Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Воробьев Андрей Николаевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Коваленко Всеволод Павлович
Официальные оппоненты:
Девянин Сергей Николаевич доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина, заведующий кафедрой Тракторы и автомобили.
Сыроедов Николай Евгеньевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное автономное учреждение л25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства Обороны Российской Федерации, ведущий научный сотрудник.
Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук.
Защита состоится л22 мая 2012 года в л13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина по адресу: 127550, г. Москва, Лиственничная аллея, д.16А, корпус 3, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.
Автореферат разослан л18 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Левшин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Высокая насыщенность агропромышленного комплекса автотракторной, зерноуборочной и другой самоходной техникой, оснащенной дизельными силовыми установками, с особой остротой ставит вопрос сохранения качества топлива, применяемого при эксплуатации этой техники. Важными результатами решения этого вопроса являются экономия горючего, продление срока службы двигателей и снижение отрицательного воздействия процесса их эксплуатации на окружающую среду.
Основными направлениями сохранения качества дизельного топлива являются разработка и осуществление мероприятий по снижению его загрязненности и обводненности. Особенно необходимо совершенствовать процесс очистки топлива перед его применением по назначению - непосредственно в системе питания дизеля.
Существующая система очистки дизельного топлива, поступающего в баки сельскохозяйственной техники, в большинстве случаев не полностью обеспечивает требуемую чистоту этого продукта. Тем не менее даже при высоком уровне чистоты заправляемого топлива при поступлении в камеру сгорания двигателя оно содержит значительное количество загрязнений, попадающих в него из атмосферы, и других внешних и внутренних источников. Поэтому разработка мероприятий по предотвращению попадания загрязнений в топливный бак и создание высокоэффективного средства очистки топлива в системе питания дизеля являются научными и практическими задачами, весьма актуальными для сельского хозяйства и других отраслей, в которых эксплуатируются дизельные двигатели.
Целью настоящего исследования является повышение эффективности очистки и обезвоживания дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники в условиях сельскохозяйственного производства.
Объект исследования: перспективные конструкции средств обеспечения чистоты дизельного топлива с оптимальными технико-экономическими характеристиками для использования в системах питания дизелей.
Предмет исследования: процессы обеспечения чистоты дизельного топлива путём предотвращения попадания загрязнений в систему питания дизеля и тонкой очистки от механических частиц и эмульсионной воды в этих системах.
Научная новизна работы заключается в разработке математических моделей процессов накопления твёрдых загрязнений и эмульсионной воды в топливных баках мобильных машин, в теоретическом обосновании конструкции средств очистки дизельного топлива в системе питания двигателя и разработке физико-математических моделей процессов очистки топлива с использованием этих устройств, а также в экспериментальном подтверждении эффективности их использования.
Практическая ценность работы состоит в разработке мероприятий по предотвращению попадания загрязнений в топливный бак и конструкции устройств для тонкой очистки дизельного топлива в системе питания дизеля, а также рекомендаций по использованию указанных устройств.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 26-й Международной научно-технической конференции Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей (Санкт-Петербург, 2011), Международной научно-практической конференции Научные проблемы эффективного использования тягово-транспортных средств в сельском хозяйстве (Москва, 2011, 2012), XVI Международной научно-практической конференции Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства (Тамбов, 2011), Международной научно-практической конференции Ресурсосберегающие технологии и оборудование в системе технического сервиса АПК (Москва, 2011), заседаниях кафедры Автомобильный транспорт ФГБОУ ВПО МГАУ (2010, - 2011).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 9 научных статьях, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель № 110659.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из 114 наименований. Диссертация выполнена на 178 страницах машинописного текста, в том числе содержит два приложения, 31 таблицу и 38 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, определены объект и предмет исследований, изложены научная новизна и практическая ценность результатов работы.
В первой главе Состояние вопроса и постановка задач исследования рассмотрены процессы, протекающие в дизельном топливе под влиянием внешних и внутренних факторов, и изучены взаимосвязи между явлениями, приводящими к образованию в топливе загрязнений. Предложена уточнённая классификация загрязнений. Проанализированы данные о фактической загрязненности дизельного топлива на различных этапах его жизненного цикла и рассмотрено влияние загрязнений на работу дизеля и экологию окружающей среды. Показана необходимость очистки дизельного топлива от механических загрязнений и эмульсионной воды.
