CC BY
75
- Минск: Изд-во Акад. Наук БССР, 1954. - 357 с.
3. Антошин, И.М. Теоретические основы массообменных процессов пищевых производств / И.М. Антошин. - М.: Пищевая промышленность, 1970. - 344 с.
4. Патент РФ № 2436630. Устройство
для сушки зерна / В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, С.А. Сутягин; Опубл. 20.12.2011 г. Бюл. № 35.
5. Карпов, Б.А. Технология послеуборочной обработки и хранения зерна. - М.: Агропромиздат, 1987. - 288 с.
УДК 623.436
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЯ-ДОЗАТОРА ДИЗЕЛЬНОГО СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА
Уханов Александр Петрович*, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО « Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»* 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30 Тел.:(8412)628-517 E-mail: [email protected]
Голубев Владимир Александрович**, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования» Тел.: 8-842-31-11-44 E-mail: [email protected]
Киреева Наталья Сергеевна**, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика»
E-mail: kireeva/[email protected]
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина»**
432017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1; Тел: 8-842-31-11-44.
Ключевые слова: дизельное смесевое топливо, топливная система низкого давления дизеля, смеситель-дозатор топлива, горчичное масло, горчично-минеральное топливо, параметры
Предложена конструкция статического смесителя-дозатора, обеспечивающего приготовление смесевого топлива в системе питания дизеля непосредственно в процессе работы трактора. Выполнено теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров и представлены результаты лабораторных исследований смесителя-доза-
ты тракторного агрегата [4]. Для этого в то-
тора топлива.
В соответствии с ГОСТ Р 52808-2007 одним из видов моторного топлива для с.-х. тракторов является дизельное смесевое топливо (ДСТ), которое в наименьшей степени требует конструктивной адаптации двигателя и имеет незначительные отклонения показателей физических и теплотворных свойств от соответствующих свойств минерального дизельного топлива (ДТ) [1, 2, 3]. Наиболее целесообразным, по техническим и экономическим соображениям, является приготовление ДСТ непосредственно в системе питания двигателя в процессе рабо-
пливную систему низкого давления дизеля (ТСНД) устанавливают смеситель-дозатор топлива, имеющий два входных и один выходной канал. Входные каналы соединены топливопроводами с баками минерального ДТ и растительного масла, выходной канал - с топливоподкачивающим насосом (ТПН).
Наличие в ТСНД относительно длинных трубопроводов, имеющих различное проходное сечение, приводит к появлению в трубопроводах потоков, направленных поперек основного потока движения жидкости и создает завихрения, способствующие
интенсивному перемешиванию жидкости [5]. Поэтому основное назначение смесителя-дозатора в ТСНД - соблюдение заданной концентрации компонентов в процессе приготовления ДСТ и его первичное перемешивание [6]. Это позволяет упростить конструкцию смесителя и обеспечить необходимую скорость движения компонентов при приготовлении ДСТ за счет разрежения штатного ТПН.
Статический смеситель-дозатор топлива [7] состоит из корпуса 1 (рис. 1), имеющего патрубки 2 и 13 для подачи минерального ДТ и выхода смесевого горчично-минерального топлива, патрубка 4 для подачи ГорМ, герметично установленного в корпусе дозатора 3 минерального ДТ. Патрубок
4 имеет отверстия 7 для подачи в корпус 1 ГорМ и служит направляющей для втулки дозатора ГорМ 9, которая имеет отверстия идентичные отверстиям 7. На торце втулки 9 расположен клапан 5 дозатора минерального ДТ 3. Радиальные отверстия 6 втулки 9 перекрывают отверстия 7 патрубка 4 и открывают их по мере увеличения разрежения. Втулка 9 удерживается в крайнем (закрытом) положении пружиной 12, а ее максимальное перемещение ограничивается винтом 10, который одновременно крепит заглушку 11, служащую упором для пружины 12. Для первичного перемешивания горчично-минеральной смеси служит винтовая перегородка 8, установленная неподвижно на поверхности втулки 9.
