Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1, Загрязнения в дизельных топливах 8
1.2, Обводненность дизельных топлив
1.3, Влияние обводненности дизельных топлив на работу двигателей
1.3.1. Влияние обводненности на физико-химические и эксплуатационные свойства дизельных топлив
1.3.2, Влияние общей загрязненности топлив на долго вечность и надежность двигателей,.... 12
1.4, Методы обезвоживания дизельного топлива 13
1.5, Система очистки дизельного топлива в сельскохозяйственном.! производстве.. 16
1.6, Выводы 17
1.7, Цель и задачи исследования 18
2. Исследование обводненности дизельных топлив в неште-хозяйствах колхозов й совхозов томской области 19
2.1. Общая характеристика климатических условий, режима работы сельскохозяйственных машин и организа ция нефтескладского хозяйства 19
2.1.1. Климатические условия Томской области ...,. 19
2.1.2. Условия работы сельскохозяйственной техники... 24
2.1.3. Характеристика нефтескладов.. 26
2.2. Объекты исследования и методика оценки обводнен
ности дизельных топлив 30
2.2.1, Объекты исследования , 30
2.2.2, Отбор проб и методика проведения анализа ..,. 32
2.2.3, Статистическая оценка необходимого количества анализов и математическая обработка результатов.. 35
2,2,4. Методика оценки количественного содержания под товарной воды в резервуарах нефтескладов 36
2.3. Результаты исследования обводненности 36
2.4. Выводы. 44
3. Исследование влияния обводнения дизельных топлив на работоспособность топливных насосов высокого давления и фильтров тонкой очистки 45
3.1. Объекты исследования 45
3.2. Экспериментальные установки и методика исследования 46
3.2.1. Экспериментальная установка и методика исследования работоспособности топливных насосов высокого давления. 46
3.2.2. Экспериментальная установка и методика исследования эффективности и работоспособности фильтров
тонкой очистки 51
3.3. Влияние искусственного обводнения и загрязнения топлива на работоспособность плунжерных пар топливных насосов 55
3.4. Влияние искусственного обводнения и загрязнения топлива на работоспособность фильтров... 61
3.5. Выводы. 66
4. Исследование процесса отделения свободной воды от топлива в статических сепараторах 68
4.1, Выбор метода обезвоживания и обоснование общей схемы статического сепаратора 68
4.2. Теоретическое исследование эффективности осаждения микрокапель воды в тарельчатых отстойниках... 72
4.2.1. Гравитационное осаждение капель воды 75
4.2.2. Задержка капель воды на поверхности тарелок... 76
4.2.3. Коагуляция капель и их выход в отстой 80
4.2.4, Общий анализ эффективности отделения дисперсной воды 82
4.3. Предпосылки к усовершенствованию конструкции водоотделяющих элементов статических сепараторов... 94
4.4. Экспериментальное исследование процесса отделения воды от топлива в тарельчатом отстойнике 100
4.5. Выводы НО
5. Разработка статического сепаратора для ншехозяйств колхозов и совхозов
5.1. Выбор основных параметров водоотделяющего наборного элемента .115
5.2. Конструкция статического сепаратора 120
5.3. Лабораторные испытания опытного образца статического сепаратора 121
5.4. Эксплуатационные испытания опытного образца статического сепаратора. 123
5.5. Расчетная оценка экономической эффективности внедрения статического сепаратора. 128
5.6. Выводы... 130
Выводы и рекомендации 133
Литература
- Загрязнения в дизельных топливах
- Общая характеристика климатических условий, режима работы сельскохозяйственных машин и организа ция нефтескладского хозяйства
- Экспериментальные установки и методика исследования
- Выбор метода обезвоживания и обоснование общей схемы статического сепаратора
Введение к работе
"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" в II пятилетке планируется поставить сельскому хозяйству 1870 тыс. тракторов, 1450 тысяч автомобилей, 600 тысяч зерноуборочных комбайнов и другую сельскохозяйственную технику,
"Продовольственной программой СССР на период до 1990 года" также предусматривается дальнейшее, еще более значительное оснащение сельского хозяйства техникой. Вместе с: тем поставлена задача значительного улучшения использования этой техники.
