Combustibili avio

Denominazione e classificazione degli idrocarburi

Sono quelle sostanze avanti molecole formate da atomi di carbonio e idrogeno. Sono così suddivisi:

combustibili gassosi - Si trovano, cioè, a temperatura e pressione atmosferica ordinaria allo stato gassoso (per esempio: metano, butano, propano);

combustibili liquidi - Si trovano, cioè, a temperatura e pressione atmosferica ordinaria allo stato liquido. 
I combustibili appartenenti a quest'ultima categoria tendono a volatilizzare. In base a tale proprietà possono essere suddivisi nei seguenti gruppi:

benzina;

kerosene;

combustibile per diesel (conosciuto anche come gasolio);

olio combustibile (conosciuto anche come nafta).

La benzina che ha il grado di volatilità più alto è un carburante, cioè è in grado di partecipare alla combustione unendosi in modo omogeneo al comburente, per carburazione, ovvero sfruttando proprio la facilità di passare rapidamente dallo stato liquido a quello gassoso.

Il combustibile per motori diesel e gli oli combustibili, data la loro scarsa volatilità non sono invece classificabili come carburanti.

Il kerosene, che è intermedio fra la benzina e gli altri combustibili è praticamente petrolio meno raffinato della benzina.

Il kerosene è stato impiegato per primo nei motori per aviazione. Per questi motori, dal kerosene puro si è passati, per diverse ragioni, a combustibili più complessi, comprendenti sostanze speciali (additivi) per migliorarne determinate caratteristiche.

Questi combustibili rimangano comunque intermedi fra le benzine e i combustibili pesanti e vengono chiamati combustibili per motori a turbina o brevemente kerosene.

Nel caso dei motori a getto, quindi, non si dovrebbe parlare di carburante ma di combustibile, in quanto i prodotti usati vengono iniettati e polverizzati per partecipare alla combustione e, perciò, non si miscelano al comburente (aria) spontaneamente per carburazione.

Denominazione e classificazione dei combustibili usati in aviazione

Come già accennato, i combustibili avio sono composti essenzialmente da idrocarburi; la varietà di questi ultimi determina il tipo e il grado di un combustibile.

La suddivisione principale è quella relativa all'uso del combustibile per i due tipi di motori avio: motori alternativi ad accensione per scintilla (motori a scoppio) e motori a turbina (turboelica e turbogetto).

Si ha pertanto la seguente suddivisione:

benzina avio (Aviation Gasolin ovvero Av Gas)   

Gradazione USA militare

Gradazione commerciale

Colorazione

80/87

80/87

Rosso

91/96

91/98

Blu

100/130

100/130

Verde

115/145

115/145

Porpora

kerosene (denominazione generica dei Jet Fuels )

Gradazione USA Militare

Gradazione commerciale

JP-1

Jet A

-

Jet A-1

JP-4

Jet B

JP-5

JP-5

Le differenze principali derivano dalla diversa volatilità, dall’avere o meno potere antidetonante, dalla diversa densità, ecc.

Sia le benzine che i kerosene sono classificati, a loro volta, in gradi e tipi.

Precise specifiche ne fisso le caratteristiche in modo da uniformare i prodotti provenenti dalle diverse raffinerie in modo tale da poter effettuare rifornimento corretto per un dato motore, in qualsiasi punto del globo.

Il riconoscimento a vista dei vari tipi avviene facilmente grazie ad una differente colorazione.

Per quante riguarda il kerosene, una designazione molta comune è quella USA Militare che sfrutta come indice le lettere JP seguite da un numero che rappresenta la sequenza di nascita, dei vari tipi.

Nel campo commerciale è in vigore (luglio 1966) una specifica (D.E.R.D. 2494) che riconosce due tipi di kerosene: Jet A-1 e Jet B.

La tabella precedente elenca alcuni tipi di kerosene e le loro corrispondenze.

Il Jet A si differenzia dal Jet A-1 per il più alto punto di congelamento

Il Jet B è chiamato anche Wide cut fuel in quanto è petrolio tagliato al 30% circa con benzina.

Proprietà e caratteristiche principali dei combustibili avio

Sono: volatilità, densità, punto di congelamento, punto di infiammabilità, punto di accensione

Volatilità

La volatilità, definibile come la tendenza ad evaporare, cioè a passare dallo stato liquido a quello aeriforme, è una caratteristica importante per un combustibile avio perché influisce:

sulla capacità di avviamento del motore;

sull'efficienza della combustione;

sulle perdite di combustibile nei voli di lunga durata ad alta quota;

sulla formazione di vapore nelle tubazioni.

La volatilità è in relazione inversa alla misura delle molecole della sostanza in esame per cui, per sostanze similari si ha che più grosse sono le molecole, più bassa é la volatilità.
La tensione o pressione di vapore esprime invece la tendenza all'evaporazione del carburante in esame, ad una determinata temperatura.

