POMIAR TEMPERATUR ZAPŁONU, PALENIA I KRZEPNIĘCIA OLEJÓW SMAROWYCH

Transkrypt

1 ĆWIĆZENIE NR 5 POMIAR TEMPERATUR ZAPŁONU, PALENIA I KRZEPNIĘCIA OLEJÓW SMAROWYCH 1

2 1. Wybrane właściwości olejów smarowych Ogrzewanie cieczy organicznych, do których zalicza się większość płynów eksploatacyjnych powoduje wydzielanie się z nich lotnych składników. Tworzą one z powietrzem mieszaniny, które w zetknięciu z płomieniem lub iskrą mogą ulec zapłonowi. Warunkiem powstania zapłonu jest, aby stężenie par w mieszance z powietrzem było zawarte w określonych granicach, zwanych granicami zapłonu, a iskra lub płomień wnosiły do układu energię większą od niezbędnej do wywołania reakcji palenia. Wyróżnia się dolną i górną granicę zapłonu. Dolna granica zapłonu jest to minimalne stężenie par produktu w powietrzu, przy którym wprowadzenie płomienia lub iskry, o energii większej niż energia zapłonu, spowoduje zapłon. Górna granica zapłonu jest to stężenie par produktu, powyżej którego zapłon nie wystąpi. Granice zapłonu zależą od wielu czynników, z których najważniejsze to: - skład chemiczny par substancji, - ciśnienie, - stężenie tlenu, - stężenie i rodzaj gazów obojętnych, - kształt przestrzeni otaczającej obszar, w którym wystąpi zapłon, - umiejscowienie płomienia, - i inne. Temperatura zapłonu jest to najniższa temperatura, w której ciecz ogrzewana w znormalizowanych warunkach wydzieli ilość par, wystarczającą do wytworzenia z powietrzem mieszaniny zapalającej się po zbliżeniu płomienia. W tych warunkach ilość wytwarzanych par jest niewystarczająca do podtrzymania palenia, gdyż w stan pary przedostaje się zbyt mało cząstek produktu w jednostce czasu. Po wypaleniu się tych par, płomień gaśnie. Dalsze podnoszenie temperatury prowadzi do osiągnięcia stanu, w którym ilość wydzielanych par w jednostce czasu jest równa ilości par spalanych. Wystarcza to do podtrzymania palenia. Temperaturę, w której nastąpi taka równowaga nazywa się temperaturą palenia. Od temperatury zapłonu i palenia należy odróżnić temperaturę samozapłonu. Temperatura samozapłonu jest to najniższa temperatura, w której następuje samoczynne

3 zapalenie się par cieczy w atmosferze powietrza, bez udziału zewnętrznych strumieni ciepła oraz punktowych źródeł ciepła. Temperatury zapłonu, palenia i samozapłonu wybranych płynów eksploatacyjnych przedstawiono w tabeli 1. Temperatury zapłonu i samozapłonu są parametrami charakteryzującymi mieszaniny z powietrzem par cieczy, gazów i pyłów pod względem zagrożenia pożarowego i wybuchowego. Tabela 1. Temperatury: zapłonu, palenia i samozapłonu wybranych płynów eksploatacyjnych. Grupa płynów eksploatacyjnych Temperatura [ Ć] Zapłonu Palenia Samozapłonu Benzyny silnikowe (-40) (-20) (-35) (-5) Benzyny lotnicze (-42) (-30) (-35) (-20) Nafty lotnicze Oleje napędowe Oleje opałowe Oleje silnikowe Oleje przekładniowe Płyny ATF Oleje hydrauliczne Oleje mineralne do turbinowych silników lotniczych Oleje syntetyczne do turbinowych silników lotniczych Wyróżnia się trzy klasy zagrożenia pożarowego: klasa I: ciecze o T z < 21 Ć (np. benzyna); klasa II: ciecze o T od 21 Ć do 55 Ć (np. oleje napędowe, nafty); klasa III: ciecze o T od 55 Ć do 100 Ć (np. oleje opałowe). Zaostrzone przepisy przeciwpożarowe dotyczą cieczy klasy I i II. Z kolei temperatura samozapłonu jest podstawą podziału mieszanin wybuchowych na sześć grup zagrożenia wybuchowego określonych przez tzw. klasy temperaturowe: 3

