МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Халіль Сергій Ахмедович

УДК 621.892:628.543.15 /088.8/

ВИСОКОЕФЕКТИВНЕ ВІДНОВЛЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ЯКОСТЕЙ РОБОЧИХ РІДИН АВІАЦІЙНИХ ГІДРООЛИВНИХ СИСТЕМ

У КВАЗІПОСТІЙНОМУ ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ.

05.22.20 – експлуатація і ремонт транспортних засобів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Національному авіаційному університеті.

Науковий керівник: Гаража Валентин Васильович

кандидат технічних наук, доцент кафедри конст-рукції літальних апаратів НАУ,

Офіційні опоненти: член кореспондент НАНУ,

доктор технічних наук, професор

Аксьонов Олександр Федотович,

радник ректорату

кандидат технічних наук,

Вернигора Володимир Олександрович

провідний науковий співробітник НДІ“

Будмаш”

Провідна організація - АНТК ім. О. К. Антонова Міністерства промислової політики

Захист відбудеться 18.10.2001 року о _15_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради ___Д 26.062.03 в Національному авіаційному університеті.Адреса: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова,1.

З дисертацією можно ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету (03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова,1).

Автореферат розіслано 16.09.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук,

професор НАУ Запорожець О. І.

Загальна характеристика роботи.

Актуальність теми.

Ефективність використання транспортних комплексів, складовою частиною яких є повітряний транспорт, у першу чергу залежить від надійності й ресурсу енергетичних та рідинних (паливних, оливних та інших) систем, впровадження в експлуатацію енергозаощаджувальних технологій, методів очистки й регенерації робочих рідин, які є одним із головних конструктивних елементів таких систем.

Як свідчить досвід експлуатації, виробництва та ремонту авіаційної техніки, підвищення надійності й безпеки польотів, збільшення ресурсу повітряних суден (ПС) багато в чому залежить від забезпечення нормованого рівня чистоти авіаційних рідин функціональних систем. Прагнення досягти максимальної вагової ефективності й точності регулювання таких систем викликало реалізацію зростання робочого тиску в гідросистемах з одного боку й мініатюризацію сервомеханізмів з другого, що привело до зменшення зазорів в агрегатах функціональних систем між поршнем і циліндром, гільзою і плунжером, сідлом клапана і клапаном. В золотникових розподільних пристроях зазори в робочих елементах скоротилися від десятків до декількох мікрон. Однак, ці конструктивні ускладнення поряд з розширенням функцій, які виконуються гідросистемами, привели до підвищення вимог щодо забезпечення їхньої високої експлуатаційної надійності й довговічності. Як показує аналіз льотної та наземної експлуатації ПС, реалізація більш жорстких вимог щодо надійності та довговічності не в повній мірі забезпечує безвідмовність роботи авіаційної техніки. У першу чергу, це пов'язано з наявністю в робочих рідинах функціональних систем вільної води й механічних забруднень, вміст яких нормується ГОСТ 17216-71.

До 200 льотних пригод в межах одного року більш ніж у 30 % випадків пов'язано з відмовами й ненадійною роботою паливнорегулювальної апаратури авіадвигунів, 50 – 60 % всіх відмов ПС пов'язано з порушеннями роботи гідравлічних і паливних систем разом узятих. Із кожних 100 авіаційних ситуацій в гідросистемах 15 % відбувається в наслідок забруднення робочих рідин. З цієї причини в 10 – 12 разів знижується ресурс гідронасосів, а тривалість нормального функціонування плунжерних пар паливнорегулювальної апаратури – у три рази.

Так як до 50 відмов рідинних систем ПС виявляється у польоті, а не під час наземного технічного обслуговування, визначальним напрямком у рішенні забезпечення безпеки польотів за рахунок надійної й довговічної роботи гідравлічних пристроїв і паливно регулювальної апаратури набувають дослідження, спрямовані на розробку нових нетрадиційних методів і засобів тонкої очистки гідравлічних, моторних олив і спецрідин від емульсійної води та механічних забруднень.

У даний час у вітчизняній та зарубіжній практиці для очистки робочих рідин функціональних систем від емульсійної води та механічних забруднень традиційно використовуються пористі матеріали, які поряд з позитивними якостями надають механічним фільтрам малий ресурс, високий гідравлічний опір, значні експлуатаційні витрати, низький рівень поновлення. Поряд із традиційними методами очистки за останні 20 років за рубежем і у вітчизняній практиці знаходять застосування для тонкої очистки робочих рідин функціональних систем ПС від емульсійної води та механічних домішок силові поля: квазіпостійне електричне, центробіжне, магнітне.

Одним із прогресуючих методів очистки діелектричних рідин є зневоднення силами квазіпостійного електричного поля з конструктивною реалізацією у вигляді електродегідратора (ЕДГ), міжелектродний простір якого виконано у вигляді матричної системи, очищувального середовища, поляризаційного наповнювача. Розвинута осаджувальна поверхня, яка формується наповнювачем, забезпечує ефективне видалення мехдомішок. Обсяг наукових досліджень у цій галузі порівняно невеликий, однак, існуючі дослідження вітчизняних і зарубіжних авторів відносяться до газових полярних середовищ і діелектричних рідин, в яких знаходяться неполярні часточки механічних домішок.

Дисперсна фаза водно – оливних емульсій (ВОЕ) є полярною, і тому питання руйнування ВОЕ в ЕДГ з поляризаційним наповнювачем залишається маловивченим, а традиційні методи електроосадження на поверхню поляризаційного наповнювача не дозволяють видалити виділені мехдомішки з міжелектродного простору в зону утилізації, що приводить до дискретного використання таких пристроїв у технологічних процесах очистки.

