WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --


Донбасский государственный технический университет

на правах рукописи

Бойко Николай Зельманович

УДК 628.16.067:66.067.3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЧИСТИТЕЛЕЙ

РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ НАСОСОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

05.05.17 – Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Евтушенко Анатолий Александрович

профессор, кандидат технических наук

Сумы

2009

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ 6

РАЗДЕЛ 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АКТУАЛЬНОСТЬ
ТЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13

1.1. Влияние степени очистки жидкостей на
характеристики гидравлических систем 13

1.2.Источники поступления загрязнений в
гидравлическое оборудование, их классификация
и уровни загрязненности 16

1.3. Требования к чистоте жидкостей используемых
в гидромашинах 20

1.4. Методы и устройства очистки жидкостей 25

1.5. Насосы, требования к очистителям их рабочих жидкостей 39

1.6. Выводы и задачи исследования 43

РАЗДЕЛ 2 СОЗДАНИЕ ОЧИСТИТЕЛЕЙ,
НЕ ИЗМЕНЯЮЩИХ УРОВЕНЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ ПОТОКА ОЧИЩАЕМОЙ ЖИДКОСТИ
И ЗАЩИЩАЮЩИХ СИСТЕМУ ОТ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 46

2.1. Математическое моделирование процессов
кондиционирования жидких сред в магнитном
и электрическом поле. 46

2.2. Экспериментальные исследования очистки
жидкостей электрическим и магнитным полем 93

2.3. Выводы 113

РАЗДЕЛ 3 РАЗРАБОТКА ОЧИСТИТЕЛЕЙ
РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ НАСОСОВ 115

3.1. Разработка входных очистителей перекачиваемой
среды при повышении всасывающей способности
динамических насосов 115

3.2. Разработка очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкости динамических насосов. 123

3.3. Разработка способа защиты щелевых уплотнений
динамических насосов путем использования
гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. 127

3.4. Внедрение результатов разработки 134

3.5. Выводы 135

ВЫВОДЫ 136

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………...138

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВAННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 144

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Геометрические характеристики.

- масса частицы,

- масса жидкости,

- диаметр частицы,

Кинематические характеристики.

- локальная средняя массовая скорость жидкости,

- давление,

- скорость частицы,

- скорость жидкости,

- внешняя потенциальная сила, действующая на частицу,

- объем частицы загрязнений,

- система координат сплющенного эллипсоида.

Электрическические характеристики.

- пондеромоторная сила,

- магнитная восприимчивость частицы загрязнений,

- напряженность магнитного поля в произвольном месте витка,

- напряженность магнитного поля в отверстии,

- напряженность магнитного поля в диске,

– поперечная составляющая пондеромотроной силы

- поперечная составляющая скорости движения жидкости

- напряженность магнитного поля,

- напряженность поля на оси соленоида,

- сила тока,

– количество витков.

– длина обмотки соленоида, расстояние между улавливающими дисками; расстояние между сечениями потока, длина внутренней трубы

Свойства жидкости.

- динамическая вязкость жидкости;

– плотность;

– кинематический коэффициент вязкости.

Сокращения.

ПДК – предельно допустимая концентрация,

СУ – система управления,

ППД поддержание пластового давления,

СОЖ – смазоно-охлаждающая жидкость,

АЗЛК – автомобильный завод им. Ленинского комсомола,

АвтоВАЗ – Волжский автомобильный завод,

ОСМП – очиститель со сложной конфигурацией магнитного поля,

пол – полезный,

нас – насоса,

г – гидравлический.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Чистота используемых в технологическом процессе жидкостей имеет решающее значение для качества продукции, производительности оборудования, долговечности и надежности его работы, сокращения трудозатрат на обслуживание. Недопустимо большая крупность частиц загрязнений в жидкостях является причиной 80% аварий на промышленных предприятиях. Превышение крупности загрязнений в жидкости в 4 – 8 раз существенно снижает ресурс работы гидравлических систем. Более значительное отклонение уровня загрязнения от допустимых сокращает работоспособность гидравлических систем в 50 и более раз.

В системах охлаждения и пылеподавления на предприятиях и непосредственно в оборудовании “забиваются” загрязнениями практически все форсунки как технологические, так и обеспечивающие безопасность труда. Кроме того, по некоторым данным, около 30% всех затрат энергии расходуется на предприятиях металлургического и топливно-энергетического комплекса на компенсацию излишних затрат связанных с ухудшением теплового отвода от работающего оборудования из-за оседания в нем механических примесей.

Применяемые в промышленности очистители в связи с постоянно растущими требованиями к чистоте жидкостей, увеличивают затраты на обслуживание, которые растут по мере появления новых прогрессивных технологий, повышения требований к качеству выпускаемой продукции. Не менее сложные проблемы возникают с обеспечением населения и промышленности чистой питьевой и технической водой. При этом в некоторых случаях требования к охлаждающей воде гораздо выше и зачастую имеют более жесткие показатели, чем даже для питьевой воды [98, 15]. Отклонения здесь возможны в очень узком интервале [72, 12]. Более того, существуют научные и технические проекты, реализация которых сдерживается отсутствием экономически рациональных методов получения воды нужного качества. Даже находясь в районах, где достаточное количество воды, ни одно современное предприятие не в состоянии обойтись без оборотного водоснабжения, поскольку использованная в технологическом процессе вода становится, как правило, непригодна для сброса в среду обитания без предварительной очистки.

Существует три принципиально разных метода очистки жидкостей от механических примесей: механическая очистка, т.е. задержка частиц примесей с помощью пористых перегородок; очистка в силовых полях (магнитных, гравитационных, гидравлических, электростатических, центробежных) и гидродинамическая комбинированная, суть которой заключается в разделении механических примесей по крупности в зависимости от результирующей воздействия на частицы, вблизи механической перегородки, разнонаправленных силовых полей. Создание последнего метода связанно с работами Донбасского технического университета выполняемых с 70-х годов прошлого столетия.

Поскольку источником сил, действующих на частицу, могут быть пневмогидравлические потоки и пондемоторные электромагнитные силы, в случае комплексного применения гидродинамических и электромагнитных полей для создания промышленного оборудования можно говорить об применении электрогидравлических технологий для разделения двухфазных жидкостей, или в более узком применении, для очистки жидкостей от механических примесей.

В связи с этим задача совершенствования систем очистки жидкостей и разработка новых методов и устройств очистки, которой посвящена настоящая работа, является актуальной.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Диссертационная работа является частью научной программы Донбасского государственного технического университета (ДонГТУ), в частности Отраслевой лаборатории смазочных материалов и рабочих жидкостей Минуглепрома Украины при ДонГТУ, направленной на разработку средств и способов очистки рабочих жидкостей. Автор работы являлся ответственным исполнителем по госбюджетной работе ДР 0100U001278 “Розробка теорії автономної саморегенеруючої очистки з використанням гідродинамічних процесів для розподілу двофазних рідин”с 1999 года по 2000 год и по госбюджетной работе ДР 0101U003565 “Збільшення ресурсу та зниження працевтрат на експлуатацію водогрійного обладнання за рахунок комплексної очистки подаваної води” с 2001 года по 2003 год.

Целью работы – является повышение чистоты рабочих жидкостей, смазочных материалов, промышленных, бытовых и питьевых вод путем создания нового поколения очистителей с использованием гидроэлектрических технологий

Задачами настоящей диссертационной работы является:

1. Разработать научно-методические основы для создания очистителей рабочих жидкостей насосов, использующих гидродинамический эффект очистки, в которых необходимо обосновать возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений на пондемоторную силу с целью упрощения конструкции и значительного повышения тонкости очистки.

2. На базе полученных научно-методических разработок по электромагнитным очистителям разработать конструкции указанных очиститителей и провести их апробацию в лабораторных и промышленных условиях.

3. Определить целесообразность и пути использования очистителей, работающих с использований гидроэлектрических технологий применительно к динамическим насосам, в том числе: разработать принципы расчета и конструирования очистителей перекачиваемой среды динамическими насосами, применение которых не окажет существенного влияния на рабочие характеристики указанных насосов, в частности на их всасывающую способность;

- разработать конструктивные решения и методику инженерных расчетов очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкостей динамических насосов;

- осуществить поиск дополнительных путей защиты щелевых уплотнений динамических насосов путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости.

Объект исследования – рабочий процесс устройств очистки многофазной жидкости, который основан на использовании гидроэлектрических технологий.

Предмет исследования – очистители многофазных жидкостей, состоящей из базовой фракции – непосредственно жидкости, и имеющей в ней ферромагнитных и (или) неферромагнитных частиц, которые рассматриваются как механические примеси.

Методы исследований. Поставленные задачи исследования решались путем использования расчетно-аналитического метода, метода физического моделирования на стенде и на промышленных установках, метода численного моделирования на ЭВМ.