В связи этим вопросы сохранения качества и экономии дизельного топлива в условиях сельскохозяйственного производства, снижения их загрязненности при транспортировке, хранении и заправке техники и улучшения использования этой техники, приобретают особо важное значение.
Загрязнения в дизельных топливах /твердые, жидкие, газообразные и микробиологические/, попадающие в топливную систему двигателя, преждевременно забивают фильтры, вызывают повышенный износ пре-еГ°зионных пар топливной аппаратуры, а попав в камеру сгорания и затем в систему смазки, увеличивают износ трущихся деталей, В зимнее время вода в топливе является причиной обмерзания фильтров, перемерзання трубопроводов, что приводит к простоям в работе техники. В летнее время вода в топливе приводит к интенсивному образованию загрязнений, преждевременной забивке фильтров и повышению износа двигателя. При большой обводненности топлив может произойти аварийный выход из строя деталей топливоподающей системы и остановка двигателя [3, 4, 9, 10, 12, 20J.
Для очистки дизельных топлив, заправляемых в сельскохозяйственную технику, применяется система очистки, включающая отстаивание топлив и их многократную очистку через фильтры ЗЩТ/ЗОТ и ФДТ/ЗОТМ. Однако существующая система не обеспечивает достаточной защиты дизельных топлив от воды, что приводит к ухудшению использования техники в сельскохозяйственном производстве, особенно в Сибири.
В условиях Сибири была исследована обводненности дизельных топлив в нефтебазах сельскохозяйственного производства, разработана система очистки, включающая применение статических сепараторов для отделения дисперсной и подтоварной воды, разработаны и изготовлены статические сепараторы, которые внедрены в сельскохозяйственное производство.
Целесообразность применения статических сепараторов для обезвоживания дизельного топлива на этапе заправки сельскохозяйственных машин обоснована путем статистической обработки данных по обводненности топлива и экспериментальных данных испытаний плунжерных пар топливных насосов на гидравлическую плотность при их работе на обводнённом и загрязненном топливе.
Научная новизна работы заключается в том, что теоретически получены и подтверждены экспериментально расчетные зависимости эффективности отделения дисперсной воды в тарельчатых водоотделяющих элементах, применимые для выбора оптимальных конструктивных параметров сепараторов, а также для разработки путей их дальнейшего совершенствования.
На защиту выносятся:
- результаты исследования обводненности дизельного топлива;
- результаты экспериментального исследования влияния обводненности дизельного топлива на работоспособность плунжерных пар топливных насосов высокого давления;
- разработка теоретических положений по очистке дизельного топлива от эмульсионной воды в статических сепараторах с тарельчатыми отстойниками;
- результаты экспериментального исследования эффективности очистки дизельного топлива от эмульсионной воды в статических сепараторах.
Работа проводилась на кафедре транспорта в сельскохозяйственном производстве Московского ордена Трудового Красного знамени институте инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина и на кафедре автомобильного транспорта Томского инженерно-строительного института по плану комплексной темы: "Исследование и оптимизация средств и систем очистки нефтяных топлив и масел", утвержденной в качестве важнейшей по программе MB ССО Р(ЖР "Нефть и газ Сибири".
Загрязнения в дизельных топливах
Загрязнения в дизельных топливах могут быть твердыми, жидкими, газообразными, а также микробиологического происхождения [3-31 ].
Твердые загрязнения представляют собой отдельные взвеси или суспензии с размерами частиц, характерными для коллоидных и мелкодисперсных систем. Они состоят из зольных элементов и органической части, включающей глубокоокисленные сернистые, азотистые и кислородные органические соединения, а также содержат структурную влагу.
Жидкие загрязнения представляют собой воду и смолистые вещества, находящиеся в растворенном или свободном состоянии. Свободная вода в дизельном топливе может находиться в виде эмульсии с размером капель от долей до единиц микрона или в виде второй фазы /подтоварной воды/.
Газообразные загрязнения представляют собой воздух и газы, находящиеся в топливе в растворенном состоянии или в виде эмульсии с размерами пузырьков до нескольких микрометров.
Микробиологические загрязнения представляют собой разнообразные формы бактерий, плесеневых грибков и продуктов их жизнедеятельности. Они располагаются в виде колоний на границе раздела топливо-вода и в близлежащих слоях топлива. Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности имеют размеры от долей до единиц микрометра.
