Determinare Experimentala a Proprietatilor Termofizice ale Uleiului de Camelina Si ale Amestecurilor Ulei Camelina Kerosen

II. Determinare experimentala a proprietatilor termofizice ale uleiului de camelina si ale amestecurilor ulei camelina – kerosen

Avand in vedere ca in literatura de specialitate se gasesc foarte putine date privind proprietatile uleiului de camelina, iar in cazul amestecurilor ulei de camelina – kerosen nu au fost gasite deloc informatii, s-a recurs la determinarea experimentala a cat mai multe dintre aceste proprietati. Determinarea acestor proprietati este importanta pentru a cunoaste cat mai bine aceste substante noi, in vederea studierii procesului lor de combustie. De asemenea cunoasterea acestor proprietati este importanta pentru a se putea realiza simulari numerice ale procesului de combustie a acestor substante. In baza de date a programului de simulari numerice ANSYS nu exista substanta ulei de camelina si astfel aceasta trebuie definita mai intai pentru a se putea realiza simulari numerice.

In cazul uleiului de camelina au fost determinate experimental urmatoarele proprietati termofizice: densitatea la 15°C, viscozitatea cinematica la 40°C, 60°C, 80°C, respectiv 100°C, punctul de imflamabilitate si punctul de aprindere, compozitia chimica, conductivitatea termica si caldura specifica la presiune constanta.

In cazul amestecurlor ulei camelina-kerosen, au fost studiate 3 astfel de amestecuri avand compozitiile: 25% ulei camelina / 75% kerosen, 50% ulei camelina / 50% kerosen, respectiv, 75% ulei camelina / 25% kerosen. Pentru aceste amestecuri au fost determinate experimental urmatoarele proprietati termofizice: densitatea la 15°C, viscozitatea cinematica la 40°C, 60°C, 80°C, respectiv 100°C si caldura specifica la presiune constanta.

Figura 2.1 Mostre fluide testate: 100% kerosen, 25% ulei camelina/75% kerosen, 50% ulei camelina/50% kerosen, 75% ulei camelina/25% kerosen, 100% ulei camelina

Pentru validarea metodelor folosite si a rezultatelor obtinute, au fost realizate determinari si pentru kerosen, ale carui proprietati sunt cunoscute. In plus s-au comparat rezultatele obtinute experimnetal cu cele prezentate in literatura de specialitate, in cazurile in care au fost gasite date.

Densitatea

Densitatea uleiului de camelina si a amestecurilor ulei camelina/kerosen a fost determinata experimental folosind densimetre.

a) b)

Figura 2.2 Determinare densitate: a) ulei camelina 100%, b) kerosen 100%

Dupa cum se poate observa din rezultatele prezentate in figura 2.3, uleiul de camelina are densitatea mai mare decat kerosenul, astfel avand o mai mare inertie, lucru care afecteaza pulverizarea acestuia. In consecinta, picaturile de ulei vor reactiona mai incet la schimbarile de directie ale fluxului de aer, lucru care va duce la scaderea eficientei turbionatorului camerei de ardere proiectata pentru a functiona folosind kerosen. Mai mult, fortele centrifugale ce vor actiona asupra picaturilor de ulei vor fi mai mari, ducand la marirea zonei in care are loc atomizarea si vaporizarea picaturilor. Ca urmare, flacara va fi mai groasa si se va dezvolta mai aproape de peretii tubului de foc.

De asemenea, se poate observa in figura 2.3 ca densitatea amestecurilor ulei camelina/kerosen creste cu marirea procentajului de ulei de camelina din amestecuri.

Figura 2.3 Rezultate determinare experimentala a densitatii la 15°C

In literatura de specialitate nu se gasesc foarte multe informatii privind densitatea uleiului de camelina pur sau a amestecurilor ulei camelina/kerosen.

In lucrarea [20] este prezentata o relatie de dependenta intre valoarea densitatii uleiului de camelina si temperatura. Valoarea densitatii corespunzatoare temperaturii de 15°C calculata folosind aceasta relatie este de 922,8 kg/m3. In buletinul de analize primit de la UOP Honeywell (Anexa x), respectiv, in documentul primit de la Camelina Company Espana (Anexa y), sunt raportate urmatoarele valori ale densitatii corespunzatoare temperaturii de 15°C: 925,2 kg/m3, respectiv, 924,5 kg/m3.

