автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Методы и средства обеспечения чистоты топливно-смазочных материалов в сельском хозяйстве

На правах рукописи

005051101

Богданов Виталий Сергеевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧИСТОТЫ ТОПЛИВНО-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 МАР 2013

Москва-2013

005051101

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ)

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Попов Владимир Никитович

Официальные оппоненты: Голубев Иван Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий отделом технического сервиса ФГБНУ «Росинформагротех» Варнаков Валерий Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО Ул ГУ, профессор Юдин Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Надежность и ремонт машин» ФГБОУ ВПО РГАЗУ

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

«Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИТиН)

Защита диссертации состоится 15 апреля 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д.16а, корп. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «с?7 »Мм^рЯ ¿X 2013 года.

Ученый секретарь ""—

диссертационного совета dl^-i«^— A.C. Дорохов

Общая характеристика работы Актуальность работы. В Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации указано на необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья. В Стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства на период до 2020 года, кроме роста продуктивности растениеводства и животноводства, указывается на необходимость оптимизации затрат материально-технических ресурсов, в том числе топливно-смазочных материалов при производстве сельскохозяйственной продукции. Ежегодно сельские товаропроизводители потребляют более 1 млн тонн бензина, 4 млн тонн дизельного топлива и другие топливно-

смазочные материалы (ТСМ).

Для надежной работы мобильной техники большое значение имеет обеспечение качества ТСМ в процессе транспортно-складских и заправочных операций.

Важным показателем качества ТСМ является их чистота: содержание в них воды, механических примесей и других органических и неорганических загрязнений, образующихся в нефтепродуктах или попадающих в них на всех этапах жизненного цикла - от нефтеперерабатывающих предприятий до баков и систем сельскохозяйственной техники. Данный показатель качества ТСМ способен резко ухудшаться в процессе транспортных и складских операций.

Наличие в ТСМ загрязнений значительно осложняет работу топливной аппаратуры, двигателей, узлов и агрегатов сельскохозяйственной техники. Наличие воды и механических примесей в ТСМ снижает ресурс узлов и агрегатов этой техники на 30 % и более. Поэтому обеспечение чистоты ТСМ в сельскохозяйственном производстве является научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение

Причинами увеличения содержания механических примесей и воды в ТСМ являются атмосферные, коррозионные, инкреторные, износные загрязнения, которые образуют остаточные загрязнения, скапливающиеся в транспортных цистернах, складских резервуарах, трубопроводных коммуникациях и другом технологическом оборудовании нефтескладов сельскохозяйственных предприятий, загрязняя затем следующие партии топлив и масел. В связи с этим необходимо проводить периодическую очистку резервуаров и цистерн от остатков ТСМ и загрязнений, а также очищать ТСМ перед их заправкой для исключения попадания воды и механических примесей в заправочные емкости сельскохозяйственных машин.

Очистка резервуаров и цистерн предусмотрена в установленные сроки при техническом обслуживании (ТО-2), а также производится при смене сорта ТСМ и проведении ремонтных работ. Однако существующие методы очистки емкостей и применяемое для этих целей оборудование имеют ряд недостатков, которые затрудняют достижение необходимых результатов вследствие высокой трудоемкости указанных операций и их технологической сложности.

Недостаточно исследованы вопросы влияния новых конструкционных материалов для изготовления резервуаров на чистоту ТСМ. Требуют решения задачи, связанные с оценкой степени загрязнения современных ТСМ, мероприятий по обеспечению их чистоты, изучением эффективности применения резервуаров из различных конструкционных материалов, разработкой устройств для их очистки от остаточных загрязнений ТСМ.

Цель работы - разработка эффективных методов и средств обеспечения чистоты ТСМ при их транспортировке, хранении и заправке сельскохозяйственной техники для повышения безотказности и долговечности этой техники при ее эксплуатации.

Научная концепция — обеспечение эффективной работы сельскохозяйственной техники путем повышения чистоты применяемых ТСМ.

Объект исследований - технические средства и технологическое оборудование для восстановления и поддержания чистоты ТСМ при транспортировании и хранении.

Предмет исследований — технические мероприятия и технологические процессы обеспечения чистоты ТСМ.

Научная новизна: предложены аналитические зависимости, описывающие процесс накопления остаточных загрязнений в складских резервуарах и транспортных цистернах;

разработаны математические модели процессов очистки емкостей различной формы от остаточных загрязнений и теоретически обоснованы методы утилизации продуктов очистки;

обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования для хранения ТСМ резервуаров из новых перспективных конструкционных материалов, способствующих снижению уровня загрязненности этих продуктов;

дано теоретическое обоснование и изучен механизм обезвоживания ТСМ с помощью новых гидрофильных материалов.

Методы исследований основаны на теоретических положениях математического моделирования, системного анализа, гидромеханики, аналитической химии, микробиологии, спектрального анализа. Для экспериментальных исследований разработаны оригинальные лабораторные установки и стенды, на которые получены патенты на полезные модели.

Практическая значимость работы:

разработаны методы химико-механо-гидродинамической очистки резервуаров для хранения ТСМ и утилизации продуктов очистки;

разработаны методы статической и динамической очистки ТСМ с помощью гидрофильных полимеров;

исследована степень загрязнения и эффективность очистки резервуаров из конструкционной стали марки Ст 3, Ст 3 с цинковым покрытием, алюминиевых сплавов, стеклопластика;

изучено влияние механических примесей и воды на трибологические характеристики минеральных, синтетических и рапсового масел;

разработан комплекс технологического оборудования для очистки складских и транспортных емкостей от остаточных загрязнений.

