Сайт нуждается в вашей поддержке!
Категории сайта

Испаряемость дизельного топлива

Присоединяйтесь к нашему ТГ каналу!

В данной статье мы рассмотрим тему, которая является важной для многих отраслей промышленности – это испаряемость дизельного топлива. Мы опишем процесс испарения, факторы, влияющие на него, а также методы контроля данного параметра. Надеемся, что наша статья будет полезна для всех, кто работает с дизельным топливом и интересуется вопросами безопасности в эксплуатации техники.

Испаряемость дизельного топлива – это способность дизельного топлива к испарению при определенных условиях, таких как температура окружающей среды, влажность и давление. Чем выше испаряемость топлива, тем быстрее оно испаряется, что может оказывать влияние на работу двигателей и другой техники, использующей дизельное топливо.

Общая характеристика процессов испарения

Процессы испарения определяют величину потерь, а для горючего сложного состава – и изменение качества вследствие испарения некоторых компонентов топлива. Накопление паров горючего в окружающем пространстве, особенно в закрытых помещениях, может быть причиной возникновения пожара, взрывов и отравления личного состава. С испарением горючего связано образование паровых пробок и явление кавитации в системах подачи и перекачки горючего. Исключительно велика роль процесса испарения в образовании горючей смеси и в обеспечении нормального развития процессов смесеобразования, воспламенения и горения.

Расчеты процессов испарения базируются на соотношениях тепло- и массообмена:

dQис = χSж (Tср  Tж) dτ;           Форм. 1
dQис = dGисl,            Форм. 2

где:

Расчетные и экспериментальные данные показывают, что температура испаряющейся жидкости при установившемся режиме испарения изменяется мало. В расчетах в ряде случаев можно принять изотермический режим испарения Tж ≈ const.

На рис. 1 приведены расчетные кривые, показывающие изменение температуры капель дизельного топлива в зависимости от их размера и времени испарения.

График зависимости температуры
Рис. 1 Изменение температуры капель Tк дизельного топлива от их диаметра и времени прогрева τ.
Условия испарения: температура воздуха 500 °C, давление среды 3 МПа.
Кривые 1, 2, 3 и 4 соответствуют диаметрам капель 10, 20, 30 и 50 мкм

Количество вещества Gис испаряющегося со свободной поверхности жидкости Sж за время τ,

dGис = βCSж (CS  Cо) dτ = βpSж (pS  pо) dτ,                     Форм. 3 

где:

Из выражения (Форм. 3) следует, что скорость испарения – количество вещества, испаряющегося с единицы поверхности в единицу времени:

wис = βC (CS  Cо) = βp (pS  pо).  

Коэффициенты χ, βC и βp могут быть определены на основе критериальных уравнений, выражающих условия массо- и теплообмена в процессе испарения.

Для этой цели используются критерии:

Указанные критерии связывают следующие характеристики:

Расчет испарения отдельных капель топлива в потоке воздуха многие исследователи производят на основе анализа зависимости:

dSкdτ = π d (dк2)dτ = πkис  πkис0 ,

где:

При испарении неподвижной капли в условиях молекулярной диффузии и теплопередачи Nu = 2.

При отсутствии в среде пара испаряющейся жидкости (pо = 0) коэффициент:

kис0 = 8DppSρж,

где:

Факторы влияющие на скорость испарения

Скорость испарения, как следует из выражения (Форм. 3), пропорциональна разности парциальных давлений паров жидкости у ее поверхности и в окружающей среде. Давление паров у поверхности жидкости определяется ее свойствами и температурой. Давление паров в окружающей среде зависит от скорости переноса паров, которая в свою очередь связана с коэффициентом диффузии и характеристиками турбулентности среды. Коэффициент испарения зависит от свойств и характера движения среды. Таким образом, важнейшими факторами, влияющими на скорость испарения, являются:

Температура и давление воздействуют на физико-химические характеристики жидкости и среды, а также на характеристики турбулентности. Форма, размеры, материал резервуаров или камер, в которых осуществляется испарение, влияют на температурный режим испарения, так как от этих факторов зависит время прогрева жидкости и пара, а также в известной степени характеристики турбулентности среды.

