CC BY
40
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СУДОВОЖДЕНИЯ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
УДК 621.431.74-729.3
С.П. Бойко
Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, 690003, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ТОНКОСТИ ОТСЕВА ТКАНЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ СЕТОК СУДОВЫХ САМОРЕГЕНЕРИРУЮЩИХСЯ ОЧИСТИТЕЛЕЙ ТОПЛИВА И МАСЛА
Приведена упрощенная методика расчета тонкости отсева тканых фильтровальных сеток полотняного переплетения. Проведено сравнение результатов расчета этого показателя по усложненной и разработанной методике. Дан анализ показателей эффективности различных сеток, используемых в саморегенерирующихся фильтрах топлива и масла.
Ключевые слова: самоочищающийся фильтр, регенерация фильтра, очистка топлива и масла, фильтровальные сетки.
S.P. Boyko
METHODS AND RESULTS OF CALCULATION TONKOSTI DROPOUT NONWOVEN FILTER GRIDS SHIP CLEANERS SELF-RECOVERING FUEL AND OIL
A simplified method of calculation of thickness and completeness of screening woven filter's mesh plain weaves is presented. Made a comparison of the results of these indicators through the new complicated method. The analysis of effectiveness of various nets used in the self-recovering of fuel and oil filters is given.
Key words: self-cleaning filter, regeneration of the filter, cleaning offuel and oil, filter mesh.
В последнее время на судах для очистки горюче-смазочных материалов большое распространение получили саморегенерирующиеся фильтры (СРФ) [6]. Эти очистители с высокой автономностью работы способны функционировать в топливных и смазочных системах ДВС в течение 2-5 тыс. ч без вскрытия для проведения профилактических процедур, замены поврежденных фильтрующих элементов (ФЭ) и их химической чистки [1].
Необходимость автоматизации процесса регенерации ФЭ в СРФ выдвинуло более жесткие требования к фильтровальным материалам (ФМ) этих очистителей. При высокой пропускной способности и эффективности отсева они должны хорошо регенерироваться, не забиваться отложениями на тяжелых режимах функционирования, иметь длительный ресурс работы между химическими чистками ФЭ. Таким фильтровальным материалом все чаще становятся тканые фильтровальные сетки (ТФС) полотняного переплетения [3, 4].
Применение этих материалов в саморегенерирующихся фильтрах вызвано их способностью успешно работать при жестких режимах фильтрования. Они обладают высокими прочностными характеристиками и хорошей регенерируемостью, что весьма важно для эффективной промывки тканых фильтровальных материалов (ТФМ) обратным потоком фильтруемой жидкости. При этом промывной поток движется через поровую структуру ТФС при смывке отложений со скоростью в 2-30 раз более высокой, чем при фильтровании [6].
Геометрия ТФС оптимизирована для достижения высокой регенерируемости при тонкости и полноте отсева, требуемой для эффективной очистки топлив и моторных масел (ММ) в судовых дизелях [5]. Разработка новых ТФС полотняного переплетения с расположением проволок утка вплотную (рис. 1) и регулированием параметров геометрии сеток выбором оптимальных диаметров проволок утка и основы, шага основы дала возможность получить ФМ с высокими функциональными свойствами [3, 5].
dy
2Ty
Z' [/у v/✓ /A //в t ts / /A //]
yi л У \ u Ц i Г
Б - Б
Ли
Вид Г
B
Рис. 1. Геометрия сеток полотняного переплетения Fig. 1. Geometry of plain weave mesh
Существующие расчетные методы оценки очистительной способности (тонкости отсева и полноты отсева) ТФС очень трудоемки и требуют численных методов расчета [2]. В статье изложена упрощенная методика оценки разделительной способности сеток полотняного переплетения. Реализуемые в работе [5] подходы к идентификации самого узкого сечения ТФС в форме косоугольного треугольника трансформированы на нахождение тонкости отсева через параметры прямолинейного треугольника. Для этой цели предлагается найти поправки к криволинейному треугольнику для преобразования его в объект, имеющий с ним одинаковое проходное сечение, идентифицируемое вписанной окружностью одного и того же диаметра.
