TOPLINSKI STROJEVI I UREĐAJI 5. predavanje

1. TOPLINSKI STROJEVI I UREĐAJI 5. predavanje

2. GORIVA

3. Toranj Osigurač protiv istjecanja Okretni stol Rezervne cijevi Motor za pogon okretnog stola Oplata Spremnik mulja Bušeća kolona Oprema za bušenje nafte El. generator Bušeća cijev Svrdlo

4. Shema rafinerijskog procesa prerade nafte

5. Vrste ugljikovodika

6. Normalni parafini ili alkani su ravne, nerascijepljene lančane strukture sastavljene iz kostura od ugljika na koji se vežu atomi vodika. Sve slobodne valencije su popunjene pa ih stoga nazivamo i zasićeni ugljikovodici. Normalni parafini su vrlo skloni samoupaljivanju te su pogodni kao sastojci goriva za dizelske motore.

7. Izoparafini su također zasićeni ugljikovodici slični normalnim parafinima. Od njih se razlikuju po tome što lanac nije ravni već se račva u nekoliko ogranaka. Struktura molekule je kompaktnija i otpornost na samoupaljivanje je veća nego kod normalnih parafina, tako da su izoparafini pogodni za primjenu u Ottovim motorima. Prikazan je primjer izooktana s oktanskim brojem 100. Olefini su nezasićeni parafini s jednom jednostruko ili dvostruko nezasićenom vezom. Ta je veza slabija, tako da su potrebne manje energije za aktiviranje reakcije, te oni izgaraju uz veće oslobađanje topline. Tako npr. Acetilen izgaranjem u kisiku daje najvišu temperaturu plamena, potrebnu za rezanje čeličnih limova.

8. Nafteni su zasićene prstenaste strukture koje se sastoje iz prstena ugljika, na čije se slobodne valencije spajaju atomi vodika.

10. Kemijska svojstva goriva Tekuća goriva rijetko su pojedinačni čisti kemijski sastojci. Čisti kemijski sastojci su npr. alkoholi kao goriva. Tekuća goriva su najčešće smjese više ugljikovodika. Tako se za motorni benzin procjenjuje da je to smjesa više od 200 različitih ugljikovodika, dok se za dizelsko gorivo procjenjuje da je smjesa od najmanje 400 različitih ugljikovodika. Plinovita goriva su isto tako smjese dva ili više ugljikovodika.

11. Potrebna svojstva goriva za primjenu u motorima s unutarnjim izgaranjem Ottovi motori Stupanj djelovanja Ottovih motora povećava se s povećanjem stupnja kompresije. Viši stupanj kompresije znači i viši tlak i temperaturu na kraju kompresije. Kako se u Ottovom motoru vrši kompresija gorive smjese (smjese para goriva i zraka), s višim stupnjem kompresije povećava se opasnost da će se tijekom kompresije goriva smjesa upaliti sama od sebe. Da do toga nebi došlo suviše rano, potrebno je da goriva za Ottove motore budu čim otpornija na samoupaljivanje. Ta se otpornost izražava oktanskim brojem. Što je gorivo otpornije na samoupaljivanje, to je oktanski broj goriva veći. Goriva koja se koriste u Ottovim motorima moraju imati oktanski broj 90 ili veći. Dizelski motori Kod dizelskih motora gorivo se u cilindar ubrizgava tek na kraju kompresije. Ubrizgano gorivo, koje se pri ubrizgavanju raspršuje u vrlo sitne kapljice, mora čim prije ispariti kako bi se stvorila goriva smjesa, koja se treba čim prije upaliti sama od sebe. Zbog toga se kod dizelskih motora traže karakteristike goriva koje su potpuno suprotne onima koje se traže kod Ottovih motora. Sklonost goriva samoupaljivanju izražava se cetanskim brojem. Goriva koja se koriste u dizelskim motorima imaju cetanski broj najmanje 35 kod sporohodnih motora, odnosno najmanje 45 kod brzohodnih motora.