Характеристики турбулентности в значительной степени определяют главные особенности процесса испарения, особенно в факеле распыленного топлива.

Прежде всего надо указать на аэродинамическое воздействие газового потока на поверхность жидкости или струю распыленного топлива. При этом увеличивается поверхность испарения (появление волн или дробление капель), а также происходит срыв паровой оболочки с поверхности испарения. Срыв паровой оболочки ускоряет процессы тепло- и массообмена.

Турбулентный поток характеризуется непрерывным беспорядочным перемешиванием частиц среды, приводящим к появлению в каждой точке потока непрерывных нерегулярных пульсаций скорости потока, давления, температуры, концентрации вещества и других величин потока. Влияние турбулентности потока на тепло- и массообмен зависит от амплитуды и частоты изменения указанных величин. Для количественных выражений турбулентных пульсаций какой-либо величины она представляется в виде суммы двух значений пульсации – среднего по времени и отклонения от него. Например, действительная скорость течения u равна сумме скоростей средней

u

и отклонения от нее – пульсационной u′, т. е.

u = u¯ + u

Амплитуда колебаний оценивается величиной среднеквадратичных значений. Отношение среднеквадратичного значения пульсационной скорости к средней скорости потока называется интенсивностью или степенью турбулентности потока.

Важная характеристика потока – масштаб турбулентности. Он может быть выражен некоторым эффективным размером перемешивающихся объемов или расстоянием, на котором в потоке проявляется связь между пульсациями скорости в двух точках потока. Масштаб турбулентности соответствует некоторому среднему пути, на котором перемешивающиеся объемы сохраняют свою индивидуальность.

Коэффициент турбулентной диффузии – произведение поперечного масштаба турбулентности l на среднюю пульсационную скорость u′ (DT = lu′) – характеризует перенос вещества в турбулентном потоке; он может в сотни и тысячи раз превышать коэффициент диффузии DC в условиях молекулярного переноса. Характеристики турбулентности потока изменяются в зависимости от температуры и давления среды. По опытным данным, u′ ≈ T-m и u′ ≈ pn, коэффициенты m и n обычно меньше единицы.

При испарении капель имеет значение соотношение их размеров – диаметра d и масштаба турбулентности l. При крупномасштабной турбулентности (l » d) капли переносятся в потоке вместе с окружающей ее паровой оболочкой, внутри которой осуществляется молекулярная диффузия. Если l « d, то паровая оболочка вокруг капли быстро срывается и перенос паров определяется турбулентным коэффициентом диффузии. Количество вещества, испаряемого в факеле распыленного топлива, в значительной степени зависит от степени и однородности распыливания. В зависимости от степени распыливания изменяется в десятки и сотни раз суммарная поверхность испарения. Скорость испарения каждой отдельной капли увеличивается с уменьшением их диаметра. В условиях молекулярного тепло- и массообмена (Nu = 2) скорость испарения капель:

wис = 2DppSdк.

Необходимо учитывать также, что для капель малого размера наблюдается существенное увеличение Топливные системы низкого давления и принцип использования на судовых дизеляхдавления насыщенных паров над кривой поверхностью. С уменьшением размеров капель сокращается время прогрева, благодаря чему скорость испарения увеличивается. Однородность распыливания влияет на характер кривой Gис = f (τ). Чем больше неоднородность распыливаиия, тем интенсивней происходит испарение в начальный период и тем больше продолжительность всего периода испарения струи распыленного топлива.

Рассмотрим влияние физических свойств горючего. Основной характеристикой испаряемости горючего является давление насыщенных паров. Другие характеристики:

Коэффициент диффузии определяет перенос паров; теплота испарения, теплоемкость и теплопроводность влияют на температурный режим испарения; от них зависит при прочих равных условиях время прогрева и температура испаряющейся жидкости и паров.Дизельное топливо и его эксплуатационные свойства Вязкость и поверхностное натяжение сказываются на испарении распыленного горючего, поскольку от них зависит степень и однородность распыливания.

Давление насыщенных паров однокомпонентных жидкостей зависит от ее свойств и температуры. Общий вид зависимости приближенно описывается уравнением:

pS = AeBT,

где:

Эмпирические зависимости pS = f (T) чаще всего имеют вид:

lg pS = bT + a lg T + C.