Внедрение результатов исследований. Разработанные методы и технологические средства внедрены в ЗАО «Домодедово Джет Сервис», ЗАО «Домодедово Фьюэл Сервисиз», ЗАО «Куликово», ЗАО «Агрофирма Бунятино», ГУП «Мосавтотранс 11-й автобусный парк», ООО «Агропромсервис», ГП «Калужская МТС» и др. Разработанные теоретические положения и методики используются в учебном процессе МГАУ им. В.П. Горячкина, МВТУ им Н.Э. Баумана, Брянской ГСХА.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО МГАУ 1998-2012 гг.; на технических совещаниях ФАУ 25 ГосНИИ МО РФ; международной НПК «Инженерия поверхности и реновация изделий», (г. Ялта, 2012 г.); ФГБНУ «Росинформагротех» (2012 г.) и др.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 20 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, издана одна монография, получены 2 патента на изобретение, 4 патента на полезную модель, получено 1 положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Всего автором по теме диссертации опубликовано 34 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений.

Работа включает 333 страницы, в том числе 47 таблиц, 116 рисунков, 189 наименований использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель, предмет и объект исследования, приведена научная новизна, практическая значимость результатов исследований.

В первой главе «Состояние вопроса и постановка задач исследования» на основе изучения объемов и номенклатуры ТСМ, потребляемых в сельском хозяйстве, влияния загрязнений на работу сопряженных деталей, анализа причин увеличения загрязнений ТСМ при транспортно-складских и заправочных операциях, методов и средств очистки ТСМ и оборудования, применяемого для очистки резервуаров, были сформулированы задачи исследований.

В сельскохозяйственном производстве применяется достаточно широкий спектр ТСМ. Это бензины, дизельные топлива, моторные, трансмиссионные, гидравлические масла, пластические смазки, технические жидкости. Объем используемых топлив, масел и технических жидкостей, применяемых в сельском хозяйстве, достигает 20 % от производства нефтепродуктов в России.

Около 50 % всех отказов топливной аппаратуры происходит из-за загрязненности топлива. Загрязненность масел ведет к ускоренному выходу из строя фильтров и других агрегатов систем смазки и гидропривода, вызывает

повышенный износ деталей этих систем, а также цилиндропоршневой группы двигателей, что снижает ресурс работы узлов трения в 2 - 3 раза.

В работах, посвященных теоретическим, экспериментальным и конструктивным разработкам в области обеспечения чистоты ТСМ, значительные результаты достигнуты такими учеными, как К.В. Рыбаков, В.П. Коваленко, Э.И. Удлер, Ю.А. Микипорис, Г.Ф. Большаков, М.А. Григорьев, А.Н. Зазуля, С.А. Нагорнов, Н.Е. Сыроедов, Н.М. Фатхиев, В.В. Остриков, В.В. Сафонов, В.М. Юдин, В.В. Варнаков и многими другими.

Вопросами борьбы с загрязнениями транспортных и складских емкостей занимались В.Н. Ерёмин, Е.В. Лукерьин, В.М. Таран, П.И. Кочкин, Н.Ф. Тель-нов, В.И. Савченко, Е.А. Пучин, В.Ф. Федоренко, И.Г. Голубев и другие.

Проведенные исследования показали, что удельный вес некондиционных ТСМ в сельском хозяйстве составляет по бензинам и дизельным топливам 22...23 %; по моторным маслам — 24 % и в меньшей степени по трансмиссионным маслам и смазочным материалам - 3 % (рисунок 1).

По объему до 70 % резервуаров имеют вместимость от 5 до 10 м3; реже, в крупных хозяйствах, до 25 м3 - 16 % (рисунок 2). зо

Удельный вес некондиционны)^ ТСМ, %

20 15 10 5 О

Рисунок 1 - Удельный вес некондиционных ТСМ в сельскохозяйственных предприятиях: 1 - бензин; 2 - дизельное топливо; 3 - моторное масло; 4 - трансмиссионное и гидравлическое масло; 5 - пластические смазки

Количество, % 60

50 40 30 20

10 о

Рисунок 2 - Объемы резервуарного парка в сельскохозяйственных предприятиях: 1 -до 5 м3; 2 - 10 м3; 3-25 м3; 4- 50м3; 5 -75 м3

6

24

22

1 1 гп

1 2 3 4 5

50

20

7 7

П ГП

1 2 3 4 5

По результатам исследований количества и состава ТСМ на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий в различных регионах страны установлено, что остаток ТСМ в них увеличивается прямо пропорционально увеличению объема резервуара. Загрязненные остатки ТСМ в резервуарах состоят из воды (от 3 до 38 %), механических примесей (от 2 до 28 %), органических веществ (от 1 до 45 %).

Основными факторами, влияющими на чистоту ТСМ при хранении, являются: химический состав ТСМ, материал резервуара, наличие антикоррозионных покрытий, атмосферное воздействие, присутствие подтоварной воды и

ДР- А

На образование загрязнений в ТСМ оказывают влияние следующие факторы: присутствие воды, механических примесей, температура, контакт с кислородом воздуха, продолжительность хранения. При этом протекают процессы окисления, полимеризации, конденсации и др. Образующиеся в результате загрязнения можно разделить на неорганические и органические, которые можно классифицировать следующим образом (рисунок 3).

Топливно-смазочные материалы

Загрязнения

Процессы

Конденсат«

Бподеградация

Органические

Карбены

Карбонды

Асфалиены

Смолы

Окисление —

Полимеризация _

Коагуляция —

Микроорганизмы

Рисунок 3 - Классификация загрязнений в ТСМ и факторов, воздействующих

на процессы их образования

В зависимости от конкретных условий применяются различные технологии очистки ТСМ.

Для комплексного решения проблемы повышения чистоты ТСМ необходимо решить следующие задачи:

- исследовать процессы загрязнения ТСМ в различных емкостях;

- обосновать конструкцию средств очистки резервуаров и цистерн от остаточных загрязнений, исследовать взаимодействие этих средств с материалами резервуаров;

- разработать методики и установки для экспериментальной проверки эффективности методов и средств очистки резервуаров;

- исследовать эффективность очистки резервуаров из различных конструкционных материалов при хранении в них бензинов, дизельных топлив, минеральных, синтетических, растительных масел;

- разработать рекомендации по методам очистки, регенерации и утилизации продуктов очистки и моющих жидкостей;

- теоретически обосновать целесообразность использования гидрофильных материалов для очистки ТСМ и экспериментально проверить эффективность этих операций;

- внедрить разработанные методы и средства обеспечения чистоты ТСМ в нефтехозяйствах сельскохозяйственных предприятий;

- дать технико-экономическую оценку использования разработанных технологий в сельском хозяйстве.

