Классификация топлива по происхождению и агрегатному состоянию. Жидкое топливо и его характеристика. Нефть и ее использование

Тема 1. Генерация и утилизация теплоты

Лекция 1

§ 1. Классификация топлива. Показатели качества топлива

Твердое топливо: а) естественное
Некоторые металлургические печи отапливаются
пылеуглём, но чаще уголь используют как сырье
для получения искусственных газов, применяемых
впоследствии для отопления печей.
б) искусственное
Кокс – пористые, механически прочные куски серого
цвета, получаемые при нагревании измельченного
каменного угля без доступа воздуха до температуры
950-1050 оС. Это наиболее дорогое из всех видов
металлургического топлива.
Иногда вместо кокса используют термоантрацит,
получаемый при термической обработке
продуваемого водяным паром антрацита
(высококачественного угля, при горении которого
не образуются углеводороды, и который горит,
поэтому, коротким пламенем и бездымно).

Из всех видов жидкого топлива
в металлургии используют в основном
мазут – остаток фракционной
перегонки нефти после отгонки
бензина, лигроина, керосина
и газойля.
Мазут сгорает почти полностью, так как
имеет малую зольность; он немного
легче воды. Качество мазута
характеризуется температурой
вспышки и застывания. Температура
вспышки, – при которой пары мазута
в смеси с воздухом вспыхивают
при приближении пламени;
эта температура значительно ниже
температуры воспламенения, при
которой жидкий мазут воспламеняется
самопроизвольно, без воздействия
постороннего пламени. Температура
застывания зависит от содержания
парафина в мазуте.

Газообразное топливо – основной вид применяемого
в металлургических печах органического топлива.
Его достоинства: удобство транспортировки, легкость
в управлении процессом горения и возможность
создания газовых смесей, обладающих различной
теплотой сгорания. Недостатки: низкая плотность
и взрывоопасность.
а) естественное
Различают природный газ вулканического
происхождения, почти полностью состоящий
из метана CH4, и попутные газы нефтяных
месторождений, в состав которых входят и другие
углеводороды.

б) искусственное
Побочными продуктами производства являются
коксовый и доменный газы, состоящие,
соответственно, в основном из H2, CH4, CO и из N2,
CO, CO2.
Генераторный газ получают путем газификации,
т.е. превращения твердого или жидкого топлива
в горючий газ при неполном окислении воздухом,
кислородом или водяным паром при высокой
температуре. Генераторный газ содержит CO и H2 –
продукты восстановления CO2 и H2O углеродом
газифицируемого топлива (угля, мазута, кокса).
Установка по газификации
твердого топлива
производства ФГУП «НПЦ
газотубостроения «Салют»»

Химический анализ позволяет определить
элементарный химический состав топлива:
C + H + O + N + SЛ + A + W = 100 % по массе,
органическая
горючая
сухая
рабочая масса
где A – зола, W – влага.
Находящаяся в топливе
сера делится на летучую
(горючую) и минеральную
(негорючую), входящую
в состав золы.
Горючая сера

Теплота сгорания топлива – количество
теплоты, выделяющееся при полном
сжигании 1 кг или 1 м3 топлива, Дж/кг
(Дж/м3).
Высшая теплота сгорания QВР - количество


водяные пары конденсируются в зоне
горения и находятся при 0 оС
(фактическое количество теплоты
меньше).
Низшая теплота сгорания QНР - количество
теплоты, выделяющееся при сгорании
единицы топлива при условии, что
испаряющаяся в процессе горения влага
находится в продуктах сгорания в виде
пара, охлажденного до 20 оС.

Теплота сгорания различных видов топлива колеблется
в широких пределах. Для мазута, например, она
составляет свыше 40 МДж/кг, а для доменного газа –
около 4 МДж/м3.
Для сравнительной оценки различных видов топлива
вводят понятие условного топлива, для которого
низшая теплота сгорания
QНР = 29,3 МДж/кг.

§ 2. Кинетический и диффузионный режимы горения топлива

Горение заранее подготовленной смеси топлива
с воздухом или кислородом называют кинетическим;
а горение, протекающее одновременно
со смесеобразованием – диффузионным.
Гомогенное и гетерогенное горение –
соответственно, горение газа
и горение твердого или жидкого
топлива. Гетерогенное горение
включает в себя элементы
гомогенного. Например,
при нагреве частицы угля перед
ее воспламенением из нее
Зажигательная поверхность
выделяются летучие вещества,
спичечного коробка покрыта
которые, смешиваясь с кислородом, смесью красного фосфора
и порошка стекла. В состав
сгорают в режиме гомогенного
спичечной головки входят
окислители (PbO2, КСlО3,
горения; таким образом, процесс
ВаСrO4) и восстановители
горения протекает только
(S, Sb2S3).
на границе раздела фаз.

Рассмотрим гомогенное горение как более общее.
Коэффициент расхода воздуха
VВД
n Т –
VВ
отношение действительного расхода воздуха,
затрачиваемого для сжигания единицы топлива,
к стехиометрическому (теоретически необходимому).
Например, из реакции горения метана
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
видно, что для полного сгорания 1 м3 метана
необходимо подавать 2 м3 кислорода. Если кислорода
подают на 5 % больше, то n = 1,05.
Коэффициент расхода воздуха является важнейшим
параметром, путем изменения которого регулируют
процесс горения: температуру горения, количество
и химический состав продуктов сгорания,
устойчивость процесса горения.

Пламя представляет
собой светящуюся газовую
оболочку, в которой
происходит
экзотермическая реакция
газообразных продуктов
разложения материала
с окислителем.
Сгорание топлива в пламенных печах
производится в факеле.
Факел – это состоящая
из компонентов с различными
физическими свойствами
(топливо, воздух и продукты
сгорания) струя, в пределах
которой осуществляется горение.
Фронт пламени – зона интенсивной
реакции и резкого возрастания
температуры. Фронт пламени
делит факел на две зоны:
внутреннюю и внешнюю.
Во внутреннюю зону подается
топливо и окислитель,
либо только топливо; туда же
диффундирует из пламени часть
высокотемпературных продуктов
сгорания. Во внешней зоне
находятся продукты сгорания,
либо продукты сгорания
и окислитель (при n > 1).

Рассмотрим кинетический ламинарный факел, который
образуется при горении струи топлива и окислителя,
истекающей из трубы в неограниченный объем
воздуха. Если сбоку к срезу трубы поднести
запальник, то произойдет зажигание горючей смеси.
Образуется тонкий фронт пламени в виде конической
поверхности:
wi
wn
un
R
i
lф
w
w0
горючая смесь

Пламя с нормальной скоростью распространения
пламени un, зависящей от физико-химических свойств
горючей смеси, распространяется навстречу
движению струи и к ее оси.
На некотором расстоянии от среза трубы по периметру
вытекающей струи образуется зажигающее кольцо –
устойчивое кольцо пламени с диаметром, меньшим
диаметра выходного отверстия трубы, служащее
естественным запальником для свежей смеси.
У стенок трубы (ниже зажигающего кольца) смесь
охлаждается из-за теплоотвода через стенки трубы
и примешивания холодного воздуха из окружающей
среды – это приводит к снижению нормальной
скорости распространения пламени, и пламя сюда
не проникает. В процессе распространения
от зажигающего кольца к центру струи пламя
одновременно относится движущейся смесью
и достигает оси трубы на некотором расстоянии
от среза трубы, называемом длиной факела lФ.

Условием устойчивости фронта пламени является
un = wn = wi cos i,
где wn – проекция вектора скорости смеси в i–той точке
wi на нормаль к элементу фронта пламени в этой
точке, м/с;
i – угол между вектором скорости нормального
распространения пламени и вектором скорости смеси
в i–той точке.
Начиная с определенного значения средней скорости
горючей смеси на выходе из горелки w0, произойдет
отрыв пламени. Это произойдет в тот момент, когда
нарушится условие равновесия применительно
к зажигающему кольцу. При увеличении w0 возрастает
количество смеси, проходящее через единицу
поверхности зажигающего кольца, следовательно,
уменьшается температура кольца и скорость
нормального распространения пламени в нем. Это
на фоне увеличения w0 приводит к отрыву пламени.

