Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и постановка задачи исследования 6
1.1. Анализ эксплуатационных загрязнений и их классификация 6
1.2. Обзор существующих технологий очистки узлов и дет&тей подвижного состава от загрязнений 21
1.3. Влияние загрязнений на работоспособность узлов и деталей тепловозов 49
1.4. Постановка задачи исследования 54
2. Теоретические исследования процесса взаимодействия струи воды высокого давления с загрязненной поверхностью 56
2.1. Основные аналитические зависимости взаимодействия свободной незатопленной струи жидкости с твердой поверхностью 57
2.2. Исследование процесса удаления загрязнений с поверхности гидродинамическим методом 66
2.3. Расчет рабочих параметров струи, обеспечивающих эффективную очистку поверхности от гжепдуатациошьгх загрязнений 70
3. Экспериментальные исследования влияния параметров высоконапорной водяной струи на процесс очистки 96
3.1. Экспериментальная установка и технологическое оборудование для проведения экспериментальных исследований гидродинамических характеристик высоконапорных водяных струй 97
3.2. Методика проведения лабораторных исследований 101
3.3. Результаты лабораторных исследований 103
4. Определение основных технологических режимов и параметров гидродинамической очистки 111
4.1. Исследование влияния параметров струи на качество очистки J11
4.2. Исследование влияния моющих средств на процесс очистки 119
4.3. Проверка эффективности технологии на натурных образцах в условиях локомотивных депо 124
4.4. Основные принципы ресурсосберегающей технологии гидродинамической очистки высоконапорными водяными струями ... 136
5. Сравнительная оценка ресурсопотребления при различных технологических процессах очистки 144
5.1. Расход тепловой энергии 144
5.2. Расход электроэнергии 147
5.3. Потребление химических моющих средств 149
5.4. Расход воды при очистке 150
6. Технико-экономический расчет эффективности гидродинамического метода очистки с использованием моечных машин высокого давления 153
Выводы 164
Список литературы 166
Приложения 173
- Обзор существующих технологий очистки узлов и дет&тей подвижного состава от загрязнений
- Исследование процесса удаления загрязнений с поверхности гидродинамическим методом
- Проверка эффективности технологии на натурных образцах в условиях локомотивных депо
- Основные принципы ресурсосберегающей технологии гидродинамической очистки высоконапорными водяными струями
Обзор существующих технологий очистки узлов и дет&тей подвижного состава от загрязнений
Очистка поверхности связана с затратами энергии на разрушение загрязнений (преодоление прочностных, когезионных сил) и на удаление загрязнении с поверхности (преодоление удерживающих, адгезионных сил).
По данным, представленным в работе [21], энергоемкость моечно-очистных процессов довольно высока и составляет для отдельных видов загрязнений, кВт-ч/м 2 :масляно-грязевые отложения - 2, асфальто-смолистые отложения - 3, старая краска - 4, нагар - 10.
Вместе с гем в рабоге показано, что прямые заіратм на очистку составляют не более 2,5% расходуемой энергии. Это указывает па возможность значительного снижения энергоемкости процессов очистки за счет совершенствования технологии и оборудования.
Одним из важных показателей эффективности процесса очистки, является скорость удаления загрязнений, т.е. их количество, удаляемое за единицу времени. При испытаниях, проведенных во ВИИИЖТ [5], опытным путем было установлено, что в среднем 90-95% загрязнений удаляется на протяжении первой половины общего времени очистки, а оставшиеся 5-10% во вторую половину этого времени. Это свидетельствует о том, что наибольшие затруднения вызывает удаление СЛОЙ загрязнений, который прилегает к. очищаемой поверхности и наиболее прочно с ней связан.