Мета і завдання дослідження.

Мета роботи – розробка і дослідження ЕДГ з поляризаційним наповнювачем для високоефективної тонкої очистки неполярних робочих рідин функціональних систем ПС від емульсійної води і домішок.

Для реалізації наміченої мети виконано постановку таких завдань:

- розробити обладнання і методики для дослідження впливу різних чинників на ефективність роботи ЕДГ;

- дослідити процес осадження краплинок емульсійної води на волокна поляризаційного наповнювача в діелектричному рідинному дисперсному середовищі під час накладання зовнішнього квазіпостійного електричного поля;

- виконати оцінку ефективності роботи поляризаційного ЕДГ;

- дослідити вплив різних факторів на ефективність процесу обезводнення авіаційних олив і спецрідин;

- виконати математичне моделювання поляризаційного ЕДГ і оптимізацію чинників, що впливають на процес обезводнення авіаційних олив і спецрідин;

- дослідити характеристики оптимальних модульних елементів, лабораторного й натурного зразка поляризаційного ЕДГ в лабораторних і експлуатаційних умовах;

- виконати виробничі досліди поляризаційного електродегідратора.

Наукова новизна

Експериментальні дослідження дозволили здійснити вибір оптимального наповнювача із волокон ниток вовняної пряжі, що зберігає свої поляризаційні якості під час адсорбування емульсійної води і механічних домішок на поверхні осадження в міжелектродному просторі ЕДГ, що практично зберігають постійним час релаксації багатокомпонентної системи, з якої формується робоча зона ЕДГ.

Установлено управляючі параметри роботи ЕДГ і ступінь впливу їх на ефективність очистки діелектричних неполярних рідких середовищ, в основу роботи ЕДГ покладено поляризаційний принцип дії.

Уперше у вітчизняній практиці розроблено оптимальну конструкцію поляризаційного ЕДГ, що забезпечує безперервне видалення дисперсної фази із зони фільтрації в зону накопичення виокремленної емульсійної води і мехдомішок для утилізації під час безперервної роботи ЕДГ.

Аналітично отримано рівняння, яке описує ефективність роботи ЕДГ з волокнистим поляризаційним наповнювачем. Досліджено процес осадження краплинок емульсійної води (з адсорбованими на їхніх поверхнях розділу мехдомішками) на поверхню ниткоподібного волокнистого наповнювача під час накладання зовнішнього квазіпостійного електричного поля. Установлено, що по мірі коагуляції крапельки емульсійної води скочуються по волокнам вовняних ниток в зону утилізації (відстійник), чим і досягається видалення емульсійної води із зони фільтрації.

Установлено, що в основі роботи ЕДГ домінуюче значення мають поляризаційні ефекти взаємодії між краплинками емульсійної води, часточками мехдомішок і волокнами ниткоподібного вовняного наповнювача.

Визначено оптимальні межі значень конструктивно – технологічних чинників поляризаційного ЕДГ рішенням завдання нелінійного програмування.

Виконано експериментальні дослідження за оцінкою впливу управляючих чинників на процес очистки авіаційної гідравлічної оливи АМГ-10, авіаційної оливи МК-8, трансформаторної оливи і кремнійорганічної рідини диметилдихлорсилана поляризаційним ЕДГ, а також проведено дослідження на ефективність його роботи в лабораторних і виробничих умовах.

Практична значимість роботи

міститься в розробці високоефективного поляризаційного ЕДГ для тонкої очистки моторних, гідравлічних олив і спеціальних рідин авіаційних функціональних систем від емульсійної води з забезпеченням безперервного видалення з робочої зони фільтрації в зону накопичення виокремленої емульсійної води для утилізації в процесі роботи ЕДГ, не вимагаючи для цього переривання основного технологічного процесу, який пов'язаний з отриманням продукту, що очищається, або підготовкою його до експлуатаційного застосування в авіакомпаніях і на промислових підприємствах.

Доцільність практичного застосування поляризаційного ЕДГ з волокнистим ниткоподібним наповнювачем із вовняної пряжі диктується практично необмеженим ресурсом його роботи (виокремлена дисперсна фаза у вигляді краплинок емульсійної води постійно виводиться із зони фільтрації), малим гідравлічним опором, незначними енерговитратами, можливістю утилізації виокремлених забруднень у процесі її роботи без зупинки основного технологічного процесу, високою питомою подачею, яка вище, ніж у існуючих наземних механічних фільтрів із пористих матеріалів.

Розроблена математична модель роботи ЕДГ дає змогу виконувати конструктивні розробки та проектування ЕДГ з оптимальними характеристиками ефективності очистки з заданою подачею рідини, яка очищається.

Реалізація науково – технічних результатів роботи.

Розроблений поляризаційний ЕДГ було апробовано:

- для очистки кремнійорганічної рідини (диметилдихлорсилана) від емульсійної води і механічних домішок у технологічному процесі його виробництва в цеху №4 заводу “Кремній полімер” м. Запоріжжя з очікуваним економічним ефектом – 54 000 у.о. в рік;

- для очистки трансформаторної оливи від емульсійної води та механічних домішок у цеху підготовки оливи на “Запорізькому трансформаторному заводі”;

Апробація роботи.

Результати дисертаційної роботи доповідалися на:

- міжнародній науково – технічній конференції “АВІА - 99”, Київ, 1999 р.;

- міжнародній науково – технічній конференції “АВІА - 2000”, Київ, 2000 р.

