Министерство транспорта Российской Федерации (Минтранс РФ)
Федеральное агентство воздушного транспорта (РОСАВИАЦИЯ)
ФГОУ ВПО “Санкт-петербургский государственный
университет гражданской авиации”
ГСМ и спецжидкости
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Для студентов всех специализаций
Cанкт-Петербург
2006
2
Одобрено и рекомендовано к изданию Методическим советом ФГОУ ВПО
“Санкт-петербургский государственный университет гражданской авиации”
Ш87(03)
ГСМ и спецжидкости: Методические указания по выполнению лабораторных
работ/ СПб ГУ ГА. С. – Петербург, 2006.
Издаются в соответствии с программой дисциплины " ГСМ и спецжидкости ".
Предназначены для студентов всех специализаций.
Ил. 8, табл.11, библ. 10 назв.
Составители
В. М. Нечаев, канд. техн. наук, проф.
Ф. И. Ткачев, канд. техн. наук доц.
Рецензент
Королев В. А., канд. техн. наук доц.
С
СПб ГУ ГА , 2006
3
Введение
Применение и контроль качества топлив, масел, смазок и специальных
жидкостей основано на знаниях химмотологии – науки о свойствах, качестве и
эффективном использовании ГСМ (горюче-смазочных материалов) и специальных жидкостей (спецжидкостей) в технике.
К эксплуатируемой и создаваемой новой технике предъявляются все возрастающие требования по повышению надежности, долговечности, а также
снижению расхода топлива и смазочных материалов. Эксплуатационные материалы, производимые в основном из нефти, по своему влиянию на показатели
работы техники равнозначны конструкционным материалам. Поэтому знание
их состава, свойств, областей применения, эксплуатационных характеристик,
токсичности, влияния на окружающую среду необходимо специалистам, эксплуатирующим самую разнообразную технику.
На долю авиационного транспорта приходится значительная доля потребляемого высококачественного топлива, масел и смазок. От их качества и
стоимости зависят экономичность эксплуатации, продолжительность и безопасность полета.
Цель использования топлива – получение и использование энергии, выделяющейся при преобразованиях химических связей. В тепловых двигателях
происходит целенаправленное преобразование химической энергии в теплоту, а
затем теплоты в механическую работу.
Полезная работа совершается двигателем машины, транспортного средства. Эффективная эксплуатация технических устройств с тепловыми двигателями различных типов требует применения топлив, обладающих определенными физико-химическими свойствами. Каждое свойство имеет название и значение, которое является показателем качества. Показатели качества нормируются
соответствующими документами и контролируются в процессе производства,
хранения и применения ГСМ. Ряд свойств и показателей качества относят к
эксплуатационным. Они проявляются непосредственно в топливной системе и
двигателе в процессе эксплуатации.
4
Организация контроля качества ГСМ в гражданской авиации учитывает
специфику условий эксплуатации воздушных судов, особенности топливных
систем, а также силовых установок с газотурбинными и поршневыми двигателями. Контроль показателей качества авиационных ГСМ производится с момента поступления их в предприятие гражданской авиации и до заправки воздушного судна. В этом основная задача лабораторий ГСМ, а также инженернотехнического состава. Специалисты инженерно-авиационного комплекса авиапредприятия должны знать физико-химические и эксплуатационные свойства
применяемых ГСМ и спецжидкостей, а также оценивать их качество по соответствующим показателям.
Изучение дисциплины “Горюче-смазочные материалы и специальные
жидкости” требует от студентов личного участия в выполнении экспериментов
по определению показателей качества. Без этого усвоение теоретического материала в полной мере не может быть достигнуто. Индивидуальная самостоятельная работа в условиях лаборатории обеспечит высокое качество знаний, а
также определенные навыки.
По результатам выполнения каждой лабораторной работы оформляется
отчет.
Отчет должен содержать как минимум следующие материалы:
- название лабораторной работы, дату, фамилию студента;
- цель лабораторной работы;
- краткое изложение теоретических основ;
- эскиз лабораторной установки;
- результаты измерений и вычислений;
- выводы по работе, основанные на сопоставлении результатов эксперимента с требованиями или нормативными значениями показателей качества
ГСМ.
Результаты эксперимента и конечные значения параметров целесообразно
представить в наглядном виде, например, в форме таблицы.
5
Студенты ЗФ выполняют лабораторные работы 1…4.
Лабораторная работа 1
Определение плотности топлив
Основные понятия
Плотностью однородного или средней плотностью неоднородного вещества называется масса вещества, заключенная в единице его объема
ρ = m/V,
где m,V – соответственно масса и объем вещества.
Единицей плотности является килограмм на кубический метр – плотность однородного вещества, масса которого при объеме 1 м3 равна 1 кг. Плотность веществ изменяется с изменением температуры. Поэтому для получения
сравнимых результатов плотность определяют при одной и той же температуре
или результаты ее измерения при различных температурах приводят к стандартным условиям. Для горюче-смазочных материалов в соответствии со стандартом такой температурой является 20ºC.
Плотность авиационных топлив не должна быть меньше определенной
величины. Это обусловлено зависимостью от нее важнейшей энергетической
характеристики топлива - теплоты сгорания. В процессе длительного хранения
плотность практически не изменяется, поэтому расхождения значений при ее
определении возможны в результате неправильного отбора проб, вследствие
ошибок при измерении или при случайном смешивании топлив различных марок.
В лабораториях ГСМ плотность обычно измеряется ареометром, более
точные результаты можно получить при измерениях пикнометром.
