Аналіз передумов виникнення природних втрат пального через випаровування

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 357.57(043.2)УДК

АНАЛІЗ ПЕРЕДУМОВ ВИНИКНЕННЯ ПРИРОДНИХ ВТРАТ ПАЛЬНОГО ЧЕРЕЗ ВИПАРОВУВАННЯ

Задерієнко С. І.1 , Мамін В. А.2

1АСВ, Львів, 2НУОУ, Київ

Сучасні бойові дії потребують значної витрати матеріальних засобів. Одним із основних видів матеріальних засобів є пальне [1], достатня наявність якого надає військовим вміння та можливість застосовувати озброєння та бойову техніку в різноманітних умовах сучасного бою, дозволяє підтримувати бойову готовність і боєздатність Збройних Сил на належному рівні, забезпечує життєдіяльність військ в мирний та воєнний час. Але, через хронічне недофінансування вже тривалий час службі пального доводиться функціонувати в режимі жорсткої економії [2]. В таких умовах необхідно детально вивчати та використовувати всі можливості, які дозволяють заощаджувати пально-мастильні матеріали, уникати невиправданих витрат та втрат.

За даними досліджень, більше 75% втрат бензинів пов'язано з їх випаровуванням, яке спостерігається при зберіганні, зливанні, перекачуванні, перевезеннях, заправленнях і використанні [3]. Крім того, випаровування пального впливає на стан його фізичних показників (збільшується щільність, змінюється фракційний склад, знижується октанове число) і стає причиною погіршення деяких експлуатаційних властивостей, що призводить до псування і передчасного виходу з ладу деталей двигунів озброєння та військової техніки, збільшення його витрати при експлуатації транспортних засобів [4,5]. До того ж ці втрати не лише зменшують об'єм ресурсів пального, але і негативно екологічно впливають на довкілля. З огляду на це, велике значення в масштабі збройних сил, всієї країни має організована послідовна і систематична боротьба з втратами пального від випаровування на всіх етапах його застосування. Для цього потрібне розуміння самого явища, чітке представлення механізмів, які лежать в основі процесу переходу рідини в газоподібний стан.

Проте, в літературі часто зустрічаються істотні неточності при описанні випаровування. Наприклад, вважається, що якщо рідина і парогазова суміш нерухомі, то видалення пари, що утворилася, від поверхні рідини в газове середовище відбувається в основному в результаті молекулярної дифузії [6,7]. При цьому, не береться до уваги відомий факт [8], що якщо виділити деякий об'єм газу і перемістити його проти напряму сили тяжіння, то в тому випадку, коли переміщена кількість речовини в новому місці буде мати щільність меншу, ніж навколишній газ, виділений об'єм прагнутиме ще більше віддалитися від первинного положення.

Процес молекулярної дифузії пари втрачає стійкість навіть в нерухомих середовищах, якщо молекулярна маса компоненту, що випаровується менше, ніж у газу, що контактує з ним. При деякому критичному часі виникає конвекція, яка помітно збільшує швидкість випаровування. Залежно від бажаних результатів, дослідження динаміки утворення природних втрат пального доцільно, а найчастіше єдино можливо, вести або у дифузійному, або в конвекційному режимі. При цьому, виникає необхідність визначення умов їх гідродинамічної стійкості, а також швидкості перенесення маси в тому або іншому режимі.

Експериментальні і теоретичні роботи, присвячені тепловій конвекції, обмежуються, в основному, дослідженнями стійкості і структури стаціонарних конвекційних течій [6-9]. Аналогічні дані для перенесення маси пального обмежені, а дослідженню розвитку нестаціонарних конвекційних режимів присвячена досить невелика кількість робіт.

Завданням доповіді є визначення передумов утворення природних втрат пального через випаровування, дослідження структури конвекційних течій, а також динаміки конвекційного перенесення тепла, імпульсу і маси залежно від фізико-хімічних і гідродинамічних параметрів.

У більшості процесів перенесення маси беруть участь дві або більше фаз, в яких концентрації цільового компоненту при рівновазі розрізняються. При взаємодії двох фаз, відповідно до другого закону термодинаміки, їх стан змінюється в напрямі досягнення рівноваги, яка характеризується рівністю температури і тиску фаз, і досягається при рівності хімічних потенціалів кожного компоненту в співіснуючих фазах. При невеликих швидкостях перенесення маси в контактуючих фазах часто використовують допущення про рівновагу на міжфазовій межі, або враховують опір, що виникає на ній [8]. Так або інакше, при розрахунку швидкостей масообміну необхідно знати рівноважні склади рідинної і газоподібної фаз.

