CC BY
105
УДК 621.89+665.6
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ АВИАТОПЛИВА К ПРИМЕНЕНИЮ
А.Н. ТИМОШЕНКО, К.И. ГРЯДУНОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Представлена математическая модель седиментации частиц кварца в авиатопливе.
Ключевые слова: седиментация, скорость оседания, отстаивание.
Одним из самых длительных этапов процесса подготовки топлива к заправке в баки ВС является седиментация - отстаивание частиц загрязнения в расходных резервуарах.
Процессы седиментации широко используются во многих отраслях производства (обогащение полезных ископаемых, нефтепереработка, металлургия, химические технологии, атомная промышленность, очистка сточных вод, производство продуктов питания, фармацевтика, медицина и т.д.). В различных областях науки и техники главной практической целью исследователей процессов седиментации является определение скорости седиментации. Знание этого параметра позволяет оперативно управлять ходом технологического процесса отстаивания.
В настоящее время в гражданской авиации используется фиксированный норматив времени отстаивания авиатоплива: 4 часа на 1 м уровня, введенным указанием МГА СССР в 1966 г. Скорость оседания частиц для данного норматива - 0,07 мм/с.
Применение фиксированного норматива порождает ряд проблем:
• проблема оценки качества очистки авиатоплива после отстаивания. Так как критерии степени очистки авиатоплива при отстаивании не установлены, то в принципе невозможно оценить качество очистки авиатоплива после отстаивания любой продолжительности. Соответственно, невозможно оценить завершенность процесса отстаивания;
• проблема прогнозирования дисперсного состава системы «авиатопливо - механические примеси» в ходе отстаивания. Отсутствие знаний о закономерностях отстаивания дисперсной системы «авиатопливо - механические примеси» (зависимости времени отстаивания от вязкости и плотности авиатоплива и природы частиц механических примесей) не позволяет прогнозировать дисперсный состав системы в различное время в различных точках резервуара для хранения авиатоплива. Технические средства для измерения дисперсного состава системы в реальных резервуарах для хранения авиатоплива не разработаны;
• проблема оценки эффективности процесса отстаивания. Так как критерии степени очистки авиатоплива при отстаивании не установлены и закономерности отстаивания дисперсной системы «авиатопливо - механические примеси» не известны, то оценить точность и эффективность процесса отстаивания авиатоплива невозможно. То есть, фиксированный норматив времени отстаивания может оказаться как избыточным (при высоких значениях температуры), так и недостаточным (при низких);
• проблема возможного необоснованного завышения времени подготовки авиатоплива к применению вследствие низкой эффективности действующего норматива отстаивания авиатоплива. Это обстоятельство является потенциальным фактором либо увеличения продолжительности ожидания заправки самолетов авиатопливом при руководстве нормативом (вплоть до срыва регулярности полетов в ряде случаев), либо принятия научно неподкрепленных экспертных решений руководством аэропортов и авиакомпаний о заправке воздушных судов неотсто-явшимся авиатопливом.
Поэтому управление процессом отстаивания на основе применения математической модели седиментации частиц загрязнения в авиатопливе представляется актуальным.
Скорость оседания частиц дисперсной фазы в значительной степени определяется вязкостью и плотностью дисперсионной среды, которые, в свою очередь, зависят от температуры, а также природой частиц, под которой понимается большое количество физико-химических факторов, обусловленных происхождением и строением частиц.
Известно большое число математических моделей седиментации. Общим в рассмотренных моделях является то, что расчет силы сопротивления основан на решении системы уравнений Навье-Стокса для движения шарообразного тела. Отличительной особенностью моделей является диапазон чисел Рейнольдса, для которых они построены.
Открывает этот ряд моделей для самых малых значений числа Рейнольдса Яе формула Стокса, которую можно представить в виде
2 ■ о ■ гч2 рч 2180 ■ гч2 рч
V = * ■ —-1 = --------■ —-1 , 1
9 ■ V рт V рт
где гч - радиус частицы, мм; V - кинематический коэффициент вязкости, мм2/с; рч - плотность
3 3
частицы, кг/м ; рт - плотность авиатоплива, кг/м .
Однако в рамках авиационной химмотологии считается, что возможности использования формулы Стокса в практических целях для расчета времени очистки авиатоплива ограничены [1; 2]. Это объясняют допущениями и упрощениями, принятыми при выводе формулы.
В работах Дж. Хаппеля и Г. Бреннера [4], Б.В. Кизевальтера [5] выполнен детальный анализ аналитических и эмпирических формул для расчета скорости осаждения несферических тел при различных значениях числа Рейнольдса Re. В работах содержатся одинаковые выводы и рекомендации об использовании для практических расчетов скорости осаждения V несферических и
коэффициента сопротивления изометрических частиц при числах Рейнольдса Яе < 0,05 эмпирических формул Петтиджона и Кристиансена, основанных на использовании закона Стокса:
2180 ■ гс2ф рч
г?= Су-----------■ —-1 ; 2
V Рт
С^' = 0,843'1д 0^65 ’ 3
где Сцт - коэффициент сферичности (коэффициент формы), который представляет собой отношение поверхности эквивалентной сферы £сф, равной по объему измеряемой частице, к поверхности частицы £ч; коэффициент Сцт для некоторых частиц простой неправильной формы определяют расчетно-опытным путем; 4я - коэффициент сопротивления реальной частицы, форма которой отличается от шара.
Единственным возможным способом определения вязкостно-температурной характеристики авиатоплива V = А^) является эксперимент с последующей аппроксимацией полученных данных.
