Прокачиваемость горючего – это один из важнейших параметров при выборе топлива для автомобилей и других технических устройств, которые работают на сжигании топлива. Чем лучше прокачиваемость горючего, тем эффективнее и безопаснее будет работать двигатель.
Эта статья будет полезна как для профессионалов в области автотранспорта и энергетики, так и для широкой аудитории, интересующейся вопросами экологии и энергоэффективности.
Прокачиваемость характеризует подвижность горючего, способность обеспечивать определенную скорость движения в системах питания двигателя или средствах транспортировки и заправки. В процессе эксплуатации на надежность систем подачи влияют следующие факторы:
- конструктивные: размеры и форма каналов элементов системы (трубопроводов, насосов, регулирующих устройств, фильтров и форсунок), применяемые материалы, состояние обработки стенок, структура сопряжений;
- условия осуществления подачи: количество подаваемого горючего, скорость движения, продолжительность отдельных циклов, температура, давление, влажность и загрязненность воздуха;
- свойства горючего — прокачиваемость, характеризуемая вязкостью, упругостью паров, гигроскопичностью, способностью к кристаллизации и застыванию, способностью удерживать во взвешенном состоянии частицы различных загрязнений, поверхностным натяжением, плотностью.
Основными причинами нарушения подачи и перекачки являются:
- снижение подачи топливных насосов;
- увеличение гидравлических сопротивлений в трубопроводах и в узких каналах регулирующих устройств;
- забивка фильтров и некоторых каналов в системах питания.
Эти явления вызывают увеличение вязкости горючего или образование в нем кристаллов льда или углеводородов при понижении температуры, образование паровоздушных пробок при понижении давления или повышении температуры, образование нерастворимых в горючем продуктов (осадков) или накопление загрязнений (механических примесей и продуктов коррозии), а также явление облитерации (заращивание) узких каналов (зазоров), которое приводит к постепенному уменьшению скорости течения горючего в них. В основе явления облитерации лежат процессы межфазового взаимодействия на границе твердого тела и жидкого горючего. Облитерация зависит от гидродинамических особенностей течения, реологических свойств дисперсионной среды, наличия молекул, склонных к адсорбции на поверхности твердого материала. Образование в узких каналах коагуляционных структур связано с коллоидно-химическими свойствами горючего, которые зависят от количества и природы дисперсных частиц и присутствия полярных веществ. Дисперсные частицы имеют разную природу и могут нести электрический заряд того или иного знака. Заряд дисперсной фазы оказывает определенное влияние на формирование сольватной оболочки частицы вследствие своего электростатического взаимодействия с ионами противоположного знака, которые, в свою очередь, вызывают упорядочение ассоциированных с ними полярных молекул.
На прохождение горючего через узкие каналы, поры и щели существенно влияют поверхностное натяжение, плотность, склонность к адсорбции на поверхности твердого материала, способность смачивать поверхность каналов и электризоваться. Для некоторых видов горючего и фильтрующих материалов возможно специфическое физико-химическое взаимодействие, существенным образом изменяющее Техническое обслуживание топливных систем на суднеспособность к фильтрации. Химически активные фильтрующие материалы (силикагель, цеолиты, отбеливающие глины) задерживают не только нерастворимые в горючем осадки, но и растворимые продукты загрязнения. На гидравлическое сопротивление фильтрующего материала оказывает влияние образование в каналах фильтра пузырьков пара и газа, что связано с испаряемостью горючего и способностью растворять газы.
Вязкостные характеристики
Для многих видов горючего в обычных условиях его применения соблюдается зависимость ньютоновых жидкостей: касательное напряжение трения τсд между двумя прямолинейно движущимися ее слоями пропорционально отнесенному к единице длины l изменению скорости u по нормали к направлению движения:
Коэффициент μг называется коэффициентом динамической вязкости. Отношение:
называется коэффициентом кинематической вязкости. Изменение коэффициентов μг и νг в интервалах температуры, в которых данное горючее сохраняет свойства ньютоновой жидкости, описывается зависимостью:
где:
- A — величина, постоянная для каждого горючего.
