автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Мембранная очистка обводненного топлива при эксплуатации тракторных дизелей

V

s

4

4 §

S

4.

i

к §

* 4

s

. S

5 \

/

î

\

\

V

\

4}

S

i II

л

il h

% %

Oí \

i\ 4

1

У

/

л

7 /7

БЕЛОРУССКАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Прудников Владимир Даниилович

МЕМБРАННАЯ ОЧИСТКА ОБВОДНЕННОГО ТОПЛИВА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальности : 05.20.03 - эксплуатация, восстановление и

ремонт сельскохозяйственной техники; 05.04.02- тепловые двигатели

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., профессор Карташевич А.Н. Научный консультант - к.т.н., доцент Мажугин Е.И.

ГОРКИ 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.1 1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

2.1

2.2

1.3

2.4

3.1

3.2

з.

3.4

Введение

Состояние вопроса и задачи исследований Обзор литературы по теме исследований Исследование надежности топливоподающей аппаратуры тракторных дизелей в условиях эксплуатации Накопление и распределение воды в топливной системе тракторных дизелей Пути повышения надежности топливной аппаратуры тракторных дизелей в условиях эксплуатации

Обзор литературы по мембранной фильтрации

Выводы и задачи исследований Теоретический анализ режимов микрофильтрации обводненного дизельного топлива

Загрязненное дизельное топливо как обратная эмульсия

Теоретическое обоснование режимов микрофильтрации обводненного дизельного топлива

Расчет параметров трубчатого мембранного

фильтра

Выводы

Программа и методика экспериментальных исследований

Программа экспериментальных исследований Общая методика

3.2.1. Лабораторная установка для испытания плоских синтетических мембран

3.2.2. Лабораторная установка для очистки обводненного дизельного топлива

Описание метода определения концентрации воды в дизельном топливе Методика испытания работоспособности мембранного топливного фильтра

4 8 8

13

26 39

45

55 57

57 66

70

75

76

76 85

ВВЕДЕНИЕ

Возможность наиболее эффективного использования тракторов и других самоходных машин в сельском хозяйстве определяется в значительной степени их правильной эксплуатацией.

В соответствии с прогнозом [1] на ближайшие 20...25 лет основным силовым агрегатом для наземных машин будут оставаться поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Общая мощность поршневых двигателей, используемых в народном хозяйстве, превышает 2 млрд. лошадиных сил, что примерно в 5,5 раз больше установленной мощности всех стационарных электростанций. Парк двигателей внутреннего сгорания (ДВС), превышает 21 млн. шт., потребляет 90% бензина, 80 % дизельного топлива и 84 % моторных масел, выработанных в странах СНГ [1]. Сельское хозяйство является одним из самых массовых потребителей нефтепродуктов, расходуя более 40 % дизельного топлива и 30% автобензина [2].

Тракторными двигателями потребляется большая часть дизельного топлива. Ежегодный расход топлива только сельскохозяйственными тракторами составляет свыше 30 млн. тонн, а всеми тракторами 55 млн. тонн. В связи с этим улучшение топливной экономичности дизелей является важнейшей народнохозяйственной задачей [1].

Существенный резерв повышения топливной экономичности дизелей -стабильная и надежная работа топливоподающей аппаратуры, внедрение системы автоматического регулирования теплового состояния ее и дизеля в целом, повышение точности изготовления прецизионных деталей топливной аппаратуры и комплектования ими двигателей с одинаковыми характеристиками.

Одним из путей повышения надежности тракторных дизелей в условиях реальной эксплуатации является применение высококачественного топлива. После изготовления на нефтеперерабатывающих заводах требуемых сортов топлива при хранении, транспортировке и заправке машин качество топлива постепенно ухудшается. Одной из основных причин ухудшения эксплуатационных свойства дизельного топлива является попадание в них влаги, присутствие которой, даже в весьма малых количествах, способно резко повлиять на свойства дизельного топлива. Следует отметить, что возможность попадания влаги в дизельное топливо при его хранении, транспортировке, заправке и применении очень велика, а удаление воды из топлива и организация надежного контроля наличия воды на всех стадиях очистки связаны со значительными трудностями и в настоящее время нет радикального решения этой проблемы.