Обобщенные данные о вязкостно-температурных характеристиках авиатоплив марок ТС-1 и РТ, рекомендованные для использования в гражданской авиации, приведены в справочнике «Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив» [6] табл. 1.
Известно большое число эмпирических формул, связывающих вязкость жидкостей с их температурой. Чаще всего они представляют собой аппроксимационные формулы, в основе которых используется показательная (экспоненциальная) зависимость типа
где Ь, с - константы.
у = с ■ аЪх,
(4)
Таблица 1
Зависимость коэффициента кинематической вязкости V авиатоплив от температуры
Температура авиатоплива, °С Коэффициент кинематической вязкости V авиатоплив марок ТС-1, РТ и смеси авиатоплив ТС-1 и РТ, мм2/с
ТС-1 РТ Смесь ТС-1 и РТ
-60 13,33 11,45 13,33
-50 8,09 7,24 8,09
-40 5,42 5,00 5,42
-30 3,89 3,68 3,89
-20 2,95 2,83 2,95
-10 2,32 2,26 2,32
0 1,89 1,86 1,89
20 1,34 1,34 1,34
40 1,01 1,03 1,03
60 0,802 0,824 0,824
80 0,658 0,682 0,682
100 0,555 0,580 0,580
120 0,479 0,503 0,503
140 0,420 0,443 0,443
160 0,373 0,396 0,396
180 0,336 0,358 0,358
200 0,305 0,327 0,327
Константы, входящие в аппроксимирующие формулы (Ь, с), не имеют физического смысла. Широкое распространение за рубежом [ЛБТМ Б 341] и в российской химмотологии [6] для аппроксимации кинематического коэффициента вязкости V нефтепродуктов в зависимости от температуры г получили различные варианты формулы Вальтера (вариант формулы определяется ожидаемым диапазоном изменения вязкости нефтепродукта). Для авиатоплив авторами работы [7] рекомендован один из таких вариантов формулы Вальтера
А
1е 1е V + 1 =----—— — В, 5
66 С+ 273
где V — мм /с; г - °С; А и В - эмпирические коэффициенты (индивидуальные для каждого вида и марки нефтепродукта).
Значение коэффициентов А, В в уравнении (5) определяются по следующим формулам: п_ ^у2 + 1 ■Т2- \ё^у1 + 1
о-----------------Т -Т-----------------' ^ *
А = 1§1§ у2 + 1 \в -Т2, (7)
где Т±, Т2 - температуры топлива в точках, достаточно отстоящих друг от друга, К; У2 - коэффициенты кинематической вязкости при температурах и Т2, мм2/с; рассчитанные коэффи-
циенты для авиатоплив ТС-1 и РТ: А = 379,839; В = 1,72.
Из формулы (5) расчетное значение коэффициента кинематической вязкости V для заданной температуры г авиатоплива будет определяться по формуле:
А в
V = ю10 ‘+273 . 8
Авторами работы по результатам выполненных расчетов получены данные, приведенные на рис. 1, 2, 3.
Рис. 1. Вязкостно-температурная характеристика смесевого авиатоплива ТС-1 и РТ по эмпирическим данным и её аппроксимация по формуле Вальтера
Приведенные данные на рис. 1 показывают приемлемую аппроксимацию справочных данных формулой Вальтера.
График зависимости скоростей оседания частиц кварца различных диаметров от температуры авиатоплива представлен на рис. 2.
Рис. 2. Зависимости скоростей оседания частиц кварца различных диаметров от температуры авиатоплива
Анализ данных, приведенных на рис. 2, показывает, что при температуре топлива +200С скорость седиментации частиц кварца диаметром 20 мкм в 4,4 раза выше нормативной скорости; во столько же раз будет меньше время отстаивания этих частиц.
Зависимость диаметров частиц кварца, оседающих с нормативной скоростью 0,07 мм/с при различных температурах авиатоплива показана на рис. 3.
скоростью 0,07 мм/с, при различных температурах авиатоплива
Анализ данных, приведенных на рис. 3 показывает, что при температурах ниже -430С норматив не обеспечивает оседания частиц размером 20 мкм.
Таким образом, применение математической модели Петтиджона-Кристиансена (2) позволяет повысить точность определения параметров технологического процесса очистки авиатоплива методом отстаивания при различных температурах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов. - Л.: Недра, 1982.
2. Коваленко В.П. Загрязнения и очистка нефтяных масел. - М.: Химия, 1978.
3. Чертков Я.Б., Рыбаков К.В., Зрелов В.Н. Загрязнения и методы очистки нефтяных топлив. - М.: Химия, 1970.
4. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса / пер. с англ. - М.: Мир, 1976.
5. Кизевальтер Б.В. Теоретические основы гравитационных процессов обогащения. - М.: Недра, 1979.
6. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П., Федоров Е.П. Справочник: физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. - М.: Химия, 1985.
7. Коваленко В.П., Ильинский А.А. Основы техники очистки жидкости от механических загрязнений. - М.: Химия, 1982.
AVIATION FUEL USAGE PREPARATION TECHNOLOGICAL PROCESS EFFICIENCY IMPROVEMENT
Gryadunov K.I., Timoshenko A.N.
The mathematical model of particles quartz sedimentation in aviation fuel is presented.
Key words: sedimentation, rate of sedimentation.
Сведения об авторах
Тимошенко Андрей Николаевич, 1958 г.р., окончил МИИ ГА (1981), зам. директора ЦС ГСМ ГосНИИ ГА, автор 22 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, обеспечение качества авиационных ГСМ.
Грядунов Константин Игоревич, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), ведущий инженер МГТУ ГА, автор 11 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, техническое диагностирование пар трения ГТД.