Во второй главе «Теоретические основы очистки топливио-смазочных материалов от загрязнений и воды» аналитически определено количество загрязнений, попадающих в резервуары с ТСМ. Изучение загрязнений в резервуарах для хранения ТСМ позволило установить, что они имеют инкреторное, атмосферное и коррозионное происхождение. На их образование влияет наличие нестабильных углеводородных компонентов и гетероорганиче-ских соединений в ТСМ, повышенная температура, присутствие каталически действующих веществ и воды. Найдены закономерности распределения загрязнений при их свободном осаждении применительно к горизонтальным цилиндрическим резервуарам, а также математическая модель образования осадка в процессе транспортировки и хранения ТСМ в цистернах с эллипсным сечением, используемых на автотранспорте, дано обоснование и расчет силы воздействия струи гидромонитора на очищаемую поверхность с учетом кривизны стенки резервуара для повышения эффективности очистки, определены закономерности влияния конструктивных, технических, технологических параметров на эффективность очистки внутренних поверхностей резервуаров химико-механо-гидродинамическим методом, определена продолжительность удаления остаточных ТСМ из горизонтального цилиндрического резервуара в процессе ва-куумирования. Обоснована эффективность применения биологической утилизации остатков ТСМ, удаленных из резервуаров, за счет их биодеградации. Теоретически обоснован процесс обезвоживания ТСМ гидрофильными полимерами, обеспечивающими повышение качества ТСМ в процессе их хранения без значительных затрат.

Моделирование процесса регенерации гидрофильных полимеров позволило установить возможность неоднократного использования полимеров после сушки, что делает их применение экономически выгодным.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена зависимость параметров струи моющего состава от конструктивных параметров резервуаров и определено их влияние на степень очистки внутренних поверхностей.

Для определения количества атмосферной пыли найдены аналитические зависимости, учитывающие запыленность воздуха, упругость паров ТСМ, температуры в резервуаре и других факторов.

Зависимость относительной площади заполнения цистерны с эллипсным сечением резервуара от параметра ср представлена на рисунке 4.

1,00000 0,90000 0,80000 0,70000 0,60000 0,50000 1/1 0,40000 0,30000 0,20000 0,10000 о.ооооо 4-

| т м т т (л «1 (о

ет о ■-< ~ -* о" о~ о тН гН

Рисунок 4 — Зависимость площади заполнения цистерны от параметра ср

Массу осадка на дне резервуара находим по формуле

, (1) где Сс — плотность осадка, кг/м3; 5С — площадь сечения осадка, м2 ; Ь — длина резервуара, м.

Верхняя граница осадка в стационарных резервуарах имеет форму вогнутой поверхности, но при движении автоцистерн границы ТСМ и осадка принимают форму плоскости. Поэтому осадок в эллиптическом цилиндре можно рассматривать как сегмент эллипса.

При переходе всех загрязнений ТСМ в осадок их масса сохраняется, поэтому М0 = Мс или С,,^ = Сс£с. (2)

Отсюда 5С = — 53. Обозначив —- = Кс - коэффициент отложений, полу-сс сс

чим: 5С = Кс53. (3)

Зависимость площади сечения осадка от параметра <р задается по формуле

5с(ср) = 2 • у'(ф)^ф = 2/^аЬсоз2ф-£^ф = ^ (2ф + эт 2 + тг), (4)

2 2 2

где а = OA, в =ОВ - полуоси эллипса, м; ср - угловая координата, рад. Параметр ср изменяется от - л/2 до л/2.

Суммарное количество адсорбированных загрязнений с учетом загрязнений в порах и микротрещинах внутренней поверхности резервуара определяется уравнением:

М = М1+М2, (5)

где Mi - масса загрязнений, адсорбированных на внутренней поверхности резервуара, кг; М2 - масса загрязнений, диффундировавших в металл, кг.

Масса адсорбированных загрязнений:

Mi = Са tfaS, (6)

где Са - концентрация загрязнений, кг/м3; На - толщина слоя отложений, м; 5-площадь загрязненной поверхности резервуара, м2.

Масса диффундировавших загрязнений составляет 10... 14 % от общей массы загрязнений. Количественно ее можно определить по формуле

Л*2 = Рк ' Е V = J"EVCi • dVMC, <7)

где рк - плотность загрязнений, кг/м3; £ V ~ суммарный объем микропор и микротрещин, м3; Q - текущая концентрация загрязнений в микропорах, кг/м3; Уме - объем моющего средства, м3.

Массу загрязнений, вымываемых из микропор моющими средствами, определяют по формуле

М2 = Смс^мс (8)

где Cue ~ концентрация загрязнений в моющем средстве, кг/м3.

В процессе очистки не все загрязнения могут быть извлечены из поверхностного слоя металла. Тогда величину остатка можно выразить уравнением:

ДМ=М2-М2. (9)

Для обеспечения качественной очистки необходимо, чтобы ДМ -» 0.

Эффективность процесса очистки определяют по формуле

<х0=£-ЮО%, (Ю)

ми

где Мк - масса загрязнений после очистки, кг; М„ - масса загрязнений до очистки, кг.

Коэффициент Ро показывает долю загрязнений, удаленных с очищаемой поверхности:

В _iiL±£.ioo%. (И)

Ма

ю

Для оценки эффективности очистки можно использовать коэффициент очистки, показывающий, во сколько раз уменьшилось загрязнение поверхности резервуара:

ко(12)

Коэффициенты сс0, (30 и Ко служат критериями оценки качества очистки резервуаров. Между ними существуют следующие соотношения:

а0 = ЮО — р0> (13)

04)

"о

График, приведенный на рисунке 5, показывает эффективность очистки при изменении коэффициентов оценки ее качества в зависимости от времени.