В настоящее время в ремонтном .произволстве для удаления загрязнений с поверхностей деталей, сборочных единиц и агрегатов наиболее широко применяются механический физико-химический и термический способы очистки, а также комбинированный способ очистки путем струйной или погружной обмывки деталей нагретыми растворами технических моющих средств (ТМС) или растворяюше-эмульгируютилга средствами. [28,39]
Основную роль в моющем действии раствора ТМС играют поверхиостио-актшшыс вещества (ПАВ), которые активно адсорбируются па границах раздела фаз, понижают поверхностное натяжение раствора, способствуя там самым смачиванию очищаемой поверхности, проникновению раствора между нею и загрязнением и его отслоению. Эти свойства ПАВ обеспечиваются строением ш молекул (или конов), которые состоят из полярной (гидрофильной) группы, растворимой в воде, и гидрофобного углеводородного радикала, растворимого в углеводородных жидкостях (маслах), поверхностная активность ПАВ тем выше, тем меньше гидрофильная (полярная) группа и чем длиннее углеводородный радикал. У ПАВ, входящих в состав ТМС. этот радикал состоит на 10... 18 атомов. Па поверхности воды молекулы ПАВ ориентируются так, что полярная (гидрофильная) часть молекул погружается в вод}1, а углеводородная (гидрофильная) группа обращается к воздуху. В результате этого происходит самопроизвольная концентрация молекул ПАВ па границе раздела фаз, где их содержание в десятки тысяч ра: превышает концентрацию в объеме раствора. Это явление, называемое адсорбцией ПАВТ приводит к снижению поверхностного натяжения моющего раствора и обеспечивает смачивание им поверхности, покрытой гидрофобной (масляной) пленкой загрязнений. Это же явление способствует проникновению раствора в микротрещины между очищаемой поверхностью и загрязнением, созданию в них расклинивающего давления, облегчающего отделение частиц отложений. Способность ПАВ адсорбироваться на поверхности раздела фаз обеспечивает также эмульгирование масляных загрязнений и стабилизацию частиц эмульсии в растворе. Это происходит за счет того, что ПЛВ снижают межфазное натяжение и облегчают образование эмульсии масла в воде и за счет образования вокруг капелек эмульсии прочной оболочки го молекул ПАВ. препятствующей слиянию отдельных капель.
Смачивание загрязненной поверхности раствором ТМС является первичным актом процесса очистки, в котором моющее средство контактирует с загрязнениями. На несмачиваемой поверхности моющее действие раствора ТМС не проявляется [4J.
Смачивающая способность оценивается величиной краевого угла смачивания 9 между касательной к поверхности жидкости, проведенной из точки контакта трех поверхностей (твердой Т, жидкой Ж, газообразной Г), и проекцией этой касательной на поверхность твердого тела (рис. 1.8).
Физический смысл краевого утла смачивания заключается в том, что он является мерой относительного притяжения жидкости к твердому телу (адгезия) или к самой себе (когезия). Вели адгезия меньше когезии, то жидкость не смачивает твердое тело и краевой угол 0 в этом случае тупой. Если капля жидкости образует с поверхностью угол 6 90 то жидкость смачивает поверхность.
Проникновение моющего раствора к месту контакта загрязнений с поверхностью детали вызывается действием сил поверхностного натяжения, которые в равновесном положении (рис, 1.9) находятся между собой в следующем соотношении:
Хорошее проникновение раствора между загрязнением и металлом обеспечивается при условии, когда межфазное натяжения раствора с металлом 0рч и раствора с загрязнением apj сравнительно малы, a cos О имеет положительное и возможно большее значение, т.е. когда раствор хорошо смачивает и металл, и загрязнения.
Введение ПЛВ в моющие средства и обеспечивает это условие. При изменении концентрации ПАВ от 0 до 036 г/л поверхностное натяжение раствора резко уменьшается (с 72 до 30-35 дин/см), а его смачивающая и моюшая способность соответственно возрастают.
С наличием ПЛВ связано также явление ценообразования, играющее определенную роль в моющем действии. Пена образуется при попадании в раствор ПАВ пузырьков воздуха во время перемешивания, воздействии струй и т.п. На поверхности пузырьков адсорбируются молекулы ПАВ, образуя пленку, внутренняя поверхность которой является гидрофобной, а наружная гидрофильной. При всплываиии пузырьков они «подпирают» имеющуюся на поверхности раствора пленку ПЛВ и оказываются покрытыми двустенной оболочкой, внешняя поверхность которой гидрофобна. Это обеспечивает устойчивость пузырьков в воздухе и флотацию ими частиц отмытых загрязнений.
Исследование процесса удаления загрязнений с поверхности гидродинамическим методом
. Движение незатопленной водяной струи полностью определяется начальными условиями ее истечения. Как показывают исследования [80,82,83,84], характер изменения параметров по длине сгруи зависит от давления воды и диаметра насадки. Не менее важный фактор при оценке гидравлических характеристик гидромониторных струй — расстояние, на котором находится загрязненная поверхность от насадки, поскольку с увеличением этого расстояния в результате взаимодействия сгруи с окружающей средой происходит распад струи. ТЭтот процесс прежде всего выражается в постепенном расширении самой струи, увеличении ее поперечного сечения, уменьшении величины осевого динамического давления, полной силы удара струи и средних удельных давлений. На эффективность процесса удаления эксплуатационных загрязнений с поверхности влияют также физико-химические свойства загрязнений.