Ареометрический способ определения плотности основан на законе Архимеда. Ареометр представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд,
снабженный балластом (рис. 1). Форма ареометра должна быть строго симметричной по отношению к оси прибора. При его погружении в жидкость, он должен плавать в ней в вертикальном положении. Шкала плотности ареометра гра-
6
дуирована в единицах плотности, относительной плотности или концентрации
(для двухкомпонентных веществ). Для измерения плотности нефтепродуктов
выпускают ареометры с термометром АНТ-1 и АНТ-2, а также без термометра
АН. При использовании ареометра АН (без встроенного термометра) температура измеряется отдельным термометром до и после измерения плотности.
Определение плотности производится в соответствии с ГОСТом 3900 – 85.
Для получения необходимой точности измерений плотности нефтепродуктов (топлив, смазочных масел и т. д.) используется набор ареометров. Каждый прибор перекрывает небольшой диапазон измеряемой плотности, а все они
– полный диапазон измерений. Ареометры типа АН выпускаются на следующие диапазоны плотности (кг/м3): 650 - 680, 680 - 710, 710 - 740, 740 - 770, 770
- 800, 800 - 830, 830 - 860, 860 - 890, 890 - 920, 920 - 950, 950 - 980, 980-1010,
1010-1040, 1040 -1070; ареометры АНТ – 1- на диапазоны 650 - 710, 710 – 770,
770 – 830, 830 – 890, 890 – 950, 950 – 1010, 1010 – 1070; АНТ – 2 – на диапазоны
670 – 750, 750 – 830, 830 – 910, 910 – 990.
В зависимости от свойств испытуемого продукта пробу доводят до температуры испытания. Температура начала кипения топлив для газотурбинных
двигателей не менее 135°С, поэтому плотность можно определять в соответствии с п/п 4 табл.1.
Оборудование и материалы для выполнения лабораторной работы
При определении плотности топлива необходимы:
- набор ареометров с пределами измерения плотности от 0,690 до 1,000 кг/м3;
- цилиндр стеклянный емкостью 250 – 500 мл.
Вместимость цилиндра, в котором предполагается производить измерения плотности, выбрана такой, чтобы при помещении в находящуюся в нем
пробу топлива ареометра последний мог погружаться на всю высоту и не касаться стенок.
7
Рис.1
1 – шкала плотности; 2 – линия отсчета;
3 – шкала термометра; 4 – балласт
Оборудование и материалы, необходимые для выполнения лабораторной
работы, а именно: набор ареометров с необходимыми диапазонами измерения
плотности, цилиндры, пробы топлив подготовлены заранее. Перед выполнением лабораторной работы преподаватель уточняет марку топлива.
8
Таблица 1
Температура испытаний ГСМ
№ п/п
Вид испытуемого Характеристика продукта Температура испытания
продукта
1
2
Легколетучий
Давление насыщенных
Охлаждают в закрытом
паров ниже 180 кПа
сосуде до 2 °С и ниже
Средней летучести Температура начала кипения не выше 120 °С
3
Охлаждают в закрытом
сосуде до 20 °С и ниже
Средней летучести Температура начала ки-
Нагревают до минималь-
и вязкий
пения не выше 120 °С,
ной температуры для
очень вязкий при 20 °С
приобретения достаточной текучести
4
Нелетучий
Температура начала ки-
Испытывают при любой
пения выше 120°С
температуре не выше
90°С
Задание
- определить плотность топлива при температуре окружающей среды;
- привести результаты измерений к стандартной температуре 20ºC;
- оценить соответствие результатов измерений требованиям стандартов.
Для авиационных топлив значения плотности приведены в табл. 2
Таблица 2
Плотность авиационных топлив
Наименование (марка) топлива
ГОСТ
Плотность при 20ºC, кг/м3, не
менее
ТС-1 высший сорт
10227-86
780
ТС-1 первый сорт
10227-86
775
РТ высший сорт
10227-86
775
9
Порядок выполнения работы
Выбрать ареометр с предполагаемым диапазоном плотности нефтепродукта.
Перед началом измерений выдержать испытуемые пробы топлива, ареометр и цилиндр при одной и той же температуре не менее 15 – 20 минут. Далее
надо установить цилиндр на прочную и устойчивую подставку. Залить в него
испытуемый нефтепродукт. Чтобы на поверхности не образовалась пена, топливо заливают по стенке цилиндра. Медленно и осторожно погружают чистый
и сухой ареометр в жидкость, пока не станет очевидным, что он плавает. После
прекращения колебаний ареометра производят отсчет показаний (значение
плотности) по верхнему краю мениска (рис. 2).
Температуру топлива в цилиндре определяют по термометру ареометра.
Если в ареометре нет термометра, то температуру определяют другим термометром до и после измерений плотности. Температуру измеряют с разрешением
0,5 ºC .
Рис.2
10
Обработка результатов измерений
Результаты выполнения лабораторной работы оформляют в виде отчета.
Плотность, определенную при температуре испытания по шкале ареометра и значение температуры заносятся в таблицу (табл. 3).
Таблица 3
Результаты определения плотности топлив
№
Марка Плотность
Средняя
Темпера-
Плотность,
Плот-
п/п
топли- при темпера- темпера-
тура ис-
приведенная
ность
пытания,
к 20ºC, кг/м3.
