учетом (4.22), после преобразования имеем

.

(4.24)

Подставляя выражение (4.20) в формулу (4.19) и далее в уравнение (4.18), получим

.

(4.25)

В формуле (4.25) Т_пл заменена на текущую температуру топлива. Количество теплоты, идущее на плавление кристаллов в интервале температур dТ_т

.

(4.26)

Количество теплоты, идущее на изменение теплосодержания расплавленной фазы в интервале температур dТ_Т определятся как

,

(4.27)

где с_р -- средняя теплоемкость расплавленной фазы в интервале температур от Т_т до Т_п (кДзж/кг °К).

С учетом уравнения (4,24), имеем

,

(4.28)

Количество теплоты, идущее на изменение теплосодержания кристаллической фазы

,

(4.29)

где с_кр -- средняя теплоемкость кристаллической фазы в интервале температур от Т_т до Т_п (кДж/кг °К).

С учетом выражений (1.18) и (1.19) получим

,

(4.30)

Подставляя выражения (4.26), (4.28) и (4.30) в уравнение (4.15), проинтегрировав и преобразовав, имеем

,

(4.31)

Общеизвестно . (4.32)

Тогда теплоемкость топлива в интервале температур от Т_з до Т_п

.

(4.33)

Скорость топлива V_топ через нагретую углеродную ткань определяется из гидродинамического расчёта всасывающей линии топливоподкачивающего насоса при известном расходе топлива через последний.

4.3 Методы расчета нагревательных элементов, установленных в топливной системе дизеля

Основная доля нефти, добываемой в странах СНГ, парафинистого основания, а в дизельном топливе, полученном из нее, содержится от 15 до 30% углеводородов нормального ряда (н-алканов), обладающих более высокими температурами кристаллизации, чем все остальные углеводороды топлива. Это является причиной образования в дизельном топливе при низких температурах кристаллической фазы.

Кристаллообразование ведет к ухудшению низкотемпературных свойств топлива, его прокачиваемости и фильтруемости. Коэффициент фильтруемости, как показывают наши исследования, при температуре топлива на 2…3⁰ ниже температуры помутнения, достигает 8...10 единиц, тогда как для нормальной прокачиваемости топлива этот же коэффициент должен находиться в пределах 2...3 единиц. Для Республики Беларусь зимние сорта топливе практически не применяются, поэтому в условиях зимней эксплуатации автотракторной техники необходимо обеспечить запуск и работу дизельных двигателей на летних сортах топлива.

Для повышения эффективности работы фильтров дизельных двига-телей при отрицательных температурах нами предложены конструкции электроподогревателей [69,70,71] с использованием углеродных нитей и тканей. Однако отсутствие теоретических исследований теплообмена между нагревательным элементом и дизельным топливом при низких температурах затрудняет использование этого перспективного направления в обеспечении надежной зимней эксплуатации дизелей.

Данные теоретические исследования направлены на решение задачи: до какой температуры t₀ в начале трубопровода необходимо подогреть дизельное топливо, чтобы его температура в сечении x=l (l— длина трубопровода) соответствовала требуемой t_x, если температура окружающей среды равна t_c.

Физические свойства дизельного топлива таковы, что подогревать его выше температуры t=40...45 ⁰C не рекомендуется из-за интенсивного выделения смолистых веществ. Известно, что при температуре близкой к t=0 ⁰C в дизельном топливе марки “Л” образуются кристаллические структуры, которые снижают его прокачиваемость по трубопроводам. Следовательно, решение поставленной задачи позволит ответить на вопрос — до какой температуры следует подогревать дизельное топливо на начальном участке системы питания, чтобы в потоке не образовывались кристаллы твердых углеводородов при его движении по всей системе, в том числе была обеспечена его фильтрация в ФГО и ФТО.

Поставленная цель может быть достигнута только составлением и решением дифференциального уравнения движения топлива и уравнением переноса тепловой энергии на участке трубопровода низкого давления.