Вопросам очистки нефтепродуктов от механических загрязнений и эмульсионной воды для повышения надежности мобильной техники посвящены работы В.И. Барышева, Г.Ф. Большакова, Г.В. Борисовой, Г.С. Бродского, В.И. Волкова, М.А. Григорьева, Ю.И. Дмитриева, Е.Н. Жулдыбина, В.П. Зезекало, Б.С. Квашнина, В.П. Коваленко, А.С. Полякова, А.И. Руденко, К.В. Рыбакова, А.В. Симоненко, Э.И. Удлера, З.Л. Финкельштейна и многих других ученых. Рассмотрение методов очистки дизельного топлива показало, что перспективным является применение для этой цели фильтрующих гидрофобных перегородок с их непрерывной регенерацией. Целесообразно осуществлять эту операцию с использованием гидродинамического эффекта, заключающегося в том, что подвод жидкости к фильтрующему элементу осуществляется не в радиальном направлении, а параллельно его поверхности, и задержанные на этой поверхности загрязнения (твердые частицы и микрокапли воды) удаляются с нее потоком жидкости. Использование гидродинамического эффекта дает возможность повысить тонкость очистки дизельного топлива без уменьшения размера пор фильтрующего элемента, т.е. без увеличения его гидравлического сопротивления, повысить ресурс его работы и обеспечить эффективное обезвоживание топлива на гидрофобной фильтрующей перегородке. В результате критического анализа рассмотренных материалов сформулированы конкретные задачи, которые необходимо решить для осуществления поставленной цели.
Во второй главе Теоретическое обоснование конструкции средств обеспечения чистоты дизельного топлива в системах питания дизелей показано, что совершенствование очистки дизельного топлива должно включать: разработку эффективного воздушного фильтра для очистки воздуха, поступающего в топливный бак; создание приспособлений для повышения эффективности гравитационной очистки топлива в баке; увеличение ресурса работы фильтра тонкой очистки и придание ему функций водоотделителя. Решение указанных задач требует исследования процессов, определяющих общее количество и гранулометрический состав твёрдых загрязнений, а также содержание эмульсионной воды в дизельном топливе. Эти показатели загрязнённости топлива являются исходными данными при разработке математических и физических моделей функционирования устройств для обеспечения чистоты топлива в системе питания дизелей. После i-ой заправки концентрация загрязнений в баке будет равна:
Сзi (1)
где Сзi - суммарное количество загрязнений в топливном баке, г; Сзт - концентрация загрязнений в заправляемом топливе, г/л; Св - концентрация загрязнений в воздухе, г/л; Vб - объём бака, л; Vо - остаток топлива в баке, л.
Так как величина < 1, при i 0, и при достаточно большом количестве заправок выражение (1) примет вид:
. (2)
Поскольку обычно отношение =0,1Е0,2, загрязненность топлива достигает предельного значения через 2Е3 заправки. Анализ этих зависимостей подтверждает намеченные пути снижения загрязненности топлива в системе питания дизеля.
Рассмотренный механизм изменения загрязненности топлива в баке справедлив для дизелей с тупиковой или замкнутой схемами системы питания, а при проточной схеме избыточное топливо, не попавшее в камеру сгорания, сливается в топливный бак. При этом расчет грязеемкости фильтра тонкой очистки по формуле (2) даст несколько завышенные значения, однако целесообразно принимать этот показатель с запасом.
Влага, попадающая в дизельное топливо, имеет преимущественно атмосферное происхождение и первоначально находится в атмосфере в виде водяных паров или осадков. Количество водяных паров, поступающих в бак в результате расхода топлива при работе двигателя, можно определить из выражения:
Gвбд = 0,001VдCв , (3)
где Gвбд - масса атмосферной влаги, попавшей в бак при большом дыхании, кг; Vд =Vб-Vт= gcт - объем израсходованного двигателем топлива, м3; gc - секундный расход топлива, г/с; т - плотность топлива, кг/м3; - продолжительность работы двигателя, с; Cв - абсолютная влажность воздуха во время работы двигателя, г/м3.
Это выражение справедливо для случая, когда газовое пространство бака непосредственно соединяется с атмосферой, а упругостью паров топлива можно пренебречь. Если топливный бак оборудован дыхательным клапаном, влажный воздух поступает в него при возникновении вакуума. Сделаем допущение, что этот процесс подчиняется закону Бойля-Мариотта, т.е. протекает при постоянной температуре, и справедливо уравнение:
PaVвозд=PбVт =(Pa - Pкв - Pу) Vт, (4)
где Pa и Pб - соответственно атмосферное давление и давление в баке после открытия клапана, Па; Pкв и Pу - соответственно давление открытия клапана и упругость паров топлива, Па; Vвозд и Vт - соответственно объем воздуха, поступившего в бак, и объем топлива, выданного из него, м3.
Отсюда
. (5)
Количество атмосферной влаги, поступающей в бак при выдаче из него топлива, определяется из выражения:
(6)
где Pб= Pa - Pкв - Pу Цдавление в баке, Па.
Аналогичным путем, пользуясь уравнением газового состояния и законом Дальтона, можно определить количество влаги, поступающей в вакуума из-за уменьшения объема топлива и снижения упругости его паров.