- науково – технічній конференції професорсько – викладацького складу КМУЦА, Київ, 1995, 1996 рр.

Публікації.

З теми дисертації опубліковано 3 роботи.

Обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків.

Загальний обсяг – 186 стор., з них 135 стор. машинописного тексту, 51 стор. ілюстративного матеріалу, 8 стор. додатків. Бібліографія - 151 найменувань на 13 сторінках.

Короткий зміст роботи.

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми тонкої очистки неполярних робочих рідин функціональних авіаційних систем від емульсійної води та мехдомішок, а також розробки нових технологій, методів і пристроїв для високоефективної очистки авіаГМО, світлих нафтопродуктів і спеціальних рідин. Дано розгорнуту характеристику і класифікацію існуючих засобів та методів обезводнення, спрогнозовано перспективність руйнування й конструктивної реалізації обробки воднооливних емульсій (ВОЄ) у квазипостійному електричному полі. Показано, що одним із варіантів вирішення ефективного руйнування малоконцентрованих розбавлених ВОЄ є розробка й дослідження ЕДГ, міжелектродний простір яких являє собою окремі модулі у вигляді середовища, яке очищається, і наповнювача в міжелектродному просторі, який формує розвинуту поверхню осадження, що забезпечує високу ефективність осадження дисперсної водної фази ВОЄ і виокремлення її від дисперсного середовища.

У першій главі проаналізовано причини виникнення і утворення ВОЄ в умовах транспортування, зберігання і застосування авіаційних моторних, гідравлічних олив і спеціальних рідин функціональних систем ПС. Описано вплив емульсійної, вільної води і механічних домішок на роботу прецизійних гідравлічних пристроїв і агрегатів функціональних систем ПС. Висвітлено вимоги до очистки робочих рідин, розглянуто порівняльну оцінку існуючих засобів і методів глибокого руйнування ВОЕ. Рівень вмісту емульсійної води в авіаційних моторних і гідравлічних оливах обмежується величиною 0,01 – 0,005 % за масою. Аналіз переваг і недоліків методів очистки й обезводнення свідчить про перспективність використання для авіаолив і спецрідин електроочистки.

Проаналізовано електричні явища й процеси в емульсіях типу “вода в оливі” при накладанні зовнішнього квазіпостійного електричного поля. При цьому можуть виникнути такі явища, як електрофорез, диполофорез. Для неполярних середовищ, до яких належать авіаційні оливи і спеціальні рідини більш характерний диполофорез, а рух частинок дисперсної фази забезпечується за рахунок діелектричного ефекту. Показано, що під час діелектрофорезу потрібні сильні високонеоднорідні електричні поля, а також значна різниця діелектричної проникливості частинок дисперсної фази й дисперсійного середовища.

Виконано обґрунтування теми й постановку завдань дослідження. На підставі аналізу теоретичних основ виникнення й існування емульсій показано, що ВОЕ належать до емульсій полярної крапельної рідини – води, в неполярному середовищі – авіаоливах, тобто до емульсій зворотного типу. За консистенцією – це мало концентровані сильно розбавлені емульсії з вмістом дисперсної водної фази від 0,006 до 0,2 %.

Указано причини стійкості таких емульсій, якими є висока дисперсність, малий вміст дисперсної водної фази, утворення на поверхні розділу диспергованих краплинок подвійного електричного шару. Електричний заряд, що виникає при цьому, приводить до електричного відштовхування. Успішне руйнування ВОЕ може забезпечити накладання зовнішнього квазіпостійного електричного поля високої напруги. Ефективність руйнування ВОЕ залежить від частоти електричного поля. Виходячи з аналізу аналітичних виразів для оцінки електричних сил, які діють на крапельки дисперсної фази ВОЕ, спрогнозовано шляхи удосконалення процесу руйнування малоконцентрованих високодисперсних емульсій з метою конструктивної реалізації високоефективного ЕДГ, основними з яких є:

- створення зони руйнування ВОЕ в ЕДГ у вигляді окремих модулів, кожен із яких формував би в своєму міжелектродному просторі зони підвищенного напруження й неоднорідності електричного поля;

- збільшення кількості таких зон на шляху руху рідини, яку очищують;

- зменшення довжини шляху частинок дисперсної фази до осаджувальної поверхні з можливістю безперервного відводу осілих краплинок дисперсної фази з зони фільтрації в зону утилізації.

Реалізація цих умов забезпечує успішне руйнування ВОЕ модульним ЕДГ. Міжелектродний простір кожного модуля заповнюється поляризаційним наповнювачем з невисокою щільністю пакування.

У висновку першого розділу на підставі наведеного аналізу стану питання сформульовано мету й завдання дослідження.

У другій главі наведено основні дисперсні середовища, на базі яких досліджувався процес руйнування ВОЕ у квазіпостійному електричному полі. Як мінеральні дисперсні середовища використані:

- авіаційна гідравлічна олива АМГ-10 ГОСТ 6794-75;

- моторна олива МК-8 ГОСТ 6457-66;

- трансформаторна олива ГОСТ 982-68;

а як синтетичну органічну рідину взято гідролізат – диметилдихлорсилан.

Забезпечення високої точності й достовірності отриманих результатів під час оцінки вмісту емульсійної води у ВОЕ забезпечувалося використанням допрацьованого фотометричного аналізатора ФС-112 і хроматографа ЛКМ-80.

