Лаврик А.Н. Топливо для ДВС

Подождите немного. Документ загружается.

Основным компонентом природного газа является метан. Его содер-

жание I газе колеблется от 93 до 98$. Метан - бесцветный, нетоксич~ '

гай газ без запаха и вкуса. Это наиболее легкий углеводород. Один

кубический метр метана веоит 0,717 кг. Вес метана по отношению к

воздуху ррвеч 0,55.

Попутный нефтяной гэз также состоит в основном из метана и его

гомологов. Однако з нем содержится меныг метана и значительно боль-

ше этана, пропана, бутана и центана. В нефтяном газе содержится

3U...60$ метана, до 50$ азота, небольшое количество двуокиси утлеро-

да, остальное - гомологи метана. В нефтяном газе, добываемом на мес-

торождениях о сернистой нефтью, имеется также сероводород.

Объем добычи нефтяного газа составляет примерно 10!» от добывае-

мого в нашей стране природного газа. Полное использование попутннх

газов является важной народнохозяйственной задачей.

1.6. Твердые топлива

Большим резервом сырья для топлив двигателей являются каменные

и бурые утля. оланпы, торф. По большим запасам и химическому составу

из твердых топлив наиболее перспективен каменный уголь.

Процеоо образования в природе тзердах ископаемых . топлив зависел

от глубины залегания пластов, температуры и давления в зоне утлеоб-

разлванЕя. Наименее обуглерожепнне виды твердого топлива залегаят

чаще вблизи от поверхности земли, а сильно обутлероженше - ыа зна-

чительной глубине. Считают, что процеоо образования ископаемых углей

я природе проходит ряд стадий: отмирание растений, образование торфа

и сланцев» образование бурах, каменных углей и антрацита.

Таблица I

Элеквнтарккй химический состав твёрдых топлив, %

Топливо

• S

Той

0,3

33,6 2,1

Слайде

60-75

7-10

4-13 12-17 0,3-1.2

Бурый уголь 64-78 3,8-6,3

0,3-6

16-26 0,6-1,6

Каменный уголь

75-90

4-6

0,5-6 2-13

1-2,7

Аятрацд? 93-94

2-3 1-2

Основные компонент?* твердах топлиа - углерод и водород. Содержатся

тзкяе серя, кислород ж азот (табл. I). Наименьшее количество горючих

компонентов содержится в торфе, а наибольшее - в каменном угле я

вятрадате. в каменном угле содержится от 79 до 96% углерода и водо-

рода. что говорит о ценности его как сырья для тошшв ДВО.

2. СОСТАВ И ЭШТГЕШЧЕОШЕ СВОЙСТВА ТОШШВ

2.1. Классификация тошшв

Топливом называют горючие вещества, используемые для получения

тепловой энергии.

Тошива классифицируют по раду 'признаков': по физическому состоя-

нию - на твердые, жидкие, газообразные; но способу получения - на

естественные х искусственные; до назначению - на топлива для дизель

них двигателей (или дизельные тошилза), топлива для-карбюраторных

двигателей (или бепаты), топлива доя газотурбинных двигателей (или

авиационные керосина), котельные, ракетные тошшвя и др.

Дизельные топлива в свою очередь подразделяются на топлива для

автотракторных дизелей, тошшвэ диа тепловозных и судовых дизелей,

а также топлива для тихоходных судовых дичелей. Бзнзанн подразделя-

ются на ч^зтомобильнае и ;авкацаошше.

Естественные топлива полкам непосредственно из недр земли и их

сжигают без предварительной переработки. .Искусственное топливо полу-

чают переработкой естественного топлива шш какого-либо другого сы-

рья. К твердому естественному топливу относятся дрова, торф, сланцы,

бурый и каменный уголь, антрацит, битуминозные пески. К искусствен-

ному твердому топливу относятся древесный уголь, торфяной и каменно-

угольный полукокс, кокс, брикеты торфяные и угольные.

К жидкому естественному топливу относятся нефть и газовый конден-

сат. К искусственному - бензин, керосин, дизельное топливо, мазут,

смола, сланцевое масло, метонол, этонол и др. >

К газообразному естественному топливу относятся природный нефте-

промысловый и шахтный газ, к искусственному - сжиженный газ, промыш-

ленные газы, водород, газы процесса брожения.