Изменение вязкости углеводородных смесей от давления выражается зависимостью:
где:
- k = A + Bμг.
Для керосино-газойлевых дистиллятов нефти:
- A = 1,4·10-3,
- B = 1,56·10-3.
Вязкость возрастает с увеличением молекулярной массы, степени разветвленности и компактности структуры молекул горючего. Для углеводородов с одинаковой молекулярной массой вязкость повышается в ряду:
- н-алканы
- изо-алканы,
- цикланы,
- ароматические углеводороды.
Для всех классов углеводородов с увеличением молекулярной массы вязкость повышается. Наиболее пологую вязкостно-температурную кривую имеют н-алканы, а наиболее крутую – ароматические углеводороды. Влияние строения молекул сложных смесей углеводородов на вязкость и ее изменение с температурой иллюстрируют данные табл. 1.
| Таблица 1. Зависимость вязкости от температуры для моноциклических циклановых и ароматических углеводородов | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Углеводороды | Среднее число атомов углерода в алкановых цепях | Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре, °С | |||
| 20 | 0 | -20 | -60 | ||
| Циклановые | 3,2 4,6 6,0 | 1,3 1,9 3,0 | 1,7 2,8 5,0 | 2,7 4,8 10,6 | 8,9 24,6 135,6 |
| Ароматические | 3,4 4,8 6,1 | 1,3 1,7 2,8 | 1,7 2,5 4,7 | 2,5 4,8 10,5 | 11,2 56,8 277,1 |
Влияние строения молекул на вязкость и ее изменение с температурой при увеличении молекулярной массы становится все более сложным в зависимости от количества колец, длины и строения боковых цепей.
Наименьшие коэффициенты динамической и кинематической вязкости имеют бензины:
- ν20° = 0,6 ÷ 0,8 мм2/сСт.
Для реактивных топлив:
- ν20° = 1,3 ÷ 4,5 мм2/сСт,
для дизельных топлив:
- ν20° = 1,5 ÷ 8,0 мм2/сСт.
Изменение вязкости от температуры для различных групп горючего показывают зависимости на рис. 1.
1 – авиационный бензин; 2, 3, 5 – керосиновые фракции; 4, 6, 7 – дизельное топливо ДА, зимнее ДЗ и 3, летнее ДЛ и Л; 8, 9, 10, 11, 12 – котельное топливо Ф5, Ф12, 40, 100 и 200
В определенных условиях, например при низкой температуре, сильном загрязнении органическими и неорганическими веществами, горючее не обладает свойствами ньютоновой жидкости. Кривая, выражающая зависимость между напряжением τсд и градиентом скорости сдвига du/dl слоев жидкости, является нелинейной. Вязкость такого горючего не остается постоянной при заданной температуре, а зависит от скорости сдвига, конструктивных особенностей аппаратуры и предварительной обработки (нагревания, перемешивания). Для некоторых горючих вязкость зависит и от продолжительности сдвига. Эти явления наблюдаются при пониженных температурах для дизельного и котельного топлив.
Характеристики кристаллизации и застывания
Понижение температуры приводит к изменению фазового состояния горючего. При этом образуются кристаллическая структура или аморфная пластическая масса. Процесс кристаллизации состоит в том, что в одной или нескольких точках объема образуются центры кристаллизации, которые, возникнув, не разрушаются, а растут за счет окружающего материала. Скорость кристаллизации wкр – количество вещества, переходящего в твердую фазу в единицу времени в единице объема, – зависит от скорости зарождения центров кристаллизации wц. к и скорости роста кристаллов wр. к. Время полной кристаллизации τкр пропорционально числу центров, зарождающихся в единицу времени в единице объема wц. к и пути, проходимого в единицу времени гранью кристаллов в направлении роста wр. к:
На скорость кристаллизации влияет следующее:
- способность горючего к кристаллизации, зависящая от наличия поверхностно-активных веществ и различного рода примесей, количества легкокристаллизующихся компонентов, их растворимости в горючем, температуры и теплоты плавления, вязкости, поверхностного натяжения и плотности горючего;
- условия кристаллизации – температура, давление, турбулентность среды;
- конструктивные факторы – форма, размеры, материал системы, в которой развивается процесс.