Верхний по скорости предел устойчивости пламени –
предельно большая скорость потока, при которой
горение устойчиво.
Нельзя допускать и проскока пламени – его
проникновения в трубу при слишком значительном
уменьшении скорости смеси. Нижний по скорости
предел устойчивости пламени – предельно малая
скорость истечения горючей смеси, при которой
еще не наступает проскок.

Определим, от чего зависит длина факела при устойчивом
горении, для этого примем, что радиус зажигающего
кольца примерно равен радиусу выходного отверстия
трубы. Тогда время, в течение которого пламя
распространится от границы струи до ее оси,
R
t .
un
За это же время пламя сместится вдоль оси факела
на расстояние, равное длине факела:
w0 R
,
lф w t w0 t
un
где w – средняя по сечению скорость движения газов
в пределах факела м/с.
Таким образом, длина факела зависит от радиуса
среза трубы, средней скорости истечения, а также
от температуры и состава смеси (от этих факторов
зависит величина un).

Рассмотрим диффузионный ламинарный факел.
Пусть из трубы подается ламинарная струя топлива,
которое в пограничном слое при помощи
молекулярной диффузии и конвекции
перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь.
Если к периферии струи поднести запальник,
то по ее периметру возникнет зажигающее кольцо
и сформируется фронт пламени конической формы:
4
3
2
1
газ
1 – потенциальное
ядро потока,
2 – топливновоздушная смесь,
3 – фронт пламени,
4 – смесь
продуктов сгорания
и воздуха
Все горючие твердые вещества
подразделяются на два класса:
безгазовые и газофицирующиеся
при горении.
К веществам и материалам
первого класса, не образующим
при горении газообразных
продуктов, могут быть отнесены
различные термитные смеси,
продуктами сгорания которых
являются нелетучие
конденсированные вещества оксиды металлов.
Подавляющее большинство
твердых веществ и материалов
относятся ко второму классу.

Предположим, что фронт образовался в точках
пространства, куда горючее поступает в избытке
(n < 1). В этом случае часть горючего пройдет сквозь
фронт в окружающую среду, смешается там
с кислородом и сгорит, при этом приход кислорода
во фронт еще больше сократится. Очевидно, в таких
условиях фронт пламени не может быть устойчивым.
Подобным образом можно доказать, что фронт
пламени не может быть устойчивым в точках, куда
кислород поступает в избытке (n > 1).
Так как зажигающий пояс находится на границе струи
с окружающей средой, то есть в зоне с очень низкими
скоростями, то его устойчивость высока. Проскок же
вообще невозможен, поскольку через трубу подается
чистый газ.

Время, в течение которого завершится
формирование факела, равно времени диффузии
воздуха от периферии к оси струи:
R2
,
t
2 D
где R – радиус трубы, м;
D – коэффициент диффузии, м2/c.
Длина факела
R 2 w0 .
lф w t w0 t
2 D
Учтем, что секундный расход газа через трубу
V = w0 R2 w0
Окончательно имеем
V
lф
.
D
V
.
2
π R

Расчет горения топлива включает в себя следующие
этапы.
1. Определение расхода воздуха на горение.
Производится по содержанию избыточного кислорода
в продуктах сгорания, %:
21
,
21 O2 ИЗБ
где 21 - % кислорода в земной атмосфере.
n
SPC-93-1195 - Сигнализатор
газа O2, газоанализатор
стационарный

2. Определение количества и состава продуктов сгорания.
Производится на основании уравнений горения.
Рассмотрим пример горения метана при подаче
теоретического количества воздуха:
При сгорании 1 м3 метана образуется 1 м3 CO2 и 2 м3 H2O.
Кроме того, с воздухом вносится
2 3,762 = 7,524 м3 азота.
Таким образом, полное количество продуктов сгорания:
1 + 2 + 7,524 = 10,524 м3.

Состав продуктов сгорания в объемных процентах:
1
100 9,5 ;
10,524
2
100 19 ;
H 2O . . .
10,524
CO2 . . .
N2 . . .
7,524
100 71,5 .
10,524
Если бы сжигание метана производилось с n > 1,
то общее количество продуктов сгорания возросло бы
из-за увеличения количества N2 и наличия
избыточного О2 в продуктах сгорания.
Правильность расчета подтверждается составлением
материального баланса в единицах массы, так как
объемы реагирующих веществ могут быть не равны
объемам полученных при горении соединений.

3. Расчет температуры горения.
Калориметрической называется температура, которая
могла бы быть достигнута при условии, что вся теплота,
выделившаяся при горении, использована только
на нагрев продуктов сгорания:
QНР
tК
,
vД c
где vД – объем дыма, образующегося при сгорании единицы
топлива, м3/м3 (кг/м3);
с – удельная теплоемкость продуктов сгорания, Дж/(м3 оC).
Горение свечи является примером процессов
горения плавящихся материалов, которым
пламя дает теплоту, достаточную
для их плавления, испарения и разложения.
Парафиновая свеча имеет минимальную
температуру 1400°С.

Из-за частичной диссоциации CO2 и H2O, сопровождаемой
поглощением теплоты, теоретическая температура
всегда ниже калориметрической:
tТ
QНР QДИСС
vД c
,
где QДИСС – определяемое расчетным путем количество
теплоты, израсходованное на протекание процесса
диссоциации.
Из-за нагрева стен печи и заготовок действительная
температура еще меньше:
tД
QНР QДИСС QПОТ
,
vД c
где QПОТ – количество теплоты, отдаваемое продуктами
сгорания.

Величина QПОТ зависит от условий теплообмена
продуктов сгорания с окружающей средой
и оценивается с помощью выражения
tД = tК ПИР,
где ПИР = 0,65 0,8 – зависящий от конструкции печи,
ее теплового режима и определяемый
экспериментальным путем пирометрический
коэффициент.
Величина действительной температуры дает оценочную
характеристику условий теплообмена при сжигании
топлива в рабочем пространстве печи.

§ 3. Конструкции и схема выбора устройств для сжигания топлива

Для сжигания газообразного топлива применяются
устройства, называемые горелками. По принципу
смешения газа с воздухом их делят на две группы:
с предварительным и с внешним смешением.
Внутри каждой группы классификация производится
по конструктивным признакам, которые обусловлены
способом образования смеси.
Наиболее распространенные горелки
с предварительным смешением – инжекционные,
использующие инжектор – устройство, в котором
вытекающая из сопла струя газа увлекает за собой
окружающий воздух, и перемешивание газа и воздуха
достаточно полно происходит в смесительной трубе
до попадания в печь.

Рассмотрим истечение турбулентной струи газа
в открытую с обоих торцов цилиндрическую камеру:
В
Г
В
До соприкосновения со стенами камеры струя ведет
себя как свободная, увлекая окружающий воздух
через входной торец камеры. В связи с ограниченным
проникновением окружающей среды кинетическая
энергия струи не может быть полностью
израсходована, и потому она частично превращается
в потенциальную энергию давления, – струя топлива
совершает работу противодавления, нагнетая
подготовленную смесь в рабочее пространство печи.
В работе инжекционных горелок существенную роль
играет туннель, стенки которого в процессе горения
раскаляются, что обеспечивает поджигание новых
порций газо-воздушной смеси и способствует
устойчивому горению.

Инжекционная газовая
горелка вихревая (ГГВ)
низкого и среднего
давления ООО «ПКФ
«СпецКомплектПрибор»»
Достоинства горелок с предварительным смешением:
1) малая величина коэффициента расхода воздуха,
что обеспечивает наивысшую температуру горения
для данного топлива по сравнению с другими
горелками; 2) автоматическое поддержание
постоянного соотношения расходов газа и воздуха;
3) отсутствие воздухопроводов.

Широко распространенной горелкой
без предварительного смешения является
двухпроводная. По наружной трубе подается воздух,
образующий облекающий поток по отношению к газу,
который подается по внутренней трубе:
В
Г
В турбулентных двухпроводных горелках воздушная струя
закручивается по отношению к газовой, что способствует
улучшению перемешивания топлива и окислителя.
Плоскопламенные горелки создают разомкнутый факел
с углом раскрытия 180о, растекающийся тонким слоем
и прилегающий к поверхности кладки печи, в которую
вмонтирована горелка. При этом не только придается
вращательное движение воздушному потоку,
но и применяются специальной формы горелочные
камни и рассекатели.

