книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

Г л а в а 6. ИСПАРЯЕМОСТЬ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС ИСПАРЕНИЯ

Значение испаряемости. Процессы испарения занимают одно из ведущих мест в комплексе физико-химических превращений горю­ чего и смазочных материалов при хранении, транспортировке и применении в двигателях. Скорость этих процессов определяет ве­ личину потерь от испарения, а для сложных углеводородных сме­ сей и изменение качества вследствие испарения легких компонен­ тов Накопление паров углеводородов в окружающем пространстве, особенно в закрытом помещении, может быть причиной возникно­ вения пожара, взрыва и отравлений личного состава. Велика роль испаряемости для горючего. С испарением топлива связано обра­ зование паровых пробок и явление кавитации в системах перекачки

ипитания двигателей. Существенное значение имеет процесс испа­ рения для образования горючей смеси и обеспечения нормального развития горения во всех типах двигателей. Процесс испарения не только предшествует воспламенению и горению, но в значительной мере определяет скорость этих процессов и, следовательно, эффек­ тивность и надежность работы двигателя.

Виды испарения. Существуют два вида испарения: статическое

идинамическое. Испарение горючего с неподвижной поверхности

всреду покоящегося газа называется статическим. Динамическим называется такой вид испарения, при котором жидкость и газовая

среда движутся относительно друг друга. Статическое испарение в условиях неподвижной среды практически не осуществляется, так как при испарении всегда образуются конвективные гоки за счет разности молекулярной массы пара и окружающей среды, а также за счет наличия температурного градиента в пограничном слое вблизи поверхности испарения. Пары веществ, молекулярная масса которых меньше, чем у паровоздушной среды, движутся вверх, а пары более тяжелые— вниз. Под влиянием разности тем­ ператур в пограничном слое осуществляется перенос веществ с большей молекулярной массой по потоку тепла, а с меньшей — про­ тив этого потока. Этот эффект носит название термодиффузии.

Наиболее сложным процессом является динамическое испаре­ ние распыленных горючего и смазочных масел в турбулентном по­ токе нагретого воздуха. Существенное влияние на развитие про­ цесса испарения в этих условиях оказывают химические реакции взаимодействия углеводородов и кислорода воздуха. В процессе горения распыленного топлива передача тепла излучением и диф­ фузионная теплопередача в результате термодиффузии при совме­ стном протекании процессов тепло- и массообмена делают практи­ чески невозможным аналитический расчет процесса испарения в камерах сгорания двигателей. В большинстве случаев даже для условии статического испарения расчеты выполняются на основе экспериментальных данных.

80

Скорость испарения. В процессе испарения осуществляются: вы­ лет молекул из жидкости, распространение их в окружающей га­ зовой среде и обратное поглощение жидкостью частиц вылетевших молекул при ударе о ее поверхность. Количество вещества, которое испаряется и переносится с единицы поверхности жидкости в окру­ жающую среду в единицу времени, называется скоростью испа­ рения.

При динамическом испарении распыленного топлива или масла такое выражение скорости испарения не всегда удобно, поскольку поверхность испарения изменяется в ходе процесса. Поэтому ско­ рость такого динамического испарения оценивается количеством вещества, испаряющегося в единицу времени в единице объема пространства, в котором происходит испарение. Количество веще­ ства, испаряющегося со свободной поверхности жидкости

ственно к разности концентраций и разности пар­ циальных давлений;

с„ и с0— соответственно концентрация паров испаряющего­ ся топлива у поверхности испарения и в окру­ жающей среде;

рп и р 0— соответственно давление паров вещества у по­ верхности испарения и в окружающей среде;

^ — свободная поверхность испаряющейся жидкости.

Коэффициенты испарения kc и kp численно равны количеству вещества, испаряющегося с единицы поверхности в единицу време­ ни при разности концентраций или давлений у поверхности жид­ кости и в окружающей среде, равной единице. Из выражения (3) следует, что скорость испарения

= kc (сп— с0) = kp (р„ —р 0).

В случае свободного испарения в неограниченный объем мож­ но принять концентрацию и давление в окружающей среде равны­ ми нулю, тогда

^ИС = V n = kpPn

Коэффициенты kp и kc определяются экспериментальным пу­ тем или рассчитываются на основе теории подобия. Для этого необходимо иметь значения безразмерных параметров — критерия Нуссельта Nu или критерия Маргулиса Ма. Для процесса пере-

d — линейный размер, характеризующий поверхность ис­ парения;

Dc nDp — коэффициенты диффузии, отнесенные к градиенту кон­ центраций и градиенту давления;

и — линейная скорость потока; R — газовая постоянная.