Давление насыщенных паров сложных многокомпонентных жидкостей определяется не только свойствами жидкости и температурой, но и соотношением объемов паровой и жидкой фаз Vп/Vж. В насыщенном паре содержится больше легких компонентов, чем в жидкости. В результате жидкая фаза обедняется легкими компонентами и тем сильнее, чем больше отношение объемов паровой и жидкой фаз.

При отношениях:

VпVж = 1  30

зависимость:

lg pS = f VпVж

близка к прямой линии.

На рис. 2 приведены зависимости

lg pS = f1T

для ряда индивидуальных углеводородов и некоторых групп горючего.

График зависимости
Рис. 2 Зависимость lg pS = f1T

для некоторых углеводородов и топлив.
1 – этиленгликоль; 2 – изо-пропилбензол; 3 – толуол; 4 – гептан; 5 – бензол; 6 – 2,2-диметилпентан; 7 – гексан.
Области: А – бензины; Р – реактивное топливо; Д – дизельное топливо

Коэффициент диффузии зависит от свойств испаряющейся жидкости, вида газа, в котором осуществляется перенос паров, а также от температуры и давления.

Зависимость коэффициента диффузии, отнесенного к градиенту концентраций от температуры и давления, имеет вид:

DC = Dо TTоm pоpn.

Для углеводородов и их смесей:

Коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту давлений:

Dp = DCRT.

Значение DC для всех систем пар-воздух уменьшается с увеличением молекулярной массы. Это хорошо согласуется с представлением кинетической теории газов. Зависимость Dо от молекулярной массы M пара описывается уравнением:

Dо = 16,05 +0,11M.

Коэффициенты диффузии некоторых газов, паров углеводородов, углеводородных фракций и углеводородных топлив приведены в таблице.

Таблица диффузии
Коэффициенты диффузии газов и паров некоторых веществ в воздухе при давлении 0,1 МПа

Теплота испарения, теплоемкость и теплопроводность зависят от свойств испаряющегося вещества и температуры. В сложных многокомпонентных смесях состав жидкой фазы по мере испарения меняется, в связи с чем рассматриваемые свойства не остаются неизменными, их необходимо оценивать для узких фракций горючего.

С увеличением молекулярной массы и температуры кипения углеводородов теплота испарения уменьшается. Для углеводородов, имеющих примерно одинаковую молекулярную массу, теплота испарения понижается в следующем ряду:

Однако эта разность невелика и составляет 40-65 кДж/кг. С повышением температуры испаряющегося вещества теплота испарения уменьшается. В области низких давлений пара это уменьшение осуществляется сравнительно медленно. С повышением давления теплота испарения уменьшается значительно и при критическом состоянии вещества становится равной нулю.

Теплоту испарения углеводородов при температуре кипения и их смесей при температуре выкипания 50 % в кДж/(кг·моль) можно определить по эмпирической формуле:

Qис = (36,7 + 19,2 lg Tкип) Tкип.

С увеличением молекулярной массы теплоемкость жидких углеводородов в пределах одного гомологического ряда незначительно падает. При одном и том же числе атомов углерода в молекуле, одинаковой температуре и давлении наибольшую теплоемкость имеют алканы и изо-алканы, наименьшую – ароматические углеводороды. Теплоемкость всех углеводородов с повышением температуры возрастает, а с увеличением давления незначительно падает.

Теплопроводность для большинства жидкостей с повышением температуры снижается, а с увеличением давления увеличивается.

Коэффициент теплопроводности жидкостей, кВт/(м·К), можно определить по формуле:

λж = 6,33 · 103 cж ρж ρжM1/3,

где:

Поверхностное натяжение жидкостей зависит от ее свойств, природы граничащей среды и температуры. С повышением температуры поверхностное натяжение жидкостей уменьшается и при критической температуре становится равным нулю. Повышение давления газов над жидкостью вызывает снижение поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение, мН/м, углеводородного горючего можно оценить приближенно по формуле:

Gж = 51,5ρж  16,6.

На поверхностное натяжение существенно влияют поверхностно-активные вещества, способные адсорбироваться на поверхности жидкости.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Май, 08, 2023 882 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