Кроме попадания паров влаги в газовое пространство топливного бака с атмосферным воздухом при срабатывании дыхательного клапана, влага может поступать в бак также в виде атмосферных осадков при наличии зазоров в его горловине при установке в ней раздаточного крана, а также при разгерметизации бака для осмотра и технического обслуживания. Суммарное количество влаги, попавшей в топливный бак, составляет:
Gв = Gвбд + Gвз +Gвпор +Gвкон, (7)
где - количество влаги, попавшей через зазоры, кг; Gвпор = 0,001Vб Свпор - количество поступившей в порожний бак влаги при его разгерметизации для внутреннего осмотра, зачистки и т.п., кг; Gвкон = 0,001Vемк (Свпор - Свнал) количество влаги, сконденсировавшейся на внутренних поверхностях порожнего бака при понижении температуры, кг; R - радиус горловины, м; = RЦRк - средняя величина зазора, м; Rк - радиус патрубка раздаточного крана, м; - количество осадков, мм; Gг - средняя норма осадков для данной местности, мм/год; з - суммарная продолжительность заправок, ч/сут; ос - средняя продолжительность осадков для данной местности, ч/год; в - плотность воды, кг/м3;Свпор и Свнал Цсоответственно абсолютная влажность воздуха, поступающего в порожний бак и вытесняемого из бака при наливе в него дизельного топлива, г/м3.
Из этого количества часть влаги растворится в дизельном топливе, часть ее образует с ним эмульсию, а часть останется в газовом пространстве бака в виде паровой фазы. Растворимость воды в нефтепродуктах невелика и для дизельного топлива ДЛ колеблется от 0,0021 % при Ц10 С до 0,0104 % при 30 С, поэтому удалять из дизельного топлива растворенную воду нецелесообразно. В основном влага находится в дизельном топливе в виде микрокапель, образуя эмульсионную воду, находящуюся в динамическом равновесии с растворенной в топливе водой. С течением времени микрокапли воды могут укрупняться и, осаждаясь, образовывать на дне емкости слой отстойной (подтоварной) воды, которая также находится в динамическом равновесии с растворенной в продукте водой, а также частично эмульгируется обратно в топливо при транспортной тряске. Процесс образования подтоварной воды в баке будет зависеть от количества и размера микрокапель воды, диспергированных в дизельном топливе. Объем подтоварной воды, образовавшейся в топливном баке за некоторый промежуток времени:
, (8)
где Vотс - объем подтоварной воды, м3; N - количество микрокапель воды в единице объема топлива в начальный период, шт./м3; Vп - объем топлива в баке, м3; - продолжительность осаждения микрокапли воды, с, К - коэффициент перемешивания.
Данное выражение носит оценочный характер из-за трудностей определения количества капель в топливе и их размера. Прочие закономерности, описывающие механизм обводнения дизельного топлива атмосферной влагой, также дают неполную картину этого процесса и требуют корректировки с помощью экспериментальных данных.
Максимальное суммарное количество влаги, способное находится в топливе в свободном состоянии, можно определить, используя выражение:
(9)
где Gсв max - максимальное количество свободной воды в дизельном топливе, кг; п - плотность дизельного топлива, кг/м3; Vост = Vб ЦVп - количество дизельного топлива, оставшегося в баке после работы двигателя, м3.
Этим количеством свободной воды следует задаваться при расчете средств для обезвоживания дизельного топлива при эксплуатации сельскохозяйственной техники.
Поскольку значительное количество атмосферной пыли и влаги попадает в топливные баки дизелей, вместе с воздухом, поступающим туда в процессе эксплуатации, наиболее эффективным методом его очистки является фильтрование. Установлено, что формирование пылевого осадка на волокнах фильтрующей перегородки при скорости воздушного потока 1 м/с происходит с образованием локальных боковых наростов, направленных под углом 110Е120о к оси потока (рис. 1). Это свидетельствует о преимущественном отложении пыли на поверхности перегородки, в лобовой части её волокон и об отсутствии необходимости использования в рассматриваемых условиях объемных фильтров.
По мере накопления осадка пористость среды уменьшается, что препятствует свободному прохождению воздуха, и возникает необходимость в удалении этого осадка. Для регенерации пористых перегородок эффективна их вибрационная очистка, которую целесообразно применять при регенерации воздушных фильтров, установленных на топливных баках дизелей.
Фильтрационные методы обезвоживания воздуха отличаются от аналогичных методов его очистки от твердых частиц. Гидрофобная пористая перегородка пропускает воздух, но является непроницаемой для содержащейся в нём капельной влаги, которая остается на поверхности этой перегородки. Задержка перегородкой капельной влаги происходит за счет адгезионных процессов. При взаимодействии микрокапли воды с пористой перегородкой решающую роль играют величина поверхностного натяжения на границах раздела фаз и краевой угол смачивания поверхности жидкостью (рис. 2).
В условиях равновесия системы воздухЦводаЦперегородка взаимодействие ее составных частей описывается уравнением:
(10)
где вп гп и гв - соответственно поверхностное натяжение на границах раздела вода-перегородка, газ (воздух)Цперегородка и газЦвода Н/м; - краевой угол смачивания, град; - угол кривизны перегородки, град.
Продавливание капель воды через поры гидрофобной перегородки происходит только при достижении некоторого критического давления, создаваемого потоком воздуха, которое можно найти из выражения:
впlп= (гп - гв cos ) lп =PкрSп , (11)
где lп - длина линии контакта по периметру поры, м; Pкр - критическое давление, Па; Sп - площадь поперечного сечения поры, м2.