Под воздействием разрежения, создаваемого ТПН, преодолевается сопротивление пружины 12, открывается клапан
5 и через патрубок 2 в корпус 1 начинает поступать минеральное ДТ. Перемещение клапана 5 вызывает соответствующее перемещение втулки 9 и открытие отверстий 6 и 7, через которые в струю движущегося по винтовой перегородке 8 минерального ДТ начинает поступать в смесительную камеру 14 и смешиваться с ним ГорМ. Степень перемешивания компонентов улучшает конусная заглушка 11, которая дросселирует смесь при входе в патрубок 13 выхода ДСТ. В случае возникновения избыточного давления на выходе из смесителя-дозатора,
например, при аварийной остановке или изменении нагрузочно-скоростного режима двигателя, клапан 5 дозатора минерального ДТ и отверстия 6 и 7 перекрываются, выполняя функции обратных клапанов. Заданное соотношение компонентов ДСТ достигается
пропорциональным изменением проходи I—
ных сечений клапана 5 дозатора минерального ДТ и отверстий 6 и 7 дозатора ГорМ.
Известно, что в статических винтовых смесителях степень перемешивания можно улучшить диспергированием подмешиваемой жидкости из отверстий дозатора [8]. При малых скоростях истечения жидкости (ламинарный режим), наилучшее качество смешивания наблюдается при капельном режиме, который имеет место при соблюдении
V <У = ððРМ^ 0Д КР Ы 0РМ<
(1)
у.
эод
, V Ррі 6І Ч-уї а
' ОД ' '
где Уіа - скорость I Укр нения ГорМ из отверстий дозатора, м/с; Уёй- критическая скорость, при которой кап С7^орМ1 й режим переходит в струйный, м/с; о^бі - коэффици-\|/т поверхностного натяжения ГорМ /?горм 0 - коэффициент сужения капли; РкЫ
- плотность горчичного масла, кг/м3; dэод - эквивалентный диаметр отверстия дозатора, м.
Подставив в формулу (1) выражение скорости истечения Уа через максимальный объемный расход топлива ЦГорМ, найдем' . >(^орМ -Л-орм
^эод > Л 2 „2 „X ’
Л
(2)
где под - количество отверстий дозатора ГорМ.
По результатам расчетов по формуле (2) принимаем отверстия прямоугольного сечения с размером основания аод = 2,5 мм.
Высота отверстий дозатора, определяющая их проходное сечение, зависит от величины перемещения (Ьд) втулки 9 дозатора. Тогда объемный расход ГорМ через отверстия дозатора можно определить по форм _ _ _ь.ь
^СГорМ
а-Ьд-е
(3)
где а1 и b - эмпирические коэффициенты (определяются экспериментальным путем).
Для получения ДСТ с заданным соотношением компонентов необходимо со-блюд-------------
Одет —КГорМ • QflcT ”*”Кдх ' QflCT ?
*<?An6 — 's<fc ai тс,Аю ^ Аб ' and щ
где КГорМ - доля ГорМ в ДСТ; КДТ - доля минерального ДТ в ДСТ.
Соблюдение условия (4) возможно при согласовании расходов минерального ДТ и ГорМ через отверстия дозаторов минерального ДТ и ГорМ. Например, при соотношении компонентов ДСТ 50:50, используя формулу для определения объемного расхода жидкости [9] через отверстия и учитывая, что разрежение в отверстиях, их количество
и выс
= а„
РгорМ
Ркьї
Рдт
Ркд
>1, получим:
(5)
где а - размер основания отверстия,
м.
а = а.
Р.
ДТ
АгорМ
Ркы _ (б)
В результате расчетов по формуле (6) принимаем отверстие прямоугольного сечения с основанием а = 2,25 мм. Объемный
ок '
расход минерального ДТ для различных положений клапана определяется по эмпирическому выражению (3).
Ширину винтового канала смесительной камеры (авк) принимаем, исходя из размеров капель при диспергировании расти-<-> '"'ловию:
Т0/1ЬНГ'ГГ' ллэг>пэ Г52І
авк > —1 ‘ <1Эод
а.. > а. = і,у-а„
Длину
опре,г
LCM>8-dCM,M
(7)
смесительной камеры ■ошения [10]:
(L )
см
м, (8)
где ^ - диаметр капли, м; - внутренний диаметр смесителя, м.