Топливоподающая аппаратура дизелей чувствительна к чистоте топлива. Ее техническое состояние резко ухудшается при попадании в топливо загрязнений в виде абразивных частиц, смол, воды, растворенных газов.

Срок службы топливной аппаратуры во многом определяется качеством фильтрации дизельного топлива. Присутствие в топливе свободной воды ухудшает работоспособность фильтрующего элемента фильтра тонкой очистки, снижает эффективность очистки топлива от механических примесей и ресурс его работы.

Значительное снижение надежности топливной аппаратуры тракторных дизелей в условиях реальной эксплуатации является следствием наличия воды в дизельном топливе, что приводит к потере работоспособности фильтровальных элементов из-за их набухания, деформации и порывов.

Кроме того, наличие свободной воды оказывает отрицательное влияние на энергетические и низкотемпературные показатели топлива, увеличивает в них электростатический заряд и ускоряет коррозию металлов, повышает склонность топлива к загрязнению как микробиологическому, так и механическими частицами за счет их коагуляции, значительно ухудшает противоизносные, противозадирные свойства и термоокислительную стойкость топлив [1].

С целью улучшения качества очистки топлива на современных тракторных дизелях применяют многоступенчатые фильтрующие элементы, обеспечивающие коэффициент отсева механических примесей 97...98% и тонкость отсева до 2 мкм [1].

Физико-химические показатели дизельного топлива изменяются при температурных колебаниях, а в условиях эксплуатации они возможны в широком диапазоне даже в течение одной смены.

Известно, что углеводородное топливо всех видов обладает обратимой гигроскопичностью, то есть при определенных условиях растворяет атмосферную влагу, а с изменением этих условий выделяет ее из растворов в виде микрокапель. Растворенная в углеводородных жидкостях вода не диссоциирует на ионы, а находится в виде отдельных молекул, которые расположены между молекулами углеводородов и не диссоциируют в большинстве углеводородов вплоть до концентрации насыщения.

Количество воды, растворенной в углеводородном топливе, при прочих равных условиях определяется строением углеводородов и их молекулярной массой. На растворимость воды в первую очередь оказывают воздействие такие внешние факторы, как температура окружающего воздуха, влажность и давление. С повышением температуры растворимость воды во всех нефтепродуктах увеличивается.

При резком понижении температуры вода из топлива не успевает перейти в воздух и выделяется в виде микрокапель, образуя свободную воду, которая находится в равновесии.

Многократное повторение процессов охлаждения и нагревания топлива, связанное с характером эксплуатации трактора в зимнее время - работа на открытом воздухе и стоянкой в теплых гаражах, приводит к значительному обводнению топлива за счет конденсации паров воды в воздухе.

Таким образом, вода в топливе может находится в двух состояниях: растворенном и свободном.

Особую опасность представляет в топливе вода, находящаяся в виде эмульсии высокой дисперсности. Ее трудно обнаружить в эксплуатационных условиях. При наличии воды в топливе снижается теплота сгорания, ухудшается распыление и испарение в процессе горения, снижается температура в камере сгорания, уменьшается давление паров топлива . В присутствии воды повышается склонность топлива к окислению и накоплению загрязнений в виде нерастворимого осадка. Если в нефтепродукте имеется вода, то содержащиеся в нем активные, в коррозионном отношении, вещества диссоциируют в водном растворе, образуя электролиты, и коррозия носит электрохимический характер. Интенсивность протекания процесса возрастает в тех случаях, когда обводненная продукция контактирует с различными металлами, имеющими разный электрохимический потенциал. Каждый металл также характеризуется неоднородными в химическом отношении участками, при взаимодействии которых с электролитами появляется гальванический ток. В обводненном топливе подвергаются поверхностному коррозионному разрушению даже высоколегированные стали, из которых обычно изготавливают наиболее важные детали топливоподающей аппаратуры. Низколегированные стали корродируют уже в течении нескольких часов, хотя в сухом топливе коррозия их не происходит в течении 300 суток [2].

