Содержание к диссертации
Введение
1 Влияние горючесмазочных материалов на работу двигателей внутреннего сгорания 9
1.1 Требования, предъявляемые к свойствам топлив и смазочным материалам 9
12 Температура вспышки - как основной показатель воспламенения топлива и масел в цилиндропоршневой группе 16
1.2.1 Диффузионное горение жидкостей со свободной поверхностью 19
1.2.2 Воспламенение и горение капли жидкого топлива в газообразном окислителе 21
1.2.3 Квазистационарная теория диффузионного горения капли 27
1.2.4 Условия применимости и ограничения квазистационарной теории 35
1.3 Методы определения температуры вспышки 37
1.4 Оценка применимости теоретических формул для расчета температур вспышек 41
Выводы 46
2 Описание методики для проведения испытаний 47
2.1 Методика проведения испытаний 47
2.2 Описание установки 52
2.2.1 Эксперимент с плоской поверхностью 52
2.2.2 Эксперименте каплей 61
Выводы 63
3 Результаты эксперементальных исследований и их интерпретация с точки зрения горения жидкостей (плоская задача) 64
3.1 Горение на открытой поверхности 64
3.2 Результаты исследований 71
3.2.1 Зависимость температуры вспышки от объема 71
3.2.2 Зависимость температуры вспышки от скорости нагрева 75
3.2.3 Распределение температуры в тигле 76
Выводы 81
4 Определение температуры вспышки капельным методом и его теоретическое обоснование 82
4.1 Горение капель 82
4.2 Результаты исследований 85
4.3 Диффузия с поверхности исследуемого нефтепродукта с постоянной концентрацией 90
Выводы 96
5 Разработка рекомендаций по расчету и конструированию прибора для определения температуры вспышки нефтепродуктов 97
5.1 Описание анализатора 97
5.2 Устройство и работа 99
5.3 Динамика нагрева анализатора 106
Выводы 108
Заключение 109
Список использованной литературы 111
Приложения 126
- Температура вспышки - как основной показатель воспламенения топлива и масел в цилиндропоршневой группе
- Эксперимент с плоской поверхностью
- Зависимость температуры вспышки от объема
- Диффузия с поверхности исследуемого нефтепродукта с постоянной концентрацией
Введение к работе
Надежность работы судовых энергетических установок (СЭУ) крупнотоннажных и маломерных судов, в частности двигателей внутреннего сгорания (ДВС), определяется тремя основными составляющими: конструктивным исполнением двигателя; выбором оптимальных режимов работы механизма при номинальной нагрузке; и правильным применением горючесмазочных материалов (ГСМ), используемых при эксплуатации двигателей.
Оптимизация конструкции определяется главным образом конструктивными технологическими факторами, и это направление является прерогативой двигателестроительных заводов и фирм. За надежность эксплуатации техники несет ответственность сам потребитель. Как показывает опыт эксплуатации [25, 28, 29, 75] двигателей внутреннего сгорания на крупнотоннажных и маломерных судах речного флота, а так же двигателей на суше, основной и определяющей качество работы ДВС является грамотное использование при эксплуатации двигателей горючесмазочных материалов, а именно, топлива и моторных масел.
Особенности работы ДВС и применения масел на водном транспорте были проанализированы в работах: О. Н. Лебедева [76 — 78], Г. С. Юра [146 -148], И. В. Возницкого [28], Б. О. Лебедева [73, 74], Г. П. Кича [57], И. Г, Мироненко [100, 101], Э. М. Мохнаткина [105], А. Л. Новосёлова, С. А. Худякова, Д. Д. Матиевского, Л. А. Шеромова и В. Б. Ломухина [81 - 84], С. В. Викулова [26], В. Н. Марченко [95, 96], А. В. Лыкова [90], Б. Н. Перминова, В. В. Коновалова [62, 63], О. Г. Мартыненко [94], С. А. Хеншелла и других.