4 T1 - temperatura samozapłonu powyżej 450 Ć, T2 - temperatura samozapłonu powyżej 300 do 450 Ć, T3 - temperatura samozapłonu powyżej 200 do 300 Ć, T4 - temperatura samozapłonu powyżej 135 do 200 Ć, T5 - temperatura samozapłonu powyżej 100 do 135 Ć,. T6 - temperatura samozapłonu powyżej 85 do 100 Ć. Największe zdolności inicjowania wybuchu ma iskra elektryczna, która może powstawać w instalacjach elektrycznych, podczas wyładowań atmosferycznych oraz od ładunków elektryczności statycznej. Z tego też względu urządzenia i aparaty instalowane w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem, szczególnie urządzenia elektryczne powinny mieć zabezpieczenia przeciwwybuchowe. Kolejna grupa własności materiałów eksploatacyjnych związana jest z reakcją tychże na działanie obniżonej temperatury. Obniżanie temperatury cieczy, powoduje zwiększenie jej lepkości i gęstości. Ćharakter tych zmian ma ścisły związek z budową chemiczną cieczy. Ćiecze newtonowskie zmieniają swoje właściwości w sposób ciągły, aż do temperatury krzepnięcia. W temperaturze krzepnięcia odprowadzanie ciepła nie powoduje obniżania temperatury, lecz zwiększenie ilości zakrzepłej cieczy. Ochładzanie cieczy o dużej masie molowej lub mieszaniny wielu związków chemicznych, jakimi są produkty naftowe powoduje płynną zmianę lepkości i gęstości, aż do uzyskania konsystencji ciała stałego, mimo że substancja dalej pozostaje cieczą. W przypadku takich substancji, nie można jednoznacznie wyróżnić temperatury przemiany fazowej. Przyjmuje się, że temperatura krzepnięcia takich cieczy jest temperaturą, w której ciecz osiąga określoną lepkość. Zgodnie z PN jako temperaturę krzepnięcia oleju przyjmuje się temperaturę, w której po pochyleniu probówki z badanym olejem o 45 położenie jego menisku nie zmienia się w ciągu 1 minuty. Temperatura krzepnięcia węglowodorów parafinowych jest najwyższa, stąd dla oleju wskaźnik ten będzie zależał od zawartości parafiny. Podczas obniżania temperatury cieczy, będących roztworami ciał stałych lub innych cieczy, rozpuszczone substancje mogą wydzielać się z roztworu w postaci kryształków lub odrębnej fazy ciekłej, tworząc zawiesinę lub emulsję. Temperatura, w której rozpoczyna się wydzielanie rozpuszczonych substancji z roztworu nazywana jest temperaturą początku krystalizacji lub temperaturą mętnienia. Zjawisku wydzielania się rozpuszczonej substancji, towarzyszy skokowa zmiana własności reologicznych 4

5 roztworu. W niektórych przypadkach ciecz newtonowska przechodzi w ciecz nienewtonowską 2. Metody pomiarów temperatur krytycznych Pomiar temperatury samozapłonu i zapłonu Oznaczanie temperatury zapłonu jest wykonywane w aparatach o ściśle znormalizowanej budowie i w ustalonym trybie postępowania: szybkości podgrzewania, częstotliwości wprowadzania płomienia do przestrzeni, w której następuje zapłon itp. Metody oznaczania temperatury zapłonu i stosowane aparaty dzieli się na dwie zasadnicze grupy: - w tyglu zamkniętym, w którym przestrzeń nad produktem jest zakryta specjalną pokrywką, - w tyglu otwartym, w których ta przestrzeń jest odkryta. Do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym są stosowane różne aparaty, wśród których, największe zastosowanie znalazły: - Abel-Pensky Europa, Rys. 1 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym wg Abel-Pensky 1 termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 2 termometr do pomiaru temperatury łaźni wodnej, 3 mechanizm zapalający, 4 tygiel wewnętrzny z badanym produktem, 5 łaźnia wodna 5

