МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В РЕЗОНАТОРЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИЗМЕРЕНИЯМ ОБВОДНëННОСТИ ТОПЛИВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы. Моделирование электромагнитного поля в резонаторе применительно к

измерениям обводнённости топлив

д.т.н. проф. Кардашев Г.А., д.т.н. проф. Шаталов А.Л., к.т.н. доц. Суслин М.А.

Университет машиностроения gkarclashevayanclex. г и Аннотация. В статье приведены результаты экспериментального исследования цилиндрического объемного резонатора с тонким слоем влаги на нижней торцевой стенке. Анализ известных методов проведен с использованием моделирования методом конечных элементов в системе ANS YS. Практическим применением результатов исследований может служить определение осажденной влаги в авиационных керосинах.

Ключевые слова: определение свободной влаги, контроль авиационного топлива, моделирование электромагнитного поля Интенсивное развитие современной авиационной техники диктует особые требования к качеству используемых топлив, от которых в частности зависит безаварийная эксплуатация и долговечность работы. Так, при подготовке летательного аппарата к вылету берется образец топлива из точки слива топливного бака. Вода в топливе может находиться в растворенном виде (это гигроскопичная вода), в виде взвешенных мельчайших капелек (эмульсионная вода) и в виде отдельной жидкой фазы - свободная вода, которая попадает в топливо в результате ненадлежащих методов хранения, транспортировки и заправки летательных аппаратов, в результате прямого попадания дождя, снега и т.д. [1].

Гигроскопическая вода попадает в топливо в результате поглощения топливом из атмосферы паров воды, которые затем удерживаются в ней силами межмолекулярного взаимодействия. Гигроскопичность - процесс самопроизвольный. Это является основной причиной обводнения топлив. Количество воды, растворяемой топливом, зависит от группового состава: ароматические углеводороды самые гигроскопичные из всех углеводородов. Их гигроскопичность в 10 раз выше, чем парафинов. Гигроскопичность топлива зависит от фракционного состава: с увеличением молекулярной массы (с увеличением плотности) растворимость падает (бензины лучше растворяют в себе воду, чем керосины); кроме того, она зависит от температуры (её растворимость уменьшается при понижении температуры топлива); от влажности (с повышением концентрации паров воды в воздухе её растворимость повышается).

Вода в топливе накапливается не только при похолодании, но и при потеплении. В этом случае масса топлива в ёмкости, ввиду её тепловой инерционности, некоторое время остается холоднее окружающего воздуха, поэтому на зеркале топлива, как на любой холодной поверхности, происходит конденсация водяных паров из воздуха, и в топливе образуются взвешенные мелкие капли воды или кристаллики льда.

Обводнение топлив - факт, с которым нельзя не считаться. Воде свойственно переохлаждение до - 40 оС, и при прокачке топлива она при ударе о фильтр превращается в кристаллы льда, которые забивают фильтр, нарушая, а может быть, и прекращая подачу топлива. При охлаждении топлива капли эмульсии и отстой могут замерзнуть, закупорить жиклеры автоматических устройств, вызвать примерзание клапанов регулировочных агрегатов, заклинивание крыльчатки или поломку приводов насосов.

В условиях резкого колебания температур растворенная вода переходит в эмульсионную (в виде мельчайших капелек воды, находящихся во взвешенном состоянии). Вода особенно опасна, т.к. в зимних условиях она превращается в кристаллы льда, забивает фильтры, создавая тем самым аварийную ситуацию. Содержание свободной воды 0,002% уже опасно! Её содержание в топливе приводит:

• к нарушению гомогенности топлива (появляется твёрдая фаза - кристаллы льда);

• к забивке фильтров - нарушается подача топлива или прекращается совсем;

• к снижению смазывающей способности топлива, что вызывает сухое трение, приводящее к задирам и преждевременному износу летательного аппарата;

• к усилению химической и электрохимической коррозии;

• к повышению коррозионной активности органических кислот.

Топливная аппаратура тракторных дизелей также очень чувствительна к чистоте топлива, в котором могут содержаться различные виды загрязнений: твёрдые, жидкие, газообразные, микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Загрязнённость топлива приводит к преждевременной забивке топливных фильтров и преждевременному износу. При отрицательной температуре микрокапли воды приводят к обмерзанию фильтров, что может привести к полному прекращению подачи топлива. Кроме того, вода способствует процессу коррозии.