Плоскопламенная
горелка (FFB),
Hotwork
Combustion
Technology
Limited,
Великобритания
Горелки дутьевые типа
"труба в трубе"
Уфалейского завода
металлоизделий
(г. Верхний Уфалей
Челябинской области)
"Горящее гало". Мощная промышленная горелка,
работающая в относительно слабом режиме.
Chuck Baukal/John Zink Company
Достоинства горелок без предварительного
смешения: 1) возможность создания факела
специальной формы; 2) возможность подогрева
воздуха; 3) компактность.

Турбулентные горелки выбирают следующим образом:
Р
1. Зная теплоту сгорания QН и часовой расход топлива B
на горелку, определяют ее теплопроизводительность
Q B QНР.
2. По величине Q, задаваясь скоростью выхода топлива
из горелки (20 30 м/с), с помощью специальной
номограммы определяют диаметр горелки D.
3. Определив D, по перечисленным выше данным находят
все необходимые размеры горелки.
4. Действительное давление газа и воздуха определяют
по формулам:
pГ = Г pГ, pВ = В pВ,
где pГ и pВ – расчетное динамическое давление газа
и воздуха;
Г = 0,7 0,8 и В = 2,5 3 - коэффициенты потерь.

В случае если не допустим контакт нагреваемого
металла с продуктами сгорания, сжигание газа
производят в радиантных трубах, выполненных
из жаростойких сталей, а рабочее пространство печи
заполняют защитным газом.
Радиационная труба
производственноинжиниринговой
компании «ПЕРОЛ»
Радиантная труба
ООО «Воткинский
завод ТО» (Удмуртия)

Жидкое топливо сжигают с помощью форсунок,
обеспечивающих дробление мазута на мелкие капли
перед его сжиганием, для чего используется энергия
самого распыляемого топлива, либо вентиляторного
воздуха, либо газообразного распылителя высокого
давления: компрессорного воздуха, водяного пара.
Твердое топливо сжигают в пылеугольных горелках.
Жидкотопливная горелка
R20-30 немецкого
производителя Giersch
Пылеугольная горелка
ООО НТФ "ЭНЕРГОМАШинжиниринг" (г. Таганрог)

§ 4. Тепловые эквиваленты сырьевых материалов шихты

Шихтовые материалы могут выполнять функцию
технологического топлива в случае,
когда количество выделившейся в результате
экзотермических реакций теплоты сопоставимо
с энергетическими затратами на осуществление
технологического процесса. Процессы, протекающие
за счет химической энергии сырьевых материалов,
называют автогенными.
Примером технологического топлива могут служить
сульфидные материалы, применяемые при выплавке
меди. Их энергообразующими компонентами
являются Fe и S, входящие вместе с Cu в сложные
химические соединения.
Пирит FeS2
Халькопирит
CuFeS2

Состав шихты, как правило, задают содержанием
S и Cu, тогда теплота сгорания шихты
QХШ = 119,4 S – 12,4 Cu ,
где S и Cu – содержание серы и меди в шихте,
выраженное в % от массы.
Эта формула получена перемножением величины
тепловых эффектов реакций
на соответствующие им количества
энергообразующих компонентов и сложением
полученных результатов. Знак «–» перед
вторым слагаемым обусловлен тем,
что восстановление сульфида меди оксидом
меди является эндотермической реакцией.

Для сравнения потенциальных энергетических
возможностей сырьевых материалов и топлива
и оценки их взаимозаменяемости в условиях
конкретного технологического процесса используют
понятие топливного эквивалента шихты,
который показывает, какое количество условного
топлива заменяет тонна шихты.
Тепловым эквивалентом шихты называют
количество теплоты, используемое на протекание
технологического процесса, из общего количества
теплоты, выделившейся при окислении единицы
массы шихты, кДж/кг. Перегрев содержащихся
в печи материалов ведет к нарушению
технологического режима и поэтому из общего
количества теплоты, полученного за счет химической
энергии сульфидов, в печи может быть использована
только ее часть.

Используют понятия теплогенерационной
и теплообменной составляющей теплового эквивалента
шихты, которые соответственно показывают, какое
количество теплоты, используемой в печи, подводится
к продуктам плавки в процессе теплогенерации
и за счет теплообмена.
Известно, что продукты окисления сульфидов получают
теплоту непосредственно при протекании
экзотермических реакций, и потому считается,
что скорость подвода теплоты к веществам, участвующим
в реакциях окисления, определяется скоростью
теплогенерационных процессов. К остальным материалам
теплота подводится от продуктов окисления сульфидов
за счет теплообмена: таким образом, скорость подвода
теплоты к флюсам и породообразующим компонентам
определяется интенсивностью протекающих в печи
теплообменных процессов.

§ 5. Генерация теплоты за счет электрической энергии

При наложении электромагнитного поля в проводящей
среде электроны проводимости обусловливают ток
проводимости:
J N e e v Д,
где – вектор плотности тока проводимости, А/м3;
Ne – плотность электронов проводимости, м-3;
e = 1,602 10-19 Кл – заряд электрона;
vД 10-3 10-5 м/c – скорость «дрейфа» электронов.
При неупругом взаимодействии электроны передают
избыток кинетической энергии ионам, увеличивая
амплитуду их колебаний, что и определяет
повышение температуры, то есть нагрев вещества.

Если прохождение тока проводимости не связано
с изменением структуры вещества и не сопровождается
химическими реакциями, то, В соответствии с законом
Джоуля-Ленца, внешняя работа электрических сил
целиком идет на изменение тепловой энергии
в единице объема нагреваемого вещества:
N e v Д F qV ,
где F – сила, действующая на электрон, Н;
qv – удельная скорость преобразования энергии, Вт/м3.
Последнее выражение выражает закон теплового
действия тока проводимости и является частным
случаем закона сохранения энергии.
Теплотехнические возможности теплогенерации по закону
Джоуля-Ленца зависят от: 1) способа подвода
электромагнитной энергии; 2) степени равномерности
qv в объеме нагреваемого тела.

Джеймс Прескотт ДЖОУЛЬ (1818–
1889) – английский физик. Изучал
природу тепла и обнаружил ее связь
с механической работой. Это привело
к теории сохранения энергии, что,
в свою очередь, привело к разработке
первого закона термодинамики.
Он работал с лордом Кельвином
над абсолютной шкалой
температуры, делал наблюдения
над магнитострикцией (изменение
объема и линейных размеров тела
при изменении состояния его
намагниченности), открыл связь
между током, текущим через
проводник с определенным
сопротивлением и выделяющейся
при этом теплотой, названный
законом Джоуля (1841).
Эмилий Христианович ЛЕНЦ (1804–1865) –
знаменитый русский физик. Работал
в области электромагнетизма.
Важнейшие результаты его исследований
излагаются и во всех учебниках физики. В их
числе закон индукции (правило Ленца), по
которому направление индукционного тока
всегда таково, что он препятствует тому
действию (например, движению), которым
он вызывается (1834) и закон Джоуля и
Ленца: количество теплоты, выделяемое
током в проводнике, пропорционально
квадрату силы тока и сопротивлению
проводника (1842).

Возможно 2 способа прямого подвода энергии:
1) кондукционный, когда вектор напряженности
электрического поля E , В/м, направлен вдоль оси
нагреваемого электропроводного тела (т.е. ток
проводимости направлен вдоль оси нагреваемого
тела);
2) индукционный, когда вектор E направлен по нормали
к оси и переменное электромагнитное поле
индуцирует вихревые токи проводимости.
Когда невозможно обеспечить удовлетворительный
нагрев, диссипацию энергии обеспечивают косвенной
теплогенерацией, для чего используют электрические
нагреватели.

Существуют 3 группы электронагревателей:
1. Металлические из хромоникелевых (нихром) и
железохромоалюминиевых (фехраль) сплавов, имеющие
предельную рабочую температуру 800–1200 оС.
В современных электропечах сопротивления используют:
- проволочные
спиральные,
- ленточные
зигзагообразные
и проволочные зигзагообразные нагреватели.