Дано коротке описання спеціально розробленої експериментальної установки для дослідження процесу руйнування ВОЕ, яку побудовано за модульним принципом. В установку входить модуль приготування ВОЕ досліджуваного рівня обводнення і дисперсності, модуль досліджуваних зразків камерних ячейок ЕДГ, модуль досліджуваного лабораторного зразка ЕДГ з волокнистим ниткоподібним поляризаційним наповнювачем із вовняної пряжі. Модулі за допомогою комутаційних зв'язків об'єднані в загальний стенд, принципова схема якого показана на мал. 1. Експериментальна установка дає змогу працювати за рециркуляційною схемою (однобаковою) під час дослідження зразків камерних ячейок ЕДГ і за двох баковою схемою при проведенні досліджень лабораторного зразка ЕДГ з поляризаційним наповнювачем. Наведено чотири найбільш вдалих конструктивних рішення побудови електроочисних пакетів для електроочищувачів. Вибрано два варіанти найбільш прийнятних конструктивних схем електродів для використання в конструкції ЕДГ: схема “площина – гофр” і “площина – ялинка” з розміщенням у між електродному просторі поляризаційного наповнювача. Для реалізації високоефективного руйнування ВОЕ, процес обезводнення умовно поділено на три етапи:

- зниження дисперсності краплинок емульсійної води;

- осадження вільної води на конструктивно виділену поверхню осадження;

- вивід укрупнених краплин з поверхні осадження (зони фільтрації) у спеціальну зону для накопичення вільної води з подальшою утилізацією.

Для знаходження оптимальних режимів обробки ВОЕ у квазіпостійному електричному полі і вибору поляризаційного наповнювача розроблено модульну камерну ячейку ЕДГ, на якій досліджувались два перші етапи процесу руйнування ВОЕ. Наведено технічні характеристики досліджених поляризаційних наповнювачів:

- гранулоподібної конденсаторної кераміки Т-150 ГОСТ 5458-75;капронового волокна ТУ 606.С155-85;

- щетини ГОСТ 28637-90;

- ниток чистововняної пряжі ГОСТ 17511-83.

Описано конструкцію лабораторного зразка ЕДГ з поляризаційним наповнювачем модульного принципу побудови, конструктивну схему якого показано на мал. 2. Відмінною особливістю ЕДГ є горизонтальна орієнтація електроочисного пакета електродів у його корпусі, що дало змогу сформувати в дегідраторі відстойну зону (15), в яку забезпечується відвід осадженої на волокнах наповнювача дисперсної водної фази і видалення її з “зони фільтрації” з подальшим видаленням вільної води з відстійника при утворенні межі поділу “олива – вода”. Наводяться гідравлічні характеристики лабораторного зразка ЕДГ.

Для проведення досліджень спеціально розроблено такі методики:

- методику складання експериментальної установки;

- методику підготовки експериментальної установки до проведення досліджень;

- методику підготовки модульної камерної ячейки електродегідратора до досліджень;

- методику приготування ВОЕ;

- методику оцінки вмісту дисперсної водної фази в водно – оливних емульсіях;

- методику визначення впливу, режимів обробки ВОЕ на ефективність їх руйнування в квазіпостійному електричному полі;

- методику обробки експериментальних даних, отриманих у результаті наведених досліджень.

У висновку другої глави методами теорії погрішностей виконано оцінку помилки відтворення паралельних експериментів, а також розроблено і сформовано програму досліджень.

У третій главі виконано теоретичні і експериментальні дослідження процесу міграції і осадження частинок–краплинок дисперсної фази ВОЕ в неполярному дисперсійному середовищі на поверхню ниткоподібного поляризаційного наповнювача. Проведено аналіз факторів, який дає змогу виявити управляючі параметри процесу руйнування й видалення дисперсної фази ВОЕ із олив і спецрідин, що очищаються.

Процес міграції і осадження дисперсної водної фази на поверхню ниткоподібного поляризаційного наповнювача під дією квазіпостійного електричного поля досліджувався на спеціальній камерній ячейці з органічного скла. Дисперсним середовищем служили гідравлічна олива АМГ-10 і трансформаторна олива, а дисперсною фазою – частинки-крапельки води. Явища, які виникають у матричній системі волокон, яка заповнює міжелектродний простір камерної ячейки ЕДГ, вивчалися візуально за допомогою мікроскопа МБС-2 і за не обхідності фіксувались фотозйомкою.

Матрична система розглядалась як рівномірно розподілені в рідинному діелектричному неполярному середовищі циліндричні волокна – нитки, осі яких розміщені перпендикулярно вектору напруженості квазіпостійного електричного поля (мал. 3).

Сприймаючи припущення, що відношення діелектричних проникливостей eн/eж сумірно з відношенням їх питомних електричних проводимостей, можна одержати вираз для оцінки напруженості електричного поля . Напруженість поля на поверхні поляризованого в рідкому діелектрику волокна може бути визначена (наприклад у точках А чи В) за формулою:

де: - об'ємний вміст волокон у матричній системі; а – радіус циліндра (волокна); b – відстань між осями сусідніх волокон; eн і eж – діелектричні проникливості волокон наповнювача і рідкого середовища відповідно; Е0 – напруженість зовнішнього електричного поля.

Із формули витікає, що напруженість квазіпостійного електричного поля ЕА,В залежить від співвідношення діелектричних проникливостей середовища і поляризаційного наповнювача, а також від a - щільності розміщення волокон наповнювача в середовищі.

