Разработка комплекса программ проектирования электроочистителя диэлектрических жидких рабочих сред в промышленности

Встречающиеся реальные задачи технологии очистки жидкостей от загрязнений весьма разнообразны. Достаточно грубо их можно разделить на так называемые экстремальные задачи, цель которых — поиск оптимальных параметров электроочистителей (ЭО), режимов течения жидкостей, конфигурации осадительных электродов, напряжённости поля и т. п., и задачи описания, цель которых — изучение общих закономерностей явлений, происходящих при электрогидродинамических течениях, процесс захвата и удержания частиц загрязнений, динамики движения и т. д. Разумеется, задачи описания и экстремальные задачи часто решаются вместе.

Во всех случаях ситуация заметно упрощается, если для того или иного явления удаётся построить некоторую математическую модель. Понятно, что цели исследования легко было бы достигнуть, если бы имелись математические модели, связывающие механические, технологические, эксплуатационные и любые другие свойства изучаемой системы. Решение и задачи описания, и экстремальной задачи представляло бы тогда просто анализ имеющихся моделей.

Модели можно попытаться построить на основе знаний механизмов явлений, происходящих в электроочистителе при изменении каких-либо факторов, т. е. теоретическим путём. Построенные таким способом модели представляют исключительную ценность, в частности, их можно использовать не только для решения данной конкретной задачи, но и во многих других случаях.

К сожалению, механизмы большинства явлений и процессов, происходящих в электрогидродинамических течениях, к настоящему времени изучены явно недостаточно. Во всяком случае, строгих количественных теорий, как правило, не существует, а потому только из теоретических соображений построить модели для каждого конкретного случая почти никогда не удаётся.

Но, тем не менее, рассматриваемая задача является стандартной, и такого рода задачи, конечно же, решаются. Следовательно, решаются они при неполном знании (а иногда и вообще при незнании) механизмов явлений, протекающих при элетроочистке. Предлагаемый метод расчёта экспериментальных данных дисперсионного анализа на электронно-вычислительных машинах (ЭВМ) для полного факторного эксперимента предназначен для решения задач по оптимизации конструктивных параметров средств очистки рабочих сред с использованием полного факторного эксперимента опытов и может применяться в решениях задач, использующих математико-статистические методы.

Таким образом, можно сформулировать задачу, решению которой и будет посвящён весь дальнейший материал: необходимо построить математическую модель, связывающую процесс очистки диэлектрических жидких сред от загрязнений, происходящих в электроочистителях, со всеми переменными (факторами), от которых этот процесс очистки зависит. Но, известно, что нельзя говорить о процессах электроочистки, происходящих в электроочистителях, не рассматривая его направленность, конструктивные особенности и, конечно же, области применения самого электроочистителя.

Надёжность гидравлических, топливных, масляных систем газотурбинных двигателей, применяемых для перекачки жидкости при его транспортировке, является прямо пропорциональной функцией от степени загрязнённости рабочих жидкостей, которая в условиях эксплуатации остаётся всё ещё невысокой, не отвечающей жёстким требованиям, предъявляемым соответствующими нормативными документами.

Одной из конструктивных особенностей агрегатов топливных, масляных систем современных газоперекачивающих агрегатов является наличие прецизионных пар трения, минимальные зазоры в которых составляют порядка 5 мкм. В связи с этим рабочие жидкости и воздух в системах должны быть весьма чистыми. Наличие в них загрязнений и воды приводит к быстрому изнашиванию аппаратуры, преждевременной забивке фильтров основных систем, а в отдельных случаях — к нештатным ситуациям. С введением в действие ГОСТ 17 216–2001 требования к чистоте рабочих жидкостей ужесточились. По стандарту существует 19 классов чистоты тошшв, масел и гидравлических жидкостей со строгой регламентацией в пределах каждого класса не только общего содержания загрязнений, но и их дисперсного состава.

В целях обеспечения этих высоких требований необходимо было разработать меры по предупреждению загрязнения рабочих жидкостей в процессе их производства, транспортирования, хранения и заправки в ёмкость газоперекачивающих агрегатов [69].