по
ва
туре испыта- турная пония (показа- правка
ºC
ния ареомет- плотности
ра), кг/м3
ГОСТ,
кг/м3
на 1 ºC
1
2
Для приведения измеренной при произвольной температуре плотности ρt
к плотности при температуре 20ºC (…ρ20) пользуются формулой:
ρ20 = ρt + γ(t – 20),
где ρt – плотность топлива при температуре испытания, кг/м3;
γ – средняя температурная поправка плотности (табл.4);
t – температура, при которой плотность определена ареометром.
Результат расчета округляют до тысячных долей и заносят в таблицу. Полученные данные сравниваются с данными ГОСТа, после чего делается вывод о
пригодности топлива по данному показателю.
По результатам выполнения работы оформляется отчет, который предъявляется для защиты преподавателю.
11
Таблица 4
Средние температурные поправки при определении плотности
нефтепродуктов ареометром
Плотность, кг/м3
Температурная поправка на 1 ºC
690,0 – 699,9
0,910
700,0 – 709,9
0,897
710,0 – 719,9
0,884
720,0 – 729,9
0,870
730,0 – 739,9
0,857
740,0 – 749,9
0,844
750,0 – 759,9
0,831
760,0 – 769,9
0,818
770,0 – 779,9
0,805
780,0 – 789,9
0,792
790,0 – 799,9
0,778
800,0 – 809,9
0,765
810,0 – 819,9
0,752
820,0 – 829,9
0,738
830,0 – 839,9
0,725
840,0 – 849,9
0.712
Лабораторная работа 2
Определение плотности смазочных масел
Основные понятия
Плотность смазочных масел должна быть не больше определенной стандартной величины(табл.5). Как показатель она характеризует степень окисления масел и их чистоту. Наиболее существенно плотность масла изменяется
при его работе в двигателе. Из масла испаряются легкие фракции, оно засоряется механическими примесями, что, безусловно, повышает плотность. Однако в
данном случае плотность является уже диагностическим параметром, так как
12
характеризует состояние двигателя и его системы смазки. Одной из причин изменения плотности масла может быть попадание в него топлива.
Таблица 5
Плотность смазочных масел
№ п/п
Марка масла
Плотность при 20ºC, кг/м3 , не более
1
МК-8
885
2
МК-8п
885
3
ИМП-10
820
4
МС-8П
875
Оборудование и материалы для выполнения лабораторной работы
При определении плотности смазочных масел необходимы:
- набор ареометров с пределами измерения плотности от 0,690 до 1,000 кг/м3;
- цилиндр стеклянный емкостью 250 – 500 мл.
Вместимость цилиндра, в котором предполагается производить измерения плотности, выбрана такой, чтобы при помещении в находящуюся в нем
пробу топлива ареометра последний мог погружаться на всю высоту и не касаться стенок.
Оборудование и материалы, необходимые для выполнения лабораторной
работы, а именно: набор ареометров с необходимыми диапазонами измерения
плотности, цилиндры, пробы масла подготовлены заранее. Перед выполнением
лабораторной работы преподаватель уточняет марку масла.
Задание
- определить плотность смазочного масла при температуре окружающей среды;
- привести результаты измерений к стандартной температуре 20ºC;
- оценить соответствие результатов измерений требованиям стандартов (см.
табл.5).
Порядок выполнения работы
Плотность смазочного масла определяется ареометром в соответствии с
ГОСТом 3900-85.
13
Особенности метода рассмотрены в лабораторной работе 1. Если смазочное масло очень вязкое при температуре окружающей среды, то пробу нагревают до минимальной температуры для приобретения достаточной текучести.
Обработка результатов измерений
Средние температурные поправки (см. табл. 4) и соответствующее выражение используются при приведении плотности смазочного масла к температуре 20ºC. Результаты измерения и расчета плотности заносят в таблицу(табл. 6),
аналогичную табл. 3.
Полученные данные сравниваются с данными стандартов (см. табл.5), после чего делается вывод о пригодности смазочного масла по данному показателю.
По результатам выполнения работы оформляется отчет, который предъявляется для защиты преподавателю.
Таблица 6
Результаты определения плотности масел
№
Марка Плотность
Средняя
Темпера-
Плотность,
Плот-
п/п
сма-
при темпера- темпера-
тура ис-
приведенная
ность
пытания,
к 20ºC, кг/м3.
по
зочно- туре испыта- турная пого мас- ния (показа- правка
ла
ºC
ния ареомет- плотности
ра), кг/м3
ГОСТ,
кг/м3
на 1 ºC
1
2
Лабораторная работа 3
Определение вязкости топлив
Основные понятия
Одной из характерных особенностей жидкостей является способность изменять свою форму под действием внешних сил. Это свойство жидкости объясняется подвижностью (скольжением) ее молекул относительно друг друга.
14
Вязкость - свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению
одного слоя относительно другого.
Количественно вязкость оценивается динамической вязкостью (коэффициентом внутреннего трения) и кинематической вязкостью. Характерной особенностью внутреннего трения является то, что оно наблюдается не на границе
твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.
Для нормальных ”ньютоновских” жидкостей, представляющих собой индивидуальные вещества, молекулярно-дисперсные смеси или растворы, внутреннее трение (вязкость) при данных значениях температуры и давления является постоянным физическим свойством. Большинство жидких нефтепродуктов
в широком температурном диапазоне можно рассматривать как нормальные
“ньютоновские” жидкости.
Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости среды к ее плотности при той же температуре, т.е. это вязкость на единицу плотности. Данный показатель удобен при использовании его в некоторых уравнениях
гидравлики. При измерениях часто пользуются также величиной относительной
(условной) вязкости, характеризующейся отношением вязкости данной жидкости к вязкости воды при той же температуре.
