ĆWIĆZENIE NR 5
POMIAR TEMPERATUR ZAPA
ONU,
PALENIA I KRZEPNI
CIA OLEJÓW
SMAROWYCH
1
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
zapalenie się par cieczy w atmosferze powietrza, bez udziału zewnętrznych strumieni
ciepła oraz punktowych z
ródeł 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 [°Ä†]
Zapłonu Palenia Samozapłonu
Benzyny silnikowe
(-40) ÷ (-20) (-35) ÷ (-5) 460 ÷ 550
Benzyny lotnicze
(-42) ÷ (-30) (-35) ÷ (-20) 460 ÷ 670
Nafty lotnicze
28 ÷ 60 40 ÷ 70 220 ÷ 300
Oleje napędowe
35 ÷ 75 40 ÷ 90 320 ÷ 360
Oleje opałowe
40 ÷ 115 50 ÷ 125 280 ÷ 350
Oleje silnikowe
180 ÷ 250 200 ÷ 280 300 ÷ 350
Oleje przekładniowe
220 ÷ 260 210 ÷ 280 300 ÷ 400
PÅ‚yny ATF
195 ÷ 200
Oleje hydrauliczne
170 ÷ 260 200 ÷ 300 300 ÷ 380
Oleje mineralne do turbinowych 400
140 ÷ 160 155 ÷ 220
silników lotniczych
Oleje syntetyczne do turbinowych 430
195 ÷ 280 220 ÷ 300
silników lotniczych
Wyróżnia się trzy klasy zagrożenia pożarowego:
klasa I: ciecze o Tz < 21°Ä† (np. benzyna);
klasa II: ciecze o T od 21°Ä† do 55°Ä† (np. oleje napÄ™dowe, nafty);
klasa III: ciecze o T od 55°Ä† do 100°Ä† (np. oleje opaÅ‚owe).
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
T1 - temperatura samozapÅ‚onu powyżej 450°Ä†,
T2 - temperatura samozapÅ‚onu powyżej 300 do 450°Ä†,
T3 - temperatura samozapÅ‚onu powyżej 200 do 300°Ä†,
T4 - temperatura samozapÅ‚onu powyżej 135 do 200°Ä†,
T5 - temperatura samozapÅ‚onu powyżej 100 do 135°Ä†, .
T6 - temperatura samozapÅ‚onu powyżej 85 do 100°Ä†.
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° poÅ‚ożenie jego menisku nie zmienia siÄ™ w ciÄ…gu 1 minuty. Temperatura
krzepnięcia węglowodorów parafinowych jest najwyższa, stąd dla oleju wskaz
nik 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
roztworu. W niektórych przypadkach ciecz newtonowska przechodzi w ciecz
nienewtonowskÄ…
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
pokrywkÄ…,
- 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 Å‚az
ni wodnej, 3  mechanizm zapalajÄ…cy, 4  tygiel
wewnętrzny z badanym produktem, 5  łaz
nia wodna
5
- 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 Å‚az
ni, 4  pokrętło
uruchamiajÄ…ce palnik, 5  badany produkt, 6  Å‚az
nia 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
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  dz
wignia 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
 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
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 10 & 30 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 ulegajÄ… spaleniu, np. w silnikach.
Lekkie produkty naftowe i rozpuszczalniki sÄ… cieczami Å‚atwopalnymi. MogÄ… 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
Rys. 7 Schemat części pomiarowej aparatu do oznaczania
temperatury krzepnięcia i krystalizacji
1  termometr do pomiaru temperatury Å‚az
ni,
2  termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 3 
probówka z badanym produktem,
4  Å‚az
nia 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°Ä† wlewamy w temperaturze pokojowej do wysokoÅ›ci górnej kreski, natomiast
smar o temperaturze zapÅ‚onu powyżej 220°Ä† ogrzewamy do 50°Ä† i wtedy dopiero
wlewamy do tygielka do wysokości kreski dolnej. Tygielek mocujemy w pierścieniu
metalowym za pomocą łapek i śrubek, łaz
nię 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°Ä†/min, zaÅ› w okolicy temperatury zapÅ‚onu do 4°Ä†. W okolicy temperatury zapÅ‚onu, 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
olejowe po oddaleniu palnika palÄ… siÄ™ 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 swojÄ… ruchliwość, że po pochyleniu probówki z badanym produktem o 45°
menisk nie ulegnie przesunięciu w ciągu 1 minuty.
PrzyrzÄ…dy
Do pomiaru potrzebne są następujące przyrządy:
- probówka A o średnicy wewnętrznej 20 ą 1 mm i długości 160 ą 10 mm. Na
zewnętrznej stronie probówki na całym obwodzie, w odległości 30 mm od dna
znajduje siÄ™ kreska,
- probówka B o średnicy wewnętrznej 40 ą 2 mm i długości 130 ą 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 oziÄ™biajÄ…cej tak aby uzyskać temperaturÄ™ mieszaniny 5°Ä† niższÄ… od
przewidywanej temperatury krzepnięcia badanego produktu. Mieszanina oziębiająca przy
temperaturach do - 20°Ä† skÅ‚ada siÄ™ z lodu lub Å›niegu i chlorku sodowego, zaÅ› przy
temperaturach poniżej - 20ºÄ† z alkoholu etylowego (lub acetonu wzglÄ™dnie benzyny
lakowej) oraz z dwutlenku węgla.
11
Wykonanie
Probówkę A z pobraną próbką wstawić do łaz
ni wodnej i ogrzać do temperatury 50
Ä… 1ºÄ†. NastÄ™pnie wyjąć probówkÄ™ A, wytrzeć starannie i umieÅ›cić w probówce B za
pomocą korka, tak aby ścianki probówki A znajdowały się w jednakowej odległości od
ścianek probówki B.
W przypadku gdy temperatura krzepniÄ™cia badanego produktu jest niższa od 0ºÄ† do
probówki B wlać około 1 ml kwasu siarkowego. Tak podgrzewany zestaw probówek
ostudzić w powietrzu do temperatury 35 Ä… 5°Ä† i wstawić do naczynia z mieszaninÄ…
oziębiającą. Poziom mieszaniny oziębiającej powinien być o 40-50 mm wyżej niż poziom
badanego produktu. Temperaturę mieszaniny oziębiającej należy utrzymać w czasie
wykonywania pomiaru z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… do Ä… 1ºÄ†.
Gdy produkt osiągnie przewidywaną temperaturę krzepnięcia, przechylić zestaw probówek
o 45° i pozostawić w tym poÅ‚ożeniu wciÄ…gu 1 minuty. NastÄ™pnie 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
temperaturÄ™ o 4ºÄ†, aż do znalezienia temperatury, w której powierzchnia badanego
produktu nie ulegnie przesunięciu.
Jeżeli natychmiast po wykonaniu pomiaru menisk nie ulega przesunięciu pomiar należy
powtarzać podwyższajÄ…c za każdym razem temperaturÄ™ o 4ºÄ†, aż do znalezienia
temperatury, w której powierzchnia badanego produktu ulegnie przesunięciu. Po
wyznaczeniu dwóch temperatur , w zakresie których powierzchnia badanego produktu
ulega przesuniÄ™ciu, należy powtórzyć pomiar w temperaturze różniÄ…cej siÄ™ o 2ºÄ† od
temperatury, w której wykonano ostatni pomiar.
12