Отсюда величина критического давления для поры круглого сечения:
(12)
где dп - диаметр поры, м.
Недостатком использования гидрофобных перегородок является блокирование микрокаплями воды пор перегородки, что препятствует прохождению через них очищаемого воздуха. Удалять микрокапли воды с поверхности пористой перегородки, как и пылевого осадка, можно путём вибрационной очистки этой поверхности. При этом нерационально применять дополнительные устройства, так как сам двигатель внутреннего сгорания является источником упругих колебаний от вибрации в широком спектре частот. Эффективность вибрационной очистки пористой перегородки зависит от частоты и амплитуды её колебаний. Частота колебаний воздушного фильтра будет равна частоте колебаний топливного бака, на котором он установлен, но амплитуда колебаний этого бака, жестко смонтированного на раме мобильной машины, имеет ограниченные значения. Величину этого параметра можно увеличить, используя явление резонанса, для чего следует установить фильтр на цилиндрической пружине сжатия, характеристики которой должны удовлетворять условию:
, (13)
где - частота колебаний топливного бака, Гц; - собственная частота колебаний воздушного фильтра, Гц; k - `жесткость пружины; m - масса воздушного фильтра, г.
Выражение (13) является условием резонанса. Тогда уравнение для нахождения требуемой жесткости пружины будет иметь вид:
. (14)
Чистоту топлива в баке можно существенно повысить за счет гравитационного осаждения содержащихся в нем загрязнений, ускорив этот процесс путем забора топлива из верхних слоев бака с помощью плавающих приемных устройств, в которые первоначально попадают только довольно мелкие частицы и капли воды, но по мере снижения уровня топлива в баке могут попасть и не успевшие осесть крупные загрязнения. Для повышения эффективности гравитационной очистки топлива в баке плавающее приемное устройство целесообразно оснастить тонкослойным динамическим отстойником, выполненным в виде пакета конических тарелок.
В межтарельчатом пространстве динамического отстойника поток топлива совершает плоскопараллельное движение, а твердые частицы перемещаются под воздействием гидродинамической силы потока, направленной параллельно конической образующей тарелок, и объемной силы, являющейся разностью гравитационной и архимедовой сил, направленной вертикально вниз. Осаждение частицы происходит при совместном воздействии указанных сил. За скорость частицы под действием гидродинамической силы потока принимаем среднюю скорость потока в наименьшем сечении межтарелочного пространства, т.е. на выходе из этого пространства:
Wпот = (15)
где Q - пропускная способность динамического отстойника, м/с; Dвн - внутренний диаметр тарелки, м; - расстояние между тарелками, м; n - количество тарелок в пакете, шт.
После осаждения частицы на поверхность тарелки она подвергается воздействию гидродинамической силы потока, продольной составляющей гравитационной силы и силы сопротивления движению частицы по поверхности (рис. 3), которые имеют следующие значения:
(15)
Fпр= (16)
Fc=f (Fg - Fп) (17)
где Fпот , Fпр и Fс - соответственно гидродинамическая сила потока, продольная составляющая гравитационной силы и сила сопротивления движения частицы, Н; Fg= - нормальная составляющая гравитационной силы, Н; Fп - лобовая подъёмная сила, Н; f = 0,7Ц0,8 - коэффициент трения; wпот= 4Wпот - скорость потока в окрестностях осевшей частицы, м/с.
Если не учитывать влияние на частицу лобовой подъемной силы, имеющей малую величину, то условие скатывания осажденных частиц вдоль образующей тарелки и последующий их отвод с поверхности тарелки произойдет при условии:
Fпр Fпот + Fс . (18)
Механизм осаждения микрокапель воды на поверхность тарелки и удаления их с этой поверхности имеет особенности: при рассмотрении взаимодействия сил после осаждения капли необходимо учитывать растекание капли по поверхности тарелки, зависящее от краевого угла смачивания (рис.4).
В данном случае суммарное сопротивление скатыванию капли по поверхности тарелки возрастёт на силу сцепления капли с этой поверхностью, а выражение (18) примет вид:
(19)
Сила сцепления капли с поверхностью тарелки, направленная перпендикулярно этой поверхности, для ограниченно растворимых друг в друге жидкостей, которыми являются вода и топливо, может быть приближенно найдена из выражения:
Fcц=(1 - cos )бв-тl, (20)
где бв-т - поверхностное натяжение на границе водаЦтопливо, Н/м; l - длина линии соприкосновения капли с тарелкой после растекания, м.
По мере слияния капель при взаимном соприкосновении происходит их укрупнение и скатывание с поверхности тарелки в соответствии с выражением (2.56), так как левая часть этого выражения увеличивается по мере возрастания массы капли. Установлено, что этот процесс происходит при условии, если угол наклона тарелки будет не меньше определяемого по формуле:
= arctg f. (21)
При коэффициенте трения f=0,75 угол наклона тарелок = 37о, то есть скатывание капли с тарелки при меньшем угле ее наклона невозможно.