Исследование процесса удаления загрязнений с поверхности гидродинамическим методом. Физико- химические свойства загрязнений являются одним из основных факторов, влияющих на эффективность очистки. При проведении анализа физико-химических свойств эксплуатационных загрязнений, представленного в 1 главе, было установлено, что эксплуатационные загрязнения делятся на адгезионно-связанные, поверхностио-адсорбцион несвязанные и прочно- (глубинно) связанные. Наиболее трудноудалимыми являются прочно-связанные типы загрязнений.
Под прочностными свойствами понимается адгезионно-когезионная характеристика заірязнений. зависящая от прочности загрязнений на сжатие, растяжение, сдвиг или адгезию к поверхности. Загрязнение отделяется от поверхности, когда динамическое давление струи в зоне загрязнения превысит наибольшую из указанных прочностных характеристик [21,58].
Исследованиями [41,42,57] установлено, что основным условием отрыва частиц загрязнений с поверхности является превышение силы удара струи над силами адгезионно-когезионных связей с поверхностью.
Где Р - сила удара струи о поверхность, Рак - силы адгезионно-когезионных связей загрязнений. Исследования эксплуатационных загрязнений, проведенные Гурвичем Л.М., Козловым Ю.С. и др. [21,24,36] установили следующие характеристики основных типов эксплуатационных зшрязнениД представленные в табл.2.1.
Как видно из представленной таблицы трудноудалимые загрязнения, такие как углеродистые отложения, накипь, старые лакокрасочные покрытия, лакоподобные пленки имеют наибольшие силы когезиошіьіх связей (до 300 кгс/см ), определяемых пределом прочности при сжатии.
Первая стадия - внедрение струи в слой загрязнений. Энергия струи расходуется на преодоление сил взаимных связей частиц загрязнений, определяемых пределом прочности загрязнений при сжатии. По мере внедрения струи вглубь слоя угол между отраженной струей и очищаемой поверхностью увеличивается и, следовательно, слой начинает испытывать возрастающие продольные нагрузки. При достижении струей подложки касательные к ее поверхности напряжения имеют максимальное значение.
Начиная с этого момента очистка поверхности идет за счет энергии отраженной струи, которая расходуется па преодоление сил адгезии загрязнений к материалу подложки, что соответствует второй стадии процесса струйной очистки. Энергию отраженной струи в заданном направлении возможно увеличить путем уменьшения угла атаки падающей струи. Соответственно, таким же способом возможно реализовать в заданном направлении ту же энергию отраженной струи при меньшей энергии падающей.
На первой стадии струйной очистки требуемое давление перед соплом определяется пределом прочности слоя загрязнений. Размер сіруи в поперечном сечении следует выбирать таким, чтобы после внедрения вертикальной струи на полную глубину слоя загрязнений энергии отраженной струи было достаточно, для преодоления силы адгезии слоя к подложке. На второй стадии экономически целесообразно постепенно уменьшать давление перед соплом, одновременно уменьшая угол атаки струи. При этом минимальное давление перед соплом соответствует ударной нагрузке, создаваемой внедрившейся в слой струей, бьющей в нею при нулевом угле атаки. Таким образом основным является процесс внедрения струи в слой загрязнений и разрушение их когезионных связей.
Удельное динамическое давление струи определяется как отношение силы удара струи к площади сечения струи на выходе из сопла. Значения удельного давления струи воды на выходе из сопла с диаметром 1-3 мм и напором жидкости перед соплом до 30 МПа достигают 550 кгс/см и превышают значения максимальных сил адгезионно-когезионных связей загрязнений (рис.2.8.). Однако эффект очистки зависит и от ряда других факторов - расстояния до поверхности, угла атаки струи к очищаемой поверхности, площади сечения струи и т.д., поэтому выбор оптимальных параметров струи, обеспечивающих очистку является целью дальнейших исследований.
