تاثیر آب آزاد و زنگار بر روی نقطه اشتعال

گردآورنده : فرشاد جعفری

دیزل  به عنوان سوخت در بسیاری از موتورهای صنعتی و تجاری استفاده میشود.

مقدار آب و زنگار با نقطه اشتعال  اندازه گیری و بررسی میشود و بدلیل وجود آب نقطه اشتعال افزایش می یابد که نشاندهنده مناسب نبودن حضور قطرات آب در سوخت دیزل میباشد.این مقاله بیشتر کمک میکند به قضاوت درمورد کیفیت سوخت از کف مخزن که اغلب دارای قطرات آب و زنگار میباشد.

سوخت دیزلی مایع سوختی میباشد که در موتورهای دیزلی مشتعل میشود بدون هیچ جرقه ای در اثر ورود هوای فشرده و اختلاط با سوخت مشتعل  میشود.

موتورهای دیزلی کاربردهای بیشتری دارند بنابراین بهره وری دینامیکی بالاتری دارند بدین ترتیب سوخت های با بهره وری بالایی هستند این امر بویژه در زمانیکه موتورهای دیزلی با بار جزئی کار میکنند حائز اهمیت است وهوای داخل موتور آنها مانند موتورهای بنزینی کاهش نمیابد و راندمان آنها همچنان بالاست. رایج ترین سوخت دیزل تقطیر خاص نفت کوره است اما جایگزین هایی که از نفت مشتق نشده اند مثل بیو دیزل و زیست توده به مایع یا گاز به مایع دیزل بطور روز افزون در حال توسعه و پذیرش هستند و برای شناسایی این نوع ها که تنوع  زیادی دارنداستاندارد هایی تعریف شده است .استاندارد تعریف شده بیودیزل  تاکید بر پایین بودن گوگرد را داشته و  از سال 2016، تقریباً تمام سوخت دیزل بر پایه نفت موجود در بریتانیا، اروپا و آمریکای شمالی از نوع (پایین بودن گوگرد سوختهای دیزلی)ULSD است در انگلستان، سوخت دیزل برای استفاده در جاده ها معمولاً به اختصار DERV نامیده می شود، که مخفف خودروی جاده ای با موتور دیزل است که مالیاتی را نسبت به سوخت معادل برای مصارف غیر جاده ای میپردازد. ·

1.1گازوئیل نفتی که پترودیزل یا دیزل فسیلی نیز نامیده می شود رایج ترین نوع سوخت دیزل است ،که از تقطیر نفت خام در دمای بین 200تا 350درجه سانتیگراد و فشار محیط  بوجودمی آید که مخلوطی از زنجیره های مختلف کربنی بین 8تا 21 کربن میباشد. ·

1.2 برخلاف موتورهای بنزینی و گاز مایع، موتورهای دیزلی از جرقه زنی با ولتاژ بالا (شمع) استفاده نمی کنند. موتوری که با دیزل کار میکند هوای فشرده را وارد سیلندر میکند وهمراه  است با افزاش دما و فشار و موتور معمولاً سوخت دیزل را مستقیماً به داخل سیلندر تزریق می کند، چند درجه قبل از نقطه اشتعال شروع می شود و در طول رویداد احتراق ادامه می یابد.

دمای بالا در داخل سیلندر باعث می شود که سوخت دیزل با اکسیژن موجود در مخلوط واکنش نشان دهد وسوختن مخلوط وبالا رفتن دما درموتور منجر به حرکت فیزیکی میشود. موتورها دارای شمع‌های تابش و گرمکن‌های شبکه‌ای هستند که با پیش‌گرم کردن سیلندرها تا حداقل دمای کار، به راه‌اندازی موتور کمک می‌کنند.موتورهای دیزلی بدون احتراق هستندو به موجب انجام واکنش شیمیایی سوختن درون موتور نیاز به اکسیژن زیادی میباشد  بنابراین آنها از سوخت کمتری استفاده میکنند نسبت به موتورهایی که احتراق جرقه ای دارند که از نسبت استوکیومتری سوخت وهوا استفاده میکنند.همانطور که پرفسور هاروی از دانشگاه تورنتو ذکر میکند به دلیل عدم وجود گاز و نسبت تراکم بالا و مخلوط سوخت وهوا ، موتورهای دیزلی به طور کلی کارآمدتر از موتورهای جرقه ای هستند.