Напруженість ЕА,В при відповідних співвідношеннях eн/eж і a може в 2 – 3 рази бути більшою за напруженість накладеного зовнішнього електричного поля Е0. Враховуючи фактори eн, eж і a, можна припустити, що між волокнами наповнювача і частинками – крапельками води дисперсної фази ВОЕ переважають ефекти дипольної взаємодії. У цьому разі можна припустити, що міграція частинок – краплинок води буде здійснюватися до волокон з подальшим осадженням на їхній поверхні в зонах концентрації поляризаційних зарядів, які виникають під час накладання Е0.

Спостереження під мікроскопом і фотозйомка підтвердили зроблене вище припущення про те, що зонами переважного осадження дисперсної водної фази на волокнах наповнювача є поляризовані області, де напруженість електричного поля ЕА,В буде перевищувати початкову Е0.

Отримано рівняння руху частинки - крапельки дисперсної водної фази в діелектричному дисперсному середовищі під дією зовнішнього електричного поля. Процес відокремлення дисперсної водної фази ВОЕ, якщо накладати зовнішнє електричне поле, розглядався на основі аналізу руху одиночної частинки – крапельки дисперсної фази. При цьому рух краплі уявлявся як переміщення зваженої в оливі частинки під дією прикладених до неї зовнішніх сил.

Рівняння руху частинки дисперсної фази знайдено на підставі аналізу балансу сил, що діють на частинку в рухливому в'язкому середовищі:

де: - вектор швидкості краплинки води; mк – її маса; rк – радіус краплинки; - вектор швидкості витікання оливи в ЕДГ; m - динамічна в'язкість оливи; - сума зовнішніх сил, які діють на краплю і t - час.

Наведено вирази для оцінки величини сил, що діють на частинку в каналах – ячейках ЕДГ, а розподіл силових ліній електричного поля поляризованих волокон отримано на основі робіт В. Хавличека, Г. Зебеля, В. Білогузова.

На основі аналізу робіт А. Кірша, К. Нола і встановленого, як превалюючого, поляризаційного ефекту, отримано інтегральну оцінку, в основу якої покладено аналітичне рівняння ефективності роботи ЕДГ з поляризаційним наповнювачем. Теоретичні дослідження дали змогу визначити величину коефіцієнта осадження x для одиночного волокна, а інтегральна оцінка ефективності видалення дисперсної фази ВОЕ для електроочищувального пакета ЕДГ дала змогу отримати формулу:

де: f - коефіцієнт водовідділення; Sн – чинник суцільного волокнистого наповнювача, який характеризує поверхню осадження. На базі формули для коефіцієнта водовідділення отримано стаціонарне рівняння оцінки ефективності роботи ЕДГ з поляризаційним наповнювачем.

Розглядаючи зону водовідділення як камерну (пористу) структуру, можна показати, що зміна концентрації дисперсної фази ВОЕ dd, на ділянці ЕДГ – dL пропорційна їх концентрації на вході d0, числу камер (пор) в одиниці об'єму nk і ефективному перерізу камери Sеф (ефективній площі захвату частинок дисперсної фази ВОЕ):

.

Після інтегрування даної формули і переходу до коефіцієнта водовідділення, отримано в загальному вигляді рівняння ефективності роботи ЕДГ:

де: nk – число камер (пор) волокон в одиниці об'єму ЕДГ.

Ефективну площу перерізу камери Sеф знайдено у припущенні, що зони захвату формуються в області точок контакту сусідніх волокон, утворюючи циліндричну поверхню еквівалентного радіуса r0 (мал. 3). Приймаючи ромбоподібний вигляд упаковки камер (волокон) отримано стаціонарне рівняння ефективності роботи ЕДГ:

Аналіз стаціонарного рівняння ефективності роботи ЕДГ з поляризаційним наповнювачем показав, що вона залежить від щільності упаковки волокон aн, відношення r*/a – радіуса захвату до радіуса волокна, довжини волокон L і величини a – радіуса волокон наповнювача. Коефіцієнт водовідділення f буде зростати зі збільшенням довжини ЕДГ і зменшенням 2а – діаметра волокон поляризаційного наповнювача.

У результаті даного дослідження встановлено основні позитивні фактори, які впливають на ефективність роботи ЕДГ з поляризаційним наповнювачем:

- електричні параметри – напруженість і неоднорідність розподілу електричного поля в міжелектродному просторі;

- конструктивні параметри, які визначають співвідношення розмірів його окремих елементів, тип і властивості поляризаційного наповнювача, вид ізоляції електродів;

- експлуатаційні характеристики, до яких відносять питому подачу очищувальної рідини, швидкість і режим прокачування рідини в ЕДГ;

- фізико-механічні параметри очищувальної рідини: тип (органічна чи синтетична), в'язкість, щільність, діелектрична проникливість;

- параметри дисперсної фази, які характеризують вид речовини, гранулометричний склад, форму і концентрацію частинок у дисперсному середовищі, їх діелектричну проникливість;

- скорочення довжини шляху міграції краплинок-частинок за рахунок членування потоку на ряд тонкошарових течій.

Вираз для оцінки ефективності ЕДГ дає змогу визначити коефіцієнт водовідділення f в широких діапазонах варіювання параметрів, які характеризують процес руйнування ВОЕ, але її безпосереднє використання f=max обмежено складністю визначення сполучень цих параметрів і області варіювання, з одного боку, і не враховує ряд процесів, що спостерігаються при руйнуванні ВОЕ і впливають на ефективність роботи ЕДГ, з іншого.