В настоящее время, твердое топливо непосредственно дая ДВО кв ис-

пользуется, его можно рассматривать как скуье дня получения искус-

ственных жидких и газообразных тодлив. *

Из естественных тошшв. а ДВС используют газовый конденсат отдель

ных месторождений и природный газ, вое остальные топлива искусствен-

ные.

В химическом отышегаш важнейшие современные тоддижа можно подра»

делить на углеводородные а спиртовые. В настоящее время ведутся-:-

большие научно-иеодедо^ателмкие работы по применению в ДВС метило-

вого, этилового и других спиртов. Есть вое основания считать, что .

в скором будущем опяртоЕые топлива найдут большое применение.в ДВС

вследствие огромного количества возобновляемого энергетического

сырья для их получения и возможности снижения токсичности выхлопных

газов.

/" Удобство применения того или иного топлкъа дая ДВС, его "ком-

|фортность" зависит от множества его свойств. Наиболее важные из них .

I это химический состав, энергоемкость, теплокислородная эффективность,

£ каропроиззодительность. Последние три характеризуют энергетические -

) свойства тошиш.

2.2. Состав тошшв

В состав топлив входит углерод С, водород Н, сера S , кислород О,

азот

А/

, влага и минеральные примеси. Углерод, водород и сера обра-

зует горючую часть топлива, остальные компоненты - балласт топлива.

1идкке и газообразные-топлива для ДВС представляют собой смеоь

различных углеводородов. Углеводороды состоят исключительно из у г-

лерода и водорода. В состав спиртов входят углерод, водород и кисло-

род.

Углерод - основной компонент горючей части топлив (50.. .9956). При

сгорании I кг углерода в виде графита выделяется 32783 кда (7830 кка*

тешга. Если углерод находится не в свободном состоянии, а в составе

органического соединения, то его теплота сгорания зависят от струк-

туры молекулы. Это объясняется разшаш затратами энергии на разрыв -

связей меаду атомами в молекулах различных органических соединений.

•

Водород - второй по значению компонент топлива (I...15$). При cro-J

ранки водорода образуется влага. В зависимости от состояния влаги

(кддкое ии газообразное) при сжигании I кг водорода выделяется от

JI7800 кДж (28160 ккал) до I4I765 кДж (338S0 ккал) таяла. Увеличе-

ние дола водорода в топлива повышает его теплоту сгорания.

йгсло£од - нежелательный компонент топлива, Ири увели^ениь его со-

держания уменьшается теплота сгорания топлива. Это обусловлено дву-

мя факторам»: во-перыи.:, уменьшается доля горючей навои топлива 1,

зо-вторых, горючие компонента ухе частично находятся в окисленном

состоянии»

Азоу - кехелзтажьнн! компонент топлива по двум щтшгаи: во-пер-

вых» а» б&жяасг, снижающий теплоту егорнпич топлива, во-вторых, ааот,

охяшкй » сложные органические соединения, озшшсвтся ирн анечи-

щяьио более нивкой температуря, чем молекулярной азот воздуха.

Следовательно, присутствие в топливе связанного азоте сЕреобсквует

образованию s процессе сгорания вредных дая здоровья человека акаа-

лов азота.

gepe является крайне нежелательшм компонентом топлива, несмотря

& то, что при сгорании I кг серы вндехтетоя 10885 кДх (2600 якал5

гввла. Сера

сернистые соединения вызывают коррозию деталей, способ-

ствует образованию нагара - вое ато вместе приводит к лнтенсюшому •

азнооу ДВС.

Минеральные примеси представляет собой различные оолл, которые

при сгорании образуют воду, что способствует износу двигателя. Иг вв~

шеотв минеральных; цримеоей наиболее вредным является ванадий. Вана-

дий в тошиве находятся в связанной состоянии в при сгоранян может

внанвать сильную коррозии двигателя. Обычно с увеличением еерн а

задом тошшве увеличивается ж содержание ванадия, а автотракторных

тошшвах содержится от 98,7 до 99,8? углерода и водорода, остальное -

кислород» сера ж азот (табл. 2).