Valoarea obtinuta de noi experimental este foarte apropiata de cele prezentate mai sus, asigurandu-se astfel validitatea metodei si a rezultatelor obtinute pentru amestecurile ulei camelina/kerosen. Valoarea densitatii kerosenului obtinuta in cadrul experimentelor desfasurate este cuprinsa in intervalul standard al densitatii kerosenului prezentat in literatura de specialitate: 775-840 kg/m3 [21,22,23], confirmand o data in plus validitatea rezultatelor obtinute.

Figura 2.4 Densimetrele folosite pentru determinarea densitatii

Deoarece probele analizate au densitati cuprinse intre 786 kg/m3 si 926 kg/m3, au fost folosite 3 densimetre diferite in cadrul experimentelor. Unitatea de masura a densimetrelor este g/cm3, acestea avand o imprecizie de 0,001 g/cm3. Experimentele au avut loc la temperatura camerei. Cu ajutorul tabelelor prezentate in standardul SR EN ISO 3675/2003, valorile masurate au fost transformate in valori ale densitatii la temperatura de 15°C.

Viscozitatea cinematica

In timpul miscarii particulele de fluid aluneca unele fata de altele cu usurinta dar nu fara existenta unor forte de frecare. In conditii identice de solicitare unele lichide curg mai repede, altele mai incet, deplasarea straturilor de lichid facandu-se cu viteze diferite functie de natura fluidului. Acest fenomen se datoreaza aparitiei in timpul miscarii, pe langa eforturile unitare normale, a eforturilor unitare tangentiale care se opun miscarii si care determina frecarea interna numita si viscozitate [24].

Pentru a ilustra mai bine efectul viscozitatii, vom considera doi pereti paraleli si vom presupune ca primul se misca fata de celalalt cu o viteza V.

Prin efectul viscozitatii, particulele fluide adera la perete, astfel incat, la peretele mobil aceste particule au viteza V, iar la peretele imobil ele au viteza nula. Pe intreaga inaltime h, dintre cei doi pereti, viteza variaza de la 0 la V dupa legea:

iar actiunea reciproca intre doua straturi vecine, eforturile unitare tangentiale, va fi data de legea lui Newton:

unde μ reprezinta viscozitatea dinamica. In sistemul international aceasta se masoara in Pa·s. Unitatea de masura in sistem tehnic a viscozitatii dinamice este Poise, .

In aplicatiile practice se utilizeaza viscozitatea cinematica ν, aceasta reprezentand raportul dintre viscozitatea dinamica si densitate:

Unitatea de masura a viscozitatii cinematice in sistemul international este , iar in sistemul tehnic Stokes, .

Viscozitatea cinematica a fost determinata experimental folosind un viscozimetru capilar Ubbelohde, prezentat in figura 2.6, care a fost imersat intr-o baie de lichid la temperatura constanta. Capilarul folosit in experimente are un diametru de 0.95±0.01 mm [25], constanta viscozimetrului are valoarea de k=0.05 mm2/s2[25], iar intervalul de masurare a viscozitatii cinematice este 5-50 mm2/s [25].

Figura 2.5 Viscozimetrul Ubbelohde si baia de imersie utilizate pentru determinarea viscozitatii cinematice in cadrul INCDT COMOTI

Viscozimetrul Ubbelohde este alcatuit din:

Tub capilar (1)

Tub de ventilare (2)

Tub de umplere (3)

Capilarul (7) cu sfera de masurare (8)

Sfera de pre-run (9)

Vasul cu nivel de referinta (5)

Rezervor (4)

Deasupra si sub sfera de masurare (8) sunt imprimate reperele M1, respectiv M2, necesare pentru determinarea duratei de timp.

Metoda de determinare a viscozitatii cinematice folosind viscozimetrul din figura 2.6 consta in masurarea timpului necesar pentru ca o cantitate definita de lichid sa curga prin capilarul (7) de diametru si lungime cunoscute. Intervalul de timp este masurat automat cu ajutorul echipamentului ViscoClock.

Rezervorul (4) al viscozimetrului este umplut cu 15 ml fluid pentru testat. Dupa umplerea rezervorului, viscozimetrul este imersat intr-o cuva cu pereti de sticla plina cu un lichid la temperatura constanta. Temperatura lichidului din cuva poate fi setata la diferite valori in intervalul -40°C ÷ 150°C, daca se doreste determinarea viscozitatii fluidului de test la diferite valori ale temperaturii. Dupa ce sistemul a ajuns la echilibru termic poate incepe experimentul.