12. Linija miješanja za određivanje cetanskog broja Linija miješanja za određivanje oktanskog broja Svojstva ugljikovodika vezana za brzinu aktivacije

21. Kristalizacija parafina u dizelskom gorivu pri niskim temperaturama Pri niskim temperaturama dolazi do zamućenja goriva. Ono više nije bistro, već se čini zamućenim zbog kristalizacija parafina u gorivu. Kristali parafina se grupiraju i mogu potpuno začepiti filter goriva i time onemogućiti dotok goriva do motora, nakon čega se motor zaustavlja. Da se to spriječi, često se pribjegava tome da se filter goriva smješta u blizinu motora, a povrat goriva iz motora se dovodi pred filtar i tu se miješa s dolazećim gorivom.

22. TEŠKA GORIVA Goriva za sporohodne brodske motore

24. PROBLEMI S TEŠKIM GORIVIMA • Visoka viskoznost, • Sadržaj sumpora i niskotemperaturna korozija, • Visokotemperaturna korozija zbog sadržaja vanadija, • Ostaci katalizatora i abrazija.

25. Dijagram promjene viskoznosti goriva u ovisnosti o temperaturi Granica viskoznosti za mogućnost pumpanja goriva radi transporta: 1000 mm2/s Maksimalna viskoznost za ubrizgavanje u 2T dizelske motore: 13 – 17 mm2/s Maksimalna viskoznost za ubrizgavanje u 4T dizelske motore: 10 – 14 mm2/s

26. Promjena viskoznosti goriva ovisno o temperaturi i tlaku

27. SADRŽAJ SUMPORA Sumpor izgaranjem stvara sumporni dioksid SO2 i sumporni trioksid SO3. Oba plina reagiraju s vodenom parom nastalom izgaranjem vodika. U spoju s molekulama vode stvaraju se: SO2 + H2O  H2SO3 sumporasta kiselina SO3 + H2O  H2SO4 sumporna kiselina Ukoliko su stjenke hladnije od temperature kondenzacije, doći će do stvaranja kapljica kiseline. U dodiru s površinom metala započeti će korozija. Da se spriječi korozija, ulju za podmazivanje cilindara dodaju se lužnati (alkalni) aditivi. Ovi aditivi s kiselinama stvaraju neutralne soli. Lužnatost ovih aditiva izražava se TBN brojem (Total Base Number). TBN 1 odgovara 1 mg KOH / litra ulja.

28. Temperature kondenzacije plinova izgaranja u ovisnosti o sadržaju sumpora i tlaku plinova izgaranja

29. VISOKOTEMPERATURNA KOROZIJA Visokotemperaturna korozija pripisuje se djelovanju smjese vanadijevog pentoksida V2O5 i natrijeva sulfata Na2SO4. Vanadijev pentoksid nastaje oksidacijom vanadija pri izgaranju u motoru: 5O2 + 10V  5V2O5 Natrijev sulfat nastaje reakcijom soli iz morske vode sa sumpornom kiselinom: 2NaCl + H2SO4 Na2SO4 + 2HCl Pri visokim temperaturama oba spoja su u stanju tekućine. Na vrelim površinama dolazi do nakupljanja kapljica koje izuzetno jako korozijski djeluju na površini feritnih materijala, koja djeluje po granicama među kristalnim zrnima i napada materijal po dubini. Najčešće napadnuta mjesta su sjedišta ispušnih ventila, a rijeđe i čelo klipa. Djelovanju te korozije suprotstavljamo se dovoljno niskom temperaturom dijelova, odnosno hlađenjem dijelova kako njihova temperatura nebi prešla 400 oC.

