שמנים ודלקים : הנושא
Transcription
שמנים ודלקים : הנושא
כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני-ים עכו /מגמת מכונאות ימית פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית1985-2009 , הנושא :שמנים ודלקים הדלק מהווה כיום את ההוצאה הגדולה ביותר בתפעול האנייה .בדרך כלל נשלחת לפחות דוגמת דלק אחת לבדיקה מעבדתית מכל מקור המספק את אניות החברה .הסבר בקצרה את המשמעות המעשית של התכונות הנבדקות הבאות) :א( צמיגות) ,ב( צפיפות) ,ג( ערך קלורי) ,ד( תכולת גופרית) ,ה( תכולת פיח )שיירי שריפה(] .קיץ [2009 א. צמיגות היא תכונת הנוזל המבטאת את התנגדותו לזרימה .ההתנגדות לזרימה היא פנימית, בין שכבות הנוזל עצמו .לנוזל סמיך צמיגות גבוהה ולנוזל דליל צמיגות נמוכה .הצמיגות תלויה בטמפרטורת הנוזל ובלחצו; היא קטנה עם עליית הטמפרטורה של הנוזל וגדלה עם עליית לחצו .לצמיגות הדלק השפעה ישירה על אופן זרימתו בצנרת המערכת ואביזריה .דלק בעל צמיגות גבוהה ,כמו דלק שאריתי ודלק כבד ,אינו זורם בקלות ,ולכן יש לחמם אותו כדי להקל על שאיבתו מהמכל ועד המנוע .בכניסה למנוע ,לפני משאבות ההזרקה ,מחומם הדלק לטמפרטורה גבוהה עוד יותר .הסיבה היא ,כי העלאת לחץ הדלק במשאבות ההזרקה מגדילה את צפיפותו ,וכתוצאה מכך הוא אינו מתפרק לטיפות זעירות במרסס הדלק. ב. צפיפות היא היחס בין מסת הדלק לנפחו בטמפרטורה נתונה .לדלקים בשימוש ימי צפיפות של .800-1010 kg/m3נתון הצפיפות נחוץ לחישוב כמויות הדלק במכלים )נפח או משקל( וכן לבחירת דסקת סכר מתאימה במטהר צנטריפוגלי פשוט .הצפיפות משתנה עם הטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה עולה ,הצפיפות יורדת ולהפך. ג. ערך קלורי או ערך הסק מבטא את כמות האנרגיה שניתן להפיק משריפה מושלמת של יחידת משקל אחת של דלק .היחידות הן קילו-ג'אול לקילוגרם ) .(kJ/kgלנתון זה השפעה ישירה על הספק המנוע ,משום שככל שהאנרגיה המשתחררת בשריפה של כמות דלק נתונה גדולה יותר ,כך גדל הכוח בו דוחפים גזי השריפה את הבוכנה .לדלקים שאריתיים ערך הסק של 40- .42 MJ/kg ד. הדלק הגולמי ,במצבו הטבעי ,מכיל כמות קטנה של גופרית .מאחר שלגופרית הנשרפת במנוע השפעה קורוזיבית ,רצוי כי הכמות תהיה קטנה ככל האפשר .תחמוצת גופרית ) (SO2הנוצרת בשריפה עלולה להפוך לחומצה גופרתית ) (H2SO4כתוצאה מהתעבותה והתחברותה עם מים המצויים בגזי הפליטה .לחומצה הגופרתית השפעה קורוזיבית על חלקי המנוע ,והיא מגבירה את שחיקתם .טמפרטורת ההתעבות של חומצה גופרתית נעה בין 1200Cל ,1600C-ולכן חשוב לשמור על טמפרטורת מי קירור מנוע וטמפרטורת גזי פליטה גבוהות מספיק למניעת התעבותה .ניתן להקטין את נזקי הגופרית גם על ידי שימוש בשמנים מיוחדים לסיכת הצילינדרים .זאת ועוד ,תחמוצות הגופרית המצויות בגזי השריפה ונפלטות לאטמוספרה מזהמות את הסביבה .