До таких процесів слід віднести:

- коагуляція краплинок дисперсної фази ВОЕ можлива до деякого граничного розміру крапель, після чого можливо їх диспергування при фіксованому E квазіпостійного електричного поля;

- наявність на поверхні розділу краплинок подвійного електричного шару буде сприяти адсорбування на їхніх поверхнях дрібних частинок домішок;

- під час руйнування ВОЕ в електричному полі ЕДГ розмір краплинок води буде зростати за рахунок коагуляції, що скоротить шлях їх осадження на поверхню волокон наповнювача;

- в області сітчастого (неізольованого) електроду в результаті безпосереднього контакту краплинок з ним частини дисперсної фази ВОЕ крім поляризаційного заряду, будуть набувати додаткову підзарядку, що підвищить ефективність їх осадження на волокна поляризаційного наповнювача.

Тому для врахування названих чинників при оптимальному поєднанні параметрів, які характеризують високоефективне руйнування ВОЕ в ЕДГ з поляризаційним наповнювачем застосовано математичне моделювання з використанням програмування на основі експериментальних даних. При цьому аналітичне описування роботи ЕДГ виконувалось сумісно з поліноміальним у вигляді рівняння регресії.

На підставі факторної оптимізації виявлено 17 основних мислимих факторів, які практично впливають на ефективність роботи ЕДГ: перепад тиску, різниця потенціалів на електродах, конфігурація і геометричні параметри наповнювача, об'ємний вміст (щільність упаковки) волокнистого наповнювача, робоча довжина електроочисного пакету, відстань (зазор) між плоскими ізольованими електродами, конфігурація сітчастого неізольованого електрода, кут при вершині сітчастого електрода, матеріал ізолюючого покриття плоских електродів, товщина ізолюючого покриття, дисперсний склад водної фази емульсії, концентрація дисперсної водної фази, температура обезводненої рідини, орієнтація структури волокнистого наповнювача, очищувані авіаГЗМ і спецрідини. Аналіз множини факторів виявив “значимі” з них, які були затребуваними під час математичного моделювання.

На основі аналізу апріорної інформації в залежності від змін функції відгуку і кривизни поверхні знайдено локальну область виконання експериментальних досліджень, яку задано основними рівнями й інтервалами варіювання факторів.

Виконано факторну оптимізацію параметрів поляризаційного ЕДГ для обезводнення оливи АМГ-10. За параметри оптимізації прийнято коефіцієнт водовідділення f і питому подачу очищувальної рідини Wуд. У план факторної оптимізації включено вісім факторів. Із них перепад тиску Dp і параметр П=(eгр-eж/eгр+2eж), що характеризує матеріал поляризаційного наповнювача, розглядались як комплексні фактори, які містять у собі співвідношення між одиничними факторами. Інші фактори U, 2a, a, q, L, H, t0 фіксувались на рівнях, виявлених у процесі факторного аналізу. Для побудови матриці планування було задіяно 28-4, тобто 1/16 репликою від повного факторного плану 28. Використовуючи метод крутого перевалу реалізовано другу репліку від 28-4 і отримано матрицю планування для цієї репліки. Виключення впливу систематичних помилок, зумовлених зовнішніми умовами, досягалося постановкою паралельних дослідів, запланованих у кожній репліці 28-4, рандомізуванням у часі за допомогою генератора випадкових чисел.

Визначено майже стаціонарну область методом крутого сходження. Лінійна апроксимація функції відгуку після реалізації основної і зворотної до неї репліки методом “перевалу” і проведення регресивного аналізу отримано лінійну математичну модель роботи ЕДГ:

=40 -0,57x1 +10,45x2 -4,35x3 +5,6x4 +0,01x5 +7,25x6 +0,8x7 +14,75x8.

Визначення майже стаціонарної області функції відгуку виконано методом крутого сходження за градієнтом, що дало змогу визначити найкращу єдність факторів для отримання значення fmax.

Здійснено перехід методом нелінійного програмування для описання майже стаціонарної області, виконано планування другого порядку для параметрів оптимізації – коефіцієнта водовідділення =f, який враховує вплив в'язкості m, об'ємної подачі Q при фіксованій площі поперечного перерізу ЕДГ на ефективність очистки олив.

Будуючи математичну модель, використали ядро центрального композиційного ортогонального плану (ЦКОП) другого ступеня, у разі використання якого всі коефіцієнти регресії оцінюються незалежно. Центр плану (центр експерименту) переносився в точку майже стаціонарної області, де було досягнуто найкращих результатів під час крутого сходження.

Після обробки результатів експериментів і розрахунку коефіцієнтів регресії отримано математичну модель другого порядку, яку використано як базову для ЕДГ і для фактичних значень незалежних змінних рівняння буде мати вигляд:

= 75,44 –2,85Dp +9,46 U –3,45ґ2a +5,03a +7,4q +

+1,99Dp2 –2,82q2 –1,86П2 +1,13ґ2aП –1,58a.

Математичні моделі оцінки ефективності роботи ЕДГ з волокнистим поляризаційним наповнювачем описуються поліномами першого і другого порядків, показують направленість і ступінь впливу кожного з факторів на процес руйнування ВОЕ (на прикладі дисперсного середовища оливи АМГ-10). Гіпотези, розглянуті у третій главі про направленість впливу факторів на ефективність роботи ЕДГ підтверджуються експериментальними дослідженнями, а теоретично отримані значення f задовільно узгоджуються з даними експериментів (мал. 4, 7).