На первом этапе развития направления, связанного с обеспечением высокой чистоты рабочих тел жидкостно-газовых систем (ЖГС) газоперекачивающих агрегатов, считалось, что основу этих мер составляет фильтрование рабочих тел на всём пути их продвижения от перерабатывающих комплексов до газоперекачивающих агрегатов. Так ЖГС газоперекачивающих агрегатов насчитывают более трёх десятков фильтров с различными свойствами и целевым назначением. Именно этим был обусловлен широкий размах работ, проводимых в отрасли по созданию фильтровальных материалов и фильтров большой пропускной способности, обладающих высокой степенью очистки рабочих жидкостей от загрязнений, воды и «биоповреждений».

За последнее время сменилось несколько поколений фильтров основных систем газоперекачивающих агрегатов и средств наземного обслуживания, однако проблема обеспечения чистоты рабочих жидкостей актуальна и сегодня, а выбор методов обеспечения чистоты по-прежнему зависит от большого числа действующих эксплуатационных и технологических факторов.

Анализ применения на газоперекачивающих агрегатах существующих методов и устройств обеспечения чистоты на современном этапе показывает, что ни одно из них не может в полной мере обеспечить эффективную очистку во всём диапазоне эксплуатационных факторов, а значит и заданную степень надёжного функционирования комплекса в целом.

Существенными недостатками пористого фильтрования являются: прямая, существенная зависимость гидравлического сопротивления фильтра от тонкости очистки рабочих тел, малая грязеёмкость, большие габариты, высокая стоимость изготовления и технического обслуживания, большая трудоёмкость регенерации, одноразовость (как правило) применения.

Недостатками методов очистки с использованием центробежных очистителей являются: низкая эффективность при уменьшении размеров частиц загрязнений при увеличении вязкости рабочей жидкости. Сложность конструкции и большие габаритные размеры в отдельных случаях позволяют использовать их только, как стационарные.

Использование математического моделирования процессов электроочистки диэлектрических жидких сред позволит найти подход к сложившейся ситуации. Так же возникшее техническое противоречие между возможностями существующих методов, способов и средств и всё возрастающими требованиями к уровню чистоты, а значит и надёжности функционирования газоперекачивающих агрегатов устраняется переходом на принципиально иную технологию очистки — технологию удаления частиц твёрдой дисперсной фазы из потока жидкости с помощью силовых электрических полей.

Устройства, реализующие эту технологию, характеризуются, по сравнению с традиционными фильтрами, рядом неоспоримых, существенных преимуществ: возможностью обеспечения 2−3 класса чистоты по ГОСТ 172 162 001; ничтожно малым гидравлическим сопротивлениемнизкой стоимостью изготовлениянизкой металлоёмкостью и энергоёмкостьюмалой стоимостью процесса очисткивозможностью регенерации очистителя без демонтажа и разборкипростотой в эксплуатациивозможностью использовать их в полевых условиях с целью очистки различных диэлектрических жидких сред без снижения показателей надёжности функционирования комплекса в целом, в частности, средств наземного обслуживания.

При работе оборудования достаточно констатировать факт наличия загрязнений в топливной, гидравлической, масляной и пневматической системах частиц загрязнений. Доказано, в процессе работы, что процесс загрязнения всей системы является непрерывным. При этом частицы загрязнения, поступившие в систему, оседают на стенках трубопроводов и удерживаются на них. Причём, как показывают исследования, на стенках трубопроводов накапливаются и удерживаются Ван-дер-Ваальсовскими силами, а так же силами адгезии, в основном, частицы размерами 1-КЗО мкм, которые имеют возможность стохастической генерации в поток при воздействии некоторых эксплуатационных факторов, таких как: вибрации, гидроудары, перегрузки.

Наличие таких же частиц в системе автоматически отбрасывает класс чистоты к уровню 13−14 по ГОСТ 17 216–2001, что делает жидкость непригодной к эксплуатации, а надёжность функционирования систем и комплекса в целом — величиной бесконечной малости, либо сомнительной вообще.