Odata masurat timpul necesar curgerii fluidului prin capilar, viscozitatea cinematica se calculeaza folosind formula:

unde Δt reprezinta intervalul de timp, K este constanta viscozimetrului, iar y este corectia aplicata energiei cinetice pentru intervalul de timp respectiv.

Pentru fiecare mostra analizata au fost repetate de 3 ori determinarile, la 4 valori diferite ale temperaturii baii de imersie: 40°C, 60°C, 80°C si 100°C.

Figura 2.7 Determinarea viscozitatii cinematice la temperatura de: a) 40°C, b) 60°C, c) 80°C, d) 100°C

Datele experimentale confirma faptul ca uleiurile vegetale sunt mult mai viscoase decat kerosenul. Viscozitatea mai mare influenteaza modul de functionare al motorului, ducand la o crestere a presiunii de injectie a combustibilului. De asemenea, viscozitatea crescuta duce la reducerea turbulentei jetului de combustibil, afectand amestecarea acestuia cu aerul. Mai mult, conform literaturii de specialitate [26], cu cat este mai mare viscozitatea unui lichid, cu atat este mai mare tensiunea superficiala. O valoare mai mare a tensiunii superficiale a picaturilor de combustibil duce la o atomizare mai inceata, si , in consecinta, la o rata de vaporizare mai mica si o amestecare a vaporilor de combustibil cu aerul, in interiorul tubului de foc, mai putin eficienta. Din aceste motive, o reducere a performantei si a duratei de viata poate apare cand un motor proiectat pentru a functiona pe kerosen este alimentat cu ulei vegetal, fara a fi aduse modificari sistemului de injectie si/sau camerei de ardere.

Figura 2.8 Rezultate determinare experimentala viscozitate cinematica

Dupa cum se poate observa din datele prezentate mai sus, viscozitatea amestecurilor ulei camelina/kerosen descreste semnificativ odata cu cresterea ponderii de kerosen in compozitia mostrelor analizate. Viscozitatea cinematica descreste cu cresterea temperaturii amestecurilor. Viscozitatea amestecurilor ulei camelina/kerosen este mai apropiata de valoarea viscozitatii kerosenului [23,24], astfel amestecurile pot fi folosite drept combustibili pentru un micro turbomotor daca sunt aduse modificari sistemului de injectie.

In literatura de specialitate nu sunt prezentate foarte multe informatii legate de viscozitatea uleiului de camelina sau a amestecurilor ulei camelina/kerosen. Pentru uleiul de camelina pur, in lucrarea [27] este prezentata o valoare a viscozitatii cinematice de 30,9 mm2/s la temperatura de 40°C. In documentul primit de la Camelina Company Espana (Anexa y), este raportata valoarea viscozitatii cinematice de 32,6 mm2/s corespunzatoare temperaturii de 40°C. Astfel, datele experimentale obtinute pentru uleiul de camelina, corespunzatoare temperaturii de 40°C, sunt in buna corelatie cu datele prezentate mai sus. Acest lucru asigura corectitudinea metodei utilizate pentru determinarea viscozitatii cinematice pentru uleiul de camelina si amestecurile ulei camelina/kerosen.

Punctul de inflamabilitate si punctul de aprindere

Punctul de inflamabilitate reprezinta temperatura minima (la presiune atmosferica), la care un lichid degaja o cantitate de vapori suficienta pentru a forma cu aerul un amestec inflamabil la contactul cu o flacara sau scanteie. Cu cat aceasta temperatura este mai coborata cu atat substanta este mai inflamabila. [ref]

Punctul de aprindere reprezinta temperatura incepand cu care arderea initiata intr-un amestec inflamabil persista si se propaga. Punctul de aprindere este superior punctului de inflamabilitate. [ref]

Valoarea punctul de inflamabilitate poate indica posibila prezenta de compusi extrem de volatili si inflamabili intr-o substanta relativ slab volatila sau inflamabila. De exemplu, un punct de inflamabilitate anormal de scazut al unui esantion de kerosen poate indica o contaminare cu benzina.

Pentru determinarea experimentala a punctelor de inflamabilitate si de aprindere au fost desfasurate teste in cadrul laboratorului de chimie al INCDT COMOTI folosind echipamentul automatizat de detectare a acestor puncte, prezentat in figura 2.9. Acest echipament a fost fabricat in conformitate cu dispozitiile raportate in metoda de testare ASTM D 92. Aceasta metoda de testare se refera la determinarea punctelor de inflamabilitate si de aprindere al tuturor produselor petroliere, cu exceptia combustibililor petrolieri grei si a celor care au punctul de inflamabilitate, intr-o cupa deschisa, mai mic de 79°C [28].