При неудовлетворительном качестве нефтепродуктов значительно возрастает их расход в ДВС. Например, самой большой составляющей общего расхода масла в дизелях является его угар [73]. Одна из причин этой
5 потери - испарение масла с поверхности цилиндровой втулки. Повышенная интенсивность испарения масленой пленки оказывает негативное влияние на термоокислительную стабильность, моющие, антикоррозионные и смазывающие свойства (то есть происходит увеличение вязкости). Особо негативную роль при этом играют износы деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Контролировать испарение, а следовательно, и угар масла можно с помощью одного из тепловых параметров — температуры вспышки, чем выше температура вспышки нефтепродуктов, тем меньше их угар, при этом не ухудшаются и смазочные свойства масел [62].
Кроме того, температура вспышки характеризует и способность к воспламенению при нагреве масел, а также, способность к распространению пламени при местном зажигании топлив в дизельных двигателях [28].
Таким образом, температура вспышки является одним из важных показателей, который определяет теплофизические свойства нефтепродуктов, от которого зависит надежность и правильность эксплуатации ДВС.
На практике этот параметр, подлежит обязательному определению согласно ГОСТ 4333-87 и ГОСТ 6356-75 «Методы определения температуры вспышки» [39, 40]. Эти стандарты регламентируют условия проведения такого определения и описывают приборы для определения температуры вспышки. Однако рекомендуемые стандартные приборы по своему конструктивному и аппаратному исполнению устарели, к тому же они громоздки и определение температуры осуществляется в течение длительного времени (до 1,5 часов). При этом измерения надо проводить несколько раз (от 2 до 5) для получения результата с требуемой точностью [44, 45]. Существующие методики и приборы не дают возможности оперативного определения вспышки на местах эксплуатации масел и топлив. Поэтому актуальной является задача разработки методов оперативного определения температуры вспышки нефтепродуктов.
Кроме того, уменьшение объемов топлива, смазочных и моторных масел при проведении экспресс-диагностики судовых энергетических
установок по определению температуры вспышки обеспечит существенную экономию нефтепродуктов.
В связи с изложенным тема диссертации является актуальной.
Целью работы является экспериментальное и теоретическое обоснование, а так же разработка методов анализа горючесмазочных материалов для двигателей внутреннего сгорания.
Методы исследования. При решении актуальной научной задачи использовались методы: экспериментальные и методы математической физики, математической статистики и планирования экспериментов. Использованы методы компьютерного моделирования и проектирования с использованием программных пакетов AutoCAD, Stadia и Microsoft Excel.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; исследованиями погрешностей измерения; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальных условиях.
Научная новизна работы заключается в получении новых экспериментальных результатов и в теоретическом их описании. В рамках решаемой автором научной задачи она характеризуется следующими новыми научными положениями:
впервые установлены экспериментальные зависимости влияния объема горючесмазочного материала на значение температуры вспышки смазочного масла;
впервые получены данные зависимости температур вспышек смазочного масла от площади поверхности испытуемого нефтепродукта;
установлена зависимость температуры вспышки масла от скорости нагрева нефтепродукта;
впервые рассмотрено влияние конвекции жидкости в сосуде на температуры вспышки смазочного масла;
- получены теоретические зависимости, позволяющие определить
температуру вспышки нефтепродукта.
Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение научных результатов в эксплуатационную практику позволяет создать:
- методику определения температуры вспышки нефтепродукта, которая
позволяет сократить время испытаний от 6 до 10 раз;
- получена инженерная формула, позволяющая рассчитать по
физическим характеристикам нефтепродукта его температуру вспышки;
- разработана конструкция прибора открытого и закрытого типов для
определения температуры вспышки нефтепродуктов.
Реализация работы. Разработанные в диссертации научные положения и методы по исследованию температуры вспышки горючесмазочных материалов используются в ФГУП «Сибирский НИИ Метрологии», Новосибирской государственной академии водного транспорта (НГАВТ) и Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены:
- на научно-практической конференции, посвященной 80-летию плана
ГОЭЛРО «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», (18-19
декабря, 2002, Новосибирск, Россия);
- на международной научно-практической конференции «Физико-
технические проблемы атомной энергетики промышленности (производство,
наука, образование)» (7-9 июня, 2004, Томск, Россия);
на второй международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (январь - июнь 2004,
Орёл, Россия);
- на второй международной научно-технической конференции
«Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (8-11 сентября, 2004,
Тобольск, Россия);
- на научно-технических семинарах в Новосибирской государственной
академии водного транспорта (2002-2004 гг.).
