Файл: Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие.pdf

1 кг жидкого или твердого топлива. Если расход воздуха определять-не в кг, а в м3, то в формуле (19) знаменатель нужно умножить на 1,293 (масса 1 м3 воздуха), т. е.

Достичь полного сгорания топлива с теоретически не­ обходимым количеством воздуха можно только при идеаль­ ном смесеобразовании, когда каждая молекула подавае­ мого кислорода воздуха будет вступать в реакцию с каж­ дой молекулой сжигаемого топлива. В реальных условиях воздуха подается несколько больше, это будет действи­ тельно израсходованное количество (Ьдейств).

Отношение действительно израсходованного количе­ ства воздуха к теоретически необходимому носит название коэффициента избытка воздуха (а), т. е.

В производственных условиях обычно не измеряют £ действ (хотя это можно сделать с помощью различных счетчи­ ков, диафрагм, сопл), а отбирают пробу продуктов сгора­ ния, исследуют ее и определяют а.

§ 6. Исследование продуктов сгорания

Качество горения контролируется по анализу продук­ тов сгорания. Для этой цели существуют различные газо­ анализаторы: химические, электрические, магнитные, меха­ нические. Более точны химические, более удобны автомати­ ческие, электрические. Наиболее широко распространены простейшие химические газоанализаторы, которые поз­ воляют в исследуемой пробе определить содержание угле­ кислого газа, кислорода и окиси углерода. Схема такого газоанализатора дана на рисунке 16. Градуированная бю­ ретка 9 емкостью 100 мл соединяется с тремя поглотитель­ ными сосудами 4, 5 ж6 при помощи гребенки 7. На гре­ бенке имеются три трехходовых крана 3, а также треххо­ довой кран 1, с помощью которого бюретка сообщается с воздухом и исследуемым газом. Трехходовые краны 3 соеди­ няют бюретку с сосудами, в которых находятся растворы, поглощающие отдельные компоненты исследуемого газа. Поставив трехходовые краны в положение, показанное на рисунке 16, бюретку соединяют с окружающим воздухом.

55

Рис. 1G. Схема газоанализатора:

1 , 3 — трехходовые краны; 2 , 8 — метки; 4 , 6 , 6 — поглотительные сосуды;

Уровень газа и жидкости в бюретке 9 изменяют с по­ мощью уравнительного сосуда 11, наполненного подкра­ шенной водой. Бюретка помещена в стеклянный кожух 10 с водой. Каждый из поглотительных сосудов состоит из двух сообщающихся емкостей. Первая заканчивается капиллярной трубкой, на которой имеется метка. Стек­ лянные трубки 12 внутри емкости служат для увеличения поверхности поглощения. Перед началом опыта растворы в поглотительных сосудах поднимают до меток 2, а бюретку заполняют водой до метки 8.

В первом от бюретки поглотительном сосуде 6 находит­ ся раствор едкого калия (КОН), который поглощает угле­ кислый газ (С02) — продукт полного сгорания углерода топлива. Второй сосуд 5 заполнен щелочным раствором пирогаллола С6Н3 (ОН)3 для растворения кислорода. Этот раствор поглощает и углекислый газ, поэтому при иссле­ довании необходимо, чтобы произошло полное удаление СО2 в первом сосуде, и только затем проводят поглощение кислорода. В сосуде 4 находится аммиачный раствор одно­ хлористой меди (CuCl) для поглощения окиси углерода (СО) — продукта неполного сгорания топлива. Этот ра­ створ также задерживает С02 и 0 2, поэтому поглощение осуществляют последовательно.

56

Подготовка прибора к исследованию. Чтобы довести растворы в поглотительных сосудах до меток, нужно за­ полнить бюретку водой и проверить герметичность (т. е. устойчивость всех уровней). Для доведения растворов до меток краны 1 и 3 ставят так, как указано на рисунке 16, т. е. бюретку сообщают с атмосферой. Затем, медленно поднимая уравнительный сосуд 11, заполняют бюретку водой и, поворачивая край 1 на 180°, закрывают. Повора­ чивают кран 3 к поглотительному сосуду 6 на 90° и сооб­ щают сосуд с бюреткой. Очень медленно опускают склян­ ку 11, при этом в бюретке будет создаваться вакуум, а раствор в поглотителе будет подниматься вверх. Осто­ рожно доводят раствор до метки 2 и поворачивают кран 3 на 90°, т. е. возвращают его в первоначальное положение. Так же доводят растворы до меток в двух других сосудах. Сообщив кран 1 с атмосферой и вытеснив весь газ из бюрет­ ки водой, доводят ее уровень до метки 8 и закрывают кран.