Количественный учет этих факторов, особенно для сложных углеводородных смесей и гетероорганических соединений, как и для других суммарных процессов, осуществляется на основе анализа эмпирических зависимостей wкр = f (Фк; Фу; xг), полученных для определенных значений факторов Фк и Фу.
При охлаждении горючего, представляющего собой смесь углеводородов и неуглеводородных примесей, изменение фазового состояния осуществляется при взаимном влиянии многих факторов. Структура и количество выделяющихся кристаллов сильно изменяются в зависимости от состава горючего и условий охлаждения. По мере охлаждения выделяющиеся кристаллы срастаются, образуя сетчатые или ячеистые каркасные структуры. Эти структуры захватывают в свои ячейки некристаллизующиеся углеводороды и компоненты горючего. В результате горючее теряет подвижность. Повышение вязкости способствует связыванию кристаллов и образованию каркасных структур. В некоторых случаях потеря подвижности определяется в основном резким Автоматическое регулирование вязкости судового топливаповышением вязкости. Процесс кристаллизации и застывания сложных смесей протекает в определенном интервале температур, изменяющемся в зависимости от условий охлаждения и особенностей конструкции систем подачи или перекачки.
Температура кристаллизации углеводородов повышается с увеличением молекулярной массы. Однако для различных углеводородов одной и той же молекулярной массы и их смесей температура кристаллизации может изменяться в широких пределах (рис. 2, табл. 2).
× – алканы; ⚫ – моноциклические цикланы; 〇 – моноциклические ароматические углеводороды; △ – бициклические ароматические углеводороды.
Линиями связаны н-алканы моноциклические и моноароматические углеводороды с неразветвленной боковой цепью
Наиболее высокие температуры кристаллизации имеют углеводороды с симметричным строением молекул.
| Таблица 2. Температуры начала кристаллизации и застывания дизельных топлив различного химического состава | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Топливо | Температура, °C | Вязкость, сСт | Содержание, % | |||
| Начало кристаллизации | застывания | при Tн. кр | при Tзаст | ароматических углеводородов | алканов | |
| Керосин из сураханской нефти | -39 | -56 | 12 | 26 | 11 | 35 |
| Дизельное топливо из сураханской нефти | 4 | -7 | 10 | 13 | 15 | 25 |
| Керосин из ишимбаевской нефти | -10 | -30 | 6 | 12 | 28 | 50 |
| Дизельное топливо из ишимбаевской нефти | 0 | -5 | 12 | 15 | 34 | 35 |
| Дизельное топливо из краснокамской нефти | -5 | -14 | 12 | 40 | 21 | 66 Содержание углерода в алкановых структурах.x |
| Дизельное топливо Л по ГОСТ 305-73 | -6 | -15 | 17 | 40 | 32 | 48 Содержание углерода в алкановых структурах.x |
| Дизельное топливо опытное Новокуйбышевского завода | -4 | -19 | 8 | 50 | 37 | 49 Содержание углерода в алкановых структурах.x |
| Дизельное топливо ДА по ГОСТ 4749-73 | -14 | -35 | 25 | 60 | 15 | 40 Содержание углерода в алкановых структурах.x |
Сильно разветвленные алканы, алкилмоноцикланы и ароматические углеводороды, а также гомологи нафталина, содержащие в боковых цепях более двух атомов углерода, не кристаллизуются, а переходят в аморфное состояние. При температурах ниже -60 °С они превращаются в стекловидную массу.
Гигроскопичность
Некоторые вещества, например спирты, способны аккумулировать поглощаемую воду, связывать ее и не выделять самопроизвольно при самых резких изменениях температуры и влажности воздуха. Такая форма гигроскопичности называется необратимой. Углеводороды и их смеси обладают другой формой гигроскопичности – обратимой. Они не только поглощают и растворяют воду, но при изменении температуры и влажности окружающего воздуха выделяют ее. Углеводороды ограниченно растворяют воду. Это объясняется большим различием в строении их молекул. Молекулы воды имеют малый объем, большой дипольный момент и обладают способностью к ассоциации за счет водородных связей. Молекулы углеводородов имеют большой объем, неполярны, обладают небольшим дипольным моментом и неспособны образовывать между собой водородные связи. Наибольшей гигроскопичностью обладают ароматические углеводороды, наименьшей – алканы. С увеличением молекулярной массы растворимость воды в углеводородах уменьшается, но удаление ее из них затрудняется.