2. Керамические (карборундовые) из SiC применяют
в тех случаях, когда необходимо иметь температуру
нагревателя 1250–1450 оС. Их изготавливают в виде
трубок.
3. Металлокерамические нагреватели из дисилицида
молибдена MoSi2 имеют предельную рабочую
температуру 1450–1680 оС. Наиболее употребительная
форма таких нагревателей – U-образная.
Карборундовые
нагреватели.
Размер: 26х400мм
и 38х400мм,
L=1200мм
Нагреватели
из дисилицида
молибдена

Алгоритм расчета нагревателей:
1. Находят рабочую температуру
tН tМКОН + 100 оС.
2. Выбирают материал и определяют величину
его удельного электросопротивления, Ом м.
3. По формуле для плотности результирующего
теплового потока в системе 2 параллельных
поверхностей находят удельную поверхностную
мощность идеального нагревателя, т.е. такого,
который не излучает сам на себя:
ω ИД
σ 0 TН4 TМ4
1
1
1
εН εМ
, Вт/м2.

5. Выбирают тип электрического соединения
нагревателей и находят величину фазового
напряжения. При схеме соединения «треугольник»
фазовое напряжение равно сетевому UФ = UС.
При схеме соединения «звезда»
UС
.
UФ
3
6. По величинам мощности печи N, UФ, и
рассчитывают размеры нагревателей и выбирают
их количество.
Генерация теплоты по закону Джоуля-Ленца имеет
место в индукционных печах и печах сопротивления
прямого и косвенного действия.

Генерация теплоты за счет ускорения потока электронов
основана на явлении термоэлектронной эмиссии –
испускании электронов нагретыми телами, например,
металлопленочными катодами из тугоплавких металлов
с пленкой из щелочных, щелочноземельных
и редкоземельных металлов (элементы I-III групп
периодической системы), помещенными
в электрическое поле. Поступающие в межэлектродный
промежуток электроны формируются в электрополе
в виде направленного потока быстролетящих
(со скоростью 100 тыс. км/с) электронов,
называемого электронным лучом.
Во избежание рассеяния приобретенной кинетической
энергии электроны не должны сталкиваться
с молекулами газовой среды, для чего обеспечивают
распространение потока электронов в вакууме.

Мощность электронного луча
P I А U А k U А5 / 2 ,
где I А k U А3 / 2 – сила тока переноса в вакууме,
связанная с величиной ускоряющего напряжения UА
так называемым «законом трех вторых» в отличие
от закона Ома;
k – постоянная, характеризующая размеры и форму
катода и анода.
Из-за соударения электронного луча со связанными
электронами нагреваемого вещества возможно
возникновение рентгеновского излучения, по этой
причине ограничивают величину UА (не более 35 кВ).
Возможность управления движением электронов
позволяет фокусировать и перемещать электронный луч
по поверхности нагрева, создавая заданную плотность
теплового потока.
Способ применяют в электронно-лучевых печах.

Теплогенерация за счет электрических разрядов в газах
заключается в осуществлении разряда путем разрушения
нейтральных молекул под действием электромагнитного
поля. При этом образуется плазма – частично или
полностью ионизованный газ. В металлургии используют
так называемую низкотемпературную плазму с
температурой 5 20 тыс. К (высокотемпературная плазма
с температурой свыше 100 тыс. К является объектом
исследований по управляемому термоядерному синтезу).
Суммарные энергозатраты на создание электрического
разряда в газах
WΣ = WЭ + WД + WИ,
где WЭ – энергия, идущая на увеличение энтальпии газа;
WД – энергия, идущая на диссоциацию многоатомных
молекул;
WИ – энергия, идущая на ионизациюю, т. е. отрыв
электронов.

Удельная энтальпия плазмы ступенчато возрастает при
увеличении температуры. При относительно низкой
температуре идет процесс диссоциации многоатомных
газов (например, черырехокись азота распадается
на 2 радикала двуокиси, имеющие на внешнем уровне по
одному неспаренному электрону: N2O4 2 NO2), а затем,
при дальнейшем возрастании температуры, происходит
ступенчатая ионизация с образованием одно-, двухи более зарядных ионов. Образование многозарядных
ионов происходит лишь при температуре > 30 тыс. К.
Чаще всего применяют дуговой (в плавильных печах) и
коронный разряд (в так называемых электронно-ионных
технологических процессах и для ионизации аэрозолей
при очистке дыма). В промышленности применяют также
искровой (для электроэрозионной обработки металлов)
и тлеющий разряд (для распыления металлов при
производстве полупроводников и сверхпроводников).

Ионизатор воздуха
"Аэроион-25"
(модификация
"Ромашка"),
использующий
коронный
электрический
разряд
Дуговой электрический
разряд в ксеноновой лампе
Молния – искровой
электрический разряд в атмосфере
Огни святого Эльма тлеющий электрический разряд

Основные определения, классификация и происхождение органического топлива. Элементный и технический состав топлива. Теплота сгорания топлива и способы ее определения. Твердое топливо. Жидкое топливо. Газообразное топливо. Условное топли­во .

Топливом называют вещества, способные вступать с кислородом воздуха в быстрый окислительный процесс – горение, выделяя при этом значительное количество теплоты. Топливо представляет собой сложное органическое соединение, входящих в его состав горючих элементов, забалластированных негорючими составляющими, оказывающими значительное влияние на его качество.

Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти.

По способу получения различают природные и искусственные топлива. К

природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь. Из жидких - мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо. Из газовых - газы доменный, генераторный, коксовый. Торф, бурые угли, каменные угли и антрациты образовались в процессе последовательной углефикации отмершей растительной массы.

Дальнейшая классификация каждой группы может быть проведена по их агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные топлива.

Состав и качество топлива устанавливается с помощью химического и технического анализа. Для этого берется так называемая средняя проба данной партии топлива, которая должна наиболее правильно отображать свойства и состав всей партии или пласта, из которого добывается топливо. Отбор средней партии проводится в соответствии со специально разработанными инструкциями.

Топливо, добытое из недр, с поверхности земли и доставленное потребителю называют рабочим топливом. В состав рабочего топлива входят: углерод (С), водород (Н), сера летучая(S л), которые при сгорании выделяют определенное количество тепла, кислород (О) и азот(N), представляющие собой внутренний балласт топлива, и, наконец, зола(А) и влага (W), составляющие внешний балласт топлива. Все перечисленные выше элементы, входящие в состав топлива, даются в процентах по весу. Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим, а вещество, составляющее его, - рабочей массой. Элементарный химический состав его выражается следующим образом:

C p + H p + O p + N p + S p + A p + W p =100%

Минеральные примеси и влажность одного и того же сорта топлива в разных районах его месторождения и различных местах могут быть разными, а также могут изменяться при транспортировке и хранении. Более постоянным является состав горючей массы топлива. Имея в виду это обстоятельство, для сравнительной теплотехнической оценки различных сортов топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической массы, составляющие которых, выраженные в процентах, обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но соответственно с индексами «с», «г» и «о» вместо индекса рабочей массы, «р».

Влага . Содержание влаги в твердых топливах колеблется в значительных пределах – от 5% до 60%.Влажность жидких и газообразных топлив невелика. Влагу топлива делят на внешнюю (механическую) W вн, % , и внутреннюю (гигроскопическую) W гр, %.Сумма их составляет рабочую влажность

W р = W вн + W гр, [%]

Внешняя влага удаляется из топлива при его естественной сушке в условиях комнатной температуры. Уменьшение веса топлива прекратится при этом тогда, когда наступит равновесие между давлением водяных паров, находящихся в топливе и парциальным давлением водяных паров, находящихся в окружающем воздухе.

Внутренняя влага удерживается в порах топлива вследствие наличия капиллярных сил и удаляется из него только путем нагревания топлива. В сушильном шкафу до 105 0 С. Содержание внутренней влаги в твердом топливе доходит до 10%. Однако найденная таким образом суммарная влажность оказывается меньше действительно находящейся в топливе влажности, потому что в ряде твердых топлив содержится кристаллизационная или гидратная влага, связанная с некоторыми минеральными составляющими топлива: глиной, силикатами, органическими веществами. Эта влага может быть удалена из топлива лишь при температуре 800 0 С.

Наличие влаги в топливе отрицательно сказывается на его качестве, и, следовательно, на работе котельной установки, так как за счет влаги уменьшается в топливе количество горючих веществ, и, конечно, уменьшается количество теплоты, выделяющейся при его сгорании. Кроме этого, часть тепла идет на испарение влаги, и затем уходит вместе с парами из котельной установки, понижая ее к.п.д. Следует отметить также трудность воспламенения топлива, содержащего влагу, увелечение объема дымовых газов, что в свою очередь повышает расход электроэнергии дымососами. При низких температурах уходящих газов наличие в них водяных паров вызывает опасность конденсации последних и возникновения коррозии металлических поверхностей нагрева и дымовых труб.