Результаты исследований по влиянию содержания воды в топливе на работоспособность плунжерных пар показывают, что содержание воды в топливе до 3 % не приводит к заметному ухудшению работоспособности плунжерных пар, наступающему вследствие ухудшения противоизносных и противозадирных свойств топлива. Оно наблюдается при содержании воды в топливе свыше 3 % и может привести к ускоренному износу пар и их заклиниванию. Вместе с тем, при содержании воды в топливе свыше 0,5 % уже наблюдается их коррозионное разрушение [2].

Известные косвенные методы - механические, радиометрические, оптические, тепло-физические [3, 4] обладают или низкой чувствительностью, или требуют сложной дорогостоящей реализации, или субъективны. Так, авиационный керосин перед непосредственной заправкой в баки и перед вылетом контролируется на предмет «следов» осажденной влаги методом визуального контроля.

Как известно, интегральные характеристики СВЧ резонансных систем с распределенными параметрами: резонансная частота, добротность - весьма чувствительны к изменению электрофизических характеристик сред, частично заполняющих объемный резонатор. В статье представлены результаты моделирования электромагнитного поля (ЭМ) резонатора с возмущающим объемом в виде керосина со свободной влагой в виде осадка.

Моделирование проведено методом конечных элементов в системе АМБУБ при следующей геометрии резонатора и его заполнения (рисунок 1): диаметр резонатора - 75 мм, высота - 103.7 мм; высота керосина с водой - 34.6 мм, высота слоя воды под керосином -1мм - показало следующие результаты (рисунок 2)

и

Рисунок 1 - Геометрия резонатора и заполнения: диаметр - 75 мм, высота - 103.7 мм; высота керосина с водой - 34.6 мм, высота слоя воды под керосином - 1 мм

а б

Рисунок 2 - Электрическое поле моды Нои (а) и Поверхностные токи резонатора с

модой Н011 (б) в возмущенном резонаторе

Электрическое силовые линии пустого резонатора с колебанием Нои - это замкнутые концентрические окружности, поле максимально посередине длины резонатора. На стенках протекает поверхностный ток: на торцевых стенках - кольцевой ток, плотность которого равна нулю в центре и у боковых стенок. По боковым стенкам резонатора также течёт кольцевой ток, плотность которого максимальна в среднем сечении. Возмущение в виде слоев керосина и воды приводит к тому, что возмущенный объем начинает концентрировать поле (поле максимально на границе воздух-керосин - рисунок 2а), при этом концентрация увеличивается при увеличении диэлектрической проницаемости керосина (относительная диэлектрической проницаемости керосина изменяется в пределах 2,1-2,3). Поверхностный ток торцевой стенки со слоем воды на порядок больше поверхностного тока другой торцевой стенки (рисунок 26). Перераспределение поверхностных токов в возмущенном резонаторе по сравнению с пустым объёмными резонаторами изменяет парциальную добротность, вызванную потерями в стенках. Таким образом, наблюдается неконтролируемое изменение электрического поля и добротности пустого резонатора.

Для устранения названных недостатков предлагается сливать керосин и исследовать тонкий слой влаги на нижней торцевой стенке.

Был исследован объемный резонатор с осадком в виде влаги на дне. Возбуждающая петля в резонаторе выступает от плоскости боковой стенки примерно на 1,5-2,0 мм, рис. 4. Это обеспечивает фильтрацию всех колебаний, кроме Нои в диапазоне от 2,56 до 4,0 ГГц (диапазон изменения частоты генератора Г4-80). Это проверено экспериментально. Резонансная частота колебания Н0ц пустого резонатора равна 2707,3 МГц, а добротность - 10218 (внутренняя поверхность резонатора посеребрена, это видно на рисунке 4). Резонансная частота колебания Щт ./ = 4804 МГц, добротность - 2871._

Рисунок 4 - Внешний вид исследуемого резонатора с колебаниями Нои и //013

Известия МГТУ «МАМИ» №2(14), 2012, т. 4 99

В резонатор дозированно добавлялась вода (на нижнюю торцевую стенку) от 1 мл до 10 мл, измерялась частота и нагруженная добротность по уровню "0,5" показаний микроамперметра. Объем влаги был пересчитан исходя из геометрических размеров резонатора в эффективную высоту влаги.