Твердые загрязнения, содержащие зольные элементы, образуются в результате коррозии металлов, абразивного износа трущихся пар, вымывания компонентов из прокладочно-уплотнительных материалов, контакта с атмосферной пылью. Твердые загрязнения органического происхождения, серо-, азото- и кислородосодержащие соединения образуются в результате окисления и уплотнения этих соединений в топливе в процессе его хранения, транспортирования и заправки. Смолистые продукты образуются в топливе в процессе его производства, а также в процессе окисления при достаточно длительном хранении топлива.
Свободная вода в дизельном топливе образуется из растворенной [до]. На количество растворенной воды в топливе непосредственное влияние оказывает температура топлива и воздуха, контактирующего с. топливом, его химический состав и плотность. При охлаждении топлива часть растворенной воды переходит в свободную. Этот процесс начинается с образования коллоидной системы, при разрушении которой возникает мелкодисперсная эмульсия - свободная вода в топливе. Дальнейшая ассоциация мельчайших частиц воды приводит к образованию отстаивающихся крупных капель различного размера.
Вода, отстоявшаяся под слоем топлива, является постоянным источником, вызывающим дополнительное его насыщение. Эту воду необходимо систематически удалять. Если температура окружающего воздуха значительно выше температуры топлива, то оно как бы высыхает: часть растворенной эмульсионной воды испаряется в атмосферу. Если имеется водный отстой, то он пополняет испарившуюся из верхних слоев воду. При температуре воздуха ниже 0С и быстром охлаждении топлива вода выпадает из раствора и кристаллизуется в виде вытянутых игл, имеющих малую плотность и большую поверхность, поэтому кристаллы льда могут долго удерживаться во взвешенном состоянии в слое топлива. Вода также находится и в порах твердых частиц загрязнений в виде пленочной, капиллярной /связанной и несвязанной/ фазах. Вследствие высокой поверхностной активности эмульсионная вода, так же как и смолы, обладает способностью со -бирать мелкодисперсную фазу в топливах в крупные агрегаты. На границе раздела фаз вода-топливо часто присутствует промежуточный грязевой слой.
В процессе хранения, транспортирования, заправки и применения дизельных топлив крупные по размерам частицы загрязнений отстаиваются, а основная масса загрязнений с размерами частиц менее 20-30 мкм остается в топливе во взвешенном состоянии и перекачивается из резервуаров в цистерны заправщиков, в баки машин и в топливную аппаратуру двигателей [3, 7б].
Общая характеристика климатических условий, режима работы сельскохозяйственных машин и организа ция нефтескладского хозяйства
Климат Томской области - типично континентальный. Территория, где расположены пункты исследования, находится в юго-восточной "части Западно-Сибирской низменности /по среднему течению р.Оби/. Это полого-волнистая равнина с незначительным уклоном на север. Район расположен в умеренном тепловом поясе.
Приток солнечной радиации значителен - в среднем до 98 Ккал/см в год.
Из-за большой удаленности территории от морей и океанов на формирование климата значительно влияют физические свойства суши, которая летом сильно и быстро нагревается, а зимой так же быстро теряет тепло. На территорию Западной Сибири, отгороженную с:- запада Уральскими горами, а с востока - Восточно-Сибирским плоскогорьем, совершенно открытую с севера и мало защищенную с юга, v вторгаются как арктические холодные воздушные массы, так и теплые -из степей и пустынь Казахстана. Это приводит к неустойчивости и большой изменчивости метеорологических условий области.
Температурный режим от года к году испытывает большие колебания. Годовая амплитуда по экстремальным температурам достигает 91...95С. Средние температуры по месяцам и за год, а также минимальные и максимальные данные о температуре воздуха приведены в /табл. 2.1./
В среднем самым холодным месяцем является январь, а устойчивость температуры в холодный период невелика; особенно сильно колеблются минимальные температуры /табл. 2.2,/Минимум может перемещаться в течение года и на декабрь, и на февраль. Летние температуры более устойчивы и по территории распределяются равномерно. Самым теплым месяцем является июль /средняя месячная температура +18,1С/.