На защиту выносятся:
- экспериментальные зависимости влияния объема горючесмазочного
материала на значение температуры вспышки смазочного масла;
данные зависимости температур вспышек смазочного масла от площади поверхности испытуемого нефтепродукта;
зависимость температуры вспышки масла от скорости нагрева нефтепродукта;
влияние конвекции жидкости в сосуде на температуры вспышки смазочного масла;
теоретические зависимости, позволяющие определить температуру вспышки нефтепродукта;
- рекомендации по конструированию приборов для определения
температуры вспышки нефтепродуктов.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 13 таблиц, список использованной литературы из 153 наименований.
Температура вспышки - как основной показатель воспламенения топлива и масел в цилиндропоршневой группе
Основные особенности процесса сгорания в дизелях связаны, во-первых, со способом смесеобразования при впрыске топлива в цилиндр в конце такта сжатия, причем частично впрыск продолжается и в течение периода сгорания, и, во-вторых, со значительно более высокими давлениями и температурами сжатия, достигающими соответственно от 30 до 40 ата и от 500 до 600 С [29].
Подача топлива форсункой в камеру сгорания начинается за 10 и до 20 угла поворота коленчатого вала до в. м. т. и продолжается в течение времени, соответствующего от 20 до 35. В зависимости от конструктивных особенностей топливной аппаратуры, диаметра сопловых отверстий форсунки и давлений впрыска, топливо поступает в виде капель, диаметры которых лежат в пределах от 5 до 100 лік.
Впрыснутое топливо, прежде чем оно сможет воспламениться, должно быть хотя бы частично испарено, его пары смешаны с воздухом и в образовавшейся горючей смеси должны развиться предпламенные реакции.
Испарение горючесмазочных материалов характеризуется параметром, называемым температурой вспышки.
Для возникновения вспышки и развития процесса воспламенения в ЦПГ необходимо наличие горючего, окислителя и высокотемпературного источника зажигания.
Предпламенные реакции так же объясняют наличие некоторого периода задержки воспламенения, обычно оцениваемого как интервал времени от начала подачи топлива до начала заметного повышения давления в результате сгорания. Истинный период задержки, конец которого следует определять как момент появления первых очагов воспламенения несколько короче.
Период задержки представляет собой подготовительную фазу к процессу сгорания в цилиндре двигателя с воспламенением от сжатия. Длительность этой подготовительной фазы тем меньше, чем выше давление и температура сжатия, хотя влияние последней может быть различным при разных условиях [28].
Так же способность к воспламенению при нагревании топлив и сжатии их в ДВС, способность к распространению пламени при местном зажигании — характеризуются тем же параметром - температурой вспышки.
Не менее важную роль играют: мелкость распыливания, обеспечивающая быстрое испарение капель, и химические свойства топлива - воспламеняемость, обычно характеризуемую цетановым числом. В работе Н. В. Усова эту характеристику нельзя считать вполне однозначной [82]. В данной работе исследован механизм горения топливовоздушных смесей (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), с точки зрения повышения эффективности работы двигателя и экологической безопасности выбрасываемых в окружающую среду дымовых газов.
Процесс горения ТВС состоит из значительного числа физических, химических и физико-химических стадий. Одни стадии являются простыми, другие представляют собой последовательные, параллельные или параллельно-последовательные реакции цепного характера. В общей длительности периода задержки могут быть выделены: 1) физическая составляющая, в основном зависящая от параметров впрыска и условий смешения паров топлива с воздухом, и 2) химическая составляющая, определяемая свойствами топлива.
