Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 7
1.1. Загрязнения в дизельных тошгавах 7
1.2. Влияние загрязненности и обводненности дизельных тошгав на работу двигателя 10
1.3. Методы очистки и обезвоживания дизельного топлива 15
1.4. Система обеспечения чистоты дизельного топлива в сельскохозяйственном производстве 21
1.5. Выводы по главе и постановка задач исследования 23
2. Теоретические исследования процесса обезвоживания дизельного топлива 25
2.1. Исследование процесса обезвоживания дизельного топлива при транспортировании и хранении 25
2.2. Предпосылки создания устройств для обезвоживания дизельного топлива с регенерируемой водоотталкивающей перегородкой 35
2.3. Механизм разделения водотопливной эмульсии водоотталкивающей перегородкой. * 37
2.4. Механизм удаления воды с водоотталкивающих перегородок методом противотока 44
2.5. Выводы по главе 47
3. Исследование обводненности дизельных топ лив в нефтехозяйствах сельскохозяйственных предприятий московской области 49
3.1. Характеристика климатических условий, режима работы машин и организации нефтескладского хозяйства 49
3.2. Методика исследования обводненности дизельных топлив в сельскохозяйственных предприятиях 59
3.3. Результаты исследования обводненности дизельного топлива в нефтехозяйствах сельскохозяйственных предприятий 72
3.4. Выводы по главе 79
4. Экспериментальные исследования процессов обезвоживания дизельного топлива с помощью водоотделяющих перегородок 80
4.1. Методика исследования эксплуатационных свойств фильтрующих водоотделяющих перегородок 80
4.2. Исследования эксплуатационных свойств водоотделяющих перегородок 93
4.3. Выводы по главе 102
5. Разработка конструкции самоочищающегося фильтра-водоотделителя и оценка экономического эффекта от его внедрения 103
5.1. Разработка конструкции фильтрующих водоотделяющих элементов для очистки дизельного топлива 103
5.2. Расчет параметров фильтрующего водоотделяющего пакета 109
5.3. Разработка конструкции самоочищающегося фильтра водоотделителя для очистки дизельного топлива 115
5.4. Рекомендации по применению самоочищающегося фильтра-водоотделителя 122
5.5. Определение экономической эффективности внедрения самоочищающегося фильтра водоотделителя 125
5.6. Пути усовершенствования самоочищающегося фильтра-водоотделителя 131
5.7. Выводы по главе 136
Общие выводы 137
Литература 139
Приложение 146
- Влияние загрязненности и обводненности дизельных тошгав на работу двигателя
- Предпосылки создания устройств для обезвоживания дизельного топлива с регенерируемой водоотталкивающей перегородкой
- Методика исследования обводненности дизельных топлив в сельскохозяйственных предприятиях
- Исследования эксплуатационных свойств водоотделяющих перегородок
Введение к работе
В связи с высокой насыщенностью агропромышленного комплекса
автотракторной, зерноуборочной и другой самоходной
сельскохозяйственной техникой, оснащенной дизельными силовыми установками, вопросы сохранения качества и экономии дизельного топлива в условиях сельскохозяйственного производства приобретают особенно важное значение. Одним из основных направлений сохранения качества дизельного топлива является разработка мероприятий по снижению его загрязненности и обводненности при транспортировке, хранении и заправке техники, а также в процессе использования этой техники.
Загрязнения в дизельных топливах (твердые, жидкие, газообразные и микробиологические), попадая в топливную систему двигателя, преждевременно забивают фильтры, вызывают повышенный износ прецизионных пар топливной аппаратуры, сопряженных деталей цилиндропоршневой группы и т.п. Отрицательное влияние на работу двигателя оказывает попавшая в топливо вода. В зимнее время при отрицательных температурах вода в топливе образует кристаллы льда, которые являются причиной забивания фильтров и образования ледяных пробок в трубопроводах, что приводит к нарушению подачи топлива в цилиндры двигателя и к простоям в работе техники. В летнее время вода в топливе приводит к интенсивному образованию загрязнений, преждевременному забиванию фильтров и повышению износа сопряженных деталей двигателя. При большой обводненности топлива наблюдается ухудшение процесса его сгорания, может произойти аварийный выход из строя деталей топливоподающей системы и остановка двигателя [18,19,24,35,27,35].