Рис. 2. Схема идентификации функциональных показателей сеток Fig. 2. Driving identify functional indicators plain
Тонкость отсева ТФС, которую можно назвать условной, определяется по каналам в форме треугольника АВС с прямолинейными сторонами (рис. 2). Она соответствует величине
Д' = do
cose -(1 - sin ß )tga cos у
tg I
90 - a
(1)
Для более точного вычисления показателя тонкости отсева использовали поправку
'90 - а'
tg
5Л = 2h-
cos a
В итоге тонкость отсева внутреннего фильтровального канала ТФС в самом узком его сечении в форме криволинейного треугольника АВС составляет
Л = Л'-5Л = d„
cos в cos y
-(1 - sin ß )tga
( 90 - a 1 0,
tg I ——I-2h
tg
90 - a
cos a
(2)
Расчет угла у осуществляется по координатам точек касания шара проволок утка и основы с использованием половинного угла Р в пересечениях нитей (проволок) утка:
(
Y = arctg
d,,
Л
do cosв
в = arcsin
o
Г d^+dy Л T
где do, dy, To - диаметр нитей основы и утка, шаг основы, мкм.
Выделенный фильтровальный участок наглядно представлен на рис. 1 [2]. Внутренний задерживающий канал идентифицируется поперечным сечением нитей основы под углом у плоскостью PBN. Преобразование криволинейного треугольника АВС в равноценный ему по тонкости отсева равнобедренный А А'В'С с прямолинейными сторонами осуществляется несколькими приемами (см. рис. 2).
Вписанный в криволинейный А АВС равнобедренный треугольник А'В'С' имеет в вершине В' угол 2а, половинная величина которого определяется на основе геометрии криволинейной внутренней поры:
а = arctg
cos в
Г T л
- sin в
V do J
cos y
Самый простейший метод определения абсолютной тонкости отсева состоит в учете выпуклости сторон криволинейного треугольника, которая сужает условный просвет прямолинейного А АВС. Вписанная в него окружность определяет условную тонкость отсева А' без учета кривизны сторон треугольника. Поправку h на выпуклость линии АВ находим по известному соотношению [2] между диаметром 2ру окружности (дуги AB ) и полухордами SAB/2:
h = Р y -
(3)
гДе SAR =
do cosв
Р. ■ = —+
dy 2To2 cos2 в
n2 dy
2 cos y sin а _ ..
Другой подход к идентификации тонкости отсева ТФС состоит в нахождении точек касания K, L, M цилиндров основы и утка шаром наибольшего диаметра, проходящего через криволинейный треугольник АВС (см. рис. 1) и попадающего в фильтрат. Точки, образующие наименьшее сечение канала, через который пройдет шар с d = Л, лежат в плоскости KLM. Исходя из геометрии фильтровальных сеток полотняного переплетения, целесообразно рассмотрение задерживающей способности внутреннего канала в самом узком его сечении, образованном криволинейным треугольником АВС в плоскости PBN (см. рис. 1).
Тонкость отсева равна диаметру вписанной в криволинейный треугольник АВС окружности. При этом сторона АС рассматривается как часть эллипса, образованного сечением цилиндра основы плоскостью PBN под углом у. При размещении начала координат в точке пересечения плоскости с осью цилиндра основы уравнение отрезка АС можно записать следующим образом:
х2 + у20С82 у ) = 0. (4)
Для описания кривых АВ и ВС используется уравнение окружности. Привязка их к принятой системе координат позволяет описывать данные кривые следующим уравнением:
х2 + у2 - 2аух - 2Ъуу + ау; + Ъу2 - р; = 0, (5)
где ау, ± Ъу - координаты центров кривизны кривых АВ и ВС ; ру - радиус кривизны.