6 - TAG Stany Zjednoczone, kraje anglosaskie, Rys. 2 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym wg TAG 1 termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 2 mechanizm zapłonowy, 3 termometr do pomiaru temperatury łaźni, 4 pokrętło uruchamiające palnik, 5 badany produkt, 6 łaźnia wodna, 7 palnik - Martens-Pensky większość krajów Rys. 3 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym wg Martens-Pensky 1 zawór do regulacji dopływu gazu, 2 palnik, 3 tygiel z badanym produktem, 4 osłona, 5 blok metalowy, 6 urządzenie zapłonowe z ruchomym palniczkiem, 7 napęd mieszadełka, 8 termometr do pomiaru temperatury produktu, 9 pokrętło uruchamiające otwarcie okienka i nachylenie palniczka, 10 mieszadełko Aparaty te są wyposażone w automatyczny, zegarowy mechanizm zapalający, co pozwala na zwiększenie dokładności wyników oznaczania. Aparaty z tyglem zamkniętym są stosowane do oznaczania temperatury zapłonu paliw i rozpuszczalników oraz 6

7 niektórych olejów smarnych i innych stosunkowo lotnych cieczy eksploatacyjnych, w szczególności stosowanych w układach zamkniętych. W przypadku cieczy eksploatacyjnych o małej lotności są stosowane aparaty z tyglem otwartym. Do najczęściej stosowanych należą: - Cleveland (COC Cleveland Open Cup) - w większości krajów w tym w Polsce, Rys. 4 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu otwartym wg Ćleveland 1 palnik, 2 płytka metalowa, 3 dźwignia do przemieszczania palniczka, 4 tygielek na badaną próbkę, 5 palniczek, 6 termometr, 7 badany produkt - Marcusson, w większości krajów Europy, w tym i w Polsce, Rys 5. Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu otwartym wg Marcussona 1 tygielek porcelanowy, 2 pierścień 3 palnik, 4 termometr, 5 naczynie z piaskiem, 6 krążek azbestowy - Tag (Tag Open Ćup), w krajach anglosaskich (USA, Anglia), ostatnio również w innych krajach europejskich, - Brenken, w Rosji i niektórych innych krajach. 7

8 Temperatura zapłonu w tyglu otwartym jest oznaczana dla olejów smarnych i innych cieczy eksploatacyjnych, w szczególności pracujących w układach otwartych. Temperatura zapłonu, oznaczona w aparatach z tyglem zamkniętym, jest o kilkanaście stopni niższa od wyników uzyskiwanych w aparatach z tyglem otwartym. Praktycznie, temperatury zapłonu oznaczane jedną z przytoczonych metod w każdej z obu grup, nie różnią się istotnie. Stosowanie tej lub innej metody wynika z tradycji kraju. W przypadku niektórych produktów jest oznaczana temperatura zapłonu w tyglu otwartym i zamkniętym. Różnica temperatury zapłonu, oznaczona obydwoma metodami, jest dość dokładną miarą zawartości w produkcie substancji lotnych. Im ta różnica jest mniejsza, tym mniejsza jest zawartość substancji lotnych. Temperatura zapłonu jest parametrem charakteryzującym produkty naftowe i inne ciecze eksploatacyjne pod względem skłonności do tworzenia z powietrzem mieszanek palnych lub wybuchowych. Na podstawie temperatury zapłonu można również wnioskować o obecności w produkcie substancji lotnych, będących zanieczyszczeniami lub pozostałościami z procesów technologicznych. Od temperatury zapłonu należy odróżnić temperaturę samozapłonu. Oznaczanie jest wykonywane przy zastosowaniu aparatu o specjalnej konstrukcji (rys. 6). W metodzie tej produkt jest wkraplany, przy użyciu biurety do specjalnej komory ogrzewanej blokiem aluminiowym. Rys. 6 Aparat do oznaczania temperatury samozapłonu 1 rurka mosiężna do podgrzewania powietrza, 2 biureta z badanym produktem, 3 pokrywa, 4 komora spalania, 5 wkładka metalowa, 6 termometr do pomiaru temperatury bloku grzejnego, 7 blok aluminiowy, 8 osłona Nad swobodną powierzchnią tworzy się mieszanina par węglowodorów i powietrza. Jeżeli stężenie par w utworzonej mieszaninie osiągnie odpowiednią wartość, to płomień lub iskra o wystarczającej energii spowoduje zapłon. Po zapaleniu płomień rozchodzi się po 8