Одновременно с воспламенением и сгоранием подготовленной смеси в процесс горения вовлекается топливо, поступившее и продолжающее поступать через форсунку, но еще не успевшее образовать сколько-нибудь однородной паро-воздушной смеси. Скорость горения мелких капель распыленного жидкого топлива практически не лимитируется их испарением. При равномерном распределении капель по воздушному заряду скорость распространения фронта пламени по капельной взвеси может даже превышать скорость пламени в гомогенной смеси такого же общего состава. В случае неравномерной концентрации капель скорость сгорания в основном определяется скоростями турбулентного смешения образующихся паров топлива с воздухом.
В начальных стадиях процесса сгорания в дизелях при больших общих значениях коэффициента избытка воздуха это смешение идет быстро, так как капли топлива встречают на своем пути чистый воздух. Скорость сгорания при этом в основном определяется скоростью поступления топлива. По мере развития сгорания и расходования кислорода все большая часть топлива впрыскивается уже не в воздух, а в продукты сгорания ранее поступивших порций топлива. В связи с этим скорость сгорания начинает все больше замедлятся и лимитироваться скоростями диффузионного смешения паров топлива с остатками неизрасходованного кислорода. Температура вспышки является очень важным показателем, который определяет теплофизические свойства нефтепродуктов. Это один из основных параметров, от которого зависит надежность и правильность эксплуатации ДВС. В соответствии с отмеченными различиями в смесеобразовании и горении на отдельных стадиях процесс сгорания можно условно разделить на следующие три фазы (не считая периода задержки воспламенения, т.е. подготовительной фазы): 1. Фаза начального или быстрого горения, в течение которой в основном сгорает топливо, впрыснутое в цилиндр в течение периода задержки; 2. Фаза основного горения, в течение которой скорость тепловыделения примерно пропорциональна скорости поступления топлива; 3. Фаза диффузионного догорания. Горение жидкостей со свободной поверхностью представляет собой сложный процесс, протекающий в условиях взаимоналожения влияний кинетических и гидродинамических факторов. Он включает в себя ряд последовательных стадий, на которых осуществляется испарение жидкости и формирование над свободной поверхностью паровой струи, а также смешение и реагирование пара с содержащимся в окружающей среде окислителем. Выделяющаяся на фронте пламени теплота расходуется на нагрев газообразных продуктов сгорания и на нагрев и испарение жидкости, обеспечивая тем самым непрерывность процесса. Скорость последнего определяется интенсивностью тепло- и массопереноса в газообразной и жидкой фазах, кинетикой испарения и горения и зависит, таким образом, от большого числа факторов [27].
Расчет основных характеристик процесса — скорости горения, местоположения фронта пламени, тепловой и концентрированной структуры факела — сводится к интегрированию системы нелинейных дифференциальных уравнений переноса при априори неизвестных значениях характерных величин на свободной поверхности и фронте пламени. Это обстоятельство значительно затрудняет теоретическое исследование горения жидкостей. Некоторые закономерности процесса могут быть выявлены на остове анализа размерностей [1], а также путем численного решения системы уравнений переноса [2]. В настоящей работе развит приближенный (квазиодномерный) подход к описанию явления, позволяющий рассмотреть широкий круг вопросов, связанных с горением жидкостей [16, 37].
Эксперимент с плоской поверхностью
Все испытания в лаборатории велись с использованием моторного масла. Проводилось определение температур вспышек масел в открытом тигле при разном объеме с последующим переходом к объему капли, разном атмосферном давлении, разной скоростью нагрева. Применялось несколько видов моторного масла.
Нефтеперерабатывающая промышленность выпускает несколько видов моторных масел [20]. Они классифицируются по вязкости (таблица 2.2) и по эксплуатационным свойствам (таблица 2.3).
По вязкости летние и зимние сорта моторных масел делят на 8 классов (6; 8; 10; 12; 14; 16; 20; 24), а всесезонные загущенные масла - на 14. Класс летних и зимних сортов масел означает их вязкость в сантистоксах (мм2 /с) при 100 С. Для 10 всесезонных масел класс изображают дробью, в числителе которой указывают кинематическую вязкость при -18 С, а в знаменателе - при 100С. Например, 63/14 означает, что вязкость масла при -18 С равна 10400 сСт, а при 100 С находится в пределах от 13до 15 сСт. Буква 3 в индексе соответствует наличию вязкостной (загущающей) присадки. Классификация моторных масел по эксплуатационным свойствам распространяется на масла с присадками, используемые для смазывания двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от области применения моторные масла делят на шесть групп: А; Б; В; Г; Д; Е.
