Для виконання лабораторної роботи № 1
"Фізико-хімічні властивості палив.
Визначення в'язкості і щільності палив "
Терміни, визначення та теоретичні передумови до роботи
Хіммотологія умовно поділяє властивості експлуатаційних матеріалів на три групи: фізико-хімічні, експлуатаційні та екологічні.
До фізико-хімічних відносяться властивості палив і мастил (ТіС), що визначаються в лабораторних умовах, це щільність, в'язкість, теплота згоряння і багато інших. До експлуатаційних відносяться властивості ТіС, які проявляються безпосередньо в двигуні при його роботі (або тривалому зберіганні, в умовах консервації), наприклад: детонаційні властивості палив, схильність до утворення відкладень, протизносні та антикорозійні властивості. До екологічних відносяться властивості, що роблять вплив на навколишнє середовище, наприклад: забруднення повітря продуктами, що виділяються при роботі двигуна, пожежо- та вибухобезпечність і т.д.
Для характеристики продуктів за показниками якості використовують як окремі властивості ТіС, так і їх поєднання: октанові числа палив, температуру застигання палив і олив, зольність, кислотність і багато інших. Якість ТіС оцінюється лабораторними (фізико-хімічними) і спеціальними методами випробувань. Основна перевага лабораторних методів випробувань полягає в тому, що з їх допомогою можна виконати диференційовану оцінку окремих властивостей ТіС. Однак лабораторні методи не дають повного уявлення про роботу ТіС в реальних умовах експлуатації двигунів, оскільки зміна одного властивості веде за собою зміну інших.
Для допуску до виробництва та використання розроблених нових ТіС проводяться приймальні випробування. Обов'язковою умовою їх проведення є вимір фізико-хімічних показників (ФХП) ТіС з використанням лабораторних методів. Це необхідно для встановлення відповідності експлуатаційних характеристик ТіС вимогам нормативно-технічної документації, технічним умовам і іншим нормам. Слід мати на увазі, що окремі ФХП, як правило, входять в комплексні експлуатаційні характеристики палив і олив. Наприклад, на склад паливо-повітряної суміші, тонкість розпилювання і повноту випаровування бензину при подачі його в смесеобразующую систему двигуна впливають такі фізико-хімічні властивості палива: щільність, в'язкість, поверхневий натяг, тиск насичених парів, прихована теплота пароутворення, фракційний склад і деякі інші.
Крім цього, знання ФХП палив, масел і інших експлуатаційних матеріалів необхідно знати при проведенні теплотехнічних розрахунків, як самих двигунів, так і їх вузлів.
В'язкість характеризує тертя, що виникає між молекулами рідини, що переміщаються під впливом зовнішніх сил, тому вона робить істотний вплив на перебіг палива через дозуючі отвори.
Величина в'язкості може бути виражена в одиницях динамічної і кінематичної в'язкості. В системі СІ динамічна в'язкість має розмірність Па × с або, що більш вживано, мілліпаскаль × секунда (мПа × с). Кінематична в'язкість має розмірність м2 / с, але це теж дуже велика величина, тому частіше використовують меншу - 1 мм 2 / с, рівну 1 сСт.
Традиційною одиницею виміру кінематичної в'язкості є Стокс (Ст), або його сота частина - сантістокс (сСт), який дорівнює 1 мм 2 / с.
Між динамічної і кінематичної в'язкістю існує зв'язок:
mt = nt × ρt. (1)
де mt - динамічна в'язкість при температурі t;
nt - кінематична в'язкість при температурі t;
ρt - щільність рідини при температурі t.
Для визначення в'язкості нафтопродуктів існують різні методи. Найбільш поширений метод визначення в'язкості палив і інших легкотекущіх рідин заснований на вимірюванні часу закінчення чітко визначеного їх обсягу в приладі, званого віскозиметром.
де с - постійна віскозиметра; tt - час закінчення.
В'язкість палива істотно залежить від температури, що визначається його в'язкісно-температурною характеристикою (ВТХ), яка при позитивних температурах може бути виражена таким чином:
де nt і n20 - відповідно кінематичні в'язкості палива при заданій температурі і при температурі 20 ° С, виражені в сСт.