Основной закон вязкого течения установил И. Ньютон в 1647г. Формулировка динамической вязкости впервые была введена врачом Пуазейлем в 1842
году при изучении процессов циркуляции крови в кровеносных сосудах. Динамическая вязкость характеризуется величиной коэффициента η, входящего в
формулу Ньютона:
F = ηSdv/dx.
Как следует из этого уравнения, η = F/(S dv/dx);
где F - сила сопротивления, Н;
S – площадь слоя жидкости, м2;
dv/dx – поперечный градиент скорости, с-1.
Таким образом, размерность динамической вязкости Нс/м2, или Па с .
15
Паскаль-секунда равна динамической вязкости среды, касательное
напряжение в которой при ламинарном течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равной 1 м/с равно 1 Па.
Кинематической вязкостью называют величину, равную отношению
динамической вязкости η жидкости к ее плотности ρ:
ν = η/ρ,
где ν – кинематическая вязкость, м2/с;
η – динамическая вязкость, Нс/м2;
ρ – плотность, кг/м3.
В лабораториях ГСМ может использоваться единица измерения кинематической вязкости, называемая Стокс (Ст).
Стокс, единица кинематической вязкости, входила в СГС систему единиц.
Стокс равен кинематической вязкости, при которой динамическая вязкость среды плотностью 1 г/см3 равна 1 Пз (Пуаз). Названа в честь Дж. Г. Стокса. На
практике часто применяется в 100 раз меньшая единица - сантиСтокс (сСт, cSt).
Причем, 1 Ст = 10-4 м2/с, а 1 сСт = 10-6 м2/с = 1 мм2/с.
При измерениях часто пользуются также величиной относительной
(условной) вязкости, характеризующейся отношением вязкости данной жидкости к вязкости воды при той же температуре.
В зависимости от способа измерения различают следующие виды вискозиметров: капиллярные (вискозиметры истечения), шариковые, ротационные,
вибрационные и ультразвуковые. Независимо от конструкции вискозиметра
определение вязкости следует проводить в условиях строгого термостатирования. Это связано с зависимостью вязкости от температуры в общем случае нелинейной.
Вязкость бензинов мала и не оказывает существенного влияния на эксплуатационные характеристики воздушных судов. Вязкость топлив для газотурбинных двигателей изменяется при эксплуатации более существенно. От
нее зависят процессы испарения и сгорания топлив, надежность работы топ-
16
ливной аппаратуры и возможность использования топлив при низких температурах.
Оборудование и материалы для выполнения лабораторной работы
При определении вязкости топлива необходимы:
- вискозиметр капиллярного типа;
- металлический штатив для крепления вискозиметра;
- термостат или химический стакан с термостатирующей жидкостью объемом 1
л, высотой 150 – 200 мм. Высота цилиндра должна быть такой, чтобы при установке в него вискозиметра его расширение с мерным объемом топлива было
погружено в жидкость;
- термометр ртутный с ценой деления шкалы 0,1˚C с интервалом измерения от 0
до 50˚C;
- секундомер с делениями через 0,2 с.
Вискозиметры установлены на штативе в стакане с термостатирующей
жидкостью заранее. Перед выполнением лабораторной работы преподаватель
уточняет марку топлива.
Задание
- определить вязкость топлива при температуре 20ºC;
- оценить соответствие результатов измерений требованиям стандартов.
Порядок выполнения работы
В лабораторной работе кинематическую вязкость необходимо определить
с помощью капиллярных вискозиметров (рис. 3, 4,).
Определение вязкости проводится в соответствии с ГОСТом 33 – 2000.
При использовании капиллярных вискозиметров измеряется время истечения
известного количества жидкости сквозь капиллярные трубки определенного
диаметра.
Кинематическая вязкость жидкости равна произведению времени истечения через капилляр определенного ее объема на постоянную вискозиметра (C).
Значение постоянной C устанавливает предприятие-изготовитель и указывает в
17
паспорте вискозиметра. Диапазон измерения вязкости составляет от 0,6 до
30000 мм2/с включительно.
Рис. 3 Вискозиметр типа
Рис. 4 - Вискозиметр
Пинкевича (ВПЖТ-4,
типов ВПЖТ-2, ВПЖ-2
ВПЖ-4)
1, 3 – патрубки; 2 – отверстие; 4 - расширение для
избытка жидкости; М1 – М2 – метки мерного объема жидкости
Вискозиметр помещен в термостат или лабораторный цилиндрический
сосуд с термостатирующей жидкостью. При температурах испытания до 50ºC
такой жидкостью является вода. Время выдержки вискозиметра в термостатирующей жидкости для определения вязкости топлива при температуре 20ºC
должно быть не менее 10 минут. Температура жидкости, измеренная термометром, не должна отличаться от температуры 20ºC более чем на 0,1ºC. При большем отличии необходимо добавить в цилиндр жидкость с более высокой или
18
более низкой температурой, перемешать ее, выдержать 10 минут и опять произвести замер температуры.
Мерный объем жидкости должен заполнить расширение между метками
М1 и М2 (см. рис.3, 4,) . Предварительно вискозиметр выставлен вертикально по
отвесу, топливом заполнена его нижняя часть. При выполнении измерений на
патрубок 3(рис. 3, 4) вискозиметра надета резиновая трубка с воздушным насосом или резиновой грушей. Для заполнения мерного объема необходимо закрыть отверстие 2 и вытеснить топливо таким образом, чтобы расширение 4
было заполнено на 1/3.