Масла, используемые в бензиновых двигателях, имеют индекс 1, а в дизельных - индекс 2. В марке масла М-10-Гз буква М означает моторное, число 10 - вязкость в сантистоксах при 100 С, буква Г3 - область применения масла (для высокофорсированных дизелей). В марке М-5з/12-Гі класс вязкости 5з/12 означает следующее: 5 - вязкость при -18С; буква в индексе наличие загущающей (вязкостной) присадки, вследствие чего масло можно использовать всесезонно; 12 - вязкость при 100 С; П - область применения (для высокофорсированных бензиновых двигателей).
В марке М-8-В буква В означает универсальное масло для среднефорсированных дизельных и карбюраторных двигателей. В марке М-4з/8-В2Гі буквы В2Гі указывают на возможность использования масла как в среднефорсированных дизельных (В2), так и в высокофорсированных бензиновых (Ті) двигателях. В марке М-4з/8-Д(т) буква т означает, что масло может быть использовано и как трансмиссионное.
Основные показатели моторных масел для бензиновых двигателей и дизелей даны в таблицах 2.4 и 2,5. Загущенные масла М-5з/10-Гі и М-бз/12-Гі предназначены для высокофорсированных двигателей легковых автомобилей, масла М-8-Г2 и М-10-Гз - для высокофорсированных тракторных, автомобильных и комбайновых двигателей. Масла М-8-Г2(к) и М-10-Г2(к) выпускают для автомобилей КамАЗ, тракторов К-700, К-701 и зерноуборочных комбайнов (буква к). Масла М-8-Ді(м) и М-10-Д2(м) предназначены для высокофорсированных дизелей с наддувом, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях.
Общий вид экспериментальной установки приведен на рисунке 2.3. На фотографии изображены следующие приборы: лабораторный однофазный автотрансформатор ЛАТР-2,5 со следующими номинальными данными: первичное напряжение автотрансформатора 220 В, частота 50 (60) Гц (рисунок 2.3); печь; термопара и т. д.
Опыты проводились в следующей последовательности. В качестве нагревательного элемента в нашей установке использовался нагревательный элемент - электрическая печь (7). (Смотреть рисунок 2.5). Электронагреватель подключен к сети переменного тока через лабораторный автотрансформатор ЛАТР-2,5 - 6. Это сделано для того, чтобы обеспечить во время проведения опыта плавное регулирование напряжения, подводимого к печке, а, следовательно, и изменение температуры образца как того требуют условия опыта. Изменение температуры тигля позволяет регулировать (варьировать) скорость нагрева смазочного масла. На печи устанавливается алюминиевый тигель (рисунок 2.4), предназначенный для наполнения испытуемым нефтепродуктом, диаметром 52,5 ± 1 мм, высотой 64 ± 1 мм и толщиной стенок 1,5 мм; песчаная жестяная баня полуцилиндрической формы 2 высотой 50 ± 5 мм и диаметром 100 ± 5 мм. Устанавливают датчик температур - термопару (3) в масло так, чтобы высота жидкости над кончиком прибора была равна расстоянию от нижней части датчика до дна тигля; термопаре придают строго вертикальное положение. Это удается добиться за счет крепления термопары к лапке большого металлического штатива.
Термопара при помощи провода подключалась к электронному блоку -7 с цифровым табло, работающим от сети переменного тока 220 В. Принцип действия установки основан на нагревании контролируемого нефтепродукта электронагревателем, периодическом поджигании паров нефтепродукта и измерении температуры, при которой происходит вспышка. Для поджига паров используется горелка - 4, которая состоит из медицинской иглы длиной 30 мм и диаметром выходного отверстия 0,50 мм и держателя, закрепленного к лапке малого металлического штатива. Поджигание газа осуществлялось за счет подачи его через силиконовый шланг диаметром 3 мм от баллона со сжатым природным газом - 5.