Зола. Твердый негорючий остаток, получающийся после завершения преобразований в минеральной части топлива в процессе его горения, называют золой. Выход газифицирующейся части примесей уменьшает массу золы по отношению к исходным минеральным примесям топлива, а некоторые реакции, например, окисление железного колчедана, приводят к его увеличению. Обычно масса золы немного меньше массы минеральных примесей в топливе, лишь в горючих сланцах вследствие разложения содержащихся в них карбонатов золы

получается значительно меньше по сравнению с массой минеральных примесей.

Золы как таковой в исходном топливе нет Она возникает в результате сжигания топлива как сухой остаток. В твердых топливах содержание золы колеблется от 2% до 60%.В жидких и газообразных топливах содержание зольного остатка крайне мало.

Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, попавших в топливо. Зола подразделяется на три вида. Первичная зола попадает в исходный материал –древесину- в виде растворенных солей вместе с почвенной водой и равномерно распределяется в ней. Вторичная зола попадает в топливо также извне с подземными водами или в результате горообразующих процессов, происходивших в доистроические времена. Оба вида этой золы выделить из топлива не удается. Третичная зола представляет собой случайную примесь в виде породы, захваченной при добыче топлива и отделяемой от него в результате обогащения.

В топочной камере при высоких температурах часть золы расплавляется,

образуя раствор минералов, который называется шлаком. Из топки шлаки удаляются в жидком или гранулированном состоянии. Для оценки степени засоренности горючей массы топлива зольность относят к его сухой массе, выражая ее в процентах. Зольность определяется сжиганием предварительно высушенной пробы топлива определенной массы в платиновом тигле и прокаливанием до постоянной массы (твердых топлив при температуре 800±25°С, а жидких топлив - 500°С). Зольность топлива изменяется от долей процента в мазуте и древесине до 40-60% в сланцах.

Зола, образующаяся при сгорании топлива при высоких температурах и кратком времени пребывания в топочной камере, по своему химико-минералогическому составу отличается от золы, образующейся при анализе на зольность сжиганием топлива в лабораторных условиях.

Важными свойствами золы являются ее абразивность и характеристики плавкости. Зола с высокой абразивностью вызывает сильный износ конвективных поверхностей нагрева теплогенераторов.

Плавкость золы определяется нагреванием в специальной печи в полувосстановительной газовой среде трехгранной пирамидки стандартных размеров высотой 13 мм и длиной грани ее основания 6 мм, сделанной из измельченной пробы испытуемой золы (ГОСТ 2057-49).

Различают следующие характеристики плавкости золы:

t 1 - температура начала деформации, при которой пирамидка сгибается или вершина ее закругляется;

t 2 - температура начала размягчения, при которой вершина пирамидки

наклоняется до ее основания или пирамидка превращается в шар;

t 3 - температура начала жидкоплавкого состояния, при которой пирамидка

растекается на подставке;

t 0 - температура начала истинно жидкого состояния, при котором расплав

шлака подчиняется законам Ньютона о течении истинной жидкости.

По характеристикам плавкости золы энергетические угли подразделяются на три группы: с легкоплавкой золой t 3 <1350 °С, с золой средней плавкости

1350< t 3 <1450 °С и с тугоплавкой золой t 3 >1450 °С.

Присутствие золы в топливе существенно понижает его ценность и вызывает трудности в процессе его сжигания. Летучая зола, уносимая в газоходы котлоагрегата истирает и загрязняет поверхности нагрева, ухудшая коэффициент теплопередачи. Выпавшая в котлоагрегатах зола и шлак требуют специальных мероприятий по их удалению.

Углерод . Углерод представляет одну самых существенных составляющих каждого топлива и входит в его состав не свободном состоянии, а виде сложных органических соединений с водородом, кислородом, серой и азотом. При горении чистый углерод выделяет 8130ккал\кг (34,4 МДж/кг) и является главным источником теплотворной способности топлива. Содержание углерода в некоторых твердых топливах достигает 95 %.

Водород . Другой важной составляющей топлива является водород, содержание которого в горючей массе твердых и жидких топлив колеблется от 2 до 10%. Много водорода содержится в природном газе, мазуте и горючих сланцах, меньше всего в антраците. По теплотворной способности водород почти в 4 раза превосходит углерод и его теплота сгорания в водяной пар - составляет 10,8 МДж/м 3 (2579 ккал/м 3).э

Сера . Содержание серы в твердых топливах за исключением сланцев невелико. При сгорании сера выделяет незначительное количество тепла. Сера в топливе содержится в трех разновидностях. Органическая сера S 0 и колчеданная Sк составляют так называемую горючую летучую серу:

S л = S 0 + Sк [%]

Третьей разновидностью серы является сера сульфатная – S а, которая уже окислена и поэтому не может выделять тепла, вследствие чего входит в состав золы топлива в виде минеральных соединений с железом и кальцием. Общее содержание серы в топливе составляет

Sоб = Sл + Sа [%]

Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS_2 - железный колчедан), и входит в минеральную часть топлива. Органическая и колчеданная сера S л _при горении топлива окисляется с выделением тепла. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaS0 4 и FeS0 4 и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сульфатные соединения серы при горении переходят в золу. В горючую массу топлива входят S o и S к, которые при сгорании топлива переходят в газообразные соединения SO 2 , и в небольшом количестве в SO 3 .

Содержание серы в твердых топливах обычно невелико. В нефти сера входит в состав неорганических соединений, в природных газах она практически отсутствует, в попутных газах некоторых нефтяных месторождений содержится немного серы в виде сероводорода H 2 S и сернистого газа SO 2 . Образующийся при горении топлива сернистый газ и особенно сопутствующий ему в небольшом количестве серный газ SO 3 вызывают коррозию металлических частей теплогенераторов и отравляют окружающую местность. Вследствие низкой теплоты сгорания - 9,3 МДж/кг (2220ккал/кг) присутствие серы уменьшает теплоту сгорания топлива. Поэтому сера является вредной и нежелательной примесью топлива.

Азот и кислород относятся к внутреннему балласту топлива. Азот является инертным газом. Содержание его в твердом топливе составляет 1-2% и при сгорании топлива он выделяется в свободном состоянии.

Содержание кислорода в топливе колеблется в широких пределах, достигая 40%. Принято считать что весь кислород в топливе связан с водородом и при сгорании топлива образуют водяные пары. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих в окислившееся состояние и уменьшает его теплоту сгорания. Содержание кислорода велико в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде.

Топливо – это горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах и для обогрева, либо преобразуется в другие виды энергии.

По агрегатному состоянию топлива органического происхождения разделяются на твердые, жидкие и газовые (газообразные).

По происхождению органические топлива делятся на природные (естественные) и искусственные, получаемые различными методами.

Таблица 1.1

Классификация органического топлива

В зависимости от характера использования органическое топливо может быть разделено на энергетическое (для получения тепловой и электрической энергии) и на промышленное (для высокотемпературных теплотехнологических установок и систем). Энергетическое и промышленное топливо определяется также термином “котельно-печное топливо”.

1. Элементарный состав и технические характеристики органического топлива

В состав органического топлива входят различные соединения горючих и негорючих элементов. Твердое и жидкое топливо содержит такие горючие вещества, как углерод C, водородH, летучую серуS л, и негорючие вещества – кислородO, азотN, золуA , влагуW . Летучая сера состоит из органическихS ор и колчеданныхS к соединений:S л =S ор +S к. Органическое топливо характеризуется:

Рабочей массой ;

Сухой массой ;

Горючей массой ;

Органической массой .

Сера органической массы не содержит колчеданную. Можно пересчитать состав топлива с одной массы на другую с помощью соответствующих коэффициентов (табл. 1.2)

Таблица 1.2

Пересчет состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса	Искомая масса
	органическая
Органическая

Газообразное топливо обычно приводится к сухой массе в объемных долях:

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются теплота сгорания, жаропроизводительность, содержание золы и влаги, содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива, выход летучих веществ, свойства кокса (нелетучего остатка).

Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива - количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема (кДж/м 3) топлива. Теплота сгорания является характеристикой, определяющей расход топлива для работы топливоиспользующего оборудования. Различают высшую и низшую теплотворные способности топлива. При проектировании котлов и технологических агрегатов, в которых не используется скрытая теплота конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива, расчеты традиционно ведутся понизшей теплотворной способности топлива.

В тех случаях, когда имеет место использование в агрегатах скрытой теплоты конденсации водяных паров, в расчетах фигурирует высшая теплота сгорания топлива.

Низшую теплоту сгорания топлива можно определить, зная высшую теплоту сгорания

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально в калориметрической бомбе или в газовом калориметре. Принцип работы калориметров основан на том, что в них сжигается точно замеренная масса или объем топлива, выделяющееся тепло которого передается воде, начальная температура и масса которой известны. Зная массу воды, и замеряя повышение ее температуры, определяют количество выделенного тепла и теплоту сгорания топлива. При известном составе топлива теплота его сгорания может быть подсчитана аналитически. Рабочая низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива приближенно может быть определена по формуле Д.И. Менделеева, кДж/кг

где



– теплота сгорания каждого газа, входящего в состав топлива, МДж/м 3 ;C m H n ,H 2 S,CO,H 2 –содержание отдельных газов в топливе, % об.

Теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, приведена в табл. 1.3.

Теплота сгорания различных видов топлива колеблется в очень широких пределах. Для сравнения разных видов топлива при определении норм расхода, запасов, экономии топлива введено понятие об условном топливе. Условным топливом называют топливо, низшая теплота сгорания которого равна Q у.т = 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расхода какого-либо вида натурального топлива в условное и обратно пользуются тепловым эквивалентом, представляющим собой отношение низшей теплоты сгорания рабочей массы натурального топлива к теплоте сгорания условного топлива

.

Требования, предъявляемые к качеству топлива
При применении и хранении к автомобильным бензинам предъявляются следующие требования.
Высокие энергетические и термодинамические характеристики продуктов сгорания. При горении бензина должно выделяться максимальное количество тепла, продукты сгорания должны иметь малую молекулярную массу, небольшие теплоёмкость и теплопроводность, высокое значение произведения удельной газовой постоянной на температуру горения (RT). Высокое значение RT желательно получить за счёт увеличения Т.
Хорошая прокачиваемость. Бензины должны надёжно прокачиваться по топливной системе машин, трубопроводам, насосам, системам регулирования и другим агрегатам и коммуникациям при любых условиях окружающей среды - низкой и высокой температурах, различных давлениях, запылённости и влажности.
Оптимальная испаряемость. В условиях хранения и транспортирования испарение должно быть минимальным. При применении в двигателе бензина должны иметь такую испаряемость, чтобы обеспечить надёжное воспламенение и горение топлива с оптимальной скоростью в камерах сгорания двигателей.
Минимальная коррозионная активность . Топлива не должны содержать компоненты, которые разрушают конструкционные материалы двигателя, средства хранения и транспортирования.
Высокая стабильность в условиях хранения и применения. Топлива в течение длительного времени не должны изменять физико-химические и эксплуатационные свойства.
Нетоксичность. Продукты сгорания также должны быть нетоксичными.

Свойства автомобильных бензинов
Бензины - топлива, выкипающие в интервале температур 28-2150С и предназначенные для применения в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением. В зависимости от назначения бензины разделяются на автомобильные и авиационные.
Основными показателями бензина являются детонационная стойкость, давление насыщенных паров, фракционный состав, химическая стабильность и др. Ужесточение в последние годы экологических требований к качеству нефтяных топлив ограничило содержание в бензинах ароматических углеводородов и сернистых соединений.

Детонационная стойкость
Детонация возникает в том случае, если скорость распространения пламени в двигателе достигает 1500-2500 м/с, вместо обычных 20 - 30 м/с. В результате резкого перепада давления возникает детонационная волна, которая нарушает режим работы двигателя, что приводит к перерасходу топлива, уменьшению мощности, перегреву двигателя, к прогару поршней и выхлопных клапанов.

Октановое число (ОЧ)

ОЧ - условный показатель, характеризующий стойкость бензинов к детонации и численно соответствующий детонационной стойкости модельной смеси изооктана и н-гептана.
ОЧ изооктана принято за 100 пунктов, а н-гептана - за 0. Для автомобильных бензинов (кроме А-76) ОЧ измеряется двумя методами: моторным и исследовательским. Октановое число определяется на специальных установках путём сравнения характеристик горения испытуемого топлива и эталонных смесей изооктана с н-гептаном. Испытания проводят в двух режимах: жёстком (частота вращения коленчатого вала 900 об/мин, температура всасываемой смеси 149 0С, переменный угол опережения зажигания) и мягком (600 об/мин, температура всасываемого воздуха 52 0С, угол опережения зажигания 13 град.). Получают соответственно моторное (ОЧМ) и исследовательское ОЧ (ОЧИ). Разности между ОЧМ и ОЧИ называется чувствительностью и характеризует степень пригодности бензина к разным условиям работы двигателя. Среднее арифметическое между ОЧМ и ОЧИ называют октановым индексом и приравнивают к дорожному октановому числу, которое нормируется стандартами некоторых стран (например, США) и указывается на бензоколонках как характеристика продаваемого топлива.
При производстве бензинов смешением фракций различных процессов важное значение имеют так называемые ОЧ смешения (ОЧС), которые отличаются от расчётных значений. ОЧС зависят от природы нефтепродукта, его содержания в смеси и ряда других факторов. У парафиновых углеводородов ОЧС выше действительных на 4 пункта, у ароматических зависимость более сложная. Различие может быть существенным и превышать 20 пунктов. Октановое число смешения важно также учитывать при добавлении в топливо оксигенатов.

Фракционный состав (ФС)

ФС бензинов характеризует испаряемость топлива, от которой зависит запуск двигателя, распределение топлива по цилиндрам двигателя, полнота сгорания, экономичность двигателя. Испаряемость определяется температурой перегонки 10, 50 и 90 % (об.) выкипания фракций бензина. Температура выкипания 10 % бензина характеризует пусковые свойства. При температуре ниже предельных значений в системе питания двигателя могут образовываться паровые пробки, а при более высоких температурах запуск двигателя затруднён. В США пусковые свойства двигателя характеризуют количеством топлива, выкипающем до 70 0С. Температура выкипания 50 % характеризует скорость перехода двигателя с одного режима работы на другой и равномерность распределения бензиновых фракций по цилиндрам. Температура выкипания 90 % фракций и конца кипения влияют на полноту сгорания топлива и его расход, а также на нагарообразование в камере сгорания в цилиндре двигателя. В ГОСТ Р 51105-97, который действует с 01.01.99 г., ФС бензина определяется при температуре выкипания 70, 100 и 180 0С.

Давление насыщенных паров (ДНП)

ДНП даёт дополнительное представление об испаряемости бензина, а также о возможности образования газовых пробок в системе питания двигателя. Чем выше давление насыщенных паров бензина, тем выше его испаряемость. По ФС бензина рассчитывают индекс испаряемости.
Бензины, применяющиеся в летнее время, имеют более низкое ДНП. Для обеспечения необходимых пусковых свойств товарного бензина, в его состав включают лёгкие компоненты: изомеризат, алкилат, бутан, фр. н.к. - 62 0С.

Химическая стабильность (ХС)

В процессе хранения, транспортирования и применения бензинов возможны изменения в их химическом составе, обусловленные реакциями окисления и полимеризации. Окисление приводит к понижению октанового числа бензинов и повышению его склонности к нагарообразованию. Для оценки ХС используют показатели содержания фактических смол, индукционного периода окисления.

Активные сернистые соединения, содержащиеся в бензинах, вызывают сильную коррозию топливной системы и транспортных емкостей; полнота очистки бензинов от этих веществ контролируется анализом на медной пластинке. Неактивные сернистые соединения коррозию не вызывают, но образующиеся при их сгорании газы вызывают быстрый абразивный износ деталей двигателя, снижают мощность, ухудшают экологическую обстановку.
Среди ароматических соединений наиболее опасными для здоровья и жизни человека являются бензол и полициклические. Их токсическое действие объясняется возможностью его окисления в организме. В связи с этим в последних нормативных документах ограничено допустимое содержание серы, бензола и ароматических соединений в бензинах.

