Охлаждающие свойства – методы оценки качества горюче-смазочных материалов

Источник материала: Кузнецов А.И., Тимофеев Ф.В., Кузнецов А.А., Кормилицына В.Е. Учебно-справочное пособие. Нефтепродукты. в 2 ч. Часть 2. Основные характеристики. Методы оценки качества. Изд. Ульяновский государственный университет, Ульяновск, 2018 г. 250 с. :

Охлаждающие свойства – эксплуатационное свойство, характеризующее способность нефтепродукта отводить тепло.

Уровень охлаждающих свойств нефтепродуктов оказывает влияние на процессы передачи теплоты между техническими устройствами и окружающей средой в процессе их эксплуатации. Необходимость в снижении температур нагретых поверхностей деталей и механизмов, для повышения надежности их эксплуатации приводит к необходимости в процессе конструирования решать задачу отвода тепла. Одним из элементов, позволяющих решить эту задачу, является использование нефтепродуктов в качестве хладагентов. При этом в качестве хладагентов могут выступать как топлива (реактивные топлива при эксплуатации газотурбинных двигателей), смазочные материалы для охлаждения трущихся поверхностей, так и охлаждающие жидкости в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания и др. Обеспечение эффективного теплообмена является основной функцией охлаждающих и смазочно-охлаждающих жидкостей. Процессы теплообмена используют для утилизации тепла отработавших газов, улучшения испарения и смесеобразования топлив во впускных системах и камерах сгорания двигателей, поддержания заданного температурного режима в системах охлаждения, радиаторах, картерах, узлах и агрегатах двигателей и машин.

Охлаждающие свойства нефтепродуктов, определяются уровнем их физико-химических свойств (рис. 1).

1. Теплопоглащающие свойства

Теплопоглащающие свойства – физико-химические свойства, характеризующие способность нефтепродукта к поглощению определенного количества тепла при контакте с нагретым телом.

Теплопоглащающие свойства, в свою очередь характеризуются рядом показателей качества, которые позволяют оценить свойства нефтепродукта, определяющие их способность к теплообмену (рис. 10.2).

Рис. 1. Физико-химические свойства, характеризующие уровень охлаждающих свойств ГСМ

Рис. 2. Показатели качества, определяющие уровень  теплопоглащающих свойств ГСМ

1.1 Определение удельной теплоемкости

Удельная теплоемкость – показатель качества, характеризующий способность нефтепродукта к поглощению определенного количества тепла на единицу объема.

Под удельной теплоемкостью понимается отношение количества теплоты, сообщаемой веществу в процессе, к изменению его температуры.

Теплоемкость нефтепродукта зависит от его химического состава, состояния и способа сообщения ему теплоты.

С увеличением в нефтепродуктах олефиновых и парафиновых углеводородов и уменьшением количества ароматических углеводородов, уровень теплоемкости повышается.

Для оценки уровня теплоемкости жидких нефтепродуктов может использоваться эмпирическая формула, связывающая изобарную теплоемкость (Ср₀ при температуре 0 ⁰С, кДж/кг·К) с плотностью продукта:

(154)

где А – коэффициент пропорциональности

ρ₂₀ – плотность нефтепродукта при 20 ⁰С, кг/м³.

Значения коэффициента пропорциональности, рекомендуемые при расчете теплоемкости нефтепродуктов, соответствуют: для бензинов – 53,5; авиакеросинов – 53.12.

Для расчета уровня теплоемкости, при различных температурах в пределах от –20 ⁰С до температуры кипения исследуемого продукта можно также использовать эмпирическую зависимость:

(155)

где Ср₀ – теплоемкость продукта при 0 ⁰С, кДж/кг·К;

а – температурный коэффициент, 1/⁰С.

Поскольку, уровень теплоемкости нефтепродуктов также зависит от атмосферного давления, для расчетов изобарной теплоемкости, при заданных значениях температуры и давления (С_P,t, кДж/кг·К) можно использовать формулу:

(156)

где C_t,Po – изобарная теплоемкость при температуре t и давлении 0,1 Мпа, кДж/кг·К;

ΔС_P – поправка на давление, кДж/кг·К..

Известные из справочных данных экспериментальные значения поправки на барометрическое давление ΔС_P, для авиационных керосинов приведены в приложении 10.

Известна зависимость, существующая между изобарной и изохорной теплоемкостью жидкостей, которая выражается в следующем соотношении:

(157)

где C_V – изохорная теплоемкомсть, кДж/кг·К;

C_P – изобарная теплоемкость, кДж/кг·К;

β_S – адиабатический коэффициент сжимаемости;

β_T – изотермический коэффициент сжимаемости.