При наличии в топливе растворенной и эмульсионной воды значительно ухудшаются его противоизносные и противозадирные свойства. Чистота является одним из важнейших эксплуатационных свойств нефтепродуктов. Требования к чистоте предусмотрены соответствующими государственными стандартами и техническими условиями и зависят от условий применения нефтепродуктов. В СССР введен ГОСТ 17216-71, которым определены 19 классов чистоты жидкостей в зависимости от дисперсного состава твердых загрязнений. Введение этого ГОСТа дает возможность выбирать чистоту нефтепродуктов для машин и механизмов с соответствующими допусками, посадками и чистотой обработки рабочих поверхностей .

Наиболее жесткие требования предъявляются к чистоте реактивных и дизельных топлив для быстроходных двигателей . По этим требованиям в дизельном топливе должна отсутствовать свободная вода , содержание механических примесей должна быть не более 0,0002% , а максимальный размер частиц механических примесей не должен превышать 5мкм [1]. Присутствие микроскопических капель воды приводит к разрывам смазывающей пленки и возникновению сухого трения . Вода в топливе является одним из наиболее активных веществ, которое способствует коагуляции частиц и образованию агрегатов включающих смолистые, неорганические вещества и воду. Все они вызывают повышенный износ, заклинивание, отказы .

Разработка и исследование новых средств очистки дизельного топлива направлена на обеспечение высокой эффективности фильтров, снижение

гидравлических сопротивлений, упрощение конструкции с целью создания удобств эксплуатации, снижение массогабаритных характеристик.

Выполнение указанных требований возможно при создании материалов, обладающих большими удельными пропускными способностями, при достаточно высокой эффективности очистки фильтрами.

Одной из важных проблем в двигателестроении является защита топливной аппаратуры от загрязнений, находящихся в топливе .

Особенно большое внимание в последнее время, уделяется решению задач по отделению воды различными методами .

Таким образом, очистка дизельного топлива от мелкодисперсной воды является насущней необходимостью, так как позволяет: во-первых, уменьшить расход дизельного топлива; во-вторых, повысить надежность агрегатов топливоподающей аппаратуры;

в-третьих, повысить эксплуатационные показатели дизелей сельскохозяйственных тракторов;

в-четвертых, снизить затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт дизелей;

в - пятых, снизить экологическое загрязнение окружающей среды . Целью данных исследований является совершенствование очистки дизельного топлива путем мембранной микрофильтрации при эксплуатации дизелей тракторов.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Обзор литературы по теме исследований

Вода является постоянным спутником дизельного топлива, оказывающим отрицательное влияние как на свойства топлива, так и на трудоспособность отдельных узлов топливной аппаратуры современных дизельных двигателей. Она ухудшает низкотемпературные свойства топлив т.к. в ее присутствии повышается температура помутнения и кристаллизации, что снижает фильтруемость и прокачиваемость топлив. Вода ухудшает процессы распыления, испарения и горения топлива и снижает КПД двигателя. Она значительно усиливает процессы коррозии в топливе и увеличивает склонность топлива к накоплению загрязнений. Вода способствует микробиологическому загрязнению топлива, что приводит к резкому возрастанию коррозионных свойств топлива. Кроме того, вода приводит к изменению вязкости и ухудшению свойств смазывающих свойств топлива. Отрицательное влияние на эксплуатационные свойства топлива оказывает, главным образом, свободная вода [1].

Практикой эксплуатации установлено, что значительная часть неисправностей, возникающих в дизельных двигателях, приходится на топливную аппаратуру.

В двигателях 8ЧН 13/14 на топливную аппаратуру приходится около 25% отказов [ 2], в двигателях Д-50 (4 ЧН 11/12,5) - 50% и в двигателях СМД (4 4 12/14)- 14...30%.