Figura 2.9 Echipamentul folosit pentru determinarea punctului de imflamabilitate si punctului de aprindere, in cadrul INCDT COMOTI

Aparatul este constituit dintr-o carcasa de otel ce gazduieste incalzitorul, toate componentele mecanice si electronice aferente si un ecran tactil. Incalzitorul este format dintr-o placa ceramica cu un diametru adecvat pe care este asezata cupa ce contine esantionul de testat. Bratul mecanizat sustine inelul de ionizare, sonda Pt 100, termometrul si un capac pentru stingerea flacarii. [28]

Inainte de pornirea efectiva a testului este setata o valoare estimata a punctului de inflamabilitate si o valoare maxima a temperaturii, la care sa fie incalzit esantionul, pentru care testul sa fie oprit in caz ca nu a fost atins punctul de inflamabilitate. Aceasta valoare a temperaturii poate fi cu 30°C mai mare decat valoarea estimata a punctului de inflamabilitate sau 400°C. O data aceste puncte fiind setate, temperatura esantionului este crestuta initial rapid iar apoi, o data cu apropierea de valoarea estimata a punctului de inflamabilitate, cu o viteza lenta constanta. In timpul testului inelul de ionizare este strabatut de un curent continuu. O data ce este detectata prezenta unei scantei un semnal este transmis controller-ului, iar pe ecranul tactil este afisata valoarea punctului de inflamabilitate. Daca aparatul a fost setat sa gaseasca si punctul de aprindere, temperatura esantionului este crescuta incontinuare.. Cand valoarea punctului de aprindere a fost gasita, bratul mecanizat pozitioneaza capacul pentru stingerea flacarii deasupra cupei cu esantionul testat.

In urma testelor efectuate in cadrul INCDT COMOTI a fost obtinuta valoarea de 294°C a punctului de inflamabilitate si valoarea de 340°C a punctului de aprindere, pentru uleiul de camelina (raportul de analiza este prezentat in Anexa 1).

Conductivitate termica

Conductivitate termica a fost determinata folosind echipamentul C-THERM TCI (Thermal Conductivity Analyzer). Aceste echipament poate fi folosit pentru determinarea conductivitatii termice a solidelor, lichidelor, pulberilor si pastelor, avand un interval de masura de la 0 la 500 W/m·K. Acest echipament nu este insa portivit pentru determinarea conductivitatii termice a produselor petroliere, din acest motiv nu a putut fi determinata si conductivitatea amestecurilor ulei camelina/kerosen.

Valoarea conductivitatii termice a uleiului de camelina, determinata la temperatura de 298K, este de 0.163 W/m·K.

Figura 2.10 Determinarea conductivitatii termice a uleiului de camelina

Compozitia chimica

Conform buletinului de analize primit de la institutul ICECHIM Bucuresti ( Anexa Z) uleiul de camelina are in componenta urmatorii acizi grasi:

Tabel 2.1 Continut acizi grasi ulei camelina

Acesti acizi grasi se gasesc in compozitia uleiului de camelina sub forma de trigliceride. Consideram ca triglicerida acidului gras se ragaseste in compozitia uleiului de camelina in aceeasi proportie ca acidul gras din compozitia sa.

Tabel 2.2 Continut trigliceride ulei camelina

Tinand cont de cele prezentate in tabelul 2.2, formula chimica aproximativa a uleiului de camelina este C57H100O6.

Caldura specifica la presiune constanta

Caldura specifica c, a unei substante omogene, reprezinta energia termica necesara unui mol/gram din acea substanta pentru a-si mari temperatura cu un grad fara ca procesul sa produca o schimbare de faza sau de stare de agregare. Cantitatea de caldura absorbita de substanta, de masa m, in intervalul de temperatura (T1-T2) este data de relatia:

de unde rezulta expresia calduarii specifice:

Pentru a putea determina experimental caldura specifica, la presiune constanta, a fost construita instalatia din figura 2.11.

