Топливо для тепловых двигателей и его свойства

Теплота, подводимая к рабочему телу в тепловых двигателях, получается за счет химической энергии топлива в процессе его горения. В тепловых двигателях применяется в основном жидкое, а иногда газообразное органическое топливо.

Наибольшее распространение получило жидкое топливо. Оно состоит из большого числа различных химических соединений, но все они в основном углеводороды. Содержание в топливе различных элементов характеризуется такими цифрами:

углерод (С) – 83 – 87%;

водород (Н) – 11 –15%;

кислород (О) – 0,5 – 2%;

прочие (примеси) – 1 – 2%.

Из примесей наиболее неприятна сера (S), так как она вызывает ускоренную коррозию металлических частей двигателя, находящихся в контакте с продуктами горения.

Основным видом топлива для дизелей является соляровое масло. Реальное дизельное топливо обычно состоит из смеси солярового (фракция, конденсирующаяся при температуре до 3800 С в процессе перегонки нефти) масла с некоторыми другими фракциями. Газовые турбины могут работать и на мазуте.

Основные свойства топлива следующие:

1. Теплотворная способность (теплота, выделяемая при сгорании) характеризует количественно тепловую энергию, получаемую при сгорании 1 кг топлива, Н в дж/кг или в ккал/кг.

Различают «высшую» теплотворную способность Hв, которая учитывает теплоту при конденсации пара в продуктах сгорания в результате горения в замкнутом объеме, и «низшую» Hн, когда пар выпускается вместе с продуктами сгорания. Для процесса горения топлива в двигателях принимается низшая теплотворная способность Нн. Для жидких нефтяных топлив теплотворная способность достаточно стабильна: Нн ≈9 000 ÷10 600 ккал/кг. В практических расчетах пользуются значением теплотворной способности «условного» жидкого топлива, принимая Hн = 10 000 ккал/кг.

2. Испаряемость – положительное качество топлива.

Чем быстрее испаряется топливо, тем лучше оно перемешивается с воздухом, полнее и быстрее сгорает.

3. Количество воздуха, необходимое для сгорания топлива, G0.

Чем меньше это количество, тем меньше размеры двигателя при заданной мощности. Для тепловых двигателей, работающих на нефтяных топливах, относительное количество воздуха G0 составляет приблизительно 15 кг на 1 кг топлива.

4. Температура воспламенения – наинизшая температура, при которой горючая смесь (топливо – воздух) воспламеняется без постороннего зажигания.

Температура воспламенения зависит от очень многих факторов, таких как тип топлива, качество распыливания, давления, состава воздуха и т. п. Ориентировочно она составляет: для газа 580—6500С; для бензина 415—4600С; для керосина 380—4300С; для газойля 340 — 3800С; для солярового масла – 1250С.

5. Задержка воспламенения характеризует время, прошедшее, от момента ввода топлива в нагретый воздух до появления пламени.

Этот параметр очень важен для характеристики воспламенения. Он определяется условным «цетановым» числом. Цетан (гексодекан) – углеводород с формулой C16H 34 – имеет среди других углеводородов наименьшую задержку воспламенения, которая условно характеризуется числом Са = 100. Для газа с наибольшей задержкой воспламенения (альфаметилнафталин) условно принято число Са = 0. Чем больше цетановое число, тем меньше задержка. Для дизельных топлив Са ≈ 40—60 и время задержки воспламенения составляет = 0,001…0,002 сек.

6. Антидетонационные качества топлива определяются условным «октановым» числом.

Октан С8Н18 – жидкость с температурой кипения tкип= 125,80С и плотностью ρ=0,704 г/см3. В качестве эталона принят один из 18 изомерных октанов – изооктан, который является наиболее устойчивым к детонациям моторным топливом. Его октановое число принято за 100. В качестве нуля принято октановое число нормального гептана СН3(СН2)5СН. Это жидкость, кипящая при температуре 98,40С с плотностью 0,684 г/см3. Гептан обладает очень низкими антидетонационными свойствами. Антидетонационные свойства и задержка воспламенения взаимосвязаны. Ориентировочно октановое число ОЧ≈120-2Са. Чем больше ОЧ, тем устойчивее топливо к детонации, но одновременно тем больше и задержка воспламенения.