Для очистки дизельных топлив, заправляемых в топливные баки сельскохозяйственной техники, применяется система очистки, включающая
отстаивание топлив в резервуарах нефтесклада и их фильтрование через складские фильтры ФДГ-ЗОТ и ФДТ-ЗОТМ. Однако существующая система не обеспечивает достаточной защиты дизельных топлив от воды, что приводит к затруднениям при использовании техники в сельскохозяйственном производстве, особенно в районах с низкими температурами.
Учитывая условия работы топливозаправочных пунктов в сфере сельскохозяйственного производства, целесообразно использовать для очистки и обезвоживания топлив при заправке сельскохозяйственной техники самоочищающиеся фильтры и фильтры - сепараторы, т. к. перерывы в процессе заправки для замены или регенерации фильтроэлементов могут привести к перебоям в работе техники и срыву сельскохозяйственных работ, а резервирование средств очистки связано с существенным удорожанием системы заправки. Для создания таких средств очистки необходимо исследовать фактическую загрязненность и обводненность дизельного топлива, проанализировать существующие конструкции самоочищающихся устройств, теоретически обосновать и разработать конструкцию самоочищающегося фильтра-водоотделителя, провести испытания этого устройства, оценить его экономическую эффективность.
На защиту выносятся:
результаты теоретического и экспериментального исследования обводненности дизельного топлива, применяемого при эксплуатации сельскохозяйственной техники;
теоретическое обоснование очистки дизельного топлива от эмульсионной воды с помощью гидрофобных пористых перегородок в самоочищающемся фильтре-водоотделителе, предназначенном для удаления как механических загрязнений, так и свободной воды;
результаты экспериментального исследования эффективности очистки дизельного топлива от эмульсионной воды с помощью гидрофобных
пористых перегородках;
технико-экономическое обоснование целесообразности
применения самоочищающегося фильтра-водоотделителя для очистки дизельных топлив.
Работа выполнялась на кафедре химии и химмотологии Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина.
Влияние загрязненности и обводненности дизельных тошгав на работу двигателя
Топливная аппаратура дизелей имеет прецизионные пары с очень высокой чистотой поверхностей и малыми зазорами (например, зазор между плунжером и гильзой нового топливного насоса высокого давления составляет 1,5...5мкм), поэтому загрязнение дизельного топлива резко ухудшает работоспособность топливной аппаратуры. Загрязнения, попадая под иглу форсунки, нарушают плотность ее посадки в седле распылителя, что вызывает подтекание топлива, а, попадая в зазор между распылителем и иглой, могут вызвать ее зависание. Свыше 4о% отказов дизельных двигателей связанно с неисправностями системы питания, половина которых вызывается загрязненностью топлива [1].
Абразивные частицы загрязнений значительно ускоряют износ прецизионных пар и сопловых отверстий форсунок, что приводит к неравномерной подаче топлива, ухудшению процесса его сгорания и увеличению расхода, нарушению режима работы дизеля на холостых оборотах и при малых нагрузках, затруднению пуска двигателя и снижению его мощности. Это вызывает перегрев двигателя и увеличение дымления из-за неполного сгорания топлива, абразивный износ деталей цилиндропоршневой группы (поршневых колец и гильз цилиндров), приводит к уменьшению давления сжатия в камере сгорания, прорыву горячих газов в картер двигателя, снижает мощность двигателя, увеличивает расход топлива.
Вода, находящаяся в дизельном топливе, оказывает отрицательное влияние на работу двигателя, ухудшает физико-химические и эксплуатационные свойства топлива и вызывает повышенный износ деталей топливной аппаратуры, забивку и обмерзание фильтров и трубопроводов [25,27,35]. Присутствие в дизельном топливе эмульсионной воды даже в небольших количествах ведет к неравномерному его распылению, изменяет поверхностное натяжение капель топлива при впрыске, что вызывает значительное увеличение размеров этих капель. При наличии в топливах воды усиливаются процессы коррозии, повышается склонность топлива к окислению, что способствует образованию в нем органических загрязнений и их агрегатированию с твердыми частицами неорганических загрязнений
Влияние воды на качество дизельных топлив проявляется в том случае, если она находится в эмульсионном состоянии. Переход воды из растворенной в эмульсионную зависит от температуры топлива и термодинамических параметров воздуха.
При понижении температуры топлива до отрицательных величин образуются микрокапли воды, которые затем замерзают, образуя кристаллы льда, осаждающиеся на фильтрующей перегородке. Скорость забивки фильтров кристаллами льда в работе [2] предлагается определять с помощью выражения: lg&P = lgAP0 + tigB (1.1) где, АР и АР0 - перепад давлений на фильтре соответственно в данный и начальный моменты времени, МПа; / — продолжительность перекачки, с; В — коэффициент, зависящий от содержания воды в топливе и тонкости очистки фильтра.