هاروی به مقایسه‌های جانبی شیپر و همکاران اشاره می‌کند. و تخمین زده می شود که مصرف سوخت کمتر از 20 درصد و مصرف انرژی کمتر از 15 درصد باشد. توربین گازی و برخی دیگر از انواع موتورهای احتراق داخلی و موتورهای احتراق خارجی، هر دو نیز می توانند برای مصرف سوخت دیزل طراحی شوند.·

1.3  نقطه اشتعالنقطه اشتعال کمترین دمایی است که در آن بخارات یک ماده فرار با عبور منبع اشتعال از سطح ماده  مشتعل می شود.گاهی اوقات ممکن است نقطه اشتعال با دمای اشتعال خودکار اشتباه گرفته شود، که دمایی است که در آن بخار بدون منبع احتراق خود به خود مشتعل می شود.نقطه آتشگیری پایین ترین دمایی است که بخار پس از احتراق و حذف منبع احتراق در آن همچنان  به سوختن ادامه میدهد.نقط آتش گیری بالاتر از نقطه اشتعال است و  بخارات مورد انتظار پس از حذف منبع اشتعال سوختن ادامه پیدا میکند. نه نقطه اشتعال و نه نقطه آتشگیری به طور مستقیم به دمای منبع احتراق بستگی ندارد، اما ممکن است درک شود که دمای منبع اشتعال به طور قابل توجهی بالاتر از نقطه اشتعال یا آتشگیری است.

نقطه اشتعال یک ویژگی توصیفی است که برای تمایز بین مایعات قابل اشتعال مانند بنزین و مایعات قابل احتراق مانند گازوئیل استفاده می شود.همچنین برای شناسایی خطرات آتش سوزی مایعات استفاده می شود. بسته به استاندارد مورد استفاده، مایعاتی که نقطه اشتعال آنها کمتر از 37.8 یا 60.5 درجه سانتیگراد (100.0 یا 140.9 درجه فارنهایت) است، قابل اشتعال نامیده می شوند  در حالی که مایعاتی که نقطه اشتعال آنها بالاتر از این دما است، قابل احتراق نامیده می شوند.

·      1.4مکانیسم

همه مایعات دارای فشار بخار خاصی هستند که تابعی از دمای مایعات است و تابع قانون بویل است. با افزایش دما، فشار بخار افزایش می یابد. با افزایش فشار بخار، غلظت بخار یک مایع قابل اشتعال یا احتراق در هوا افزایش می یابد از این رو، دما ، غلظت بخار مایع قابل اشتعال را در هوا تعیین می کند. غلظت معینی از بخار قابل اشتعال برای حفظ احتراق در هوا، یعنی حد پایین قابل اشتعال، ضروری است و این غلظت متفاوت است و مخصوص به هر مایع قابل اشتعال یا احتراق است.

نقطه اشتعال پایین ترین دمایی است که در آن بخار قابل اشتعال کافی برای القای اشتعال در هنگام اعمال منبع احتراق وجود دارد. ·

1.3.2اندازه گیریدونوع اندازه گیری نقطه اشتعال:1-اشتعال باز 2- اشتعال بسته وجود دارد.در تجهیزات اشتعال  باز، نمونه در یک کاپ  باز قرار می‌گیرد که حرارت داده می‌شود و در فواصل زمانی، منبع اشتعال از روی سطح  آن عبور میدهیم.

نقطه اشتعال اندازه گیری شده در واقع با  تغییر ارتفاع شعله بالای سطح مایع تغییر می کند و ارتفاع منبع اشتعال نسبت مستقیم با نقطه اشتعال و نقطه آتش گیری دارد  تعیین نقطه اشتعال در اشتعال باز از دستگاه کلیوند ااستفاده میشود.

دو نوع تست کاپ بسته وجود دارد:1- بدون تعادل مثل پنسکی مارتینز که دمای  بخار بالای مایع با دمای مایع در تعادل نیستند. مانند مقیاس های کوچک

2- جایی که دمای بخارات با دمای مایع در تعادل هستند .

در هر دو نوع، کاپها  با درب بسته  انجام می شوند که از طریق آن می توان منبع احتراق را وارد کرد.

