CC BY
18
К традиционным способам очистки топлива относятся: отстаивание, фильтрация, центрофуги-рование, адсорбционный, химический, смешение и добавление недостающих компонентов.
Одним из наиболее простых способов восстановления качества нефтепродуктов является отстаивание, при помощи которого возможно удалять из топлива и масел значительную часть механических примесей и воды. Этот способ эффективен при условии значительного различия плотностей загрязнений и нефтепродуктов, а частицы при этом имеют достаточно крупный размер. На практике отстаивание применяют как первую фазу очистки, непосредственно перед процессом фильтрации.
Недостаток метода отстаивания заключается в том, что частицы менее 2,5 мкр не удаляются по той причине, что с уменьшением размеров происходит уменьшение их массы быстрее, чем сила трения. Это происходит потому что сила тяжести для сферических частиц пропорциональна третьей степени их диаметра, а сила трения пропорциональна только первой степени их диаметра. Большое влияние также при перемещении мелких частиц в среде нефтепродуктов оказывают конвекционные потоки, вызванные перепадами температур, вибрацией и так далее, поэтому мелкие частицы характеризованы броуновским движением.
Достаточно доступным и эффективным способом улучшения качества нефтепродуктов является фильтрация, с помощью которой довольно продуктивно получается удалять твёрдые загрязнения в виде механических примесей. Фильтрация находит широкое применение в практической хозяйственной деятельности на нефтебазах и складских комплексах по хранению и заправке нефтепродуктами.
Проблема удаления эмульсионной воды методом фильтрации в настоящий момент не считается решённой. Базовыми направлениями, определяющими степень очистки нефтепродуктов от загрязнений по схеме фильтрации, являются: 1) технологическая схема фильтрации; 2) тип применяемых фильтровальных элементов.
Сущность процесса фильтрации заключается в задерживании на поверхности фильтрующих перегородок твёрдых частиц загрязнений с последующим прониканием в поры фильтр-перегородки.
Исследованиями установлены следующие виды фильтрации:
1) фильтрация с образованием осадка из мелких суспензий, который формируется в устье каждой поры;
2) процесс закупоривания каждой существующей поры единой твёрдой частицей, так называемая фильтрация с абсолютным закупориванием пор;
3) закупоривание каждой существующей поры постепенно несколькими твёрдыми частицами, так называемое забивание пор мельчайшими суспензиями;
4) промежуточный вид характеризуется первоначальным частичным засорением пор по мере их продвижения вглубь фильтрующего элемента мелкими частицами, последующим закупориванием устья пор более крупными частицами вследствие притягивания к порам потоком жидкости, имеющим остаточное движение в частично засорённых порах [7, 8].
На практике использование фильтрации с полным закупориванием пор встречается довольно редко.
Вывод. Результаты исследования показали, что наиболее эффективным и часто применяемым на практике методом очистки топлива на нефтебазах является фильтрация с образованием осадка. Фильтрация с полным закупориванием пор — тоже эффективный способ очистки, но применяется редко.
Литература
1. Школьников В.И. Топлива, смазочные материалы и технические жидкости. М.: Техинформ, 1999. 596 с.
2. Мир нефтепродуктов // Вестник нефтяных компаний. 1999. № 1. С. 2-5.
3. Коваленко В.П., Ильинский А.А. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений. М.: Химия, 1982. 277 с.
4. Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов. Л.: Недра, 1974. 317 с.
5. Хванг С.Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения / пер. с англ. М.: Химия, 1981. 373 с.
6. Холдерман Джеймс Д., Митчелл Чейз Д.-мл. Автомобильные двигатели: теория и техническое обслуживание. 4-е изд. / пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. 664 с.
7. Воробьев А.В. Совершенствование очистки дизельного топлива в процессе эксплуатации двигателей сельскохозяйственных и транспортных машин: дис. ... канд. техн. наук. М., 2012. 178 с.
