Технология использования топлив и масел


А. П. Жигадло, Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова








            ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВ И МАСЕЛ


Учебное пособие

2-е издание, переработанное и дополненное














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 656.1:621.43
ББК 30.82+31.353
      Ж68






Рецензенты:
доктор технических наук, профессор (ОмГТУ) В. В. Шалай; доктор технических наук, профессор (СибАДИ) Н. Г. Певнев






     Жигадло, А. П.
Ж68 Технология использования топлив и масел : учебное пособие / А. П. Жигадло, Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 144 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0944-5

     Изложены физические свойства жидкостей и газов, приведена технология получения моторных топлив, смазочных материалов. Рассмотрены особенности сгорания бензинового и дизельного топлива в цилиндрах двигателей. Показано отрицательное влияние нефтепродуктов на человека и окружающую среду. Приведено нормирование расхода топлив и смазочных материалов для автомобилей. Рассмотрены причины потерь нефтепродуктов, предложены способы их снижения.
     Для студентов всех форм обучения направления подготовки «Энергетическое машиностроение», может быть полезно обучающимся других технических специальностей, инженерам и аспирантам.

                                                     УДК 656.1:621.43
                                                     ББК 30.82+31.353








ISBN 978-5-9729-0944-5

             © Жигадло А. П., Макушев Ю. П., Волкова Л. Ю., 2022
             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                                   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

Введение


    В России эксплуатируется более 60 млн единиц мобильных транспортных машин. Для привода в движение автомобилей, тракторов, тепловозов, судов и другой техники используют в основном двигатели внутреннего сгорания. При производстве современных двигателей применяют высокопрочные материалы, полимеры, новейшие технологии, компьютерную технику, электронное управление процессом сгорания топлива. Несмотря на достижения науки и техники современные двигатели внутреннего сгорания являются основным источником загрязнения атмосферы, имеют повышенный расход топлива и смазочных материалов.
    Несовершенство двигателей, низкое качество топлив, смазочных материалов, тяжелые условия эксплуатации, недостаточный уровень сервиса повышают требования к инженерам и специалистам, работающим в области конструирования, производства и обслуживания машин.
    Технология (от греч. techrn - мастерство, умение и logos - наука) - совокупность методов обработки, изготовления, получения материалов (например, углеводородного топлива, моторного масла), применяемых для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания.
    Современный инженер должен знать новейшие технологии получения высококачественных топлив, смазочных материалов и технических жидкостей, их физико-химические, эксплуатационные и экологические свойства, требования к ним, передовой опыт, нормативные документы, классификацию, способы экономии, правила перевозки и хранения, технику безопасности.
    Подбирать (использовать) топлива и масла необходимо с учётом типа двигателя, его форсирования по мощности и частоте вращения, особенности системы питания, смазки и условий эксплуатации.
    В учебном пособии приведены материалы, охватывающие основные разделы курсов «Химмотология», «Эксплуатационные материалы», «Технология использования топлив и масел». Целью данного пособия является формирование знаний у студентов технических специальностей в области теории и практики рационального использования моторных топлив, смазочных материалов, охлаждающих и специальных жидкостей.

3

1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ


     Плотность - это физическая величина, характеризующая содержание массы вещества в единице объёма. Плотность (кг/м³) определяется как отношение массы вещества к единице объёма:
р = m/V.                            (1.1)
     Для воды при 20 °C плотность равна 1000 кг/м³, плотность моторного масла примерно 900 кг/м³, дизельного топлива - 850 кг/м³, бензина - 750 кг/м³. По плотности, приведенной к 20 °C, определяют массу вещества.
    Удельным объёмом называют величину, обратную плотности (м³/кг):
9 = 1/ р.                           (1.2)
     Удельным весом называют вес жидкости (газа), приходящийся на единицу объёма (Н/м³):
у = G/V.                            (1.3)
    Между удельным весом и плотностью существует следующая связь:
                                У = Р' g ,                           (1-4)
где g = 9,81м/с² - ускорение свободного падения.
     Давление - это физическая величина, характеризующая интенсивность сил, действующих на поверхность тела. Давление (Н/м², Па) определяется отношением нормальной силы к единице площади:
P = F/S.                            (1.5)
     Для перевода давления в другие единицы величины необходимо помнить, что 1 техническая атмосфера = 1 кгс/см² = 0,98 • 10⁵ Па = 0,1 МПа = 736 мм рт. ст. = = 10м водяного столба. На рис. 1.1 показаны виды давлений.