Расчетно-аналитическая часть базировалась на использовании уравнений современных теорий турбомашин, механики жидкости и газа. Достоверность полученных научных результатов подтверждено использованием широко апробированных и признанных результатов прикладной гидроаэромеханики, а также результатов сравнения расчетных данных с экспериментальными данными.

Экспериментально проверялись и корректировались заложенные параметры установок.

Научная новизна полученных результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые разработаны научно-методические основы создания принципиально нового вида очистителей рабочих жидкостей насосов, использующих гидродинамический эффект очистки жидкости, в котором обоснована возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений на пондемоторную силу, что значительно упрощает конструкцию, существенно повышает тонкость очистки, сохраняя при этом другие положительные свойства гидродинамических очистителей, в том числе:

- разработана математическая модель течения двухфазной вязкой немагнитной неэлектропроводной жидкости, содержащей ферромагнитные частицы (загрязнения), при воздействии постоянного неоднородного магнитного поля в электромагнитном очистителе со сложной конфигурацией этого поля и электромагнитного поля в виде бегущей волны;

- исследовано влияние параметров жидкости, ферромагнитных частиц и формы электромагнитного поля на течение жидкости в электромагнитном очистителе;

- разработаны методы расчета движения ферромагнитных частиц в вязкой неэлектропроводной немагнитной жидкости под действием электромагнитного поля.

2. Впервые определены условия улавливания ферромагнитных частиц в электромагнитных очистителых показана целесообразность и доказана возможность переноса разработок теоретически обоснованных и практически реализованных технических устройств очистки жидкостей, применяемых в объемных насосах на динамические насосы.

3. Впервые разработанны входные очистители перекачиваемой среды, повышающие всасывающую способность динамических насосов;

- впервые обоснованна целесообразность использования гидродинамических очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкостей динамических насосов;

- дополнена теория рабочего процесса динамических насосов путем разработки способа защиты щелевых уплотнений динамических насосов на базе использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости.

Практическое значение полученных результатов, заключается в следующем:

1. Создан принципиально новый вид электромагнитных очистителей, не изменяющих уровень гидравлической энергии потока очищаемой жидкости и защищающих систему от ферромагнитных загрязнений.

2. Электромагнитные очистители доведены до практического применения и использования в Алчевском региональном производственном управлении ОКП «Компания «Лугансквода»».

3. Рекомендации по применению входных очистителей перекачиваемой среды при повышении всасывающей способности, а также встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкости динамических насосов внедрены на Сумском насосном заводе «Насосэнергомаш».

4. Наработанные рекомендации по развитию теории рабочих процессов динамических насосов внедрены в учебный процесс Донбасского государственного технического университета и при выполнении научных разработок Сумского государственного университета.

Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В работах [114, 78, 3, 4] автором рассмотрены вопросы возникновения ферромагнитных загрязнений в различных жидких средах, а в [114, 78, 101, 76, 99, 109, 110, 77, 58, 15, 29] рассмотрены различные виды фильтров, их устройства и принцип действия. В работах [76, 21, 74, 24, 25, 29, 91] автор изложил теорию работы фильтров с бегущим электромагнитным полем и в работах [98, 92, 115] были описаны эксперименты, которые и послужили основанием для подготовки диссертационной работы. Две постановочные работы [24, 20] опубликованы без соавторов.

Постановка задачи, расчеты и экспериментальные исследования, анализ полученных результатов проведены автором работы совместно с научным руководителем.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на 2 республиканской научно-технической конференции “Гидромеханика в инженерной практике” (Киев, 1997г.), 3 республиканской научно-технической конференции “Гидромеханика в инженерной практике” (Киев, 1998г.), 5 республиканской научно-технической конференции “Гидромеханика в инженерной практике” (Киев, 2000г.), Международной научно-технической конференции “Проблемы создания новых машин и технологий” (Кременчук,2001г.), Международной конференции “Technika diagnostika stroju a vyrobnich zarizeni DIAGO-2003”(Ostrawa, 2003r.), 2 Международной конференции “Прогрессивная техника и технология” (Киев, 2004г.), в центре “Очистки промышленных жидкостей при иновационной фирме “Hert””(Краков,2005г.), на технических советах Алчевского регионального производственного управления ОКП “Компания “Лугансквода”, 14 международной научно-технической конференции «Гидромеханика в инженерной практике» (Черновцы, 2009 г.), 3 международной научно-технической конференции «ENERGIA-2009» (Симферополь – Люблин, 2009г.).

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 30 работ, из которых – 14 в журналах, утвержденные ВАК Украины, 6 статей в зарубежных журналах 7 патентов на изобретения (2 патента приняты в Польше), 2 – тезисы докладов на научных конференциях.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, трех разделов, выводов, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертационной работы 158 страниц, в том числе 49 рисунка, 22 таблиц, приложения на 5 листах, список использованных источников из 120 наименований.

РАЗДЕЛ 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние степени очистки жидкостей на характеристики гидравлических систем

Как известно, гидродинамические машины (насосы гидродинамического типа, центробежные, турбины гидромуфты, гидротрансформаторы) [40, 41], благодаря своим бесспорным преимуществам, являются одними из важнейших агрегатов современной промышленности. Пропуская через себя огромные объемы жидкости их элементы непрерывно ощущают воздействие абразивных частиц, находящихся в этих жидкостях. Число этих частиц чрезвычайно велико. Не говоря уже о грунтовых и песковых насосах, предназначенных для перекачки жидкостей с многопроцентным содержанием твердых частиц, самые рядовые насосы подвергаются непрерывному изнашиванию при перекачке, например, воды в замкнутом контуре водоснабжения на металлургических заводах.

На Мариупольском металлургическом комбинате им.Ильича прокатный стан 1700 потребляет 24 тыс.м3 в час воды, содержание твердых примесей в которых достигает 11%, ежечасно через насосы проходит 2,5 тонны абразивных материалов в час, т.е. около 60 тонн в сутки. Понятно, что долговечность этих насосов – одна из главных проблем производства.

Что касается грунтовых насосов, то в некоторых случаях их межремонтный срок службы составляет 22,5 месяца. Из-за необходимости их ремонта во всех рудоремонтных заводах угольных объединений по добыче угля (на Украине их 20) имеются участки по ремонту центробежных насосов. То же касается и других отраслей народного хозяйства.

Рассматривая конструкцию гидродинамических машин можно отметить несколько наиболее «болевых точек». К ним в первую очередь следует отнести щелевые уплотнения. Профессор В.А. Марцинковский указывает: «Износ щелевых уплотнений – основная причина сокращения межремонтных сроков многоступенчатых центробежных насосов, перекачивающих загрязненные абразивными частицами жидкости. К этим насосам относятся насосы шахтного водоотлива и насосы для закачки нефтепромысловых сточных вод и скважины с целью поддержания пластового давления. Обследования таких насосов показали, что больше всего изнашиваются уплотнения, расположенные в средней части ротора, где амплитуда вибраций максимальна. Эти результаты подтверждают связь процессов изнашивания с вибрациями ротора». [65]

Там же указывается, что для питательных насосов, для которых предполагается подача предварительно очищенной воды, надежная система защиты от загрязнений также является наиболее актуальной задачей. «Для питательных насосов требуемое стандартами время наработки на отказ 6300 часов, ресурс до капитального ремонта 2000030000 часов». Чтобы обеспечить требуемые показатели надежности при работе насоса с малыми радиальными зазорами необходимо использовать материалы, стойкие против задирания при возможных контактах уплотняющих поверхностей и при попадании в зазор твердых частиц. Материалы уплотнений должны также обладать высокой коррозионной и эрозионной стойкостью. Снижение КПД из-за увеличения зазоров в уплотнениях рабочих колес – основная причина вывода насоса в капитальный ремонт». Таким образом, высокая загрязненность перекачиваемой жидкости, а из нее, как правило, поступает жидкость, протекающая через щелевые уплотнения, является не только причиной низкой надежности гидродинамических машин, но и снижения их производительности и увеличения энергозатрат.

Еще одной «болевой точкой», связанной с наличием твердых частиц в жидкости, являются торцевые уплотнения, выполненные по принципу гидростатических опор, а также большинство типов разгрузочных устройств насосного и компрессорного оборудования, поскольку в том или ином виде в этих устройствах имеются дросселирующие зазоры, плавающие кольца, рабочие режимы работы которых зависят от величины зазора, определяемого допустимой величиной изнашивающих частиц.

Особенно важное значение кондиционирование (понимая под этим поддержание качества жидкости) имеет для насосов, перекачивающих перегретые, радиоактивные, токсические, взрывоопасные, легко воспламеняющиеся и подобные жидкости, выход жидкости которых из корпуса недопустим. В этом случае к концевым уплотнениям от внешнего источника подводится нейтральная запирающая (затворная) жидкость, давление которой на 0,51,0 МПа превышает давление жидкости перед уплотнением. Запирающая жидкость перед подачей в уплотнение, как правило, охлаждается и очищается. Появляется сложный вспомогательный узел, который называется затворным концевым уплотнением [63].