Вытеснение необходимо производить достаточно медленно, чтобы в капилляре и в расширении не образовались пузырьки воздуха, разрывы и вспенивание. После этого необходимо открыть отверстие 2. При прохождении метки М1 включают секундомер, наблюдают за опусканием масла в колене 1 вискозиметра и при прохождении метки М2 секундомер выключают. Записывают
время истечения жидкости и повторяют опыт для получения заданного количествам измерений обычно 4 - 5 раз.
Обработка результатов измерений
Кинематическую вязкость топлива в сантистоксах при температуре t вычисляют по формуле:
νt = Cτ,
где C – постоянная вискозиметра (из паспорта);
τ – среднее арифметическое отсчетов времени истечения топлива, с.
Результаты измерений заносятся в таблицу (табл.7).
Полученные данные сравниваются с данными ГОСТ (табл. 8), после чего
делается вывод о пригодности топлива по данному показателю. По результатам выполнения работы оформляется отчет, который предъявляется для защиты
преподавателю.
19
Таблица 7
Результаты определения кинематической вязкости топлив
№
Марка
п/п лива
топ- t испы- Посто-
Время
тания,
янная
истече-
ºC
виско-
ния, с
τ, с
зимет-
νt,
νt в со-
мм2/с
ответствии с
ГОСТ
ра,C
1
2
…
Лабораторная работа 4
Определение вязкости масел
Основные понятия
Основным назначением смазочных масел в двигателях и механизмах является уменьшение трения и износа трущихся деталей. Вязкость жидких смазочных масел – основное качество, определяющее величину жидкостного трения:
F = η SV/h,
где F = сила жидкостного трения:
η = коэффициент динамической вязкости масла;
S = площадь соприкосновения трущихся тел;
h = толщина смазочного слоя;
V = скорость перемещения трущихся поверхностей.
Таким образом, с увеличением скорости перемещения трущихся поверхностей и увеличением вязкости толщина масляного слоя возрастает, величина
потерь на трение изменяется в широком диапазоне. В машинах и механизмах
применяются минеральные и синтетические масла с необходимой вязкостью,
обеспечивающей жидкостное трение при заданной величине нагрузок на вращающиеся или перемещающиеся детали.
20
Таблица 8
Вязкость топлив для ГТД
Норма для марки
Наименование
показателя
ТС-1
высший
сорт
первый
сорт
РТ Метод испытания
высший
сорт
Кинематическая вяз- 1,30
1,25 1,25
кость, мм /с, (сСт): (1,30) (1,25) (1,25)
при 20°С, не менее
по ГОСТ 33-2000
Кинематическая вязкость, мм /с, (сСт):
при минус 40°С, не
более
по ГОСТ 33-2000
8(8)
8(8)
16(16)
Оборудование и материалы для выполнения лабораторной работы
Определение вязкости проводится в соответствии с ГОСТом 33 – 2000.
Для этого необходимы:
- вискозиметр капиллярного типа;
- металлический штатив для крепления вискозиметра;
- термостат или химический стакан с термостатирующей жидкостью объемом 1
л, высотой 150 – 200 мм. Высота цилиндра должна быть такой, чтобы при установке в него вискозиметра расширение с мерным объемом топлива погрузилось в термостатирующую жидкость;
- термометр ртутный с ценой деления шкалы 0,1˚C с интервалом измерения от 0
до 50˚C;
- секундомер с делениями через 0,2 с.
Вискозиметры установлены на штативе в стакане с термостатирующей
жидкостью заранее. Перед выполнением лабораторной работы преподаватель
уточняет марки масел.
21
Задание
- определить значения кинематической вязкости масла при температурах 20ºC
и 50ºC;
- оценить соответствие результатов измерений требованиям стандартов
(табл.9).
Таблица 9
Вязкость смазочных масел
№
Марка масла
п/п
Вязкость
кинематическая, Вязкость кинемати-
мм2/с при 20ºC, не более
ческая,
мм2/с
при
50ºC, не менее
1
МК-8
30,0
8,3
2
МК-8п
30,0
8,3
3
ИМП-10
24,7
-
4
МС-8П
23,9
-
Порядок выполнения работы
Последовательность выполнения лабораторной работы по определению
вязкости масел при температуре 20 ºC полностью идентична определению вязкости топлив.
Испытания при температуре 50ºC проводят, предварительно повысив
температуру термостатирующей жидкости до значения 53…55ºC. При перемешивании жидкости ее температура должна опуститься до необходимого значения, после чего проводятся замеры вязкости. Только за счет инерционности
объема жидкости в цилиндре с достаточной точностью можно провести 3 - 4
замера вязкости при температуре 50ºC.
Обработка результатов измерений
Кинематическую вязкость масла в мм2/с (сантистоксах) при температуре t
вычисляют по формуле:
νt = Cτ,
где C – постоянная вискозиметра (из паспорта);
22
τ – среднее арифметическое отсчетов времени истечения масла, с.
Результаты определения вязкости заносятся в таблицу (табл.10). Полученные данные сравниваются с данными ГОСТ (табл. 9), после чего делается
вывод о соответствии вязкости масла требованиям стандарта.
По результатам выполнения работы оформляется отчет, который предъявляется для защиты преподавателю.
Лабораторная работа 5
Определение наличия водорастворимых кислот и щелочей
Основные понятия
Наличие минеральных кислот и щелочей в нефтепродуктах может объясняться либо неполной нейтрализацией после кислотной очистки, либо плохой
отмывкой свободной щелочи при щелочной очистке. Возможно попадание минеральных кислот и щелочей в очищенные нефтепродукты при транспортировке, при нарушении правил хранения.