Зависимость температуры вспышки от объема
Как было уже сказано во второй главе, проведены эксперименты с разными объемами смазочного масла. Масло наливалось в тигель, его уровень сверялся по риске. При уменьшении объема сначала в тигель помещались алюминиевые вставки, а потом заливалось масло так же по риске. Помимо стандартного метода, где использовалось 100 мл нефтепродукта, проводились испытания и для объемов масла 75; 50; 25; 10; 5 мл. При уменьшении объема тигель оставался стандартным, но только применялись алюминиевые шайбы разной высоты. Площадь поверхности смазочного масла в тигле в этом случае равнялась 19,63 см2. Методика проведения оставалась стандартной во всех случаях, то есть поддерживалась определенная температура нагрева образца, размер пламени и прохождение его над поверхностью масла и т. д. соответствовало ГОСТу. По результатам эксперимента была построена зависимость отношения температуры вспышки от объема масла T=f(V) (смотреть рисунок 3.1). Согласно испытаниям, температура вспышки Тпс - 150 С при стандартном методе определения в открытом тигле, соответствовала гостовскому значению. Этому же значению соответствовали температуры вспышки, полученные при других объемах, что подтверждается верхним графиком. Расхождения температур составляли от 2 до 4 С, как вверх, так и вниз от искомой температуры, что удовлетворяло этому же ГОСТу. При дальнейшем уменьшении объема возникли проблемы с растеканием масла по дну тигля, так как измеряемый слой становился ничтожно малым. Было принято решение уменьшать площадь поверхности масла с приблизительным сохранением пропорций стандартного тигля. Новый тигель имел площадь поверхности масла 4,15 см2. Объемы для исследования: 10; 5; 2; 1 мл. Результаты экспериментов, как и в предыдущем опыте, остались прежними, что видно из рисунка 3.2, где показана зависимость T=f(V). Расхождения температур, при некоторых объемах, составляли в данном случае от 3 до 5 С, как вверх, так и вниз от температуры вспышки равной 150 С, что удовлетворяло ГОСТу. Для подтверждения теории был изготовлен тигель с площадь поверхности масла равной 2,14 см2, что соответствует зависимости 2 на рисунке 3.3. Объем тигля составлял 1 мл. В результате нескольких опытов получена температура вспышки Твс = 147,8 С (среднеарифметическая), что тоже соответствует ГОСТу. Рисунок 3.3 — Зависимость температуры вспышки от площади поверхности тигля: 1 - при S = 4,15 см2; 2 - при S = 2,14 см2 Все эксперименты проводились в нормальных условиях. Атмосферное давление соответствовало гостовским значениям и ни разу не выходило за пределы. Расстояние между поверхностью масла и пламенем горелки соответствовало 12 ± 1 мм. Растекание масла вызвало проблему снятия показаний температуры образца, было принято решение касаться дна тигля термопарой. Так как предполагалось, что тонкий слой масла прогревался и был той же температуры что и алюминиевый тигель. Данный метод применялся при меньших объемах. Общая зависимость температур вспышек от объема смазочного масла при разных площадях поверхности показана на рисунке 3.4. Из графика видно (смотреть рисунок 3.4), что уменьшение объема смазочного масла никак не повлияло на значения температуры вспышки. Все точки графика располагаются практически на одной прямой в районе точки При изменении объема масла методика снятия показаний температур вспышек оставалась той же, то есть стандартной. Когда температура пробы была приблизительно на 56 С ниже предполагаемой температуры вспышки, скорость подогрева регулировалась так, что последние 28 С перед температурой вспышки нефтепродукт нагревался со скоростью от 5 до 6 С в минуту. Большая часть опытов была проделана для объема масла 100 мл.