Рис. 1.1. Видыдавлений

    Давление различают атмосферное, избыточное, абсолютное, вакуумметри-ческое. Недостаток давления до атмосферного называют вакуумметрическим. Давление больше атмосферного является избыточным.

4

    Давление насыщенных паров - давление, при котором жидкость и газ находятся в равновесии, жидкость не испаряется, газ не конденсируется. Его можно определить как давление, при котором при данной температуре жидкость вскипает.
    Для бензинов при температуре 38 °C давление насыщенных паров должно быть не более 0,067 МПа (летний бензин) и не более 0,093 МПа (зимний). По требованиям ГОСТ Р 51105-97 бензины по величине давления насыщенных паров разделяют на 5 групп.
    Вязкость - способность жидкости оказывать сопротивление при относительном движении её слоёв. Согласно закону Ньютона, сила внутреннего трения между слоями жидкости определяется по формуле
T = р- S -АЯ/Ах,                      (1.6)
где р -коэффициентдинамическойвязкости(Н-с/м² =Па-с);
    S - площадь соприкасающихся слоёв, м²;
    АДАх - градиент скорости, характеризующий относительное изменение скорости между отдельными слоями жидкости, 1/с.
    Анализ формулы (1.6) показывает, что коэффициент динамической вязкости р выражает силу внутреннего трения, приходящуюся на единицу площади соприкасающихся слоев при градиенте скорости, равном единице.
    Кинематическая вязкость: v = р /р в м²/с. Вязкость измеряют в стоксах или сантистоксах (1 Ст = 1 см²/с; 1 сСт = 1 мм²/с). Эталоном кинематической вязкости в 1 сСт является дистиллированная вода при 20 °C. Для воды кинематическая вязкость равна 1 • 10⁻⁶м²/с. Вязкость любой жидкости можно определить при помощи капиллярного вискозиметра (рис. 1.2). Он представляет собой U-образную прозрачную трубку с капилляром, над которым расположены две шарообразные емкости [1, 2]. В начале и конце нижней емкости расположены метки М। и М>, по которым определяют время перетекания жидкости. Например, время Ат = 10 с, а постоянная прибора С = 0,1 мм²/с². Кинематическую вязкость в сСт (мм²/с) находят по формуле
v = С -Ат = 10 - 0,1 = 1 мм²/с, или 1 сСт.
   Для нахождения кинематической вязкости жидкости при определенной температуре применяют термостат (рис. 1.3), который поддерживает нужную для эксперимента температуру.
    Зная кинематическую вязкость в м²/с, можно оценить динамическую вязкость в Па-с (Н'с/м²). Для этого величину кинематической вязкости в м²/с умножают на плотность жидкости в кг/м³ (р = v ■ р). Умножая дополнительно числитель и знаменатель на секунду (с), получим кг-м/с² (это Ньютон). В числителе остается с (секунда), в знаменателе м² (Н/м² = Па).
    Кинематическая вязкость в м²/с применяется для оценки зависимости вязкости жидкости от температуры, при определении режимов движения (ламинарное или турбулентное) и расчете потерь энергии при движении жидкости в местных сопротивлениях и по длине.

5

Рис. 1.3. Общий вид вискозиметра, установленного в водяном термостате: 1 - насос центробежный; 2 - нагреватель;
3 - датчик температуры; 4 - указатель температуры; 5 - теплоизоляция; 6 - нижняя ванна; 7 - верхняя ванна; 8 - термометр;
9 - вискозиметр

Рис. 1.2. Вискозиметр капиллярный:
    1  - калиброванные ёмкости;
      2  - капиллярная трубка;
3   - ёмкость для нагревания нефтепродуктов; 4 - отросток отводной; 5 - трубка широкая


