Теплота парообразования топлив

Образование паров вещества сопровождается затратой тепло­ты, необходимой для испарения его жидкой фазы. Количество теп­ла, поглощаемое жидкостью в процессе превращения ее в насы­щенный пар при постоянном давлении, называется теплотой испарения или теплотой парообразования. Эта величина различна для жидких веществ, отличающихся химическим строением, моле­кулярным весом, пределами кипения, и зависит от давления сре­ды, в которую испаряется жидкость. Знание теплоты испарения необходимо для расчетов тепловой аппаратуры и для правильной опенки теплофизических свойств топлив. При нагревании жидкого топлива часть тепла расходуется па его испарение. При этом топливо, выкипающее при более низкой температуре, нагреется меньше, чем высококипящее топливо, испарение которого в тех же условиях будет не столь велико.

Для определения расчетным путем с точностью до 10% тепло­ты испарения индивидуальных органических соединений, в том числе углеводородов, рекомендуются две формулы:

где L — теплота испарения (парообразования), кал/моль; R — универсальная газовая постоянная, равная 1,99 кал/(град•моль); Т — температура, для которой определяется теплота испарения, °К; Р — давление паров углеводородов при температуре Т₁, атм; Т₁ —температура окружающей среды, °К;

где L — теплота испарения (парообразования), кал/моль; T_кип. — температура кипения углеводородов, °К; В — константа; Р — аб­солютное давление окружающей среды (воздуха), атм; Т₁—тем­пература окружающей среды, °К; t — температура, для которой определяется теплота испарения углеводородов, °С; С—константа.

Значения константы С, зависящей от температуры кипения соединения, приведены в табл. 30. Для нахождения ее значений допускается линейная интерполяция. Константа В определяется из уравнения:

где t₇₆₀ — температура, при которой давление насыщенных паров соединения составляет 760 мм рт. ст. (т. е. температура кипения). °С; t₁₀— температура, при которой давление насыщенных паров соединения составляет 10 мм рт. ст., °С; С — константа, взятая из табл. 30.

Если известно экспериментально определенное значение теп­лоты испарения соединения при температуре кипения и атмосфер­ном давлении, можно определить теплоту испарения этого соеди­нения при других температурах по уравнению:

где L — теплота испарения L₁ —теплота испарения при темпера­туре кипения; Т₁—температура, для которой определяется тепло­та испарения, °К; Т₂ — температура кипения соединения, °К.

Теплоту испарения соединения L можно определить по номо­грамме (рис. 29): при этом необходимо знать критическую тем­пературу Т_кр. (в °К), давление насыщенных паров соединения Р_р (в ат) при температуре Т (в °К), для которой определяется теп­лота испарения. В этом случае значение температуры Т (в °К), для которой определяется теплота испарения (левая верти­каль), соединяется сначала со значением критической температуры Т_кр. (в °К), а затем со значением давления насыщенных паров Р_р (правая вертикаль) прямыми линиями. Точки пересечения про­межуточных линий I и II соединяются прямой, проходящей через искомое значение на линии теплоты парообразования L.

Для вычисления теплоты испарения топлива при нормальной температуре кипения (для смеси углеводородов при температуре выкипания 50% объема в условиях стандартной разгонки) можно воспользоваться уравнением:

где T— теплота испарения при нормальной температуре кипения, кал/моль; Т—нормальная температура кипения жидкости, °К; P_кр — критическое давление для жидкости, атм; Т₁ — отношение нормальной температуры кипения к критической температуре.

Теплота испарения топлива при любой другой температуре мо­жет быть вычислена по уравнению:

где L—теплота испарения при данной температуре, кал/моль; R— универсальная газовая постоянная, равная 1,99 кал/(град•моль); Т — нормальная температура кипения жидкости, °К; P_кр. — крити­ческое давление для жидкости, атм; Т₁ — отношение температуры, при которой определяется теплота испарения, к критической температуре; Т₂ — отношение нормальной температуры кипения Т к критической температуре.

Средняя погрешность при использовании этих формул состав­ляет 2,2%.

Теплоту испарения топлив с достаточной для технических це­лей точностью (отклонения менее 1%) можно определить по но­мограмме, зная некоторые другие физико-химические характери­стики топлив (среднюю температуру кипения, плотность, молеку­лярный вес, теплоту сгорания, анилиновую точку и др.). Одна из таких номограмм приведена на рис. 19. При по­мощи этой номограммы можно определить также псевдокритиче­ское давление нефтяных фракций.

Для определения теплоты испарения индивидуальных углево­дородов или углеводородных фракций со средней погрешностью ±0,7% можно воспользоваться номограммой, представленной на рис. 30.

Номограмма отражает взаимозависимость пяти физико-хими­ческих показателей, представленных на логарифмической сетке в координатах lg? и lgt_cp.. Эти показатели следующие.

1. Характеризующий фактор К, зависящий от химического со­става углеводородов. Определяется из уравнения:

где t_cp. — средняя температура кипения, °К (для узких фракций температура 50% отгона в стандартных условиях); ?_15.6^15.6—плот­ность. Если взять ?₄²⁰, то погрешность не превышает ±0,5%.

2. Молекулярный вес М, вычисленный по обобщенной формуле Воинова (погрешность ±2—2,5%):

где t_cр. — средняя температура кипения фракции, °С (температу­ра 50% отгона в стандартных условиях); К — характеризующий фактор.

3. Плотность ?₄²⁰_.

1. Средняя температура кипения t_cр (температура 50% отго­на при стандартной разгонке).

Теплота испарения L, определенная по формуле Трутона— Кистяковского:

где М—молекулярный вес (средний для фракции); L — теп­лота испарения, ккал/кг; t_cp.— средняя температура кипения в °К (для узких фракций температура 50% отгона в стандартных условиях).

По номограмме, на основании двух заранее известных пара­метров из четырех [молекулярный вес, средняя (молекулярная) температура кипения, характеризующий фактор и плотность] мож­но найти теплоту испарения углеводорода или фракции. С увели­чением молекулярного веса и температуры кипения углеводорода теплота испарения его уменьшается. При близком молекулярном весе углеводородов величина теплоты испарения понижается в следующем порядке: ацетиленовые углеводороды, ароматические углеводороды, цилканы, алканы и алкены. Однако разность ве­личин невелика и составляет 10—15 ккал/кг.

При испарении топлива в вакууме и давлении до 5 атм тепло­ту испарения можно подсчитать по формуле:

где L — теплота испарения, ккал/кг; t_s — средняя температура ки­пения, °С.

Для топлив с плотностью 0,64—0,91 и температурой кипения 40—300 °С рассчитанные значения по этой формуле отличаются от экспериментальных не более, чем на 10%.

Теплота испарения керосинов в зависимости от химическо­го состава при нормальном давлении колеблется от 55 до 67 ккал/кг (табл. 31). Эта величина падает до нуля с приближе­нием к критической температуре, которая для керосинов и дизель­ных топлив находится в пределах 400—500 °С.