У загальному випадку речовина може переноситися в результаті хаотичного руху молекул (молекулярна дифузія), макроскопічного руху середовища (конвекційне перенесення), а в турбулентних потоках - також в результаті хаотичного руху вихорів різних розмірів. Відомо, що конвекційна дифузія описується такими ж феноменологічними співвідношеннями, що і молекулярна [9], але із заміною молекулярного коефіцієнта дифузії на конвекційний. Проте, при такому підході до питання конвекційний коефіцієнт перенесення стає, на відміну від коефіцієнта молекулярної дифузії, функцією деяких визначальних макроскопічних величин.

Рушійною силою молекулярної дифузії є різниця хімічних потенціалів. Проте, на практиці, рушійну силу дифузії часто можна виразити через градієнт концентрацій, що значно спрощує зв'язок між швидкістю процесу і складовими частинами потоків. Таке представлення рушійної сили не приводить, як і в багатьох завданнях явищ перенесення, до скільки-небудь помітних похибок [9, 11]. Закони дифузії найпростіше формулюються для бінарної суміші. Аналогічно законам Ньютона і Фурьє, що зв'язують потоки імпульсу і енергії з градієнтом швидкості і температури відповідно існує зв'язок між молярним потоком речовини і градієнтом його концентрації для двокомпонентної системи A-B

конвекційний тепло гідродинамічний дифузія

, (1)

де - бінарний коефіцієнт молекулярної дифузії в газовій фазі, м2/с;

і - вектори молярних потоків компонентів А і В відносно нерухомих координат, моль/м2·с;

- молярна щільність компоненту А в суміші, моль/м3.

У виразі (1) друга складова в правій частині представляє собою потік, що виникає внаслідок конвекційного руху всієї маси середовища. Просторово-часовий розподіл концентрації компонента А в нерухомій бінарній суміші з постійним коефіцієнтом молекулярній дифузії має вигляд

, (2)

Рівняння (1) і (2) є відповідно перший і другий закони Фіка. Вони справедливі за відсутності значних градієнтів температури і тиску, за умови, що довжина і час вільного перебігу молекул малі в порівнянні з характерними масштабами довжини і часу завдання. Коефіцієнт молекулярної дифузії є коефіцієнтом пропорційності між потоком компоненту і градієнтом його концентрації.

З теорії флуктуацій виходить, що при ряді вельми загальних обмежень в стохастичних процесах перенесення речовини, середній зсув за великий проміжок часу (у порівнянні з часом вільного пробігу) дорівнює нулю, а його середній квадрат росте пропорційно часу. Коефіцієнт молекулярної дифузії при цьому, в першому наближенні, може розглядатися як коефіцієнт пропорційності в співвідношенні . При цьому середньоквадратичний зсув в заданому напрямі рівний , а в заданій площині [9, 11]. Така властивість зсуву дозволяє оцінити характерні проміжки часу вирівнювання концентрацій за рахунок дифузії в області заданих розмірів або оцінки розмірів області розповсюдження дифундуючої речовини за заданий час.

Відомості про коефіцієнти дифузії можна знайти в різних джерелах [9, 11-12], у тому числі і в довідниках. У розрахунках перенесення маси пального рекомендується використовувати експериментально визначені значення D, оскільки вони, як правило (але не завжди), більш надійні [6].

Огляд експериментальних методів визначення коефіцієнтів дифузії в газах і рідинах приведений в [10,12].

Термін “конвекція” походить від латинського слова "convectio", що означає "переміщення, доставка". Конвекційний рух може бути як ламінарним, так і турбулентним. Молекулярні процеси тепло- і масообміну в нерухомих рідкій і газовій фазах можуть, в макроскопічному сенсі мимоволі втратити стійкість і змінитися на інтенсивніші конвекційні режими перенесення. Відомо два механізми вільної конвекції. Гравітаційна конвекція виникає спонтанно в шарах рідини або газу з нестійкими концентраційними або температурними розподілами щільності. Капілярна конвекція має місце у міжфазних межах рухомих середовищ унаслідок залежності поверхневого натягнення від температури або концентрації, що приводить до появи градієнтів поверхневого натягнення. Ці два механізми контролюються відповідно критеріями Релея і Марангоні.