На рисунке 3.5 показана зависимость Т = f (Кмагр) - изменение температуры вспышки смазочного масла от значения скорости нагрева нефтепродукта. Здесь же показана среднеквадратичная кривая убывания температуры от скорости нагрева масла. Из графика видно, что, при больших объемах проб, на результат определения вспышки влияют конвективные процессы тепломассообмена в жидкости. Эти процессы различны при разных скоростях нагрева, то есть перенос тепла происходит быстрее или медленнее. Данная картина изменяется при уменьшении объема нефтепродукта. Процесс переноса тепла, в результате конвекции, не оказывает существенного влияния на вспышку в тонком прогретом слое.
В связи с тем, что была установлена зависимость температуры вспышки от скорости нагрева, мы попытались выяснить физические факторы, которые приводят к такому влиянию. В частности наиболее очевидным является возникновение конвекции в емкости конечного размера. С этой целью изучалось распределение температуры вспышки в зависимости от точки расположения датчика температуры - термопары.
Исследования проводились при двух интенсивностях нагрева. Задавалось напряжение 110 и от 215 до 220 В (смотреть рисунок 3.6 и рисунок 3.7 соответственно). Это минимальное и максимальное значения, которые обеспечивал прибор.
Как видно из рисунков замеры температуры вспышки смазочного масла производились по глубине и по диаметру тигля. Полная высота масла в тигле составляла 50 ± 1 мм и радиус тигля равнялся 25 ± 1 мм. Конец термопары по глубине масла располагался на высоте 5; 15; 25; 35; 45 мм от дна емкости. По радиусу масла расположение датчика было таким: на расстоянии 5; 10; 15; 20 мм от стенок тигля и в центре тигля (25 мм). Определение температур вспышек проводилось по каждой высоте с последующим изменением всех вышеперечисленных радиусов.
По данным экспериментов видно, что в емкости с маслом идет заметное распределение температур, вызванное конвекцией. Следует заметить, что нагрев тигля производился при помощи цилиндрической печи с хромовой спиралью снаружи. Тигель с испытываемым веществом помещался в этот цилиндр. Выделение тепла в этой печи было во внутрь цилиндра, поэтому нагрев тигля производился со стороны стенок, а не дна. Было интересно проследить, как возникает и происходит явление конвекции в масле, вызванное нагревом тигля.
Для этого предложено испытание: нагрев масла на печки. Подвод тепла к тиглю производится со дна. В смазочное масло помещаются частицы малодисперсной пыли, чтобы потом пронаблюдать за перемещением частиц этой пыли, которые переносятся конвекционными потоками, возникающими в следствие нагрева тигля. В качестве тигля взята прозрачная химическая посуда (для наглядности) - химический стакан объемом 250 мл. С результатами опыта можно ознакомиться по рисункам с 3.8 по 3.19.
Процесс переноса частиц пыли, как видно из рисунков, в масле проходил по следующей схеме: от дна стакана вдоль боковых стенок к верху, затем вдоль поверхности и по оси тигля вниз ко дну. За некоторым исключением, когда возникали некоторые непроизвольные воронки в центре тигля. Далее процесс повторялся по той же схеме, пока не происходило вскипание смазочного масла. Из-за возникновения пузырьков воздуха вследствие кипения, процесс конвекции визуально не наблюдался, на этом эксперимент останавливался. В результате проведенных экспериментальных исследовании было установлено: 1. Изменение объема масла в диапазоне от 1 до 100 мл не оказывает влияния на результат измерения температуры. Температуры вспышки не изменяются в пределах погрешности измерения ± 5 С и остаются равными 150 С, что соответствует стандарту. 2. Получены данные по температурам вспышек при изменении площади поверхности нефтепродукта в диапазоне исследуемых значений площади от 2,14 до 19,63 см2. Они соответствуют значениям температур при разных объемах и составляют 150 + 5 С. Эти эксперименты являются следствием, вытекающим из опытов по изменению объема. 3. Установлена зависимость значений вспышки от изменения скорости нагрева тигля. При увеличении скорости нагрева нефтепродукта с 4 до 12 С/мин температура вспышки уменьшается в 1,2 раза. 4. Изучено распределение температуры вспышки в тигле стандартного объема. Установлено, что при разных положениях термопары разница температуры вспышки может достигать от 20 до 50 С при разных интенсивностях нагрева. 5. Рассмотрено влияние конвекции в сосуде на изменение температуры вспышки. Доказано, что на вариации температуры вспышки основное влияние оказывает конвекция.