Средняя дата наступления мороза - 14 сентября /Томск/, 2 сентября /Колпашево/, средняя дата последних морозов - 25 мая /Томск/ - 5 июня /Колпашево/. Средняя абсолютная и относительная влажности наружного воздуха по месяцам приведены в/?абл. 2.3./
Осадки по сезонам распределяются неравномерно. За 3 летних месяца осадков выпадает больше от годовой суммы, чем за 5 зимних месяцев. Количество осадков за год /в том числе жидких/ и суточный максимум осадков иллюстрируются/табл. 2.4./Выпадение осадков в Западной Сибири связано с циклонической деятельностью, возможной в любое время года. По степени увлажнения район исследований относится к зоне достаточного увлажнения. Наибольшее количество осадков приходится на теплую часть года. Минимум осадков приходится на февраль /табл. 2.5/.
В летнее время ливневые осадки часто сопровождаются грозами. В июле отмечается наибольшее количество гроз /до 10/. Суммарное испарение с поверхности суши составляет в среднем 300 мм.
На рассматриваемой территории, удаленной от Атлантического океана и защищенной от непосредственного влияния влажных западных ветров, создаются благоприятные условия для инееобразования в виде изморози. Изморозь - явление частое. Годовое число дней с изморозью колеблется в пределах 17...22. Наиболее изморозные - декабрь, январь.
Таким образом, климатические условия Томской области как района непосредственного исследования являются благоприятными для осадкообразования, инееобразования и других явлений, способных вызывать интенсивное естественное обводнение дизельного топлива за счет атмосферных явлений.
Условия работы машин в сельскохозяйственном производстве совхозов, где проводились исследования, существенно отличаются от условий работы машин, используемых в промышленности, и характеризу ются следующими особенностями: - машины перемещаются по полю на больших площадях и подводятся к обрабатываемой среде /почве, растениям/, что в значительной мере определяет технологию и организацию работ; - машины выполняют тот или иной вид работ не в любой период времени, а в строго определенные агротехнические сроки; - машины работают в сложных условиях: на равнинных площадях, на участках небольших размеров с увлажненной почвой и т.д.
Большое значение в сельскохозяйственном производстве имеют транспортные перевозки, которые также существенно отличаются от аналогичных процессов в других отраслях народного хозяйства. Особенно большие трудности в организации и выполнении транспортных перевозок возникают из-за сезонности и неравномерности использования транспортных машин в течение года. Наиболее напряженными являются периоды весенних и особенно осенних уборочных работ. Большое разнообразие грузов по габаритам, транспортабельности, различие между объемным весом создают определенные трудности в организации транспортных операций сельскохозяйственного производства.
Следует отметить затруднённые условия эксплуатации транспортных машин, связанные с дорожными условиями. Так, например, при движении транспортного средства по проселочной дороге его скорость колеблется от 15 до 20 км/час, на дорогах с. твердым покрытием она увеличивается до 50 км/час. Наряду с этим те же транспортные средства работают в условиях бездорожья, преимущественно по стерне убранных растений, где их скорость снижается до 5..,10 км/час
Экспериментальные установки и методика исследования
Отмеченная в обзоре и установленная настоящим исследованием высокая обводненность дизельных топлив, применяемых в Томской области для сельскохозяйственных машин, оказывает существенное влияние на работоспособность топливной аппаратуры дизельных двигателей. По наблюдениям и результатам экспертных оценок, полученных в совхозах Томской области, большинство отказов в системах топливоподачи двигателей тракторов, эксплуатируемых на различных работах, связано с наличием большого количества воды в применяемых топливах.
В эксплуатационных условиях трудно осуществить раздельную оценку влияния микрозагрязнений неорганического характера и воды на работоспособность топливной аппаратуры. Учитывая наличие достаточно большого количества исследований, посвященных изучению абразивного износа трущихся поверхностей деталей топливоподающих систем:двигателей, целесообразно провести оценку влияния воды и механических примесей на работоспособность основных деталей топливоподачи двигателей как комплексно, так и раздельно [21, 56, 62--73].
Настоящий раздел посвящен изложению методики и результатов экспериментального исследования влияния искусственного обводнения и загрязнения дизельного топлива на работоспособность основных узлов систем топливоподачи дизельных двигателей в лабораторных условиях. В качестве объектов исследования выбраны топливные насосы высокого давления и фильтры тонкой очистки из фильтровальных материалов на целлюлозной основе, широко применяемые в настоящее время.