В результате расчетов получены следующие размеры смесительной камеры: авк =
0,005 м; I = 0,18 м.
' ’ см '
Для уточнения расчетных конструк-
а) схема б) общий вид
Рис.1 - Смеситель-дозатор топлива (расположение деталей соответствует максимальной подаче): 1 - корпус; 2, 4, 13 - патрубки; 3 - дозатор минерального дизельного топлива; 5 - клапан дозатора минерального дизельного топлива;
6, 7 - отверстия подачи горчичного масла; 8 - винтовая перегородка; 9 - втулка дозатора горчичного масла; 10 - винт ограничитель; 11 - заглушка; 12 - винтовая пружина; 13 - патрубок выхода смесевого топлива; 14 - смесительная камера
тивных параметров дозирующих устройств смесителя-дозатора топлива и определения значений эмпирических коэффициентов а1 и Ь были проведены исследования на объемный расход компонентов ДСТ при свободном истечении топлива из ТПН (Рвых = 0) на стенде КИ-22205-01-Г0СНИТИ. При этом патрубок подачи минерального ДТ 2 (рис. 1) соединялся гибкими топливопроводами через кран 5 (рис. 2) и фильтр 2 с мерной емкостью 8 минерального ДТ, а патрубок выхода ДСТ смесителя-дозатора 13 (рис. 1) соединялся с входом ТПН.
Патрубок 4 подачи ГорМ смесителя-дозатора (рис. 1) соединялся с мерной емкостью ГорМ 6 (рис. 2) через фильтр 3 и переключатель состава смеси (ПСС) 1, снабженный градуированной шкалой. ПСС использовался для изменения объемного рас-
хода ГорМ при получении ДСТ с различным содержанием ГорМ.
Графическая интерпретация полученных результатов представлена на рисунке 3.
Рис. 2 - Общий вид экспериментальной безмоторной установки: 1 - переключатель состава смеси; 2 - фильтры минерального дизельного топлива; 3 - фильтр горчичного масла; 4 - смеситель-дозатор топлива; 5 - кран подачи минерального топлива; 6 - мерная емкость горчичного масла; 7 - стенд КИ-22205-01-ГОСНИТИ; 8 -мерная емкость минерального топлива; 9 - насос топливный УТН-5А
Анализ полученных результатов показывает, что перемещение втулки дозатора вызывает увеличение объемного расхода минерального ДТ, причем представленная зависимость имеет характер кривой насыщения (рис. 3а). Так, при перемещении втулки дозатора от 0 до 0,3 мм объемный расход минерального ДТ увеличивается на 0,9 л/мин, а при перемещении от 2,1 до 2,4 мм на 0,03 л/мин.
Зависимости объемного расхода ГорМ от перемещения втулки дозатора (рис. 3б) на разных режимах работы линии подачи ГорМ, задаваемых ПСС, носят сходный характер с зависимостью на рис. 3а. Это подтверждает возможность получения ДСТ с заданным содержанием ГорМ при определенном положении ПСС.
В результате математической обработки результатов исследований получены численные значения эмпирических коэффициентов для расчета объемных расходов компонентов смесевого топлива через отверстия дозаторов по формуле (3). Численные значения коэффициента «а», при положении ПСС в точках со значением 10, 20, 30, 40 и 50 градусов угла поворота переключателя составляют соответственно 0,77, 1,54, 2,31, 3,10 и 3,87. Численное значение коэффициента «Ь» является постоянным (Ь = 0,46). Полученные значения коэффициентов позволяют уточнить конструктивные па-
Рис. 3 - Зависимость объемного расхода от перемещения втулки дозатора: а - минеральное дизельное топливо; б - горчичное масло
Таблица 1
Результаты оценки работы дозирующих устройств при максимальной подаче топлива и частоте вращения кулачкового вала ТНВД 1100 мин-1
Показатели Положение переключателя состава смеси, град
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Средний объемный расход ГорМ, см3/ мин 0 31 58 85 109 128 144 158 167 175 177
Средний объемный расход ДТ, см3/ мин 312 282 254 228 205 188 172 160 153 145 1144
Средний объемный расход ДСТ, см3/ мин 312 313 312 313 314 316 316 318 320 320 321
Соде ржан ие ГорМ в ДСТ, % 0 9,8 18,6 27,1 33,7 39,6 44,6 47,9 49,3 50,6 51,4
Положение переключателя состава смеси, град
Рис. 4 - Зависимость объемных расходов горчичного масла и минерального дизельного топлива от положения переключателя состава смеси
раметры дозирующих устройств смесителя-дозатора.