La volatilità non ha alcuna influenza sulla precisione dei sistemi di indicazione della quantità di combustibile, in quanto la formazione di eventuali vapori tra le sonde di misura non altera la misura perché la costante dielettrica dei vapori non differisce molto da quella dell'aria.  

Densità

La densità di un combustibile, intesa come densità relativa è, generalmente, inversamente proporzionale alla volatilità.

Per quanto riguarda l'uso del combustibile, la densità interessa principalmente gli organi di regolazione del flusso e l’autonomia (minore è la densità e minore è la quantità di combustibile, in peso, che può entrare in un serbatoio).

Da un porto di vista fisico, inoltre, si tengano presenti gli effetti che le variazioni di densità hanno sulle caratteristiche elettriche del combustibile.

Più precisamente, i cambiamenti di densità, che stanno a significare variazione delle distanze intermolecolari, provocano delle corrispondenti variazioni della costante dielettrica del combustibile.

Punto di congelamento

Il punto di congelamento (freezing point) di un carburante avio è quel valore di temperatura al quale iniziano a formarsi particelle solide nel carburante stesso.

Tali particelle sono rappresentate da cristalli di paraffina (idrocarburi solidi) che possono determinare l’occlusione dei filtri dell'impianto combustibile. A titolo esemplificativo, la tabella che segue mostra il punto di congelamento massimo di alcuni combustibili avio:

Jet-A (JP-1)

- 48 °C

Jet A-1

- 54 °C

Jet B (Jp-4)

- 60 °C

JP-5

- 56 °C

Benzina avio

- 60 °C

 

Punto di infiammabilità e punto di accensione

Il punto di infiammabilità (Flash point) di un carburante avio è il valore di temperatura più basso, in corrispondenza del quale vaporizza a sufficienza per formare con l'aria una miscela infiammabile.

Aumentando la temperatura oltre il suddetto valore si raggiunge il punto di accensione (fire point), il quale rappresenta la temperatura minima alla quale la combustione viene assicurata con continuità.

Mentre il punto d'infiammabilità è caratteristica per un dato carburante, il punto di accensione dipende anche dall'apparato usato per la combustione. Il punto d'infiammabilità viene fornito per i kerosene ed in genere si aggira sui 40 °C ÷ 70 °C mentre per le benzine avio non viene dato in quanto le miscele benzina-aria sono infiammabili anche a temperature inferiori a 0 °C.

Il punto di accensione può interessare sia la benzina sia il kerosene; per una benzina avio il minimo varia, a titolo indicativo, tra i 370 °C e i 420 °C, per il kerosene tra 200 °C e 260 °C.

Confrontando i due punti si può affermare, in linea generale, che una benzina ha una forte capacità di infiammarsi rispetto al kerosene, cioè esattamente ciò che ci vuole per i motori a scoppio, mentre la migliore infiammabilità del kerosene favorisce il suo impiego nei motori a getto.

Contaminazione di carburante

Le impurità più comuni (a parte lo zolfo, presente fin dalla nascita nel combustibile, e gli additivi, che sono indispensabili pur non contribuendo alla combustione) sono: 

particelle estranee;

sedimenti vari;

colture di microrganismi;

sostanze tensioattive;

acqua.

L'acqua rappresenta la forma di contaminazione più nociva per il funzionamento del motore e per gli apparati elettrici di indicazione quantità, mentre le altre forme possono anche non interessare i motori ma comunque danneggiare i serbatoi.

Maggiore è la viscosità del carburante, più grande è la sua capacità di trattenere le impurità in sospensione; il kerosene quindi, essendo molto più viscoso della benzina dà, sotto questo profilo, più problemi resi più difficili dalla circostanza che è destinato a lavorare con organi meccanici ed elettrici che richiedono combustibili molto puliti.

Tutto ciò sta a significare che i kerosene debbono avere un grado di contaminazione il più basso possibile all'atto dell'imbarco, in quanto l'eventuale sedimentazione delle impurità risulterebbe molto lenta propria perché sono molto viscosi.

Non sempre è possibile poter vedere nelle campionature di carburante le impurità e, comunque, quando l’occhio le vede esse sono già oltre la concentrazione massima ammessa.

Il controllo a vista deve servire proprio per controllare che un carburante sia pulito, cioè privo di sedimentazioni, emulsioni, ombreggiature, ecc. e limpido, ovvero, se messo controluce, deve essere brillante e non opalescente.

Ora, pur premettendo che un carburante con impurità o contaminazioni visibili a occhio nudo non è accettabile, per il rifornimento di un aeromobile è interessante esaminare brevemente i tipi di impurità più importanti e più interessanti da analizzare dal punto di vista degli apparati di indicazione della quantità.

Particelle estranee e sedimenti vari

Si presentano generalmente sotto forma di:

sabbia finissima;

ruggine;

composti di magnesio e alluminio;

tracce di rame ed altri metalli.