1.2 Определение теплоты испарения

Теплота испарения – показатель качества, характеризующий количество теплоты выделяемой при испарении нефтепродукта.

Удельная теплота испарения с увеличением молекулярной массы и температуры кипения веществ аналогичного строения уменьшается. Теплота испарения характеризует межмолекулярные взаимодействия.

Теплота испарения (Q_исп, кДж/кг) вычисляется по формуле:

(158)

где Т – абсолютная температура кипения продукта, К;

М – молекулярная масса;

К – коэффициент.

Коэффициент К, вычисляют по формулам:

(156) или (159)

Теплота испарения зависит от температуры кипения, а следовательно, и от давления, при котором испаряется горючее. При достижении критических значений этих физических величин, теплота испарения становится равной нулю.

Имея известные значения теплоты испарения (Qисп) при температуре кипения (Ткип), и критической температуры кипения (Ткр), при которой Qисп = 0, можно определить значение теплоты испарения (Qт) для заданной температуры – Т, по формуле:

(160)

2. Теплопередающие свойства

Теплопередающие свойства – физико-химические свойства, характеризующие способность нефтепродуктов к передаче определенного количества тепла при контакте с другими элементами среды.

Уровень теплопередающих свойств нефтепродуктов может быть оценен при помощи показателя «Коэффициент теплопроводности».

Коэффициент теплопроводности жидких углеводородов и горючего с повышением температуры убывает, с ростом давления возрастает.

При нормальных условиях, для индивидуальных углеводородов коэффициент теплопроводности (λ₀) рассчитывается по формуле:

(161)

где М – молекулярная масса углеводорода.

Расчет данного коэффициента для топлив, может быть произведен по формуле:

(162)

где ρ – плотность топлива.

3. Низкотемпературные свойства

Низкотемпературные свойства – свойства нефтепродуктов, характеризующие их состояние при условии низких температур.

Оценка низкотемпературных свойств продуктов, применяющихся для охлаждения систем и агрегатов, необходима в первую очередь для определения допустимых температурных пределов эксплуатации, при которых сохраняется их работоспособность.

Большое значение низкотемпературные свойства играют для охлаждающих жидкостей автомобильной техники, применяемой в районах с холодным климатом, а также в частности для авиационных керосинов, которые используются для охлаждения в топливно-масляных агрегатах летательных аппаратов.

Показатели качества, характеризующие низкотемпературные свойства ГСМ, выступающих в роли охлаждающих жидкостей представлены на рис. 3.

Рис. 3. Показатели качества, характеризующие
низкотемпературные свойства охлаждающих жидкостей

3.1 Определение температуры замерзания

Температура замерзания (температура начала кристаллизации) – показатель качества, характеризующий прокачиваемость продукта при низких температурах.

Определение температуры начала кристаллизации топлив, осуществляется по ГОСТ 5066-91 «Топлива моторные. Методы определения температуры помутнения, начала кристаллизации и кристаллизации». Сущность методов испытаний и порядок их проведения указаны в пункте 2.1.

Для охлаждающих жидкостей типа «Тосол», «Лена» с различным уровнем низкотемпературных свойств используются методы испытаний, предлагаемые в технической документации на данные продукты.

Сущность методов испытаний заключается в том, что испытуемую жидкость охлаждают в специальном приборе (рис. 6) до тех пор, пока невооруженным взглядом не будет зафиксирована температура, при которой происходит помутнение.

Рис. 10.3. Прибор Баумана-Фрома для определения температуры замерзания жидкостей:1 – насадка;2 – резиновые кольца; 3 – цилиндрический сосуд; 4 – термометр; 5 – мешалка; 6 – пробирка широкая

Для антифризов, существует распространенный экспресс-метод оценки низкотемпературных свойств, с использованием гигрометра.

Гидрометр, представляет собой денсиметр, имеющий две шкалы. По одной шкале определяется температура замерзания, а по второй содержание в продукте этиленгликоля. Также, гидрометр имеет термометр, по которому определяют температуру испытания.

Метод основан на зависимости плотности антифризов от соотношения в смеси этиленгликоля и воды.

Сущность экспресс-метода основана на визуальной оценке показаний шкалы гидрометра, помещенного в испытуемый продукт.

Поскольку, плотность продуктов зависит от температуры, для определения «истинных значений» содержания этиленгликоля и температуры замерзания пользуются таблицей перевода значений, полученных при температуре испытания («кажущиеся значения») к температуре 20 ⁰С (приложение 11).

Соответственно, по полученному значению содержания этиленгликоля, определяется температура замерзания жидкости.