5.2. Пожарная и взрывная опасность нефтепродуктов

Пожарная опасность топлива определяется его огнеопасностью и взрывоопасностью . Пожарная опасность характеризуется следующими показателями качества: температурой вспышки, температурой воспламенения и самовоспламенения, предельной концентрацией смеси паров топлива с воздухом, в пределах которой смесь взрывоопасна (верхний и нижний пределы).

Температурой вспышки нефтепродукта называется минимальная температура, при нагревании до которой над поверхностью образуются смесь его паров и воздуха, способная вспыхивать при поднесении открытого пламени (например, огня спички). Она зависит от фракционного состава топлива. Эта температура тем ниже, чем больше в топливе низкокипящих углеводородов и выше давление насыщенных паров. В таблице 5.2 представлены температуры вспышек различных топливосмазывающих материалов. Следует отметить, что любой вид жидкого топлива способен гореть, если он превращен из жидкой фазы в газообразную (путем нагрева) и перемешан с воздухом (кислородом).

Бензин – наиболее опасное жидкое топливо в плане пожарной опасности. Его пары могут вспыхнуть от пламени даже при температуре минус 40 о С. По этой причине температура вспышки бензина не регламентируется ГОСТом.

Температура воспламенения (горения) – это минимальная температура топлива, при которой горючая смесь топлива с воздухом вспыхивает от постороннего источника пламени и продолжает гореть вследствие испарения топлива. Температура воспламенения больше температуры вспышки на 5 – 10 °С.

Температура самовоспламенения – это температура, при которой пары нагретого топлива, смешанные с воздухом, воспламеняются самостоятельно без постороннего источника пламени. Примерно можно считать, что температура самовоспламенения для дизельных топлив, бензинов и газов, соответственно, 250 – 300; 400 – 500; 600 – 700 °С.

Температура вспышки и воспламенения характеризуетпожарную опасность топлива, а температура самовоспламенения – способность топливасамостоятельно воспламеняться в цилиндре дизеля и использоваться в качестве топлива.

В стандартахтемпературу вспышки нормируют для ограничения в нефтепродуктах количества фракций с более высоким давлением насыщенных паров. Этот показатель служит в основном для оценки пожарной опасности и потерь на испарение, что весьма важно для правильной организации применения и хранения нефтепродуктов.

Верхний инижний пределы воспламенения газов, паров топлива в воздухе – значения граничных концентраций в области воспламенения. Значения этих пределов используют при расчёте предельно допустимой взрывоопасной концентрации паров топлива и газов в воздухе при работе с применением огня или искрообразующего инструмента.

Таблица 5.2

Температура вспышки нефтепродуктов, 0 С

	Температура вспышки в закрытом тигле		Температура в открытом тигле
Бензин автомобильный Дизельное		Моторное Моторное загущ. Цилиндровое Индустриальное

В таблице 5.3 приведены показатели пожарной и взрывной опасности бензина, дизельного топлива и моторного масла и сжиженного газового топлива.

Таблица 5.3

Показатели пожарной и взрывной опасности нефтепродуктов

Нефтепродукт	Температура самовоспламенения, °С	Температурный предел взрываемости насыщенных паров в воздухе, °С		Объемная доля предела взрываемых паров В воздухе, %
		Верхний	Нижний	Верхнего	Нижнего
Бензины	300 – 480	– 5	– 40		0,75
Дизельное топливо зимнее	240 – 345	120,0	70,0	–	0,61
Масло моторное	340,0	190,0	150,0	–	–
Пары сжиженных газов	–	–	–

В таблице 5.4 приведены физико-химические свойства газообразных топлив, влияющих на взрывную и пожарную опасность (параметры бензина Аи-80 даны для сравнения) .

Таблица 5.4

Параметры газообразных топлив

Параметры	Метан	Этан	Пропан	Бутан	Бензин
1. Молекулярная формула	СН 4	С 2 Н 6	С 3 Н 8	С 4 Н 10	Смесь
2. Относительная плотность газовой фазы по воздуху	0,55	1,05	1,56		3,78
3. Критическое давление (абсолютное), МПа	4, 58	4,88	4,20		–
4. Температура кипения при давлении 100 кПа, °С	Минус	Минус	Минус	Минус	Плюс 35-180
5.Температура самовоспламенения, °С	680–750	508–605	510–580	475–510	470–530
6. Критическая температура, °С	– 82				–
7. Плотность жидкой фазы, кг/м 3 , при 15 °С			580
8. Пределы воспламенения объемные, в %: нижний, Верхний		12,5
9. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий нижнему и верхнему пределу воспламеняемости	0,65	1,82 0,42		1,67	1,18 0,29

По относительной плотности газовой фазы по воздуху можно судить
о местах скопления газов при их утечках и взрывоопасности. Из анализа таблицы 5.4 следует, что при утечке метана он будет уходить вверх, так как легче воздуха, а этан, пропан и бутан будут скапливаться внизу.

Критическая температура представляет собой температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенных паров становятся равными и граница раздела между ними исчезает.

Давление насыщенных паров при критической температуре называетсякритическим давлением .

При температуре выше критической вещество может находиться тольков газообразном состоянии независимо от внешнего давления.

Так, при критической температуре пропана (+97 °С) и бутана (+153 °С) они при небольшом давлении переводятся в жидкое состояние. К примеру, при плюс 20 °С пропан становится жидким при избыточном давлении 0,7 МПа, а бутан – при 0,1 МПа. Поэтому газовая смесь из пропана-бутана хранится в жидком состоянии при давлении до 1,6 МПа при диапазоне температур от плюс 40 до минус 40 °С.

По температуре самовоспламенения судят о возможности воспламенения смеси топлива с воздухом в камере сгорания двигателя. При температуре самовоспламенения топлива более 500 °С его целесообразно применять в двигателях с воспламенением горючей смеси от электрической искры. В газодизельном варианте смесь газа с воздухом можно воспламенить запальной порцией дизельного топлива (15 – 20 мм 3 за цикл).