Таблица 10
Результаты определения кинематической вязкости ГСМ
№
п/п
Марка масла t испы- Посто-
Время
тания,
янная
истече-
ºC
виско-
ния, с
зимет-
τ, с
νt,
νt в со-
мм2/с
ответствии с
ГОСТ
ра,C
1
2
…
Минеральная кислотность нефтепродуктов в основном объясняется присутствием серной кислоты. Щелочность – присутствием NaOH и Na2CO3. Присутствие минеральных кислот и щелочей в нефтепродуктах недопустимо, так
как эти соединения вызывают коррозию с последующим разрушением элементов конструкции вследствие химического или электрохимического воздействия
на агрегаты и трубопроводы топливной системы и системы смазки. Коррозия
23
снижает ресурсы агрегатов и прочность деталей. Наиболее интенсивной коррозии подвергаются сплавы на основе меди (бронзы) и стальные детали с покрытиями. Коррозия бронз происходит в основном по механизмам химических реакций, стальных изделий - по электрохимическому принципу. Поэтому нефтепродукты, содержащие следы минеральных кислот и щелочей, должны браковаться. Определение наличия водорастворимых кислот и щелочей в топливах и
маслах производится в соответствии с ГОСТом 6307-75.
Оборудование и материалы для выполнения лабораторной работы
Посуда и оборудование лабораторные стеклянные:
- пробирки любого типа, вместимостью не более 10 см ;
- стаканы В-1-100ХС, H-1-100XC;
- колба коническая KH-2-100XC, KH-2-250XC;
- воронка делительная ВД-1-250ХС, ВД-1-500ХС;
- цилиндры 1-25, 1-50, 1-100 ;
- чашка выпарительная;
- пипетки.
Материалы:
- фенолфталеин (индикатор), 1 %-ный раствор в 60 %-ном этиловом спирте;
- метиловый оранжевый (индикатор), 0,02 %-ный водный раствор;
- бензин авиационный марки Б-70, или нефрас-С, или бензин-растворитель для
резиновой промышленности, проверенные на нейтральность;
- вода дистиллированная с рН 6-8, проверенная на нейтральность;
Задание
Определить наличие минеральных кислот и щелочей в пробах топлива ТС-1 и
масла МК-8
Порядок выполнения работы
При испытании жидких нефтепродуктов в делительную воронку (рис.5)
помещают 50 см испытуемого нефтепродукта и 50 см дистиллированной воды, нагретых до 50-60 °С. Легкие нефтепродукты (бензин, лигроин и т. д.), а
24
также продукты, в которых могут образоваться водорастворимые кислоты и
щелочи в результате гидролиза, не нагревают. Если вязкость нефтепродукта
более 75 сСт при 50 °С, то его предварительно смешивают при комнатной температуре с 50 см бензина. Затем добавляют 50 см дистиллированной воды,
подогретой до 50-60 °C.
Рис. 5
1 – пробка; 2 – воронка
Содержимое делительной воронки легко взбалтывают в течение 5 мин, не
допуская образования эмульсии. После отстоя и охлаждения до комнатной температуры отделившийся нижний водный слой осторожно сливают через воронку с бумажным фильтром в коническую колбу. Затвердевшие продукты (парафины, церезин и др.) предварительно прокалывают стеклянной палочкой. Если
при смешении нефтепродукта с водой образуется эмульсия, то водорастворимые кислоты и щелочи экстрагируют, обрабатывая нефтепродукт спиртовым
раствором (1:1), нагретым до 50-60°С (вместо дистиллированной воды).
В полученных вытяжках определяют наличие водорастворимых кислот
и щелочей с помощью индикаторов.
25
Для определения наличия водорастворимых кислот и щелочей в две пробирки помещают от 1 до 10 см вытяжки.
В одну из пробирок помещают две капли раствора метилового оранжевого и сравнивают цвет вытяжки с цветом такого же объема дистиллированной
воды, налитой в третью пробирку, в которую добавляют две капли раствора метилового оранжевого индикатора. Окрашивание вытяжки в розовый цвет указывает на наличие в испытуемом нефтепродукте водорастворимых кислот.
Во вторую пробирку прибавляют три капли раствора фенолфталеина.
Окрашивание раствора в розовый или красный цвет указывает на наличие водорастворимых щелочей.
Обработка результатов измерений
Нефтепродукт считается не содержащим водорастворимых щелочей или
кислот при отсутствии розового или красного окрашивания вытяжки от фенолфталеина или метилового оранжевого индикатора.
По результатам выполнения работы оформляется отчет, который предъявляется для защиты преподавателю.
Лабораторная работа 6
Определение температуры вспышки ГСМ в закрытом тигле
Основные понятия
При эксплуатации топлив и масел происходит их нагревание и испарение.
Пары ГСМ, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь. Самая низкая
температура горючего вещества, при которой в условиях испытания над его поверхностью образуется смесь паров и газов с воздухом, способная вспыхивать в
воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна
для последующего горения, называется температурой вспышки.
Для определения температуры вспышки существуют приборы открытого
и закрытого типов.
В закрытом тигле испытуемый продукт нагревается с постоянной скоростью при непрерывном перемешивании и испытывается на вспышку через
определенные интервалы температур. Температура вспышки в открытом тигле
26
определяется в условиях, при которых пары ГСМ свободно поднимаются над
поверхностью, рассеиваясь в окружающей среде. Температура вспышки в открытом тигле обычно нормируется для масел, она всегда выше температуры
вспышки в закрытом тигле.