Учитывая, что рассматривается четвертая часть витка винтовой линии, можно допустить равенство радиуса винтовой линии и дуги, образуемой сечением цилиндра утка плоскостью РВЫ. В таком случае стороны криволинейного треугольника, примыкающего к проволокам утка, являются дугами окружности радиуса ру. Расположение точек А, В и С известны. Они лежат на соответствующих окружностях. Координаты ау и Ъу находим совместным решением двух уравнений, полученных из (5) при подстановке вместо х и у соответствующих значений координат хА, уА и хВ, уВ = 0 точек А и В. Совместное рассмотрение их и преобразование позволяет исключить параметр Ъу и получить квадратичное уравнение, решение которого относительно ау приводит к результату:
(
d
2 Л
T V
T2 - d>n2 ß - — 2 sin у
(( - dosin ß)
4d2 sin2 y
«v =-
С d2 Л
22 л2 „:„2 ß Uy
T
io , V
T2 -d2sin2 ß—
БШ Y
(To -d,sin ß)
4d2
sin2 y
1+
С Л2
To -dosinß d„
v sin y
r
d
2 Л
T2 -d2sin2 ß - -2 sin y
sin y
T2 +h-p?
1+
С Л2 To - dosin ß
А
V sin y J
2
Переход от ау к параметру Ъу осуществляется путем раскрытия их связи, полученной при начальном рассмотрении вариантов уравнения (5), реализованных через координаты точек А
и В. Ординату центра окружностей с дугами АВ и ВС находим по выражению
- £+ - <
4 '' 4 4sin2y by =-
y
sinY 42
Из условий решения уравнения (5) для окружности с удлиненным на А/2 радиусом, проходящей через центр 0" с координатами xQ„ = d~ + А, y0" = 0, получаем формулу для расчета тонкости отсева тканых сеток через параметры их геометрии:
a2 + b2 - р2 - a d + 0,25d2 А = o o (6)
р y + ay + 0,5do
Сравнение различных методик расчета тонкости отсева проводилось на отечественных и зарубежных ТФС прямого и обратного полотняного переплетения (таблица) с широкой гаммой фильтровальных показателей. Сетки обратного полотняного переплетения характеризуются тем, что у них тонкость отсева внутреннего задерживающего участка выше наружного1. Следовательно, у этих сеток рассматриваемые показатели находятся в соотношении А < Ан.
Сетки с наружным расположением самого узкого сечения фильтровального канала, формируемого размером dy = Ан, чаще всего имеют тонкость отсева наружного фильтровального участка, близкую к значению внутреннего (А = 1,1 Ан). Хотя имеются ТФС этого класса, у которых показатель А внутреннего участка значительно выше Ан наружного.
В таблице приведены экспериментальные Аэ и расчетные значения тонкости отсева А1, А2 внутреннего задерживающего участка сеток, рассчитанные соответственно по формулам (2), (6). Показатель А3 получен численным моделированием тонкости отсева по модели [2].
Результаты расчета тонкости отсева сеток полотняного переплетения The results of calculation of the subtleties of dropouts plain weave plain
Показатели тонкости отсева, мкм
do dy T 1 о Аэ Ан А: А2 A3
Россия
ОПВ-465 90 90 215 30 90 28,8 29,8 29,58
ОПВ-280 150 150 360 50 150 48,8 50,2 49,1
ПН-400 60 30 250 30 30 32,8 34,4 32,8
ПН-240 100 50 418 50 50 54,7 59 54,1
ПНМ-330 77 30 450 30 30 49,3 46,1 49,7
ПНМ-130 128 50 750 50 50 80,6 89,3 92,3
Н-300 60 60 370 40 60 42,8 46 42,8
П200 180 120 500 72 120 70,3 71,4 70,58
Англия
280/70 210 90 363 42 90 39,2 44 41,9
Германия
В35 110 35 250 37 35 35,5 36 36,1
В50 186 80 373 50 80 47,4 49,6 48,5
Франция
280/1200 40 23,5 91 13 23,5 11,1 12,4 12,4
200/1000 40 28 127 18 28 17,7 21 17,7
100/700 70 40 254 35 40 33,6 35,2 35,5
80/560 90 50 317 44 50 42 44,3 43,6
60/400 120 60 423 60 60 56,2 59,5 59
1 Рассматривается абсолютная тонкость отсева. Показатель Д, характеризующий ее, соответствует диаметру частиц, задерживаемых с вероятностью 98 % при фильтровании суспензии через ТФС. Тонкость отсева и показатель Д противоположно направлены. Поэтому с повышением тонкости отсева величина Д уменьшается.
