Технические науки / 4. Транспорт

магістрант Мельничук О.Г.

Львівський національний аграрний університет

Аналіз процесів накопичення води в
паливних баках

Забруднення у вигляді механічних домішок і води поступають в паливні системи машин через баки, тобто місткості, що акумулюють забруднення. Стандартні баки машин з дизельними двигунами це металеві місткості, що мають заливну горловину з герметичними або напівгерметичними кришками, дихальні сапуни, забірники палива та інше оснащення.

Забруднення поступають в бак під час витрати палива і в процесі заправки, а також під час малих дихань баків з атмосфери.

Механічні домішки та вода, що потрапили в бак машини, частково осідають на дно, частково затримуються фільтрами. Велика частка забруднень постійно циркулює в системі по малому колу циркуляції. При цьому за рахунок коливань маси палива в баку і особливо в процесі заправок маса забруднень, що осіла, періодично частково повертається в об'єм палива, що подається в систему паливоподачі, і далі, врешті-решт, затримується системою фільтрації.

Вуглеводні здатні розчиняти обмежену кількість води. З підвищенням температури розчинність води у всіх вуглеводнях збільшується. Температурна залежність розчинності води у паливах описується емпіричним рівнянням:

, (1)

де С_mах – максимальна розчинність води, кг/кг; А і В – фізичні постійні величини для даного палива; Т_т – абсолютна температура палива, °К.

Знаючи розчинність води для двох температур, можна визначити її розчинність для будь-якої іншої температури.

Найпростішою і достатньо точною для підрахунку розчинності води в дизельному паливі є формула [23]:

. (2)

Розчинність води в паливах залежить від вмісту в них ароматичних вуглеводнів і фракційного складу палива. У паливі із більш важкими фракціями розчинність води зменшується.

На основі законів термодинаміки відомо, що розчинена в паливі вода подібно розчиненому газу, підкорюється закону Генрі:

C_w = K_w × P_п, (3)

де K_w – коефіцієнт пропорційності; Р_п – парціальний тиск пари води, Па.

Це означає, що вміст води, розчиненої у вуглеводні за даної температури, визначається парціальним тиском пари води в повітрі і розчинністю її в паливі за тієї ж температури.

Ліпштейн показав, що K_w – це відношення максимальної розчинності води в паливі до тиску насиченої пари води за тієї ж температури:

,

де Р_н – тиск насиченої пари, Па.

Підставляючи значення K_w у формулу (3), одержимо:

. (4)

Оскільки відношення Р_п/Р_н є відносною вологістю повітря D₀, то й вираз (4) представляється наступним чином:

С_W = С_max ×D₀, (5)

Таким чином вміст розчиненої води в паливі прямо пропорційний відносній вологості повітря.

У тих випадках, коли температура повітря, що перевищує температуру палива, відносна вологість досягає величини, що Р_п перевищує Р_н тобто D₀ за такої температури, яку має паливо, перевищує 100%, відбувається конденсація водяної пари з повітря в паливо. Чим більша різниця між температурами повітря і палива, тим за меншого значення D₀ відбудеться конденсація водяної пари. Швидкість конденсації залежить від відношення Р_п/Р_н і абсолютного значення тиску водяної пари, збільшуючись з їх зростанням.

Зменшення вмісту води у паливі за одночасного охолодження його і повітря відбувається в результаті переходу води в повітряний простір. Якщо паливо охолоджується швидко, то вода за час охолодження може не встигнути перейти з палива в повітря і виділятиметься у вигляді другої рідкої фази. Отже, вміст води в паливі під час охолодження залежить і від швидкості охолодження.

Якщо паливо, насичене водою, охолоджуватиметься в герметичних умовах в повністю заповненій посудині, то внаслідок зменшення розчинності води в паливі з пониженням температури вміст її перевищить розчинність за даної температури і надмірна кількість виділятиметься у вигляді крапель. Краплі води з палива виділяються і у тому випадку, коли охолоджуване паливо стикається з повітрям, але умови такі, що вода, яка міститься в паливі, не встигає перейти у повітря. Краплі води в паливі утворюються також під час потепління, якщо тиск водяної пари в повітряному просторі над паливом перевищуватиме тиск насиченої пари води за температури палива.