С повышением температуры растворимость воды в горючем увеличивается (табл. 3).
| Таблица 3. Гигроскопичность углеводородов | |||
|---|---|---|---|
| Углеводороды | Растворимость воды, % при температуре, °C | ||
| 20 | 40 | 50 | |
| н-Гептан | 0,0096 | 0,0308 | 0,0480 |
| 2,2,3-Триметилбутан | 0,0106 | 0,0315 | 0,0507 |
| н-Гексадекан | 0,0069 | 0,0209 | 0,0332 |
| Циклогексан | 0,0122 | 0,0317 | 0,0490 |
| Бензол | 0,0582 | 0,0948 | 0,1177 |
| Толуол | 0,0460 | 0,0750 | 0,0965 |
| изо-Пропилбензол | 0,0303 | 0,0550 | 0,0710 |
На основании опытных данных установлено, что содержание в горючем воды Cx изменяется в зависимости от влажности воздуха и температуры:
где:
- Cmax – максимально возможное содержание воды в горючем при данной температуре;
- p и pS – соответственно парциальное давление паров и давление насыщенных паров воды при той же температуре;
- T – температура горючего.
Условия образования кристаллов льда в углеводородном горючем при его охлаждении иллюстрирует рис. 3.
1, 2 – состояния горючего, при которых вода находится в растворенном виде;
а, б, в – состояние, при котором вода выделяется в виде второй фазы в количестве соответственно Cа, Cб и Cв
Если охлаждение горючего осуществляется очень медленно, то вода, растворенная в нем, успевает перейти из жидкости в воздух и не выделится в виде второй фазы. Напротив, при достаточно быстром охлаждении по мере уменьшения растворимости воды в горючем, она, не успевая перейти в воздух, выделяется в виде второй фазы. Этот процесс начинается с образования коллоидной системы, при разрушении которой возникает мелкодисперсная фаза – эмульсия воды в топливе. Если температура горючего ниже нуля градусов, то образуются кристаллы льда. Чем больше воды растворено в горючем и чем выше скорость охлаждения, тем больше образуется кристаллов льда. При постепенном охлаждении, особенно горючего с большим содержанием ароматических углеводородов, возможно переохлаждение и перенасыщение водой. Такие системы неустойчивы и при дальнейшем охлаждении почти одновременно выделяется значительная часть воды из раствора. Форма и размер образующихся в горючем кристаллов льда зависят от условий охлаждения, присутствия микрозагрязнений и механических примесей, которые являются центрами кристаллизации.
Углеводороды горючего, а также продукты окисления и полимеризации ассоциируются с капельками воды. Эти ассоциированные комплексы увеличивают объем кристаллической массы, отлагающейся на фильтрах. Кристаллы льда образуются также в процессе конденсации влаги из воздуха на поверхности холодного горючего.
Загрязненность горючего
Причинами загрязнения горючего являются:
- попадание пыли и влаги из окружающей среды;
- коррозия внутренних поверхностей средств хранения и транспортировки, систем подачи и перекачки;
- накопление продуктов окисления и термоокислительных превращений при хранении, транспортировке и применении;
- разрушение уплотнительных материалов и антикоррозионных покрытий;
- попадание остатков загрязненного горючего при плохой зачистке средств хранения и транспортирования;
- производственные и технологические загрязнения во время эксплуатации, сборки и ремонта аппаратов, средств хранения, транспортировки систем подачи и перекачки.
Вид и характер загрязнений зависят от физико-химических процессов, протекающих в горючем. Основными факторами, определяющими характер и степень загрязнения горючего, являются:
а физико-химические свойства:
- вязкость,
- поверхностное натяжение,
- плотность,
- склонность к окислительным и термоокислительным превращениям, гигроскопичность;
б внешние условия:
- температура среды и горючего,
- содержание в газовой среде и жидкой фазе кислорода и воды,
- материал агрегатов систем подачи и перекачки,
- средств хранения и транспортировки.