תכולת הגופרית המקסימלית המותרת בדלקים שאריתיים היא בין 3.5 ל 4.5-אחוזים )אחוזי משקל(. ה שיירי פיח היא תכונה המציינת את נטיית הדלק ליצור משקעי פיח במהלך שריפתו בצילינדר. כאשר דלק נחשף לטמפרטורה גבוהה ,חלק מהמולקולות שלו עלולות להתפרק .במצב זה נוצרים משקעי פיח ,הסותמים בהדרגה את חריצי טבעות הבוכנה ומצטברים על כתר הבוכנה ודופן הצילינדר בחלקו העליון )מעל נמ"ע(. פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית /שמנים ודלקים )(1985-2009 עמוד 1מתוך 5 כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני-ים עכו /מגמת מכונאות ימית באנייה שמנים מסוגים שונים .הסבר באופן כללי את הדרישות מקבוצות השמנים הבאות :שמנים למנועי שריפה פנימית ,שמנים לממסרות ,שמנים למדחסי אוויר ובנוסף שמנים למדחסי קירור. האם ,לדעתך ,שמן מנוע ארבע-פעימות ללא ראש צלב שונה משמן מנוע בעל ראש צלב? מדוע? ]קיץ [2008 התכונות הנדרשות משמני סיכה שונים: א. שמני סיכה למנועי שריפה פנימית: .1הקטנת החיכוך והשחיקה של המסבים השונים )מסבים ראשיים ,מסבי טלטלים ,מסבי גל פיקות וכו'( ,טבעות הבוכנה והצילינדרים ,גלגלי השיניים ועוד. .2הרחקת חום מן המסבים והחלקים איתם הוא בא במגע. .3מניעת היווצרות משקעים ,בעיקר בחריצי הבוכנה והטבעות ובצד התחתון של הבוכנה. .4ניטרול השפעת חומצות הנוצרות בשריפת הדלק בצילינדר. .5השמן צריך לספוח לתוכו חלקיקי לכלוך ופיח ,למנוע את התגבשותם לגושים ,ולהסיע אותם אל המסננים. ב. שמנים לממסרות ):(gear oils .1הקטנת החיכוך והשחיקה וקירור גלגלי שיניים ומסבים בתיבות תמסורת. .2הגנה על החלקים הפנימיים של הממסרות מפני קורוזיה. .3עליהם לעמוד בלחצים גבוהים במיוחד ,משום ששכבת השמן נלחצת בין השינים המשתלבות אחת בשנייה ,ולכן גם צמיגותם גבוהה משל שמני סיכה רגילים. ג. שמנים למדחסי אוויר: .1הקטנת החיכוך והשחיקה של המסבים ,טבעות הבוכנה והצילינדרים. .2צריכים להכיל תוסף למניעת התחמצנות ותוסף אחר להקטנת הקורוזיה ,אשר נגרמת בעיקר עקב נוכחות מים באוויר הנדחס. .3השמן צריך להיות בעל צמיגות המתאימה לטמפרטורות עבודה גבוהות ,במיוחד במדחסי אוויר רב-דרגתיים ללחצים גבוהים. ד. שמנים למדחסי קירור: .1נדרשים להיות בעלי יציבות תרמית ,כלומר לא רגישים לשינויי טמפרטורה קיצוניים הקיימים במערכת ,כי השמן נסחף בחלקו עם הגז .במדחס ,לדוגמה ,שוררות טמפרטורות עבודה גבוהות ,ולעומת זאת במאדה טמפרטורות נמוכות מאד. .2נדרשים להיות בעלי יציבות כימית ,כלומר שלא תיווצר ריאקציה כימית בין שמן הסיכה לגז הקירור הנמצאים כל הזמן במגע אחד עם השני; .3נקודת נזילות נמוכה ,שתאפשר לשמן להישאר נוזלי גם בחלקים הקרים של המערכת. .4צמיגות נמוכה ,שתאפשר לשמן לקיים תכונות סיכה טובות בטמפרטורות גבוהות )במדחס( ויחד עם זאת יוכל לזרום בחופשיות במערכת. ההבדלים בין שמן סיכה של מנוע ארבע-פעימות לבין שמן סיכה של מנוע ראש-צלב: א. התכונות הנדרשות משמן בית גל הארכובה של מנוע ארבע-פעימות שונות מאלו של מנוע ראש-צלב .