Оптимизация конструкции устройства для тонкой очистки дизельного топлива в системе питания дизеля заключается в совмещении операций по удалению из топлива твердых частиц, задержке микрокапель эмульсионной воды и их отведению из рабочей зоны фильтра с использованием гидродинамического эффекта.
Частица загрязнений, перемещающаяся в потоке топлива, участвует в двух движениях: вдоль поверхности пористой перегородки и параллельно оси горизонтально расположенных пор этой перегородки. Вертикальное движение частицы происходит при совместном воздействии силы, приложенной со стороны потока, и объемной силы, являющейся разностью гравитационной и архимедовой сил. Вертикальная скорость частицы под действием силы потока определяется из выражения
(22)
а скорость частицы под воздействием объемной силы - из уравнения:
(23)
где п и ч - соответственно плотность продукта и частицы, г/м3; Fпот - сила, приложенная к частице со стороны потока, Н; - коэффициент лобового сопротивления движению частицы; Vпот и Vос - соответственно скорость частицы под действием силы потока и скорость ее осаждения под воздействием объемной силы, м/с.
После преобразований находим суммарную продольную скорость частицы:
(24)
Принимаем коэффициент лобового сопротивления = 0,1.
Горизонтальное движение частицы происходит под воздействием перепада давления на пористой перегородке, при этом её скорость принимаем равной поровой скорости потока топлива.
Для обеспечения равномерной подачи топлива на рабочую поверхность пористой перегородки и одинакового давления на входе по всей ее высоте фильтрующий элемент имеет форму усеченного конуса, что обеспечивает переменную ширину его внутренней полости и постоянство поровой (истинной) скорости потока топлива по всей поверхности перегородки.
Поровая скорость будет равна:
, (25)
где - коэффициент проницаемости материала, м2; Pфэ - перепад давления на фильтрующем элементе, Па; - динамическая вязкость продукта, Па.с; - просветность пористой перегородки; Rвн = и Rн= - соответственно средние внутренний и наружный радиусы фильтрующего элемента, м; Sфэ и Sп - соответственно площадь рабочей поверхности фильтрующего элемента и площадь поперечного сечения всех его пор, м2. Dвн и Dн - внутренний и наружный диаметры большего основания усечённой конической перегородки, м; dвн и dн - внутренний и наружный диаметры меньшего основания усечённой конической перегородки, м, N - количество пор на единицу поверхности, шт/м2; - пористость перегородки; Vфэ и Vп - соответственно объем фильтрующего элемента и объем его пор, м3 .
Выразив величину просветности через размер пор и их количество на единицу поверхности , имеем:
. (26)
Приложим полученные из выражений (24) и (26) скорости к центру тяжести частицы. Если вектор суммы этих скоростей в момент соприкосновения частицы с нижней кромкой поры будет выше точки соприкосновения, то частица не войдет в пору, а в противном случае частица попадет внутрь пористой перегородки.
При очистке дизельного топлива фильтрованием с применением гидродинамического эффекта потоком топлива вместе с твердыми частицами с рабочей поверхности пористой перегородки будет удаляться некоторое количество микрокапель воды, однако процесс обезвоживания дизельного топлива с помощью гидрофобной перегородки происходит главным образом за счет взаимодействия этих капель с перегородкой в жидкой среде.
При заполнении пор водоотталкивающей перегородки очищаемым продуктом, дизельным топливом, на их поверхности образуется жидкостная пленка, которая, пропуская топливо, препятствует прохождению через перегородку микрокапель воды. Чтобы продавить каплю воды через пору, надо предварительно вытеснить пленку топлива с ее поверхности, выполнив работу, равную работе адгезии, затраченной на смачивание топливом поверхности поры, которая описывается выражением:
(27)
где Pкр и P1 - соответственно давление, необходимое для продавливания капли воды через пору, заполненную топливом, и пустую, Па; Sп - площадь поперечного сечения поры, м2; Lп - длина поры, м.
В процессе гидродинамического фильтрования некоторая часть топлива вместе с загрязнениями, не попавшими в поры перегородки, будет сбрасываться из внутренней полости фильтрующего элемента и отводиться обратно в топливный бак. Для очистки этого топлива, которое содержит повышенную концентрацию загрязнений, служит динамический отстойник.
В третьей главе Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований приведены методики исследования фактической загрязнённости и обводненности дизельного топлива в условиях эксплуатации (гранулометрического состава и массового содержания, присутствующих в нём механических частиц и эмульсионной воды), определялась путем статистической обработки результатов анализа проб топлива, отобранных из раздаточных кранов средств заправки и топливных баков транспортных и сельскохозяйственных машин при заправочных операциях и при работе двигателя.
Для исследования эффективности очистки поступающего в топливный бак воздуха от атмосферной пыли и капельной влаги был разработан стенд, включающий емкость, моделирующую топливный бак, установленные на ней воздушный фильтр и устройство для создания в ней вакуума, вибрационное устройство, имитирующее вибрацию бака при движении мобильной машины, аэрозольную камеру, оснащенную пыледозатором, конфузорно-диффузорным распылителем, диспергатором капельной влаги и осевым вентилятором, а также компрессор с ресивером, систему воздуховодов, дифференциальные манометры и пробоотборники.