По температуре вспышки в закрытом тигле судят об огнеопасности ГСМ.
Жидкости с температурой вспышки 61°С и менее относятся к легко воспламеняющимся. В эксплуатации по этому показателю судят о наличии в маслах случайных примесей, главным образом топлива. По температуре масла, определенной в открытом тигле, судят о расходе его при испарении в двигателе: чем
ниже температура, тем лучше испаряется масло, и тем больше будет его расход
в двигателе.
Оборудование и материалы для выполнения лабораторной работы
При определении температуры вспышки в закрытом тигле применяются:
- аппарат для определения температуры вспышки нефтепродуктов в закрытом
тигле типа ТВЗ (ТВ-1), автоматический прибор типа АТВЗ (АТВ-1), обеспечивающие точность метода. В условиях учебной лаборатории допустимо использовать прибор ПВНЭ (рис. 6);
- термометры типов ТИН1-1, ТИН1-2, ТИН1-3;
- растворители: нефрасы или бензин прямой перегонки, не содержащий присадок;
- секундомер;
- барометр или барометр-анероид;
- экран, окрашенный с внутренней стороны черной краской;
- кальций хлористый гранулированный или натрий хлористый ;
- бумага фильтровальная лабораторная ;
- смесь охладительная или камера холодильная.
Прибор ПВНЭ (ГОСТ 6356-75) предназначен для определения температуры вспышки нефтепродуктов в закрытом тигле в интервале температур от
20 до 275°С в заводских и лабораторных условиях. Условия эксплуатации прибора по температуре и влажности воздуха:
27
- температура окружающего воздуха от 10 до 35°С;
- относительная влажность воздуха при 20°С - до 80%.
Тигель из гнезда ванны вынимают ухватом. Для этой цели на фланце
укреплены два крючка. На внутренней поверхности тигля имеется кольцевая
риска - указатель уровня нефтепродукта.
На крышке тигля расположены: заслонка 8 с механизмом ее перемещения, лампочка 6, наклонная трубка 9 для термометра и мешалка 4 с гибким
валом 10. В крышке прорезаны три отверстия трапецеидальной формы. В нерабочем положении они закрываются заслонкой с двумя отверстиями, которые
соответствуют среднему и боковому отверстиям крышки. При вращении заслонки рукояткой 11 открываются боковые отверстия крышки, а зубец 7
упирается в нижнюю часть лампочки, наклоняя ее к отверстию в крышке. Возвращение заслонки и лампочки в первоначальное положение происходит под
действием пружины, находящейся в колонке механизма перемещения заслонки.
Для перемешивания нефтепродукта и образующейся над его поверхностью смеси паров с воздухом служат мешалка, которая представляет собой
стержень с укрепленными на нем двумя парами лопастей. Нижняя пара лопастей перемешивает нефтепродукт, верхняя - смесь его паров с воздухом.
Верхний конец стержня мешалки прикреплен к гибкому валу с рукояткой для вращения лопастей со скоростью 60 ±15 оборотов в минуту (вручную).
Ванна состоит из корпуса, закрытого крышкой, в центре которого расположен стакан с нагревателем. По дну и боковой поверхности стакана уложена
спираль нагревателя, концы которой выведены к двум зажимам на боковой поверхности корпуса, заполненного теплоизоляционным материалом. Снизу на
корпусе имеется винт для заземления прибора.
Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В через реостат.
28
При подключении прибора по схеме (рис. 7), напряжение уменьшается от
220 В (реостат полностью выведен) приблизительно до 100 В (реостат полностью введен).
Рис. 6
1 – винт для заземления прибора; 2 –ванна; 3 – тигель; 4 – стержень мешалки; 5 – крышка тигля; 6 – масляная лампочка; 7- упор для наклона лампочки; 8
– заслонка; 9 – держатель термометра; 10 – гибкий вал; 11 – ручка заслонки
29
Схему (рис. 8) применяют, если на прибор необходимо подать
напряжение не более 80В (ползун реостата находится примерно в середине
спирали нагревателя).
Плавное изменение напряжения легко получить, подключив прибор к
автотрансформатору или регулятору напряжения, мощность которых должна быть не менее 400 Вт.
При включении прибора в сеть по схеме (см. рис. 7) движок реостата
следует полностью ввести; по схеме (см. рис. 8) - установить в положение,
при котором напряжение на приборе равно нулю.
Рис. 7
Рис.8
Задание
Продолжительность испытания при определении температуры вспышки позволяет в течение одного занятия определить эту величину только для
одного вида ГСМ. Поэтому из двух вариантов задания (см. ниже) выполняется рекомендованный преподавателем.
1. Определить температуру вспышки в закрытом тигле топлива ТС-1;
30
- оценить соответствие результатов измерений требованиям стандартов.
2. Определить температуру вспышки в закрытом тигле масла МК-8;
- оценить соответствие результатов измерений требованиям стандартов.
Порядок выполнения работы
Перед началом работы прибор необходимо заземлить. Если нефтепродукт содержит более 0,05% воды, то перед определением температуры
вспышки его обезвоживают, обрабатывая свежепрокаленной и охлажденной
поваренной солью, сульфатом кальция или хлористым кальцием. После обезвоживания на испытание берут верхний слой нефтепродукта.
Тигель промывают бензином и тщательно высушивают. Перед наливом
нефтепродукт и тигель должны иметь температуру не менее чем на 20°С ниже
предполагаемой температуры вспышки.
Нефтепродукт наливают в тигель до кольцевой риски, закрывают чистой
сухой крышкой, вставляют термометр и помещают тигель в ванну.