Таким образом, эффективность очистки [55] ЖГС газоперекачивающих агрегатов, обеспечение надёжности функционирования систем газоперекачивающих агрегатов являются кругом вопросов и проблем, исследуемых автором.

Установлено, что если в очищаемой жидкости находятся небольшие объёмы другой, не растворяемой жидкости, то на образовавшейся границе раздела двух сред с разной диэлектрической проницаемостью будет также иметь место силовое воздействие электрического поля.

Эти принципы используются в устройстве для электроочистки с непрерывной разгрузкой, получившем название электросепаратора. i 1 V.

В основу электросепаратора [63] положено свойство частиц двигаться в неоднородном поле в сторону градиента напряжённости. Частицы загрязнения и эмульсионная жидкость, имеющие большую диэлектрическую проницаемость, чем очищаемая среда, будут двигаться в сторону увеличения напряжённости электрического поля и наоборот.

Проблема защиты окружающей среды, в частности утилизация отходов ' 1 горюче-смазочных материалов (ГСМ), то есть шламов при зачистке ёмкостей хранения ГСМ, является достаточно важной не только в авиации, но и в повседневной промышленной деятельности. Решение данной проблемы с i применением достаточно простых и доступных технологий автор предлагает в одной из сфер своей деятельности. Эта сфера деятельности, по сути своей, предлагает инструмент специалистам, эксплуатирующим самолётную, автомобильную и топливную аппаратуры, для реализации программы экологической чистоты окружающей среды и чистоты ГСМ в состоянии поставки, заправки и эксплуатации газоперекачивающих агрегатов.

На основе изучения микробиологического поражения образцов ГСМ отечественного ассортимента в различных условиях и хранения было установлено, что их зараженность характерна для условий применения на технике, зависима от климатических зон. В результате чего изменяется внешний вид, образуются осадки, и происходит отклонение физико-химических показателей от установленных ГОСТом норм. Например, в образцах гидравлического масла AMT-10, отобранного из ГС авиационной техники в различных климатических районах, была обнаружена смесь микроорганизмов (бактерий и грибов) в виде слизеобразных сгустков, способных забивать фильтры гидравлической системы. Из образцов гидрожидкости были выделены в чистые культуры бактерии рода Bacillus и микромицелы Aspergillus и Penicillium. При изучении стойкости масла AMT-10 к выделенным микроорганизмам было установлено, что оно небиостойко к ним.

В благоприятных условиях микроорганизмы могут развиваться в масле АМГ-10, ухудшать его качество, образовывая осадки.

В топливе на границе раздела топливо-вода наблюдается развитие гриба С1ас1о8рогшт геБтае. Этот гриб образует плотный осадок, способный забивать фильтры топливной системы.

При повреждении микроорганизмами консервационных смазочных материалов наблюдаются коррозионные очаги на металлах в результате воздействия на них продуктов метаболизма ассоциаций бактерий и микроскопических грибов, которые используют масла и смазки в качестве источника питания для своего развития и размножения.

В результате проведения исследований повреждаемости микроорганизмами различных материалов и их защиты от воздействия микроорганизмов было выделено 800 штаммов различных микромицел и бактерий, 13 штаммов мицелиальных грибов оказались наиболее агрессивными деструкторами ГСМ различного назначения. Эти культуры задепонированы во Всесоюзной коллекции микроорганизмов Института Биохимии и Физиологии микроорганизмов РАН. Они все защищены авторскими свидетельствами или патентами.

Изучено влияние выделенных микроорганизмов на показатели ГСМ. Установлено, что наибольшее изменение свойств масел и топлив вызывает смесь культур, чем каждая в отдельности.

Научно обосновано требование повышения биостойкости топлив, масел, гидравлических жидкостей и смазок, применяемых как у нас в стране, так и направляемых в страны с тропическим климатом.