Queste forme contaminanti possono causare grippaggi o, in generale, malfunzionamenti degli organi di controllo del flusso del combustibile.

Colture microbiologiche

Queste consistono in organismi viventi che si formano nell'interfaccia tra acqua e combustibile; sono incluse forme protozoiche, funghi e batteri.

I funghi (vita vegetale) sono la forma biologica più dannosa perché facilitano il mantenimento in sospensione delle ruggini; tale forma inoltre si attacca alle superfici metalliche e non metalliche e può provocare danni ai sistemi di indicazione quantità.

Se arriva al motore questa forma biologica favorisce enormemente l'impastamento degli organi di controllo del flusso, delle valvole, ecc.

Le colture si trovano generalmente ove si trovano delle sacche di combustibile stagnante con presenza di acqua. Quest'ultima è necessaria allo sviluppo delle forme microbiologiche nel combustibile; anche tracce di polveri metalliche favoriscono la crescita delle colture, ma l'acqua è l’elemento base.

I microrganismi formatisi causano a loro volta gravi danni alle strutture metalliche a causa delle reazioni chimiche che insorgono tra gli acidi organici prodotti dalla coltura e alcune sostanze presenti nel carburante.

Le contaminazioni microbiologiche vengono favorite da temperature e gradi di umidità più alti del normale (es. climi tropicali).

Sostanze tensioattive

Tali sostanze riducono la tensione superficiale tra acqua e carburante, agevolando l'emulsione tra i due fluidi impedendone, cosi, la separazione.

Favoriscono poi indirettamente le colture di microrganismi proprio perché aumentano le zone con l'interfaccia acqua-combustibile.

Sono presenti nel combustibile talvolta come residui della lavorazione del grezzo e talvolta come residui dei lavaggi dei mezzi di trasporto del combustibile (i detergenti sono, ad esempio, dei tensioattivi)

Acqua

L'acqua è presente nei combustibili formati da idrocarburi in tre forme essenziali:

in soluzione;

in sospensione o emulsione;

allo stato libero.

Gli idrocarburi sono normalmente saturi di acqua la quale, in soluzione, è sempre presente nella misura di poche decine di parti per un milione di parti di combustibile.

La presenza dell'acqua in soluzione, anche se al punto di saturazione, non porta inconvenienti al funzionamento del motore.

L'acqua in sospensione si presenta sotto forma di gocce estremamente piccole che restano sospese per un certo periodo di tempo prima di scendere sul fondo del serbatoio. Questa forma di contaminazione è dannosa perché può provocare l'intasamento dei filtri per formazione di ghiaccio, cortocircuiti negli apparati elettrici degli impianti di indicazione quantità combustibile e negli avvolgimenti dei motori elettrici delle pompe combustibile, ecc.

Se l'acqua, poi è salina (rifornimenti, ad esempio, in zone marine, specialmente tropicali ad alto tasso di umidità) si ha anche la corrosione delle parti metalliche degli apparati elettrici e meccanici posti nei serbatoi.

L'acqua allo stato libero si trova generalmente raccolta nei punti più bassi del serbatoio perché il suo stato è tale che la separazione dal combustibile è netta.

L'acqua sotto tale forma può indurre in errore i sistemi di misure quantità combustibile in quanto va ad influenzare il funzionamento oltre che dei capacimetri, soprattutto dei vari condensatori di compensazione che sono posti, appunto, sul fondo dei serbatoi.

L'acqua allo stato libero può essere rimossa  tramite apposite valvole di drenaggio poste sul fondo dei serbatoi.

La presenza dell'acqua è quindi, tutto sommato, la forma più seria di inquinamento dei combustibili.

Mentre lo stato di soluzione non è controllabile se non in laboratorio (ma, come si è detto non dà luogo ad inconvenienti) gli altri stati sono dannosi e vanno evitati al massimo.

Speciali apparecchiature, facenti parte delle attrezzature aeroportuali di rifornimento, consentono il controllo anche durante il rifornimento stesso; in mancanza di tali apparecchiature è comunque possibile un esame a vista di un campione, ma solo una esperienza adeguata permette di conseguire un certo risultato.

In linea generale è bene comunque ricordare che:

l’acqua in soluzione non è visibile ad occhio nudo;

l'acqua in sospensione rende il combustibile più o meno opaco;

l’acqua allo stato libero appare sotto forma di goccioline adagiate sul fondo della provetta;

tutte le altre forme di contaminazione, se in quantità rilevante, appaiano come nebulosità diversamente colorate;

anche la miscelazione di due combustibili diversi è forma di contaminazione.

Un combustibile ottimo guardato in controluce deve risultare pulito, brillante, limpido, trasparente ed esente da acqua, indipendentemente dall'eventuale colorazione come nel caso delle benzine.