Основными компонентами, из которых образуются загрязнения, являются нерастворимые в горючем органические соединения, вода и минеральные вещества, микроорганизмы. В состав минеральных соединений, попадающих в горючее, входят самые различные элементы. Чаще всего это:
- Fe,
- Na,
- Ca,
- Al,
- Si,
- Mg,
- Cu,
- Mn,
- Ni,
- Zn.
Механизм образования и накопления загрязнений может быть представлен следующей схемой:
а образование коллоидной системы (горючее – частицы загрязнений) в результате попадания частиц загрязнений из окружающей среды и в результате окислительных и термоокислительных процессов;
б разрушение коллоидной системы, вызванное коагуляцией частиц загрязнений.
В зависимости от температуры меняется соотношение скоростей физических и химических процессов образования и состава твердой фазы. При температурах 60-70 °C в осадках большую долю составляют зольные элементы и вода, а при более высоких температурах увеличивается доля сложных гетероорганических соединений.
Присадки для улучшения прокачиваемости
Для улучшения прокачиваемости горючего можно использовать присадки, воздействующие на все рассмотренные характеристики прокачиваемости:
- вязкость,
- способность к кристаллизации и застыванию,
- гигроскопичность и загрязняемость.
Некоторые из присадок находятся еще в стадии разработки. Например, с целью ускорения и углубления очистки топлив рассматриваются и подбираются коагулирующие присадки, способствующие укрупнению частиц примесей в крупные, легко удаляемые фильтрованием.
В настоящее время наиболее изученными являются присадки, улучшающие низкотемпературные свойства.
В качестве депрессорных присадок, понижающих температуру застывания углеводородного горючего, можно использовать различные высокомолекулярные соединения:
- полимеры и сополимеры,
- гетероорганические соединения.
Одной из первых была присадка Парафлоу, представляющая собой продукты взаимодействия нафталина с хлорированным парафином. Депрессорными свойствами обладают природные высокомолекулярные соединения.
Читайте также: Основные характеристики дизельного топлива, влияющие на его качество
Наиболее активны сополимеры этилена с винилацетатом. Важнейшими характеристиками этих присадок являются их молекулярная масса и содержание винилацетатных звеньев (табл. 4).
| Таблица 4. Зарубежные депрессорные присадки | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Условное название присадки | Элементарный состав, % | Содержание звеньев винил-ацетата, % | Молекулярная масса | Область применения | ||
C | H | O | ||||
| Парадин-20 Парадин-25 | 73,5 74,1 | 11,6 11,6 | 14,9 14,3 | 41 38 | 1 800 1 800 | Дизельное топливо |
| Парадин-70 | 77,2 | 12,5 | 10,3 | 28 | 5 400 | Котельное топливо |
| A110X A504X A804X | 80,0 78,3 77,3 | 13,5 12,7 12,5 | 6,5 9,0 10,2 | 19 25 28 | 5 300 6 100 6 100 | Мазут и другие остаточные топлива |
Присадки, приведенные в табл. 4, выпускаются в растворе толуола. При введении в концентрации 0,02-0,1 % они снижают температуру застывания топлив на 20-30 °C, причем улучшается фильтруемость топлива при температуре ниже температуры помутнения.
Запатентованы в качестве депрессорных присадок для различных топлив некоторые сополимеры этилена с пропиленом, деценом, дициклопентадиеном и др. С целью лучшей растворимости в топливе молекулярная масса сополимеров должна составлять 2 000-6 000. Предложены в качестве депрессорных присадок алкенилсукцинимиды. Их депрессорное действие может быть усилено введением в топливо сополимера этилена и другого мономера, например винилацетата, пропилена, изо-пропилакрилата.