Критерий Нуссельта применяется при расчете испарения в не­ подвижной среде или в ламинарном потоке. В случае молекуляр­ ного переноса Nu = const и зависит от геометрической формы по­ верхности испарения. Для капель, испаряющихся в условиях моле­ кулярной диффузии и теплопередачи, Nu = 2. При развитой турбу­ лентности удобнее применять критерий Маргулиса. При большой интенсивности турбулентности этот параметр стремится к постоян­ ному значению. Критерии Нуссельта и Маргулиса являются функ­ циями других безразмерных величин, выражающих физические свойства среды и характер ее движения (критерии Прандля Рг и Рейнольдса Re). Вид зависимостей между этими критериями нахо­ дят на основании анализа экспериментальных данных.

Влияние условий испарения. К условиям испарения относятся: размеры, форма и материал резервуаров или камер, в которых про­ исходит испарение, температура, давление и характер движения среды и температура жидкости. При динамическом испарении рас­ пыленного топлива большое значение приобретает степень и одно­ родность распыливания. Размеры, форма и материал резервуара или камеры влияют на температурный режим испарения. От этих факторор зависят температура среды и жидкости, а также время прогрева испаряющегося вещества. С изменением температуры сре­ ды и температуры жидкости меняются все параметры процесса ис­ парения. Давление среды определяет скорость диффузии, а также может влиять на некоторые физико-химические свойства горючего.

Температура и давление среды воздействуют и на характери­ стики турбулентного потока. Скорость испарения зависит от раз­ ности парциальных давлений паров жидкости у ее поверхности и в окружающей среде. Давление паров у поверхности жидкости опре­ деляется ее свойствами и температурой. Давление паров в окру­ жающей среде зависит от скорости переноса паров, которая в свою очередь определяется коэффициентом диффузии и характеристи­ ками турбулентности среды. В случае испарения распыленных жидкостей аэродинамическое воздействие газового потока вызы­ вает срыв паровой оболочки вокруг капель и дробление на более мелкие, благодаря чему увеличиваются поверхность и скорость испарения. В турбулентном потоке осуществляются непрерывные нерегулярные пульсации скорости, давления, температуры, концен­ трации вещества и других величин потока. Степень турбулентности потока оценивается амплитудой и частотой пульсаций какой-либо величины. Количественное выражение турбулентных пульсаций представляется в виде суммы двух значений — среднего по времени

82

значения и отклонения от него пульсации. Например, действитель­

ная скорость течения и равна сумме средней и и пульсационной скоростей и'

и=и-\-и'.

Отношение среднеквадратичного значения пульсационной ско­ рости к средней скорости потока называется интенсивностью или степенью турбулентности потока. Второй основной характеристи­ кой турбулентности является масштаб. Он соответствует некоторо­ му условному среднему пути I, на котором перемешивающиеся объемы сохраняют свою индивидуальность. Произведение попереч­ ного масштаба турбулентности на среднюю пульсационную ско­

больше соответствующего коэффициента в условиях молекуляр­ ного переноса. Таким образом при сильно развитой турбулентности перенос вещества определяется не молекулярным, а турбулентным коэффициентом диффузии. При испарении капель имеет значение соотношение их размеров и масштаба турбулентности. При круп­ номасштабной турбулентности (/ d) капли переносятся в потоке вместе с окружающей ее паровой оболочкой, внутри которой про­ исходит молекулярная диффузия. Если {l< ^ d ), то паровая оболочка вокруг капли срывается и перенос паров определяется турбулент­ ным коэффициентом диффузии. Характеристики турбулентности потока изменяются в зависимости от температуры и давления среды. При постоянной скорости потока и '— Т~т и и '~ р л ко­ эффициенты т и п обычно меньше единицы.