Друга рідка фаза в паливі у вигляді крапель води утворюється в результаті конденсації водяної пари, що знаходиться в паливі в розчиненому стані. Самовільна конденсація водяної пари за відсутності ядер конденсації можлива лише у випадку високого ступеня перенасичення середовища водяними парами. Проте в паливі, навіть в ретельно відфільтрованому, завжди міститься багато механічних домішок, здатних адсорбувати на своїй поверхні молекули пари.

Ступінь перенасичення має істотний вплив на швидкість конденсаційного росту крапель. Під час охолодження палива, коли умови для значного перенасичення не створюються, повинні утворюватися краплі невеликого розміру. Навпаки, під час конденсації пари води з повітряного простору на холоднішій поверхні палива, особливо за великої різниці температур повітря і палива, умови для швидкого конденсаційного зростання крапель води сприятливіші, внаслідок чого утворюються крупніші краплі.

Якщо в результаті охолодження палива за позитивних температур вміст води, розчиненої в паливі, перевищує її розчинність за даної температури, то надлишкова вода з палива може виділитися тільки у вигляді крапель. За негативних температур палива надлишкова вода, що виділяється з палива, повинна утворювати кристали льоду. Можливі два шляхи їх утворення – з попереднім виділенням крапель води і подальшим їх замерзанням і без проміжної рідкої фази.

В атмосфері і в паливі кристали льоду утворюються по першому шляху – спочатку виділяються краплі води. У ряді випадків незалежно від середовища, в якому краплі води виділяються, вони здатні переохолоджуватися. Ступінь переохолодження крапель визначається їх розміром – з його зменшенням ступінь переохолодження крапель зростає.

Встановлено, що в процесі охолодження палива, що містить емульсійну воду, краплі води переохолоджуються незначно. Вже за температур від -6 до -11°С починається кристалізація крапель розміром 10-20 мкм і більше, характерних для емульсійної води. Краплі води, що утворилися внаслідок конденсації розчиненої води, замерзають за нижчих температур. Так, краплі води розміром 5-10 мкм кристалізуються за -45°С.

Крім швидкості охолодження на ступінь переохолодження крапель води, що виділяються з палива, помітний вплив мають механічні домішки. Здатність крапель води, що виділяються з палива, до переохолодження представляє серйозну небезпеку з погляду подальшого утворення в паливі кристалів льоду.

Переохолоджений стан крапель води нестійкий – достатньо якої-небудь незначної дії, щоб відбулася їх спонтанна кристалізація, супроводжувана рясним утворенням кристалів льоду. Такою дією може стати, наприклад, інтенсивне перемішування палива, тісний контакт його з металевими деталями, попадання в паливо більш активних ядер льодоутворення або інею (сніжинок).

Коливання паливного бака під час запуску машини може призвести до спонтанного замерзання переохолоджених крапель води, засмічення фільтра і зупинки двигуна.

Під час похолодання стінки місткості бака охолоджуються швидше, ніж повітря в надпаливному просторі і паливо. Внаслідок цього тиск насиченої пари води в шарі біля самої стінки стає нижчим, ніж її тиск в надпаливному просторі місткості, внаслідок чого, якщо температура стінок місткості опускається нижче 0 °С, починається конденсація пари води на стінках бака з утворенням інею.

У випадку пониження температури палива розчинена в ньому вода переходить в повітряний простір бака і тим в більшій мірі, чим інтенсивніше охолоджується паливо, при цьому тиск насиченої пари води в повітряному просторі паливного бака зростає, що сприяє накопиченню інею на стінках бака за негативних температур.

За неправильного зберігання палива в резервуарах і баках з несправною дихальною апаратурою, а також порушеною герметизацією можливе пряме попадання атмосферних опадів в паливо.

Основні джерела обводнення палива ідентичні, як для випадків зберігання палива в резервуарах нафтоскладів, так і для застосування в паливних системах дизелів. Проте процес обводнення палива в баках машин має свої особливості, зумовлені специфікою конструкцій і роботи паливних систем.

Література

1. Сандомирський М. Г. Трактори та автомобілі. Ч. 1. Автотракторні двигуни: Навч. посіб. / М. Г. Сандомирський, М. Ф. Бойко, А. Т. Лебедєв та ін.; За ред. Проф. А. Т. Лебедєва. – К.: Вища шк., 2000. - 357 с.

2. Чабанний В.Я. Паливно-мастильні матеріали, технічні рідини та системи їх забезпечення: Книга 2 / В.Я. Чабанний – Кіровоград: Центрально-Українське видавництво, 2008. – 500 с.