ао.1

3 Л,

/ г \

/

Ко%

5.0

2.5

■1.67

■1.25

Рисунок 5 - Зависимость эффективности очистки от продолжительности процесса: 1 - а0; 2 - р0; 3 - К0

5 10 15 '■иин

Для теоретического определения параметров струйной очистки резервуаров исследовано взаимодействие струи моющего состава (МС) с поверхностью резервуара.

Струю МС, истекающую из насадки (рисунок 6), можно представить тремя участками: первый, начальный (/„), характеризуется наличием плотной зоны, в которой скорости и динамические давления постоянны и равны скорости и динамическому давлению в насадке гидромонитора; второй, основной (госн), имеет еще сравнительно плотную центральную зону, но поверхность уже насыщена пузырьками воздуха; третий, неэффективный (г„еэф), состоит главным образом из разорванных струек и капель моющего средства в воздушной среде.

{

Гпт 6»Э<Ь У.

дй -Ч 1 II ^ * О

1 , рг Рг+Рв _ _3

Рисунок 6 - Схема движения струи МС к очищаемой поверхности резервуара: 1- сопло; 2 - струя; 3 - стенка резервуара; с1 - диаметр отверстия сопла; О - диаметр пятна контакта струи; а - угол наклона струи; р - угол расширения струи; - площадь струи; - площадь воздушной эмульсии; Д. - диаметр струи; 1Н, /осн, /неэф -соответственно длина начального, основного и неэффективного участка струи

При ударе о поверхность струя моющего средства превращается в слой жидкости, в котором течение направлено от точки удара вдоль загрязненной поверхности. Общий поток моющего средства распадается на множество струйных потоков (рисунок 7).

Рисунок 7 - Струя МС в момент удара о поверхность

Рисунок 8 - Схема распределения сил, воздействующих на частицы загрязнений: 1 - частица; 2 - очищаемая поверхность; - сила гидравлического воздействия; - подъемная сила; /•ф - сила трения; - сила адгезии; ¿Vд- вертикальная составляющая гидродинамической силы; а - угол наклона струи МС; в - сила тяжести

Механическое воздействие МС на загрязнения является одним из условий эффективности очистки наряду с физико-химическим воздействием МС.

Процесс очистки загрязненной поверхности состоит из следующих этапов: физико-химическое воздействие на частицу (размягчение частицы); отрыв частицы от очищаемой поверхности; вынос и удаление загрязнений потоком МС. Для осуществления процесса очистки (рисунок 8) сила гидродинамического воздействия /уд, действующая в направлении струи МС, должна превышать силы, препятствующие отрыву и перемещению частиц загрязнений. Это условие можно описать неравенством

Ргд>(±С+Р1р + Рп). (15)

Сила трения складывается из двух составляющих:

= + (16) где Рт — адгезионная составляющая силы трения, Н; Рдеф — деформационная составляющая силы трения, Н; С - сила тяжести частицы, Н.

Подъемная сила Рп возникает из-за проникания под частицу моющего состава. Этому способствует разность скоростей потока МС над частицей и под ней.

Очевидно, что сила гидродинамического удара будет максимальна на оси симметрии струи МС.

С учетом угла наклона струи МС к поверхности резервуара сила гидродинамического воздействия

/уд = р^2(1 - соэ а), (17)

где р - плотность жидкости, Н-с/м3; / - площадь пятна контакта струи МС, м2;

V - скорость жидкости перед ударом, м/с, а — угол наклона струи МС, град. С учетом кривизны обейчайки резервуара силу Ргд находим из выражения:

Ъ = (18)

где -О — внутренний диаметр резервуара, м; I - длина струи МС, м.

При удалении от сопла плотность струи уменьшается. Она определяется по формуле

Р( = РоК„ (19)

где К; - коэффициент, зависящий от соотношения расстояния поверхности от сопла I и диаметра сопла с1 .

Скорость, плотность МС, площадь пятна контакта зависят от давления в гидросистеме и вида сопла. Наиболее эффективными являются конусно-

цилиндрические сопла. Эффективность оценивается коэффициентом расхода жидкости

ц = £(р, (20)

где е - коэффициент сжатия струи; <р - коэффициент скорости.

В свою очередь, коэффициент сжатия определяется отношением диаметров входного и выходного отверстий сопла:

£ = Г-^-)2 = -К (21)

/вых

где (¿вх и /вх - соответственно диаметр и площадь входного отверстия сопла, м; с*вых и /ВЬ1Х - соответственно диаметр и площадь выходного отверстия сопла, м.

Коэффициент скорости определяется по формуле

(22)

^ л/а+в

где а - коэффициент Кориолиса; в - коэффициент сопротивления отверстия сопла. Скорость выхода струи МС из сопла определяется по формуле

% = Фл/25Ро, (23)

где д - ускорение свободного падения, м/с2; р0 - давление моющего средства перед соплом, Па.

Расход моющего состава определяем как произведение скорости выхода струи МС из сопла на площадь входного отверстия сопла:

а = /в>А = £/выхФ725Ро; (24)

<2 = И/выхДдР^- (25>

Интенсивность очистки зависит от прочностных характеристик загрязнений, толщины слоя и давления:

И = /(А • Л • ^ • р0 • 0. " (26>

где А - адгезионная прочность, МПа; й - толщина слоя загрязнений, м; (1-диаметр сопла, м; ро — давление на выходе из сопла, МПа; г - расстояние от сопла до очищаемой поверхности, м.