Пределы воспламенения газов характеризуют граничные значения содержания газа (в процентах по объему) в воздухе, при которых еще возможно воспламенение горючей смеси. На воспламеняемость газовой смеси оказывают влияние температура, давление и турбулентность. Обедненные и обогащенные газовые смеси не воспламеняются.

Нижний предел воспламенения сжатого природного газа в смеси с воздухом составляет 5 % от объема. У пропана он составляет 2,1 %, у бутана – 1,9 %. Таким образом, сжатый природный газ менее взрывоопасен. Для того, чтобы он спровоцировал взрыв, его должно накопиться в 2,5 раза больше, чем сжиженного нефтяного газа.

Знание этих пределов важно как для организации рабочего процесса и регулирования подачи топлива в двигателях, так и для определения взрывной, пожарной опасности концентраций в местах хранения и технического обслуживания автомобилей.

Температурный предел воспламенения – температура вещества, при которой его насыщенные пары, смешанные с воздухом, образуют концентрацию, соответствующую пределам воспламенения.

Взрываемость нефти и нефтепродуктов характеризуется величинами нижнего и верхнего пределов взрываемости.

Нижний предел взрываемости – минимальная концентрация газа и паров топлива в воздухе, при которой возможен взрыв. Ниже данного предела из-за избытка воздуха и недостатка паров нефтепродукта не происходит вспышка смеси.

Верхний предел взрываемости – концентрация газа и паров топлива в воздухе, выше которой смесь не взрывается, а горит (взрыва не происходит).

Значение концентрации паров нефтепродукта с воздухом между нижним и верхним пределами взрываемости называютинтервалом взрываемости. Для некоторых нефтепродуктов интервалы взрываемости составляют: бензин от 0,76 до 8,4 %, керосин от 1,4 до 7,5 %, уайт-спирит от 1,4 до 6,0 %.

Возникновение в топливовоздушной смесивзрывоопасной концентрации тем вероятнее, чем выше давление насыщенных паров и ниже температура начала кипения. Поэтому взрывоопасность бензина намного выше, чем дизельного топлива. Можно считать правилом, что горение в ёмкостях бензина или керосина обязательно сопровождается взрывом.

Если три одинаковых герметичных емкости с равной толщиной стенок частично наполнить дизельным топливом, бензином, газом метаном и бросить в горящий костер, то вначалесамовоспламенится (взорвется) дизельное топливо, затем бензин и газ. Это объясняется тем, что самую низкую температуру самовоспламенения (300 °С) имеет дизельное топливо, затем бензин (450 °С) и далее газ (650 °С). Но при поднесении открытого пламени вначале воспламеняется смесь газа с воздухом, затем пары бензина с воздухом и далее пары дизельного топлива с воздухом.

У углеводородных жидкостей высокое электрическое сопротивление. У бензинов оно составляет 3∙10 9 – 4 ∙10 11 Ом∙м. При трении их частиц между собой о стенки трубопроводов, а также о воздух возникают заряды статического электричества величиной до нескольких десятков киловольт. Для воспламенения паров топлива, смешанного с воздухом, достаточно разряда с энергией 4 – 8 киловольт.

Для защиты от разрядов статического электричества применяют заземление токопроводящих элементов оборудования (4 – 6 Ом) и ограничивают скорость слива или налива. Скорость в начале налива в емкость не должна превышать 1 м/ c , а в процессе наполнения – 5 м/ c .

Нефть и нефтепродукты к потребителям транспортируются по нефтяным и газовым трубопроводам, по воде и суше. По суше нефтепродукты перевозят железнодорожным и автомобильным транспортом. Так как нефтепродукты взрывоопасны и пожароопасны, то их транспортировка производится согласно специальным Правилам.

Контрольные вопросы

1. В чём заключаются экологические свойства топливосмазывающих материалов?

2. Какие токсичные вещества входят в состав отработавших газов?

3. Какие вы знаете показатели пожарной и взрывной опасности нефтепродуктов?

4. Что называют температурой вспышки, горения и самовоспламенения?

5. Как воздействуют топливосмазывающие материалы на окружающую природу и человека?

6. Укажите допустимые значения отравляющих веществ выхлопных газов по Стандарту ЕВРО–5.

7. Почему газ бутан опаснее метана с точки зрения взрывной и пожарной безопасности?

8. ..

Воспламеняемость топлив характеризуется показателями, определяющими возможность возникновения и распространения пламени по топливовоздушной смеси.

Пределы воспламенения топлив выражаются концентрационными и температурными пределами распространения пламени: нижним НКПР и верхним ВКПР.

НКПР - наименьшая концентрация вещества в воздухе при атмосферном давлении, при которой смесь способна воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением пламени на весь объем смеси.

ВПКР - наибольшая концентрация вещества в воздухе при атмосферном давлении, при которой смесь теряет способность воспламеняться от внешнего источника зажигания с последующим распространением пламени.

В зависимости от значений НКПР производства подразделяют на две категории:

А - где применяют вещества, у которых НКПР 10% и менее;

Б - где применяют вещества, у которых НКПР более 10%.

Если НКПР вещества выше 50%, то вещество считают взрывобезопасным.

Температурные пределы воспламенения выражают температурами, ниже и выше которых при заданных условиях насыщенные пары топлива в смеси с воздухом не воспламеняются.

Температура воспламенения - температура, при которой вещество, нагреваемое в стандартных условиях, загорается при поднесении к нему пламени и горит не менее 5 секунд. Температура воспламенения на несколько градусов выше температуры вспышки.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура, при которой вещество в стандартных условиях может воспламениться без открытого пламени.

Топлива с низкой температурой вспышки имеют более высокую температуру самовоспламенения, чем топлива с высокой температурой вспышки.

При воспламенении жидкости открытым пламенем фронт пламени заранее сформирован, для его возникновения требуется меньшая концентрация паров, и она быстрее образуется у легколетучих жидкостей. По этой причине тяжелые углеводороды дизельного топлива самовоспламеняются при более низкой температуре, чем легкие термически стойкие углеводороды бензина.