Количество вещества, которое испаряется в факеле распылен­ ного топлива в единицу времени в единице объема, очень сильно зависит от качества распыливания. В зависимости от степени рас­ пиливания суммарная поверхность испарения и количество испа­ рившегося вещества могут изменяться в десятки и сотни раз. Ско­ рость испарения отдельных капель в условиях молекулярного пе­ реноса связана с размерами капель:

а

Необходимо учитывать также, что для капель очень малого раз­ мера наблюдается скачок концентрации у поверхности капли и по­ вышение давления насыщенных паров. Над кривой поверхностью давление паров больше, чем над плоской. С уменьшением оазмеров капли сокращается время прогрева жидкости, благодаря чему ско­ рость испарения также повышается.

Влияние свойств испаряющейся жидкости. Влияние свойств ис­ паряющихся веществ на скорость испарения определяется прежде всего величиной давления насыщенных паров и коэффициентом диффузии. Давление насыщенных паров характеризует способность

вылета молекул из жидкости, а коэффициент диффузии — распро­ странение их в паровом пространстве.

Другие физические характеристики оказывают влияние на тем­ пературный режим испарения. Процесс испарения протекает с за­ тратой тепла. Если при испарении тепло не подводится, то темпе­ ратура окружающей среды и жидкости понижается. Снижение температуры будет тем сильнее, чем выше теплота испарения жид­ кости. Например, при испарении топлива в потоке воздуха и отсут­ ствии подвода тепла извне понижение температуры воздуха tB, топлива tr, температура горючей смеси tm составят:

где св и стг—теплоемкость воздуха и топлива; п. — доля испарившегося топлива;

QB0— теплота испарения;

— отношение расхода воздуха и топлива.

Следовательно, при прочих равных условиях с повышением теп­ лоты испарения скорость испарения уменьшается.

Теплоемкость и теплопроводность горючего оказывают влияние на температуру жидкости и время ее прогрева в процессе испаре­ ния. При одинаковом количестве подводимого тепла жидкости, об­ ладающие более высокой теплоемкостью, будут нагреваться до бо­ лее низкой температуры, чем имеющие меньшую теплоемкость. От теплопроводности жидкости зависит скорость прогрева различ­ ных ее слоев. При медленном прогревании количество испаряюще­ гося вещества при одинаковой продолжительности процесса испа­ рения меньше, чем при быстром прогреве. Влияние теплоемкости и теплопроводности в большей степени сказывается при испарении распыленного топлива в камерах сгорания двигателей, когда общее время протекания процесса смесеобразования весьма мало. В этих условиях время прогрева капель имеет существенное значение.

Вязкость и поверхностное натяжение горючего оказывают влия­ ние на процесс испарения вследствие изменения характеристик распыливания. С увеличением вязкости и поверхностного натяже­ ния распыливание становится более грубым и неоднородным.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПАРЯЕМОСТИ

Давление насыщенных паров. Давление насыщенных паров од­ нокомпонентной жидкости зависит от ее свойств и температуры. Общин вид кривых ps = f(T ) приближается к графикам показа-

_ в_

тельной функции ps ^=Ae т , где А и В — постоянные коэффици­ енты, зависящие от свойств жидкости. Поэтому зависимость

84

сложных многокомпонентных жидкостей зависит не только от свойств жидкости и температуры, но и отношения объемов паровой и жидкой фазы. В насыщенном паре содержится большее количе­ ство легких компонентов, чем в жидкости. В результате жидкая фаза обедняется более летучим компонентом и тем сильнее, чем больше отношение объемов паровой и жидких фаз. Лишь при очень малых объемах паровой фазы по сравнению с объемом жидкости можно пренебречь обеднением летучими компонентами жидкой фазы. При этом давление насыщенного пара достигает своего мак­ симального значения для данной концентрации компонентов в сме­ си при данной температуре. Во всех остальных случаях давление насыщенного пара многокомпонентной жидкости будет тем мень­ ше, чем больше отношение объемов паровой и жидкой фаз. В пер­ вом приближении можно принять прямолинейную зависимость

lg/>s = t p • На рис. 22 приведены зависимости давления насы­

щенных паров от температуры для ряда однокомпонентных и мно­ гокомпонентных жидкостей.

Коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии зависит от свойств испаряющегося вещества, вида газа, в котором осуществ­ ляется диффузия, температуры и давления среды. Коэффициент диффузии относят к разности концентраций или парциальных дав­ лений, связь между этими величинами определяется уравнением

Dc = DpRT.

Зависимость коэффициентов диффузии от температуры и дав­ ления:

Для большинства углеводородов и их смесей «г=1,5—2, п = 1. Значение коэффициентов диффузии для газов, паров некоторых углеводородов и их смесей приведены в таблице 10.