     Динамическую вязкость в Н-с/м² (Па-с) применяют при расчете сил трения, например между подшипниками скольжения и шейками коленчатого вала двигателя. В холодное время года вязкость моторного масла резко повышается, силы трения достигают величины, при которой затрудняется вращение коленчатого вала и запуск двигателя. При кинематической вязкости моторного масла более 3000 сСт запуск двигателя затруднен.
     Расход жидкости или газа - это количество жидкости (газа), протекающее за единицу времени через данное живое сечение. Различают расход объёмный (м³/с) и массовый (кг/с).
                          Q = V/1 - объёмный;                     (1.7)
М = m /1 - массовый.
     Сжимаемость жидкости (газа) - её способность уменьшаться в объёме при повышении давления. Оценивается коэффициентом объёмного сжатия (м²/Н):
fi = (1/ V W ДР,                       (1.8)
где V - первоначальный объём системы;
    Д V - изменение объёма системы;
    Д Р - изменение давления.
     Величина, обратная Д, - модуль упругости: К = 1 / Д. Для воды величина К =2 • 10⁹ Н/м², для нефтепродуктов К = 1,35 • 10⁹ Н/м².

6

    В любой замкнутой системе (насос, цилиндр) создаваемое давление определяется по формуле
AP = K -AV/V.                         (1.9)
    Величину давления АР ограничивают при помощи перепускных или предохранительных клапанов. Оптимальная величина АР выбирается с учётом назначения конструкции исполнительного механизма, например гидроцилиндра для привода в действие ковша экскаватора. В гидравлических системах давление масла не превышает 30 МПа.
    Состав и свойства топлив нефтяного происхождения изменяются в зависимости от температуры и давления. Углеводороды, содержащие от 1 до 4 атомов углерода, при нормальных атмосферных условиях являются газами. При повышении давления молекулы газа укрупняются и переходят в жидкое состояние. Бутан (С4Н10) переходит в жидкое состояние при повышении давления до 0,8 МПа. При понижении давления до величины атмосферного сжиженный бутан переходит в газообразное состояние. Данное свойство газов используется при создании систем питания двигателей, работающих на сжиженном газе (пропан-бутановая смесь газа).
    При нормальных физических условиях (температура Т = 273 К, давление Р = 760 мм рт. ст.) диаметр молекул газа одинаков и составляет 2 • 10 ¹⁰ м. Массу молекулы малых размеров определить трудно. В 1811 г. итальянский физик Авогадро (1776 -1856) предположил, что одинаковый объем газа (любого типа) при одинаковом давлении и температуре должен содержать равное количество молекул. Опыты показывают, что 1 г атомов Н (водорода) содержит 6П0²³ атомов. В 2 г Н2 (молекула) содержится 6 • 10²³ молекул. Это специфичное число 6^ 10²³ называется числом Авогадро.
    Масса молекул газа в килограммах, содержащая в объеме 22,4 л при Р = 760 мм рт. ст.(1М0⁵ Па) иТ = 273 К(t =0 °С), называется молем.
    Моль (молекулярная масса) - количество вещества в определенном объеме. Если количество молекул, равное 6 • 10²³, компактно упаковать, то их объем составит 22,4 л. Плотность воздуха при атмосферных условиях равна 1,29 кг/м³. В объеме, равном 22,4 м³, его масса составит 28,9 кг (1,29 • 22,4 = =²⁸,9).                            ... Л
    Один киломоль воздуха равен 28,9 кг. Один моль воздуха составит 0,0289 кг, или 28,9 г. Киломоль - количество газа, масса которого в килограммах численно равна его молекулярной массе. В воздухе по массе 23 % (0,23) кислорода О2 и 77% (0,77) азота N2. Молекулярная масса кислорода 32, азота 28. Молекулярная масса воздуха Мм = 0,23 • 32 + 0,77 • 28 = 28,9 кг/кмоль.
    Для полного сгорания 1 кг бензина требуется 14,45 кг воздуха, или 0,5 киломолей воздуха. В тепловом расчете двигателя внутреннего сгорания требуемое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива определяют в килограммах или в киломолях.
    Свойства топлив и смазочных материалов условно разделяются на три группы: физико-химические, эксплуатационные и экологические.

7

    К физико-химическим группам относят свойства, определяемые в лабораторных условиях, например плотность, вязкость, испаряемость, теплота сгорания [1].
    К эксплуатационным относят свойства, проявляемые непосредственно в двигателе, например детонационная стойкость бензина, склонность топлива к образованию нагара.
    К экологическим относят свойства, оказывающие влияние на окружающую среду, например загрязнение воздуха отработавшими газами, пожарную и взрывную опасность нефтепродуктов.