Проверка эффективности технологии на натурных образцах в условиях локомотивных депо
Основные принципы ресурсосберегающей технологии гидродинамической очистки включают в себя следующее: - смыв загрязнений с поверхности осуществлять струями воды высокого давления от І0 до 25 МПа с использованием для процесса очистки мониторных моечных агрегатов высокого давления, позволяющих обеспечить рабочее давление до 25 Ml 1а: - воздействовать на поверхность, в зависимости от конструктивного исполнения детали, струями воды различных типов (точечная, плоская, вращающаяся точечная): - использовать для формирования различных типов струи насадок с диаметром сопла от 1 до 3 мм; - воздействовать на поверхность высоконапорной водяной струей различной температуры (от 20 до 100 С) в зависимости от типа эксплуатационных загрязнений- Применять для получения струи воды от 50 до 100 С моечных агрегатов высокого давления с подогревом воды; для интенсификации процесса удаления масляных и асфальтосмолистых загрязнений применять предварительное нанесение технического моющею средства распылением, выдерживать его на поверхности в течении 10-15 мин, затем производить смыв высоконапорной водяной струей; Для обеспечения процесса очистки необходимо оборудовать участок, который должен включать в себя: поворотный стол или подставку для очищаемого объекта, брызгозащитный экран, вытяжную воздушную вентиляцию, сток воды Таким образом, эффективная очистка узлов и деталей тепловоза достигается за счет воздействия па очищаемую поверхность трех основных факторов: высокого давления струи, геометрией струи, температурой воды. Экспериментальные исследования на натурных образцах показали, что: - выеоконапорные водяные струи обеспечивают очистку узлов и деталей тепловозов от эксплуатационных загрязнений за счет увеличения фактора механического воздействия на слой загрязнений; - результаты лабораторных исследований подтверждают характер зависимостей но изменению силы удара и среднего удельного динамического давления, полученные в результате теоретического расчета; - максимальную эффективность очистки обеспечивает струя воды со следующими параметрами: рабочее давление перед соплом 10-12Миа (для нылегрязевых, масляпогрязевых, асфальтосмолистых загрязнений 15-20 Мпа (для ірудноудалимьіх зшрязненийдіагар, накипь, коррозия), угол атаки к очищаемой поверхности 45-90, оіпимальное расстояние до очищаемой поверхности 0,2-0,6 м. - подачу па очищаемую поверхность высокопапорпых водяных струй обеспечивают моечные агрегаты высокого давления; - для удаления асфальтосмолистых и масляных загрязнений необходимо интенсифицировать процесс очистки при помощи предварительного нанесения ТМС или вымачивания в растворе ТМС\ а также использовать температуру струи от 50 до 100 ПС: - для обеспечения требований экологической безопасности необходимо использовать новые высокоэффективные биоразлагаемые и водорастворимые моюшие средства; - наиболее эффективной является вращающаяся точечная струя, которая соединяет в себе большую ударную силу точечной с площадью охвата поверхности плоской струи: - комбинированная очистка струями воды высокого давления с предварительным нанесением моющих средств на поверхность позволяет интенсифицировать на 20-30 % процесс очистки при удаление углеродистыхи масляных загрязнений, в отличие от обмывки струями раствора каустика или моющего средства; - по результатами экспериментальных исследований были разработаны ноше технологические процессы очистки различных узлов и деталей тепловоза. Технология гидродинамической очистки струями воды высокого давления является универсальной и может эффективно использоваться при ремонте других узлов и деталей подвижного состава, очистке подов, производственных помещений и технологического оборудования. Результаты выполненных исследований использованы при разработке ресурсосберегающих и экологически более безопасных технологических процессов очистки тепловозов и включены в утвержденные МНС технологические инструкции: «текущий ремонт турбокомпрессоров ТТС34 (дополненеие к ТИ 275) , «Очистка узлов и деталей ходовых частей подвагонного оборудования пассажирских вагонов с применением агрегатов высокого давления и ТМС» ТИ 020-01124328-00 (2000г) (приложение 7,8).
В настоящее время технологии очистки вьтсоконачорньшїі струями используется на Ярославском лектровозоремонгном заводе, Уссурийском локомотиворемонтном заводе. Воронежском тенловозоремонпюм заводе (цеха мойки электрических машин, дизелей и кузовов тепловозов), в локомотивных депо Москва-3 (участок мойки вагонных тележек), Узловая (участок мойки турбокомпрессоров, редукторов и рам тележек дизель-поездов), Брянск 2 (участок мойки турбокомпрессоров), Унеча Московской ж.д. (участок ремонта дизелей), депо Аткарск Приволжской ж.д. (участок майки гюршнен и ввеклопных шляттрввХ йтершш ж д. (мойка отстойников очистных сооружений) Сольвычегодск Северной ж.д. (участок ремоігта дизелей), В ремонтное производство внедрено 23 установки.
С целью оценки эффективности использования моечных агрегатов различных типов, в работе проведено сравнение струйной, погружной и моечной машины высокого давления по удельному расходу электрической и тепловой энергии, применительно к процессу очистки дет&тей дизелей в расчете на 1т. изделий.
Гак как затраты на тепловую и электроэнергию могут составлять до 70% от общих расходов на очистку изделий [24, 72], это обуславливает необходимость тщательного выбора и обоснования применяемого способа очистки агрегатов с точки зрения влияния его на использование тепла и электрической энергии.