Интенсивность очистки загрязнений вычисляем по формуле:

И = 1,3 ехр(—ОД7р0) ехр (Сг12 + , (27)

где С,= —7,5- 10~4ехр(-0,046ро), С2= 0,3р0+ 4,5;

К, = 0,84 • ехр(—18,4 • I2 + 3,23 • 0- (28)

Полученные результаты позволяют назначать параметры химико-механо-гидродинамической очистки, при которых достигается максимальное разрушение загрязнений. В качестве показателя эффективности очистки можно выбрать

площадь поверхности, которая очищается за единицу времени (производительность очистки):

П = впЬК2, (29)

где П - производительность очистки, м2/с; дп - скорость проникновения струи вглубь очищаемой поверхности, м/с; Ь - ширина полосы очищения, м; К2 - коэффициент, зависящий от прочности загрязнений.

Аналитическая зависимость продолжительности вакуумного удаления остатков ТСМ от конструкционных параметров вертикальных резервуаров и от эксплуатационных факторов, предложенная Е.Ю. Лукерьиным, адаптирована применительно к горизонтальным резервуарам.

Для очистки ТСМ от эмульсионной воды и механических примесей обосновано применение гидрофильных полимерных материалов. Для поглощения воды из ТСМ предлагается использовать сополимер акриламида с аминоалки-лакрилатами следующей структуры:

СН, — СН

С = 0 I

Ш,

.он ся

I

с = о о — я,

3 I 3

я.

где Иг - н, СН3; Я2 - алкилен, (СН2,С2Н4,С3Н6); Я3,4 - алкил, (СН3,С2Н5,С3Н7); Я5 - Н, СН3,С2Н5,С3Н7; X - галоген, кислотный остаток (сульфат, ацетат и др.); т : п = 5:20-20:5.

Поглощение влаги указанным полимером из жидких ТСМ происходит за счет химической связи молекулы воды с гидрофильной группой макромолекулы, в результате чего происходит набухание частиц полимера. Молекулы полимеров могут реагировать друг с другом, образуя трехмерную пространственную структуру. Макромолекулы принимают форму клубка или глобулы, внутреннее пространство которой заполнено молекулами воды. Набухание сопровождается проникновением молекул воды между элементами структуры полимера, вызывая межструктурное набухание, или внутрь структур, раздвигая макромолекулы. При этом масса и объем полимера увеличиваются, а свойства тела (эластичность, упругость) сохраняются.

Для установления оптимальной по времени работы адсорбера (рисунок 9), обезвоживающего ТСМ, была определена скорость потока ТСМ, обеспечи-

вающая нахождение частиц полимера во взвешенном состоянии, что увеличивает эффективность очистки.

о" О

О

О °ф° ° О у

о о*о <6

/

/

I

Гидрофильный полимер

Сетка

Обводненный Т

0 = 600 мы Н= 1500мм <1 = 32мм

Рисунок 9 - Схема адсорбера с гидрофильным полимером

При прохождении потока ТСМ на частицу слоя полимера действует сила тяжести в, вектор которой направлен вертикально вниз, сила Архимеда А, вектор которой направлен вертикально вверх, и подъемная сила потока, действующая также вертикально вверх, которые выражаются следующими зависимостями:

сила тяжести

сила Архимеда

подъемная сила потока

С = -ттйп дрп; А = ^-пйп3дртсм;

„ _ ертсмт^п2»?2 -5-,

где с1П - средний диаметр частиц полимера, м, йп

(30)

(31)

(32)

м; (¿г — диаметр /-й частицы полимера, м; п — количество частиц полимера, шт, рп, ртсм -соответственно плотность частицы полимера и ТСМ, Н-с/м3; е - коэффициент лобового сопротивления; д - скорость потока ТСМ, м/с.

При постоянной скорости перемещения частицы полимера, когда сила сопротивления будет равна разности сил О и А, справедливо равенство:

(33)

- Ртсм) - '

7Г

= 0.

После замены — £ = Ф, где Ф - коэффициент сопротивления частиц по-

О

лимера, получаем:

0(рп - Ртсм) - УРтсм^2 = 0.

(34)

Преобразуя выражение (34), получаем формулу для определения скорости потока, обеспечивающего взвешенное состояние частиц:

$ _ . Я(Рп-Ртсм)

\ 6 ' Ч'Ртсм ' 16

По мере насыщения полимера водой его адсорбирующая способность снижается. Для повторного использования полимера обоснован процесс его регенерации путем сушки, основанный на механизмах влаго- и теплопереноса в молярно-пористых коллоидных телах. Математическая модель этого процесса сводится к решению системы дифференциальных уравнений влаго- и теплопереноса второго порядка в частных производных с соответствующими граничными условиями.

Регенерация проводится в два этапа. Первый этап — нагревание полимера путем пропускания через него нагретого воздуха при постоянной малой скорости $(0 = т90 (в нашем случае д0=3 м/с). При этом полимер оседает и переходит в порошкообразное состояние (образуются гранулы). После первого этапа определяли функцию

С(0=М (36)

7По

где шв(С) — масса воды, равная разности масс полимера до сушки и в момент времени при сушке, кг; т0 - первоначальная масса сухого полимера, кг.

Второй этап - сушка полимера в гранулах во взвешенном состоянии под действием поступающего со скоростью ^воздС^) нагретого воздуха. Скорость 19возд(^), необходимая для поддержания полимера во взвешенном состоянии, описывается выражением:

^возд(^) = 1+40,, у0(г+ст) (37>

Ч+СССО-' 11 V1 >

где 70 - объем сухого полимера, м3; Уг — объем влажного полимера, м3; с{1) — влажность полимера.

После сушки поглощающая способность полимера снижается на 5...8 %. Следовательно, гидрофильный полимер (сополимер акриламида с аминоалки-лакрилатами) выдерживает 8.. Л 0-кратное использование.

Для решения экологических проблем исследованы процессы утилизации продуктов очистки резервуаров, изучен процесс биодеградации нефтешлама с помощью микроорганизмов, определены оптимальные условия этого процесса.

