Определение конструктивно-технологических параметров гидроциклонов при обезвоживании дизельного топлива Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 631.3:662.75

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОЦИКЛОНОВ ПРИ ОБЕЗВОЖИВАНИИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

Е. А. Сидоров, ст. преподаватель

ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», т. +79278204559, e-mail: SidorovEvgeniy@yandex. ru

Проанализирован уровень загрязнения дизельного топлива, предложен алгоритм определения конструктивно-технологических параметров гидроциклонных аппаратов для очистки дизельного топлива. Представлена конструкция гидроциклона для очистки топлива от загрязнений в процессе заправки тракторной техники в полевых условиях.

Ключевые слова: топливо, загрязнённость, очистка, гидроциклон, параметры.

Надежность ДВС, в первую очередь, определяется безотказностью топливной аппаратуры, около 50 % отказов которой происходит вследствие загрязненности топлива. Загрязнение топлива существенно повышает износ не только деталей топливной аппаратуры, но и деталей двигателей. Поэтому вопросу совершенствования систем очистки топлива уделяется большое внимание.

Исследованиями установлено отрицательное влияние воды, содержащейся в дизельном топливе, на его смазывающие и противоизносные свойства. Вода также способствует микробиологическому загрязнению топлива. Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности приводят к существенному увеличению кислотности, содержанию смол, иодного числа, вязкости и термической нестабильности топлива. Микробиологическое поражение топлив резко

увеличивает его коррозионную активность к металлам и коагулирует твёрдые загрязнения, превращая их в опасные для топливной аппаратуры и трущихся деталей двигателя абразивные частицы. Увеличение содержания воды в дизельном топливе ухудшает его прокачиваемость и фильт-руемость, а при отрицательных температурах приводит к обмерзанию или забивке фильтров и трубопроводов.

В работе [1] отмечается, что на протяжении всей технологической цепочки доставки топлива сельхозпроизводителям происходит непрерывный процесс загрязнения его механическими примесями и водой (рис. 1).

Анализ данных, представленных на рис. 1, показывает, что одно из слабых мест в технологической цепочке доставки дизельного топлива - это процесс заправки баков автотракторной техники в полевых услови-

0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0

Раздаточный стояк нефтебазы

Сливной патрубок автоцистерны

Места отбора проб

□ Содержание механических примесей, % масс □ Содержание воды,% масс

Рис. 1. Содержание механических примесей и воды в дизельном топливе

ях с помощью автотопливозаправщиков. Средства очистки топлива, применяемые на автотопливозаправщиках, достаточно хорошо очищают топливо от механических примесей, но не обеспечивают качественную очистку от воды.

Процесс заправки является конечным звеном доставки топлива, поэтому разработка эффективных устройств для очистки дизельного топлива от воды и механических примесей в процессе заправки автотракторной техники в полевых условиях является актуальной научной и практически значимой задачей для аграрного производства.

Анализ ранее полученных результатов исследований по загрязненности дизельного топлива [2] позволяет сделать вывод о том, что на сегодняшний день уровень обводнённости топлива, по всей технологической цепочке его доставки от нефтебаз до топливных баков машин, достигает более высоких значений, чем регламентируется нормативно-технической документацией.

Вода, смешиваясь с дизельным топливом, образует эмульсию «дизельное топливо - вода». Эмульсия - гетерогенная система, состоящая из двух несмешиваю-щихся жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в другой (дисперсионной среде) в виде капель различных размеров.

Перспективными устройствами для очистки дизельного топлива от воды являются гидроциклоны, которые обладают рядом положительных качеств: простотой конструкции, относительно небольшим размером и весом, высокой производительностью и надежностью, возможностью автоматизации и регулировки в процессе работы, невысокой стоимостью, отсутствием движущихся частей, а также контакта обрабатываемых систем с окружающей средой. Результаты исследований Б. М. Гутмана показали, что для разделения эмульсий, содержащих до 7...10 % тяжёлой фазы, а следовательно и для очистки дизельного топлива от воды, наиболее эффективен цилиндроконический гидроциклон.

Располагая показателями физических свойств разделяемой эмульсии «дизельное топливо - вода» и входящих в нее компонентов, а также задавая геометрические параметры гидроциклона, можно определить оптимальные конструктивно-режимные параметры по схеме, представленной на рис. 2.