8. Крупчиков Н.А., Шаргунова Т.М. Обоснование необходимости очистки топлива при заправке и в процессе эксплуатации транспортных средств // Молодежь и наука: сб. матер. Х юбил. Всерос. науч.-технич. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных с междунар. участ., посвящ. 80-летию образования Красноярского края [Электронный ресурс]. Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2014. URL: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2014/directions.html, свободный.
Математическое моделирование работы устройства для нагрева воды за счёт солнечной энергии
А.А. Маслова, ст. преподаватель, М.С. Жужин, к.т.н, ГБОУ ВО Нижегородский ГИЭУ
Разработка эффективных солнечных установок оптимальной конфигурации, обеспечивающих максимальный энергетический и экономический эф-
фект от применения, требует надёжных знаний о природно-климатических условиях места эксплуатации установки и прежде всего о поступлении солнечной радиации на теплоприёмные поверхности [1, 2].
В настоящее время огромное внимание уделяется тому, каким образом использовать всю энергию
солнечной радиации, приходящую на поверхность земли. Расчёты солнечного излучения построены на основе известных теоретических работ, например, К.Я. Кондратьева [3, 4].
На рисунке 1 представлен конкретный пример модели расчёта теплопоступления от солнечной радиации на горизонтальную поверхность, расположенную на 56° северной широты и 44° восточной долготы. На горизонтальную поверхность за год в Нижегородской области приходится в среднем около 3000—3800 МДж/м2 прямой солнечной радиации [5].
Материал и методы исследования. По результатам опытных измерений были выявлены зависимости температуры воды от мощности циркуляционного насоса и мощности солнечного излучения при различной продолжительности работы водонагревателя (60, 80, 100 и 120 мин).
Расчёты проводили с помощью вычислительной программы Maple [6], версия 17, при использовании при этом четырёх стандартных пакетов: линейной алгебры, графики, приближения функций, расширенной графики: restart: with (linalg : with (plots) : with (CurveFitting) : with (plottools) :
Аппроксимация экспериментальных зависимостей температуры воды Т от времени t, T(t) проводилась при различных электрических мощностях насоса 33/39/44 Вт (1/2/3 скорости) и разной мощности солнечного излучения (1, 5, 3 и 6 кВт • ч/м2 • сут.), результаты которых представлены в таблице.
Показатели экспериментальных измерений
Время нагрева, мин 20 40 60 80 i00 i20
Мощность i,5 кВт
Температура воды, °С 24,2 27,4 30,i 33,4 36,2 39,0
Мощность 3 кВт
Температура воды, °С 25 28,7 3i,3 34,8 38,i 40,3
Мощность 6 кВт
Температура воды, °С 25,3 30,i 33,3 36,4 40,3 44,2
Рис. 1 - Среднемесячная инсоляция горизонтальной поверхности Нижегородской области по данным NASASSE
Был рассмотрен пример расчёта температуры воды на выходе при установленной мощности солнечного излучения в 1,5 кВт и мощности циркуляционного насоса 33 Вт.
Матрица времени нагрева имеет вид: t1,5 := matrix(4,1, [60; 80;100;120]);
60
ti, 5 :=
80 i00 i20
(1)
Матрица температуры воды имеет вид: Ti, 5 := matrix(4, i, [30, i; 33,4; 36,2; 36,0]);
" 30,i"
Ti, 5:=
33,4 36,2 36,0
(2)
Основой для расчёта потока солнечной радиации, падающей на поверхность земли, является усовершенствованный алгоритм Пиксера и Лас-ло, использовавшийся в проекте NASA «Surface meteology and Energy» [7, 8].
Основополагающими факторами являются время нагрева, температура воды и мощность солнечного излучения [9, 10].
Изначальная температура воздуха была 20,8 °С, начальная температура воды — 17°С. Для имитации солнечного излучения мы использовали инфракрасный обогреватель марки SUNNY мощностью 3 кВт. Для движения воды был использован циркуляционный насос S.A.V. — heat 25/40. Для измерения температуры воды применяли погружной термометр марки testo 925.