В третьей главе «Методика проведения исследований» приведены методики изучения процессов эффективности очистки резервуаров, выполненных из различных конструкционных материалов, после хранения различных видов топлива и смазочных материалов. Предложены методика по оценке влияния загрязнений на трибологические свойства поверхностей деталей и методика стендовых испытаний двигателей с использованием ТСМ различной степени чистоты.

Разработана методика, позволяющая объективно оценить загрязненность в различных местах горизонтального резервуара (патент № 218639).

Для оценки моющих свойств различных растворов спроектирована лабораторная установка (рисунок 10) (свидетельство на полезную модель № 20735).

Установка выполнена в виде вертикального цилиндрического бака из нержавеющей стали 1Х18Н9Т со съемной крышкой, в котором размещаются испытуемые образцы. Наружные поверхности бака и крышки покрыты слоем теплоизоляции из жесткого пенополиуретана толщиной 25 мм, что обеспечивает под держание в баке необходимой температуры.

Рисунок 10 - Лабораторная установка для оценки моющей способности и коррозионности растворов: 1 - бак; 2 - крышка; 3 - термометр; 4 - образец; 5 - пропеллерная мешалка; 6 - электродвигатель; 7 - входной патрубок; 8 -теплоизоляция; 9 - выходной патрубок

Для изучения параметров струйной очистки внутренней поверхности резервуаров разработан стенд, схема которого представлена на рисунке 11.

\ Рисунок 11 - Стенд для ис-

следования процесса химико-механо-гидродинамической очистки резервуаров: 1 - герметичный корпус; 2 - термостат; 3 -насос высокого давления; 4 - со-пловый блок; 5 - емкость для сбора загрязненного моющего раствора; 6 - испытуемый образец; 7 - узел крепления образца; 8 - измерительные штанги; 9 - тен-зометрические датчики; 10 -моющая струя; 11 - фотоэлектрический датчик; 12 - источник излучения; 13, 17 - блоки питания; 14 - блок коррекции; 15 — блок управления; 16 — ПЭВМ; 18 — " ■ клапан; 19-крышка

В качестве испытуемых образцов использовали образцы толщиной 1,5 мм и размером 0,5мх0,5м с плоской и криволинейной поверхностью в виде сегмента цилиндра.

17 11 1В

При проведении испытаний образцы поочередно располагали на расстоянии 300 мм от сопла, причем плоский образец размещали сначала перпендикулярно к продольной оси струи, а затем под углами 15°, 20° и 45°. В качестве рабочей жидкости использовали воду, которую подавали насосом производительностью 30 л/мин и напором 0,5 МПа.

При взаимодействии струи с поверхностью образца с помощью тензомет-рической системы измерения фиксировали силу удара струи о поверхность образца.

Определение эффективности очистки резервуаров вакуумированием проводили на лабораторной установке, включающей тарированную емкость с неф-теостатками вместимостью 20 л, емкость-сборник нефтеостатков вместимостью 25 л, вакуумный насос типа В2Т, контрольно-измерительную аппаратуру, со-

установки представлена на ри-

Рисунок 12 - Схема лабораторной установки для исследования вакуумной очистки резервуаров: 1 - тарированная емкость; 2 - приемная труба; 3 - пробковый кран; 4 - вакуумметр; 5 - резервуар-сборник; 6 - вакуумная линия; 7 - трехходовой кран; 8 - вакуумный насос; 9 - термопара; 10 - потенциометр

Для исследования процесса утилизации нефтеотходов с помощью микроорганизмов спроектирована и изготовлена модельная установка, включающая корпус, в котором размещен лоток с обрабатываемыми нефтеотходами, барбо-тажное устройство для подачи воздуха, горизонтальную мешалку для перемешивания нефтеотходов, датчик для измерения рН, контактный термометр для измерения температуры среды, штуцер для подачи титрующей жидкости. Емкость оборудована краном для отбора проб (рисунок 13).

единительные рукава. Принципиальная сунке 12.

1 2 3 4 5

биологическими методами: 1 - термопара; 2 - датчик рН-метра; 3 - ротаметр; 4 -потенциометр; 5 — рН-метр; 6 - кран для отбора проб; 7 - емкость; 8 - барботажное устройство; 9 - терморегулятор; 10 — контактный термометр; 11 - воздухонагреватель; 12 - компрессор; 13 - насос-дозатор; 14-сосуд для титрующей жидкости

Для тестирования выбраны нефтеокисляющие биопрепараты НАФ-ТОКС, ЦЕНТРИН, ДНЗ-1. Тестирование заключается в культивировании биопрепаратов в колбах, установленных на качалке.

Минеральная среда для культивирования выбрана, исходя из рекомендаций Государственного научно-исследовательского института синтеза белковых веществ, следующего состава: (1ч1Н4)2804 - 3 г/л; М§804х7Н20 - 0,7 г/л; КН2Р04 - 6,5 г/л; Ре804х7Н20 - 12,5 мг/л; гп804х7Н20 - 12,5 мг/л; Мп804х5Н20 - 12,5 мг/л.

С целью определения эффективности очистки ТСМ от воды с помощью гидрофильных полимеров разработана установка, в которой через адсорбер с полимером прокачивается обводненный топливно-смазочный материал. При этом контролируется степень набухания полимера.

Для определения оптимальных условий использования сополимера акри-ламида с аминоалкилакрилатами в качестве поглотителя при обезвоживании ТСМ на примере моторного масла М-10Г2к применен метод математического многофакторного планирования эксперимента.

Определение влияния воды на трибологические свойства поверхностей деталей проводилось на парах трения «гильза — кольцо» и «коленчатый вал -вкладыш» двигателя Д-243.

При испытаниях пары «гильза - кольцо» в качестве рабочей жидкости применили дизельное топливо марки Л, а при испытаниях пары трения «коленчатый вал - вкладыш» - моторное масло М-10Г2к. В каждую рабочую жидкость добавляли по 1 % воды.