Исходные данные для расчета:

рв и рдт - плотность воды и дизельного топлива в эмульсии, кг/м3;

П и Цдт - динамическая вязкость воды и дизельного топлива, Па-с;

- межфазное натяжение на границе фаз «дизельное топливо - вода», Н/м;

- концентрация воды в исходной эмульсии, %,об.;

Qо6щ - общая производительность по исходной эмульсии, м3/ч;

d - средний объемный диаметр капель воды в дизельном топливе, м

Рис. 2. Алгоритм определения конструктивно-режимных параметров цилиндро-конических гидроциклонных аппаратов для очистки дизельного топлива

Задаются геометрические параметры цилиндроконического гидроциклона:

Б -

диаметр цилиндрической части

гидроциклона, м;

Ь -

длина цилиндрической части гид-

роциклона, м;

^э.вх - диаметр питающего патрубка, м; dв - диаметр верхнего (сливного) патрубка, м;

ан- диаметр нижнего (разгрузочного) патрубка, м;

- полный угол конусности гидроци-клона,град.

Расчет конструктивно-режимных параметров гидроциклона осуществляют в следующей последовательности.

Критическая скорость потока (УК) в питающем патрубке гидроциклона

8

3 к

К

кр

V

дт

1

1 в дт

дт

2/3

, м/с,

где - коэффициент падения скорости на входе в гидроциклон, определяемый из выражения

3,1

а 10 ь

Б

Б

к1 - коэффициент пропорциональности, который для системы «жидкость -жидкость» равен 0,3.

Рабочая скорость подачи исходной смеси в гидроциклонный аппарат (Увх) должна быть меньше критической скорости потока (О, т. е. V* у ^.

Объем эмульсии, обрабатываемой в одном гидроциклонном аппарате,

в,

а2

общ

К 3600, м3/ч.

Необходимое количество гидроциклонных аппаратов для обеспечения требуемой производительности

вобщ

п —¡2-,

вобщ

где вобщ - требуемая производительность, м3/ч.

После выбора необходимого количества гидроциклонных аппаратов уточняют объем эмульсии, обрабатываемой в одном гидроциклонном аппарате, и скорость на входе в аппарат:

в'б вощ, м3/ч; V -24в-, м/с.

^Общ п ' вх а2 3600

Если полученное значение ■< , повторного расчета не требуется. В противном случае производится пересчёт параметров по данной методике после внесения изменений в конструктивные (геометрические) параметры.

Давление на входе в аппарат, необходимое для обеспечения заданного расхода, определяют из уравнения

вОбщ ' , м3/ч.

в,

общ

„ п ав а2 п Отсюда Р -г- э, Па;

где э - плотность исходной эмульсии, кг/м ;

э - динамическая вязкость исходной эмульсии, Па с .

Входящие в уравнения величины *, э и э определяются по зависимостям:

325 Щ

„ 0,6 -г 0,2 ...

0,15 Б ь 14

а б

дт 5 11

1п —^ 2,5 -

дт в дт

0 4

' дт ф ф3 ф3

дт

1 Ф

Ф, кг/м3,

где Ф - объёмная доля дисперсной фазы в эмульсии.

Объемное распределение потоков в гидроциклоне

вв

, 3.° . 0,445

ав Ь

— 1,1 10 5 Яе1,15 — —

ви ая б

где Яе

а

вх э.вх э

- число Рейнольдса;

вв - производительность гидроциклонного аппарата по верхнему сливу (очищенное топливо), м3/ч;

вн- производительность гидроциклонного аппарата по нижнему сливу (загрязнённое топливо), м3/ч.

Таким образом, производительность единичного аппарата по нижнему (в'н) и верхнему (вв) сливу составляет:

в/

в' , в! вб в1.

г^н ГЛ в общ Х-я

1 ^

вн

В случае если в гидроциклонном аппарате несколько циклонов:

вн вн П , вв вобщ вн .

Концентрация диспергированной воды в очищенном топливе

0,24

1,0

£ к сч0,24 ^ ■ , %,

2

э

э

где к 0,258

d..