Исходные данные получены по паспортным характеристикам моечных агрегатов и по эксплуатационным затратам локомотивных депо Аткарск Приволжской ж.д. и Узловая Московской ж.д. по результатам хозяйственной деятельности за 1990-1999гг.
Основные принципы ресурсосберегающей технологии гидродинамической очистки высоконапорными водяными струями
По результатам технико-экономического расчета можно сделать следующие выводы: годовой экономический эффект от внедрениягидродинамическою метода очистки с использованием моечных машин высокого давления в депо Узловая для очистки турбокомпрессоров составляет 14853 руб: срок окупаемости вложений с учетом загрузки моечной машины 13% составляет 2 года, с увеличением загрузки до 50% - менее 1 года.
Учитывая универсальность гидродинамического . метода очистки струями высокого давления и возможность его использования при ремонте других узлов и деталей подвижного состава, очистке полов, производственных помещений и технологического оборудования эффект внедрения моечных машин высокого давления будет еще более высоким, Может быть получен также дополнительный экологический эффект путем организации оборотного использования обмывочной воды. При малом ее расходе (прим. \ м7ч) это не потребует значнгелышх затрат и дополнительной площади для размещения оборудования.
На основе опыта эксплуатации и ремонта выполнена классификация эксплуатационных загрязнении деталей и узлов тепловозов, а анализ физико-химических свойств загрязнений показал, чш наиболее трулшудалимыми являются углеродистые отложения, имеющие ирочно-глубииную связь с поверхностью.
Теоретическими исследованиями установлено, что основным условием очистки от загрязнений на этапе внедрения струи является разрушение когезионкых связей загрязнений и последующее преодоление адгезионных сил. что обеспечивается механическим воздействием струи воды высокого давления. При этом повысить силу удара струи можно путем увеличения ее скорости за счет повышения напора воды и уменьшения диаметра сопла.
Для определения рабочих параметров высокопапоршй водяной струи разработана методика расчета, учитывающая совокупность таких акторов, как скорость и удельное давление струи, плотность жидкости, площадь поперечного сечения струи, длину начального участка струи, угол атаки к очищаемой поверхности, расстояние до поверхности, а также физико-химические свойства загрязнений.
Расчетными исследованиями установлено, что максимальный эффект очистки достигается при угле атаки струи 90-451С, диаметре сопла !-3 мм, давлении струи не менее 10 МПа для масляно-грязевых и пылегрязевьгх загрязнений; не менее 15 МПа для асфальтосмолистых. лакоподобных отложений: не менее 20 МПа для нрочиосвязанных (нагар, накипь, коррозия). При этом рабочий участок струя составляет не более 0,7 м для масляно-грязевых Й иылурз&шх Ш р&зиешй; Я& бсиїее 0,3 _у Д1ы всфвль-юсмсошслът, лакоподобных отложений; для нагара, накипи и коррозии рабочий участок лежит в пределах начального участка струи и составляет не более 0.2 м. 5. Экспериментальными исследованиями подтверждены теоретические выводы о том. что максимальная эффективность очистки достигается при напоре волы 15-20 МПа и диаметре сопла не более 3 мм; Необходимые рабочие параметры струи обеспечивают мониторные моечные агрегаты высокого давления до 25 МПа, расходом воды до 20 л/мин, мощностью двигателя до 6 кВт. 6. Исследованиями установлено: - комбинированная очистка струями воды высокого давления с предварительным нанесением моющих средств на поверхность позволяет интенсифицировать на 20-30 % процесс очистки при удалении углеродистых и масляных заірязнений; - гидродинамический способ очистки высоким давлением обеспечивает сокращению энергозатрат в 5-7 раз по сравнению с очисткой в обычной струйной моечной машине и в 3 раза по сравнению с погружной, при этом патери тепла являются минимальными и не превышают 5% от общего расхода тепловой энергии; - удельный расход воды но сравнению с очисткой в струйных моечных машинах сокращается в 1,5 раза без применения системы оборотного водоснабжения и в 20 раз — с ее ирнмеиеішем; - расход моющих средств сокращается в 4-8 раз, а в большинстве случаев обеспечивается качественная очистка без применения .моющих средств. 7. Расчет экономической эффектшноети от внедрения гидродинамического метода для очистки турбокомпрессоров показал снижение затрат на 40%. Срок окупаемости вложений с учетом загрузки моечной машины 13% составляет 2 года, с увеличением загрузки до 50% - менее 1 года. сарулым лады лышкагл давления является универсальной и может эффективно использоваться при ремонте других узлов и деталей подвижного состава, очистке полов, производственных помещений и технологического оборудования.