Как следует из вышесказанного, проблема повреждения ГСМ актуальна в настоящее время как никогда, так как с каждым годом возрастает количество рейсов авиалайнеров в тропические страны. В результате перелетов создаётся возможность проникновение неизвестной микрофлоры из одного региона в другой, что несёт за собой непредсказуемые последствия не только для технических материалов, но и для здоровья людей.

Обработка воздуха салонов авиалайнеров просто необходима по прибытии самолёта из страны с тропическим климатом (где развитие микробов прогрессирует и небезопасно для жителей нашей страны) в Россию с целью ликвидации возможности переноса инфекции, находящейся в воздухе самолёта.

Поэтому создание прибора для уничтожения патогенных микроорганизмов очень актуально и требует незамедлительной его проверки в различных отраслях промышленности и в быту не только в нашей стране, но и за рубежом.

Данная работа направлена на реализацию проблемы, а точнее целого направления, связанного с ясным пониманием очень важного положения: важнейшим резервом повышения надёжной эксплуатации самолётного, автомобильного, станочного парка, экологически оправданного его применения, является увеличение сроков службы масел, топлив и рабочих жидкостей, используемых в технологических целях.

В связи с этим, целью настоящей работы является^ разработка комплекса программ проектирования электроочистителя диэлектрических жидких рабочих сред с реализацией для ЭВМ, а также разработка оптимального облика конструкции электроочистителя.

Поставленная цель требует решения следующих научных задач:

— разработать комплекс программ для ЭВМ, позволяющих обрабатывать результаты дисперсионного анализа и полного факторного эксперимента;

— построить математическую модель процесса влияния управляющих факторов на конструктивные особенности ЭО;

— исследовать на адекватность результаты расчётов, выполненных в рамках предложенной математической модели;

— разработать оптимальный облик конструкции ЭО диэлектрических жидких рабочих средобосновать экономическую эффективность применения ЭО диэлектрических жидких сред.

Методика исследований включает экспериментально — аналитическое исследование процессов движения частиц загрязнения в силовом электрическом поле и разработку математической модели процесса очистки рабочих сред методом локально — экстремального экспериментирования с целью определения эффективной области работы электроочистителя.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Разработан комплекс программ для ЭВМ, позволяющий обрабатывать результаты однофакторного, двухфакторного, двухфакторного дисперсионного анализа с повторениями, трёхфакторного дисперсионного анализа на основе латинского квадрата первого, второго уровня, а также ПФЭ на основании экспериментальных исследований.

2. Разработана методика проектированияструктурной схемы системы очистки диэлектрических жидких рабочих сред на основе разработанных критериев оценки эффективности систем очистки.

3. Разработана полиномиальная математическая модель процесса влияния управляющих факторов на конструктивные особенности ЭО.

Практическая ценность полученных результатов даёт возможность выработать рекомендации по повышению степени очистки диэлектрических жидких рабочих сред систем оборудования в промышленности, а также повысить надёжность их работы. Результаты математического моделирования в дальнейшем могут быть использованы для моделирования более сложных процессов очистки жидких и газовых рабочих сред в промышленности.

В*первом разделе излагается анализ состояния вопроса по исследуемой теме обеспечения чистоты рабочих жидкостей. Проведено выявление причин, вызывающих ухудшение чистоты жидкостно-газовых систем, дана классификация загрязнений, появляющихся в рабочих жидкостях в процессе производства, поставки, хранения и эксплуатации. Рассматривается влияние загрязнений на эксплуатационную надежность гидравлических систем, даётся анализ существующих методов оценки загрязнённости рабочих жидкостей.

Во втором разделе излагается методика выбора технологии очистки диэлектрических жидких сред. Рассмотрена методика подхода к формированию системы очистки рабочей жидкости и механизм отрыва частиц загрязнений от удерживающей поверхности.

В третьем разделе диссертационной работы представлен комплекс программ для ЭВМ, позволяющих обрабатывать результаты дисперсионного анализа и полного факторного эксперимента, рассматривается разработка основных концепций методики проектирования электроочистителя, выбор методики планирования эксперимента, представлена полиномиальная математическая модель процесса влияния управляющих факторов на конструктивные особенности ЭО, математическое решение дисперсионного анализа для программных продуктов персональных электронно-вычислительных машин.

