ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

<12 3 4 5 6 7 >

Плотность – это физическая величина, характеризующая содержание массы вещества в единице объёма. Плотность (кг/м³), определяется как отношение массы вещества к единице обьема:

ρ = m/V (1.1)

Для воды при 20 ⁰С плотность равна 1000 кг/м³, плотность моторного масла – примерно 900 кг/м³, дизельного топлива – 850 кг/м³, бензина – 750 кг/м³.

Давление – это физическая величина, характеризующая интенсивность сил, действующих на поверхность тела. Давление (Н/м², Па) определяется отношением нормальной силы к единице площади:

Р = F/S (1.2)

1 техническая атмосфера = 1кгс/см²= 0,98·10⁵Па = 0,1 МПа = 736 мм рт.ст. = 10 м водяного столба. На рис. 1.1 показаны виды давлений.

Давление может быть атмосферным, избыточным, абсолютным, вакуумметрическим. Недостаток давления до атмосферного называют вакуумметрическим. Давление больше атмосферного является избыточным.

Давление насыщенных паров – давление, при котором жидкость и газ находятся в термодинамическом равновесии, жидкость не испаряется, газ не конденсируется. Его можно определить как давление, при котором жидкость вскипает при данной температуре.

Для бензинов при t = 38 ⁰С давление насыщенных паров должно быть не более 0,067 МПа (летний бензин) и не более 0,093 МПа (зимний). Новый ГОСТ Р 51105-97 бензины разделяет на 5 групп по величине давления насыщенных паров.

Р_изб

Р_вакуум

Р_атм

Р_абс

Рис. 1.1. Виды давлений

Вязкость – способность жидкости оказывать сопротивление при относительном движении её слоёв. Согласно закону Ньютона сила внутреннего трения между слоями жидкости определяется выражением

T=μ·S·Δν/Δx,(1.3)

где μ – коэффициент динамической вязкости, (Н·с/м²= Па·с);

S – площадь соприкасающихся слоёв, м²;

Δν/Δx – градиент скорости, 1/с.

Кинематическая вязкость: υ = μ/ =м²/с для воды: 1·10^-6м²/с. Вязкость измеряют в стоксах или сантистоксах (1Ст = 1см²/с; 1сСт = 1мм²/с). Эталоном кинематической вязкости в 1 cСт является дистиллированная вода при 20 ⁰С. 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 шарообразных емкости. В начале и конце нижней емкости расположены метки М₁ и М₂, по которым определяют время перетекания жидкости. Например, время Δτ = 10 с, а постоянная прибора С = 0,1 мм²/с². Кинематическую вязкость в сСт (мм²/с) находят по формуле

ν=С·Δτ = 10·0,1 = 1 мм²/с или 1 сСт.

Определив кинематичекую вязкость в м²/с, можно оценить динамическую вязкость в Па^.с. Для этого величину кинематической вязкости умножают на плотность жидкости в кг/м³.

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/t – объёмный;

М = m/t – массовый. (1.4)

Сжимаемость жидкости – её способность уменьшаться в объёме при повышении давления. Оценивается коэффициентом объёмного сжатия (м²/Н):

β= (1/V)· V/ P (1.5)

где V – первоначальный объём системы;

V – изменение объёма;

P – изменение давления.

Величина обратная β – модуль упругости: К = 1/β. Для воды К=2·10⁹ Н/м².

В любой замкнутой системе (насос, цилиндр) создаваемое давление определяется по формуле:

ΔР=К·ΔV/V (1.6)

Величену давления ΔР ограничивают при помощи перепускных или предохранительных клапанов. Оптимальная величена ΔР выбирается с учётом назначения конструкции исполнительного механизма, например гидроцилиндра для привода в действие ковша эксковатора. В гидравлических системах давление масла не превышает 30 МПа.

Состав и свойства топлив нефтяного происхождения изменяютстя в зависимости от температуры и давления. Углеводороды, сдержащие 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 атмосферного сжиженный бутан переходит в газообразное состояние. Данное свойство газов используется при создании систем питания двигателей, работающих на сжиженном газе (пропан-бутановая смесь газа).

Свойства топлив и смазочных материалов условно разделяются на три группы: физико-химические, эксплуатационные и экологические. К физико-химическим относят свойства, определяемые в лабораторных условиях, например, плотность, вязкость, испаряемость, октановое и цетановое числа топлив, теплота сгорания [9]. К эксплуатационным относят свойства, проявляемые непосредственно в двигателе, например, детонационная стойкость бензина, склонность топлива к образованию нагара, износостойкость деталей. К экологическим относят свойства, оказывающие влияние на окружающую среду, напримнр, загрязнение воздуха отработавшими газами, пожароопасность и взрывоопасность.

2. НЕФТЬ – ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Нефть – это углеводородное топливо, состоящее из серы, кислорода, азота (1 – 3 %), углерода (83 – 87 %), водорода (12 – 14 %).

Нефть (от перс. просачиваться) – горючая маслянистая жидкость темного цвета, плотность ρ= 800 – 900 кг/м³, теплота сгорания 42.–.44 МДж/кг (1кал=4,18 Дж). За 150 лет (1850 – 2000) из земли было добыто 70·10⁹ т нефти. Объем добытой нефти часто приводят в баррелях (1 баррель нефти = 158,9 л).