У четвертій главі наведено результати досліджень щодо вибору оптимальних конструктивно-технологічних параметрів камерних ячейок ЕДГ з поляризаційним наповнювачем. Вибір оптимального за ефективністю руйнування ВОЕ поляризаційного наповнювача базувався на гранулоподібному і волокнистому наповнювачах. Дослідження гранул конденсаторної кераміки Т-130 показало, що в обводненій оливі вони втрачають поляризаційний ефект через пористість і гігроскопічність. Із волокнистих наповнювачів найкращими зразками поляризаційних наповнювачів для руйнування ВОЕ є нитки чисто вовняної пряжі і волокна щетини, для яких характерні діелектричні властивості з виявленням трибоелектричного ефекту.

Для волокон тваринного походження характерні властивості гідрофобності й одночасно з цим здатність поглинати вологу в капілярні канали, які мають ворсинки вовни і волокна щетини. Цікавий той факт, що адсорбція води призводить до збільшення діелектричної проникливості вовни.

З двох досліджених найкращих волокнистих наповнювачів оптимальними виявилися нитки чисто вовняної пряжі, використання яких дозволяє не тільки зберегти поляризаційний ефект в ВОЕ, але й створити більш розвинуту поверхню осадження для краплинок дисперсної фази емульсій.

Як видно на мал. 5, кратність зменшення k коефіцієнта водовід ділення від відносної подачі Q/Q0 при наповнювачеві з вовни складає 1,98 при збільшенні відносної подачі до 4,5 хв-1, а для волокон щетини відповідно 2,3 при тому ж діапазоні Q/Q0.

Зміщення кривої 1 вгору відносно кривої 2 показує, що нитки чисто вовняної пряжі працюють більш ефективно при руйнуванні ВОЕ. Встановлено, що коефіцієнт водовідділення в 1,2 рази більший при використанні ниток вовни як поляризаційного наповнювача у порівнянні з волокнами з щетини.

Як показали дослідження, на ефективність руйнування ВОЕ впливає фракційний склад дисперсної фази. Характерне зростання фракційного коефіцієнта водовід ділення із збільшенням напруженості на електродах. При цьому fф має оптимум за напругою для кожного дискретного діапазону фракцій. Ефективність руйнування ВОЕ при використанні вовни як поляризаційного наповнювача може бути в 1,5 – 1,6 разів більшою, ніж при використанні щетини.

На ефективність руйнування ВОЕ впливає гідродинамічний режим роботи ЕДГ з поляризаційним наповнювачем. Встановлено, що із збільшенням подачі емульсії, яка руйнується, ефективність водовідділення fS у досліджуваному діапазоні напруг падає в 2 рази (fS = 1,0 при Dp = 0,01 мПа і fS = 0,48 при Dp = 0,045 мПа). Зміна fS від Q/Q0 при фіксованому значенні напруги на електродах представлено на мал. 6. На мал. 7 представлено експериментальну і розрахункову залежності якісної оцінки руйнування ВОЕ при збільшенні Q/Q0 для рекомендованого для практичної реалізації діапазону напруг (U=5–6 кВ). Криві 1 і 2 мають близький характер протікання й задовільну сходимість експериментальних і розрахункових значень fS, DfS (по кривим 1 і 2) складає від 0,05 до 0,15.

Крім емульсій на базі АМГ-10 досліджено ВОЕ на основі моторних олив МК-8, трансформаторного, як замісника першого з них (мал. 8). Ефективність руйнування ВОЕ досягає fS = 0,95 – 0,99 при напругах U = 7,5 – 8,5 кВ.

На енергетичні витрати при руйнуванні ВОЕ впливає щільність струму i/Sе і вид поляризаційного наповнювача (мал. 9). Характерно зростання fS із зростанням щільності струму. Використовуючи наповнювач із вовни, отримано ефективність очистки в 1,2 рази більше у порівнянні з наповнювачем із щетини при однакових значеннях управляючих параметрів. При максимальних значеннях коефіцієнта водовідділення f зростає щільність струму i/Sе, яка залежить не тільки від напруги на електродах, але й від обводненості ВОЕ.

Експериментальні дослідження очистки диметилдихлорсилану від емульсійної води та мехдомішок показали, що ефективність очистки залежить не тільки від напруги на електродах поляризаційного ЕДГ і відносної подачі очищувальної емульсії, але й від відносного вмісту води cS (мал. 10). При оптимальних значеннях управляючих параметрів очистка гідролізату від емульсійної води й мехдомішок досягає fS = 0,99 при зниженні вмісту емульсійної води в 1,64 – 4,8 рази в залежності від початкового вмісту води і мехдомішок.

Перехід від камерних ячейок до лабораторного зразка поляризаційного ЕДГ показав відсутність впливу мірильного фактора на ефективність руйнування ВОЕ у квазіпостійному електричному полі, про що свідчать залежності на мал. 11 - 14.

При варіюванні управляючих параметрів і відносної подачі = 0 - 8 мин-1, напруги U = 0 - 8 кВ, швидкості подачі ВОЕ V = 0,8 … 2 см/с, часу обробки емульсії в електричному полі tэ = 10 - 20 0С, коефіцієнт очистки fS = 0,8 - 1,0.

Висока ефективність ЕДГ стосовно очистки від мехдомішок пояснюється тим, що краплинки води в квазіпостійному електричному полі, володіючи діпольною поляризацією, утворюють подвійний електричний шар на поверхні поділу “вода – олива”, забезпечують адсорбування на поверхні поділу механічних частинок із олив з подальшим відводом по волокнах вовни в зону утилізації – відстійник.

Зіставлення ефективності руйнування ВОЕ в ЕДГ в експерименті і на основі розрахунків показало прийнятну сходимість експериментальних і розрахункових значень fS = f(Q/Q0). При цьому DfS між експериментальним і теоретичним значенням коефіцієнту водовідділення був не більш 0,15 в діапазоні Q/Q0, рекомендованих для практичної реалізації.