Теплота испарения. Количество тепла, поглощаемое жидкостью в процессе испарения, зависит от химической природы и молеку­ лярной массы вещества, температуры и давления среды. С увеличе­ нием молекулярной массы и температуры кипения углеводородов

85

теплота испарения уменьшается. При одинаковой молекулярной массе углеводородов теплота испарения понижается в следующем ряду: ароматические углеводороды, цикланы, алканы и алкены. Однако эта разность невелика и составляет 10—15 ккал/кг. В слож­ ных многокомпонентных смесях состав жидкой фазы по мере испа­ рения меняется, в связи с чем теплота испарения в ходе этого про­ цесса оказывается переменной. Поэтому необходимо знать теплоты

86

испарения узких фракций испаряющихся веществ. С повышением температуры теплота испарения уменьшается. В области низких давлений пара это уменьшение идет сравнительно медленно. С по­ вышением давления теплота испарения уменьшается очень сильно и при критических параметрах становится равной нулю. Критиче­ ская температура для реактивных и дизельных топлив 400—500° С, а критическое давление 35—40 кг/см2.

Для приближенного расчета теплоты испарения имеется много эмпирических формул. Например, теплоту испарения углеводоро­ дов и их смесей в ккал/кг-моль можно определить по формуле

QrK„„ = Дсп (8,75 + 4,576 lg T KBn).

Если известна теплота испарения в точке кипения, посредством уравнения Ватсона можно вычислить теплоту испарения при лю­ бой другой температуре

где Q7 и Qma — теплота испарения при температуре Т и Гкяп;

Дер — критическая температура.

Удельная теплота испарения, отнесенная к средней температуре кипения, в первом приближении может быть принята: для бензи­ нов 75—80, реактивного топлива 70—75, а для дизельного топлива 60—65 ккал/кг. При этом надо учитывать ее зависимость от темпе­ ратуры.

Теплоемкость С увеличением молекулярной массы теплоемкость жидких углеводородов в пределах одного гомологического ряда незначительно падает. При одном и том же числе углеродных ато­ мов в молекуле, одинаковой температуре и нормальном давлении наибольшую теплоемкость имеют алканы и изоалканы, наимень­ шую— ароматические углеводороды. Цикланы занимают проме­ жуточное положение. Теплоемкость всех углеводородов с повыше­ нием температуры возрастает. Теплоемкость углеводородных сме­ сей при 0°С в ккал/кг-град можно вычислить по эмпирической формуле

где А — коэффициент, зависящий от свойств вещества. Величина А составляет для алканов 0,42; для моноароматиче-

ских углеводородов 0,37, а для углеводородных смесей примерно 0,403, Для определения удельной теплоемкости углеводородных смесей можно воспользоваться также формулой

Сх = -j— [0,388 + 0,00045 (1,84 + 32)] ,

гв где 4 — температура, °С.

87

Изменение теплоемкости от температуры для жидких углеводо­ родных смесей в первом приближении можно представить выра­

Теплопроводность. Теплопроводность характеризует процесс распространения тепла в неподвижном веществе. Коэффициент теплопроводности газов и паров в нормальных условиях может

Показатель степени п для углеводородных смесей, выкипающих в пределах 60—280° С, и их фракций составляет 2—2,1. В отличие от газов и паров коэффициент теплопроводности для большинства жидкостей с повышением температуры снижается, а с увеличением давления повышается. Для определения теплопроводности жидко­

М — молекулярная масса.

Зависимость теплопроводности углеводородных смесей от тем­ пературы в первом приближении соответствует зависимости X, ~

= Х0(1 — at).

В интервале температур 0—200° С температурный коэффициент в «*0,0011.

Поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение жидкости зависит от температуры, природы граничащей среды и растворен­ ных в жидкости примесей. С повышением температуры поверхно­ стное натяжение жидкости уменьшается и при критической для нее температуре становится равным нулю. Поверхностно-активные ве­ щества, способные адсорбироваться на поверхности горючего и сма­ зочных материалов, резко снижают поверхностное натяжение. Ра­ створимые в жидкости сернистые, азотистые, кислородные соеди­ нения. смолы, вода, кислород, воздух и другие газы могут сильно изменять поверхностное натяжение. Повышение давления газов над жидкостью вызывает уменьшение его. С увеличением молекуляр­

88