Изменение размеров зазоров в импеллерах также напрямую зависят от степени абразивности и наличия в жидкости твердых включений. Разработке специальных насосов для перекачки многофазных жидкостей посвящена работа С.М. Яхненко [120].

Выпуск насосов для перекачивания жидкостей с посторонними включениями предприятиями Украины до 1993г. вообще не производился, а выпускаемые в настоящее время охватывают лишь небольшую часть требуемых для различных отраслей применения [37, 38]. Этим, несмотря на наличие на Украине более 80 промышленных предприятий, выпускающих динамические машины, и притом, что Украина является мировым центром выпуска этого оборудования, можно объяснить большое количество динамических машин закупаемых для отечественных нужд за рубежом.

С учетом перечисленных выше факторов настоятельной задачей гидромашиностроения является создание устройств очистки перекачиваемой жидкости от механических примесей. Конечно, устройства эти должны быть надежными, простыми по конструкции, не требовать дополнительного технического обслуживания, срок службы их должен быть гарантированно выше срока службы основного оборудования.

В этих условиях, по нашему мнению, отпадает необходимость в создании большого количества специализированного оборудования, во много раз увеличивается надежность выпускаемых машин, снижется объем ремонтных работ и т.п.

Поставленная задача может быть решена двумя путями:

– очищать с высокой тонкостью очистки только жидкость, непосредственно проходящую через дроссельные зазоры как в торцевых опорах, в плавающих дисках и щелевых уплотнениях, и подающуюся во вспомогательные устройства (неполнопоточные очистители);

– очищать всю перекачиваемую жидкость (полнопоточные очистители).

В первом случае значительно повысится надежность и работоспособность самих динамических машин, понизятся энергозатраты на передачу жидкостей, а также трудозатраты на обслуживание этих машин.

Во втором случае у динамических машин появится новое качество: повышение параметров самой перекачиваемой жидкости, подаваемой потребителю. Как правило, для последних снижение загрязненности получаемого продукта (жидкости) является важным техническим и экономическим фактором. В большинстве случаев полученная жидкость нуждается в последующей очистке.

1.2.Источники поступления загрязнений в гидравлическое оборудование, их классификация и уровни загрязненности

Уровень загрязненности и природа частиц загрязнений, находящихся в жидкостях зависят от количества и интенсивности работы источников поступления загрязнений. Загрязнения, поступающие от разных источников в жидкость можно разделить на несколько классов:

- атмосферная пыль – с различной интенсивностью попадает в жидкость на всех этапах ее существования: при изготовлении жидкости, в процессе ее транспортировки, хранения, заливки и эксплуатации. На некоторых этапах, с помощью применения специальной тары и совершенных дыхательных устройств, поступление пыли может быть сведено к минимуму. Состав пыли может быть самым различным как в качественном, так и в количественном отношениях, и зависит, в основном, от местных условий. В связи с непрерывностью поступления пыли на всем пути следования жидкости до пункта применения, наиболее рациональным местом очистки жидкости от этого загрязнителя является точка заливки жидкости в пункте ее применения;

- загрязнения, образующиеся при производстве жидкости, представляют собой: остатки не прореагировавших компонентов, отбеливающих глин и других типов наносных загрязнений; загустевшие частицы или частицы осадка, образующегося при химических процессах. К этим загрязнителям следует отнести и частицы песка, ила и другие частицы, которые содержатся в добываемых жидкостях, например, в воде или нефти. Отделение этих загрязнений наиболее рационально в местах приготовления или добычи жидкостей;

- инкреторные загрязнения – это загрязнения, возникающие в жидкостях в процессе их хранения, транспортировки и эксплуатации и обусловленные процессами старения, окисления жидкостей с образованием, например, смол, асфальтенов, полимеризовавшихся продуктов и т.д. Отделение этих загрязнений должно происходить при заливке жидкостей в агрегаты или машины [79];

- загрязнения, попадающие в жидкость от оборудования. Обычно это притирочные пасты, стружка, остатки ветоши и другие заводские загрязнения, остающиеся в полостях гидравлических и других агрегатов после их изготовления. Наиболее рационально их удаление на заводах – изготовителях с помощью операций технологической промывки [78]. К этому же классу загрязнений можно отнести все виды частиц, попадающих в промывочные жидкости или смазочно-охлаждающие жидкости, при отмывании полостей цистерн и других емкостей или при омывании обрабатываемых деталей. В последнем случае уровень загрязненности может быть довольно высоким;

- загрязнения, являющиеся продуктами изнашивания в процессе приработки деталей, узлов или машин. Целесообразнее всего удалять в процессе приработки на специальных приработочных стендах и выполнять лучше всего это в заводских условиях;

- продукты изнашивания, получаемые в процессе эксплуатации. Кроме конструктивных и нагрузочных факторов, в большей мере на интенсивность образования этих видов загрязнений влияет чистота используемой жидкости и эффективность действия устройств для очистки жидкостей. При достижении определенной концентрации загрязнений в жидкости может наступить лавинообразное изнашивание деталей, при котором наблюдается интенсивное накопление продуктов изнашивания. Отделение продуктов изнашивания производится с помощью устройств очистки, встраиваемых в оборудование, а при недостаточной эффективности этих устройств необходимо применение промышленных систем, позволяющих осуществлять эту операцию без демонтажа оборудования в условиях эксплуатации.

В процессе работы машин происходит изменение гранулометрического состава загрязнений. Это связанно с постоянным энергетическим воздействием на частицы, поэтому количество и доля мелких частиц постоянно увеличивается. Необходимо отметить особый состав отработанных жидкостей, так как они характеризуются не только высокой концентрацией загрязнений, но и высоким содержанием мелкодисперсной фазы, представляющей особые трудности для улавливания очистителями, а также значительным содержанием продуктов разложения, окисления и полимеризации компонентов жидкостей.

Большое количество источников поступления загрязнений и недостаточность существующих мер защиты от них являются причиной довольно высокого фактического содержания механических примесей в жидкостях. Например, в литературе отмечают, что максимальное количество загрязнений в моторных маслах составляет 0,123%, в северной климатической зоне 0,13%, в средней климатической зоне 0,145%, в южной может достигать 0,92% в зависимости от состояния оборудования [50].

Высокий уровень загрязненности жидкостей, применяемых в горнодобывающем оборудовании, обусловлено большим уровнем запыленности, характерным для добывающих производств. Значительное накопление частиц загрязнений отмечается уже в процессе транспортировки “свежей” жидкости к агрегату. По результатам исследований в масляной ванне уже в начале эксплуатации появляются частицы породы и угля размером до 200 мкм [68]. На складах Минуглепрома Украины концентрация механических примесей находится в пределах 0,012-0,022%, что соответствует аналогичным данным по другим отраслям промышленности. На складах рудоремонтных заводов содержание механических примесей в рабочих жидкостях доходит до 0,045%, на складах заводов-изготовителей гидравлических горных машин – 0,015-0,035%. Крупность частиц в рабочих жидкостях, хранящихся на заводах-изготовителях, рудоремонтных заводах, угольных шахтах и других аналогичных предприятий достигает 75 мкм. Эти рабочие жидкости можно отнести к 12 - 17 классу чистоты по ГОСТ 17216-71. На участковых складах содержание механических примесей в жидкостях для гидросистем достигает 0,06%, а в момент заливки в машину составляет уже 0,122%.

Повышенные утечки в горном оборудовании и связанные с ними доливки являются причиной быстрого накопления загрязнений в ваннах гидравлических систем. Исследования состояния рабочих жидкостей в гидравлических системах комбайнов РКУ показали весьма высокое содержание механических примесей как в рабочих, так и в смазывающих жидкостях [112].

К числу жидкостей, отличающихся повышенным содержанием механических примесей, относятся также смазывающе-охлаждающие жидкости машиностроительного оборудования в связи с постоянным поступлением стружки, притирочных паст и пыли. Содержание механических примесей в таких жидкостях превышает 1%, а крупность частиц зависит от способа обработки и материала деталей.

Поэтому требования к устройствам для очистки жидкостей в большой мере зависят не только от требований, предъявляемых к используемым жидкостям, но от фактического загрязнения этих жидкостей.

1.3. Требования к чистоте жидкостей используемых в гидромашинах

Требования к чистоте жидкостей связывают обычно с механизмом воздействия частиц загрязнений на жидкость, оборудование, или влиянием их на эффективность процессов, протекающих в жидкости или функции, выполняемые жидкостью.