30. Oštećenja sjedišta ventila zbog djelovanja visokotemperaturne korozije

31. OSTACI KATALIZATORA (Catalytic fines) U procesu krekinga koristi se kao katalizator umiješani prah od sitnih kuglica silicijevog dioksida SiO2 i aluminijeva trioksida Al2O3. Promjer tih kuglica varira od 0.1 mm na manje. Oba materijala su vrlo tvrda. Najveći dio katalizatora odvoji se u rafineriji nakon procesa krekinga. Dio koji ostaje u teškom gorivu pokušava se očistiti u centrifugalnim separatorima i filtrima, no mali dio dospijeva s gorivom u cilindar. Prilikom izgaranja goriva često dolazi do pucanja tih kuglica, tako da nastaju krhotine oštrih rubova. Ako je debljina sloja ulja među kliznim površinama mala, tako da dolazi do zaglavljivanja krhotina, doći će do jake abrazije (struganja) i do oštećenja kliznih površina. Sadržaj ostatka katalizatora u gorivu često se ograničava maksimalnim sadržajem aluminija u gorivu (koji je vezan u aluminijevom trioksidu Al2O3 u katalizatoru). Abraziju sprječavamo dovoljno niskom temperaturom ulja za podmazivanje. Pri niskim temperaturama viskoznost ulja je veća i debljina sloja ulja na kliznim površinama je veća.

32. Povećanje 400x Povećanje 8000x Ostaci katalizatora iz kreking procesa

33. Kuglica katalizatora s promjerom od 0.04 mm, cijela i puknuta

34. Utjecaj teškoga goriva i temperature cilindarske košuljice na brzinu habanja klipnih prstena Habanje zbog niskotemperaturne korozije Habanje zbog abrazije ostacima katalizatora zbog sve manje debljine uljnog filma Brzina habanja Minimalna debljina sloja ulja Najveća čestica katalizatora koja prolazi kroz filter Oko 180 oC Oko 230 oC Temperatura

35. OGRJEVNA MOĆ GORIVA I GORIVE SMJESE

37. Donja ogrjevna moć goriva za poznati maseni sastav goriva

40. POTREBNA MASA ZRAKA ZA IZGARANJE Potrebna masa kisika za stehiometrijsko izgaranje 1 kg goriva je: Ost = 2.66667 c + 8 h + s – o kg kisika / kg goriva Potrebna masa zraka za stehiometrijsko izgaranje je: Stehiometrijska količina zraka za izgaranje goriva u kg zraka / kg goriva za poznati maseni sastav goriva može se izračunati još točnije po jednadžbi:

41. PRETIČAK ZRAKA Za potpuno izgaranje goriva često puta dovodimo više zraka nego ga je stehiometrijski potrebno za izgaranje. Omjer dovedene mase zraka i stehiometrijski potrebne mase zraka nazivamo pretičak zraka: Pretičak zraka za gorivu smjesu je kod Ottovih motora jednak u cijelome području rada. Kod Ottovih motora s katalizatorom trostrukog djelovanja on mora biti strogo jednak jedinici. Kod dizelskih motora on je promjenljiv i ovisi o opterećenju motora. U motor se usisava otprilike jednaka masa zraka, a goriva se ubrizgava samo koliko je potrebno za razvijanje snage. Motor: Puno opterećenje Prazni hod Ottov motor  = 0.9 do 1.3 (1.00)  = 0.9 do 1.3 (1.00) Brzohodni DM  = 1.3 do 1.7  = 6 do 12 Sporohodni DM  = 1.8 do 2  = 6 do 10

42. PRETIČAK ZRAKA I GORIVA SMJESA Englesko govorno područje vrlo se često koristi s drugačijim parametrom koji opisuje gorivu smjesu. Taj se parametar naziva omjer ekvivalencije “fuel-air equivalence ratio” i označava se sa . Njegova je vrijednost jednaka recipročnoj vrijednosti pretička zraka “Bogatstvo” gorive smjese ovisi o pretičku zraka. Ovisno o pretičku zraka definiramo i naziv gorive smjese. Pretičak zraka Omjer ekvivalencije Naziv za gorivu smjesu   < 1 > 1 bogata goriva smjesa (manjak zraka, višak goriva) = 1 = 1 stehiometrijska goriva smjesa > 1 < 1 siromašna goriva smjesa (višak zraka, manjak goriva)

43. OGRJEVNA MOĆ GORIVE SMJESE Ako zanemarimo entalpiju koju osjetnom toplinom donosi gorivo i zraka za izgaranje, možemo reći da je sva energija koja se dovodi izgaranjem samo energija koja se oslobađa izgaranjem goriva. Ova se energija dovodi gorivom smjesom goriva i zraka, koje moramo dovesti u prostor izgaranja. Ogrjevna moć takve gorive smjese je donja ogrjevna moć dovedenog goriva podijeljena s ukupnom masom gorive smjese: gdje je izg stupanj djelovanja izgaranja, Hdje donja ogrjevna moć goriva,  je pretičak zraka i Lst je stehiometrijska masa zraka za izgaranje.