9 powierzchni z prędkością zależną od panujących warunków. Prędkość rozchodzenia się płomienia nad spokojną, otwartą powierzchnią wynosi 1,2 1,4 m/s. Jeżeli produkt znajduje się w przestrzeni zamkniętej, np. w zbiorniku, prędkość ta wynosi 0,3 0,6 m/s, a przy turbulentnym ruchu m/s. Po zapaleniu na całej powierzchni, jeżeli warunki, w których może zachodzić palenie będą zachowane, cała ilość produktu ulegnie wypaleniu. Prędkość wypalania się z powierzchni paliw i lotnych rozpuszczalników wynosi 2,5 10 mm/min. Przy pracy z produktami w temperaturze wyższej niż ich temperatura zapłonu, należy stosować szczególne środki ostrożności. Praca z produktami powyżej ich temperatury samozapłonu jest niedopuszczalna, z wyjątkiem przypadków, w których produkty ulegają spaleniu, np. w silnikach. Lekkie produkty naftowe i rozpuszczalniki są cieczami łatwopalnymi. Mogą one ulec zapaleniu przy zetknięciu się par z otwartym ogniem, iskrą elektryczną lub nagrzaną powierzchnią, a nawet wybuchowi, wywołanemu wyładowaniem elektryczności statycznej lub piorunem. Pomiar temperatury krzepnięcia Zasada pomiaru temperatury krzepnięcia polega na wstępnym ogrzaniu badanego produktu (w celu rozpuszczenia ewentualnych zarodków krystalizacji) w aparacie, którego zasadniczą część przedstawia rys. 7, a następnie oziębianiu w warunkach ustalonych odpowiednią normą, aż do pojawienia się pierwszych kryształków. Pojęcie temperatury krystalizacji najczęściej jest stosowane do charakteryzowania substancji (np. rozpuszczalników) będących czystymi związkami chemicznymi i stanowi ich charakterystyczną właściwość. Temperatury krystalizacji czystych związków chemicznych są stabelaryzowane. Obecność rozpuszczonych substancji obcych (zanieczyszczeń i innych składników) obniża temperaturę krystalizacji, w stosunku do wartości tabelarycznej. W przypadku substancji będących mieszaniną różnych związków chemicznych (np. rozpuszczalników naftowych) do charakteryzowania ich właściwości niskotemperaturowych częściej są stosowane: temperatura mętnienia i temperatura płynięcia. 9

10 Rys. 7 Schemat części pomiarowej aparatu do oznaczania temperatury krzepnięcia i krystalizacji 1 termometr do pomiaru temperatury łaźni, 2 termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 3 probówka z badanym produktem, 4 łaźnia oziębiająca 3. Wykonanie ćwiczenia Pomiar temperatury zapłonu i temperatury palenia metodą Marcussona Aparat Marcussona (rys. 5) składa się z okrągłego metalowego naczynia 5 z piaskiem zaopatrzonego w pierścień metalowy do którego wstawiamy tygielek porcelanowy l. Na wewnętrznej ściance tygielka znajdują się dwie kreski, umieszczone w odległości 10 i 15 mm od krawędzi tygielka. Do jednej z tych kresek, zależnie od przewidywanej temperatury zapłonu napełniamy tygielek. Smar o temperaturze zapłonu poniżej 220 Ć wlewamy w temperaturze pokojowej do wysokości górnej kreski, natomiast smar o temperaturze zapłonu powyżej 220 Ć ogrzewamy do 50 Ć i wtedy dopiero wlewamy do tygielka do wysokości kreski dolnej. Tygielek mocujemy w pierścieniu metalowym za pomocą łapek i śrubek, łaźnię piaskową nakrywamy krążkiem azbestowym 6. W napełnionym smarem tygielku zanurzamy termometr 4 w ten sposób, by naczyńko z rtęcią oddalone było od dna tygielka o 2 mm, a od ścianki bocznej o 5 mm. Następnie ogrzewamy naczynie z piaskiem w ten sposób, aby przyrost temperatury wynosił 5-10 Ć/min, zaś w okolicy temperatury zapłonu do 4 Ć. W okolicy temperatury zapłonu, co stopień zbliżamy palniczek 3 do powierzchni oleju, tak, aby płomyk znajdował się ogółem przez dwie sekundy nad powierzchnią oleju po czym płomyk cofamy. Temperaturę, przy której pary powstające w tygielku zapalą się z lekkim wybuchem nazywamy temperaturą zapłonu. Nagrzewając olej w dalszym ciągu dochodzimy do temperatury, w której pary 10