Подготовив прибор и убедившись в его герметичности, приступают к проверке работы прибора. Для этого прово­ дят анализ воздуха. Известно, что в воздухе по объему сумма кислорода и углекислого газа составляет 21%, а остальное азот (причем С02 только сотые, реже десятые доли процента). Если такие результаты будут получены при анализе лабораторного воздуха, то прибор пригоден для дальнейшей работы.

А н а л и з в о з д у х а . Повернув крап 1 на 180°, сообщают прибор с атмосферой, медленно опускают склян­ ку 11 и забирают воздух в бюретку. Устанавливают уровни воды в бюретке и склянке на одной высоте, а нижний ме­ ниск на цифре 0 и быстро закрывают кран 1 (поворачивая на 180°); в таком положении в бюретке будет 100 мл воз­ духа.

Взятую пробу воздуха медленно переводят в поглоти­ тельный сосуд 6 с щелочью и обратно в бюретку, делают та­ кие перекачивания 5—6 раз, доводят раствор щелочи до метки, закрывают кран 3 и смотрят, изменился ли объем в бюретке (максимально уровень воды может измениться на 0,1—0,2%). Проверив содержание С02, приступают к поглощению кислорода. Открывают кран 3 па втором со­ суде 5 и перекачивают воздух в этот поглотитель и обрат­ но. Кислорода в воздухе много, поэтому на полное погло­ щение потребуется 4—5 мин. После поглощения раствор пирогаллола доводят до метки, закрывают кран и обяза­ тельно устанавливают уровни воды в бюретке и склянке.

57

Количество поглощенного кислорода отсчитывают по делениям на бюретке. Записав показания, делают кон­ трольное перекачивание. При правильной работе прибора и хорошем растворе уровень воды в бюретке должен под­ няться на 21 деление, что соответствует 21%.

Если кислород поглощается очень медленно или его поглотилось меньше 21 %, то раствор пирогаллола нужно заменить, а если больше 21%, то исследуемый воздух где-то сообщается с атмосферой; нужно найти неисправ­ ность и устранить ее.

Окиси углерода в воздухе нет, поэтому достаточно сде­ лать 2—3 перекачки воздуха через сосуд 4, уровень воды в бюретке изменяться не должен. Проверив правильность работы прибора, приступают к исследованию продуктов сгорания топлива.

А н а л и з п р о д у к т о в с г о р а н и я . Незави­ симо от вида топлива и типа установки, где оно сжигается, продуктами полного сгорания будут углекислый газ, пары воды и окислы серы, а при неполном сгорании — угарный газ и др.

Для сжигания целесообразно использовать небольшие одноцилиндровые бензиновые или дизельные двигатели, так как в этом случае продукты сгорания можно отбирать при различных режимах работы двигателя и следить за изменением коэффициента избытка воздуха а. Если нет двигателя, можно использовать примус от калориметриче­ ской установки. Продукты сгорания вначале собирают в газометры, газовые бюретки, аспираторы или другие емко­ сти, и уже из них газ поступает на анализ. Установка для исследования продуктов сгорания показана на рисун­ ке 17.

Заведя двигатель 4 и установив заданный режим, при­ ступают к отбору пробы газа. Из выхлопной трубы двига­ теля газ по шлангу 3 поступает в аспиратор 1, заполнен­ ный насыщенным раствором поваренной соли. Первая бу­ тыль аспиратора заполняется продуктами сгорания топли­ ва, а раствор соли вытесняется ими во вторую бутыль. Аспи­ ратор с помощью трехходового крана и толстостенных ка­ учуковых трубок соединяется с газоанализатором. Прежде чем приступить к анализу, нужно промыть установку, т. е. все вредные пространства — каучуковые и стеклянные трубки — заполнить исследуемым газом. Для этого не­ сколько раз забирают в бюретку газ из аспиратора и через кран 2 выпускают его в окружающую атмосферу. Подго-

58

ограниченным уровнем, установившимся после поглоще­ ния СО, и суммарным объемом С02 и 0 2.