При испытании нефтепродуктов с температурой вспышки до 50°С
нагревательная ванна должна быть предварительно охлаждена до комнатной температуры (20±5°С).
При отсутствии газа заправляют фитильную лампочку, вставив в ее
трубку фитиль, а в коробку — кусочек ваты. Фитиль и вату смачивают машинным маслом с добавлением растительного (подсолнечного) для того, чтобы температура вспышки заправляемого масла была выше температуры
вспышки нефтепродуктов.
Пламя лампочки регулируют так, чтобы его форма была близка к
шару диаметром 3 - 4 мм.
Прибор помещают в таком месте, где нет заметного движения воздуха
и где свет настолько затемнен, что вспышка хорошо видна. Его окружают
экраном высотой 500— 650 мм, окрашенным с внутренней стороны черной
краской.
31
Барометрическое давление определяют по барометру или принимают в
соответствии с метеорологическими данными о погоде.
Температуру вспышки в закрытом тигле определяют следующим образом.
При испытании нефтепродуктов с температурой вспышки до 50°С температуру повышают со скоростью 1°С в минуту при непрерывном перемешивании нефтепродукта (от начала до конца опыта).
При анализе нефтепродуктов с температурой вспышки от 50 до 150°С
начальное нагревание ведут со скоростью 5—8°С в минуту, а продуктов с
температурой вспышки выше 1509С — со скоростью 10—12°С в минуту при
периодическом перемешивании.
Во избежание поломки гибкого вала, вращающего стержень мешалки,
перемешивание следует производить плавно и медленно, вращая вал в том
направлении, в котором он закручен.
После того, как нефтепродукт нагреется до температуры на 30°С ниже
предполагаемой температуры вспышки, его нагревают так, чтобы температура повышалась со скоростью 2°С в минуту.
При температуре нефтепродукта на 10°С ниже ожидаемой температуры
вспышки испытание на вспыхивание начинают проводить через 1°С для продуктов с температурой вспышки до 50°С и через 2°С — для продуктов с
температурой вспышки выше 50°С. Нефтепродукт при этом все время перемешивают.
Перемешивание прекращают в момент вспышки. Отверстия крышки открывают на 1 секунду; если вспышка не произошла, продукт вновь перемешивают, повторяя операцию зажигания через 1°С для нефтепродуктов с температурой вспышки до 50°С и через 2°С - для нефтепродуктов с температурой
вспышки выше 50°С.
Вспышкой считается появление голубоватого пламени, быстро пробегающего по поверхности нефтепродукта. Вспышка иногда сопровождается
слабым звуком; часто при испытании на вспышку гаснет лампочка. Для
32
быстрого зажигания фитильной лампочки необходимо всегда иметь зажженную спиртовую горелку.
После получения первой вспышки испытание продолжают, повторяя зажигание через 1°С - для нефтепродуктов с температурой вспышки до 50° и через 2°С - для нефтепродуктов с температурой вспышки выше 50°С. Если при
этом вспышки не произойдет, все испытание повторяют заново. Если при повторном определении температура вспышки будет такой же, как и при первом определении, а повторения вспышки через 2°С также не произойдет,
определение считают оконченным, и за температуру вспышки принимают показание термометра в момент первой вспышки в тигле при двух параллельных
определениях (с учетом поправок на атмосферное давление и показание термометра).
ПОПРАВКА НА БАРОМЕТРИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
Если барометрическое давление отличается от стандартного – 101,3
кПа (760 мм рт. ст.), температуру вспышки вычисляют алгебраическим сложением найденной температуры и температурной поправки Δt (табл.11).
Таблица 11
Температурные поправки на барометрическое давление при определении температуры вспышки в закрытом тигле
Барометрическое давление,
Поправки, °С.
мм. рт. ст.
688-716
+2
717-745
+1
775-803
-1
Обработка результатов измерений
Результаты измерений температуры вспышки в закрытом тигле сравнивают с нормативными значениями: для топлива ТС-1 температура вспышки не
менее 28°С, для масла МК-8 - не ниже 140°С. После этого делается вывод о
соответствии температуры вспышки топлива или смазочного масла требованиям стандартов.
33
По результатам выполнения работы оформляется отчет, который предъявляется для защиты преподавателю.
Литература
Основная
1. Василенко В.Т., Черненко Ж.С. Влияние эксплуатационных факторов
на топливную систему самолета.- М.: Машиностроение, 1986. 184 с.
2. Козаченко А.И., Ластовец А.Н. Испытания и контроль качества ГСМ:
Учебник для вузов ГА. М.: Транспорт, 1987. 311 с.
3. Литвинов А.А. Основы применения горюче-смазочных материалов в
гражданской авиации. – М.: Транспорт, 1987. – 308 с.
4. Методические рекомендации по анализу качества горюче-смазочных
материалов. Ч. 2- М.: Воздушный транспорт, 1987. - 168 с.; ил.
5. Некипелов Ю. Г. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости: Учебное пособие. - Киев: КИИГА, 1986. 88 с.
6. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент
и применение: справ. изд. / Под ред. В.М. Школьникова. – М.: Химия,
1989. – 432 с.; ил.
Дополнительная
7. ГОСТ 33 – 2000 (ИСО 3104 94). Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости.
8. ГОСТ 3900 - 85. Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности.
9.
ГОСТ 6307-75. Нефтепродукты. Метод определения наличия водорастворимых кислот и щелочей
10. ГОСТ 6356 – 75. Нефтепродукты. Метод определения температуры
вспышки в закрытом тигле.
