Давление насыщенных паров бензинов

При давлении насыщенных паров устанавливается равновесие между паром и жидкостью, а концентрация паров топлива в воздухе становится максимальной.

Давление насыщенных паров существенно зависит от температуры. В таблице 1.3 показана зависимость давления насыщенных паров от температуры для бензина Аи-80 (760 мм рт. ст. = 1∙10 ⁵ Н/м² =100 кПа).

Таблица 1.3

Зависимость давления насыщенных паров от температуры

Прибор для определения давления насыщенных паров топлива (рис. 1.3) состоит из топливной 1 и воздушной 2 металлических камер цилиндрической формы, соединенных между собой резьбой. Воздушная камера, предназначенная для паровой фазы, соединена при помощи резиновой трубки и пружинного зажима (крана) 5 с манометром-вакуумметром 6. При проведении опытов прибор помещается в водяную баню 5, соединенную двумя шлангами 7 с термостатом 8. Заданная температура воды поддерживается термостатом и контролируется по ртутному термометру 4, погруженному в баню до отметки 38 °С, с пределами измерений от 0 до 50 °С и ценой деления шкалы 0,1 градуса [22]. На позиции 9 показана схема заполнения топливной камеры.

Так как давление насыщенных паров зависит от температуры и состояния жидкой и паровой фаз, ГОСТ 1756–52 предусматривает определение этой величины при температуре 38 °С и соотношение фаз 1:4 (жидкость – газ).

Перед началом опыта сосуд рассоединяют, шланг должен быть зажат зажимом. В топливную камеру заливают бензин и охлаждают его до температуры0 °С.Затем соединяют топливную камеру с воздушной. Собранный сосуд поворачивают и сильно встряхивают несколько раз. Приводят сосуд в нормальное положение, опускают его в баню с температурой t = 38 °С. После погружения сосуда в баню открывают зажим и через 5 мин. определяют давление или разрежение по показанию манометра-вакуумметра.

Указанные выше операции повторяют до тех пор, пока значение давления по манометру не стабилизируется. При стабилизации давления достигается термодинамическое равновесие, когда жидкость (бензин) уже не испаряется, а газ (пар) не конденсируется. Стабилизированное давление и есть давление насыщенных паров. При снижении давления жидкие углеводородные топлива могут переходить в газообразное состояние.

Рис. 1.3. Схема прибора для определения давления насыщенных паров:

1 – топливная камера; 2 – воздушная камера; 3 – водяная баня;

4 – термостат; 5 – пружинный зажим; 6 – манометр; 7 – шланги;

8 – термостат; 9 – схема заполнения топливной камеры

Следует помнить, что если манометр показывает избыточное давление, например, плюс 0,1∙10⁵ Па, то абсолютное давление будет равно 1,1∙10⁵. Если вакуумметр показывает установившееся разрежение минус 0,2∙10 ⁵ Па, то абсолютное давление равно 0,8∙10⁵ Па или 80 кПа.

В соответствии с ГОСТ 1756–2000 (ISO – 3007–99) «Нефтепродукты, определение давления насыщенных паров» давление насыщенных паров определяют с использованием водяной лабораторной бани типа ПЭ–700 и набора бомб ПЭ–7100 с комплектами манометров марки МТИ–1218.

На рис. 1.4 показан современный прибор для определения давления насыщенных паров. Прибор состоит из манометра с ручкой, которая служит для поворота и его встряхивания, воздушной и топливных камер. В процессе определения давления насыщенных паров прибор находится в водяной бане, в которой поддерживается постоянная температура.

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

(1.7)

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

S – площадь соприкасающихся слоев, м²;

– градиент скорости, характеризующий относительное изменение скорости между отдельными слоями жидкости, 1/с.

Рис. 1.4. Бомба типа ПЭ-7100 для

определения давления насыщенных паров

Анализ формулы 1.7 показывает, что коэффициент динамической вязкости выражает силу внутреннего трения, приходящуюся на единицу площади соприкасающихся слоев при градиенте скорости, равном единице.

