Для выполнения лабораторной работы № 1
“Физико-химические свойства топлив.
Определение вязкости и плотности топлив”
Санкт-Петербург
Термины, определения и теоретические предпосылки к работе
Химмотология условно разделяет свойства эксплуатационных материалов на три группы: физико-химические, эксплуатационные и экологические.
К физико-химическим относятся свойства топлив и смазок (ТиС), определяемые в лабораторных условиях, это плотность, вязкость, теплота сгорания и многие другие. К эксплуатационным относятся свойства ТиС, проявляющиеся непосредственно в двигателе при его работе (или длительном хранении, в условиях консервации), например: детонационные свойства топлив, склонность к образованию отложений, противоизносные и антикоррозионные свойства. К экологическим относятся свойства, оказывающие влияние на окружающею среду, например: загрязнение воздуха продуктами, выделяющимися при работе двигателя, пожаро- и взрывобезопасность и т.д.
Для характеристики продуктов по показателям качества используют как отдельные свойства ТиС, так и их сочетания: октановые числа топлив, температуру застывания топлив и масел, зольность, кислотность и многие другие. Качество ТиС оценивается лабораторными (физико-химическими) и специальными методами испытаний. Основное преимущество лабораторных методов испытаний состоит в том, что с их помощью можно выполнить дифференцированную оценку отдельных свойств ТиС. Однако лабораторные методы не дают полного представления о работе ТиС в реальных условиях эксплуатации двигателей, поскольку изменение одного свойства ведет за собой изменение других.
Для допуска к производству и использованию вновь разрабатываемых ТиС проводятся приемочные испытания. Обязательным условием их проведения является измерение физико-химических показателей (ФХП) ТиС с использованием лабораторных методов. Это необходимо для установления соответствия эксплуатационных характеристик ТиС требованиям нормативно-технической документации, техническим условиям и другим нормам. Следует иметь в виду, что отдельные ФХП, как правило, входят в комплексные эксплуатационные характеристики топлив и масел. К примеру, на состав топливовоздушной смеси, тонкость распыливания и полноту испарения бензина при подаче его в смесеобразующую систему двигателя влияют следующие физико-химические свойства топлива: плотность, вязкость, поверхностное натяжение, давление насыщенных паров, скрытая теплота парообразования, фракционный состав и некоторые другие. Кроме этого, знание ФХП топлив, масел и других эксплуатационных материалов необходимо знать при проведении теплотехнических расчетов, как самих двигателей, так и их узлов.
Вязкость характеризует трение, возникающее между молекулами жидкости, перемещающимися под воздействием внешних сил, поэтому она оказывает существенное влияние на течение топлива через дозирующие отверстия.
Величина вязкости может быть выражена в единицах динамической и кинематической вязкости. В системе СИ динамическая вязкость имеет размерность Па×с или, что более употребимо, миллипаскаль×секунда (мПа×с). Кинематическая вязкость имеет размерность м2/с, но это тоже очень большая величина, поэтому чаще используют более малую – 1 мм2/с, равную 1 сСт.
Традиционной единицей измерения кинематической вязкости является Стокс (Ст), или его сотая часть – Сантистокс (сСт), который равен 1 мм2/с.
Между динамической и кинематической вязкостью существует связь:
mt = nt×ρt, (1)
где mt – динамическая вязкость при температуре t;
nt – кинематическая вязкость при температуре t;
ρt – плотность жидкости при температуре t.
Для определения вязкости нефтепродуктов существуют различные методы. Наиболее распространенный метод определения вязкости топлив и других легкотекущих жидкостей основан на измерении времени истечения строго определенного их объема в приборе, называемого вискозиметром.
Кинематическая вязкость обычно используется для оценки текучести жидкостей при нормальных и высоких температурах и измеряется вискозиметрами истечения. В России наиболее распространена оценка кинематической вязкости нефтепродуктов с помощью капиллярного вискозиметра (рис. 1) по ГОСТ 33–2000. Метод оценки основан на том, что вязкость жидкостей прямо пропорциональна времени протекания одинаковых их количеств через один и тот же капилляр, обеспечивающий ламинарность потока
n t = t t с, (2)
где с – постоянная вискозиметра; t t – время истечения.
Вязкость топлива существенно зависит от температуры, что определяется его вязкостно-температурной характеристикой (ВТХ), которая при положительных температурах может быть выражена следующим образом:
(3)
где n t и n20 – соответственно кинематические вязкости топлива при заданной температуре и при температуре 20 °С, выраженные в сСт.