Классификация автомобильных бензинов

Существует несколько видов классификации автомобильных бензинов. Основные из них (наиболее часто применяемые): по испаряемости, по фракционному составу, по значению октанового числа.

Классификация по испаряемости

В зависимости от климатического района применения автомобильные бензины подразделяют на пять классов (см. табл. 1.1). Наряду с определением температуры перегонки при заданном объёме предусмотрено и определение объёма испарившегося бензина при заданной температуре. Введён также показатель «индекс испаряемости» (ИИ). ИИ бензина характеризует испаряемость бензина и его склонность к образованию паровых пробок при определённом сочетании давления насыщенных паров и объёма испарившегося бензина при температуре 70 0С. ИИ рассчитывают по формуле:

где ДНП - давление насыщенных паров, кПа; V70 - объём испарившегося бензина при температуре 70 0С, %.

Классификация автомобильных бензинов по испаряемости

Показатель	Класс
	1	2	3	4	5
Давление насыщенных паров, кПа	35-70	45-80	55-90	60-95	80-100
Фракционный состав:
начало кипения, 0 С, не ниже	35	35	не нормируется
10 %, 0 С, не выше	75	70	65	60	55
50 %, 0 С, не выше	120	115	110	105	100
90 %, 0 С, не выше	190	185	180	170	160
конец кипения, 0 С, не выше	215	215	215	215	215
Количество испарившегося бензина, % (об.) при 70 0 С	10-45	15-45	15-47	15-50	15-50
Индекс испаряемости, не более	900	1000	1100	1200	1300

Классификация по фракционному составу

В зависимости от фракционного состава автомобильные бензины разделяют на зимние и летние: для зимнего все температуры выкипания ниже, чем для летнего. Это значительно облегчает запуск двигателей при низких температурах в случае зимних и снижает риск возникновения паровых пробок в тёплое время года в случае летних.

Классификация по октановому числу

В зависимости от октанового числа по исследовательскому методу устанавливают четыре марки бензинов: «Нормаль-80», «Регуляр-92», «Премиум-95» и «Супер-98» (см. табл. 1.2). Бензин «Нормаль-80» предназначен для грузовых автомобилей наряду с бензином АИ-80. Бензин «Регуляр-92» предназначены для эксплуатации автомобилей вместо этилированного А-93. Автомобильные бензины «Премиум-95» и «Супер-98» полностью отвечают европейским требованиям и конкурентоспособны на нефтяном рынке и предназначены в основном для зарубежных автомобилей, эксплуатируемых в России.

Классификация автомобильных бензинов по октановому числу

Метод исследования	Марки
	"Нормаль-80"	"Регуляр-92"	"Премиум-95"	"Супер-98"
Октановое число, не менее:
моторный метод	76,0	83,0	85,0	88,0
исследовательский	80,0	92,0	95,0	98,0

Характеристики автомобильных бензинов. Нормы и требования к их качеству. Средние компоненты состава

Все бензины, вырабатываемые по ГОСТ 2084-77, в зависимости от показателей испаряемости делят на летние и зимние. Зимние бензины предназначены для применения в северных и северо-восточных районах в течение всех сезонов и в остальных районах с 1 октября до 1 апреля. Летние — для применения во всех районах кроме северных и северо-восточных в период с 1 апреля по 1 октября; в южных районах допускается применять летний бензин в течение всех сезонов.

Характеристики автомобильных бензинов

Показатели	АИ-80	АИ-92	АИ-95
Детонационная стойкость: октановое число, не менее:
моторный метод	76	85	85
исследовательский метод		93	95
Массовое содержание свинца, г/дм3, не более	0,013	0,013	0,013
Фракционный состав: температура начала перегонки бензина, °С, не ниже:
летнего	35	35	30
зимнего
10 % бензина перегоняется при температуре, °С, не выше:
летнего	70	70	75
зимнего	55	55	55
50 % бензина перегоняется при температуре, °С, не выше:
летнего	115	115	120
зимнего	100	100	105
90 % бензина перегоняется при температуре, °С, не выше:
летнего	180	180	180
зимнего	160	160	160
Конец кипения бензина, °С, не выше:
летнего	195	205	205
зимнего	185	195	195
Остаток в колбе, %, не более	1,5	1,5	1,5
Остаток и потери, %, не более	4	4	4
Давление насыщенных паров бензина, кПа:
летнего, не более	66,7	66,7	66,7
зимнего	66,7-93,3	66,7-93,3	66,7-93,3
Кислотность, мг КОН/100 см3, не более	1	0,8	2
Индукционный период на месте производства бензина, мин, не менее	1200	1200	900
	0,1	0,1	0,1

Источник: ГОСТ 2084 - 77

Параметры автомобильных бензинов, вырабатываемых по ГОСТ 2084-77, существенно отличаются от принятых международных норм, особенно в части экологических требований. В целях повышения конкурентоспособности российских бензинов и доведения их качества до уровня европейских стандартов разработан ГОСТ Р 51105-97 “Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия”, который вводится в действие с 01.01.99 г. Этот стандарт не заменяет ГОСТ 2084-77, которым предусмотрен выпуск как этилированных, так и неэтилированных бензинов. В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 будут вырабатываться только неэтилированные бензины (максимальное содержание свинца не более 0,01 г/дм3).
Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов и характеристики испаряемости по ГОСТ Р 51105-97 приведены в таблице.

76 82,5 85 88 ОЧ (ИМ), не менее 80 91 95 98 Содержание свинца, г/дм3, не более 0,01 Содержание марганца, мг/дм3, не более 50 18 - - Содержание фактических смол, мг /100 см3, не более 5 Индукционный период бензина, мин, не менее 360 Массовая доля серы, %, не более 0,05 Объемная доля бензола, %, не более 5 Испытание на медной пластине Выдерживает, класс 1 Внешний вид Чистый, прозрачный Плотность при 15 °С, кг/м3 700-750 725-780 725-780 725-780

Дизельное топливо по популярности уступает бензину, но продолжает использоваться в двигателях самых разных типов. При этом обладает множество неоспоримых достоинств перед другими видами топлива. Имеются определенные особенности дизеля. В первую очередь это касается классификации.

Ранее дизельное топливо чаще использовалось для заправки двигателей тракторов, а также аналогичной техники. Причиной тому является более низки расход топлива на каждый мотто-час, потери мощности по сравнению с бензиновыми двигателями незначительные. Ещё одна причина распространенности дизельных моторов – экологическая и пожарная безопасность. Так как взрывы, возгорания газового оборудования происходят на порядок чаще.

Дизельное топливо является продуктом нефтяной промышленности. Появление его стало следствием возникновения необходимости двигателей максимально эффективных и, в то же время, достаточно мощных. Рудольф Дизель, чьим именем называется данный вид топлива, не является первооткрывателем. Двигатель, работающим на солярке, был разработан ещё в 1860 году. Но по ряду причин использование его не имело экономического смысла.

В то же время на рубеже XIX и XX веков германии срочно потребовались моторы, работающие на более дешевом топливе, альтернативном бензину и светильному газу. Решением стало изобретение Рудольфа Дизеля, который доработал ранее уже разработанную другим ученым конструкцию. Изначально дизельный генератор, ставший прообразом современного дизельного двигателя, имел всего 2 цилиндра. В дальнейшем было добавлено ещё 2.

Существует несколько альтернативных названий дизельного топлива. Одно из таковых – солярка. Произошло данное слово от немецкого Solarol – солнечное масло. Ранее именно так и называли утяжеленную фракцию нефти, получаемую в результате переработки. Именно она является первым вариантом топлива этого вида. С течением стандарты, устанавливаемые к дизелю, претерпели серьезные изменения. В каждом стране в XX веке были разработаны собственные стандарты классификации дизельного топлива.

Например, в Советском союзе долгое время действовал ГОСТ 1666-42 и ГОСТ 1666-51. Официальное обозначение дизельного топлива было «соляровое масло». Применялось оно для заправки среднеоборотных двигателей – от 600 до 1000 об/мин. «Солярка» того времени не могла быть использована в быстроходных двигателях, её состав и свойства достаточно существенно отличатся от современно дизельного топлива.