Например, в системах объемного гидропривода допустимая величина частиц связывается с величиной зазоров в парах трения. Считается, что частицы, соизмеримые с зазором, являются причиной абразивного износа или заклинивания пар трения, а частицы меньшего размера свободно проходят сквозь зазор, не принося никакого вреда. В связи с этим, по рекомендациям ВНИИГидропривода допустимая величина частиц загрязнений прямо связана с размерами зазоров в гидроагрегатах [73]. Опыт эксплуатации гидросистем показал однако, что износ осуществляется частицами, много меньшими, чем размер щели [102, 90]. Эксперименты показали, что для безотказной работы золотников с зазором 7-13 мкм необходима очистка от частиц размером до 3 мкм, для плунжерных пар с зазорами 15-34 мкм гидроустройств автомобилей-самосвалов, морских и речных судов нормируется очистка до 1520 мкм [72]. Необходимость удаления частиц меньших размеров, чем зазоры отмечают и зарубежные источники [1]. На практике техническая и экономическая нереализуемость указанных требований заставляет ограничиваться очисткой от более грубых частиц и дифференцировать требования к чистоте в зависимости от условий эксплуатации гидроузлов.

Многие исследователи связывают допустимый уровень загрязненности с давлением жидкости в гидросистеме. В [9] приведены требования одной из зарубежных фирм к чистоте рабочей жидкости в гидросистемах станков: при рабочем давлении 1,3 МПа жидкость должна быть очищена от частиц размером более 80 мкм, при 5 МПа – свыше 60 мкм, при 12,5 МПа – свыше 40 мкм, при 20 МПа – свыше 25 мкм, при 30 МПа – свыше 15 мкм. Другая фирма требует примерно такой же степени очистки: до 10 МПа – 60 мкм, при 10-14 МПа – 30 мкм, свыше 44 МПа из жидкости должны быть удалены частицы более 10 мкм. Подобные требования были определены и в бывшем Советском Союзе. В зависимости от конкретных условий работы требования к тонкости фильтрации дифференцируются: до 6,3 МПа – 63-80 мкм, до 16 МПа – 25 мкм. По рекомендациям ВНИИ Гидропривода: 2,5-6,3 МПа – 15-30 мкм, до 20 МПа – 10-25 мкм [73]. Для гидравлических систем металлорежущих станков: до 1,3 МПа – 80 мкм, до 12,5 МПа – 40 мкм, до 35 МПа – 15 мкм [52]. В последнем случае автор одновременно отмечает, что для всех систем с давлениями свыше 14 МПа наиболее эффективным является удаление механических примесей свыше 10 мкм.

Чистота жидкостей на Украине регламентируется ГОСТ 16217, где с переходом на каждый последующий класс количество частиц во всех размерных диапазона удваивается [102].

Известно, что затраты на фильтрование удваиваются, а в некоторых случаях увеличиваются до 5 раз при переходе к каждому последующему классу чистоты. Это является одной из причин поиска оптимальных требований к чистоте рабочих жидкостей, причем оптимальность эта зависит от условий применения гидравлической системы, требований надежности и безопасности с одной стороны, и характеристиками существующих систем очистки с другой.

В зависимости от места установки фильтра рекомендуется также дифференцировать тонкость очистки: для заливных фильтров - 100-200 мкм, воздушных – 5-40, сливных – 15-100 мкм, на всасывающих магистралях 63-200 мкм, в системах низкого давления 25-63 мкм, высокого 5-20 мкм. В случае использования подпиточных насосов низкого давления для питания дорогостоящих регулируемых насосов поток от насосов низкого давления к основному следует очистить до 10-20 мкм. Однако наилучшие результаты в увеличении долговечности всех элементов гидравлических систем, а также снижении простоев и затрат по обслуживанию машин, оснащенных гидроприводом, дает установка очистителей с абсолютной тонкостью фильтрования в пределах 3-10 мкм. С учетом проблемы грязеемкости и частоты замены фильтроэлементов рекомендуется постоянное фильтрование рабочей жидкости с тонкостью не хуже 25 мкм и лишь для электрогидравлических следящих систем управления – 2-5 мкм. При этом тонкость фильтрования заливочными фильтрами вновь поступающих, т.е. довольно грязных жидкостей, рекомендуется производить на уровне 100-200 мкм. Последняя рекомендация нам представляется особо малообоснованной, поскольку, наряду с ухудшением работы гидроузлов, будет иметь место резкое снижение ресурса рекомендуемых 25 мкм фильтров. Необходимо также стремиться устанавливать фильтры на всасывающих линиях насосов. Фильтры на всасывании обеспечивают защиту всех узлов гидропривода, а также исключают поломки при небрежной эксплуатации из-за случайного попадания в маслобак посторонних предметов и загрязнений. К сожалению, применяемые приемные фильтры, представляющие собой обычные пористые перегородки, обладают характерным для этого типа фильтров недостатком - малой грязеемкостью. В этих условиях, с целью избежания возникновения вакуума на всасывании насоса и, как следствие, кавитации, автором рекомендована довольно грубая характеристика приемного фильтра 63-200 мкм [52]. Компромиссом между этими противоречиями является рекомендация об установке однотипных параллельных фильтров по ветвистой схеме и оборудование их сигнализаторами и байпасными клапанами. Таким образом, автор считает рациональным усложнение конструкции, несмотря на снижение при этом ее надежности, для достижения цели очистки жидкости именно на всасывающей магистрали [52].

Часто предъявляются требования только к процентному содержанию механических примесей в жидкости. Это вызвано несоответствием между высоким уровнем загрязненности жидкости и грязеемкостью существующих средств очистки. Поэтому, к чистоте жидкости выдвигаются явно заниженные требования. Так, по ГОСТ 21046-75 на отработанные нефтепродукты, допустимое содержание механических примесей установлено на уровне 2%. Содержание механических примесей в отходах целлюлозно-бумажного производства за рубежом устанавливается на уровне 0,3%, в тоже время в бывшем СССР этот показатель был заметно выше [93].

Низкая грязеемкость существующих фильтров оказывает также влияние на существующие рекомендации по степени очистки жидкости в сторону ее ухудшения практически во всех отраслях промышленности. Например, отмечая особую важность тонкой очистки рабочих жидкостей авиационных гидросистем, рекомендуется устанавливать на всасывающих магистралях фильтры грубой очистки с тонкостью фильтрации до 100 мкм [11]. При этом учитывают, что наибольший износ зубчатых колес редукторов и изнашивание шлицевых соединений наблюдается при размере абразивных частиц загрязнений от 15 до 35 мкм [12]. Однако предлагаемые требования к чистоте смазочных масел значительно ниже этого показателя. Фактически состояние рассмотренных жидкостей, например, в угольной промышленности, еще хуже [97].

Среди различных методов очистки деталей, узлов, агрегатов и систем во время эксплуатации наиболее эффективными являются методы очистки в жидкой среде или с использованием движущейся моющей жидкости [12, 95, 108]. Во внутренних полостях, собранных на заводах гидроагрегатов и гидросистем, содержится большое количество технологических загрязнений, представляющих собой волокна ветоши, остатки притирочных паст, стружку, частицы краски, атмосферную пыль и т.д. По рекомендациям зарубежных специалистов гидросистема, где планируется использование в эксплуатации фильтра с тонкостью очистки 10 мкм, должна быть отмыта с помощью фильтра с тонкостью очистки 3 мкм [106]. Такого же класса жидкость должна быть в нее заправлена, при этом фильтры тонкой очистки предполагается защищать более грубыми (10-25 мкм) фильтрами с целью повышения ресурса рабочих фильтров с тонкостью очистки 3 мкм. Таким образом, проблема повышения тонкости очистки эффективно действующими фильтрами и, одновременно, их грязеемкости, остается актуальной.

При подготовке воды для коммунального и промышленного снабжения в подавляющем большинстве случаев используются зернистые фильтры, основным элементом которых является фильтрующая загрузка. Объем водоснабжения неуклонно возрастает и, одновременно ужесточаются требования к качеству очистки. При этом, при обработке воды с предварительной очисткой до 20-40 мкм фильтроцикл зернистых фильтров возрастает в три раза [55]. Это происходит в условиях истощения освоенных региональных месторождений кварцевого песка [7]. В связи с этим в стране возрастает также острота проблемы изыскания эффективных и промышленно допустимых фильтрующих материалов, эффективных методов их регенерации и защиты.

Таким образом, существующие требования к фильтрующим устройствам для очистки жидкостей являются заниженными по причине недостатков существующих систем очистки.

Выходом из создавшегося положения является создание более совершенных и грязеемких систем очистки. Решать данную задачу целесообразно исходя из представления о наличии, с учетом перспективы создания таких систем, двух диапазонов требований к чистоте жидкостей в пределах всей промышленности, а следовательно, очистных устройств, в которых ощущается острая необходимость:

- устройства, обеспечивающие чистоту жидкостей в пределах 10-30 мкм, предназначенные для прямого обслуживания жидкостей и машин, или для защиты фильтров тонкой очистки с тонкостью фильтрации выше 10 мкм;

- устройства, обеспечивающие тонкость фильтрации выше 10 мкм.

