سوخت جت و نفت سفید

کروزن (Kerosene) برشی از نفت خام است که گسترۀ جوش آن بلافاصله بعد از بنزین قرار گرفته است و شامل هیدروکربن های C₁₀ تا C₁₄ می­‌باشد. فاصلۀ جوش این برش نفتی تقریباً بین 190˚C تا 270˚C می‌­باشد. سوخت جت و نفت سفید هر دو از زیر مجموعه ها و فراورده های کروزن هستند. این ترکیبات بی رنگ هستند و می­توانند کاربردهای مختلفی داشته باشند. شما می‌توانید پالایش نفت فرآیندهای آن را در مقاله لینک شده مطالغه نمایید.

از جمله کاربردهای نفت سفید که در گذشته بسیار رایج بود، استفاده به عنوان سوخت بخاری های نفتی و وسایل روشنایی است. امروزه با گسترش استفاده از گاز شهری و برق، این گونه کاربردها کمتر قابل توجه هستند. همچنین نفت سفید سوخت مورد استفاده در تراکتورها و بعضی ماشین آلات کشاورزی می‌­باشد.

موتورهای جت در انواع هواپیماها، هلی کوپترها و کلیۀ وسایل هواگرد، از سوختی به نام سوخت جت (Jet fuel) استفاده می‌­کنند که این سوخت باید دارای شرایط ویژه ای باشد. موتور هواپیماها دارای ساختار متفاوتی با موتورهای سیلندر پیستونی خودرو است. در این موتورها با ایجاد شتاب در هوا نیرویی به نام تراست (Trust) ایجاد می‌­شود و این نیرو در حقیقت پیش‌رانش لازم در هواپیما را موجب می­‌شود. از این رو سوخت جت باید دارای ساختار ویژه ای باشد که در ادامۀ مطلب به آن اشاره خواهد شد.

نحوۀ عملکرد موتور جت

در موتور جت، هوا از طریق فن ورودی مکیده شده و در کمپرسور متراکم می­‌شود. به علت بالا بودن سرعت هوای ورودی، نمی‌­توان آن­را مستقیماً برای اشتعال استفاده کرد. چرا که در این صورت مقدار زیادی از هوا بدون سوخته شدن از محفظۀ احتراق خارج می­‌گردد.

به منظور پایین آوردن سرعت هوای ورودی، هوا پس از کمپرسور وارد دیفیوزر شده و در آن جا ضمن کاهش سرعت، فشارش افزایش می­‌یابد. در ادامه هوا وارد محفظۀ احتراق (Combustion Chamber) شده و در آنجا با سوخت ترکیب می­‌گردد. هوای ترکیب شده با سوخت محترق می­‌شود و در اثر نیروی حاصل از احتراق، توربین های قرار گرفته در خروجی محفظۀ احتراق شروع به چرخش و تولید کار می­‌کنند.

همچنین بخشی دیگر از نیروی حاصل از احتراق سوخت، با عبور گاز خروجی از نازل و افزایش سرعت و مومنتوم صرف ایجاد نیروی رانش (Trust) هواپیما م‌ی­شود. شکل زیر شمای کلی یک موتور جت را نشان می­دهد.

انواع سوخت جت

سوخت جت دارای انواع متنوعی هستند که بر حسب کاربرد نظامی و یا مسافربری، دارای اسامی متفاوتی در کشورهای مختلف هستند. فراورده ای که بیشترین کاربرد را دارد توربوراکتور (TRO) یا (JP8) است که اتحادیۀ ناتو از نام F34 و F35 برای آن استفاده می­‌کند.

سوخت مشابه در آمریکا JetA1 نام دارد. در ارتش از سوخت های فرارتری به نام TR4، JP4 ، Jet B ، F45 و F40 استفاده می­‌شود. اسامی مختلف این سوخت ها به علت تفاوت جزئی در ساختار آن­ها است. همچنین نوع دیگری از سوخت جت سنگین تر و با فراریت کمتر به نام TRS یا JPS ( که ایمنی بیشتری هنگام ذخیره شدن تأمین می‌­کند) وجود دارد . پرکاربرد ترین سوخت جت در سطح جهان، TRO یا JetA1 است که تقریباً برای تمامی هواپیماهای ناوگان مسافربری به کار می‌­رود. در ادامه مشخصات مربوط به این سوخت بیان خواهد شد.

مشخصات سوخت جت

بر خلاف موتورهای پیستونی، موتورهای جت از جریان مداوم گاز استفاده می­‌کنند. با توجه به این­که هواپیما در ارتفاع بالایی پرواز می­‌کند و دمای هوا در ارتفاعات بالا کمتر است. سوخت جت باید قابلیت سیالیت خود را در دماهای خیلی کم هم حفظ کند. همچنین در هواپیماهای مافوق صوت، سوخت جت و نفت سفید باید از پایداری حرارتی بالایی برخوردار باشد. در ادامه مشخصات مربوط به سوخت جت مطرح خواهد شد.

1. چگالی

برای دست یابی به حداکثر انرژی در حجم معینی از مخزن و کاهش حجم راکتورهای داخل هواپیما، استفاده از سوخت با چگالی بالا ترجیح داده می‌­شود. این افزایش چگالی سوخت نباید توسط ترکیبات خیلی سنگین که باعث کاهش بازده احتراق و ایجاد رسوب های کربنی می­‌شوند، تأمین شود. اصولاً چگالی سوخت جت در محدودۀ بین 0.775 تا 0.84 Kh/lit قرار دارد.