Figura 2.11 Instalatia experimentala

Paharul de 150 ml, din sticla, in care se afla fluidul ce urmeaza a fi analizat este pozitionat in interiorul instalatiei experimentale prezentata in figura 2.11. Instalatia are peretii si capacul izolate termic pentru a minimiza pierderile de caldura. S-au folosit 3 straturi de fibra de sticla, de grosime 15 mm fiecare. Rezistenta electrica, conectata la o sursa de tensiune, asigura energia necesara pentru incalzirea fluidului. Sursa de tensiune a fost reglata sa genereze o tensiune de 10V la o intensitate de 1A. Temperatura fluidului este masurata cu ajutorul unui termometru, cu acuratete de 0,1 °C. In timpul experimentelor, folosind un cronomentru digital, a fost notat timpul necesar, in secunde, pentru ca temperature fluidului sa creasca cu un grad. Intervalul de temperature considerat a fost 20-35°C. Determinarile au fost reperate de 3 ori pentru fiecare mostra.

Pentru a calibra instalatia experimentala a fost folosit kerosenul, a carui caldura specifica este cunoscuta [22,23]. Caldura generata de catre rezistenta electrica, data de relatia (2.8),este partial absorbita de catre kerosen, aceasta fiind calculata cu ajutorul relatiei (2.9), iar restul reprezinta fluxul de caldura secundar Qi. Fluxul de caldura secundar include caldura absorbita de catre pahar si caldura pierduta prin radiatie termica.

Figura 2.16 Fluxul de caldura secundar in functie de temperatura

Cunoscandu-se caldura specifica a kerosenului s-a determinat, prin interpolarea datelor experimentale prezentate in figura 2.16, relatia de dependenta a fluxul de caldura secundar de temperatura:

Caldurile specifice ale uleiului de camelina pur si ale amestecurilor ulei camelina – kerosen au fost calculate folosind relatia (2.11), tinand cont de fluxul de caldura secundar:

Figura 2.17 Rezultate determinare experimentala caldura specifica

Pe baza datelor experimentale au fost obtinuta urmatoarele relatii intre caldura specifica si temperatura, pentru toate mostrele analizate:

Dupa cum se poate observa din figura 2.17, caldura specifica a tuturor mostrelor analizate creste cu cresterea temperaturii. Deasemenea, pentru o valoare data a temperaturii, caldura specifica creste cu cresterea procentului de ulei de camelina din amestec.

Valoarea mai mare a caldurii specifice a uleiului de camelina si a amestecurilor ulei camelina/kerosen duce la o crestere mai mica de temperatura pentru aceeasi cantitate de caldura degajata. Astfel, este de asteptat sa se obtina o temperatura de combustie mai mica. Acest lucu are un efect pozitiv asupra producerii de NOx, dar, in acelasi timp, poate afecta puterea generata de catre tubomotor.

Folosind relatia (2.12), se obtine valoarea de 2356,3 J/kg·K a caldurii specifice corespunzatoare temperaturii de 100°C, pentru uleiul de camelina pur. Aceasta valoare este in buna corelatie cu cea prezentata in lucrarea [29] pentru uleiul de rapita, si anume 2430 J/kg·K. Cele doua uleiuri vegetale sunt foarte asemanatoare, proprietatile lor fizico-chimice avand valori foarte apropiate. Cele doua valori prezentate mai sus fiind foarte apropiate, se poate trage concluzia ca metoda folosita pentru determinarea caldurii specific este buna. Metoda este validata si prin faptul ca valorile caldurii specifice obtinute pentru kerosen sunt foarte apropiate de cele prezentate in literature de specialitate [22, 23].

Bibliografie

[21] World Jet Fuel Specifications, ExxonMobil Aviation, 2005

[22] Aviation Fuel Properties. Handbook of Aviation Fuel Properties, prepared by the Coordinating Research Council, Inc., 1983

[23] http://cameochemicals.noaa.gov/chris/KRS.pdf

[24] Carafoli E., Constantinescu V.N., Dinamica fluidelor compresibile, Editura Academiei Republicii Socialiste Romania, Bucuresti, 1984

[25] Operating Instructions, SCHOTT Instruments GmbH

[26] Queimada A.J., Marrucho I.M., Stenby E.H., Coutinho J.A.P., Generalized relation between surface tension and viscosity:a study on pure and mixed n-alkanes, Fluid Phase Equilibria vol. 222–223 pp. 161–168, 2004

[27] Sanford S. D., White J. M., Shah P.S., Wee C., Valverde M. A., Meier G.R., Feedstock and Biodiesel Characteristics Report, 17.11.2009

[28] prospect dna teleaba echipament inflamABILITATE

[29] Parrilla J., Cortes C., Modelling of droplet burning for rapeseed oil as liquid fuel, Proceedings of International Conference on Renewable Energies and Power Quality ICREPQ’07, Sevilla, Spain, 2007