При проверке эффективности применения устройства для снижения загрязненности топлива, поступающего из бака в систему питания дизеля, исследовалось содержание твердых загрязнений и свободной воды в топливном баке при отсутствии и при наличии указанного устройства.
Для экспериментальной проверки закономерностей осаждения твердых частиц и микрокапель свободной воды смонтирована лабораторная установка, включающая цилиндрический сосуд, оборудованный пробоотборными трубками и кранами, шестерённый насос и систему трубопроводных коммуникаций с запорной арматурой, а также мерный цилиндр, емкость для приготовления суспензии загрязнителя, снабженную мешалкой, и емкость для приготовления водной эмульсии, снабжённую диспергатором.
Для экспериментальной проверки эффективности очистки топлива в динамическом тарельчатом отстойнике, установленном на плавающем топливоприёмнике, смонтирована экспериментальная установка (рис.5), включающая две конические тарелки, помещённые в сосуд, моделирующий топливный бак, а также насос с системой трубопроводных коммуникаций и запорной арматурой, пробоотборные устройства и микрометрическое приспособление. Нижняя коническая тарелка размещена в сосуде неподвижно, а верхняя может перемещаться в вертикальном направлении с помощью микрометрического устройства. Тарелки выполнены съемными, с различным углом конусности. Система трубопроводных коммуникаций позволяет осуществлять циркуляцию топлива или его перекачку в постороннюю емкость.
Гидрофобные свойства влагоотделяющих перегородок оценивались по их водопроницаемости, которая характеризовалась давлением, соответствующим началу просачивания воды через перегородку.
Для определения величины водопроницаемости перегородки использовался гидростатический принцип, на котором основан изготовленный для этой цели прибор. Эксплуатационные свойства фильтрационных влагоотделяющих перегородок определялись на безнасосной фильтрационной установке.
Проверка эффективности использования гидродинамического эффекта при создании фильтра-водоотделителя тонкой очистки производилась на лабораторной установке, позволяющей осуществлять очистку топлива как по обычной схеме, так и с использованием указанного эффекта. Проверка прочностных показателей фильтрующих влагоотделяющих перегородок производилась на разрывном стенде.
В четвертой главе Экспериментальные исследования устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системах питания двигателей проведены исследования фактической загрязненности и обводненности дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники, показавшие, что содержание твердых частиц в топливе после заправки бака составляет в среднем 0,009 % (масс.), а в процессе эксплуатации достигает 0,015 %. Содержание эмульсионной воды в баке составляет в среднем 0,035 % (масс.).
абораторные исследования фильтра для очистки поступающего в топливный бак атмосферного воздуха показали, что тонкость очистки этого устройства равна 15Е20 мкм, коэффициент проскока пыли - 0,65, эффективность влагоотделения - около 60 %, а вибрационное воздействие увеличивает ресурс его работы в 3,5Ц4,0 раза.
При лабораторных исследованиях устройств для снижения загрязненности дизельного топлива, поступающего из бака в систему питания двигателя, испытывались плавающий топливозаборник и тарельчатый динамический отстойник, которые вначале исследовались дифференцированно, а затем в комплексе при их совместном применении. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности отстаивания топлива от механических частиц, как в стационарных условиях, так и при имитации транспортной тряски и снижении уровня топлива в баке: в течение 30 мин массовое содержание загрязнений в верхних слоях топлива снизилось в 5Ц7 раз по сравнению с первоначальным, а размеры частиц не превысили 15 мкм. Однако при перемешивании топлива в модельной емкости загрязнения распределяются практически равномерно по всему ее объему. Данные, полученные при очистке дизельного топлива от эмульсионной воды отстаиванием, показывают, что и этот процесс протекает аналогично рассмотренному при очистке топлива от механических загрязнений.
Приведенные результаты показывают, что очистка дизельного топлива отстаиванием эффективна в стационарных условиях и при воздействии транспортной тряски, поэтому следует использовать плавающий топливоприемник, но при перемешивании топлива в модельной емкости его забор из верхних слоев неэффективен, целесообразно применять тарельчатый динамический отстойник. Установлено, что при этом максимальная эффективность очистки (тонкость - 30 мкм, полнота - 25 % для твердых загрязнений и 70 % для воды) достигается при конусности тарелок 45 и зазоре между ними 5 мм.
Исследования фильтров тонкой очистки систем питания дизелей показали, что применение мелкопористых гидрофобных материалов, обладающих фильтрационными и влагоотделяющими свойствами, при использовании гидродинамического эффекта позволяет обеспечить тонкость очистки 3 мкм, полноту водоотделения довести до 100 %, а ресурс работы фильтра увеличить в 3,7 раза.
При испытаниях дополнительного устройства (тарельчатого отстойника), предназначенного для частичной очистки топлива, сбрасываемого из фильтра тонкой очистки, установлено, что тонкость очистки этого топлива составила 25Е30 мкм, содержание в нем твердых загрязнений - 0,029 %, а эмульсионной воды - 0,040 %.