В качестве объекта исследования был выбран насос высокого давления по ГОСТ 51002-71, применяемый на энергонасыщенном тракторе K-70I, как наиболее широко используемом в сельском хозяйстве. Учитывая все более широкое распространение на дизельные двигатели бумажных фильтрующих элементов со шторой типа "многолучевая звезда", исследование эффективности и работоспособности фильтров тонкой очистки топлива при работе на обводненном и загрязненном топливе проводилось на фильтрующих элементах типа "Реготмас" 530-1-07 [74].
Испытания 12-секционного топливного насоса высокого давления /ТНВД/ проводились на специально изготовленном стенде, схема и внешний вид которого показаны на рис. 3.1 и рис, 3.2. Насос жестко укреплен на раме стенда и приводится в действие от электродвигателя с постоянным числом оборотов, равным 740, что примерно соответствует эксплуатационному режиму работы ТНВД. Подача топлива Л ГОСТ 305-82 осуществлялась подкачивающими насосами на четыре группы плунжерных пар /по три пары в каждой группе/ соответственно из четырех смесительных емкостей вместимостью 0,02 м3 каждая, топливо искусственно обводнялось и загрязнялось кварцевой пылью с удельной поверхностью 5600 см уг.
Прокачанное насосом высокого давления топливо через форсунки сливалось обратно в смесительные баки, откуда снова подавалось на ТНВД.
Главной особенностью установки является возможность одновременного проведения испытаний при четырех различных сочетаниях концентраций механических примесей /кварцевой пыли/ и воды.
Методика приготовления водо-топливной-эмульсии следующая: дистиллированная вода, очищенная от механических примесей, вводилась в отдельную емкость с; чистым топливом в количестве 1:10,тщательно перемешивалась путем интенсивного взбалтывания, после этого полученная водо-тошшвная эмульсия вводилась в канай забора топлива перед насосом во время перекачивания топлива из резервной емкости в расходную в течение всего цикла перекачки. Таким образом, обводненное топливо постепенно поступало во вторую емкость и интенсивно перемешивалось в ней механическими мешалками, что позволяло поддерживать равномерную концентрацию воды по всему объему топлива. Искусственное загрязнение топлива достигалось введением в расходные емкости соответствующей навески загрязнителя, тщательно размешанной в 2 \3 топлива»
Перемешивание воды и искусственного загрязнителя сУтопливом в расходных емкостях осуществлялось в течение всего периода испытаний механическими мешалками, установленными в двух плоскостях.
Содержание /концентрация/ воды в топливе контролировалось гидрид-кальциевым методом /ГОСТ 8287-57/. Содержание механических примесей определялось методом "А" по ГОСТ 10577-78 посредством фильтрации загрязненного топлива через нитроцеллюлозный мембранный фильтр № 4 с: предварительным и последующим взвешиванием на аналитических весах. Содержание воды и кварцевой пыли оценивалось относительной величиной в процентах по массе.
Главная цель испытаний ТНВД на искусственно обводненном и загрязненном топливе заключалась в сравнительной оценке гидравлической плотности плунжерных пар при работе на чистом и загрязненном топливе с содержанием воды и механических примесей как раздельно, так и в различных сочетаниях и концентрациях.
Выбор метода обезвоживания и обоснование общей схемы статического сепаратора
Ранее отмечено, что вода в дизельном топливе является вредным компонентом загрязнений, в связи с этим удалять ее нужно на всех этапах подачи топлива, от резервуаров нефтескладов до баков сельскохозяйственных машин. Для этой цели возможно применение различных физических методов, к которым относятся обезвоживание фильтрацией через пористые перегородки и обезвоживание в различных силовых полях /центробежном, электрическом и гравитационном/. Рассмотрим эти методы более подробно \3, 8, 12].