Уже указывалось, что определение механических примесей от жидкости может проходить либо механическим образом с помощью пористых перегородок (в этом случае прогресс называется «фильтрованием») либо с помощью слоя мелкого материала (песок, гравий, щебень, активированный уголь и др.). В последнем случае процесс называется фильтрацией. Уствойства, обеспечивающие механическое отделение загрязненных частиц, называются фильтрами.

С этой точки зрения выражение «центробежный фильтр», «магнитный фильтр» и другие, где отсутствует механическая очистка, являются, строго говоря, некорректными, и лучше, по-нашему мнению, употреблять обобщающее слово «очиститель».

Именно такой терминологии мы пытались придерживаться в настоящей работе.

1.4. Методы и устройства очистки жидкостей

Проблема достижения высокой степени очистки жидкостей принципиально решена промышленностью постсоветских стран, в том числе Украины. В настоящее время выпускаются механические фильтры тонкой очистки, позволяющие достичь тонкости фильтрации в 5,2 и даже 0,5 мкм. Аналогично зарубежные фирмы “Отамотив продактс”, “Бритиш фильтерс” (Великобритания) выпускают фильтрующие элементы (бумажные, войлочные и сетчатые) с тонкостью фильтрования 2,5, 10 и 25 мкм. Для очистки масла в переносных агрегатах фирма “Филтерпак” (Великобритания) выпускает фильтры тонкостью очистки 0,5-10 мкм. Насос в переносном агрегате оборудуется предохранительным фильтром. Аналогичные устройства производятся фирмами “Фэйри” (Нидерланды), “Фосетт”, “Амцель Лим”, “Милипор” (США), “Сеатфил” (Италия) и другие.

В выпускаемых фильтрах последующей регенерации поддаются только сетчатые фильтроэлементы, имеющие тонкость очистки не выше 25 мкм, а войлочные и бумажные не регенерируются. Регенерация осуществляется ультразвуком и промывкой в растворителях, т.е. предполагается наличие дополнительного персонала, оборудования, повышение трудозатрат, энергозатрат и расхода моющих средств. В случае применения оборотной схемы промывки, моющие растворы нуждаются в тонкой очистке для повторного их использования.

Фильтроэлементы с тонкостью фильтрования выше (1525) мкм выпускаются только одноразового использования, при этом следует учесть, что для изготовления фильтроэлементов с высокой тонкостью фильтрования применяются специальные технологии и материалы. Для увеличения прочности бумаги она армируется сеткой, пропитывается специальным составом, между гофрами размещают нейлоновые или даже металлические нити. Фильтроэлементы изготавливают также из органических волокон, армированных с обеих сторон полипропиленовой сеткой.

Фирма “Амцель Лим” производит фильтрующие элементы “Гит-рекс” из плавленых полипропиленовых волокон с увеличивающейся плотностью по толщине. В паспорте указывается, что такие фильтроэлементы обладают стойкостью к повышенным перепадам давления. Однако, специалисты фирмы при установлении рабочих параметров фильтра отдают предпочтение увеличению поверхности фильтрования, вместе с тем массы и габаритных размеров фильтра перед повышением, перепада давления.

Фирмы “Миллипор” и “Cеатфил” применяют для изготовления пористых перегородок волокна из смешенных эфиров ацетилцеллюлозы, нитрата целлюлозы, поливинилхрорида, фторопласта, нейлона, полиэфирные, полипропиленовые, поливинилдепрофторидные (ПВДФ). Некоторые фирмы (Паркер Ханнифин, Филлип Илька) для достижения требуемых эффектов при изготовлении фильтроэлементов применяют сложные многослойные материалы. Результатом этих новых технологий является достижение высокой тонкости фильтрации, однако, это происходит за счет неизбежного ухудшения других характеристик. Уменьшение размеров пор фильтрующих перегородок является основным способом повышения тонкости фильтрации механических фильтров, но при этом проявляется ряд других характерных недостатков. К их числу относится неизменный рост перепада давлений с уменьшением размеров пор, что предъявляет повышенные требования к стойкости элементов против разрушения и снижает возможность применения таких элементов на всасывающих магистралях. Отмечается наличие потерь до 3% легирующих присадок при использовании фильтров тонкой очистки [82].

Наиболее серьезным недостатком является низкая грязеемкость механических фильтров тонкой очистки. Это не позволяет обеспечить безостановочную работу в течение межремонтного срока. Известно, что по мере снижения максимального размера пропускаемой фильтром частицы, общая площадь очищающей поверхности при сохранения площади ячеек растет в квадратичной зависимости и еще быстрее снижается срок службы элемента [106,82]. Пропорционально второй степени растут затраты на обеспечение чистоты жидкости [52, 106]. Опыт эксплуатации механизмов подачи комбайнов и гидравлических лебедок с аксиально-поршневыми гидроузлами показал, что для поддержания требуемой чистоты жидкости необходимо в течение межремонтного срока заменить на одном фильтре более 100 фильтроэлементов. Испытания комбайнов РКУ-13 и РКУ-10 на шахте №3 “Великомостовская” объединения Укрзападуголь показали непригодность фильтров тонкой очистки “Реготмас” 600-1-019 при применении их в системах с особо загрязненными жидкостями. Осмотр фильтроэлементов после их работы в течение 20 минут показал, что фильтрующая поверхность покрыта слоем грязи, и в местах изгиба гофров отчетливо видны образовавшиеся отверстия диаметром (13) мм [112]. Засорение фильтроэлемента с более высокой прочностью приводит к открытию переливного клапана фильтра, в систему поступает загрязненная жидкость, что приводит к быстрому износу гидросистем. По данным ВВС Великобритании, где чистоте рабочих жидкостей уделяется большое внимание, 80% всего времени жидкость поступает в систему через байпасные клапаны фильтра [1].

Совокупность недостатков, присущих механической очистке жидкостей, определяют область применения этих фильтров – это специально подготовленные жидкости и системы, изолированные от внешнего влияния, благодаря чему фильтрам необходимо улавливать только продукты изнашивания. При этом подготовка системы заключается в:

-технологической промывке деталей и систем в целом;

-заливке жидкости, очищенной до тонкости, превышающей тонкость очистки фильтра, находящегося в системе;

-установке надежных уплотнений и дыхательных устройств.

Эксперименты, проведенные специалистами SEA, показали, что при очистке гидросистемы карьерных экскаваторов с помощью 3 мкм фильтров с последующей установкой 10 мкм фильтров срок службы 10 мкм фильтров увеличился в 10 раз [106].

Высокая степень загрязненности окружающей среды, отсутствие надежных способов герметизации емкостей для рабочих жидкостей и в тоже время высокие требования к чистоте рабочих жидкостей, особенно при высоких рабочих давлениях в системах, потребовала поиска принципиально новых путей очистки рабочих жидкостей от механических примесей.

Суть предложенной проф. Финкельштейном З.Л. гидродинамической очистки заключается в создании относительного движения фильтрующей поверхности и частицы в направлении, перпендикулярном направлению потока жидкости через ячейки в фильтрующем элементе (рис.1.1) [114].

 1. Схема гидродинамической очистки. При -25

Рис.1.1. Схема гидродинамической очистки.

При определенных соотношениях величины поперечной и продольной составляющих относительной скорости частицы и фильтрующей поверхности достигается очистка жидкости от частиц механических примесей значительно меньших, чем размеры ячеек в свету. Исключается засорение этих ячеек крупными частицами, а, следовательно, обеспечиваются меньший перепад давлений на фильтрующем элементе, неизменность параметров при очистке в эксплуатации и непрерывная самогенерация. Схематично, все конструктивные варианты реализации гидродинамической очистки можно представить в виде фильтра с неподвижным фильтроэлементом, с вращающимся фильтоэлементом и с колеблющимся фильтроэлементом.

В первом случае (рис.1.2) разделение частиц по крупности перед ячейками осуществляется за счет потока вдоль фильтроэлемента, что требует сброса части жидкости из системы (неполнопоточные фильтры). Загрязненная жидкость расходом Q поступает через отверстие А; часть жидкости Q1 проходит через фильтроэлементы В, очищается и через отверстие С поступает в гидравлическую систему, остаток жидкости Q2 сливается через отверстие D и через регулируемый дроссель Е, позволяющий изменить соотношение между очищенным потоком, и потоком обогащенным крупными частицами из загрязненной жидкости, и сбрасываемым через дроссельное отверстие в емкость.

 2. Схема фильтра гидродинамического с -26

Рис.1.2. Схема фильтра гидродинамического с неподвижным фильтроэлементом.