В пятой главе Реализация результатов исследований и оценка их технико-экономической эффективности приводятся результаты расчета технических характеристик и разработки конструкции устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системе питания (рис. 6).
Рис. 6. Общий вид устройств для обеспечения чистоты топлив в системах питания дизелей: а - воздушный фильтр; б - плавающий топливозаборник;
в - фильтр тонкой очистки топлива
Эксплуатационные испытания разработанных устройств проводились при их установке в системе питания трактора МТЗ-80, эксплуатирующегося в ЗАО Домодедово Фьюэл Сервисиз при проведении работ на территории топливозаправочного комплекса. Параллельно эксплуатировался трактор той же марки, укомплектованный штатным оборудованием.
Для дифференцированной оценки эффективности использования воздушного фильтра были дополнительно проведены стендовые испытания этого устройства. При этом полнота очистки составила 28 %, а водоотделения - 61 %.
Результаты испытаний показывают, что разработанные устройства существенно снижают загрязненность выдаваемого из бака топлива, позволяя добиться повышения его чистоты в 5Ц7 раз. Ресурсные испытания устройств тонкой очистки топлива показали, что ресурс работы предлагаемого устройства превышает соответствующий показатель серийного фильтра тонкой очистки более чем в 2,5 раза. Проверялась также эффективность противоточной промывки фильтрационной влагоотделяющей перегородки, что позволяет значительно восстановить пропускную способность устройства (после промывки ресурс снизился на 7 %. Технико-экономическая оценка результатов исследований проводилась путем сравнения с зарубежными образцами мирового уровня. Для сравнительной оценки выбраны фильтры тонкой очистки дизельного топлива Guspasa FG-2 (Испания) и Piusi (Италия).
Разработанные устройства по своим эксплуатационным и ценовым показателям соответствуют мировому техническому уровню, а по тонкости очистки и эффективности влагоудаления несколько превосходят аналогичные зарубежные образцы.
Результаты исследований внедрены при проведении научно-исследовательских работ в ВНИИТиН Россельхозакадемии, в фирме ООО Вита инвест входящей в состав Московского межрегионального нефтяного союза, и будут использованы при разработке перспективных образцов устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Фактическая загрязненность дизельного топлива на всех стадиях его жизненного цикла от нефтеперерабатывающего предприятия до камеры сгорания дизеля - значительно превышает требования, содержащиеся в нормативно-технической документации. Отрицательное воздействие загрязнений на топливную аппаратуру и другие агрегаты двигателя проявляется в повышенном износе сопряженных деталей, закупорке калиброванных отверстий и т. п., что сокращает ресурс работы узлов системы питания, приводит к ее отказам, сверхнормативному расходу топлива, к загрязнению окружающей среды токсичными веществами.
2. Для повышения эффективности очистки и обезвоживания дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники исследован механизм загрязнения и обводнения дизельного топлива в баках мобильных машин, разработаны математические модели этих процессов и определены пути совершенствования системы очистки дизельного топлива, включающие: разработку эффективного воздушного фильтра для очистки воздуха, поступающего в топливный бак; создание устройства для повышения эффективности гравитационной очистки топлива в баке; повышение эксплуатационных показателей фильтра тонкой очистки - тонкости фильтрования, ресурса работы, а также придание устройству функций влагоотделителя.
3. Разработаны физические модели очистки поступающего в топливный бак воздуха от атмосферной пыли и влаги, предложена принципиальная схема воздушного фильтра, обоснована целесообразность его вибрационной очистки и найдены расчетные зависимости для ее осуществления.
4. Дано математическое описание процессов осаждения твердых частиц и микрокапель воды в топливном баке, и обосновано использование плавающего топливозаборника. Рассмотрены механизмы задержки твердых загрязнений и эмульсионной воды динамическим отстойником, и показана целесообразность его применения совместно с плавающим топливозаборником.
5. Предложены математические и физические модели механизма тонкой очистки и обезвоживания топлива в системах питания дизелей при помощи гидрофобных пористых перегородок из металлической сетки с фторо-пластовым покрытием, обоснована конструкция устройства для осуществления этих операций, включающего гидродинамический фильтр и тарельчатый отстойник для очистки сбрасываемой части топлива.
6. Разработаны методики экспериментальных исследований, включающие изучение фактической загрязненности дизельного топлива на различных этапах его жизненного цикла, процессов очистки поступающего в топливный бак воздуха, повышения чистоты выдаваемого из бака топлива, тонкой очистки топлива в системе питания дизеля, спроектированы и изготовлены экспериментальные установки.
7. Исследована фактическая загрязненность и обводненность дизельного топлива при эксплуатации мобильной техники, достигающие в баке соответственно 0,0015 и 0,0035 % (масс.). Показано, что применение воздушного фильтра обеспечивает тонкость очистки воздуха 15Е20 мкм, а применение вибрационной очистки фильтра увеличивает ресурс его работы в 3,5Ц4 раза. При отстаивании топлива в баке массовое содержание загрязнений в его верхних слоях снизилось в 5Ц7 раз по сравнению с первоначальным, поэтому следует использовать плавающий топливозаборник, оснащенный тарельчатым динамическим отстойником, максимальная эффективность очистки которого достигается при конусности тарелок 45 и зазоре между ними 5 мм.