Контрольные вопросы и задания

    1. Что называют плотностью, как она определяется и с какой целью?
    2. Что называют удельным весом и удельным объемом?
    3.     Дайте определение давления. Что понимают под абсолютным, избыточным (манометрическим) и вакуумметрическим давлениями, единицы величины?
    4. Что называют давлением насыщенных паров?
    5.     Кинематическая и динамическая вязкость, единицы величины. Способы измерения.
    6. Дайте определение объемному и массовому расходу жидкости.
    7. Сжимаемость жидкости или газа.
    8. Что называют молем и киломолем?
    9.     Что относят к физическим, химическим, эксплуатационным и экологическим свойствам топлив?


8

2. НЕФТЬ - ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ПОЛУЧЕНИЯ топлив И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

    Нефть - это углеводородное топливо, состоящее в основном из углерода (83-87 %), водорода (12-14 %) и малом количестве серы, кислорода, азота (1-3 %) [1, 3].
    Нефть (от перс. просачиваться) - горючая маслянистая жидкость темного цвета, плотностью р = 800-900 кг/м³, теплотой сгорания 42-44 МДж/кг (1 кал = = 4,18 Дж). М - мега (миллион) 10⁶.
    По содержанию серы нефти подразделяются на 3 класса:
    -  малосернистые - до 0,6 %;
    -  сернистые от 0,61 до 1,8 %;
    -  высокосернистые более 1,8 %.
    Сера в нефти находится в виде сероводорода, меркаптанов и сульфатов. Технология получения топлив из нефти с высоким содержанием серы сложная и требует больших затрат.
    Теорию органического происхождения нефти высказал М. В. Ломоносов, который считал, что нефть образовалась в земных глубинах в результате разложения органических остатков растительного и животного происхождения под действием подземного тепла.
    За 150 лет (1850-2000) из земли было добыто 70 • 10⁹ т нефти. Объём добытой нефти приводят в баррелях (1 баррель = 158,9 л).
    Мировая добыча нефти в 1990 г. составила 3100 млн т, а в 2018 г. -5280 млн т.В2018г. добыча нефти в России составила 550 млн т.
    Добыча газа в России в настоящее время производится в объёме более 700 млрд м³ в год.
    Впервые в России в городе Моздоке братьями Дубиниными (Василием, Герасимом, Макаром) в 1823 г. была создана установка для переработки нефти. Основной продукцией установки был керосин. Установка имела подогреваемый котел с нефтью и холодильник (емкость с водой) для конденсации паров топлива.
    Испаряемость характеризуется скоростью перехода топлива из жидкой фазы в газообразную. Нефть не имеет постоянной температуры кипения.
    Разделить нефть на отдельные фракции (части), виды топлив (бензин, керосин, газойль, соляр) можно методом прямой перегонки [1, 4]. Нефть нагревают до 400 °С и направляют в разделительную (ректификационную) колонну. Колонна имеет диаметр примерно 2 м и высоту 25 м. В колонне есть разделительные тарелки с отверстиями в виде цилиндров. На цилиндры установлены колпачки с прорезями для прохода паров топлив. Самые легкие фракции - пары бензинов достигают верхних тарелок, там конденсируются и отводятся в отдельные емкости, более тяжёлые оседают на нижних тарелках (рис. 2.1, 2.2).

9

Рис. 2.1. Комплексная атмосферно-вакуумная установка переработки нефти: 1 - трубчатая печь; 2 и 5 - ректификационные колонны; 3 - холодильник;
4 - отделитель газа; 6 - теплообменник; 7 - насос; 8 - испарительная колонна

Рис. 2.2. Схема ректификационной колонны и её принцип действия:
1 - приспособление для ввода водяного пара;
2 - труба (ввод паров нефти и её неиспарившейся части);
3 - приспособление для ввода орошения;
4 - труба для отвода легкокипящих фракций с испарившимся оросителем;
5 - металлические тарелки; 6 - отверстия в тарелках;
7 - колпачки с прорезями; 8 - сливная труба

10