11 olejowe po oddaleniu palnika palą się samoistnie przynajmniej przez trzy sek. Ta temperatura jest temperaturą palenia. Wskazanym jest by pomiar prowadzić w przyćmionym świetle. Pomiar temperatury krzepnięcia metodą probówkową Zasada pomiaru Temperatura krzepnięcia według tej metody jest to temperatura, w której produkt naftowy zmniejszy tak swoją ruchliwość, że po pochyleniu probówki z badanym produktem o 45 menisk nie ulegnie przesunięciu w ciągu 1 minuty. Przyrządy Do pomiaru potrzebne są następujące przyrządy: - probówka A o średnicy wewnętrznej 20 ± 1 mm i długości 160 ± 10 mm. Na zewnętrznej stronie probówki na całym obwodzie, w odległości 30 mm od dna znajduje się kreska, - probówka B o średnicy wewnętrznej 40 ± 2 mm i długości 130 ± 10 mm, - cylindryczne naczynie z "izolacją cieplną o długości nie mniejszej niż 120 mm przeznaczone na mieszaninę oziębiającą, - sekundomierz i dwa termometry. Przygotowanie pomiaru Do czystej i suchej probówki A wlać do wysokości kreski badany produkt. Probówkę zamknąć korkiem z umieszczonym w nim współosiowo odpowiednim termometrem. Korek powinien mieć rowek wzdłuż tworzącej stożka. Termometr należy umieścić tak, aby zbiornik termometru znajdował się w odległości 8-10 mm od dna probówki. W naczyniu na mieszaninę oziębiającą umieścić termometr po czym dodawać składniki mieszaniny oziębiającej tak aby uzyskać temperaturę mieszaniny 5 Ć niższą od przewidywanej temperatury krzepnięcia badanego produktu. Mieszanina oziębiająca przy temperaturach do - 20 Ć składa się z lodu lub śniegu i chlorku sodowego, zaś przy temperaturach poniżej - 20ºĆ z alkoholu etylowego (lub acetonu względnie benzyny lakowej) oraz z dwutlenku węgla. 11

12 Wykonanie Probówkę A z pobraną próbką wstawić do łaźni wodnej i ogrzać do temperatury 50 ± 1ºĆ. Następnie wyjąć probówkę A, wytrzeć starannie i umieścić w probówce B za pomocą korka, tak aby ścianki probówki A znajdowały się w jednakowej odległości od ścianek probówki B. W przypadku gdy temperatura krzepnięcia badanego produktu jest niższa od 0ºĆ do probówki B wlać około 1 ml kwasu siarkowego. Tak podgrzewany zestaw probówek ostudzić w powietrzu do temperatury 35 ± 5 Ć i wstawić do naczynia z mieszaniną oziębiającą. Poziom mieszaniny oziębiającej powinien być o mm wyżej niż poziom badanego produktu. Temperaturę mieszaniny oziębiającej należy utrzymać w czasie wykonywania pomiaru z dokładnością do ± 1ºĆ. Gdy produkt osiągnie przewidywaną temperaturę krzepnięcia, przechylić zestaw probówek o 45 i pozostawić w tym położeniu wciągu 1 minuty. Następnie wyjąć ostrożnie zestaw, wytrzeć ścianki probówki i sprawdzić, czy menisk nie uległ przesunięciu. W przypadku gdy menisk ulega przesunięciu, pomiar należy powtarzać obniżając za każdym razem temperaturę o 4ºĆ, aż do znalezienia temperatury, w której powierzchnia badanego produktu nie ulegnie przesunięciu. Jeżeli natychmiast po wykonaniu pomiaru menisk nie ulega przesunięciu pomiar należy powtarzać podwyższając za każdym razem temperaturę o 4ºĆ, aż do znalezienia temperatury, w której powierzchnia badanego produktu ulegnie przesunięciu. Po wyznaczeniu dwóch temperatur, w zakresie których powierzchnia badanego produktu ulega przesunięciu, należy powtórzyć pomiar w temperaturze różniącej się o 2ºĆ od temperatury, w której wykonano ostatni pomiar. 12