8. Исследования фильтра тонкой очистки показали, что применение мелкопористых гидрофобных материалов из металлической сетки с фторопластовым покрытием, обладающих фильтрационными и влагоотделяющими свойствами, при использовании гидродинамического эффекта позволяет обеспечить тонкость очистки 3 мкм, полноту водоотделения довести до 100 %, и увеличить ресурс работы фильтра в 3,7 раза, а состыкованный с ним тарельчатый отстойник обеспечивает тонкость очистки сбрасываемого из фильтра топлива 25Е30 мкм.
9. В результате проведенных исследований разработаны конструкции устройств для обеспечения чистоты дизельного топлива в системе питания, включающих фильтр для очистки поступающего в топливный бак воздуха, плавающий топливозаборник с динамическим тарельчатым отстойником и гидродинамический фильтр тонкой очистки топлива в системе питания дизеля. Эксплуатационные испытания этих устройств показали их высокую эффективность. Проведенная технико-экономическая оценка показывает, что разработанные устройства по своим эксплуатационным и ценовым показателям соответствуют мировому техническому уровню, а по тонкости очистки и эффективности влагоудаления несколько превосходят аналогичные зарубежные образцы, годовой экономический эффект только от использования гидродинамического фильтра в системе питания дизеля за первый год эксплуатации составляет 39а966 р. в расчете на сто тракторов.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Коваленко, В. П., Воробьев, А. Н., Ерохин, О. В. Устройство для снижения загрязненности топлива при его выдаче из расходных емкостей. [Текст] / В. П. Коваленко, А. Н. Воробьев, О. В. Ерохин // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 1. - С. 106Ц111.
2. Коваленко, В. П. Очистка атмосферного воздуха, поступающего в опливные баки мобильных машин и цистерны автотопливозаправщиков. [Текст] /
В. П. Коваленко, А. Н. Воробьев, О. В. Ерохин, А. И. Косых // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 2. - С. 105Ц111.
3. Коваленко, В. П. Гидродинамические фильтры-водоотделители для очистки нефтепродуктов [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. Воробьев, О. В. Ерохин // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 1. - С. 111Ц115.
4. Коваленко, В. П. Современные методы очистки автомобильных топлив от механических загрязнений и воды [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина,
А. Н. Воробьев // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Сер. Агроинженерия. - 2011.
№ 2. - С. 21Ц23.
5. Коваленко, В. П. Очистка топлив для тракторов и сельскохозяйственных машин от механических загрязнений и воды [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. Воробьев // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии техника нового поколения для растениеводства и животноводства: сб. научных докладов XVI Международной научно-практической конференции. - Тамбов,: ВНИИТиН, 2011. - С. 202Ц206.
6. Коваленко, В. П. Устройства для повышения чистоты топлив в системах питания дизелей [Текст] / В. П.Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. Воробьев // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии техника нового поколения для растениеводства и животноводства: сб. научных докладов XVI Международной научно-практической конференции. - Тамбов,: ВНИИТиН, 2011. - С. 211Ц213.
7. Коваленко, В. П. Плавающее приемное устройство для выдачи топлива из расходных емкостей [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. Воробьев, О. В. Ерохин // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сб. научных трудов 26-й Международной научно-технической конференции. - СПб. : СПбГАУ, 2011. С. 23Ц32.
8. Коваленко, В. П. Устройство для защиты топливных баков от загрязнений атмосферного происхождения [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. Воробьев // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сб. научных трудов 26-й Международной научно-технической конференции. - СПб. : СПбГАУ, 2011. С. 33Ц40.
9. Коваленко, В. П. Фильтры-водоотделители для очистки топлив для автомобилей и сельскохозяйственных машин [Текст] / В. П. Коваленко, Е. А. Улюкина, А. Н. Воробьев, А. И. Косых // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: сб. научных трудов 26-й Международной научно-технической конференции. - СПб. : СПбГАУ, 2011. С. 41Ц51.
10. Пат. 110659 Российская Федерация, МПК7 В 01 D 46/24 (2006.01). Устройство для очистки поступающего в топливный бак воздуха от пыли и влаги / Коваленко В. П., Галко С. А., Улюкина Е. А., Воробьев А. Н. Ц № 2011126311/05, заявл. 28.06.2011; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33. Ц2 с.
11. Положительное решение от 16.03.2012, о выдаче патента на изобретение по заявке № 2011108692/05/012556. Устройство для очистки жидкостей в циркуляционных системах.
Подписано к печати 17.04.2012, формат 68х84/16, печать трафаретная,
бумага офсетная, усл. печ. л. 1,1, тираж 100 экз., заказ №358.
Отпечатано в ООО УМ - Триада
127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, 7-2
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям