SEMINARSKI RAD IZ ELEKTRONIKE
/ ELEKTROTEHNIKE
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
SAMOZAPALJIVOST GORIVA
U praktičnoj primeni zaštite životne sredine potrebno je poznavati parametre i fizičko-hemijske odnose i uslovljenosti određenih procesa kako bi rad na pomenutom polju bio što je moguće efikasniji. Konkretno, u sprečavanju negativnih uticaja od saobraćaja, a koji se najčešće manifestuju u atmosferi, neophodno je upoznati se sa osnovnim osobimama goriva, da bi se određene negativne posledice mogle kontrolisati i blagovremeno sprečavati. U uvodu ovoga rada biće nešto više reči o osnovnim karakteristikama goriva, koje je potrebno poznavati da bi se mogao opisati proces vezan za samozapaljivanje gorivih materija.
Navedene osobine mogu se po određenim kriterijumima podeliti na sledeći način:
Fizičke karakteristike ugljovodonika koji se koriste za motorna goriva u velikoj meri zavise od njihove molekulske težine. Uglavnom, što je veća molekulska masa ugljovodonika, niži je maseni odnos vodonika i ugljenika u jedinjenju, veća je gustina ugljovodonika, viši su temperaturski opsezi isparavanja pa je samim tim veća i viskoznost goriva. Takođe, struktura ugljovodonika, kao i vrste hemijskih veza u molekulima, mnogo utiču na sklonost ka samopaljenju, odnosno detonantnom sagorevanju, koja spada među najvažnije kriterijume za primenu goriva za pogon oto motora. Aromatični ugljovodonici, kao i i izomerni oblici parafina, otporni su na samopaljenje, za razliku od tekstnih parafina, koji imaju suprotna svojstva.
Tabela 1.
U tabeli 1, vidimo osnovne tipove goriva, broj atoma u njihovim molekulima, srednju gustinu i opseg isparavanja pomoću kojih možemo da uočimo osnovne karakteristike i osobine određenih tipova goriva, što nam u mnogome pomaže pri njihovom klasifikovanju.
Najvažnija karakteristika svakog goriva je njegova toplotna moć. U zavisnosti od zadatih parametara, razlikujemo dve vrste toplotne moći goriva: donju i gornju.
Gornja toplotna moć goriva Hg (kJ/kg) predstavlja količinu toplote koja se oslobodi potpunim sagorevanjem 1 kg goriva, pod uslovom da se produkti sagorevanja dovedu na početnu temperaturu od 20 oC. Ova toplotna moć odnosi se na sagorevanje pri kome jedna ili više komponenata produkata sagorevanja obrazuju kondenzovane faze (tečnu ili čvrstu).U tom slučaju je voda, koja nastaje kao produkat sagorevanja, u tečnom stanju. Gornja toplotna moć je viša od donje za količinu toplote oslobodjenu pri kondenzovanju ili kristalizaciji. Donja toplotna moć Hd (kJ/kg) se definiše na isti način, ali su u tom slučaju svi produkti sagorevanja, uključujući i vodu, u gasnom stanju. Sa aspekta korišćenja goriva za pogon motora sa unutrašnjim sagorevanjem, značajna je donja toplotna moć, s obzirom da su produkti sagorevanja koji izlaze iz motora na visokim temperaturama, tako da se voda izbacuje u obliku vodene pare.
Stehiometrijska količina vazduha, Lmin (kg vazd./kg gor.) predstavlja minimalnu teorijsku količinu vazduha, kao nosioca kiseonika, koja je neophodna za potpuno sagorevanje 1 kg goriva. Ova karakteristika goriva zavisi od hemijskog sastava goriva i utvrđuje se na bazi hemijskih jednačina sagorevanja pojedinih elemenata koji ulaze u sastav goriva.