Впервые в России в городе Моздоке братьями Дубиниными 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 [1,2]. Нефть нагревают до 400 ⁰С и направляют в разделительную (ректификационную) колонну. Колонна имеет диаметр примерно 2 м и высоту 25 м. В колонне имеются 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 и там конденсируются и отводятся в отдельные емкости, более тяжелые оседают на нижних тарелках (рис. 2.1, 2.2).

Самая тяжелая фракция (мазут) снова нагревается и напрявляется в другую колонну, работающую под разрежением. Давление в колонне снижают до 0,1 атм. для того, что бы мазут кипел и испарялся при меньшей температуре и разделялся на легкие, средние и тяжелые масла (веретённый, машинный, цилиндровый).

Диапазоны выкипания:

бензин 35 – 200 ⁰С, лигроин 110 – 230 ⁰С, керосин 140 – 300 ⁰С, газойль 236 – 330 ⁰С, соляр 286 – 380 ⁰С, масла 320 – 500 ⁰С.

Лигроин + керосин = реактивное топливо для самолётов.

Керосин + газойль = лёгкое дизельное топливо для автомобилей.

Газойль + соляр = дизельное топливо для тракторов.

Соляр – для тепловозов и судовых двигателей.

Рис. 2.1.Комплексная атмосферно-вакуумная установка переработки нефти

1 – трубчатая печь; 2 и 5 – ректификационные колонны; 3 – холодильник; 4 – кон-денсатор-газоотделитель; 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 лёгкокипящих фракций с испарившимся оросителем; 5 – металлические тарелки; 6 – отверстия в тарелках; 7 – колпачки с прорезями; 8 – сливная трубка

Химмотология (от слов химия, мотор и логика) –это наука, изучающая свойства, качество, рациональное использование горючих топлив и смазочных материалов в технике. Химмотология к двигателям, топливам и смазочным материалам (ТСМ) предявляет следующие требования [3]:

1. Технические (надёжность, долговечность, высокий моторесурс).

2. Энергетические (снижение расхода ТСМ в эксплуатации и производстве).

3. Экологические (минимальная токсичность отработавших газов).

4. Экономические (снижение стоимости 1 л ТСМ и расхода топлива на 100 км пробега автомобиля).

5. Ресурсные (обеспечение качественными ТСМ всех отраслей народного хозяйства, разработка альтернативных топлив).

Одной из главных задач современной химмотологии является разработка новых видов моторных топлив, снижение выброса отравляющих веществ в атмосферу.

Основу любого органического вещества составляет углеродный скелет. Он может быть в виде цепи (разветвленной или неразветвленной) или кольца (циклический скелет). К углеродному скелету присоединяются атомы водорода, образуя углеводородную молекулу.

Углеводороды, входящие в состав нефти, относятся к разрядам парафиновых, нафтеновых и ароматических.

Общая формула углеводородов парафинового ряда (алканы) С_nH₂_n_{+ 2}. Они представлены в нефти большим разнообразием: от газообразных (СН₄ – метан, С₂Н₆ – этан), жидких (С₈Н₁₈ – октан) до высокомолекулярных твердых парафинов включительно (С₁₈Н₃₈ – актодекан). Газообразные содержат от 1 до 4 атомов углерода, они обладают высокой детонационной стойкостью. Соединения, содержащие от 5 до 16 атомов углерода – жидкие вещества, после гексадекана (С₁₆Н₃₄) – твердые вещества.

Нафтеновые углеводороды (цикланы) имеют формулу С_n H₂_n и представлены в виде кольца с пятью атомами углерода С₅ Н₁₀ (циклопентан) и с шестью атомами углерода (С₆Н₁₂циклогексан). Циклическое строение напоминает вид «круговой обороны», а молекулы данного типа обладают высокой детонационной стойкостью, являются желательными для бензинов и зимних сортов дизельных топлив.

Ароматические углеводороды (арены) имеют формулу С_nН₂_n_-6, к ним относят бензол С₆Н₆ в виде кольца (шестигранник) с тремя одинарными связями, чередующимися двойными. К ароматикам относят толуол C₇H₈, бутилбензол С₁₀Н₁₄. Они обладают высокой детонационной стойкостью, рекомендуются для топлив бензиновых двигателей.

При повышении температуры от 50 до 500 ⁰С (крекинг-процесс) для грозненской нефти парафиновые углеводороды расщепляются и их с 62 % становится 15 %, нафтеновые с 34 % увеличиваются до 71 %, ароматические с 4 % увеличиваются до 11 %. На этом основано получение высокооктановых бензинов. При высокой температуре осколки парафиновых и других углеводородов приобретают кольцевое строение.

Парафиновые углеводороды (30–50 %) обладают хорошей самовоспламеняемостью (для дизельных топлив); нафтеновые (25–75 %) и ароматические (10–20%) – детонационной стойкостью (для бензинов).

К одному атому углерода может присоединяться 4 атома водорода. Атомы углерода между собой могут соединяться одной, двумя, тремя связями. Если связь одна, то углеводород предельный, две и более – непредельный. Последние менее стойкие и быстро изменяют свои свойства под действием давления и температуры.

В табл. 2.1 приведены основные виды автомобильных эксплуатационных материалов.

Таблица 2.1

<12 3 4 5 6 7 >

Дата добавления: 2021-01-26; просмотров: 405;