Четвертый раздел посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию процесса электроочистки, оптимизация конструктивной формы проточного канала элекгродов-осадителей, исследование гидравлических характеристик электроочистителя. Произведена оценка экономической эффективности применения электроочистителя диэлектрических жидких сред.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Программа расчёта на ЭВМ полного факторного эксперимента с равномерным дублированием опытов для проектирования электроочистителя диэлектрических жидких рабочих сред в промышленности.

2. Математическая модель процесса влияния управляющих факторов на конструктивные особенности электроочистителя.

3. Методика разработки устройства электроочистки диэлектрических жидких рабочих сред с оптимальными конструктивными параметрами.

Автор выражает признательность своему научному руководителю заслуженному изобретателю РФ, почётному работнику науки и техники РФ, академику Российской Академии естественных наук, доктору технических наук, профессору Ковалёву Вячеславу Даниловичу, а также генеральному директору ведущей организации научного производственного объединения «Этан-промгаз» (г.Москва) Чуманову Владимиру Матвеевичу и кафедре общей физики Ставропольского государственного университета (г.Ставрополь) за оказанную в процессе работы помощь и поддержку.

1 Анализ достояния вопроса.

Результаты работы могут найти широкое применение не только в системе авиационно-промышленного комплекса, но и в ряде других отраслей народного хозяйства, связанных с необходимостью обеспечения высокого уровня чистоты диэлектрических жидких рабочих сред.

Заключение

.

Комплексное исследование процессов очистки ЖГС позволило получить указанные ниже результаты и на их основе осуществить научно-обоснованные разработки, обеспечивающие решение важных задач в области повышения надежности систем и их экологической безопасности.

1. Составлен комплекс программ для персональных ЭВМ, позволяющий обрабатывать результаты однофакторного, двухфакторного, двухфакторного дисперсионного анализа с повторениями, трёхфакторного дисперсионного анализа на основе латинского квадрата первого, второго уровня, полного факторного эксперимента [76, 77, 7 8, 79].

2. Получена полиномиальная математическая модель процесса влияния управляющих факторов на конструктивные особенности ЭО, учитывающая комплексное влияние конструктивных и эксплуатационных факторов.

3. Представлена методика выбора технологии очистки жидких рабочих сред и конструктивная схема электроочистителя.

4. Предложен способ очистки диэлектрических сред, используя свойства силового электрического поля воздействовать на траекторию движения частиц загрязнений.

5. Экономический эффект от внедрения одного изделия электроочистки составил 85% от исходной стоимости фильтра типа ФНС-16.

6. Обнаружено, что наложение силового электрического поля на сильно загрязненную жидкость приводит к значительному (7−13%) снижению вязкости. Показано, что снижение вязкости происходит за счет удаления частиц загрязнений из жидкости.

7. На основе теоретических и экспериментальных исследований представлена методика проектирования структурной схемы системы очистки с использованием разработанных критериев эффективности.

8. Экспериментальные результаты измерения электрической прочности многофазных авиационных жидкостей показали, что электрическая прочность зависит от температуры жидкости, концентраций загрязнений в жидкости и от межэлектродного расстояния, уменьшаясь по мере его увеличения. Увеличение температуры резко снижает электрическую прочность, а увеличение концентрации загрязнений приводит к снижению значения Епр лишь в диапазоне 0−5(6) класса чистоты. При дальнейшем увеличении наступает стабилизация значения Епр, объясняемое особенностями кинетики движения частиц в межэлектродном пространстве.

Достоверность результатов подтверждена: непротиворечивостью их с существующими ранее теориями, системным и комплексным подходом автора к анализу данных, учету погрешностей опытов. Результаты работы согласуются с уже известными результатами. Полученные результаты экспериментальных исследований теоретически интерпретированы и не противоречат основным положениям физики процессов. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены, на семинарах и научных конференциях, а также разработанными и полученными авторскими свидетельствами.