3. Эксплуатационные свойства авиационных топлив

К эксплуатационным свойствам принято относить следующие: теплоту сгорания, испаряемость, вязкость, стабильность, коррозионные свойства, низкотемпературные свойства, воспламеняемость, электризацию.

Дадим краткую характеристику каждому из указанных свойств.

1. Теплота сгорания

Для оценки эффективности топлива большое значение имеют теплота сгорания, потребное количество окислителя, объём и температура продуктов сгорания.

Горение топлива – это цепная химическая реакция окисления топлива кислородом воздуха, в ходе которой химическая энергия превращается, в основном, в тепловую с образованием газообразных продуктов реакции.

Топливная смесь находится в камере сгорания двигателя всего 0,002…0,01 секунды. За это время должны быть завершены все подготовительные процессы и собственно процесс горения. Подготовительные процессы заключаются в распылении, испарении и перемешивании паров горючего с окислителем. Одновременно с физической подготовкой протекают химическая подготовка смеси, заключающаяся в протекании начальных предпламенных реакций между молекулами горючего и окислителя, приводящих к образованию различного рода активных частиц – свободных радикалов.

Подробно физико-химические особенности процесса горения рассматриваются при изучении дисциплины “Теория горения и взрыва”.

Остановимся на определении теплоты сгорания.

Различают высшую и низшую теплоты сгорания.

Высшая теплота сгорания (Н_о) – количество тепла, выделяемое при сгорании 1кг(или 1л) топлива с учётом теплоты конденсации водяного пара при стандартной температуре.

В двигателях продукты сгорания не охлаждаются до начальной температуры и уносят с собой часть тепла (например, тепло конденсации паров воды, образовавшихся при горении водорода топлива), поэтому принято различать две теплоты сгорания: высшую (Н_о) и низшую (Н_и). Низшая теплота сгорания меньше высшей на величину теплоты конденсации паров воды. Эта теплота составляет примерно 2,5 МДЖ на 1 кг воды.

Н_и = Н_о -2,5W, МДж/кг ,

где W - количество воды, образуемой при сгорании 1 кг топлива.

Его легко определить по содержанию водорода в топливе: W=9[Н_Т], где [Н_Т] – массовая доля водорода в топливе.

Для авиационных бензинов и керосинов, имеющих [Н_Т]=0,13…0,15 (кг водорода/кг топлива) , W=1,15…1,35 (кг воды/кг топлива)

Следовательно, теплота конденсации паров воды составляет 2,5*W=2,9…3,4(МДж/кг топлива ).

Теплота сгорания углеводородного топлива известного состава С_nН_m может быть определена с помощью закона Гесса по тепловым эффектам реакции разложения топлива на углерод и водород и затем раздельного сгорания этих простых веществ с образованием СО₂ и Н₂О.

Затраты энергии на разложение топлива равны стандартной теплоте его образования - энтальпии i_Т одного килограмма топлива.

Низшая теплота сгорания и теплота образования (энтальпия) некоторых топлив представлена в таблицу 3,1.

Таблица 3.1

Низшая теплота сгорания и теплота образования (энтальпия) некоторых топлив. Плотность топлив

Наименование топлива	Hu, МДж/кг	iT, МДж/кг при 293 К	ρ, кг/м3
Парафины CnH2n+2 (среднее значение n=5…18)	44,0	-2,1	700
Нафтены, олефины CnH2n (среднее значение n=5…18)	43,6	-1,7	750
Ароматические углеводороды CnH2n-6 (среднее значение n=7…10)	41,1	-0,6	850
Бензины (керосины) (среднее значение)	43,4	-1,9	715(778)
Метан CH4 жидкий при температуре кипения 111,4 К	49,6	-5,28	422
Метан CH4 газ	50,2	-4,65	0,716
Метиловый спирт CH3OH	19,9	-7,45	793
Этиловый спирт C2H5OH	26,7	-6,08	789
Водород жидкий при температуре кипения 20К	116,3	-4,61	70,8
Водород газ	120,4	0	0,0846
Углерод - графит твердый	32,8	0	2250
Бериллий	66,6	0	1855
Бор	58,6	0	2300

Стандартная теплота разложения (образования) керосинов и бензинов равна:

i_T, = -1,9 МДж/кг

Теплота сгорания углерода с образованием СО₂ составляет 32,8 МДж/кг углерода. Для водорода - 120,4 МДж/кг водорода. Следовательно, выражение для низшей теплоты сгорания Н_и будет иметь вид:

Н_и=32,8[C_T]+120,4[H_T]+i_T, МДж/кг

где [C_T] – содержание углерода в (кг/кг топлива),

[H_T] - содержание водорода в (кг/кг топлива).

Пример 1:

Определить низшую теплоту сгорания метана СН₄, энтальпия которого равна i_Т=-4,65 КДж/кг.

Определим [C_T] и [H_T]:

[C_T]=

[H_T]= (8),

Тогда Н_и=32,8*0,749+120,4*0,251-4,65=?МДж/кг.

Располагаемый запас энергии в баках ВС, т.е. максимальное количество тепла, которое может быть получено за счет сгорания топлива, равно произведению объема баков V на плотность топлива ρ и на его теплоту сгорания Н_и.

Энергоемкость топлива (H_V) – количество тепла, выделяемое при сгорании 1 м³ топлива. В ряде пособий энергоемкость называют удельной объемной теплотой сгорания. Оно равно произведению удельной массовой теплоты сгорания Н_и на плотность топлива ρ:

H_V=H_и*ρ,

где H_V – объемная удельная теплота сгорания, МДж/ м³

H_и – удельная массовая теплота сгорания; МДж/кг

ρ – плотность топлива .

Для самолетов определяющим показателем является объемная теплота сгорания, т.к. объем баков ВС ограничен.

Пример:

Сравнить удельную массовую Н_и и объемную H_V теплоты сгорания газообразного и жидкого водорода.

• Газообразный водород: Н_и=120 ;

• плотность газообразного водорода: ρ=0,0846 ;

• H_V=H_и*ρ=120*0,0846=?

• жидкий водород (t=20К) Н_и=116 ;

• плотность жидкого водорода (t=20К): ρ=70,8 .

Для жидкого водорода:

H_V=H_и*ρ=120*70,8=? .

Данные табл.3.1 показывают, что наибольшей массовой теплотой сгорания обладает водород, наименьшей – углерод.

Объемная теплота сгорания наоборот в данном примере наибольшая у углерода и наименьшая у водорода.

Ароматические углеводороды (арены) по сравнению с алканами и цикланами обладают наименьшей массовой теплотой сгорания, но наибольшей – объемной.

Анализ табл.3.1 позволяет также сформулировать пути повышения теплоты сгорания топлив:

Увеличение содержания водорода в топливе за счет гидрирования ароматических углеводородов.

Изомеризация нормальных парафинов, позволяющая расширить диапазон температур жидкого состояния высокономерных парафинов.

Алкилирование циклановых углеводородов.

Добавка в топливо высокоэнергетических компонентов на основе металлоорганических соединений из группы производных бора, бериллия, магния и алюминия.