В обводненном дизельном топливе повышается температура помутнения, начала кристаллизации и замерзания, что крайне нежелательно при эксплуатации техники в условиях низких температур. Исследованиями установлено также отрицательное влияние воды на смазывающие и противоизносные свойства топлив [27]. Вода способствует микробиологическому загрязнению топлив. Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности приводят к существенному увеличению кислотности, содержания смол, йодного числа, вязкости и к ухудшению термической стабильности топлив. Микробиологическое поражение топлив резко увеличивает их коррозионную активность по отношению к металлам [22]: микроорганизмы коагулируют твёрдые загрязнения, превращая их в опасные для топливной аппаратуры и трущихся деталей двигателя абразивные агрегатированные образования [23]. При понижении температуры увеличение содержания воды в топливе ухудшает его прокачиваемость и фильтруемость, а при отрицательных температурах приводит к обмерзанию или забивке
Предпосылки создания устройств для обезвоживания дизельного топлива с регенерируемой водоотталкивающей перегородкой
В настоящее время наиболее распространенной технологией разделения водотопливных эмульсий фильтрованием является многоступенчатый процесс, состоящий из осаждения микрокапель воды на коагулирующей перегородке, их коалесценции и выпадения в отстой, а также включающий ряд промежуточных этапов (соприкосновение микрокапель воды с волокном, вытеснение ими топливной пленки и т.д.) [7]. Разделение водотопливной эмульсии происходит на выходе из коагулирующей перегородки, однако, в соответствии с законом Стокса микрокапли воды размером менее критического уносятся потоком топлива, не выпадая из него в отстой. Критический размер микрокапель воды определяется из выражения Рт) Не рг - динамическая вязкость топлива, —г-; м v ос - скорость осаждения воды в топливе, —; с рв и рт - плотность соответственно воды и топлива, (2.21)
Для удаления микрокапель воды, не успевших скоагулироваться или образовавшихся в результате их повторного диспергирования при выходе из коагулирующей перегородки, с целью окончательного разделения водотопливной эмульсии в современных фильтрах-сепараторах используются водоотталкивающие перегородки, проницаемые для топлива и непроницаемые для воды.
Использование многослойных коагулирующих перегородок в конструкциях современных фильтров-водоотделителей значительно усложняет конструкцию этих средств очистки. Однако исключить указанные перегородки и применять автономно водоотталкивающие перегородки для удаления из топлива воды и механических загрязнений при существующей конструкции фильтров-водоотделителей не представляется возможным из-за блокирования поверхности перегородки микрокаплями воды и частицами загрязнений.
В то же время, как было показано в главе 1, использование водоотталкивающих сеток является перспективным методом удаления влаги из дизельного топлива. Поэтому в процессе эксплуатации фильтра-водоотделителя целесообразно осуществлять периодическую регенерацию водоотталкивающей перегородки для удаления из нее микрокапель воды и механических частиц, блокирующих поверхность перегородки. Из известных методов регенерации фильтрующих элементов [8] наиболее пригодна для рассматриваемых условий противоточная регенерация с использованием в качестве промывочной жидкости очищаемого продукта. Это в значительной степени облегчает и упрощает процесс промывки, так как не требует использования специальных жидкостей или газов для осуществления этого процесса. Регенерацию можно производить одновременно по всей поверхности водоотталкивающей перегородки или попеременно на отдельных ее участках. Второй способ предпочтительней, т.к. позволяет осуществлять регенерацию без прекращения процесса очистки дизельного топлива. Таким образом, для теоретического обоснования возможности использования водоотталкивающей перегородки при обезвоживании дизельного топлива следует рассмотреть механизм разделения водотопливной эмульсии на этой перегородке и механизм удаления блокирующих ее микрокапель воды и механических загрязнений в процессе регенерации.
Механизм разделения водотопливной эмульсии водоотталкивающей перегородкой
Выбор материалов для водоотталкивающей перегородки ограничивается требованием, согласно которому материалы должны обладать гидрофобными свойствами и в то же время хорошо смачиваться дизельным топливом. Водоотталкивающую перегородку целесообразно изготавливать из довольно тонкостенного гидрофобного материала, образующего с водой в присутствии топлива краевой угол, близкий к 180, при котором капля воды обладает минимальной поверхностной энергией.