Proces sagorevanja goriva jeste proces brze oksidacije gorivih elemenata (C, H i S) koji ulaze u sastav goriva. Ovaj proces je vrlo složen i obuhvata veliki broj lančanih reakcija, do dobijanja krajnih produkata sagorevanja. Da bi ovakav proces mogao da se odvija, neophodno je prisustvo dovoljne količine kiseonika. U motorima sa unutrašnjim sagorevanjem nosilac kiseonika je vazduh iz atmosfere, tako da je za ostvarivanje sagorevanja neophodno obezbediti odgovarajuću smešu goriva i vazduha. U smeši može biti više ili manje vazduha u odnosu na stehiometrijsku količinu. Parametar kojim se definiše sastav smeše naziva se koeficijent viška vazduha, λ, i predstavlja odnos između stvarno prisutne količine vazduha u smeši i stehiometrijske količine vazduha za konkretno gorivo.
Slika broj 1: Hemijsko ispitivanje steheometrije goriva
Zavisno od vrednosti parametra λ smeša može biti bogata (λ<1 ), siromašna
(λ>1) ili stehiometrijska (λ=1). Ovaj parametar je izuzetno važan,
jer direktno utiče na kvalitet rada motora. koja se pali stranom energijom. Kod dizel motora proces sagorevanja se odvija na drugačiji način. Gorivo se pod visokim pritiskom ubrizgava u prethodno sabijeni vazduh. Proces sagorevanja počenje samopaljenjem goriva, čim se lokalno ostvari povoljan sastav smeše. Taj proces se odvija praktično uporedo, sa ubrizgavanjem. Tokom procesa sagorevanja u dizel motoru, smeša je u celini siromašna, ali je izrazito nehomogena, tako da lokalno postoje i oblasti bogate i oblasti vrlo siromašne smeše, kao i oblasti smeše čiji je sastav unutar granica upaljivosti.
Temperatura samopaljenja je temperatura do koje treba zagrejati gorivo u prisustvu vazduha, da bi se ono zapalilo samo od sebe i dalje sagorevalo. Dizel goriva imaju niže vrednosti temperature samopaljenja (430-480 °C) u odnosu na benzin (530-580 °C). Proces sabijanja kod oto motora mora da se definiše tako, da na kraju procesa temperatura sabijene smeše bude za 50-100 °C niža od temperature samopaljenja. U portivnom, došlo bi do samopaljenja mimo trenutka preskakanja varnice, pa bi se javilo detonantno sagorevanje. Kod dizel motora je potrebno da temperatura samopaljenja goriva bude što niža, a proces sabijanja vazduha se definiše tako, da se na kraju procesa, tj. u trenutku ubrizgavanja, dostigne temperatura vazduha za 200-300 °C viša od temperature samopaljenja goriva.
Temperatura upaljenja je temperatura na kojoj se gorivo pali u prisustvu stranog izvora energije (plamena ili varnice). Ova temperatura je niska za lakoispariva goriva kao što je benzin. Zbog toga treba preduzimati posebne mere predostrožnosti pri skladištenju i manipulaciji ovakvih goriva. Dizel goriva imaju znatno višu temperaturu upaljenja, pa su pogodnija za manipulaciju i skladištenje.
Otpornost prema detonaciji je najvažnija karakteristika goriva koja se koriste u oto motorima. tekstno sagorevanje se kod oto motora odvija prostiranjem fronta plamena koji se formira po preskakanju varnice na svećici. Kod regularnog sagorevanja brzina prostiranja fronta plamena iznosi 20-50 m/s. Detonacija je pojava burnog, tj. eksplozivnog sagorevanja jednog dela smeše ispred fronta plamena. Do ove pojave dolazi kada se u jednom delu radnog prostora ostvare uslovi za samopaljenje goriva. Pri takvom sagorevanju, brzina prostiranja fronta plamena iznosi i znatno preko 500 m/s. Usled ovako burnog sagorevanja dolazi do naglog porasta pritiska u cilindru, što se manifestuje pojavom karakterističnog lupanja u motoru, koje vozači greškom pripisuju ventilima. Ovakav zvuk je posledica vrlo brzog širenja talasa pritiska, što izaziva udarno opterećenje elemenata klipno-cilindarskog sklopa. Pored toga, eksplozivno sagorevanje dovodi i do visokog termičkog opterećenja pomenutih elemenata. Opasnost od pojave detonacije raste sa stepenom kompresije motora, jer su tada temperature na kraju takta sabijanja veće.