Кинематическая вязкость: , м²/с. Для воды: 1·10^-6, м²/с. Вязкость измеряют в стоксах или сантистоксах (1Ст = 1см²/с; 1сСт = 1 мм²/с). Эталоном кинематической вязкости в 1 cСт является дистиллированная вода при 20 °С. Вязкость любой жидкости можно определить при помощи капиллярного вискозиметра (см. рис. 1.5). 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 в секундах 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 кинематическую вязкость, м²/с, можно оценить динамическую вязкость, Па∙с. Для этого величину кинематической вязкости, м²/c, умножают на плотность жидкости, кг/м³, (μ = υ ×ρ).

Кинематическая вязкость в м²/с применяется для оценки зависимости вязкости жидкости от температуры при определении режимов движения (ламинарное или турбулентное) и расчете потерь энергии при движении жидкости в местных сопротивлениях и по длине.

Для измерения кинематической вязкости в диапазоне 0,3–5000 сСт применяют автоматическое программно-управляемое устройство
AKV – 800 при изменении температур от 15 до 100 °С.

Динамическая вязкость, Н∙с/м² (Па∙с), применяется при расчете сил трения, например, между подшипниками скольжения и шейками коленчатого вала двигателя. В холодное время года вязкость моторного масла резко повышается, силы трения достигают величины, при которой затрудняется вращение коленчатого вала и запуск двигателя. При кинематической вязкости моторного масла более 3000 сСт запуск двигателя затруднен.

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).

(1.8)

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

(1.9)

где V – первоначальный объём системы;

V – изменение объёма;

P – изменение давления.

Величина, обратная β,– модуль упругости: К = 1/β. Для воды величина
К = 2·10 ⁹ Н/м², нефтепродуктов – 1,35∙10 ⁹ Н/м² [37].

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

(1.10)

Величину давления ΔР ограничивают при помощи перепускных или предохранительных клапанов. Оптимальная величина ΔР выбирается с учётом назначения конструкции исполнительного механизма, например, насоса для перемещения нефтепродукта и создания необходимого давления.

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

При нормальных атмосферных условиях (Т = 273 К, Р = 760 мм рт. ст.) диаметр молекул газа одинаков и составляет 2∙10^{-10 м. Массу молекулы малых размеров определить трудно. В 1811 г. итальянский физик Авогадро (1776 – 1856) предположил, что одинаковый объем газа (любого типа) при одинаковом давлении и температуре должен содержать равное количество молекул. Опыты показывают, что 1 грамм атомов Н (водорода) содержит 6∙10 23} атомов.
В 2 граммах Н₂ (молекула) содержится 6∙10 ²³ молекул. Это специфичное число 6∙10 ²³ называется числом Авогадро.

Масса молекул газа, кг, содержащая в объеме 22,4 литра при Р = 760 мм рт. ст. (1∙10 ⁵ Па) и Т = 273 К (t = 0 °С), называется молем.

Моль (молекулярная масса) – количество вещества в определенном объеме.Если количество молекул, равное 6∙10²³, компактно упаковать, то их объем составит 22,4 литра. Количество молекул, равных 6∙10 ²⁶, займут объем, равный 22,4 м³.

Плотность воздуха при атмосферных условиях равна 1,29 кг/м³. В объеме, равном 22,4 м³, его масса составит 28,9 кг (1,29 ∙22,4 = 28,9).

Один киломольвоздуха равен 28,9 кг.Один мольвоздуха составит 0,0289 кг или 28,9 г. Киломоль – количество газа, масса которого в кг численно равна его молекулярной массе. В воздухе по массе содержится 23 % (0,23) кислорода О₂ и 77 % (0,77) азота N_2.. Молекулярная масса кислорода 32, азота 28. Молекулярная масса воздуха кг/ кмоль.

Для полного сгорания 1 кг бензина требуется 14,45 кг воздуха или 0,5 киломолей воздуха. В тепловом расчете двигателя внутреннего сгорания требуемое количество воздуха для сгорания 1кг топлива определяют в кг или в киломолях.

При определении потерь нефтепродуктов от испарения и «дыханий» резервуаров необходимо знать плотность испарившихся легких фракций. Для этого определяют молекулярную массу испарившегося нефтепродукта в кг/кмоль. В таблице 1.4 показано изменение молекулярной массы нефтяных фракций в зависимости от температуры начала кипения в ^оС.

Таблица 1.4