Природа нестійкості розшарованої рідини з вільною межею залежить від товщини її шару. У тонкому шарі рідини конвекція щільності пригнічена, але нестійкість може викликатися термокапілярним механізмом. У товстому шарі визначальну роль у виникненні конвекції грає підйомна сила або сила тяжіння. У проміжній області можуть мати місце обидва механізми.

Конвекцію щільності, а значить і інтенсивність процесів перенесення маси контролює критерій Архімеда, який є відношенням сил, що перешкоджають і сприяють спливанню або осіданню частинок різної щільності. Стосовно процесів тепло- і масопереносу критерій Архімеда трансформується в температурний і концентраційний критерії Грасгофа:

, (3)

, (4)

де - відповідно різниці температур і щільності на поверхні і у товщі пального;

- коефіцієнт сили тяжіння (9,8);

- висота шару пального;

- швидкість спливання або осідання частинок різної щільності;

- щільність середовища у товщі пального;

- температурний коефіцієнт об'ємного розширення. У (5) щільність є функцією складу середовища.

У більшості своїй, в роботах [7-12], направлених на експериментальне і теоретичне вивчення природної конвекції досліджуються стаціонарні розподіли полів температур в шарах рідини або газу з нестійкими температурними градієнтами. Проте, в багатьох, практично важливих випадках, великий інтерес представляє початковий етап розвитку конвекції при нестаціонарних процесах тепло - і масопереносу оскільки багато технічних, технологічних і природних процесів реалізуються в істотно нестаціонарних умовах.

Нестаціонарне конвекційне перенесення маси пального при випаровуванні пов'язане з втратою стійкості дифузійного режиму процесу за точкою біфуркації (). При виникають неоднорідності щільності в об'ємі середовища, що виражаються в появі легких “глобул”, які спливають з великою швидкістю в порівнянні з швидкістю переміщення дифузійного фронту пари в молекулярному режимі. “Глобули”, спливаючи приводять до конвекційного перемішування пального. Їх зворотний рух неминуче виникає унаслідок дотримання закону збереження речовини. Але результати дослідження нестаціонарної теплової конвекції не завжди можна інтерпретувати до завдань нестаціонарного перенесення маси пального, де унаслідок різних швидкостей дифузії компонентів в шарах можуть виникати немонотонні розподіли щільності без зміни граничних умов [12].

Підсумовуючи, слід сказати, що випаровування є складним процесом, який негативно впливає на кількісно-якісний склад пального, передчасне спрацьовування деталей двигунів (поршневих кілець, головок поршня, сорочок циліндрів, впускних і випускних клапанів) і стан навколишнього середовища. Вивчення механізмів тепло- і масо-переносу, які є першопричиною природних втрат пального потребує ретельного дослідження. Висновки з таких досліджень дозволяють підготувати рекомендації командирів (начальників) для удосконалення існуючих способів зберігання, зливання, перекачування, перевезення, заправлення, використання пального, знайти нові шляхи боротьби з зайвими втратами нафтопродуктів, зменшити обсяги втрат на військових складах пально-мастильних матеріалів та центрах забезпечення.

Список використаних джерел

1. Положення про забезпечення Збройних Сил України пальним і технічними засобами служби пального на мирний час //Затверджене наказом МО України від 31.07.2006 № 469. - К.: МОУ, 2006. - 58 с.

2. До 75-річчя служби пального /розмову вів Сергій Воронков // Народна армія. - 2011. - №16 (4624).

3. Потери бензинов от испарения в процессах транспортирования и хранения. Режим доступу: бензин http://www.e-him.ru/page=dynamic&section=33&article=207.

4. Яковлев B. C. Хранение нефтепродуктов. Проблемы защиты окружающей среды. - М.: Химия, 1987. - 152 с.

5. Константинов Н.Н. Борьба с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов. - М.: Гостоптехиздат, 1961.-260 с.

6. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. - М.: Гостехиздат, 1954.- 795 с.

7. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. - Ижевск: НИЦ: "Регулярная и хаотическая динамика", 2000. - 576 с.

8. Кэйс В. М. Конвективный тепло- и массообмен. - М.: Энергия, 1972. - 364с.

9. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача: Пер. с англ. под ред. В.А. Малюсова. - М.: Химия, 1982. - 696 с.

10. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971.- 784 с.

11. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

12. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета: Пер. с польск. - М., Л.: Химия, 1966. - 536 с.

Размещено на Allbest.ru