Slika broj 2: Šematski prikaz Izooktana (C9H18) I Heptana (C7H16) Na pojavu detonacije
utiču mnogi faktori, ali karakteristike goriva imaju dominantan značaj.
Merilo otpornosti goriva prema detonaciji predstavlja oktanski broj. Po
definiciji, oktanski broj predstavlja procentualni udeo izooktana (C8H18)
u smeši sa tekstnim heptanom (C7H16) koja u opitnom
motoru detonira pri istim uslovima kao i ispitivano gorivo. Ispitivanje
oktanskog broja vrši se po standardnim metodama u specijalnim opitnim
motorima, koji pružaju mogućnost kontinualne promene stepena kompresije.
Najčešće se za ovu svrhu koriste CFR motori specijalizovane američke firme
Waukesha Engines. Određivanje oktanskog broja se zasniva na upoređivanju
otpornosti na detonaciju ispitivanog goriva i različitih mešavina izooktana
i tekstnog heptana. Oktanska vrednost izooktana iznosi 100, što znači
da je on izuzetno otporan prema detonantnom sagorevanju, dok je oktanska
vrednost tekstnog heptana 0, jer je on vrlo neotporan na detonaciju.
U toku rada opitnog motora sa ispitivanim gorivom, postepeno se vrši povećavanje
stepena kompresije (smanjivanjem kompresione zapremine), do pojave detonacije,
koja se registruje posebnim senzorom, smeštenim na bloku motora. Zatim
se, zadržavajući isti stepen kompresije, u motor dovodi smeša referentih
goriva, počinjući sa većim sadržajem komponente otporne na detonaciju,
tj. izooktana. Zatim se postepeno smanjuje sadržaj izooktana, a povećava
sadržaj tekstnog heptana, sve do pojave detonacije.
Slika broj 3: Aparat za merenje oktanskog broja. Goriva sa većim oktanskim brojem, pri ostalim istim uslovima, omogućavaju primenu viših stepena kompresije, što direktno utiče na razvijenu snagu i ekonomičnost. Benzin koji se dobija procesom primarne prerade nafte ima oktanski broj oko 75. Sekundarnim procesima prerade, dodavanjem frakcija otpornih na detonaciju, ova vrednost se znatno povećava. S obzirom da sa povećanjem oktanskog broja raste i cena prerade, gorivu se dodaju različiti aditivi koji povećavaju oktanski broj. Najčešće korišćeni aditivi su tetraetilolovo Pb(C2H5)4 i tetrametilolovo Pb(CH3)4. Ova jedinjenja olova su vrlo toksična pa je sadržaj olova u benzinu ograničen. Jugoslovenski standard propisuje 0,6 g/l. Pored toga, oksidi olova koji nastaju tokom sagorevanja imaju tendenciju da se talože na površinama prostora za sagorevanje, što ima negativne posledice na rad motora. Zato se tetraetilolovo meša sa etilendibromidom i monohlornaftalinom, pri čemu se dobija tzv. ¨etilfuid¨, a goriva koja ga sadrže nazivaju se etilizirana goriva. Pri sagorevanju ovih goriva olovna jedinjenja se ne zadržavaju u radnom prostoru motora, već se delom talože u izduvnom sistemu, a ostatak se izbacuje u okolinu. U prethodnoj deceniji je ekološki kvalitet motora dobio ogroman značaj, tako da se goriva sa dodacima na bazi olova više ne koriste u razvijenim zemljama. Osim što su toksična, olovna jedinjenja se talože u izduvnom sistemu i onemogućavaju rad katalizatora koji su sada obavezan deo opreme savremenih motora. Zato je u tzv. bezolovnom benzinu sadržaj olova ograničen na svega 0,05 g/l (u Evropi čak 0,005 g/l), a potrebna oktanska vrednost postiže se skupljom sekundarnom preradom goriva. Tabela 2.