Диффузия с поверхности исследуемого нефтепродукта с постоянной концентрацией
Важнейшим свойством жидкости является ее способность к испарению. В результате теплового движения часть молекул, преодолевая силы поверхностного натяжения жидкости, переходит в газовую зону, образуя над поверхностью легковоспламеняющуюся паровоздушную смесь.
Таким образом, над поверхностью (зеркалом) жидкости всегда существует паровоздушная смесь, которая в состоянии равновесия характеризуется давлением насыщенных паров жидкости или их концентрации.
Есть полуограниченный объем цилиндрической формы с изоляцией боковой поверхности, концентрация которого везде одинакова и равна Со- В начальный момент времени конец этого стержня помещен в тигель с постоянной концентрацией нефтепродукта в нем Сс С0. Диффузия (испарение) между жидкостью в тигле и концом цилиндрического стержня происходит по закону Ньютона (боковая поверхность объема над "зеркалом" жидкости в диффузии не участвует). Найдем распределение концентрации по длине цилиндрического парогазового пространства над тиглем в любой момент времени. Имеем (рисунок 4.6):
Тогда дифференциальное уравнение (4.1) в частных производных для оригинала функции С(х, т), превратится в обыкновенное дифференциальное уравнение для изображения Си(х, s), т.е.: интегралом ошибок Гаусса или функцией Крампа, Функция Крампа или интеграл ошибок Гаусса быстро стремится к единице, когда аргумент увеличивается.
Решение (4.9) известно под названием решения Римана. Если коэффициент массоотдачи & очень велик, то Н -» ос; тогда из граничного условия (4.3) следует, что С(0, т) — Сс (концентрация вещества цилиндрического объема над поверхностью тигля мгновенно становится равной концентрации нефтепродукта в тигле). Если положить Н = &$ то второй член формулы (4.9) становится равным нулю. Тогда:
По найденному решению были построены зависимости С = Ддг) -изменение концентрации от значения переменной х в различные моменты времени. График зависимостей показан на рисунке 4.7.
При расчете использовался интервал времени х: от 0 до 5 мин. Построены четыре зависимости для следующих значений: т = 1,25 мин, т = 2,5 мин, т = 3,75 мин, т = 5 мин. Интервал ограничен пятью минутами из-за протяженности времени эксперимента.
Для возникновения вспышки и развития процесса воспламенения необходимо наличие горючего, окислителя и высокотемпературного источника зажигания.
Таким образом, для вспышки и последующего воспламенения смеси необходимо, чтобы концентрация недостающего компонента (горючего или окислителя) смеси была не ниже некоторого минимального предела.
Действительно, смеси горючего с окислителем способны к воспламенению, только будучи смешанными в определенных соотношениях [65]. Область концентраций горючего вещества, внутри которой его смеси с окислителем способны к воспламенению от источника зажигания с последующим распространением пламени, называется областью воспламенения.
Минимальная концентрация горючего в области воспламенения называется нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ) [46].
Максимальная концентрация горючего в области воспламенения называется верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ).
Следовательно, смеси, содержащие горючее ниже НКПВ (недостающий компонент - горючее) и выше ВКПВ (недостающий компонент - окислитель), образуют области негорючих концентраций, так Нами установлено: 1. Результаты экспериментов с минимальным количеством масла (капля) подтвердили основные закономерности вспышки с объемами от 1 до 100 мл. Так при расстоянии 8 мм от поверхности смазочного масла температура вспышки остается стандартной и равной 150 С в пределах ошибки измерения ± 5 С. 2. Установлено, что методически правильно измерять температуру вспышки на пластине, а не в непосредственном объеме, где происходит дополнительный нагрев от источника пламени. При этом поправка может достигать 110 С. 3. Было решено уравнение массообмена с учетом определенных допущений — граничных условий. На основании расчетов построена зависимость концентрации С от расстояния над поверхностью горючесмазочного материала в различные моменты времени.