Эффективность депрессорных присадок зависит как от их строения, так и от состава топлива (табл. 5).
| Таблица 5. Эффективность некоторых депрессорных российских и зарубежных присадок | |||
|---|---|---|---|
| Топливная композиция | Температура, °C | ||
| помутнения | застывания | фильтруемости (фильтр сетчатый 40 мкм) | |
| Топливо дизельное Л без присадки | -10 | -14 | -10 |
| Топливо Л: с 0,5 % АзНИИ-ЦИАТИМ-1 с 0,5 % полиметакрилата Д с 0,4 % PN540 (фирма “Petronafta”) | -10 -12 -11 | -25 -33 -37 | -10 -14 -21 |
| Топливо дизельное ДЛ без присадки | -22 | -35 | -30 |
| Топливо ДЛ: с 0,5 % АзНИИ-ЦИАТИМ-1 с 0,5 % полиметакрилата Д с 0,4 % PN540 | -24 -25 -22 | -70 -72 -44 | -46 -52 -40 |
| Топливо дизельное ДС без присадки | -10 | -15 | -10 |
| Топливо ДС: с 0,5 % АзНИИ-ЦИАТИМ-1 с 0,5 % полиметакрилата Д с 0,4 % PN540 | -11 -11 -9 | -17 -19 -22 | -13 -13 -11 |
Высокоэффективные присадки сополимерного типа позволяют получить хорошие результаты при добавлении их в топливо менее 0,1 % (табл. 5, рис. 4).
Флотские мазуты.
1 – из сахалинских нефтей цикланового основания; 2 ,3 ,4 – из смеси парафинистых сернистых нефтей.
Топочные мазуты.
5 – из сахалинских нефтей цикланового основания; 6, 7 – из смеси парафинистых сернистых нефтей
С целью предотвращения образования в горючем кристаллов льда и воды при низких температурах предложены присадки двух типов:
- первый – спирты, гликоли, амины, формамиды и их производные,
- второй – поверхностно-активные присадки.
Действие присадок первого типа основано на растворении воды и образовании с ней низкозамерзающих смесей. Многие присадки этого типа образуют с водой ассоциаты за счет водородных связей и поэтому удерживают воду в топливе в значительном большем количестве, чем это возможно без присадки.
Из первой группы присадок практический интерес представляют для легких топлив — спирты, а для среднедистиллятных — моноалкиловые эфиры:
- этилен-гликольметил и этилцеллозольв CH3OCH2CH2OH, C2H5OCH2CH2OH и производные аминов (табл. 6).
| Таблица 6. Минимальные концентрации некоторых соединений для предотвращения образования кристаллов льда до температуры минус 40 °C в реактивном топливе типа керосина | ||||
|---|---|---|---|---|
| Соединение | Концентрация присадки, %, в топливе при содержании воды, % | |||
| 0,005 | 0,01 | 0,5 | 0,1 | |
| Спирт метиловый | 0,12 | 0,125 | 0,15 | 0,20 |
| Спирт этиловый | 0,15 | 0,254 | 0,275 | 0,325 |
| Ацетон | 0,5 | 1,33 | 1,49 | 1,70 |
| Метилцеллозольв | 0,16 | 0,26 | 0,316 | 0,39 |
| Этилцеллозольв | 0,18 | 0,32 | 0,385 | 0,46 |
| Диэтилэтаноламин | 0,18 | 0,325 | 0,39 | 0,465 |
| Диэтилоксиэтаноламин | 0,15 | 0,20 | 0,245 | 0,285 |
| Триметилтриметилентриамин | 0,16 | 0,28 | 0,345 | 0,42 |
Поверхностно-активные присадки образуют защитную оболочку на частицах льда, что препятствует их объединению друг с другом. Образующиеся мицеллы имеют в наружной части углеводородные радикалы, а во внутренней части – гидрофильные группы; молекулы воды располагаются внутри мицеллы. Таким образом, присадки второго типа действуют как поверхностно-активные коллоидные растворители, обеспечивающие солюбилизацию воды в углеводородной среде. Поверхностно-активные присадки выполняют одновременно и функции моющих присадок – смывают отложения в системах топливоподачи.
Эффективная концентрация присадок первого типа, предотвращающих образование кристаллов льда, достаточно высока (в бензинах 0,5-2 %, в реактивных топливах 0,1-3 %), а второго типа – значительно ниже и составляет сотые и тысячные доли процента.