Таблица 2

Элементарный состав нефтяных тодлив, %

Топливо

0+Н

on-V+s

Бензин

85,3 14,5

93,8

0,2

Керосин

86,0 13,0

99,0 1,0

Дизельное

86-, 2

12,5

98,7

1,3

Мазут

86,5

12,0 98*5

1,5

3.3. Теплота сгорания тошшв

Теплотой сгорания называют количество теплоты, вндвлятеееся при

полном сгорании одного килограмма тошеюш- Теплота сгорания характе-

ризует энергоемкость топлива. Чем выше теплота сгораний, тем меньшее

количьство топлива необходимо затратить дая получения еджшда работн.

Зто особенно важно для автотракторных дежгателеЗ, так как еря опре-

деленно! емкости товяевшие баков vooraea <? белее mcosoS .

ввзранад обеоябчквавт

бельтМ.

аанае хода

щтвтртшш

орздаа."

13-

Различают вношу» и низшую теплоту сгорания топлав. При определе-

нии высшей теплоты сгорания учитывают все тепло, ваделяэмое при ого-

рании топлива .(влига топлива находится в жидком состоянии). Низшая

теплота сгорания отличается от высшей количеством техиоты, пошедшей

на испарение вода, содержащейся в тошшве и полученной в процессе

сгорания водорода топлива.

Между низшей Hj, и высшей Hg теплотой сгорания существует следую-

щая связь:

Ни = Ив - 3512 В,

где В - количество водяных паров, полученных при сгорании I кг топ-

дива; 2512 - значение теплоты парообразования вода, принимаемое в

технических расчетах, кДг/кг.

Продукты сгорания, покидающие двигатель, имеют температуру выше

100°0, поэтому тепло .конденсации паров влаги не может бнть превраще-

но в полезную работу. Вследствие этого при раочете ДВС пользуются

низшей теплотой сгорания.

Теплоту сгорания определяют экспериментально калориметрическим

методом шш рассчитывают по различным формулам. Автором одной нз

первых формул, имеющей ж в наотоядее время практическое значение,

является Д.И.Менделеев.

Яд =.33913 С + 102995 Н - 10885 (0 - S ) - 2512 В.кДж/кг.

Теплоту сгорания жвдкого углеродного топлива можно рассчитать не

формуле академика Д.Е.Коновалова:

Hg = 12770 К, кДя/нг ,

где К - количество кислорода, необходимого дяи сгорания I кг топлива}

К=

—

С + 8Н-0.

Эта формула обеспечивает высокую точность при расчете низшей теп-

лоты сгорания тошшв, состоящих из метановых й нафтеновых углеводо-

родов, менее точна для ароматичеоких и неприемлема для непредельных

углеводородов.

Установлено, что при сгорании I кг метановых,нафтеновых, аромати-

ческих углеводородов на I кг израсходованного кислорода выделяется

"одно г то же количество тепла - 13735 кДж (3280 кквл). Тогда высшая

теплота огорашш предельных и ароматических углеводородов я их оме-

оей может бы» раосчитана по уравнению:

» I373S К.

Из уравнения следует, что высшая теплота сгорания метановых,

нафтеновых з ароматических углеводородов зависит лишь от их элемен-

тного химического состава.

Высшая теплота сгорания предельных и непредельных углеводородов

в точностью, близкой к калориметрическому определению, может быть

раоочитана по более слбжяому уравнениюг

где ё - основание натуральных логарифмов; ft - число атомов угле-

рода в молекуле; С - -коэффициент групповой принедлеяностп углеро--

да, для метановых, гяфгеяовах и ароматических углеводородов С - I,

дая алкенов С - 2, для аякжгов С = 3.

Физический оищол кожЩвдиента С состоит в том, что он учитывает

степень насыщенности водородом углеводородной-долекулы.

При одинаковом количестве атомов углерода в молекуле наибольшую

теплоту огоранзя амеот метановые углеводорода, затем нафтеновые и

ароматические. Это объясняете? различным соотношением водорода и уг-

лерода в химических соединениях (рис. 3). При увеличении количества

атомов углерода в молекуле теплота сгорания углеводородов стремится

к предолу - 47100 кЛж/кг.

Из всех адских к газообразных углеводородов наибольшую теплоту

сгорания имеет ме?ан (табл. 3).

э С

Таблица 3

Теаяота сгорания тошшв

Тошкво Hj, кДя/кг Н^. кДж/кг

ЬбЬ-ЗИН

Дизельное

Моторное

48360

44000

42500

41600;

II7S90'

50065

46405

45765

19730

24980

Водород

Метан

Пропан

Бутан

Метовод

Этанол

I4I765

55630

50490.