2. فشار بخار

فشار بخار، بیشتر در مورد هواپیماهای نظامی و خصوصاً برای سوخت JP4 مطرح است. فشار بخار این سوخت باید بین 14 تا 21 کیلو پاسکال باشد تا در ارتفاعات زیاد که فشار هوا کم است، سوخت تبخیر نشود. تبخیر سوخت می­‌تواند سبب ایجاد سدی از بخار شده و باعث از کار افتادن پمپ ها و تجهیزات و اتلاف در مخازن شود. با این حال برای روشن کردن موتور هواپیما در سطح زمین یا استارت مجدد در ارتفاعات، وجود ترکیبات سبک در سوخت ضروری است.

3. تقطیر

محدودۀ تقطیر سوخت جت تقریباً برابر با برش کروزن در برج تقطیر می‌­باشد. به صورتی که در دمای 204 C˚ بیش از 10% سوخت تقطیر شده و و دمای نهایی تقطیر آن 288 C˚ می­‌باشد.

4. نقطۀ انجماد سوخت

به علت کارکرد هواپیما در ارتفاعات زیاد، سوخت جت در معرض هوا با دمای -40 C˚ تا -50 C˚ قرار می­گیرد. تحت این شرایط سوخت باید قادر باشد سیالیت خود را حفظ کند. بنابراین حداکثر نقطه انجماد سوخت جت دمای -50 C˚ می‌­باشد.

از جمله مواردی که موجب اشکال در سوخت جت می­‌شود، وجود آب در آن است. از آن­جایی که آب در دمای صفر درجۀ سانتی گراد یخ می‌­زند، وجود آب در سوخت موجب تشکیل بلورهای یخ شده و کارکرد موتور هواپیما مختل می‌شود. جهت رفع این مشکل از مواد ضد یخ در سوخت استفاده می­‌کنند تا علاوه بر جذب آب، نقطۀ انجماد سوخت را نیز کاهش دهد. این مواد افزودنی به سوخت ها معمولاً از نوع اتر الکل ها مانند متوکسی اتانول می­باشند که به غلظت حداکثر 1500 ppm به سوخت افزوده می­‌شوند.

5. ساختار شیمیایی سوخت جت

به منظور کاهش رسوب های کربنی و تأمین شعلۀ مناسب، دو پارامتر نقطۀ دود و میزان مواد آروماتیک در مورد سوخت جت بسیار حائز اهمیت است. نقطۀ دود یک سوخت، حداکثر ارتفاع شعله بدون ایجاد دود در یک چراغ آزمایشگاهی استاندارد است. محدودۀ نقطه دود معمولاً بین 10 تا 40 میلی متر است که در مورد سوخت جت 25 میلی متر در نظر گرفته می‌­شود. نقطۀ دود پارافین های زنجیری بالا بوده و با شاخه دار شدن ساختار پارافین، نقطه دود کاهش می­‌یابد. همچنین ترکیبات حلقوی نفتنی و آروماتیک ها دارای نقطه دود بسیار پایین تری می­‌باشند. اما از طرفی هرچه میزان آروماتیک ها در سوخت بیشتر باشد، رسوب های کربنی در آن بیشتر است. به همین علت باید میزان آروماتیک ها در سوخت محدود شود. میزان مجاز آروماتیک ها در سوخت جت حدود 20% قرار داده شده است.

6. پایداری حرارتی

در سرعت های بالای حرکت هواپیما دمای سوخت جت هنگام عبور از مناطق داغ موتور بالا می­رود. برای بررسی میزان پایداری حرارتی سوخت در این شرایط، آزمایش اکسیداسیون حرارتی سوخت جت (Jet Fuel Thermal Oxidation Test) انجام می­‌گردد. این آزمایش نشان دهنده­ی میزان رسوب تشکیل شده توسط سوخت بر یک سطح فلزی با دمای بالاست. هرچه مقدار رسوب تشکیل شده کمتر باشد، سوخت از پایداری بهتری برخوردار بوده و کیفیت آن مناسب تر است.

مقایسۀ ساختار چند نوع سوخت جت

با توجه به این که سوخت جت از فرآورده های نفتی بسیار پر تقاضا در بازار است، میزان تولید آن در پالایشگاه ها نسبتاً زیاد می‌­باشد. این سوخت می­‌تواند فراوردۀ حاصل از تقطیر مستقیم نفت خام بوده و یا از برش های میان تقطیر فرآیند هیدروکراکینگ باشد.

بسته به نوع کاربرد سوخت جت در وسایل مختلف هواگرد، این سوخت می‌­تواند دارای انواع مختلفی باشد که هر کدام مشخصات مخصوص به خود را دارند. جدول زیر نشان دهندۀ مشخصات چند نوع مختلف از سوخت جت و نفت سفید می­‌باشد.

همانطور که از جدول بالا ملاحظه می­‌گردد، سوخت JP – 4 که مخصوص هواپیماهای نظامی است از نقطه انجماد پایینی برخوردار است و در عوض به علت بالا بودن میزان ترکیبات پارافینی نقطه دود آن بالا است. سوخت RP – 1  بیشتر مخصوص راکت ها است و به علت میزان بسیار کم ترکیبات آروماتیک نقطه دود آن بسیار پایین است.

به طور کلی هرکدام از انواع سوخت جت بسته به نوع وسیلۀ هواگردی که در آن استفاده می‌­شوند، باید دارای بهینه ترین خواص باشند تا هواپیمای مورد نظر بتواند عملکرد مناسبی از خود نشان دهد. در این مقاله سعی شد تا سوخت جت و نفت سفید به طور کامل شرح و انواع سوخت جت به همراه مشخصات فنی بررسی گردد.