Чим більше пологий нахил має ВТХ, тим краще в'язкісно-температурні властивості палива. ВТХ палива в основному залежить від фракційного складу: чим він важче, тим вона має більший нахил. Бензини не містять високов'язких вуглеводнів, мають задовільну ВТХ і її регламентації не потребують. Для дизельного палива, особливо важкого і мазутів, зміна в'язкості має більш виражений характер, і при зниженні температури ці палива схильні до вязкостной застиганню.
Щільність прийнято позначати як r420, де верхня цифра вказує температуру продукту (нормальна - 20 ° С), нижня - стандартну температуру води, по відношенню до якої визначається щільність нафтопродукту.
Щільність можна визначити ареометром (нефтеденсіметром) відповідно до ГОСТ 3900-85, а точніше піктометром або гидростатическими вагами.
Щільність сучасних бензинів знаходиться в діапазоні 720 ... 780 кг / м3, причому високооктанові бензини, як правило, мають велику щільність через підвищеного вмісту в них більш важких октанопідвищуючих кисневмісних добавок і антидетонаторов. Щільність стандартного дизельного палива зазвичай знаходиться в межах 810 ... 860 кг / м3 і має тенденцію до підвищення з навантаженням фракційного складу.
Щільність палива залежить від температури, що істотно відбивається на складі суміші. Щільність палива r4t (кг / м3) при температурі t (° С) з достатнім ступенем точності можна визначити за значенням щільності при нормальній температурі, використовуючи наступну залежність:
де вираз в перших дужках являє собою температурну поправку, що залежить від самої щільності.
Таким чином, в'язкість і щільність палив зменшуються з підвищенням температури, причому в'язкість змінюється більш інтенсивно, ніж щільність. Відповідно до цього в'язкість надає переважаючий вплив на вагова кількість палива, що протікає в одиницю часу через витратні органи системи подачі палива і, отже, на склад паливо-повітряної суміші.
Крім в'язкості і щільності в теплотехнічних і гідродинамічних розрахунках часто використовуються такі показники, як поверхневий натяг, стисливість, теплопровідність і питома теплоємність палива.
Поверхневий натяг еквівалентно роботі, яку необхідно зробити для виходу молекул з об'єму рідини в поверхневий шар площею 1 см2. Воно виражається в Н / м або, що більш зручно, в мН / м і визначається за допомогою спеціального капілярного приладу. Поверхневий натяг палива залежить від його температури і щільності, при температурі кипіння воно звертається в нуль. Для будь-яких вуглеводневих палив поверхневий натяг в мН / м можна наближено визначити за емпіричною залежності
Від величини поверхневого натягу залежить тонкість розпилювання палива, яке витікає з розпилювача карбюратора або сопла форсунки. Для бензинів при 20 ° С величина s становить 22 ... 24 мН / м, тобто приблизно в 3,5 рази менше, ніж у води (72,5 мН / м), що сприяє гарному розпилювання палива в системі подачі палива двигуна. Для дизельного палива ця величина знаходиться в діапазоні 27 ... 29 мН / м. На ступінь розпилювання палива впливає також і його в'язкість.
Істинний коефіцієнт стисливості - відносна зміна обсягу при зміні тиску на 1 МПа - при різних тисках P наближено може бути знайдений з виразу:
де ap - істинний коефіцієнт стисливості [1 / МПа] при надмірному тиску P [МПа].
У розрахунках систем подачі палива зазвичай використовують середній коефіцієнт стисливості для необхідного робочого діапазону 0-P. що визначається як середньоінтегральної значення дійсного коефіцієнта в заданому проміжку тисків.
Коефіцієнт теплопровідності вуглеводневого палива визначається в основному його фракційним складом і молярною масою m т. Для індивідуальних вуглеводнів його можна визначити за емпіричною формулою:
де l0 - теплопровідність палива при 0 ° С, Вт / м × К.
Для палив, як складних сумішей вуглеводнів, можна використовувати інше співвідношення:
Зміна коефіцієнта теплопровідності рідких палив при зміні температури визначається з точністю 10% за виразом:
де а = 0,0011 для діапазону температур 0 ... 200 ° С.
Питома теплоемкостьсpt. кДж / кг × К, може бути обчислена з точністю до 4% за формулою
для вуглеводневих палив з щільністю в діапазоні 720 ... 960 кг / м3.
Мета роботи - експериментальне визначення кінематичної в'язкості і щільності бензину і дизельного палива, а також розрахункове визначення інших фізичних величин, що характеризують палива.