U tabeli sa rednim brojem 2, prikazane su odredjene vrste goriva sa sebi svojstvenim oktanskim brojem. Uporedjivanjem navedenih vrednosti može se utvrditi tačna razlika u vrstama i osobinama pojedinačnih gorivih materija. Sklonost goriva ka samopaljenju
Sklonost goriva ka samopaljenju je najvažnija karakteristika goriva koja se koriste u dizel motorima. Proces sagorevanja kod dizel motora odvija se praktično uporedo sa ubrizgavanjem goriva, i to u uslovima izrazito nehomogene smeše. Za povoljan tok procesa sagorevanja, koji utiče na sve izlazne parametre motora, izuzetno je važno da se gorivo upali u što kraćem periodu nakon početka ubrizgavanja. Period od početka ubrizgavanja do pojave izraženog porasta pritiska u cilindru naziva se period pritajenog sagorevanja ili period zakašnjenja paljenja.
Što je on duži, to će veća količina goriva početi da sagoreva odjednom. Ovo se manifestuje u brzom porastu pritiska u cilindru, što ima za posledicu udarna opterećenja elemenata klipno-cilindarske grupe, kao i bučan rad motora. Pokazatelj sklonosti goriva ka samopaljenju predstavlja tzv. cetanski broj (CB). Po definiciji, cetanski broj je procentualni udeo cetana (C16H34) u smeši sa α-metil -naftalinom (C11H10) koja ima istu dužinu perioda pritajenog sagorevanja kao i ispitivano gorivo. Cetan je parafinski ugljovodonik koji se veoma lako raspada i stupa u reakacije oksidacije, tako da je njegov cetanski broj 100, dok je α-metil-naftalin aromatični ugljovodonik, stabilne prstenaste strukture, pa je njegov cetanski broj 0, Za određivanje cetanskog broja koriste se tri standardne metode, a ceo postupak se izvodi u specijalnim CFR motorima, koji omogućavaju kontinualnu promenu stepena kompresije. Najčešće korišćena metoda je tzv. metoda zakašnjenja paljenja. Pri određivanju cetanskog broja ovom metodom u opitni motor se prvo uvodi ispitivano gorivo, a zatim se, promenom stepena kompresije, postiže da period pritajenog sagorevanja dostigne određenu vrednost pri određenom uglu predubrizgavanja. Potom se biraju smeše etalon goriva, od kojih jedna pri istom stepenu kompresije ima nešto veću dužinu pritajenog sagorevanja, a druga nešto manju. Cetanski broj se dobija interpolacijom, između ove dve vrednosti. Sklonost ka samopaljenju zavisi najviše od sastava goriva, ali i od karakteristika samog motora, kao i od radnih uslova. Najveću sklonost ka samopaljenju imaju parafinski ugljovodonici, i to oni sa većim brojem C atoma u molekulu. Najmanju sklonost ka samopaljenju imaju aromatični ugljovodonici. Zato cetanski broj raste sa porastom udela parafina u gorivu. Što je cetanski broj viši, to je niža temperatura samopaljenja goriva. Takođe, što je cetanski broj goriva viši, to je niži njegov oktanski broj. Između cetanskog broja i motorskog oktanskog broja važi približna linearna zavisnost MOB ≈ 120 - 2 CB. Zato goriva sa visokim cetanskim brojem nisu pogodna za upotrebu u oto motorima, a goriva sa visokim oktanskim brojem nisu pogodna za primenu u dizel motorima. Standardna dizel goriva imaju vrednost od 45 do 55, za cetanski broj. .
Tabela 3.
. U tabeli pod rednim brojem 3, date su odredjene vrste goriva sa sebi odgovarajućim vrednostima za cetanski broj
Ponašanje goriva
na niskim temperaturama reprezentuju temperatura zamućenja i temperatura
stinjavanja. Tabela 4.
