Испаряемость дизельного топлива

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:

где:

• T_ср и T_ж – соответственно температура среды и поверхности жидкости;
• Δl — изменение энтальпии жидкости и паров вещества в процессе испарения.

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 T_ж ≈ const.

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

Количество вещества G_ис испаряющегося со свободной поверхности жидкости S_ж за время τ,

где:

• β_C и β_p – коэффициенты испарения, отнесенные соответственно к разности концентраций и разности парциальных давлений;
• C_S и C_o – соответственно концентрация паров у поверхности испарения и в окружающей среде;
• p_S и p_o – соответственно давление паров у поверхности испарения и в окружающей среде.

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

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

Для этой цели используются критерии:

• Нуссельта

  $Nu = \frac{\chi L}{{\lambda }_{\mathrm{ср}}},$

• Шервуда

  $Sh = \frac{{\beta }_{C}L}{D_C} = \frac{{\beta }_{p}L}{D_p},$

• Рейнольдса

  $Re = \frac{ud}{{\nu }_{\mathrm{ср}}},$

• Шмидта

  $Sc = \frac{{\nu }_{\mathrm{ср}}}{D_{\mathrm{ср}}},$

• Прандтля

  $Pr = \frac{{\nu }_{\mathrm{ср}}}{a_{\mathrm{ср}}}$

  и др.

Указанные критерии связывают следующие характеристики:

• χ – коэффициент теплопередачи или коэффициент теплоотдачи,
• λ_ср – коэффициент теплопроводности,
• L и d – характерные линейные размеры,
• ν_ср – коэффициент кинематической вязкости,
• a_ср – коэффициент температуропроводности,
• u – скорость движения,
• D_C и D_p – коэффициенты диффузии, отнесенные соответственно к градиенту концентраций и градиенту давлений.

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

где:

• k_ис — коэффициент испарения движущейся капли;
• $k_{\mathrm{ис}}^0$

  — коэффициент испарения неподвижной капли.

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

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

где:

• ρ_ж – плотность жидкости.

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,
• давление,
• характеристики турбулентности среды,
• свойства испаряющейся жидкости.

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

$\overline{u}$

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

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′ (D_T = lu′) – характеризует перенос вещества в турбулентном потоке; он может в сотни и тысячи раз превышать коэффициент диффузии D_C 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:

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 G_ис = 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;
• теплота испарения;
• теплоемкость и теплопроводность оказывают меньшее влияние.

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:

где:

• A и B – постоянные для определенного интервала температур величины, зависящие от свойств жидкости.

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

Давление насыщенных паров сложных многокомпонентных жидкостей определяется не только свойствами жидкости и температурой, но и соотношением объемов паровой и жидкой фаз V_п/V_ж. 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:

зависимость:

близка к прямой линии.

На рис. 2 приведены зависимости

$lg p_S = f\left(\frac{1}{T}\right)$

для ряда индивидуальных углеводородов и некоторых групп горючего.

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:

Для углеводородов и их смесей:

• m ≈ 1,5 ÷ 2,0;
• n ≈ 1.

Коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту давлений:

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

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

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:

• ароматические углеводороды,
• цикланы,
• алканы,
• алкены.

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:

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:

где:

• c_ж – удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(г·°С);
• ρ_ж – плотность жидкости, г/см³;
• M – молекулярная масса.

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:

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