Отделение воды от топлива на водоотталкивающей перегородке происходит за счет образования в порах этой перегородки под воздействием поверхностного натяжения на границе раздела фаз топливной пленки, которая легко пропускает топливо, так как в этом случае отсутствует поверхность раздела, и задерживает воду. При наличии в топливе микрокапель воды это пленка препятствует их попаданию в пору и задерживает воду на поверхности перегородки.
Продавливание воды через пору может произойти только при достижении давлением, создаваемым потоком топлива, критического значения, необходимого для разрушения топливной пленки.
Критическое давление, при котором начинается прохождение воды через пористую перегородку, можно найти, рассмотрев соотношение сил, действующих на поверхностную пленку
Методика исследования обводненности дизельных топлив в сельскохозяйственных предприятиях
Характер обводненности дизельного топлива, то есть количественное содержание и дисперсный состав свободной (эмульсионной) воды, определяется путем статистической обработки результатов анализа проб топлива, отобранных при транспортных, нефтескладских и заправочных операциях в соответствии с блок-схемой, представленной на рис. 3.2.
Необходимо учитывать, что на показатели обводненности топлива, полученные в результате анализа, влияет ряд внешних факторов, определяющих физическое состояние воды в этом топливе. Существующие представления о возможных состояниях воды, рассмотренные в первом разделе, вызывают необходимость соблюдения мер предосторожности и обеспечения оперативности при обработке проб обводненных топлив, представляющих собой нестабильные эмульсии.
В соответствии с задачами настоящего исследования объектами комплексного изучения содержания воды в дизельных топливах явились средства их хранения (резервуары), выдачи (раздаточные краны) и объекты потребления (бак заправляемой техники).согласно схеме отбора проб, приведенной нарис. 3.3.
Исследованию обводненности подвергались пробы дизельного топлива в нефтехозяйствах агропредприятий Московской области, взятые из резервуаров при его хранении, из раздаточных кранов топливораздаточных колонок и автотопливозаправщиков при заправке, из баков тракторов после заправки.
Ввиду того, что основной объем сельскохозяйственных работ приходится на весенний, летний и осенний периоды года, обследование обводненности в зимний период не проводилось, т.е. обводненность изучалась только при положительных температурах, но в достаточно широком диапазоне колебаний температуры, влажности и давления атмосферного воздуха.
В соответствии с существующими правилами контроля качества нефтепродуктов, в зависимости от назначения анализа пробы топлива могут быть индивидуальными, отбор которых производится с определенного уровня емкости или места выдачи, и средними, которые отбираются пробоотборниками с разных уровней емкости или составляются из нескольких индивидуальных проб [40].
Для получения статистических данных на подконтрольных объектах при проведении настоящего исследования отбирались индивидуальные пробы топлива, каждая из которых обрабатывалась отдельно, а общая оценка обводненности осуществлялась методами математической статистики.
На нефтескладах сельскохозяйственных предприятий пробы отбирались из верхних слоев топлива в резервуаре на глубине 50 мм от поверхности топлива, с уровня забора топлива и из отстойной зоны резервуаров (донная проба), после непосредственного слива топлива из автоцистерн и после его суточного отстоя. Пробы из кранов топливораздаточных колонок и топливозаправщиков также отбирались до и после залива топлива в резервуары топливозаправочного пункта или в цистерну автотопливозаправщика.
Отбор проб из резервуаров производился с помощью пробоотборника поршневого типа, закрепленного на кронштейне, позволяющем опускать пробоотборник на различную глубину.
Объем проб в зависимости от целей анализа колебался от 500 до 2000мл. Пробы топлива из пробоотборника передавливались закрытым способом в чистую сухую стеклянную герметизированную посуду (рис.3.4).
Существуют многочисленные методы количественного определения содержания воды в топливе, которые подразделяются на химические, электрохимические, физико-химические, физические, оптические, ядерно-физические. В лабораторной практике широкое распространение получили химические методы, которые основаны на изменении какого-либо параметра при протекании химической реакции с участием содержащейся в топливе воды (объем выделившегося газа, количество израсходованного реактива, количество выделившегося тепла и т.п.). Достаточно доступны и обладают необходимой точностью газиметрические методы.
Наиболее распространенным из этих методов является гидрид-кальциевый метод по ГОСТ 8287. В данной работе определение содержания воды проводилось гидрид-кальциевым методом.