Присутствие в топливе свободной воды ухудшает работоспособность фильтрующего элемента фильтра тонкой очистки: снижаются эффективность очистки топлив от механических примесей и ресурс их работы. По данным работы [3], 10... 18 % фильтрующего элемента ЭТФ-3 подвергаются набуханию и деформации из-за наличия воды в топливе. Обследование фильтров тонкой очистки тракторов в эксплуатации показало, что более 35% фильтров тонкой очистки теряют свою работоспособность из-за наличия в топливе большого количества воды [4]. Ресурс работы фильтра тонкой очистки в отдельных случаях снижается с 1500 до 200...300 ч [5].

При низких температурах кристаллы льда забивают фильтрующий элемент, уменьшая при этом их пропускную способность или полностью блокируя их.

Вода оказывает отрицательное влияние на энергетические свойства топлива. Наличие в топливе свободной воды приводит к неравномерному распылению топлива, в результате испарения воды - к снижению температуры в камере сгорания, что ухудшает процесс испарения самого топлива [6].

При увеличении обводненности топлива электростатический заряд в нем возрастает в 10...15 раз по сравнению с обезвоженным топливом [6], что может привести к взрыву паро-воздушной смеси.

В обводненном топливе резко возрастает скорость коррозии, значительно ухудшаются противоизносные и противозадирные свойства. Установлено, что противоизносные свойства дизельного топлива ухудшаются практически с уменьшением их вязкости и увеличением содержания в них воды [1]. При попадании в дизельное топливо воды значительно повышается изнашивание распылителей, что является следствием совместного действия электрохимической коррозии и трения [7;8;9]. Значительная коррозия топливных насосов наблюдается особенно в период, когда двигатель не работает, так как после остановки двигателя капли воды конденсируются и оседают на детали насоса, вызывая повреждения в виде сплошной коррозионной сыпи или локальных язв [8; 10; 11 ].

По результатам исследований проведенных П.А. Власовым [12] установлено, что к основным видам изнашивания относятся абразивное и коррозионное, вызываемое наличием в топливе абразивных частиц и воды. Установлено, что при использовании чистого топлива ресурс топливоподающей аппаратуры достигает 8... 10 тыс.моточасов.

При работе на безмоторном стенде с двенадцатиплунжерным насосом двигателя ЯМЗ- 240Б на обводненном и загрязненном дизельном топливе К.В. Рыбаковым; Э.И. Удлер; М.Е. Кузнецовым [9] получены следующие результаты. В процессе непрерывной работы насоса увеличение содержания в топливе эмульсионной воды до 3% не приводит к значительному ухудшению работоспособности. В процессе циклической работы содержание эмульсионной воды более 0,5% приводит к разному ухудшению их работоспособности. Это объясняется в первом случае тем, что присутствие воды незначительно снижает смазывающие свойства топлива и непрерывная работа насоса не приводит к коррозионному износу. Во втором случае вследствие длительных остановок появляется коррозионное изнашивание.

В работе A.B. Белявцева [13] отмечается, что стараясь увеличить ресурс топливного насоса, конструкторы уменьшают первоначальный зазор в прецизионных парах с тем, чтобы до предельного значения они работали как можно дольше. В насосах распределительного типа этот зазор уменьшают от 8... 10 мкм до 0,6... 1,2 мкм. Однако такие насосы могут работать только при тщательно очищенном топливе.

Рыбаков К.В., Удлер Э.И., Кузнецов М.Е. в своей работе [9] отметили, что при непрерывной работе насоса на топливе с постоянным содержанием механических примесей ( кварцевой пыли 0,001%) и при повышении содержания воды до 1% работоспособность плунжерных пар не снижается, а при дальнейшем увеличении содержания воды она уменьшается. Это объясняется тем, что микрокапли воды адсорбируют кварцевую пыль и при содержании ее в топливе до 1% микрокапли проходят через зазор плунжерной пары, не увеличивая износа. Общее же содержание кварцевой пыли, диспергированной в топливе, уменьшается, что снижает