49600

22735

•

29725'

№

-12

АО

кг

58Ш

КОМ

мот

тюо

B5W

т ^ т ^

г:

'itfm

СлУлп

Сл/

•

If' ,.

И * d

У / 3 4 S 6 ? S 9 № ft /2 Я

PiХарактеристики углеводородов я зависимости от чиожз ато-

мов углерода в молекуле: — CriHzfi+Z - метвноннз;

—СпНап-б - ароматачесете; -й— СпНгП "

эфутша шшюпентайа', —о— CfxHztX ~ группа цякло-

гексайа

1R'

Теплота сгорания зависит от вида окислителя. Так, при сгорания

I кг метановых углеводородов Cg...C

в кислороде выделяется

43961»,.44799, а при окислении фтором - 84992...86667 кДж тешготн.

2.4. Эффективность использования кислорода

•при огорашш тошшв

Дая получения тепловой энергии требуется топливо и окислитель.

Энергетические свойства тошшз обычно оценивают теплотой сгорания.

Но для более полной характеристики энергетических свойств тошшв

целесообразно оценивать ж эффективность использования топливом окис-

лителя. В ДВО значительная доля энергии тошшве затрачивается на

воздухоснабжение, т.е. на подвод окислителя к топливу. Очевидно, что

наиболее эффективна?», с энергетической стороны,будет то топливо, ко-

торое обеопечиврчт исшучеше большего количества теаяа при использо-

вании в процеоо». сгорашш I кг кислорода воздуха.

Качественно эффектность яопольбования гзслорода тошшвами

аогоо оценивать отношение* высшей зав низшей теплота егсрания к то*

оретччаоки необходимому количеству кислорода да® полного сгорания

I кг топлива К. Это откошение

(

^азываетея тешюггаодородяой эффсктив-»

ясстьв тоадва: ' - „

Щ . «М-.'.

Метановые, нафтеновые й ароматические углеводорода я жк змеей

имеют одинаковую тешюкислородвую эффективность:

= 13735 кДж/кг.

Дне непредельных углеводородов теалокисяородная эффективность за-

вкоит от количества атомов углерода в молекуле и от степени наотдан-

ноэти молекула водородом (рио. 4), Наибольшая теплокислородная эф-

фективность у ацетилена, и о точки зрения этого показателя он наибо-

лее опгшальннй углеводород для ДВС.

. Теплокислородная эффективность Т Ед^ автотракторннх тошшв а юс

окисей различается незначительно, дяя практических расчзтов ее mokbq

принять равной 12800 к,Пд/кг. Теплокислородная эффективность водороде

на ввив, чем бензина, в ТНд^ спиртовых тошшв отличается от уг-

лвводородчис на 3-6J8 (табл. 4).

Вкь-шш гэплскиолородной эффеотивяовтк тошзш на рабочий цвкя

ЛЗС проявляется через общую удельную тввяоту сгорания .

• J> - коэффициент избытка воздуха; //о -

количество воздуха дая шмшого сгорания I кг «ю-

®- Таблица 4

Тешхокиолородяая эффективность топлив

Топливо

ч-

ТК-. беняина

k$s/kt

itfe/кг j

14053 -

12790

1,000

12800.

0,999

12600

1,016

17720

14750

С,867

13875

12490

1,024 .

13860

;

1274.0

1,004'

I38I0

1:2740

1,004

I5I50

I3I5G

0,973

I43I0

! 12025

1,064

Рио, 4. Характеристики непредельна* углеводородов в зависи-

мости от чаола атомов углерода в молекуле:

—

— СпИгП - алкеет; -

' —о— с

алкиян

Джя диэельяжс двигателей

Q -

" (1

Г)ьС£а +1 '

где ^ - коэф|шциент эффективности сгорания; Y - коэффициент ос

§еяаин

(дзельное

Моторное

|одород

ретан

кропан

Бутан

•ятаноя

ртаноя

Преобразовав уравнение о учетом величины тешшкиолородной а#ек-

[ивнооти тошга», получим

_ олъг $ ткн»