Влияние механических примесей исследовалось на машине трения ИИ-5018, шероховатость поверхности определяли на профилографе-профилометре модели 17062, а износ -на электронных весах. Спектральный анализ проводили с помощью электронного микроскопа модели УЕОА2 (рисунок 14), оснащенным энергодисперсным спектрометром.

Профилограф-профилометр мод. 17062

Весы лабораторные ВЛЭ 134 н весы электронные модели $аг!ог1и$ 1201

Рисунок 14 - Приборы для определения шероховатости, износа, спектрального анализа, трения

Сканирующий электронный микроскоп Машина трения ИИ-5018

модель\KGA2

В процессе исследований контролировали изменение момента силы трения, температуры в зоне трения, шероховатости поверхностей трения. Определяли износ деталей, проводили рентгеноспектральный анализ образцов.

Для определения влияния воды и загрязнений на работу двигателей Д-243 использовали дизельное топливо и моторное масло с содержанием воды 1,0... 1,2 % и загрязнителя 0,9... 1,1 %. Для сравнения испытывали двигатель Д-243 с чистым дизельным топливом и маслом.

Перед заправкой каждого двигателя проводили анализ топлива и масла на содержание механических примесей по ГОСТ 6370 - 83 и воды по ГОСТ 2477 -65. Двигатели испытывали на стенде КИ-5541М (рисунок 15), согласно существующим методикам испытаний дизелей.

Рисунок 15 - Проведение испытаний на стенде КИ-5541М

Во время стендовых испытаний периодически отбирали пробы масла для проведения их спектрального анализа на содержание железа на фотоэлектрической установке МФС-5. Отбор проб масла осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 2517-85.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования очистки резервуаров от загрязнений» изучен процесс накопления загрязнений в стальных и стеклопластаковых резервуарах. Для проверки использовали резервуары Р-5 и НЕ-5 с бензином Аи-92 и дизельным топливом (ДТ). Наблюдения вели в течение двух лет, замеры проводили один раз в шесть месяцев.

Замеры проводили по 14 точкам на глубине И = (0,5... 1,0)0 в двух сечениях: по центру горловины и на половине длины резервуара. Для этого использовали трафарет. Резервуар перед замерами опорожняли. По усредненным значениям замеров строили графики накопления загрязнений по высоте резервуара. Площадь участков для определения количества загрязнений составляла 0,25 м2.

Полученные зависимости (рисунки 16, 17) свидетельствуют об увеличении накопления загрязнений почти прямо пропорционально продолжительности хранения и глубине точки измерения. Замеры показали, что в емкостях с бензином накоплений меньше, чем в емкостях с дизельным топливом, на 38 %. Сравнение стальных емкостей (Р-5) и емкостей из стеклопластика (НЕ-5) показало, что в стеклопластиковых емкостях загрязнений меньше: для бензина на 6%, для дизельного топлива на 8 %, что можно объяснить отсутствием коррозионных процессов в емкостях из стеклопластика.

С бензином С дизельным топливом

I, мес

1,мес

а) б)

Рисунок 16 - Накопление загрязнений в стальных резервуарах (И - глубина замера. м: Б - диаметр резервуара, м): а - с бензином; б - с дизельным топливом; 1 — Ь=0; 2 -11=0,8750; 3 - Ь=0,75Б; 4 - Ь=0,5Б

С бензином

С дизельным топливом

|.ме< '.«с!

а) б)

Рисунок 17 - Накопление загрязнений в стеклопластиковых резервуарах (обозначения те же, что на рисунке 16): а - с бензином; б - с дизельным топливом

Были проведены исследования по определению состава загрязнений в различных регионах страны. Изучение состава загрязнений показало значительный разброс содержания механических примесей и воды: по воде от 8 до 38 %, по примесям от 1 до 46 %.

Исследование накопленных загрязнений на дне резервуаров позволило установить, что у поверхности осадка до 90 % составляет слой нефтепродукта. По мере углубления в осадок увеличивается содержание воды (до 80 %), которая концентрируется непосредственно под слоем ТСМ. Далее содержание воды уменьшается, но увеличивается содержание механических примесей, которое достигает 90 % возле дна резервуара.

Сравнение адгезионных свойств масел показало, что лучшими адгезионными свойствами обладает синтетическое масло, площадь растекания его на 19 % больше по сравнению с минеральным маслом М-10Г2К и на 40 % больше по сравнению с рапсовым маслом. Добавление от 0,1 до 1,0 % воды ко всем маслам ведет к незначительному увеличению площади растекания. Механические примеси практически не влияют на адгезионные свойства масел. Из исследуемых масел лучше очищаются резервуары с синтетическими маслами.

Исследования трибологических свойств масел показали, что попадание воды и механических примесей ведет к увеличению момента трения на 9...22 %, температуры в зоне трения на 9... 11 % и износа на 33...50 %. Установлено, что присутствие воды в маслах больше влияет на трибологические свойства по сравнению с механическими примесями. Сравнение трибологических свойств чистых масел показало, что рапсовое масло эффективнее других влияет на снижение трения, но при этом износ деталей значительно больше, чем при использовании минерального и синтетического масел.

Моющие свойства средств очистки резервуаров от загрязнений определяли с использованием лабораторной установки, в которой размещали металлические и стеклопластиковые пластины с загрязнениями. Имитаторы загрязнений

23

перед нанесением растворяли в ТСМ, которые хранились в соответствующих резервуарах. В качестве основы использовали моторное масло М-10Г2к. Время очистки изменяли от 5 до 30 мин. Температуру моющего состава принимали, согласно рекомендациям производителей, равной 40 °С.

Сравнительные исследования моющих составов О-БИС, БОК-6, ТОНК, Гидробрек-Пауэр, применяемых для очистки резервуаров от загрязнений, показали, что лучшими моющими составами обладает средство ТОНК, при применении которого наблюдалась 100-ная очистка поверхности через 3 мин., что в 4-10 раз лучше по сравнению с другими средствами (рисунок 18).