הסיבה היא ,כי השמן לא רק משמן ומקרר את המסבים )מסבים ראשיים ,מסבי טלטלים ,מסבי פיני בוכנות וכו'( ,אלא גם את שרוולי הצילינדרים ,ולכן עליו להתמודד עם חומצות הנוצרות בשריפה ועם מוצרי השריפה עצמם .במנוע ראש-צלב ,לעומת זאת ,שימון הצילינדרים נעשה על ידי מערכת נפרדת ,ולכן שמן בית גל הארכובה אינו מזדהם על ידי מוצרי השריפה. פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית /שמנים ודלקים )(1985-2009 עמוד 2מתוך 5 כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני-ים עכו /מגמת מכונאות ימית ב. הוא צריך להיות בעל צמיגות המתאימה לטמפרטורות עבודה גבוהות ,כדי שתתקיים שכבת שמן סיכה בחלקים העליונים של דופן הצילינדר ,שם הטמפרטורה עשויה להגיע ל.1900C- לכן ,הצמיגות של שמן בית גל ארכובה של מנוע ארבע-פעימות בינוני גבוהה מהצמיגות של שמן בית גל ארכובה של מנוע ראש-צלב .גם מדד הצמיגות של שמן מנוע ארבע-פעימות גבוה יותר ,כלומר כושרו לשמור על צמיגותו בתחום רחב של טמפרטורות גדול יותר. ג. השמן מכיל דטרגנטים ,אשר מסלקים את משקעי הפיח מחריצי הטבעות ומדופן חללי הקירור בכתר הבוכנה ,שומרים על נקיונם ומונעים היווצרות בוצה ) (sludgeושכבת לכה; שמן בית גל ארכובה של מנוע ראש-צלב מכיל גם הוא דטרגנטים ,אך בכמות פחותה ,בעיקר משום שאינו מזדהם במוצרי השריפה. ד. צריכה להיות לשמן תכונת תיפזור טובה ,אשר תחזיק את מוצרי השריפה שנקלטו לתוכו במצב של ריחוף עד הסעתם אל המסננים.עליו להיות נוגד חימצון ,כדי למנוע התחמצנות השמן והפיכתו לחומצי ,במיוחד בטמפרטורות עבודה גבוהות .תכונה זו מודגשת יותר במנוע ארבע-פעימות. ה. עליו להיות אלקאלי ,כלומר מנטרל חומצות .במהלך השריפה של הדלק בצילינדר נוצרות חומצות חזקות ,בעיקר תחמוצת גופרית .השמן מכיל תוספים אלקאליים המנטרלים את התרכובות החומציות .מידת האלקאליות מיוצגת על ידי מספר הבסיס ).(Base Number, BN לשמן בית גל ארכובה של מנוע ראש-צלב מספר בסיס ,6-8ואילו לשמן בית גל ארכובה של מנוע ארבע פעימי מספר בסיס ,40-50אם הוא שורף דלקים שאריתיים. הגדר את המושגים הבאים וציין למה מתייחסים המושגים :נקודת נזילות ) ,(pour pointנקודת הבזק ) ,(flash pointנקודת הצתה ) ,(ignition pointתכולת אפר ) ,(ash contentצמיגות ) ,(viscosityערך קלורי ) ,(calorific valueצפיפות ) ,(densityמה חשיבותם וכיצד נקבע ערכם? ]קיץ [2007 סעיפים א'-ג' ,ה'-ז' ראו תשובה לשאלה מקיץ .1988 ד. תכולת אפר היא כמות החומרים לא אורגניים המצויים בדלק ושאינם נשרפים .מקור החומרים בדלק הגולמי עצמו ,ואחרים מתווספים לדלק בתהליך הזיקוק הקטליטי או כתוצאה מלכלוך. תכולת האפר נמדדת באחוזי משקל של דגימת הדלק .