Теоретически необходимое количество кислорода К для тайного ого-

иная I кг топлива для различных углеводородов изменяется от 3 дая

щетилена до 4 для метана, и второе слагаемое в знаменателе еоот-

|етствот{о равно 0,077 и 0,058. Ддя различных тошшв шеето етаго

шатаемого можно применять без ущерба для достоверности. расчетов их

вреднее вначение 0,07, тогда вавислмость приобретает оледуадий виз:

9г

Кем ТКНы >

Ксм

-Jfrf^ ^JjY

Величина К

см

- конструктивна^ параметр, который, главным образом,

1ЯВНОИТ от способ» омеовобравомния и режима работе двигателя. По»-

к*у в ту велхчиву можно назвать коэфЦедееатом оивоеобриаоваяаш. %и

расчете двигателя коэффициентом смесеобразования ведаются в завися-.

йости от выбранного слособа смесеобразования.

Полученная зависимость показавает, что общая удельная использо-

ванная теплота сгорания для конкретного способа смесеобразования а

конструкции двигателя практически однозначно зависит от твпаокиедо-

родной эффективности топлива. Это позволяет прогнозировать .рабочий

цикл в зависимости от вида топлива.

2.5, Жародроиаводательиооть тошеив

Под жаропроизводительноотьд топлив Д.И.Менделеев понимал макси-

мальную температуру горения, развиваемую при полном сгорании топли-

ва без избытка воадужа, при этом вое тепло расходуется на нагрев

продуктов сгорания. ,

Жаропроизводатедьноотъ топлива и его компонентов можно расоча-

татыш форвдяе я

_ %

Пояда

® жаропрокзводительнооти топлив позволяет глубже вникнуть

, иеханизм формирования температур рабочего цикла при сгоранни топ-

ля»

{

max

"Р

где V - объем продуктов полного сгорания в теоретически необходи-

мом ддя горения объеме воздуха; Се, - средневзвешенная объемная

теплоемкость продуктов сгорания при поотоянком давлении в интервале

температур от 0 до i . -

При подсчете жаропроизводительности температуру тошрша ж возду-

хе принимают равно! нулю. Для газообразных, жидких я тверда топлив.

моино соответственно принять С

= 1,675; 1,679 и 1,696 (кДа/м

°0

При одном и.том же количестве атомов углерода в молекуле наиболь-

шую яаропраизвэдительность имеют алкинн, затем ароматические углево

до рода, аляекы, цихланы и наименьшую - алканн (рис. 5). О увеличен»

ем количества атомов углерода в молекуле углеводородов различия в

ааропроизводительности сглаживаютоя и харопроизводительисста всех

углеводородов асяитотически приближаются к 2140 °С, т.е. к жаропро-

жвводительности цикяанов,

Наибольшая; жарапроизводительность у ацетилена - 262С°С, наимень-

шя у метана - 2043°С. Метиловый спирт СН^О имеет практически одина-

ковую жаролроиэяодательность с метеком СН

, несмотря на то, что тегь

яет® сгорания метилового спирта (метанола) составляет жат 43% от

яиысоты сгорания метана. Обьяоняетоя это там, что для сгорания опар-

та требуется мвньаее колячевтао воздуха, что обуод.тамгвае* к мекг,

«с! «5мм ядадатю сгорания.

2Ш

24W

2500

2200

/т

йае

•'N

мГ

/2 /6 *

8. Зависимость «аропроизводительности угле-

водородов, °0. от числа атомов углерода

В молекуле ft ; I - алканы; 2 - цикла

ни |

3 - алнеиз»^ - ароматические углеводо-

рода} 5 - адка®*

з. способы подгчвйия .шш да да

3,1. Получение жидах тошшв из нефти

Технологический процесс переработки нефти о церья получения тшщт

тошшв включает в себя следующие этапы: подготовку нефти к перера-

ботке, первичную переработку нефти, вторичную переработку нефти, очи-

стку полученных продуктов.

Зри подготовке нефти к переработке ее обезвоживают, обессолива-

ет, внщеяачквают, отделяют механические а; шее*. Первичная переработ-

ка нефти является обязательным процессом для всех заводов. Она заклю-

чается в разделении нефти путем нагрева на составные части, отличав-

ВДеся температурами выкипания. Структура молекул на изменяется, а

Разделения провог.да! ь й.гааатаости от испаряемости углеводородов,

т.е. в вевковкшти от их фя»т««ях свойств. Каждый ее углеводородов