Таблица 1 - Концентрационные и температурные пределы воспламенения бензинов

Воспламенение и горение топлива представляют собой сложный комплекс физико-химических процессов, связанных с возникновением и распространением реакций окисления топлива кислородом, сопровождающихся интенсивным выделением теплоты и световым излучением.

Воспламенение - начальная стадия процесса горения, возникающая под воздействием высоковольтного электрического разряда в двигателе с принудительным воспламенением.

Горение - последующая за воспламенением стадия превращения топлива, связанная с распространением пламени в пространстве и световым излучением вследствие процессов переноса теплоты и активных химических продуктов окисления.

Горение в ДВС - периодический и циклический процесс, каждый акт которого развивается в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с повышением температуры и накопления активных промежуточных продуктов окисления.

Условия воспламенения и распространения пламени:

• · Топливо должно находиться в газообразном фазовом состоянии;
• · Концентрация топлива в смеси с воздухом должна быть в пределах воспламенения;
• · Скорость накопления теплоты и активных продуктов реакции должна обеспечивать прогрессивное самоускорение реакций.

В поршневых двигателях воспламенение и горение протекают по цепочно-тепловому механизму. При искровом зажигании инициатором цепных реакций являются активные атомы и ионы, которые возникают при электрическом разряде. Развитие химических реакций происходит за счет экзотермических реакций окисления. Выделение тепла увеличивает скорость цепных реакций и рождение новых активных центров.

Распространение пламени из зоны воспламенения в свежие участки ТВС происходит путем диффузии активных центров воспламенения и теплопроводности. Пламя может перемешаться сплошным фронтом, имеющим определенные ширину зоны и скорость, что характерно для гомогенных горючих смесей при ламинарном и слаботурбулентном движении.

Горение может происходить без четко выраженного фронта пламени, распространяться по всему объему горючей смеси и иметь многоочаговый характер воспламенения в различных точках объема смеси. Такое объемное горение характерно для гетерогенных горючих смесей. Различают диффузионное и кинетическое горение, нормальное и детонационное горение.

Скорость горения автомобильных бензинов

Нормальная скорость характеризует горение однородных смесей в узком интервале температур зоны химической реакции, ширина которой мала по сравнению с шириной фронта пламени.

Турбулентная скорость характеризует горение в диффузионной области. Она выше нормальной скорости за счет увеличения скорости смешения топлива с воздухом, улучшения качества распыления и увеличения поверхности испарения жидкого топлива.

Линейная скорость учитывает искривление поверхности фронта пламени. Она возрастает обратно пропорционально соs б угла наклона нормальной скорости к направлению распространения фронта пламени.

Массовая скорость сгорания характеризует процесс сгорания в реальном двигателе при турбулентной скорости распространения пламени. Турбулентность увеличивает скорость горения за счет процессов турбулентной теплопроводности и диффузии, которые увеличивают теплопроводность горючей среды и толщину зоны пламени. Мелкомасштабная турбулентность увеличивает интенсивность переноса тепла и вещества в зоне пламени. При крупномасштабной турбулентности разрушается целостность фронта пламени и появляются отдельные беспорядочно движущиеся объемы невоспламененной и горящей смеси, резко увеличивающие зону горения, и скорость горения в целом. В ламинарном потоке ширина зоны горения составляет доли миллиметра, а при турбулентном горении - десятки и сотни миллиметров.

В камере сгорания скорость горения увеличивают за счет увеличения поверхности фронта пламени, нормальной скорости горения и удельной массы горючей смеси:

U m = S U n с cм / V к, (2)

где S - поверхность фронта пламени, м 2 ;

U n - нормальная скорость распространения пламени, м/с;

с cм - удельная масса горючей смеси, кг/м 3 ;

V к - объем камеры сгорания, м 3 .

Виды и фазы горения автомобильных бензинов

Процесс сгорания в бензиновом двигателе, в зависимости от кинетики предпламенных химических реакций, скорости тепловыделения и распространения пламени может быть нормальным и детонационным.

Нормальное горение сопровождается плавным повышением давления в камере сгорания и относительно невысокой скоростью распространения фронта пламени - 40-50 м/с.

Выделяют три основные фазы горения:

• · начальная - период задержки воспламенения от момента подачи искры до возникновения пламени;
• · основная - от возникновения пламени до максимального давления;
• · завершающая - период догорания горючей смеси в отдельных объемах, образующихся при разрушении фронта пламени.

Основные факторы определяющие скорость нормального распространения пламени: химический состав топлива, начальная температура и давление, состав смеси, турбулентность смеси.

Нормальная скорость распространения пламени уменьшается в следующей последовательности:

алканы < алкены < алкадиены < алкины

С увеличением длины алканов скорость распространения пламени снижается. Нафтеновые углеводороды имеют скорость близкую к алканам. Введение в молекулу углеводорода атома кислорода увеличивает нормальную скорость распространения пламени, а введение азота - снижает. Нормальная скорость горения для бензино-воздушных смесей примерно равна 40-50 м/с. С увеличением температуры нормальная скорость горения существенно возрастает, а давление оказывает несущественное влияние.

Максимальная скорость распространения пламени лежит в обогащенной области б = 0,8-0,95, когда создаются наиболее благоприятные условия для воспламенения и горения.

При дальнейшем обогащении или обеднении смеси скорость распространения пламени снижается. Также присутствие инертных газов и продуктов сгорания сужают область воспламенения горючей смеси.

Турбулентность увеличивает скорость горения за счет возрастания теплопроводности смеси и ширины фронта пламени.

Мелкомасштабная турбулентность увеличивает интенсивность переноса тепла и вещества. Крупномасштабная турбулентность разрушает целостность фронта пламени и образует отдельные беспорядочно движущиеся объемы невоспламененной и горящей смеси, резко увеличивающие ширину зоны горения и массовую скорость горения.