تسترهای کاپ  بسته معمولاً مقادیر کمتری را برای نقطه اشتعال نسبت به کاپ باز نشان  می دهند (معمولاً 5-10 درجه سانتیگراد یا 9-18 درجه فارنهایت پایین تر) و تقریب بهتری برای  پیش بینی دمایی هستند که در آن فشار بخار به حد پایین اشتعال می رسد. نقطه اشتعال یک اندازه گیری تجربی به جای یک پارامتر فیزیکی اساسی است. مقدار اندازه‌گیری شده با تغییرات تجهیزات و پروتکل آزمایش، از جمله نرخ رمپ دما (در آزمایش‌کننده‌های خودکار)، زمان مجاز برای تعادل نمونه، حجم نمونه و اینکه آیا نمونه هم زده شده است، متفاوت خواهد بود.

روش های تعیین نقطه اشتعال یک مایع در بسیاری از استانداردها مشخص شده است.

تعیین نقطه اشتعال با روش کاپ بسته

به عنوان مثال، آزمایش با روش کاپ  بسته Pensky-Martens در ASTM D93 به تفصیل آمده است.

تعیین نقطه اشتعال با روش کاپ بسته در مقیاس کوچک در ASTM D3828 به تفصیل آمده است و تست نقطه اشتعال و راهنمای ISO TR 29662 برای تست نقطه اشتعال جنبه های کلیدی تست نقطه اشتعال را پوشش می دهد.

در آزمایش نقطه اشتعال کاپ  بسته Pensky-Martens یک کاپ تست برنجی با یک نمونه آزمایشی پر شده و با یک پوشش نصب می شود.نمونه حرارت داده می شود و بسته به ماده ای که در حال آزمایش است با سرعت های مشخصی هم زده می شود.

یک منبع اشتعال در فواصل زمانی معین با قطع هم‌زمان  به داخل کاپ هدایت می‌شود تا زمانی که جرقه‌ای در داخل کاپ پخش ن شود روش ادامه پیدا میکند و در صورت مشاهده اشتعال داخل کاپ  دمای مشاهده شده  شده همان دمای اشتعال است .

کاپ بسته Pensky-Martens با درب بسته شده است که از طریق آن می توان منبع احتراق را به صورت دوره ای وارد کرد که دمای بخار بالای مایع در تعادل با دمای مایع داخل کاپ فرض میشود . تست کاپ  بسته مقادیر کمتری برای نقطه اشتعال نسبت به تست کاپ  باز (معمولاً 5-10) K ارائه می دهند و تقریب بهتری برای دمایی هستند که در آن فشار بخار به “حد اشتعال پایین  LFL می رسد و عدد بدست آمده صحیح تر است.

• آزمایشگاهی

آب و زنگار به دیزل اضافه می شوند تا تغییرات رخ داده برای مقدار نقطه اشتعال بررسی شود :

3.1 اضافه کردن آب

تست اندازه گیری آب: با استفاده از تیتراتور کارل فیشر

• روش اختلاط

گازوئیل و آب به خوبی مخلوط شده و به مدت 10 دقیقه در ظرف دربسته تکان داده شده و به مدت 24 ساعت برای اشباع شدن در دمای 28 درجه سانتیگراد نگهداری می شود.

 

 

S.NO	Diesel added (g)	Amount of water added (g)	Amount of water measured(ppm)
1	52	1056	30050
2	52	1.04	20015
3	52	0.52	9993
4	52	0.26	5080
5	52	0	180

Table.1 Amount of water added

 

• 2 افزودن زنگار

نمونه ها به 3 روش تهیه شدند:

نمونه با رسوبات: 1.جمع آوری شده از کف مخزن جایگاه سوخت. 2. اضافه شده به طور مستقیم 3. پس از فیلتراسیون.

نمونه دیگری در ظرف آهنی به مدت 20 روز نگهداری شد.

زنگار به نسبت های مختلف به دیزل اضافه شده است.

 

S.NO	Diesel added (g)	Amount of water added(g)
1	52	1.56
2	52	1.04
3	52	0.52
4	52	0.26
5	52	0

Table.2 Rust added at different proportion

 

• روش انجام آزمون :

1.کاپ آزمایش را با نمونه تا سطحی که با علامت پر کردن مشخص شده است پر کنید.

درب کاپ تست را بگذارید و آن را در محفظه گرما قرار دهیدو مطمئن شوید دستگاه درست بسته شده است و دماسنج را ببندید منبع احتراق  روشن کنید و قطر آن را تا 4 میلی متر تنظیم کنید و هیتر دستگاه را روشن کرده و میزان سرعت دمایی را تنظیم کرده که در طول انجام آزمایش با سرعت معینی کاپ حاوی نمونه گرم شود. کاپ حاوی نمونه  را باید با سرعت و در جهت پایین به هم بزنید .