Наличие тонкого слоя влаги на нижней торцевой стенке резонатора структуру поля мод Нои, ^013 и Еою практически совершенно не искажает. Наличие тонкого слоя почти не изменяет резонансную частоту колебаний (частота остается в пределах полосы задержания нена-груженной системы), а добротность изменяется значительно.____

Рисунок 5 - Внешний вид исследуемого резонатора с колебанием Еою

Для исследования колебания Еою резонатора с тонким слоем влаги на нижней торцевой стенке использовался объемный резонатор, который изображен на рисунке 5. Его размеры: длина - 50 мм, диаметр - 9 мм. Резонансная частота колебания Eon пустого резонатора равна 2550 МГц, а добротность - 1850.

На рисунке 6 показаны экспериментальные значения нагруженной добротности резонатора с колебаниями Щц , #013 и £ою от объемной концентрации влаги в осадке %V. Объемная концентрации влаги в осадке F% рассчитывалась как отношение эффективной высоты влаги /эф к высоте резонатора /ор:

1ОР

Рисунок 6 - Зависимость нагруженной добротности резонаторов от объемного влагосодержания в осадке: а - для колебаний Е0ц и Н013; б - //он

До концентрации порядка 0,4% информативным параметром может служить изменение

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы, добротности колебания £Ьп в диапазоне порядка 0,4 - 2% - изменение добротности колебаний. //он и Но о- Это объясняется тем, что электрические силовые линии колебаний Hon и //о 13 замкнуты и имеют только одну радиальную составляющую Е^ которая у торцевой стенки равна нулю, а электрическое поле Еъ колебания Еою равномерно по длине резонатора, поэтому колебание Еою будет обладать большей чувствительностью к наличию влаги в осадке.

Таким образом, исследование только осадка жидкого углеводорода устраняет влияние изменения растворенной влаги в жидких углеводородах, объемная доля которой зависит от температуры, атмосферного давления, типа углеводорода. Наличие тонкого слоя влаги на нижней торцевой стенке резонатора структуру поля мод Hon , #013 и 1и> i о практически не искажает. Наличие такого тонкого слоя практически не изменяет резонансную частоту колебаний (частота остается в пределах полосы задержания ненагруженной системы), а добротность (за счет изменения эффективной проводимости нижней стенки) изменяется значительно. С увеличением добротности пустого резонатора пропорционально увеличивается чувствительность к содержанию свободной влаги.

Приведенные исследования позволяют сделать вывод о принципиальной возможности применения объемных резонаторов для определения свободной влаги в полевых условиях.

Литература

1. Беликов A.M. Авиационные топлива и смазочные материалы / А. М. Беликов, Э. В. Кора-бельников, В. А. Судца, - Ставрополь: СВВАИУ им. Маршала авиации , 2009 - 246 с.

2. Григорьев М.А., Борисова Г.В. Очистка топлива в двигателях внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1991. - 208 с.

3. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под редакцией В.В.Клюева. -М.: Машиностроение. 1995. с. 487.

4. Берлинер М.А. Измерение влажности -М.: Энергия 1973, - 201 с.

Использование послеспиртовой барды в качестве сырья для получения высокобелковых кормовых препаратов

Мельникова Е.В., к.т.н. Герман JI.C., Захаров З.В., Жарко М.Ю.

Университет машиностроения 8(499)267-19-39

Аннотация. В статье рассмотрены способы переработки компонентов послеспиртовой барды для получения ферментационных сред (углеводной и ростовой части). Приведены результаты экспериментов по культивированию на этих средах дрожжей рода Phaffia, продуцента высшего каротиноида астаксантина.

Ключевые слова: послеспиртовая барда, дробина, биомасса дрожжей, гидролиз, культивирование.

Проблема утилизации послеспиртовой барды в наши дни стоит очень остро, так как спирт используется во многих сферах нашей жизнедеятельности. Например, в медицине и пищевой промышленности. Производство спирта, несомненно, должно расширяться, ведь спирт - это не только химическое соединение, но и основа для получения высокооктанового бензина (при помощи низкотемпературного крекинга), то есть биотоплива. Значит, потребности в спирте будут возрастать. При получении 1 литра спирта получают 10 литров барды, которую недопустимо выливать в окружающую среду. Себестоимость получения спирта низкая, а для того чтобы перерабатывать отходы, понадобятся большие материальные затраты, в связи с этим нужно получать из барды «дорогой» продукт (высококачественный). Сушить барду экономически невыгодно, так как приходится удалять 95% влаги, что влечет за собой большие затраты на переработку и, соответственно, увеличивает себестоимость спирта. Получаемый в результате кормовой препарат содержит 30-35% белка, стоимость такого