החומרים הלא אורגניים ,כמו ואנאדיום, סודיום ,אלומיניום וסיליקון ,נותרים בצילינדר לאחר השריפה ,וגורמים לשחיקה מוגברת, להיווצרות משקעים ולקורוזיה. שיטת המדידה :את תכולת האפר מודדים לאחר מדידת משקעי הפחמן .מגבירים במידה ניכרת את טמפרטורת השריפה של שאריות דגימת הדלק ,כדי להיפטר מכל שאריות החומרים הבוערים ,ומודדים את משקל האפר שנותר לאחר השריפה. לפניך שישה מושגים המתייחסים לתכונות הדלק .הסבר אותם ותאר את צורת בדיקתם) :א( נקודת הבזקה; )ב( נקודת הצתה; )ג( נקודת שפיכה )נזילות(; )ד( צמיגות; )ה( צפיפות; )ו( ערך קלורי] .קיץ [1998 ראו תשובה לשאלה מקיץ .1988 הסבר את מהותם ואת חשיבותם של המונחים הבאים ,המתייחסים לתכונות הדלק) :א( נקודת הבזקה) .ב( נקודת הצתה) .ג( נקודת נזילות) .ד( צמיגות) .ה( צפיפות) .ו( מדד )אינדקס( צמיגות] .קיץ [1996 סעיפים א'-ה' – ראו תשובה לשאלה מקיץ .1988 פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית /שמנים ודלקים )(1985-2009 עמוד 3מתוך 5 כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני-ים עכו /מגמת מכונאות ימית ו. מדד צמיגות ) (viscosity indexמבטא את מידת הרגישות של צמיגות השמן לשינויי טמפרטורה .זה אינו גודל פיסיקלי ,אלא גודל השוואתי חסר יחידות .מדד הצמיגות של שמן, בעל צמיגות ידועה ב 400C -וב ,1000C -נקבע על ידי השוואתו עם שני שמנים סטנדרטיים, שלאחד מדד צמיגות ) 0רגישות גבוהה( ולשני מדד צמיגות ) 100רגישות נמוכה( ,ואשר צמיגותם ב 1000C -זהה לזו של השמן הנבדק. שמנים בעלי מדד צמיגות גבוה משמשים היכן שנדרשת צמיגות קבועה יחסית בתחום רחב של טמפרטורות משתנות .במנועים ,לדוגמה ,שמן הסיכה חייב לזרום בחופשיות מספקת ,כדי לאפשר התנעה במזג אוויר קר ,אך באותה שעה חייב להיות צמיג מספיק לאחר התחממות המנוע ,כדי לקיים סיכה נאותה .כך גם במערכות הידראוליות )מערכות הגה ,מכונות סיפון וכו'( ,הפועלות בתנאי מזג אוויר המשתנים בצורה קיצונית. הסבר את משמעותם של המונחים האלה :נקודת הבזקה ) ,(flash pointנקודת הצתה ) ,(ignition pointנקודת נזילות ) ,(pour pointצמיגות ) ,(viscosityערך קלורי ) calorific ,(valueצפיפות ) .(densityמהי חשיבותם וכיצד נקבע ערכם? ]קיץ [1988 א. נקודת הבזקה היא הטמפרטורה הנמוכה ביותר ,שבה הדלק משחרר מספיק אדים, המאפשרים להצית תערובת של אדי דלק ואוויר על ידי ניצוץ או להבה גלויה בתנאים מבוקרים .תכונה זו מצביעה על הטמפרטורה המרבים שבה ניתן לאחסן את הדלק באופן בטוח .התקנות קובעות ,כי נקודת ההבזקה המותרת הנמוכה ביותר לדלקים באוניות מנוע היא .660Cאסור לחמם את הדלק במכלים לטמפרטורה מעל .520C שיטת המדידה :את המדידה מבצעים במכשיר הנקרא "פנסקי מרטנס" ).(Pensky-Martens דגימת הדלק מחוממת בהדרגה בתוך כלי סגור תוך כדי בחישה מתמדת .להבה קטנה מוחדרת לתוך הכלי עד אשר מבחינים בהבזק .