Для дослідження поляризаційного ЕДГ у виробничих умовах було виготовлено повнорозмірний експериментальний зразок, який мав конструктивні параметри: площа поперечного перерізу S0 = 59,5 ґ 10-3 м2, робочий об'єм Q0 = 16,8 ґ 10-3 м3, число модульних камер – секцій електродного пакету n = 14, відстань між плоскими електродами H = 12 ґ 10-3 м, поляризаційний наповнювач – нитки чисто вовняної пряжі ГОСТ 17511-83.

Натурні випробування проводилися на заводі “Кремній полімер” м. Запоріжжя на ділянці виробництва диметилдихлорсилану цеха №4. Експериментальний повнорозмірний ЕДГ приєднувався до технологічного ланцюжка замість пресфільтра і панчішного фільтра (мал. 15). Загальне напрацювання ЕДГ під час безперервної роботи склало 20 г, при цьому було очищено від емульсійної води та мехдомішок 14 м3 гідролізату при подачі на ЕДГ Q = 0,7 м3/г і U = 8 кВ. Вміст H2O в гідролізаті знизився в 5,5 рази, забезпечуючи її вміст до рівня розчинення, при цьому коефіцієнт світлопропускання, який характеризує вміст мехдомішок в гідролізаті, досягав значення kсп = 0,88.

Натурні випробування поляризаційного експериментального ЕДГ на Запорізькому трансформаторному заводі щодо очистки трансформаторної оливи від води та мехдомішок проводилися за програмою ЦЗЛ у повній відповідності до технологічних вимог цеху підготовки олив. ЕДГ встановлюється на ділянці пресфільтрів.

Загальне напрацювання ЕДГ при його безперервній роботі склало 24 г, при цьому від води і мехдомішок очищено 29 м3 трансформаторної оливи при подачі через ЕДГ Q = 1,2 м3/г і напрузі U = 7 кВ.

За оцінками ЦЗЛ, ефективність очистки оливи від води склала від 0,02 % на вході до рівня розчинності у відповідності до температури очищувальної оливи, відповідно до c = 0,0039 - 0,0075 % при t = 25 - 29 0С.

Ефективність очистки від мехдомішок: концентрація забруднень на вході була 650 г/т чи 0,0653 %, а на виході із ЕДГ від 4 г/т до 16 г/т, що відповідало 0,0004 – 0,00169 % тобто відповідало зниженню концентрації в 86,3 рази.

Аналіз складу мехдомішок на фотометричному аналізаторі типу АОЗ 103 показав, що до очистки трансформаторна олива відповідала 12 – 14 класу чистоти по ГОСТ 17216-71, а після очистки в ЕДГ – 2 класу чистоти з повною відсутністю частинок розміром більш за 5 мкм.

Натурні випробування ЕДГ показали високу ефективність роботи відстойника і підтвердили можливість використання поляризаційного ЕДГ у технологічних процесах з безперервним технологічним циклом.

У висновках показано основні результати дисертаційної роботи.

У додатках наведено результати виробничих випробувань, оцінка економмічного ефекту від втілення поляризаційного ЕДГ.

Висновки.

1. На базі виконаних досліджень розроблено високоефективний поляризаційний єлектродегідратор для очистки діелектричних робочих рідин функціональних систем від емульсійної води та механічних забруднень з безперервним циклом роботи.

2. Розроблено обладнання і методики, які дозволили реалізувати програму досліджень.

3. Використано процес осадження краплинок емульсійної води і частинок мехдомішок на волокна поляризаційного наповнювача у діелектричних рідинних середовищах. Встановлено, що в основу руйнування ВОЕ та суспензій полягають поляризаційні ефекти взаємодії частинок з волокнами ниткоподібного наповнювача.

4. На базі стаціонарного рівняння оцінки ефективності роботи ЕДГ з поляризаційним наповнювачем досліджено вплив управляючих чинників на ефективність обезводнення авіаційних олив та спецрідин.

5. Виконано математичне моделювання процесу водовідділення у квазіпостійному електричному полі, дозволивши на базі факторної оптимізації і експериментальних даних визначити область оптимальних співвідношень управляючих параметрів при максимальній ефективності руйнування водно – оливних емульсій та суспензій.

6. Досліджено модульні камерні ячейки, лабораторний і повнорозмірний експериментальний зразки ЕДГ в лабораторних та експлуатаційних умовах на заводі “Кремній полімер” і трансформаторному заводі м. Запоріжжя. Встановлено, що однократна (прямоточна) очистка світлих нафтопродуктів при оптимальних сполученнях управляючих параметрів дає змогу отримати тонкість очистки, яка відповідає 2 класу чистоти по ГОСТ 17216-71 для мехдомішок і знизити вміст води до рівня розчинності.

7. Виробничі випробування повно розмірного експериментального зразка ЕДГ на трансформаторному заводі і заводі “Кремній полімер” м. Запоріжжя показали:

- під час очистки трансформаторної оливи при безперервній роботі на протязі 24 г ЕДГ забезпечив зниження мехдомішок у 81,3 рази, води – у 4,2 рази, відновлюючи оливу до вимог у стані постачання згідно ТИ 57.5556525207.001;

- під час очистки диметилдихлорсилану при безперервній роботі на протязі 20 г ЕДГ забезпечів зниження рівня вмісту мехдомішок у 6,8 рази, а води у 5,5 рази;

- гідравлічний опір ЕДГ не перевищує 0,45 МПа при питомій подачі від 0,7 до 1,2 м3/г,