Продольная скорость поддерживается постоянной за счет уменьшения зазора между корпусом G и фильтроэлементом В по длине L.

Во втором случае (рис.1.3) продольный поток вдоль фильтроэлемента осуществляется его вращением (полнопоточные фильтры).

 3. Схема фильтра гидродинамического с -27

Рис.1.3. Схема фильтра гидродинамического с вращающимся фильтроэлементом.

Загрязненная жидкость поступает через отверстие 5 в корпус 1, в котором на подшипниках 2 и 3 вращается фильтроэлемент 4, очищается и поступает в гидравлическую систему по полому валу 6. Отфильтрованные частицы коагулируют и под действие седиментации или с помощью электростатических пластин 7 осаждаются в бункере и периодически удаляются через вентиль 8.

В третьем случае продольный поток жидкости вдоль фильтроэлемента осуществляется за счет его возвратно-поступательного движения, что позволяет ускорить седиментацию крупных частиц в сторону собирающих их бункера. На рис.1.4 показана схема одного их таких фильтров для взрывоопасных жидкостей, не допускающих контакта с воздухом.

 4. Схема фильтра гидродинамического с -28

Рис.1.4. Схема фильтра гидродинамического с колеблющимся фильтроэлементом.

Неочищенная жидкость подается через патрубки 2 в корпусе 1, очищается фильтроэлементом, а фильтрат выводится через патрубок 3. В процессе работы камера 5 через штуцер 9 поочередно соединяется то с магистралью сжатого воздуха, то с атмосферой, придавая фильтроэлементу закрепленному на гибких диафрагмах 7 и 8, колебательное движение.

Каждая из указанных выше принципиальных схем имеет свои преимущества и области применения.

Разработанна теория гидродинамической очистки для фильтров с неподвижным, вращающимся и колеблющимся фильтроэлементом [102, 96]. Если для неподвижного фильтроэлемента вектор скорости частицы, двигающейся в направлении фильтрующей поверхности, можно рассматривать как векторную сумму скоростей потоков через большое число отверстий в фильтроэлементе и скорости продольного потока, также зависящего от положения частицы в пространстве, то для вращающего фильтроэлемента учитывается дополнительный эффект, возникающий за счет отбрасывания частиц центробежными силами, а для колеблющегося фильтрующего элемента учитывается неравномерность скорости продольного потока, инерционность частиц и необходимость оптимизации движения частиц по направлению к бункеру.

При решении задач по определению очистительной способности гидродинамических фильтров использовался математический аппарат решения дифференциальных уравнений в частных производных в координатах сплющенного эллипсоида, решения уравнения Навье-Стокса для определения устойчивости пограничного слоя вдоль фильтрующего элемента при наличии отсасывающей поверхности [47, 48].

Понятно, что движение частиц вдоль и поперек поверхности, разделяющих их по крупности может быть под действием не только полей, перепада давления, но (и) магнитных, электрических и других полей. В случае их совместных действий (комбинаций) уместно говорить об использовании электрогидравлических технологий.

Развитие теории и практики гидравлической очистки было выполнено в трудах док. техн. наук В.П.Коваленко, И.Н.Кучина, канд.техн.наук М.А. Ямковой, Аль-Хавальдах Абдалла Сулейман, А.И.Четверикова, Е.А.Полякова, Е.В.Мочалина, А.А.Бревнова, и других [6, 27, 118].

На протяжении 40 лет гидродинамические фильтры нашли применение в горной, автомобильной, металлургической, авиационной, электротехнической, машиностроительной, нефтедобывающей, автодорожной, химической и других отраслях промышленности. Как правило, при этом использовались фильтры небольшой производительности (до 300 л/мин.) на давление до 40 МПа. Новый подход к созданию фильтров потребовался при разработке и изготовлении очистителей сверхвысокой пропускной способности.

Традиционная схема фильтрования, при которой поток двигался вдоль образующей цилиндрического фильтроэлемента и сбрасывал в торце этого фильтроэлемента крупные частицы, требовала создания громоздких аппаратов с весьма малыми зазорами между корпусом и фильтроэлементом. На рис.1.5 изображена схема фильтра с поперечным движением смывающего потока.

Рис.1.5.Фильтр с поперечным движением смывающего потока.

Загрязненная жидкость поступает в приемный патрубок 2, затем движется в сужающемся зазоре между эксцентрично расположенными фильтроэлементом 1 и корпусом 6 и выходит через патрубок 4 и дроссель 7 на слив. Большая часть жидкости (85-90)% очищается и поступает в систему, схема которой изображена на рис.1.6.

В настоящее время гидродинамические фильтры сверхвысокой производительности выпускают на расходы от 40 м3/час до 6000 м3/час на давление в системе до 3 МПа, при загрязненности очищаемой жидкости до 11г/дм3 и наличии отдельных крупных частиц до 70 мм. Эти фильтры широко применяются в первую очередь для очистки сточных вод, а также в системах оборотного водоснабжения на промышленных предприятиях.

.

Рис.1.6. Схема включения гидродинамических фильтров.

Проданы лицензии на изготовление подобных фильтров в России и Польше. Но, несмотря на удовлетворительную работу этих очистителей, их общий недостаток состоит в том, что они очищают жидкость, которая подается на них от динамических насосов. Иными словами, защищая от загрязнений гидроузлы находящиеся под давлением или в линии слива. Сам же агрегат, генерирующий гидравлическую энергию, остается беззащитным.

В работах канд. техн. наук С.М.Яхненко показано, что проблема предварительной очистки загрязненной жидкости от механических примесей является наиболее значимой для гидродинамических шламовых и грунтовых насосов, хотя имеются ряд устройств, в том числе и автора этой диссертационной работы, предохраняющих систему от попадания чрезвычайно крупных частиц, размер которых превышает проходное сечение в корпусе насоса [76, 120]. Защита от мелких частиц, определяющих возможность, во первых, забивания выходных патрубков, во-вторых, прогрессивного абразивного изнашивания щелевых уплотнений, в-третьих, увеличения перепада давления на динамической машине и снижения производительности. Поэтому одна из главных задач насосостроения – защита гидродинамических насосов от мелких механических примесей.

В первой части этого раздела отмечалось, что более 65% загрязнений составляют ферромагнитные. Эти загрязнения оказывают существенное, а иногда и решающее влияние не только на качество продукции, но на ход технологического процесса, понижая потенциальный уровень производства, уменьшая надежность оборудования и увеличивая трудозатраты [88, 45].

Существующие способы очистки рабочих и охлаждающих жидкостей от ферромагнитных загрязнений или весьма сложны по конструкции, или требуют остановки машины для замены очищающих элементов, Особенные трудности возникают при очистки сильно загрязненных жидкостей. Одним из главных требований к очистителям является обеспечение грязеемкости очистителя при требуемой чистоте рабочей жидкости. Решение этой проблемы связывается с очисткой жидкости в силовых полях – электростатическом, центробежном или магнитном [114, 78, 76, 99, 109, 110, 77, 52, 32, 33, 113].

Очистка в электростатическом поле ограничивается жидкостями, не проводящими электрический ток, невозможностью использования во взрывоопасных средах и необходимостью создания высокой разности потенциалов. Определенные трудности вызывает отсутствие инженерной методики расчетов электростатических очистителей в связи с трудностью определения зарядов частиц.

Центрифуги имеют ряд преимуществ перед механическими фильтрами, но по сравнению с другими очистителями они сложнее по конструкции, более трудоемки при изготовлении и наладке. Они имеют значительно большую массу и габаритные размеры, требуют сравнительно больших энергетических затрат, сложный привод для получения скоростей вращения больше 500 рад/с. Существуют большие сложности при очистке центрифуг. Для получения качественной очистки необходимо жидкость многократно пропускать через центрифугу. Поэтому в большинстве случаев применяют механические фильтры [77, 36, 108].

Для очистки от ферромагнитных загрязнений применяют магнитную очистку. Конструкция магнитных очистителей определяется эксплуатационными факторами: производительность, размер трубопровода, плотность и температура жидкости, давление и крупность ферромагнитных загрязнений. По конструктивным особенностям эти устройства разделяются на 2 группы: ловушки и фильтры. В ловушках процесс улавливания происходит при прохождении жидкости через рабочее межполюсное пространство, а магнитные тела удерживаются непосредственно на элементах магнитной системы. В фильтрах сепарируемая жидкость проходит через рабочую область магнитного поля, заполненную фильтрующим магнитным наполнителем (например, в виде дисков или шаров), на котором и осаждаются магнитные включения. Магнитное поле в этих устройствах создается постоянными магнитами или электромагнитами. Применение постоянных магнитов обеспечивает следующие преимущества: отсутствие необходимости электроснабжения, устойчивость к влиянию атмосферных условий, безопасность при использовании во взрывоопасных и воспламеняющихся средах, экономичность. Применяются постоянные магниты при легких и средних режимах нагрузки (небольшие расходы жидкости, малая концентрация ферромагнитных загрязнений). Недостатки – малый радиус действия, малая грязеемкость и трудность при очистке устройств от извлеченных магнитных тел [114, 78, 4, 101, 76, 99, 109, 77, 13, 113, 95, 36, 108, 49, 94].