Детонационное горение - процесс химического превращения вещества (сгорания), сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся со скоростью, превышающей скорость звука.

В отличие от нормального сгорания, где распространение пламени обусловлено медленными процессами диффузии, и теплопроводности детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за ее фронтом зоны химического превращении смеси (детонационная волна).

Ударная волна сжимает ТВС, вызывая в ней химические реакции, продукты которых, быстро расширяясь, вызывают взрыв.

Энергия, выделяющаяся в результате химических реакций, поддерживает ударную волну, не давая ей затухнуть. Скорость детонационных волн достигает 1-3 км/с в газовых смесях и 8-9 км/с в конденсированных, а давление при фронте ударной волны составляет 1-5 МПа и 10 ГПа соответственно.

Скорость V гд газовой детонации вычисляют по формуле:

V гд = (2q (г 2 - 1)) 1|2, (3)

где V гд - скорость газовой детонации, м/с;

q - тепловой эффект реакции, Дж/кг;

г - показатель адиабаты.

Детонационное распространение пламени происходит при воспламенении горючей смеси вследствие сжатия ее в ударной волне. Ударная волна, проходя по горючей смеси, вызывает ее нагрев. Степень нагрева смеси зависит от скорости ударной волны, температуры и давления. Если степень сжатия достаточна для воспламенения смеси, то возникает детонационная волна. Детонационная волна представляет собой совместное распространение механической ударной волны с фронтом пламени. Скорость распространения детонационных волн в зависимости от условий составляет 1,2-3,5 км/с. Детонационное сгорание вызвано накоплением нестабильных промежуточных продуктов предпламенного окисления углеводородов и быстрым их сгоранием во фронте ударной волны.

Таблица 2 - Характеристики ударных волн детонации

В результате большой скорости и взрывного характера детонационного сгорания часть топлива и промежуточных продуктов сгорания "разбрасываются" по объему камеры сгорания, перемешиваются с конечными продуктами и не успевают полностью сгореть. Выхлоп становится дымным, экономичность и мощность двигателя падают. Повышается отдача тепла стенкам камеры сгорания и днищу поршня из-за высоких температур в детонационной волне и увеличение теплоотдачи в результате срыва пограничного слоя более холодного газа с поверхности металла. Все это приводит перегреву двигателя и может вызвать местные разрушения камеры сгорания и днища поршня.

Одновременно с перегревом ударные волны при своем многократном отражении от стенок могут механически удалять масляную пленку с поверхности гильзы цилиндра и приводить к увеличению износа цилиндров и колец. Вибрационные нагрузки на поршень могут вызвать повышенный износ шатунных подшипников. При длительной работе двигателя с детонацией даже в тех случаях, когда и не наблюдается аварийных разрушений, ресурс его работы уменьшается в 1,5-3 раза.

Явление детонации вызвано особенностями реакций окисления углеводородов. При окислении углеводородов кислородом воздуха в период подготовки топлива к сгоранию образуются гидроперекиси R-О-О-Н, которые распадаются с выделением свободных радикалов. Свободные радикалы инициируют цепные реакции окисления. После того как рабочая смесь воспламенится от искры, в несгоревшей части смеси возрастает концентрация активных частиц, которые при достижении некоторой предельной концентрации реагируют со скоростью взрыва. Несгоревшая часть топлива мгновенно самовоспламеняется, и происходит детонационное сгорание.

Чем больше скорость образования гидроперекисей в ТВС, тем скорее возникнет взрывное сгорание и нормальное распространение пламени перейдет в детонационное.

Факторы, влияющие на детонационную стойкость бензинов

Зависит от химического состава бензина, а детонационная стойкость углеводородов зависит в свою очередь от химического строения.

Октановое число - показатель детонационной стойкости бензина, численно равный процентному по объему содержанию изооктана в смеси с нормальным гептаном, эквивалентной по своей детонационной стойкости бензину, испытуемому в стандартных условиях. При этом детонационная стойкость изооктана принята за 100 единиц, а н-гептана за 0 единиц. Октановые числа определяют на одноцилиндровых моторных установках в лабораторных условиях на режиме стандартной интенсивности детонации. Разница между ОЧ (ИМ) и ОЧ (ММ) называют "чувствительностью" бензина к детонации.

Сортность - показатель детонационной стойкости авиационного бензина, численно равный сортности такого эталонного топлива, которое при испытании в стандартных условиях имеет с испытуемым топливом одинаковое значение среднего индикаторного давления.

Чем выше показатель сортности, тем выше детонационная стойкость авиационного бензина при работе двигателя на богатой смеси. При маркировке авиационных бензинов в числители дроби указывают ОЧ (ММ), а в знаменателе - сортность на богатой смеси.

Разница между показателями сортности и ОЧ (ММ) показывает степень форсирования двигателя на богатой смеси по мощности до возникновения детонации.

Детонационная стойкость углеводородов нормального строения мала, растет с степенью разветвленности углеводородной цепи и в

ряду классов углеводородов:

парафины < олефины < нафтены < арены

Также важную роль играют конструкционные факторы:

Степень сжатия. С увеличением степени сжатия возрастают температура и давление в цилиндре двигателя, что способствует интенсивному образованию гидроперекисей.

Форма камеры сгорания. Оказывает влияние на возникновение детонации через время, в течение которого пламя свечи может дойти до наиболее отдаленных точек камеры сгорания. Чем больше это время, тем вероятнее образование перекисей и возникновение детонации.

Диаметр цилиндра. С увеличением диметра возрастает длина пути, которую проходит пламя, и, следовательно, повышается возможность образования перекисей и возникновения детонации.

Свечи зажигания влияют на возникновение детонации в случае их перегрева.

Впускной клапан является наиболее горячей деталью в цилиндре (750-800С), и его температура способствует ускоренному образованию перекисей и возникновению детонации.