Результаты исследований по оценке работы дозирующих устройств представлены в таблице 1.
Результаты исследований (см. табл. 1 и рис. 4) показывают, что по мере увеличения проходного сечения ПСС концентрация горчичного масла в ДСТ возрастает. Причем, в соответствии с выявленными закономерно-
стями, увеличение содержания ГорМ в ДСТ при малых углах положения ПСС происходит гораздо быстрее, чем при больших. Так, при изменении положения ПСС от 0 до 15 град., содержание ГорМ в смесевом топливе увеличивается на 27,1% (с 0 см3/мин до 85 см3/ мин). При изменении положения ПСС от 35 до 50 град. содержание ГорМ увеличивается всего на 3,5% (с 158 см3/мин до 177 см3/ мин).
Полученные зависимости (см. рис. 4) позволяют определить положение ПСС для получения смесевого топлива различного состава. Например, для получения смесево-го топлива 50% ГорМ + 50% ДТ необходимо установить ПСС в положение 35 град., а для получения смесевого топлива 25% ГорМ + 75% ДТ - в положение 14 град.
Выводы
1. Для смешивания и дозирования компонентов ДСТ при малых расходах топлива (1,5-25 л/мин) предложена конструкция статического смесителя-дозатора топлива, действие дозирующих устройств которого основано на разрежении, создаваемом ТПН.
2. Предлагаемая конструкция смесителя-дозатора топлива обеспечивает приготовление смесевого топлива в системе питания дизеля непосредственно в процессе работы тракторного агрегата.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 52808-2007 Энергетика биоотходов. Термины и определения. - Действ. 01.01.2009. - 10 с.
2. Уханов, А.П. Результаты моторных исследований горчичного биотоплива / А.П. Уханов, Д.А. Уханов, В.А. Голубев, Р.К. Сафаров, Д.С. Шеменев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2011. - №.5. - С. 7-10.
3. Уханов, А.П. Перспективы использования биотоплива из горчицы / А.П. Уханов,
В.А. Голубев // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - № 1 (13). - С. 88-90.
4. Голубев, В.А. Использование расти-
тельных масел в качестве биокомпонента дизельных смесевых топлив // Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: Материалы III Международной НПК. -Ульяновск: УГСХА, 2011. - С. 225-229.
5. Штербачек, З. Перемешивание в химической промышленности / З. Штербачек, П. Тауск. - Л.: Гос. науч.-техн. изд-во хим. лит-ры, 1963 .- 416 с.
6. Уханов, А.П. Устройства для приготовления растительно-минерального топлива / А.П. Уханов, В.А. Чугунов, В.А. Голубев // Нива Поволжья. - 2010. - № 4 (17). - С. 63-67.
7. Патент на полезную модель 109012 Россия, МПК В 01 F 15/04, F 02 М 43/00. Смеситель-дозатор топлива / А.П. Уханов, В.А. Голубев, Е.С. Зыкин. - №2011128030/03; За-явл. 07.07.2011; Опубл. 10.10.2011, Бюл. № 12.
8. Генералов, М.Б. Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ: Учеб. пособие для вузов. - М.: ИКЦ Академкнига, 2004. - 397 с.
9. Артемьева, Т.В. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод / Т.В. Артемьева, Т.М. Лысенко, А.Н. Румянцева, С.П. Стесин. Под ред. С.П. Стесина. - 4-е изд., стер. - М.: Изд. центр «Академия», 2008. -336 с.
10. Морданов, С.В. Применение статических смесителей в системах водоочистки ТЭЦ / С.В.Морданов, В.А.Никулин,
С.С.Пецура, С.Н.Сыромятников // Реконструкция энергетики-2011: Сб. докладов III Всероссийской конференции. - М.: ООО «ИНТЕХЭКО. - 2011. - 188 с.