Сущность гидрид-кальциевого метода заключается в определении объема водорода, выделяющегося при реакции взаимодействия гидрида кальция с водой, содержащейся в топливе.
Исследования эксплуатационных свойств водоотделяющих перегородок
Разработанный при проведении настоящих исследований самоочищающийся фильтр-водоотделитель смонтирован в корпусе, состоящем из трех частей. В нижней части корпуса, образующей выходную камеру, имеется патрубок для входа очищаемого дизельного топлива. Выходная камера оснащена фильтром предварительной очистки из сетки 008. В средней части корпуса, образующей камеру для сбора очищенного топлива с выходным патрубком, размещен фильтрующий водоотделяющий элемент со смонтированным в его центральной части распределителем.
В верхней части корпуса, в которой размещен гидромотор, соединенный с распределителем, имеется патрубок для выхода промывочного топлива. Гидромотор соединен питающим трубопроводом с камерой для сбора очищенного топлива, а отводящим трубопроводом — с патрубком для выхода промывочного топлива. На конструкцию фильтра-водоотделителя получен патент РФ[76]. Схема самоочищающегося фильтра-водоотделителя представлена на рис. 5.7.
При работе устройства очищаемое дизельное топливо через патрубок 1 поступает в камеру 2 и через фильтр предварительной очистки 3 подается в пространство между распределителем 4 и внутренней поверхностью кожуха 5. Далее топливо поступает к одиннадцати из двенадцати колонн фильтрующего водоотделяющего пакета 6, образованных секторами дисковых секций в которых оно очищается от механических загрязнений и воды, затем собирается в камере 7 и через патрубок 8 выходит наружу. Схема очистки топлива в фильтрующем водоотделяющем пакете представлена на рис 5.8.
Одновременно с очисткой топлива в одиннадцати колоннах фильтрующего водоотделяющего пакета, в двенадцатой колонне происходит промывка фильтрующих водоотделяющих элементов методом противотока при этом распределитель 4 устанавливается цилиндрическим выступом против промываемой колонны и прорез в этом выступе совмещается с прорезами фильтрующих водоотделяющих элементов соответствующего сектора. Промывка осуществляется за счет части отфильтрованного топлива, поступающего из камеры 7. Это топливо, подаваемое противотоком снаружи внутрь промываемой колонны, поступает затем через вертикальный канал распределителя 4 в верхнюю часть корпуса 14 и оттуда через патрубок 12 подается наружу и может быть направленно на повторную очистку. Схема промывки фильтрующего водоотделяющего пакета представлена нарис. 5.9.
Приведенные в разделе 3.3. данные о фактической обводненности дизельного топлива на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий показывают, что содержание свободной воды в дизельном топливе в процессе его хранения и заправки может достигать значительной величины, поэтому самоочищающийся фильтр-водоотделитель целесообразно устанавливать в линии выдачи топлива для заправки сельскохозяйственной техники перед топливораздаточными колонками и при его выдаче для налива в автотопливозаправщики перед наливными устройствами.
Наличие в резервуарах нефтесклада значительного количества подтоварной воды свидетельствует о необходимости использования фильтра-водоотделителя также при сливе топлива из автоцистерн в резервуары нефтесклада.
В настоящее время в соответствии с общепринятыми технологическими схемами нефтескладов сельскохозяйственных предприятий очистка дизельного топлива путем фильтрования производится при приеме топлива на склад и при его выдаче со склада для заправки техники фильтрами ФДГ-30, ФГН-30 и т.п., установленными соответственно в приемной линии резервуарного парка и в линии выдачи топлива из резервуаров на топливозаправочный пункт склада или в наливные устройства для заполнения автотопливозаправщиков (рис. 5.11 .а)
Как правило, операции по приему и выдаче топлива не совпадают по времени, поэтому при использовании самоочищающегося фильтра-водоотделителя, эксплуатация которого не связана с периодической заменой фильтроэлементов, целесообразно технологические коммуникации нефтесклада смонтировать таким образом, чтобы через один фильтр-водоотделитель осуществлялась очистка топлива как при его приеме на склад, так и при выдачи со склада, как это показано на рис. 5.11.6. Такое решение позволит существенно снизить затраты на технологическое оборудование, так как прогнозируемая стоимость самоочищающегося фильтра-водоотделителя значительно превышает стоимость фильтра типа ФВГ-30 или ФГН-30.