Очистители с электромагнитным возбуждением применяются в более сложных условиях, когда в рабочих зонах необходимо создавать магнитные поля большой напряженности. Достоинствами таких очистителей является также возможность регулирования рабочей напряженности магнитного поля применительно к условиям эксплуатации и отключения электромагнитного поля, что упрощает регенерацию устройств. Основной недостаток – необходимость в надежном источнике этого поля.

Очистители с электромагнитным возбуждением магнитного поля принято называть электромагнитными очистителями или сепараторами [13, 50, 94, 56, 104]. Основой этих конструкций является цилиндрический корпус, снаружи которого размещена электромагнитная система, а внутри цилиндра расположена улавливающая система (ферромагнитная насадка) [49, 94, 56]. Такие очистители работают при низких скоростях жидкости, грязеемкость их большая, но затруднена регенерация. В конструкции электромагнитного очистителя из [49] имеется скребковое устройство, которое смонтировано в центральном канале очистителя. Этот тип очистителя работоспособен при малых расходах жидкости и имеет небольшую грязеемкость. Для работы при малых расходах жидкости предназначен и очиститель из [94]. Его отличительная особенность – использование неоднородного магнитного поля внутри очистителя.

Эффективность работы очистителей определяется извлекающими усилиями, которые они могут создать, и зависит от градиента магнитного поля. Для повышения градиентов магнитного поля предложено много конструкций описанных в [32, 36, 56, 104]. Например, в очистителе описанном в [56], внутренняя насадка выполнена в виде зигзагообразных ферромагнитных перфорированных пластин. Система улавливания в очистителях описанных в [32, 94] выполнена в виде шаров. Такие очистители имеют малую пропускную способность и грязеемкость. Открытым остается вопрос разработки новых видов очистителей, которые могут обеспечить высокую степень очистки жидкости при значительных ее расходах и грязеемкости.

Решением задачи очистки жидкостей от механических примесей с наличием хотя бы 35% мелкодисперсионных ферромагнитных частиц явилось создание и исследование электромагнитных очистителей со сложной конфигурацией магнитного поля [118]. В этом очистителе учитывались не только силы электромагнитного взаимодействия, но и силы, определяемые механикой жидкостей, т.е. влияние стоксовых сил, сил взаимодействия частиц с потоком. Вместе с тем при расчете не учитывались силы инерции, не учитывалось изменение гидродинамических сил при их приближении к твердым стенкам.

Кроме того, этому очистителю был присущ общий недостаток – необходимость регенерации, т.е. очистка его от уловленных механических примесей.

Изложенное выше позволяет отметить, что загрязненность жидкостей, эксплуатируемых в различных отраслях промышленности, превышает допустимые нормы иногда в несколько раз. При этом требования к чистоте жидкостей являются заниженными, что вызвано несоответствием характеристик имеющихся очистных устройств, в первую очередь по грязеемкости и связанным с ней перепадом давлений, с реальной загрязненностью и динамикой поступления загрязнений.

Сравнивая совокупность областей применения существующих средств очистки жидкостей с потребностями различных отраслей промышленности, учитывая разнообразие условий эксплуатации и факторов воздействий среды, с одной стороны, и принимая во внимание требования к чистоте рабочих жидкостей, с другой стороны, следует отметить, что в пределах всего промышленного комплекса страны существует потребность в классе очистителей, обладающих следующими характеристиками: сбор осадка в неподвижном бункере; способность к приемке крупных частиц; тонкость очистки (1030) мкм; конструктивная возможность к увеличению производительности; отсутствие воздействия на присадки и конгломераты молекул жирных кислот; применение привода в пределах промышленных оборотов или частот; возможность применения в напорных магистралях; эффективность применения на всасывающих магистралях; эффективность очистки жидкости за один проход; эффективность очистки жидкости в первоначальный момент времени.

Область применения таких очистителей: очистка быстро загустевающих и других, не допускающих разгерметизации и контакта с воздухом, жидкостей; очистка жидкостей, работающих в условиях высокой интенсивности поступления загрязнений. К последним относятся: жидкости, работающие в условиях сильной запыленности; смазочно-охлаждаемые жидкости (СОЖ) металлообрабатывающего оборудования; вода, требующая предварительной очистки перед тонкими фильтрами; вода, применяемая в оборотных системах металлургического оборудования; рабочие жидкости гидравлических систем с большим объемом, утечками, изменениями уровня; жидкости, поступающие к машинам и механизмам от заводов-изготовителей, из заливочных и заливочно - регенерационных устройств; смазочные масла двигателей внутреннего сгорания.

Таким образом, тема исследования, направленная на создание электромагнитных очистителей жидкости, является актуальной как с точки зрения потребности в развитии теории рабочего процесса электромагнитных очистителей, так и с учетом практических задач, стоящих перед промышленностью сегодня.

1.5. Насосы, требования к очистителям их рабочих жидкостей

Насосы - один из наиболее распространенных видов технологического оборудования, применяемое во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. На привод насосов используется до 20% электроэнергии, вырабатываемой в стране. Это один из значимых видов продукции машиностроительного комплекса Украины, поставляемой как для внутренних нужд, так и на экспорт. Поэтому повышение качества создания и эксплуатации насосов является актуальным направлением деятельности специалистов в области машиностроения и энергосбережения.

Согласно ГОСТ 17398-72 по принципу действия насосы делятся на объемные и динамические. В последнее время в насосах стал широко использоваться вихревой рабочий процесс, что привело к возникновению нового типа турбомашин – вихревых турбомашин [42], среди них значительное место занимает насосы вихревого принципа действия (вихревые, струйные, свободновихревые, лабиринтно-вихревые и др). Указанные насосы вихревого принципа действия конструктивно и по свойствам и составу перекачиваемых сред близки к вышеуказанным динамическим насосам. В связи с изложенным под термином «динамические насосы» в данном случае подразумевается совокупность насосов вихревого принципа действия и собственно динамических насосов по ГОСТ 17398-72 [71].

В силу своих конструктивных особенностей объемные насосы и гидромашинные системы на их основе (объемный гидропривод) являются особо чувствительными к загрязнениям рабочей жидкости [111]. Поэтому именно в приложении к объемным гидромашинам в первую очередь развивались средства очистки рабочих жидкостей [102]. Применительно к динамическим насосам данная проблема также решалась – здесь можно отметить попытки создать входные очистители для питательных насосов тепловой [62] и атомной [63, 64] энергетик, а также создание общей станции очистки для систем поддержания пластового давления (ППД) на нефтяных месторождениях [100]. Следует также сказать, что всегда внимание уделялось проблеме очистки смазывающей и запирающей жидкостей для опорно-уплотнительных узлов динамических насосов, наибольшее распространение получило использование малогабаритных гидроциклонов и центробежных очистителей. Отдельно, по отношению к динамическим насосам, следует говорить о необходимости защиты от износа щелевых уплотнений, определяющих срок службы, надежность и экономичность в работе динамических насосов [65].

С учетом сказанного, можно констатировать факт – разработка средств очистки рабочих жидкостей по отношению к объемным гидромашинам определила практику таких разработок применительно к динамическим насосам.

Прежде всего целесообразно вернуться к проблеме создания входных очистителей. Рассмотрим ее применительно к системам поддержания пластового давления (ППД) на нефтяных месторождениях, оснащаемых насосами типа ЦНС – 180 [100]. Как правило, на станциях ППД содержится 2 работающих насоса типа ЦНС – 180. Отсюда и необходимость [100] в четырех постоянно работающих фильтрационных колоннах, оснащенных гидродинамическими фильтрами плюс еще одна колонна – резерв. На сегодня опыт ДонГТУ показывает, что ограничения по максимальной производительности можно с гидродинамических фильтров снять. Нами проведены с использованием данных [102, 103] расчеты типового гидродинамического очистителя на подачу 200м3/час (по входу) и получены следующие результаты (рис.1.7.):

- количество сливаемой воды – 15м3/час;

- остаточная крупность загрязнений не более 0,5 мм;

- перепад давления не более 0,5 атм;

- габаритные параметры (высота х ширина х длина, мм) – 1200х660х1160.