Аппроксимацию проводили для каждого значения времени нагрева из указанного выше диапазона. Для определения неизвестных параметров составляли матричное уравнение в соответствии с полученными экспериментальными данными:
xi, 5 :=
216000 3600 60 i
5i2000 6400 80 i
i000000 i0000 i00 i
i728000 i4400 i20 i
(3)
В качестве аппроксимирующего был получен полином третьего порядка, отражённый формулой 3:
Г15 := 0,000010 • ¿3 - 0,0031 •г2 + 0,45 • г + 12. (4)
Аналогичным образом проводили расчёты для каждого значения мощности солнечного излучения из указанного выше диапазона.
Т 3:=
(5)
При мощности солнечного излучения, равной 3 кВт, и при тех же значениях времени нагрева получили значения температуры воды на выходе: матрица температуры воды:
Т 3 := таМх(4,1, [31,3; 34,8; 38,1; 40,3]);
" 31,3"
34,8
38.1
40.3
При мощности солнечного излучения, равной 3 кВт, и при тех же значениях времени нагрева получили значения температуры воды на выходе:
У3 :=-0,000019 •3 + 0,0042 •2 -0,14 • + 29. (6)
Соответственно были получены значения температуры воды на выходе для значения мощности солнечного излучения, равной 6 кВт: матрица температуры воды:
Т 6 := таМх(4,1, [33,3; 36,4; 40,3; 44,2]);
" 33,3"
36.4 40,3
44.2
В результате температура воды на выходе будет иметь вид:
У6 :=-0,000017 • Р +0,0050 •2 -0,30 • + 37. (8)
Графическое изображение указанных выше зависимостей представлено на рисунке 2.
Т 6:=
(7)
У15 := 0,000027 • *3 - 0,0064 • *2 + 0,57 • * + 9,6;
У3 := 0,000029 • *3 - 0,0085 • ?2 + 0,93 • ? - 2,0;
У6 :=-0,000015 • ?3 + 0,0046 • *2 - 0,32 • * + 34.
Графическое изображение указанных выше зависимостей представлено на рисунке 3.
Рис. 3 - Зависимость температуры воды от времени нагрева при мощности циркуляционного насоса 39 Вт
Далее проведены расчёты для мощности циркуляционного насоса 44 Вт:
У15 := -0,000021 *3 + 0,00088 • *2 + 0,0033 • * + 22; У3 := 0,000044 • ? - 0,012 • *2 +1,3- * -12;
У6 := -0,000033 • *3 + 0,0092 • ?2 - 0,67 • ? + 40.
Графическое изображение указанных выше зависимостей представлено на рисунке 4.
Рис. 2 - Зависимость температуры воды от времени нагрева при мощности циркуляционного насоса 33 Вт
По такому же принципу были рассчитаны зависимости температуры воды от времени нагрева, мощности циркуляционного насоса, равной 39 Вт, и мощности солнечного излучения, равной 1,5; 3 и 6 кВт:
4
Щ кВт
■с, сак
Рис. 4 - Зависимость температуры воды от времени нагрева при мощности циркуляционного насоса 44 Вт
Для точности экспериметов были также проведены расчёты для выключенного циркуляционного насоса.
Зависимости для различных показателей мощности солнечного излучения имеют вид:
Г15 := -0,000052• г3 + 0,013-г2 -0,9• г + 43;
У3 := 0,000013 • г3 - 0,0024 • г2 + 0,26- г +14;
У6 := -0,000025 • ?3 + 0,0071 ?2 - 0,50 • ? + 35.
Графическое изображение указанных выше зависимостей представлено на рисунке 5.
^ сек
Рис. 5 - Зависимость температуры воды от времени нагрева при ламинированной циркуляции воды
Полученные зависимости свидетельствуют о хорошем совпадении аппроксимированной функции с расчётными данными.