U tabeli 4, za dve vrste dizel goriva date su nam temperature zamućenja i stinjavanja, pri kojima se gorivo ledi i zgušnjava. Ostale osobine goriva koje su u vezi sa samozapaljivošćuSadržaj sumpora u gorivuIako sumpor spada u gorive elemente, tj. njegovom oksidacijom se oslobađa toplpota, njegovo prisustvo u motorskim gorivima je vrlo nepoželjno. Produkat oksidacije sumpora je sumpordioksid SO2, koji predstavlja anhidrid sumporaste kiseline, od koje kasnije nastaje jaka sumporna kiselina. Sumpordioksid koji dospe u atmosferu kasnije prouzrokuje nastajanje tzv. kiselih kiša. Pored toga, pri radu motora, mala količina goriva dospe u motorsko ulje i deluje razorno na motor, jer, kada se pomeša s kondenzatom, stvara sumpornu kiselinu, koja želatinira motorno ulje, a pored toga prouzrokuje i koroziju ležajeva i elemenata pumpe za gorivo. Želatinirano ulje otežano cirkuliše, pa se motor neadekvatno podmazuje. Ova pojava je intenzivnija ako se automobil koristi na kratkim relacijama, pri čemu motor ne postiže radnu temperaturu, te se u karter sliva nesagoreli deo goriva u kojem je prisutan visoki sadržaj sumpora. Zato je sadržaj sumpora u gorivu strogo ograničen.Teška dizel goriva sadrže do 5% sumpora, dok je sadržaj sumpora u lakim dizel gorivima kod nas ograničen na 0,5 % za D1, odnosno 1% za D2. U većini zapadnoevropskih zemalja sadržaj sumpora u dizel gorivu je 0,035 g/l. Sadržaj sumpora u domaćim benzinima iznosi do 1%, dok je u Evropi sadržaj sumpora u benzinu ispod 0,05 %. Sadržaj vode u gorivuVoda u gorivu se javlja kao slobodna, higroskopna ili u vidu emulzije. Najčešće dospeva u gorivo tokom manipulacije i skladištenja i, u manjoj meri, usled kondenzacije vlage iz vazduha ili usled higroskopnosti goriva. Slobodna voda je u gorivu dispergovana u vidu sitnih kapljica i vremenom se taloži, jer je teža od goriva. Brzina taloženja je manja ako je veća finoća disperzije i gustina goriva. Prisustvo vode u gorivu je nepoželjno jer smanjuje toplotnu moć, potpomaže koroziju i pogoduje stinjavanju na niskim temperaturama Mehaničke primeseMehaničke primese u gorivu su najčešće rdja, koksne čestice i pesak. One dospevaju u gorivo tokom manipulacije i skladištenja. Njihovo prisustvo je nepoželjno, jer može značajno da remeti rad instalacije za napajanje gorivom. U tom pogledu posebno su kritična gušća goriva, pošto se primese u njima teže talože i ostaju dispergovane u gorivu, tako da lakše dospevaju u instalaciju za napajanje. Sklonost goriva ka koksovanjuSklonost ka koksovanju je svojstvo goriva da, pri sagorevanju u uslovima izrazitog nedostatka kiseonika, obrazuje koks. Ovo svojstvo je posebno važno u slučaju goriva za dizel motore, pošto pri sagorevanju izrazito nehomogene smeše lokalno postoje zone prebogate smeše. U načelu, sklonost ka obrazovanju koksa je izraženija ako u gorivu ima više teških ugljovodonika. Merilo sklonosti tečnih goriva ka koksovanju predstavlja sklonost ka koksovanju desetoprocentnog ostatka destilacije, s obzirom da krajnji produkti destilacije predstavljaju najteže frakcije u gorivu. Ako je gorivo sklono stvaranju koksa, mogu se javiti problemi sa začepljenjem mlaznica brizgača i stvaranjem naslaga na čelu klipa i na ventilima. Zaključak Cilj izrade ovoga seminarskog rada sastoji se u sledećem:
Zaštita životne sredine kao multidisciplinarna nauka, mora u vidu svojih delatnosti težiti povezivanju prirodnih tokova sa savremenim dostignućima čovečanstva, čime bi se u velikoj meri došlo do napredovanja u praktičnom ostvarivanju agende o održivom razvoju, bez koje nema nade za opstanak zdrave planete i života. Literatura
|