Если за эталон принять экспериментальное значение тонкости отсева (для сеток с внутренним задерживающим участком) и А3 (для ТФС с внешним расположением самого узкого сечения фильтровального канала), то отклонение от него рассматриваемых показателей составляет 0,3-14,9 %.
В большинстве случаев расчетное значение тонкости отсева находится в поле рассеивания 5А = 2-5 мкм экспериментальных данных, определенных с доверительной вероятностью 95 %. Наибольшую погрешность расчета А по предлагаемой методике получены для сеток ПНМ-330 и ПНМ-130 с большим отношением (То / dQ) шага нитей (проволок) от основы к ее диаметру. По точности расчета сравниваемые модели равноценны. Менее трудоемкий и самый простой расчет А реализуется по зависимости (2). Наибольшую точность дает модель, нацеленная на расчет показателя А3.
Выводы
1. Проведено исследование геометрии сеток полотняного переплетения, позволившее найти новые соотношения между параметрами прямо- и криволинейной поверхностей их по-ровых структур, которые позволяют значительно упростить идентификацию разделительной (отсеивающей) способности этих материалов.
2. Сопоставление расчетных, полученных по упрощенным моделям, и экспериментальных данных по тонкости отсева ТФС полотняного переплетения показало хорошую сходимость результатов определения разделительной способности этих ФМ. Расхождение показателей не превышает 15 %. Наиболее проста в реализации модель, полученная на базе трансформации поперечного сечения фильтровального канала в форме прямолинейного треугольника в криволинейный.
Список литературы
1. Кича, Г.П. Оптимизация и выбор параметров тканых сеток топливных и масляных самоочищающихся фильтров / Г.П. Кича, А.К. Артемьев, А.В. Надежкин // Двигателестроение. -1984. - № 11. - С. 28-31.
2. Кича, Г.П. Идентификация разделительной способности тканых регенерируемых фильтровальных материалов нового поколения / Г.П. Кича, С.П. Бойко // Науч. проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2015. - № 3. - С. 132-139.
3. Кича, Г.П. Тканые сетки оптимизированной структуры саморегенерирующихся фильтров для систем тонкой очистки моторного масла судовых дизелей / Г.П. Кича, Г.Г. Галстян, А.О. Варфоломеев // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр. - Владивосток: ДВГТУ, 2010. - Вып. 48. - С. 164-176.
4. Кича, Г.П. Новые тканые материалы для саморегенерирующихся фильтров систем топливо- и маслоочистки судовых энергетических установок / Г.П. Кича, Г.Г. Галстян, В.В. Тарасов // Науч. проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - № 2. - С. 209-231.
5. Кича, Г.П. Оптимизация поровой структуры фильтровальных сеток для очистки горюче-смазочных материалов на судах / Г.П. Кича, А.В. Надежкин, Г.Г. Галстян // Науч. проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - № 1. - С. 159-165.
6. Кича, Г.П. Новые инженерные решения в конструкциях саморегенерирующихся фильтров для очистки топлив и смазочных материалов на судах / Г.П. Кича, Н.К. Пак // Морские интеллектуальные технологии. - 2013. - № 1. - С. 56-61.
Сведения об авторе: Бойко Сергей Петрович, аспирант, e-mail: boykoland@mail.ru.