44. STUPANJ DJELOVANJA IZGARANJA izg Stupanj djelovanja izgaranja izg ima različitu ovisnost o pretičku zraka za Ottove i za dizelske motore. Kod Ottovih motora goriva smjesa je potpuno pripremljena u trenutku izgaranja, svo gorivo je ispareno i pomiješano sa zrakom u homogenu smjesu. Ako je premalo zraka ili goriva u smjesi, upaljivanje električnom iskrom može izostati i gorivo može izaći neizgoreno iz procesa. Ako se gorivo i upali električnom iskrom, zbog nedostatka zraka ili goriva može doći do usporenih kemijskih reakcija i izgaranje može biti nepotpuno. Potpuno izgaranje se kod Ottovih motora postiže s nešto siromašnijom gorivom smjesom ( = 1.06 do 1.1). Tada je i specifična potrošnja goriva najmanja. Kod dizelskih motora izgaranje započinje još prije nego se je izvršilo ubrizgavanje ukupne količine goriva. Tijekom izgaranja gorivo će isparavati i miješati se sa zrakom (kisikom). Sastav gorive smjese mijenja se po prostoru izgaranja, tako da ćemo uvijek naći mjesta gdje je lokalni sastav gorive smjese pogodan za izgaranje. Obzirom da se kisik iz zraka troši za izgaranje, da bi omogućili da tijekom kratkog vremena trajanja procesa sve čestice goriva nađu potrebni kisik za izgaranje, za izgaranje se dovodi više zraka od stehiometrijski potrebnog. Minimalni potrebni pretičak zraka ovisi o uvjetima strujanja u prostoru izgaranja i on ovisno o motoru i uvjetima rada iznosi min = 1.3 do 2. Što smo više zraka doveli, to će izgaranje biti potpunije.

45. Područje samoupaljivosti gorive smjese Područje samoupaljivanja za smjesu goriva i zraka Temperatura Područje samoupaljivanja za smjesu goriva i kisika Samo zrak ili kisik Samo gorivo  =   = 1  = 0

46. Stupanj djelovanja izgaranja u ovisnosti o pretičku zraka

47. OGRJEVNA MOĆ GORIVE SMJESE Hs Ogrjevna moć gorive smjese kod motora s unutarnjim izgaranjem jako ovisi o pretičku zraka s kojim se može postići zadovoljavajuće izgaranje. Snaga motora izravno ovisi o unesenoj toplini u proces, tj. o ogrjevnoj moći gorive smjese. Kod Ottovih motora područje koliko toliko potpunog izgaranja je vezano uz područje stehiometrijske smjese. Katalizator trostrukog djelovanja, koji se koristi za obradu štetnih sastojaka u ispušnim plinovima je djelotvoran samo u području strogo stehiometrijske smjese i uvjetuje korištenje samo takve smjese. Ako imamo slobodu odabira sastava smjese, najveća ogrjevna moć gorive smjese postiže se za blago bogatu gorivu smjesu s pretičkom zraka  = 0.9 do 0.95. Tada će snaga motora biti najveća. Kod dizelskih motora potpuno izgaranje možemo postići tek kod pretička zraka min = 1.3 do 2, ovisno o motoru i opterećenju. Izgaranje s manjom količinom zraka odrazilo bi se u jako povećanoj emisiji čađe u ispušnim plinovima. Zbog višeg potrebnog pretička zraka, smjesa je siromašnija u usporedbi s Ottovim motorom, tako da je i snaga motora, za isti stapajni volumen i brzinu vrtnje, manja kod dizelskog motora. Kako ćemo kasnije vidjeti, primjenom prednabijanja ćemo ovaj nedostatak eliminirati, tako da će snaga dizelskog motora premašiti snagu Ottovog motora za istu geometriju motora i istu brzinu vrtnje.