Содержание азота (N2) % в продуктах сгорания под­ считывают по разности:

N2 = 100 —(С02 + 0 2 + СО).

Выполнив анализ, подсчитывают коэффициент избыт­ ка воздуха по одной из следующих формул:

(22,а)

21 — 2 i. 79 ’

N2

где 0 2, СО, N2 — содержание кислорода, окиси углерода и азота в продуктах сгорания, %.

Если в продуктах сгорания содержится СО, то поль­ зуются формулой (22), а если окиси углерода нет, то фор­ мулой (22,а).

§ 7. Теплота сгорания горючей смеси

Горючая смесь в двигателях внутреннего сгорания со­ стоит из смеси топлива с воздухом. Количество тепла, выделяемое 1 кг горючей смеси, зависит от теплоты сгора­ ния топлива и объема воздуха (физическое тепло, вносимое с воздухом, не учитывается). Чем больше тепла выделяет­ ся при сгорании топлива, тем меньше его расходуется на единицу работы, следовательно, объем топливных баков при выполнении одного и того же объема работ может быть снижен; реже придется заправлять машины и т. д.

Не любая смесь паров топлива с воздухом может вос­ пламеняться и сгорать в двигателе. Различают высший и низший пределы воспламеняемости топливовоздушных сме­ сей. Высший предел воспламеняемости будет при таком содержании топлива в воздухе, когда дальнейшее обога­ щение смеси топливом делает ее невоспламеняемой. Низ­ ший предел воспламеняемости будет при недостатке топли­ ва в воздухе, если дальнейшее обеднение смеси делает ее невоспламеняемой. Например, высший предел воспламе­ няемости бензинов будет при а —0,45—0,5, а низший —

60

при 06-^1,35 1,4. При возрастании температуры и дав­

ления пределы воспламеняемости несколько увеличива­ ются.

В таблице 3 приведены пределы воспламеняемости не­

которых видов горючих веществ в воздухе при нормаль­ ном давлении.

водород. Пределы воспламеняемости бензинов, керосинов, реактивных и дизельных топлив между собой отличаются незначительно, разница между верхним и нижним преде­ лом воспламеняемости здесь невелика, топлива горят и взрывоопасны лишь при невысоких концентрациях паров горючего в воздухе. Из жидких топлив, используемых в сельском хозяйстве, наиболее легко воспламеняются и взрываются бензины.

Работа двигателей на смесях, близких к пределам вос­ пламеняемости, экономически невыгодна. Стремятся орга­ низовать процесс так, чтобы происходило полное сгорание топлива с возможно меньшим коэффициентом избытка. В отдельных случаях, когда нужно кратковременно развить максимальную мощность, прибегают к обогащению смеси топливом. В зависимости от соотношения топлива и воз­ духа различают следующие виды горючей смеси. Нормаль­ ная смесь — происходит полное сгорание топлива с рас­ четным теоретически необходимым количеством воздуха (а = 1); обедненная или бедная смесь — воздуха в ней больше, чем требуется по расчету (а>1); обогащенная или богатая смесь — воздуха меньше, чем требуется по расче­

61

ту (а<1). В карбюраторных двигателях сгорание происхо­ дит при небольшом избытке воздуха сс ^ 1,05—1,15, в от­ дельные периоды прибегают к переобогащению а= 0,90— 0,95. В дизельных двигателях коэффициент избытка боль­ ше, у быстроходных а = 1,2—1,4, а у тихоходных а = 1,5— 1,7.

В двигателях внутреннего сгорания обычно сгорает обедненная горючая смесь, теплоту сгорания которой в кДж/кг или ккал/кг можно подсчитать по формуле:

^теор — расчетное количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива, кг.

По формуле (23) подсчитывают теплоту сгорания горю­ чей смеси, той, которая поступает или образуется в камере сгорания двигателя. Горючая смесь, смешавшаяся с оста­ точными газами (от предыдущего цикла), называется ра­ бочей смесью.

Если нужно определить <?раб. смеси» то вносят поправку на коэффициент остаточных газов. Для практических рас­ четов эти понятия отождествляют. Чем меньше коэффи­ циент избытка воздуха для одного и того же топлива, тем

62