Чем более пологий наклон имеет ВТХ, тем лучше вязкостно-температурные свойства топлива. ВТХ топлива в основном зависит от фракционного состава: чем он тяжелее, тем она имеет больший наклон. Бензины не содержат высоковязких углеводородов, имеют удовлетворительную ВТХ и ее регламентации не требуют. Для дизельного топлива, в особенности тяжелого и мазутов, изменение вязкости имеет более выраженный характер, и при понижении температуры эти топлива склонны к вязкостному застыванию.
Плотность принято обозначать как r420, где верхняя цифра указывает температуру продукта (нормальная – 20 °С), нижняя – стандартную температуру воды, по отношению к которой определяется плотность нефтепродукта. Плотность можно определить ареометром (нефтеденсиметром) в соответствии с ГОСТ 3900–85, а более точно пикнометром или гидростатическими весами.
Плотность современных бензинов находится в диапазоне 720…780 кг/м3, причем высокооктановые бензины, как правило, имеют большую плотность из-за повышенного содержания в них более тяжелых октаноповышающих кислородсодержащих добавок и антидетонаторов. Плотность стандартного дизельного топлива обычно находится в пределах 810…860 кг/м3 и имеет тенденцию к повышению с утяжелением фракционного состава.
Плотность топлива зависит от температуры, что существенно отражается на составе смеси. Плотность топлива r4 t (кг/м3) при температуре t (°С) с достаточной степенью точности можно определить по значению плотности при нормальной температуре, используя следующую зависимость:
(4)
где выражение в первых скобках представляет собой температурную поправку, зависящую от самой плотности.
Таким образом, вязкость и плотность топлив уменьшаются с повышением температуры, причем вязкость изменяется более интенсивно, чем плотность. Соответственно этому вязкость оказывает превалирующее влияние на весовое количество топлива, протекающего в единицу времени через расходные органы системы топливоподачи и, следовательно, на состав топливовоздушной смеси.
Помимо вязкости и плотности в теплотехнических и гидродинамических расчетах часто используются такие показатели, как поверхностное натяжение, сжимаемость, теплопроводность и удельная теплоемкость топлива.
Поверхностное натяжение эквивалентно работе, которую необходимо совершить для выхода молекул из объема жидкости в поверхностный слой площадью 1 см2. Оно выражается в Н/м или, что более удобно, в мН/м и определяется при помощи специального капиллярного прибора. Поверхностное натяжение топлива зависит от его температуры и плотности, при температуре кипения оно обращается в нуль. Для любых углеводородных топлив поверхностное натяжение в мН/м можно приближенно определить по эмпирической зависимости
(5)
От величины поверхностного натяжения зависит тонкость распыливания топлива, вытекающего из распылителя карбюратора или сопла форсунки. Для бензинов при 20 °С величина s составляет 22…24 мН/м, т.е. примерно в 3,5 раза меньше, чем у воды (72,5 мН/м), что способствует хорошему распыливанию топлива в системе топливоподачи двигателя. Для дизельного топлива эта величина находится в диапазоне 27…29 мН/м. На степень распыливания топлива оказывает влияние также и его вязкость.
Истинный коэффициент сжимаемости – относительное изменение объема при изменении давления на 1 МПа – при различных давлениях P приближенно может быть найден из выражения:
(6)
где a p – истинный коэффициент сжимаемости [1/МПа] при избыточном давлении P [МПа].
В расчетах систем топливоподачи обычно используют средний коэффициент сжимаемости для требуемого рабочего диапазона 0– P, определяемого как среднеинтегральное значение истинного коэффициента в заданном промежутке давлений.
Коэффициент теплопроводности углеводородного топлива определяется в основном его фракционным составом и молярной массой m т. Для индивидуальных углеводородов его можно определить по эмпирической формуле:
(7)
где l0 – теплопроводность топлива при 0 °С, Вт/м×К.
Для топлив, как сложных смесей углеводородов, можно использовать другое соотношение:
(8)
Изменение коэффициента теплопроводности жидких топлив при изменении температуры определяется с точностью 10 % по выражению:
(9)
где а = 0,0011 для диапазона температур 0…200 °С.
Удельная теплоемкость сpt, кДж/кг×К, может быть вычислена с точностью до 4 % по формуле
(10)
для углеводородных топлив с плотностью в диапазоне 720…960 кг/м3.
Цель работы – экспериментальное определение кинематической вязкости и плотности бензина и дизельного топлива, а также расчетное определение других физических величин, характеризующих топлива.