Ь

- коэффициент,

учитывающий конструктивные параметры циклона;

Я - радиус цилиндрической части гидроциклона, м;

ЬК - длина конусной части гидроциклона, м;

К2 dl

' ¿»V Си /У /-11-И |

- модифици-

т 2

С ^ вх ^ц

Я

Ни.

2

дт

дт

рованный критерий циклонного процесса;

э - кинематическая вязкость эмульсии, м2/с.

Концентрация воды в нижнем сливе цилиндроконического гидроциклона

О'общ Кс* Ое ^е

Оп

На основе предложенной методики разработана конструкция [3] цилиндрокониче-ского гидроциклона для очистки топлива от механических примесей и воды в процессе заправки автотракторной техники в полевых условиях мобильным топливозаправщиком, представленная на рис. 3.

Рис. 3. Гидроциклон для очистки топлива: 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - штуцер для подачи топлива, 4 - вытеснитель, 5 - винт,

6 - насадка, 7 - выходной патрубок, 8 -штуцер для сброса загрязнений, 9 - крепление, 10, 11 - уплотнительные кольца

Гидроциклон работает следующим образом.

Топливо из ёмкости топливозаправщика подаётся в гидроциклон для очистки топлива при помощи насоса, установленного на нём, и поступает по штуцеру для подачи топлива 3 во внутреннюю полость крышки 2, где оно приводится во вращательное движение при помощи винтовой канавки, выполненной на внутренней поверхности крышки 2 и вытеснителя 4.

Далее топливо попадает в камеру, образованную корпусом 1 и конической частью вытеснителя 4, предотвращающей «эффект снижения начальной закрутки», где происходит его разделение на фракции. Тяжёлые фракции стремятся к стенке корпуса 1, на котором имеются винтовые канавки, направленные противоположно винтовой канавке крышки 2 и предназначенные для задержания и удаления загрязнений во внутреннюю полость насадки 6, выполненную в виде сужающегося вниз усеченного конуса, а лёгкие стремятся к центру, откуда выводятся через выходной патрубок 7 в бак заправляемого автотракторного средства. Скопившиеся тяжёлые фракции, к которым относятся и загрязнения топлива, удаляются из гидроцилиндра при помощи штуцера для сброса загрязнений 8 в ёмкость заправщика либо в дополнительную ёмкость, установленную на нём, где отстаиваются и сливаются на другие хозяйственные нужды, например для очи-стно-моечных операций в ремонтном производстве.

Проверку работоспособности предлагаемого устройства производили в сельскохозяйственных предприятиях Ульяновской области, установив гидроциклон разработанной конструкции на автотопливозаправщик АТЗ-5,3-4301.

Эффективность очистки дизельного топлива от механических примесей и воды оценивалась коэффициентом , который определялся по формуле С С

М 2

С>

где С1 - содержание воды или механических примесей в дизельном топливе до очистки в гидроциклоне, %;

С2 - содержание воды или механических примесей в дизельном топливе после очистки в гидроциклоне, %.

Применение гидроциклона позволяет получить достаточно высокую эффективность очистки от воды и механических примесей. При этом средние значения ко-

0.3

d

е

эффициента очистки составили соответственно 0,9 и 0,8.

Таким образом, результаты исследований свидетельствуют о том, что включение разработанного гидроциклона в систему очистки автотопливозаправщика позволяет существенно снизить концентрацию воды в дизельном топливе при заправке автотракторной техники в полевых условиях.

Литература

1. Зыков, С. А. Комплексная очистка топлива в системе питания автотракторных дизелей: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / С. А. Зыков. - М., 2003. - 159 с.

2. Варнаков, В. В. Исследование обводнённости дизельных топлив в нефтехо-зяйствах сельскохозяйственных предприятий Ульяновской области / В. В. Варнаков, Е. А. Сидоров // Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Региональные проблемы народного хозяйства». Часть II. - Ульяновск: Ульяновская ГСХА. - 2004. -С. 339-342.

3. Пат. 2297548 Российская Федерация, МПК Р 02М 37/22 Б0Ю 29/11 Устройство для очистки топлива / А. Е. Абрамов, Е. А. Сидоров; заявитель и патентообладатель Ульяновская ГСХА. - № 2005125999/06; заявл. 15.08.05; опубл. 20.04.07, Бюл. № 11. - 5 с.