Основные параметры

Все виды дизельного топлива можно разделить на две основные категории:

• для быстроходных двигателей;
• для тихоходных двигателей.

Дистиллятное маловязкое масло подразумевает заливку в двигателя автомобилей. Имеющее более высокую вязкость топливо заливают обычно в различные тихоходные машины. Это трактора, тихоходные речные суда и многое другое.

Важно перед заливкой топлива в конкретную технику убедиться в соответствии его свойств необходимым стандартам. В противном случае камера сгорания будет повреждена, мотор попросту может выйти из строя. Что приведет к необходимости его капитального ремонта.

Существенно различается процесс получения обозначенных выше типов топлива. Дистиллятное включает в себя очищенные соответствующим образом фракции керосинового типа. Применяется прямая перегонка – это позволяет сделать сгорание топлива максимально быстрым. В то же время топливо высокой вязкости включает в себя смесь мазута, а также керосиново-газойлиевых фракций.

В зависимости от различных факторов теплота сгорания топлива обоих типов может варьироваться. В среднем данный показатель составляет приблизительно 42 624 кДж/кг. Существует общий стандарт, которому должно соответствовать все без исключения дизельное топливо на сегодняшний день. Он обозначается как ГОСТ 32511-2013. Обязательным к применению он стал относительно недавно – 01.01.15 г.

Обязательно перед выпуском в продажу проводится отбор дизельного топлива на его пробу. При анализе параметров перечень некоторых характеристик должен находиться в пределах нормы. В противном случае в продажу такого типа топлива выпускать будет попросту недопустимо. К основным моментам относится:

• вязкость, содержание жидкостей;
• воспламеняемость;
• содержание серы.

Вязкость и содержание воды

Исходя из данной характеристики устанавливают два основных вида топлива – зимнее и летнее. Основным параметром, в соответствии с которым осуществляется разделение на классы, является предельная температура фильтруемости, а также температура помутнения и застывания.

Важно помнить, что необходимо выбирать определенный тип солярки для заливки в определенный сезон. Нередки случаи, что использование несоответствующего типа солярки приводило к застыванию её в топливопроводе. Как следствие – имеет место невозможность эксплуатации техники в нормальном режиме.

Возможно использовать летнее дизельное топливо только при температуре более чем -100С. В противном случае будет иметь место не замерзание, но более высокая вязкость. Что приводит к негативным последствиям – проблема в работе двигателя или же невозможность его запуска. В некоторых транспортных средствах используется специальный подогрев для топлива. Это позволяет использовать любой вид солярки вне зависимости от времени года, окружающей температуры.

Ещё одной серьезной проблемой является факт наличия воды в топливе. Так как вода существенно тяжелее солярки, она начинает постепенно скапливаться в нижней части топливного резервуара. Как следствие – возможно образование водяной пробки в топливной системе автомобиля, иной техники. Подобное препятствует нормальной работе двигателя. Именно поэтому установлены основные стандарты касательно кинематической вязкости дизельного топлива. Данный показатель различается для летней/зимней солярки:

• для летнего вида при температуре +200С и более – более 3сСт;
• для зимнего вида – более 1.8 Сст;
• для особой разновидности (арктической) – более 1.5 Сст.

Данный стандарт устанавливается ГОСТ 305-82 от 1982 года. Одним из обязательных условий соответствия данному стандарту является полное отсутствие воды в топливной смеси. Именно за счет этого возможно использование в обозначенных условиях эксплуатации.

Воспламеняемость

Одной из самых важных характеристик является цетановое число. Под данным показателем подразумевают возможность солярки возгораться при возникновении определенных условий в камере сгорания. Стандартым определяются ASTM D613. Для дизельного топлива температура вспышки устанавливается на уровне +7000С, определяется ASTM D93. Температура перегонки для солярки должна опять же укладываться в определенные стандарты – не менее 2000С и не более 3500С.

Количество серы в составе

Одной из самых важных характеристик, на основании которой типы топлива делятся на стандарты Евро 1-5 – это определенное количество серы на единицу объема. Под серой в рассматриваемом случае понимается наличие определенных соединений данного вещества. В перечень учитываемых при определении категорий входит:

• меркаптан;
• тиофен;
• тиофан;
• дисульфид;
• сульфид.

В то же время элементарная сера, обозначенная в таблице Менделеева, как таковая не учитывается при определении стандартов. В соответствии с настоящими наиболее современными стандартами, применяемыми в Штате Калифорния и Европе, количество сернистых соединений на единицу объема не должно превышать 0.001 %. Это составляет приблизительно 10 ppm.

Многие автопроизводители говорят о том, что снижение количества сернистых соединений в солярке приводит к снижению его смазывающих качеств. Что приводит к более быстрому износу двигателя. Но данная позиция не является однозначной. На данный момент времени современная солярка включает дополнительные присадки, которые осуществляют смазку двигателя.

Классификация солярки в СССР

В соответствии с ГОСТ 305-82 солярка в Советском Союзе делилась на 3 основные категории:

• летняя;
• зимняя;
• арктическая.

Под летней понималась солярка, использование которой рекомендовалось при температуре не ниже 00С. Температура вспышки устанавливалась на уровне л-0 или же 2-40. Под зимней понималась солярка, использование которой допускалось вплоть до -200С. В то же время не налагалось каких-либо ограничений на использование такой зимней солярки в летнее время года. Фактически, она являлась универсальной.

Солярка арктического типа – самая дорогая в производстве, использование её допускается при температуре до -500С. Требования к данному типу топлива устанавливаются максимально высокие.

Классификация дизельного топлива по видам

В Европейском союзе ещё с 1993 года используется специальная система стандартов, применяемая к дизельному топливу. Обозначается такой стандарт как EN-590. В соответствии с данным стандартом устанавливаются основные требования к количество содержащейся серы, а также иным характеристикам топлива. Самый первый стандарт обозначался как Евро-1. На данный момент действительным является стандарт Евро-5.

Стандарт этого типа позволяет классифицировать топлива температурным и климатическим зонам использования. Например, Class A-F подразумевает использование при температуре от +5 до -200С. Отдельные критерии существуют для температур отрицательных.

На территории Российской Федерации сразу от советских стандартов классификации решили перейти на европейский. На данный момент действительным является ГОСТ-Р 52369-2005. По своим параметрам он соответствует характеристикам установленным для EN-590.

Распределение осуществляется в зависимости от количество содержащейся серы:

• вид №1 – менее 350 мг/кг;
• вид №2 – менее 50 мг/кг;
• вид №3 – менее 10 мг/кг.

Классификация дизельного топлива по классам

Также осуществляется разделение топлива этого типа на отдельные сорта в зависимости от использования в определенном климате. Главным критерием является предельная температура фильтруемости. Разделение на сорта осуществляется следующим образом:

• СОРТ А – при температуре более +50С;
• СОРТ В – при температуре более 00С;
• СОРТ С – более -50С;
• СОРТ D – более -100С и так далее.

Стандарты в ней устанавливаются максимально жесткие, так как невыполнение их приводит к проблемам с топливной системой при достижении окружающим воздухом достаточно низкой температуры.

Сегодня по классам разбивка осуществляется следующим образом:

• Класс 0 – использование от -200С;
• Класс 1 – от -260С;
• Класс 2 – от -320С;
• Класс 3 – от -380С;
• Класс 4 – от -440С.

Существует специальная маркировка, применяемая на территории Таможенного союза такими странами, как Россия, Беларусь и Казахстан. Прежде, чем приступить к использованию такого топлива, стоит внимательно ознакомиться с требованиями климатического характера в определенном регионе. Использование несоответствующего может привести к серьезным неприятностям. Вплоть до выхода из строя двигателя в некоторых случаях. Подобные ситуации также имеют место.

Итог

На территории Москвы и Московской области относительно недавно перешли на стандарт топлива Евро-5. Именно по этой причине качество как солярки, так и бензина в данном регионе на порядок выше, чем в остальных. Выполнение данных стандартов топлива устанавливаются федеральным законодательством. Именно поэтому все без исключения компании-производители (Лукойл, Башнефть и другие) обязаны соблюдать устанавливаемые требования.

Контроль топлива на соответствие стандартам осуществляется на государственном уровне. При этом существует большое количество самых разных сортов, типов солярки. При наличии таковой возможности стоит заранее ознакомиться с этой информацией.