Результаты исследования и выводы. В ходе проведения испытаний была выявлена опимальная мощность работы циркуляционного насоса. Нагрев воды происходит быстрее всего при мощности циркуляционного насоса, равной 33 Вт. Также данные экспериментов помогли нам получить полином третьего порядка, показывающий работу всего устройства для нагрева воды за счёт солнечной энергии. Для этого изначально были выбраны ряд факторов, которые могут повлиять на процесс нагрева воды. Влияние данных факторов представлено на рисунке 6.
В качестве основных факторов, влияющих на процесс нагрева воды, оказались время нагрева, мощность солнечного излучения и мощность
Normal Probability Plot for Var_1
Standardized effects
Рис. 6 - Показатели влияния основных факторов
циркуляционного насоса. Полученные зависимости свидетельствуют о хорошем совпадении аппроксимированной функции с расчётными данными [11].
Математическая модель работы устройства для нагрева воды за счёт солнечной энергии имеет вид:
Y := 28,0625 + 0,234861 • X +1,45- X2 --0,206818- X3 + 0,0087037 • X1 • X2 --0,00310606 • X1 • X3 - 0,0393939 • X2 • X3,
где Y - температура воды;
X1 — время нагрева воды;
X2 - мощность солнечного излучения;
X3 — мощность циркуляционного насоса. Математическая обработка экспериментальных данных лабораторных испытаний показала зависимость величины температуры воды на выходе от времени нагрева, мощности солнечного излучения и мощности циркуляционного насоса. Для данных зависимостей составлено матричное уравнение и выведены полиномы зависимостей для различных значений. При этом наблюдается незначительная погрешность влияния основных факторов. Проведённый математический анализ позволил определить пригодность устройства для нагрева воды на животноводческих комплексах предприятий Нижегородской области.
Литература
1. Судаев Е.М., Бастрон А.В., Беляков А.А. Теоретические модели поля солнечной радиации и результаты исследований солнечного водонагревателя в климатических условиях Красноярского края // Вестник КрасГАУ. 2008. № 4. С. 245-254.
2. Попель О.С. Определение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России / О.С. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец [и др.] // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 1. С. 15-23.
3. Коломиец Ю.Г. Исследование эффективности преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло в различных климатических условиях: дис. ... канд. техн. наук. М.: Объединенный институт высоких температур РАН, 2009. 174 с.
4. Виссарионов В.И. Методы расчёта ресурсов возобновляемых источников энергии: учеб. пособ. / А.А. Бурмистров,
B.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина [и др.]. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 144 с.
5. Маслова А.А., Сбитнев Е.А., Осокин В.Л. Моделирование поля солнечной радиации // Вестник НГИЭИ. 2015. № 4.
C. 56-62.
6. Стребуляев С.Н., Васин Д.Ю. Использование системы аналитических вычислений Maple для решения задач прикладной математики: учеб. пособ. / Нижний Новгород: Издательство Нижегородского госуниверситета, 2007. 170 с.
7. Micropower System Modeling with HOMER, by T. Lambert, P. Gilman, and P. Lilientahal. Published in «Integration ofAlternative Sources of Energy», by F. Farret and M. SimoesCopytight, 2006. 418 с.
8. Маслова А.А., Маслов М.М. Теоретические предпосылки создания солнечного водонагревателя // Вестник НГИЭИ. 2015. № 4. С. 67-76.
9. Земсков В.И. Возобновляемые источники энергии в АПК: учеб. пособ. СПБ.: Издательство «Лань», 2014. 368 с.
10. Безруких П.П. Научно-техническое и методологическое обоснование ресурсов и направлений использования возобновляемых источников энергии: автореф. дис. . докт. техн. наук. М.: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, 2003. 268 с.
11. Дулепова Ю.М. Обоснование возможности использования нового энергосберегающего устройства // Вестник НГИЭИ. 2017. № 5. С. 61-68.