К эксплуатационным факторам можно отнести:

Состав горючей смеси. Обогащенные смеси (б? 0,9) сгорают с наибольшей скоростью и приводят к максимальному давлению и температуре цикла, что увеличивает скорость предпламенных реакций и вероятность возникновение детонации.

Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения детонация уменьшается, так как при этом время, отводимое на химическую подготовку части топлива, окисляющейся в последнюю очередь.

Нагар на поршне и головке цилиндра увеличивает интенсивность детонации посредством увеличения температуры газов. Теплопроводность нагаров на поршне и головке цилиндра в десятки раз меньше теплопроводности чугуна. Кроме того, отложения нагара уменьшают объем камеры сгорания и повышают степень сжатия, что способствует повышению температуры газов, образованию перекисей и детонации.

Опережение зажигания. Увеличение угла опережения зажигания сдвигает точку максимального давления ближе к ВМТ, что способствует уменьшению задержки самовоспламенения последней части топлива и возрастанию детонации.

Температура охлаждающей жидкости. Повышение ее температуры увеличивает температуру стенок цилиндра, головки и днища поршня, что способствует образованию перекисей и усилению детонации.

Атмосферные условия. Повышение атмосферного давления, температуры сопровождается повышением детонации, а снижение - ее уменьшением. С повышением влажности воздуха, поступающего в двигатель, возрастает количество водяного пара в рабочей смеси, снижается температура, в результате чего снижается интенсивность детонации.

Впрыск воды повышает антидетонационные качества ТВС, пары воды оказывают существенное влияние на скорость сгорания рабочей смеси, температуру и давление рабочего цикла. Антидетонационный эффект воды проявляется в результате охлаждения рабочей смеси, действия водяного пара как инертной среды. Вода снижает тепловые нагрузки и содержание окислов азота в отработавших газах. Распыленная вода в количестве 10% от расхода топлива эквивалентна повышению октанового числа на 2-3 единицы. Непосредственное добавление воды в бензин не дает положительного эффекта, а наоборот ухудшает, топливную экономичность и другие эксплуатационные свойства, особенно антикоррозийные.

На режимах максимальной мощности незначительное уменьшение угла опережения зажигания по сравнению с оптимальным, резко снижает детонацию при относительно небольшом уменьшении мощностных показателей.

Позднее зажигание вызывает уменьшение мощности, перегрев выпускной системы и снижение устойчивости работы двигателя.

В моей предыдущей статье и видео про октановое число и степень сжатия (кстати, рекомендую вам посмотреть и видео внизу), многие мне начали задавать интересный вопрос – «а какой бензин, горит быстрее? Скажем 92 или 95?» Были также не такие распространенные варианты – «какой дольше» или «лучше». Лично мне они показались интересными, и я решил подробно подумать об этом. Как обычно будет и видео версия в конце. Так что читаем – смотрим …

В самом начале хочется сказать — что не всегда быстрое горение бензина, говорит о его качестве! Сейчас скорее наоборот, но не буду раскрывать карты сразу, читайте информацию внизу.

Нормальный фронт воспламенения

У любого бензина, под любой тип топлива есть свой нормальный фронт воспламенения. Обычно он колеблется в районе от 10 до 30 м/с. При правильно подобранном топливе максимально используется весь потенциал механической и тепловой энергии, ДВС работает можно сказать с и его ресурс не снижается.

Фронт воспламенения зависит от различных параметров, таких как: — октановое число (ОЧ), степень сжатия, зажигание (сейчас оно может быть электронное или аналоговое), подача топлива ().

В идеале для каждой конструкции двигателя, подбирается рекомендуемое топливо. Особенно актуально это было на аналоговых карбюраторных моторах (ведь там зажигание не могло автоматически подстраиваться), в отличии он современных «инжекторных» агрегатов, где электроника сама все может вывести, основываясь на различные датчики (детонации, лямбда-зонды и т.д.)

Разрушительное воспламенение

Я про это уже рассказывал, его еще . Если какой-то из параметров не правильно подобран, например мотор рассчитан на 95-й бензин, а вы залили 80-й. Электроника, а именно «датчик детонации» уже не в силах будет справиться с разрушительными процессами внутри.

При детонационных процессах, фронт распространения пламени — около 2000 м/с, что очень много, такие нагрузки просто разрушают ДВС изнутри

Это очень плохо. В нашем случае у нас неправильно подобрано топливо. Просто 80-й бензин, будет быстрее воспламеняться от сжатия, чем 95-й.

Что такое современный бензин?

Современные виды бензинов делаются по другим технологиям, и они не такие как были раньше. Раньше лет так 30 – 50 назад, единственным типом изготовления был только один – метод прямой перегонки. Если ходите это что-то напоминает самогонный аппарат, только вместо «браги», заливалась сырая нефть и первыми выходили легкие фракции – именно бензин. Затем керосин и самая тяжелая фракция – .

От этого метода давно уже отказались, все дело в том, что при таком производстве октановое число получалось всего 50 – 60 единиц. Нужно добавлять много присадок чтобы довести конечный продукт до нужного ОЧ, хотя бы до АИ 76 – 80! ДА и присадки раньше использовались на тетраэтилсвинце и т.д., они очень эффективные, но очень вредные для человека и окружающей среды.

Сейчас все изменилось, метод прямой перегонки практически не используют, НПЗ обновляются и сейчас основной метод это различного рода крекинги – термический, каталитический и т.д. (не будем углубляться, у меня уже есть статья — , кому интересно почитайте).

Здесь суть немного другая тут нефть при помощи давления, температур раскладывают как бы на слои, и самый верхний слой – бензины – сливают. Плюсов таких методах много:

• Это большее ОЧ – примерно 80 – 85 единиц. А в идеале нужно вообще избавиться от присадок
• С литра нефти получается больше бензина

НО 80 – 85 единиц для современного мотора ОЧЕНЬ МАЛО! Нужно как минимум .

НО присадки, которые использовались раньше – СЕЙЧАС ЗАПРЕЩЕНЫ! Опять же если не сильно углубляться на данный момент разрешенными считаются только ЭФИРЫ и СПИРТЫ . Именно они практически не наносят окружающей среде и человеку вреда (такие нормы нам рекомендуются через стандарты «ЕВРО»).

НО спирты и эфиры имея высокое ОЧ (примерно 113 — 130), горят не так быстро как хотелось бы! Вот мы и подходим к самому интересному

От чего зависит скорость горения бензина?

Думаем логически – он присадок, чем больше их в бензине, тем медленнее, но дольше горит конечный продукт!

Простыми словами если взять 92-й он зажигается быстрее, но быстро прогорает . Его воспламенения похоже на вспышку.

Если взять 95-й он зажигается медленнее, но горит дольше .

98-й зажигается еще медленнее , но горит еще дольше

НУ и с 100-м вы меня поняли .

Каким образом достигается больше мощности и экономии топлива при бензинах высокого октанового числа?

ДА все просто – чем дольше горит бензин, тем дольше он толкает поршень, вот вам — экономия топлива и увеличение мощности. То есть 92-й прогорает быстрее, толкает поршень меньше. 95-й прогорает медленнее, толкает дольше. 98-й еще дольше и т.д.

Конечно, не стоит ждать ГЛОБАЛЬНОГО прироста мощности, тут скорее всего дело в погрешности 2 – 5%. Которые вы можете и не ощутить. Ведь октановое число напрямую зависит от добавленного в бензин количества присадок, а вот разница между 92 и 95 всего 3%! Как вы считаете много это или мало?

Сейчас видео версия смотрим

НУ и в заключение спрашивают — какой бензин горит лучше? Этот вопрос (как я считаю) риторический, конечно тот который воспламеняется не так резко, горит дольше и толкает поршень лучше, то есть высокооктановые варианты! НО, не всегда можно его лить в свой авто, банально не рассчитан (скажем карбюратор или моновпрыск), тогда могут прогореть клапана. А вот если у вас современный авто, тогда эффект будет заметен, причем сразу. ДА и на лючках бензобаков, современных авто зачастую пишут — «не менее 92-го и более», что говорит о том что можно использовать почти все типы современных бензинов.

НА этом заканчиваю, думаю мои статья и видео были вам полезны. Искренне ваш АВТОБЛОГГЕР.

Горение топлива - это процесс окисления горючих компонентов, происходящий при высоких температурах и сопровождающийся выделением тепла. Характер горения определяется множеством факторов, в том числе способом сжигания, конструкцией топки, концентрацией кислорода и т. д. Но условия протекания, продолжительность и конечные результаты топочных процессов в значительной мере зависят от состава, физических и химических характеристик топлива.

Состав топлива

К твердому топливу относят каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесину. Эти виды топлив представляют собой сложные органические соединения, образованные в основном пятью элементами - углеродом С, водородом Н, кислородом О, серой S и азотом N. В состав топлива также входит влага и негорючие минеральные вещества, которые после сгорания образуют золу. Влага и зола - это внешний балласт топлива, а кислород и азот - внутренний.

Основным элементом горючей части является углерод, он обуславливает выделение наибольшего количества тепла. Однако, чем больше доля углерода в составе твердого топлива, тем труднее оно воспламеняется. Водород при сгорании выделяет в 4,4 раза больше тепла, чем углерод, но его доля в составе твердых топлив невелика. Кислород, не будучи теплообразующим элементом и связывая водород и углерод, снижает теплоту сгорания, поэтому является элементом нежелательным. Особенно велико его содержание в торфе и древесине. Количество азота в твердом топливе небольшое, но он способен образовывать вредные для окружающей среды и человека оксиды. Также вредной примесью является сера, она выделяет мало теплоты, но образующиеся оксиды приводят к коррозии металла котлов и загрязнению атмосферы.

Технические характеристики топлива и их влияние на процесс горения

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса), зольность и влагосодержание.

Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания - это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема топлива (кДж/м3). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. В высшую входит тепло, выделяемое при конденсации паров, которые содержатся в продуктах сгорания. При сжигании топлива в топках котлов уходящие дымовые газы имеют температуру, при которой влага находится в парообразном состоянии. Поэтому в этом случае применяют низшую теплоту сгорания, которая не учитывает теплоту конденсации водяных паров.

Состав и низшая теплота сгорания всех известных месторождений угля определены и приводятся в расчетных характеристиках.

Выход летучих веществ

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха под воздействием высокой температуры сначала выделяются водяные пары, а затем происходит термическое разложение молекул с выделением газообразных веществ, получивших название летучих веществ.

Выход летучих веществ может происходить в интервале температур от 160 до 1100 °С, но в среднем - в области температур 400-800 °С. Температура начала выхода летучих, количество и состав газообразных продуктов зависят от химического состава топлива. Чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения.

Летучие вещества обеспечивают более раннее воспламенение твердой частицы и оказывают значительное влияние на горение топлива. Молодые по возрасту топлива - торф, бурый уголь - легко загораются, сгорают быстро и практически полностью. Наоборот, топливо с низким выходом летучих, например, антрацит, загорается труднее, горит намного медленнее и сгорает не полностью (с повышенной потерей тепла).

Свойства нелетучего остатка (кокса)

Твердая часть топлива, оставшаяся после выхода летучих, состоящая в основном из углерода и минеральной части, называется коксом. Коксовый остаток может быть в зависимости от свойств органических соединений, входящих в горючую массу: спекшимся, слабоспекшимся (разрушающимся при воздействии), порошкообразным. Антрацит, торф, бурые угли дают порошкообразный нелетучий остаток. Большинство каменных углей спекается, но не всегда сильно. Слипшийся или порошкообразный нелетучий остаток дают каменные угли с очень большим выходом летучих (42-45%) и с очень малым выходом (менее 17%).

Структура коксового остатка важна при сжигании угля в топках на колосниковых решетках. При факельном сжигании в энергетических котлах характеристика кокса не имеет большого значения.

Зольность

Твердое топливо содержит наибольшее количество негорючих минеральных примесей. Это прежде всего глина, силикаты, железный колчедан, но также могут входить закись железа, сульфаты, карбонаты и силикаты железа, оксиды различных металлов, хлориды, щелочи и т.д. Большая часть их попадает при добыче в виде пород, между которыми залегают пласты угля, но присутствуют и минеральные вещества, перешедшие в топливо из углеобразователей или в процессе преобразования его исходной массы.

При сжигании топлива минеральные примеси претерпевают ряд реакций, в результате которых образуется твердый негорючий остаток, называемый золой. Вес и состав золы не идентичны весу и составу минеральных примесей топлива.

Свойства золы играют большую роль в организации работы котла и топки. Ее частички, уносимые продуктами сгорания, при высоких скоростях истирают поверхности нагрева, а при малых скоростях отлагаются на них, что ведет к ухудшению теплопередачи. Зола, уносимая в дымовую трубу, способна нанести вред окружающей среде, во избежание этого требуется установка золоуловителей.

Важным свойством золы является ее плавкость, различают тугоплавкую (выше 1425 °С), среднеплавкую (1200-1425 °С) и легкоплавкую (менее 1200 °С) золу. Зола, прошедшая стадию плавления и превратившаяся в спекшуюся или сплавленную массу, называется шлаком. Температурная характеристика плавкости золы имеет большое значение для обеспечения надежной работы топки и поверхностей котла, правильный выбор температуры газов около этих поверхностей позволит исключить шлакование.

Влага - нежелательная составляющая топлива, она наряду с минеральными примесями является балластом и уменьшает содержание горючей части. Помимо этого, она снижает тепловую ценность, так как дополнительно требуются затраты энергии на ее испарение.

Влага в топливе может быть внутренней и внешней. Внешняя влага содержится в капиллярах или удерживается на поверхности. С химическим возрастом количество капиллярной влаги сокращается. Поверхностной влаги тем больше, чем меньше куски топлива. Внутренняя влага входит в органическое вещество.

Способы сжигания топлива в зависимости от вида топки

Основные виды топочных устройств:

• слоевые,
• камерные.

Слоевые топки предназначены для сжигания крупнокускового твердого топлива. Они могут быть с плотным и кипящим слоем. При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не влияя на его устойчивость, то есть сила тяжести горящих частиц превышает динамический напор воздуха. При сжигании в кипящем слое благодаря повышенной скорости воздуха частицы переходят в состояние "кипения". При этом происходит активное перемешивание окислителя и топлива, благодаря чему интенсифицируется горение топлива.

В камерных топках сжигают твердое пылевидное топливо, а также жидкое и газообразное. Камерные топки подразделяются на циклонные и факельные. При факельном сжигании частицы угля должны быть не более 100 мкм, они сгорают в объеме топочной камеры. Циклонное сжигание допускает больший размер частиц, под влиянием центробежных сил они отбрасываются на стенки топки и полностью выгорают в закрученном потоке в зоне высоких температур.

Горение топлива. Основные стадии процесса

В процессе горения твердого топлива можно выделить определенные стадии: подогрев и испарение влаги, возгонка летучих и образование коксового остатка, горение летучих и кокса, образование шлака. Такое деление процесса горения относительно условно, так как хотя эти этапы протекают последовательно, частично они налагаются друг на друга. Так, возгонка летучих веществ начинается до окончательного испарения всей влаги, образование летучих идет одновременно с процессом их горения, так же как и начало окисления коксового остатка предшествует окончанию горения летучих, а дожигание кокса может идти и после образования шлака.

Время течения каждой стадии процесса горения в значительной мере определяется свойствами топлива. Дольше всего длится стадия горения кокса, даже у топлив с большим выходом летучих. Существенное влияние на продолжительность стадий процесса горения оказывают разнообразные режимные факторы и конструктивные особенности топки.

1. Подготовка топлива до воспламенения

Топливо, поступающее в топку, подвергается нагреванию, в результате чего при наличии влаги происходит ее испарение и подсушка топлива. Время, необходимое на подогрев и подсушку, зависит от количества влаги и температуры, с которой топливо подается в топочное устройство. Для топлив с большим содержанием влаги (торф, влажные бурые угли) стадия прогрева и подсушивания сравнительна продолжительна.

В слоевые топки топливо подают с температурой, приближенной к окружающей среде. Только в зимнее время в случае смерзания угля его температура ниже, чем в котельном помещении. Для сжигания в факельных и вихревых топках топливо подвергают дроблению и размолу, сопровождаемому сушкой горячим воздухом или дымовыми газами. Чем выше температура поступающего топлива, тем меньше времени и тепла необходимо на подогрев его до температуры воспламенения.

Подсушка топлива в топке происходит за счет двух источников тепла: конвективного тепла продуктов сгорания и лучистого тепла факела, обмуровки, шлака.

В камерных топках подогрев осуществляется преимущественно за счет первого источника, то есть подмешивания к топливу продуктов сгорания в месте его ввода. Поэтому одно из важных требований, предъявляемых к конструкции устройств для ввода топлива в топку, - обеспечение интенсивного подсоса продуктов сгорания. Уменьшению времени нагрева и подсушки также способствует более высокая температура в топке. С этой целью при сжигании топлив с началом выхода летучих при высоких температурах (более 400 °С) в камерных топках делают зажигательные пояса, то есть закрывают экранные трубы огнеупорным теплоизоляционным материалом, чтобы снизить их тепловосприятие.

При сжигании топлива в слое роль каждого вида источников тепла определяется конструкцией топки. В топках с цепными решетками нагревание и подсушка осуществляются преимущественно лучистым теплом факела. В топках с неподвижной решеткой и подачей топлива сверху подогрев и подсушивание происходят за счет движущихся через слой снизу вверх продуктов сгорания.

В процессе нагревания при температуре выше 110 °С начинается термическое разложение органических веществ, входящих в состав топлив. Наименее прочными являются те соединения, которые содержат значительное количество кислорода. Эти соединения распадаются при сравнительно невысоких температурах с образованием летучих веществ и твердого остатка, состоящего преимущественно из углерода.

Молодые по химическому составу топлива, содержащие много кислорода, имеют низкую температуру начала выхода газообразных веществ и дают их больший процент. Топлива с малым содержанием соединений кислорода имеют небольшой выход летучих и более высокую температуру их воспламенения.

Содержание в твердом топливе молекул, которые легко подвергаются разложению при нагревании, оказывает влияние и на реакционную способность нелетучего остатка. Сначала разложение горючей массы происходит преимущественно на наружной поверхности топлива. По мере дальнейшего прогревания пирогенетические реакции начинают происходить и внутри частиц топлива, в них повышается давление и внешняя оболочка разрывается. При сжигании топлив с большим выходом летучих коксовый остаток становится пористым и имеет большую поверхность по сравнению с плотным твердым остатком.

2. Процесс горения газообразных соединений и кокса

Собственно горение топлива начинается с воспламенения летучих веществ. В период подготовки топлива происходят разветвленные цепные реакции окисления газообразных веществ, сначала эти реакции протекают с малыми скоростями. Выделяющееся тепло воспринимается поверхностями топки и частично накапливается в виде энергии движущихся молекул. Последнее приводит к возрастанию скорости цепных реакций. При определенной температуре реакции окисления идут с такой скоростью, что выделяющееся тепло полностью покрывает теплопоглощение. Эта температура является температурой воспламенения.

Температура воспламенения не является константой, она зависит как от свойств топлива, так и от условий в зоне воспламенения, в среднем составляет 400-600 °С. После воспламенения газообразной смеси дальнейшее самоускорение реакций окисления вызывает повышение температуры. Для поддержания горения необходим непрерывный подвод окислителя и горючих веществ.

Воспламенение газообразных веществ приводит к окутыванию коксовой частицы огневой оболочкой. Горение кокса начинается, когда к концу подходит горение летучих. Твердая частица прогревается до высокой температуры, и по мере уменьшения количества летучих веществ снижается толщина пограничного горящего слоя, кислород достигает раскаленной поверхности углерода.

Горение кокса начинается при температуре 1000 °С и является самым длительным процессом. Причина в том, что, во-первых, снижается концентрация кислорода, во-вторых, гетерогенные реакции протекают более медленно, чем гомогенные. В итоге длительность горения частицы твердого топлива определяется в основном временем горения коксового остатка (около 2/3 общего времени). Для топлив с большим выходом летучих, твердый остаток составляет менее ½ начальной массы частицы, поэтому их сжигание происходит быстро и возможность недожога невысока. Химически старые топлива имеют плотную частицу, горение которой занимает почти все время нахождения в топке.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для некоторых видов - целиком состоит из углерода. Горение твердого углерода происходит с образованием окиси углерода и углекислого газа.

Оптимальные условия для тепловыделения

Создание оптимальных условий для процесса горения углерода - основа правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив в котельных агрегатах. На достижение наибольшего тепловыделения в топке могут оказывать влияние следующие факторы: температура, избыток воздуха, первичное и вторичное смесеобразование.

Температура . Тепловыделение при сжигании топлива существенно зависит от температурного режима топки. При относительно низких температурах в ядре факела имеет место неполнота сгорания горючих веществ, в продуктах сгорания остаются окись углерода, водород, углеводороды. При температурах от 1000 до 1800-2000 °С достижимо полное сгорание топлива.

Избыток воздуха . Удельное тепловыделение достигает максимального значения при полном сгорании и коэффициенте избытка воздуха, равном единице. С уменьшением коэффициента избытка воздуха выделение тепла падает, так как недостаток кислорода приводит к окислению меньшего количества топлива. Понижается температурный уровень, снижаются скорости реакций, что приводит к резкому уменьшению тепловыделения.

Повышение коэффициента избытка воздуха больше единицы снижает тепловыделение еще сильнее, чем недостаток воздуха. В реальных условиях сжигания топлива в топках котлов предельные значения тепловыделения не достигаются, так как присутствует неполнота сгорания. Она во многом зависит от того, как организованы процессы смесеобразования.

Процессы смесеобразования . В камерных топках первичное смесеобразование достигается подсушкой и перемешиванием топлива с воздухом, подачей в зону подготовки части воздуха (первичного), созданием широко раскрытого факела с широкой поверхностью и высокой турбулизацией, применением подогретого воздуха.

В слоевых топках задача первичного смесеобразования состоит в том, чтобы подавать необходимое количество воздуха в разные зоны горения на решетке.

С целью обеспечения догорания газообразных продуктов неполного горения и кокса организуют процессы вторичного смесеобразования. Этим процессам способствуют: подача вторичного воздуха с высокой скоростью, создание такой аэродинамики, при которой достигается равномерное заполнение факелом всей топки и, следовательно, вырастает время пребывания газов и коксовых частичек в топке.

3. Образование шлака

В процессе окисления горючей массы твердого топлива происходят значительные изменения и минеральных примесей. Легкоплавкие вещества и сплавы с низкой температурой плавления растворяют тугоплавкие соединения.

Обязательным условием нормальной работы котлоагрегатов является бесперебойный отвод продуктов сгорания и образующегося шлака.

При слоевом сжигании шлакообразование может приводить к механическому недожогу - минеральные примеси обволакивают недогоревшие частиц кокса либо вязкий шлак может перекрывать воздушные проходы, преграждая доступ кислорода к горящему коксу. Для снижения недожога применяют различные мероприятия - в топках с цепными решетками увеличивают время нахождения шлака на решетке, производят частую шуровку.

В слоевых топках вывод шлака производится в сухом виде. В камерных топках шлакоудаление может быть сухим и жидким.

Таким образом, горение топлива является сложным физико-химическим процессом, на который оказывает воздействие большое количество различных факторов, но все они должны быть учтены при проектировании котлов и топочных устройств.