נקודת ההבזקה היא הטמפרטורה הנמוכה ביותר ,שבה גרמה הלהבה להתלקחות אדי הדלק. ב. נקודת הצתה היא הטמפרטורה הנמוכה ביותר שבה הדלק מסוגל לבעור ברציפות וללא עזרת מקור חום חיצוני .לתכונה זו חשיבות מסוימת מן הבחינה הבטיחותית ,אך היא אינה נכללת במפרט התקני של דלקים שאריתיים ותזקיקים בשימוש ימי .במקומה מציינים את נקודת ההבזקה .איכות ההצתה של דלקים שאריתיים ותזקיקים מבוטאת על ידי מספר צטן. ג. נקודת נזילות היא הטמפרטורה הנמוכה ביותר בה הדלק נותר נוזלי .הדלק במכלי האנייה צריך להימצא 50Cלפחות מעל נקודת הנזילות ,כדי שניתן יהיה לשאוב אותו. שיטת המדידה :מקררים בהדרגה את דגימת הדלק בתוך מבחנה .שיעורה של נקודת הנזילות הוא 3מעלות מעל הטמפרטורה ,שבה המבחנה מוחזקת במצב אופקי למשך 5שניות מבלי שתובחן תנועה כלשהי של הדלק. ד. צמיגות היא תכונת הנוזל המציינת את התנגדותו לזרימה .ההתנגדות לזרימה היא פנימית ,בין שכבות הנוזל עצמו .לנוזל סמיך צמיגות גבוהה ולנוזל דליל צמיגות נמוכה .הצמיגות תלויה בטמפרטורת הנוזל ובלחצו; היא קטנה עם עליית הטמפרטורה של הנוזל וגדלה עם עליית לחצו. שיטת המדידה :מפילים כדור מתכת דרך מבחנה נטויה ,המכילה דגימת דלק בטמפרטורה נתונה ) 400Cלגבי תזקיקים 500C ,לגבי דלקים שאריתיים( ומודדים את הזמן בשניות בו עובר הכדור מרחק סטנדרטי נתון .יחידת המדידה היא mm2/secאו סטיסטוקס. ה. ערך היסק )ערך קלורי( מבטא את כמות האנרגיה שניתן להפיק משריפה מושלמת של יחידת משקל אחת של דלק .היחידות הן קילו-ג'אול לקילוגרם ).(kJ/kg שיטת המדידה :ערך ההיסק נמדד בקלורימטר פצצה .דגימת הדלק מוכנת לתוך כלי סגור, אליו מסופק חמצן בלחץ גבוה ובכמות הגדולה פי כמה מזו הנחוצה לשריפה מושלמת .הפצצה טבולה בכלי מבודד מלא מים ,שכמותם נקובה .דגימת הדלק מוצתת על ידי ניצוץ חשמלי, פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית /שמנים ודלקים )(1985-2009 עמוד 4מתוך 5 כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני-ים עכו /מגמת מכונאות ימית ועליית הטמפרטורה של המים נמדדת באמצעות תרמומטר .מאחר שידועים מראש החום הסגולי של הפצצה )הכלי עצמו( ושל המים ,ניתן לחשב את אנרגית החום המשתחררת בשריפה מושלמת של דגימת הדלק באמצעות הנוסחה . Q = m c ∆t ו. צפיפות היא היחס בין מסת חומר לבין נפחו בטמפרטורה נתונה )בדלקים .(150Cיחידות המידה הן . kg/m3לדלקים בשימוש ימי צפיפות של .800-1010 kg/m3לנתון זה חשיבות כפולה :הוא נחוץ לחישוב כמויות הדלק )נפח או משקל( וכן לבחירת דיסקת סכר מתאימה במטהר .הצפיפות משתנה עם הטמפרטורה ,ובדרך כלל היא נמדדת בטמפרטורה שבה הדלק מאוחסן באנייה .ככל שהטמפרטורה עולה ,הצפיפות יורדת ולהפך. שיטת המדידה :דגימת הדלק מחוממת בכלי ל ,500C-מודדים את הצפיפות )או את המשקל הסגולי( באמצעות הידרומטר ,ולאחר המדידה מתקנים את הקריאה ל.150C- פתרון מבחני הבגרות במכונאות כללית /שמנים ודלקים )(1985-2009 עמוד 5מתוך 5