Классификация нефтяных топлив и основные показатели их качества
Широкое применение нефтяных фракций в качестве топлив обусловлено их высокой теплотой сгорания, относительно низкой стоимостью и удобствами использования. При сгорании 1 кг нефтяного топлива выделяется в среднем более 41670 кДж тепла, тогда как при сгорании 1 кг угля - около 33 330 кДж тепла, 1 кг древесины- около 19 500 кДж. Себестоимость добычи нефти примерно в 6 раз ниже, чем угля. Кроме того, жидкие топлива имеют некоторые преимущества перед твердыми при транспортировании и применении. Топлива для двигателей и различных топочных устройств должны отвечать следующим основным требованиям:
— сгорать с наибольшим выделением тепла в определенный промежуток времени, плавно и полностью, с минимальным образованием токсичных и коррозионно-агрессивных продуктов и отложений;
— обеспечивать своевременное образование однородной смеси паров топлива с воздухом и иметь оптимальную испаряемость;
— бесперебойно поддаваться по системе питания в двигатель при любых климатических условиях; не вызывать затруднений при транспортировании и хранении; не ухудшать своих эксплуатационных свойств со временем; иметь низкие температуры застывания и помутнения; не содержать коррозионно-агрессивных соединений и механических примесей;
— быть недорогими, нетоксичными и обеспеченными сырьевым ресурсами.
Всем перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют нефтяные топлива, которые и являются основным источником энергии практически для всех видов двигателей наземной, морской и авиационной техники. Однако современные двигатели предъявляют к качеству топлив целый ряд специфических требований. Поэтому нефтяные топлива по назначению делят на пять групп:
— для поршневых двигателей с принудительным зажиганием (автомобильные и авиационные бензины);
— для поршневых двигателей с воспламенением от сжатия (дизельные топлива для быстроходных и тихоходных двигателей);
— для реактивных двигателей (дозвуковой и сверхзвуковой авиации);
— для газотурбинных двигателей и установок (транспортных и стационарных);
— для котельных установок (транспортных и стационарных).
Рассмотрим более подробно основные показатели качества топлив, которые определяют их поведение в условиях эксплуатации. В первую очередь следует остановиться на тех свойствах, которые влияют на протекание процесса сгорания. В этом процессе химическая энергия топлива превращается в тепловую и далее-в механическую. Характер протекания процесса сгорания определяет мощностные и экономические показатели двигателей и существенно влияет на их надежность и долговечность. Для нормальной работы карбюраторных двигателей необходимы топлива, способные противостоять окислению в паровой фазе в условиях предпламенных реакций. В противном случае в отдельных зонах камеры сгорания могут накапливаться перекисные соединения, взрыв которых приводит к так называемому детонационному сгоранию. Детонация сопровождается резким увеличением скорости сгорания, появлением местных перегревов, повышение износа трущихся деталей и т.д. Антидетонационные свойства бензинов оценивают октановым числом: чем выше детонащионная стойкость бензина, тем больше его октановое число. Эксплуатационное значение этого показателя столь велико, что его указывают в марке бензина (А-76, АИ-93 и т.д.)
В дизельных двигателях происходит самовоспламенение топлива в нагретом от сжатия воздухе, и к дизельным топливам предъявляют другие требования. Для нормальной работы этих двигателей необходимо топливо, способное окисляться в условиях сжатия и имеющее небольшой период задержки самовоспламенения. При использовании трудноокисляющегося топлива вследствие большого периода задержки самовоспламенения в камере сгорания воспламеняется сразу большое количество топлива, давление нарастает очень быстро, наблюдается "жесткая" работа двигателя. При этом увеличивается износ трущихся деталей. Поведение топлива в условиях дизельного двигателя оценивают цетановым числом: чем больше период задержки самовоспламенения топлива, тем меньше его цетановое число.
В газотурбинных двигателях, в стационарных и судовых котельных установках и печках промышленных предприятий процесс сгорания топлива происходит непрерывно, не в замкнутом пространстве, в потоке воздуха. Топливо воспламеняется и сгорает непосредственно в факеле. В таких условиях специфических требований к качеству топлив не возникает. Наибольшее значение имеют минимальное содержание зольных элементов, наименьшее образование отложений на форсунках, стенках камер сгорания, отсутствие в золе ванадия и натрия и т.д.
По этим показателям особенно высокие требования предъявляют к топливам для воздушно-реактивных двигателей. Отложения на форсунках забивают отверстия, ухудшают качество распыления, искривляют факел вплоть до срыва пламени. Нагар, образующийся в камерах сгорания, способствует местным перегревам, короблению, а иногда и прогару стенок. Кусочки нагар, ссыпающиеся со стенок камер сгорания, вызывают эрозионный износ лопаток турбины. Для снижения образования отложений и нагара в топливах для воздушно-реактивных двигателей ограничивают содержание ароматических углеводородов (не более 20-22%), фактических смол (не более 5-6 мг/100 мл), серы (не более 0,1-0,25%), меркаптановой серы (не более 0,005%). Для этой же цели определяют высоту некоптящего пламени, люминометрическое число, коксуемость, зольность и иодное число.