Фильтрация. Обезвоживание этим методом заключается в отделении микрокапель воды при прохождении обводненного топлива через порисг-тую перегородку, на которой они задерживаются, а затем удаляются в отстойник. В соответствии с современными представлениями, механизм обезвоживания топлив этим методом с применением двух последовательно установленных перегородок-коагулирующей и водоотталкивающей - включает в себя следующие этапы: приближение микрокапель к волокнам коагулирующей перегородки и их соприкосновение с ними; вытеснение ммикрокаплей воды топливной пленки с. поверхности волокна; адгезию микрокапли к волокну; коалесценцию микрокапель; отрыв скоагулировавшейся капли и отведение ее в отстойник; отделение /сепарацию/ нескоагулировавшихся микрокапель на поверхности водоотталкивающей перегородки [12].
Таким образом, процесс отделения воды от топлива методом фильтрации является достаточно сложным. Соответственно конструктивно сложны фильтры-сепараторы. Серьезным недостатком этих уст ройств является необходимость периодической замены загрязненных фильтрующих элементов. Кроме того, при высокой обводненности топлив наблюдается эффект блокирования пор фильтрующих перегородок водой, вызывающий резкое повышение гидравлического сопротивления фильтра. Поэтому, несмотря на целый ряд достоинств метода фильтрации, его применение для предварительного обезвоживания топлив с повышенным содержанием крупнодисперсной воды нецелесообразно.
Центрифугирование. Обезвоживание этим методом заключается в воздействии на микрокапли воды центробежной силы, векторно направленной по радиусу от оси вращения ротора, в котором происходит центрифугирование [12, 76, 77]. Эффективность обезвоживания этим методом существенно зависит от частоты вращения ротора. Соответственно необходимо применение высокооборотных центрифуг, что в свою очередь приводит к увеличению их энергоемкости, необходимости постоянного обслуживания. Кроме того, эти устройбтва недостаточно надежны и сложны по конструкции.
Электрообезвоживание. Сущность этого метода заключается в коалесцирующем действии электрического поля на микрокапли воды а последующем удалением их в отстой [12, 76, 77]. Под воздействием электрического поля процесс осаждения микрокапель воды размером 100 мкм, например, в авиационном топливе ТС-І, может быть интенсифицирован в 10...12 раз [12].
Преимуществами электрообезвоживания топлив является непрерывность процесса, отсутствие подвижных частей, постоянство гидравлического сопротивления и пропускной способности. Однако применение электрического поля требует довольно сложной аппаратуры, затрат дополнительной мощности и особых мер предосторожности. Поэтому в настоящее время широкого распространения этот метод не получил.
Обезвоживание топлив в гравитационном поле. Гравитационное обезвоживание является наиболее простым методом удаления воды из топлива. При этом удаление свободной воды в виде микрокапель осуществляется под действием гравитационной силы. Этим способом целесообразно удалять воду из топлива при ее большой концентрации и наличии микрокапель воды разных размеров.
Учитывая показанную ранее возможность захвата отстойной воды из расходных емкостей нефтехозяйств и условия работы заправочных агрегатов, целесообразно использование устройств для водоотделения, работающих на принципе удаления воды из непрерывного потока топлива путем гравитационного осаждения ее глобул /капель/.
Анализ возможных вариантов отстойников непрерывного действия показывает, что наибольшая эффективность водоотделения при лучшей компактности может быть достигнута в отстойниках с водоотделитель-ным элементом, выполненным наборным из конических тарелок [3, 12, 76, 77].
Статический сепаратор с набором конических тарелок включает: корпус I, впускной патрубок 2, выпускную трубу 3, наборный водоот-делительный элемент 4, отражательное кольцо 5, зону отделенной воды б, кран слива отстоя 7. Схема статического сепаратора показана на рис. 4.1.
Сепаратор работает следующим образом: обводненное топливо посту пает через патрубок 2 в корпус I, ударяясь в отражающее кольцо 5, поток растекается по всей камере и его течение становится медленным. Под действием разряжения, создаваемого внешним насосом, топливо поступает в межтарельчатое пространство фильтрующего элемента 4. Капли дисперсной воды, находящиеся в слое топлива между тарелками, стремятся опуститься вниз под действием силы, возникшей в результате разницы плотностей воды и топлива. Опустившись вниз, капли воды оседают на тарелки, задерживаются на их наклонной поверхности, а соединяясь с другими осевшими каплями, укрупняются и затем скатываются в отстой.
