Лекция.4

Тема Топлива, применяемые в ЭУ

Содержание: Сорта топлив. Физико-химические свойства топлив. Способы сжигания. Воздушно-топливное соотношения. Продукты сгорания.

Альтернативные топлива.

Топливо - горючие вещества, используемые для получения тепло­вой энергии при их сжигании.

Различают двигатели работающие на:

газообразном топливе - газовые двигатели; бензине — бензиновые, дизельном топливе -дизели

различных видах топлив-многотоп­ливные; газе и жидком топливе - газо­жидкостные.

Свойства топлив

Важнейшей технической характеристи­кой любого топлива является теплота сго­рания, т. е. количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива. Обычно теплоту сгорания газообразного топлива определяют для 1 м³ при темпе­ратуре О °С и давлении 101,3 кПа, а жид­кого — для 1 кг при тех же условиях.

Различают низшую и высшую теплоту сгорания.

Между ни­зшей и высшей теплотой сгорания топлива существует следующая связь:

Q_н = Q_o-2,512 W

где: W — масса водяных паров продуктов сгорания, полученных при сгорании 1 кг или 1 м3 топлива, кг; 2,512 — приближен­ное значение теплоты парообразования воды, принимаемое при технических расче­тах, МДж/кг.

Более высокая теплота сгорания топли­ва обеспечивает меньший расход его в двигателе. Это особенно важно для транспортных двигателей, так как позво­ляет увеличивать пробег транспортного средства при заданном запасе топлива.

Жидкие топлива нефтяного происхож­дения состоят в основном из углеводоро­дов, т. е. органических соединений, вклю­чающих только два горючих элемента — углерод и водород. По соотношению углерода и водорода углеводороды под­разделяют на группы:

1) парафиновые (алканы) со­ответствующий общей формуле С_пН_2п+2;

2) нафтеновые (цикланы) с общими формулами С_пН_2п, С_пН_2п-2 и др.;

3) ароматические углеводороды с об­щими формулами С_пН_2п-6, С_пН_{2п- 12} и др.

Крекинг — процесс деструктивной переработки нефти или ее фракций — характеризуется увеличенным выходом легких про­дуктов и повышенным их качеством. Термический крекинг про­исходит под воздействием высокой температуры (470..750 ^оС), каталитический - одновременно под действием высокой температуры (450..520 ^оС) и катализатора.

Фракционный состав - объемная доля в нефтепродукте углево­дородов, выкипающих в определенных температурных пределах.

Групповой химический состав характе­ризует процентное содержание в топливе углеводородов различных групп, опреде­ляющих его физико-химические и эксплуа­тационные свойства.

Элементарный состав показывает содер­жание в топливе отдельных элементов. Нефтяное жидкое топливо состоит в ос­новном из углерода С (85..87 %), водоро­да Н (12,5..14,7 %) и относительно не­большого объема кислорода О (0..0,5 %). Иногда в топливе содержатся сера S(2..5%) и азот N.

Если содержание отдельных элементов в 1 кг топлива выразить массовыми до­лями и обозначить их символами соответ­ствующих элементов, то получим

С + Н + О + S + N = 1

Зная элементарный состав топлива, можно произвести тепловой расчет рабо­чего процесса. При отсутствии данных непосредственного определения Q ее ве­личину подсчитывают по формуле Д. И. Менделеева:

Q = 33,913С+102,995Н - 10,885(О - S) - 2,512w,

где: w - доля воды, содержащейся в 1 кг топлива.

Групповой химический состав бензинов определяет допустимую степень сжатия двигателя, при которой сгорание горючей смеси в цилиндре протекает нормально.

Давление насыщенных паров — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при определенных соотношениях жидкой и паровой фаз и данной температуре; оно зависит от температуры и давления жидкости. Давление насыщенных па­ров бензина, кПа, не более: летнего вида 66,7,зимнего вида 93,3.

Детонационная стойкость топлива поло­жена в основу классификации автомо­бильных (А) бензинов. В марке автомо­бильного бензина указывается октановое число, определенное моторным методом (А-72, А-76) или исследовательским (И) методом (АИ-93, АИ-98).

Изоктан С₈Н₁₈-углеводород парафиновой группы: плотность 0,692 г/см3; октановое число 100; температура кипения 99,23 оС; теплота сгорания 44,6 МДж/кг.

Гептан С₇Н₁₆—углеводород парафиновой группы: плотность 0.684 г/см3; октановое число 0, температура кипения 98,4 оС, теплота сгорания 44,8 МДж/кг.

Различные бензины имеют октановые числа 70... 100. Октановое число топлив, имеющих детонационную стойкость луч­шую, чем у изооктана, оценивают по ус­ловной шкале октановых чисел; при этом за эталон принимают смесь изооктана с 1,59 мг/л тетраэтилсвинца, для которой октановое число равно 120.

Дизельные топлива

Цетановым числом называется про­центное (по объему) содержание цетана в смеси с альфа-метилнафталином, кото­рая имеет такую же склонность к вос­пламенению, как данное топливо. Напри­мер, если исследуемое топливо имеет та­кую же склонность к воспламенению, как смесь, содержащая 45 % цетана и 55 % альфа-метилнафталина, то его цетановое число равно 45

Цетан С₁₆Н₃₄—углеводород парафиновой группы: плотность 0,7733 г/см3; цетановое число 100; температура кипения 286,5 оС; теплота сгорания 44,2 МДж/кг. Альфа-метилнафталин С₁₁Н₁₀ — углеводород ароматической группы: плотность 1,0179 г/см³;цетановое число 0; температура кипения 241 °С; теплота сгорания 42 МДж/кг.

Газообразное топливо. Газообразное топливо является механи­ческой смесью различных горючих и инер­тных газов. В общем случае химическую формулу любого содержащего углерод С, водород Н и кислород О горючего или негорючего компонента, входящего в со­став газообразного топлива, можно пред­ставить в виде С_пН_mО_r.

Например:

при п=1, m = О и r = 2 — получим формулу угле­кислого газа СО₂;

при п =2, m = 6 и r = 0 — химическую формулу этана С₂Н₆;

при п = 0, m = 2 и r =0 — химическую формулу водорода Н₂ и т. д.

Для оценки детонационной стойкости газообразных топлив ис­пользуется метановая шкала, в которой за 100 единиц принята детонационная стойкость метана СН₄, а за ноль — детонацион­ная стойкость водорода Н.

Общие требования к топливам

Наряду со специфическими требованиями к физико-химическим свойствам топлива, определяющим протекание рабочего цикла двигателя, ко всем топливам в равной степени предъяв­ляют и общие требования, связанные с обеспечением надежной и бесперебойной работы двигателя.

Для предупреждения механического и коррозионного износа деталей двигате­ля, в первую очередь топливоподающей аппаратуры, содержание в топливах механических приме­сей, воды и корродирующих веществ стро­го ограничено и допускается лишь в ни­чтожных количествах.

Основным условием эффективной и на­дежной работы двигателя внутреннего сгорания является применение топлив, ко­торые по своим физико-химическим свой­ствам соответствуют его конструкции и ус­ловиям эксплуатации.