Укажем, что на сегодня в гидродинамических очистителях несложно получается очистка до максимальной крупности частиц 25 мкм. Кроме того, величина начального давления в фильтре определяется только прочностью его корпусных деталей и можно ставить вопрос об улучшении других из указанных эксплуатационных показателей качества работы гидродинамических фильтров. Так ориентируясь на работу [27] можно ожидать, что закрутка потока в кольцевой области фильтра позволяет уменьшить сброс жидкости в 2-3 раза от общего расхода через фильтр. С учетом изложенного можно утверждать, что создание комплексной системы очистки жидкости для систем ППД нефтяных месторождений является для потребителей технико-экономической задачей – необходимо сравнивать два варианта: один – общая одна система, второй – два гидродинамического очитителя (основной и резервный), а также осадительная колона. Для производителей динамических насосов целесообразно включать в комплект поставок насосного агрегата также входной гидродинамический очистителя. При этом целесообразно разработать типоразмерный ряд таких очистителей, чтобы они были однотипны (взаимозаменяемы) для: энергетических насосов; насосов нефтегазового комплекса; насосов общепромышленного назначения; насосов шахтного водоотлива [105] и других. Возможный представитель такого рода очистителей представлена на рис.1.7.

Рис.1.7. Рабочий чертеж – Общий вид рассчитанного фильтра (пропускная способность 180м3/час).

1.6. Выводы и задачи исследования

1.6.1. Выводы

1.Для всех отраслей промышленности отказ гидравлических систем вследствие повышенной загрязненности жидкостей составляет (5080)% всех отказов, а ресурс по этой причине снижается в 3-50 раз. Влияние загрязненности на функционирование жидкостей и систем, использующих жидкости, является сложным многофакторным явлением. Ухудшение характеристик жидкостей и условий работы оборудования обычно происходит сразу по нескольким параметрам.

2.Уровень загрязненности жидкостей и поступление частиц загрязнений, находящихся в жидкостях, является функцией от количества и интенсивности источников поступления загрязнений. Дополнительные проблемы вносит явление изменения гранулометрического состава загрязнений в процессе работы машин.

3.Уровень требований к чистоте жидкостей определяется: механизмом воздействия частиц загрязнений на жидкость и оборудование; влияние их на эффективность процессов, протекающих в жидкостях или функции, выполняемые жидкостью. На практике техническая и экономическая нереализуемость указанных требований заставляет ограничиваться очисткой более грубых частиц и дифференцировать требования к чистоте в зависимости от условий эксплуатации гидроузлов.

4.Задача обеспечения высокой степени очистки жидкостей может быть решена с помощью механических гидродинамических фильтров. Вместе с тем сама регенерация фильтроэлементов данных очистителей возможна только при тонкости очистки до 25 мкм. Традиционные механические фильтры тонкой очистки обладает весьма низкой грязеемкостью.

5.Прогрессивным направлением является очистка жидкости в силовых полях – электростатическом, магнитном или центробежном. Среди очистителей, использующих силовые поля, наибольшее распространение нашли центрифуги и гидроциклона. Последние обладают своим набором как положительных, так и отрицательных качеств. Их сочетание определило на практике ограниченную область применения центрифуг – встройке их в отдельную гидравлическую систему очистки жидкости в ванне.

6.Самостоятельным перспективным направлением создания систем очистки жидкости от ферромагнитных загрязнений является использование электрогидромагнитных очистителей, которые имеют высокую степень очистки жидкости при значительных ее расходах и высокой грязеемкости.

7. Из обзора научно-технической литературы следует, что средства и способы очистки жидкостей разработаны в наибольшей мере для объемных гидромашин. Вместе с тем, указанные разработки не решают ряд проблем:

- во-первых, очистка рабочих жидкостей объемных гидромашин от ферромагнитных загрязнений;

- во-вторых, существующие очистители оказывают существенное влияние на рабочие характеристики рассматриваемых гидравлических систем, что приводит к снижению качества их работы, в частности, надежности и срока службы этих гидросистем.

8. Обзор литературы показал, что наработанные средства и способы очистки объемных гидромашин не нашли применения в практике разработки и конструирования динамических гидромашин, что заметным образом влияет на их качество работы.

9. С учетом сказанного задача совершенствования очистителей рабочих жидкостей насосов с использованием гидроэлектрических технологий является актуальной и значимой для современной практики отечественного и зарубежного машиностроения.

1.6.2. Задачи исследования.

1. Разработать научно-методические основы для создания очистителей рабочих жидкостей насосов, использующих гидродинамический эффект очистки, в которых необходимо обосновать возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений на пондемоторную силу с целью упрощения конструкции и значительного повышения тонкости очистки.

2. На базе полученных научно-методических разработок по электромагнитным очистителям разработать конструкции указанных очиститителей и провести их апробацию в лабораторных и промышленных условиях.

3. Определить целесообразность и пути использования очистителей, работающих с использований гидроэлектрических технологий применительно к динамическим насосам, в том числе: разработать принципы расчета и конструирования очистителей перекачиваемой среды динамическими насосами, применение которых не окажет существенного влияния на рабочие характеристики указанных насосов, в частности на их всасывающую способность;

4. Разработать конструктивные решения и методику инженерных расчетов очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкостей динамических насосов.

5. Осуществить поиск дополнительных путей защиты щелевых уплотнений динамических насосов путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости.

РАЗДЕЛ 2

СОЗДАНИЕ ОЧИСТИТЕЛЕЙ, НЕ ИЗМЕНЯЮЩИХ УРОВЕНЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ОЧИЩАЕМОЙ ЖИДКОСТИ И ЗАЩИЩАЮЩИХ СИСТЕМУ ОТ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

2.1. Математическое моделирование процессов кондиционирования жидких сред в магнитном и электрическом поле.

Как было показано в первом разделе, обработкой магнитным полем можно достаточно эффективно очищать различные жидкости от ферромагнитных и других примесей. При этом в отличие от других методов в жидкостях не наблюдается изменения их основных характеристик и образование примесей. Учитывая, что очистители различных типов используются для фильтрации различных жидкостей, рассмотрим более подробно принципы работы и возможность разработки электромагнитных очистителей.

Ферромагнитные загрязнения возникают в результате изнашивания элементов оборудования и по другим причинам, подробно рассмотренные в первом разделе. Наличие этих загрязнений в охлаждающих жидкостях приводят к быстрому износу оборудования, которое эксплуатируется на предприятиях [19, 107].

Традиционные магнитные очистителя с возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов обладают рядом недостатков, описанных ранее, поэтому задача создания магнитных очистителей, которые способны при большой грязеемкости обеспечивать нужную степень очистки, остается открытой, и в данной работе автор попытался ее частично решить [74, 24].

2.1.1. Электромагнитные очистители со сложной конфигурацией магнитного поля.

Очиститель, имеющий сложную конфигурацию электромагнитного поля (ОСМП), изображен на рис.2.1 и представляет собой трубу 4 из неферромагнитного материала с намотанной на ней намагничивающей катушкой 5.

Рис.2.1. Электромагнитный очиститель.

1-входной/выходной штуцер; 2, 8 – пластины; 3 – втулка; 4 – труба;

5 – намагничивающая катушка; 6 – стержень; 7 – улавливающий диск;

9 – гайка; 10 – шпилька.

В трубе сделаны патрубки 1 для ввода загрязненной жидкости и вывода очищенной жидкости. Внутри трубы установлена улавливающая система, представляющая собой неферромагнитный стержень 6 с надетыми на него улавливающими дисками 7 из магнито-мягкого материала. Для прохода жидкости в улавливающих дисках проделаны отверстия, причем диски одеваются на ось так, чтобы оси отверстий в двух соседних дисках не совпадали. Поток жидкости и магнитное поле при этом направлено так, что ферромагнитные частицы загрязнений улавливаются на торцах улавливающих дисков, не забивая отверстия в них.

Испытания такого электромагнитного очистителя показали его высокую эффективность, и вместе с тем, выявили ряд проблем, наиболее существенной из которых было нахождение взаимосвязи между параметрами течения жидкости и конструктивными и силовыми параметрами электромагнитного поля очистителя, для определения их рациональных значений, обеспечивающих заданную тонкость очистки.

Для решения этой задачи нами было сделано следующее: определены поля скоростей вязкой жидкости, движущейся через перфорированную перегородку, используя которые были найдены силы сопротивления Стокса, действующие на частицу загрязнений, перемещающуюся в жидкости. Далее были определены выражения для пондеромоторной силы, действующей на ферромагнитную частицу загрязнений со стороны магнитного поля. На основании принципа суперпозиции мы учли влияние этих сил на движение ферромагнитной частицы загрязнений, движущейся в потоке вязкой неэлектропроводной немагнитной жидкости под действием неоднородного постоянного магнитного поля.

2.1.2. Определение поля скоростей вязкой жидкости

При нахождении поля скоростей вязкой жидкости, текущей через перфорированную перегородку, были приняты следующие допущения:

- движение характеризируется малыми числами Рейнольдса;



Pages:     || 2 | 3 | 4 |
 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.