2.وقتی انتظار میرود که تست نقطه اشتعال پایین تری داشته باشد  منبع احتراق را زمانی که دمای نمونه کمتر از نقطه اشتعال مورد انتظار است عبود دهید و پس از آن در فواصل دمایی منظم  عبور دهید.  در لحظه عبور منبع احتراق هم زدن را متوقف کنید و منبع احتراق را با  مکانیسم روی درپوش، که کرکره و منبع احتراق را کنترل می کند، به کار ببرید بطوری که در فضای بخار کاپ آزمایش پایین آمده و بسرعت به موقعیت بالا برمیگردد.

3.هنگام انجام آزمایش ماده ای با نقطه اشتعال نامشخص، آزمایش اولیه را در دمای شروع مناسب انجام دهید.اولین کاربرد منبع اشتعال را در دمای بالاتر از شروع کار انجام دهید و روش ارائه شده در قسمت 2 را دنبال کنید.

4. نقطه اشتعال مشاهده شده یادداشت شود.

دمای نمونه خوانده شده روی دماسنج را در زمانی که منبع احتراق باعث ایجاد فلش مشخص در داخل کاپ آزمایش می شود، ثبت کنید. نقطه اشتعال واقعی را با هاله آبی رنگی که گاهی منبع احتراق را در دماهای  قبل از نقطه اشتعال واقعی احاطه می کند، اشتباه نگیرید.

5. هنگامی که دمایی که در آن نقطه اشتعال مشاهده می شود کمتر یا بیشتر از دمای اولین عبور از منبع احتراق باشد، نتیجه معتبر نیست کاپ نمونه را با یک نمونه تازه پر کرده  و آزمایش را مجدد تکرار میکنید . دمای اولین استفاده از منبع احتراق را تا زمانی که یک دمای معتبر به دست آید، تنظیم کنید، یعنی جایی که نقطه اشتعال بالاتر از دمای اولین استفاده از منبع احتراق است

 

• مشاهدات

S.NO	Diesel added (g)	Amount of water measured (ppm)	Flash point observed()
1	52	30050	72
2	52	20015	66
3	52	9993	65
4	52	5080	62
5	52	180	60

Table.3 water in diesel

 

S.NO	Diesel added (g)	Amount of Rust added (g)	Flash point observed()
1	52	1.56	59
2	52	1.04	59
3	52	0.52	60
4	52	0.26	60
5	52	0	61

Table.4 Rust in diesel

 

 

·       نمونه گرفته شده از پایین جایگاه سوخت بدون فیلتراسیون : نقطه اشتعال 61  درجه سانتی گراد

• نمونه گرفته شده از کف جایگاه سوخت با فیلتراسیون : نقطه اشتعال 61  درجه سانتی گراد
• نمونه نگهداری شده در ظرف آهن به مدت 20 روز: 62 درجه سانتیگراد
• نتایج

روش تست استاندارد IS 1448 P21 برای آزمایش تمام نمونه ها به دقت دنبال شد. حضورآب آزاد در سوخت دیزل نشان دهنده افزایش نقطه اشتعال است که پارامتر بسیار مهمی برای توجیه راندمان احتراق است. در شرایط واقعی سوخت دیزل ممکن است حاوی قطرات آب باشد یا موتور ممکن است با قطرات آب مواجه شود.

افزایش نقطه اشتعال نشان دهنده مصرف سوخت بیشتر در راه اندازی موتور و به دنبال آن کاهش راندمان است.

هر سه نمونه با حضور جامدات و زنگ زدگی تقریباً نقطه اشتعال مشابه نمونه دیزل خالص را نشان می دهند.

 

• نتیجه گیری

حضور آب آزاد در سوخت باعث ایجاد مشکلات احتراق یا احتراق اولیه می شود.

از آنجایی که بیشتر موتورهای دیزل به صورت خودکار مشتعل می شوند، حضور اولیه آب ممکن است باعث ایجاد مشکل در خوداشتعالی شود. این مقاله  به یافتن نقطه اشتعال در حضور آب کمک می کند که می تواند با دمای اشتعال خودکار مرتبط باشد.

وجود زنگ زدگی یا محتویات جامد به مقدار کم واقعاً بر نقطه اشتعال تأثیر نمی گذارد، اما ممکن است قطعات مکانیکی داخل موتور را مسدود کند.