Степень 100 очистки. % _„ 908070 60 50 ¿0 30 20 10

Рисунок 18 — Зависимости степени очистки от времени обработки моющим составом: 1 - Гидробрек Пауэр; 2 - О-БИС; 3 - БОК-6; 4 - ТОНК

Эффективность очистки резервуаров, выполненных из разных конструкционных материалов (стали, алюминия, стали с цинковым покрытием и стеклопластика) при использовании моющего средства ТОНК определяли по степени очистки образцов за 30 минут испытаний. Установлено, что стеклопластик очищается до 100 % уже за 27 минут. Остальные материалы за 30 минут были очищены: стальной - на 80 %, алюминиевый - на 60 %, стальной с цинковым покрытием - на 40 %.

Коррозионную активность определяли по ГОСТ 9.303-84. Установлено, что применение БОК-6 вызывает потемнение цинкового покрытия образцов. Следов коррозии и снижения массы образцов не наблюдалось. Наиболее эффективным моющим средством является ТОНК, при использовании которого не требуется дегазация и промывка резервуара.

Эффективность очистки уменьшается с увеличением расстояния между соплом и очищаемой поверхностью. Так, увеличение расстояния со 100 до 800 мм снижает коэффициент очистки с 1,0 до 0,4, т. е. более чем в два раза. Аналогичная картина наблюдается по изменению давления: с увеличением расстояния до очищаемой поверхности давление струи МС уменьшается с 1,8 до 0,5 МПа (рисунок 19).

Зависимость производительности очистки от расстояния до очищаемой поверхности имеет оптимум при расстоянии от 250 до 500 мм. С увеличением

диаметра сопла моечной машинки с одного до трех миллиметров количество отмытых загрязнений увеличивается с 1,2 до 1,8 г через 16 минут очистки (в 1,5 раза).

с)

1 -р=10МПа;

2 - р=20МПа:

3 - р=30МПа

10 250 575 500 625 750 1м« 1000

Рисунок 19 - Изменение эффективности очистки (а), давления струи МС (Ь) и производительности очистки (с) от расстояния между соплом и очищаемой поверхностью

Исследования эффективности очистки полимером пенополивинилформа-лем и сополимером акриламида с аминоалкилакрилатами различных ТСМ, в которые добавляли воду в количестве 1 % (рисунок 20), показали, что эффективность пенополивинилформаля ниже по сравнению с сополимером акриламида с аминоалкилакрилатами в 5,4-6,3 раза при обезвоживании масел и в 14 раз при обезвоживании дизельного топлива.

Эффективность использования сополимера при обезвоживании масел различна. Лучше всего удаляется вода из синтетического масла (остаточное содержание 0,06 %), хуже всего - из рапсового масла (остаточное содержание воды 0,1 %), в минеральном моторном масле М-10Г2к остаточное содержание воды составило 0,08 %.

Обезвоживание дизельного топлива происходит более эффективно, и остаточное содержание воды составляет 0,02 % (в 3-20 раз меньше по сравнению с маслами), что можно объяснить меньшей вязкостью дизельного топлива.

При тестировании выбранных нефтеокисляющих биопрепаратов массу исследуемых микроорганизмов получали путем глубинного культивирования в

колбах на минеральной среде. Процесс культивирования продолжали в течение 24 ч при частоте вращения качалки с колбами 220 мин"1.

Моторное масло Синтетическое Рапсовое масло Дизельное топливо М-10Г_2к масло

Рисунок 20 - Результаты поглощения воды ТСМ полимерами: 1 - пенополиви-нилформаль; 2 - сополимер акриламида с аминоалкилакрилатами

Количество биомассы в культуральной среде достигло 30,0 г/л у биопрепарата ДНЗ-1, 25,0 г/л - у препарата НАФТОС и 15,0 г/л - у препарата ЦЕН-ТРИН. Для последующих испытаний был выбран препарат ДНЗ-1, который, как известно, способен деструкцировать смолы и асфальтены, трудноразрушимые ароматические углеводороды и другие устойчивые к микробиологическому воздействию компоненты остатков ТСМ.

Степень утилизации остатков ТСМ путем их биодеградации определяли на лабораторной установке, в которой поддерживали температуру от 25...45 °С, с интервалом 5 °С. Результаты испытаний приведены на рисунке 21. Определена оптимальная температура процесса деградации остатков ТСМ, которая находится в пределах 25...30 °С.

Стендовые испытания двигателей Д-243 на масле после его очистки показали снижение износа двигателей, определяемого по изменению содержания в масле железа, в 1,46 раза. При этом интенсивность изнашивания после испытаний на очищенном масле оказалась в 1,56 раза меньше.

о -I----'---1----■

20 25 30 35 40

Рисунок 21 - Зависимость удельной скорости деградации остатков ТСМ, отнесенной к 1 г биомассы, от температуры процесса: 1 - смесь жидких углеводородов; 2 - твердые и пластичные соединения (смолы и асфальтены)

Регуляторные характеристики показали увеличение крутящего момента, частоты вращения, снижение часового и удельного расхода топлива после испытаний на очищенном масле М-10Г2к. Снижение износа деталей обеспечивает повышение ресурса двигателей.

В пятой главе «Разработка мероприятий по обеспечению чистоты ТСМ и их влияние на работу двигателей» приведена информация о разработанных установках для системы очистки ТСМ при хранении и для утилизации осадков.

Разработанная система обеспечения чистоты ТСМ в нефтехозяйствах АПК состоит из двух блоков (рисунок 22): блока очистки резервуаров и блока очистки ТСМ перед заправкой.

Рисунок 22 - Система обеспечения чистоты ТСМ при хранении в нефтехозяйствах сельскохозяйственных предприятий.

Первый блок включает оборудование для подготовки моющих средств, используемых при очистке резервуаров; оборудование для очистки резервуаров; оборудование для сбора и регенерации моющих средств; оборудование для утилизации загрязнений биодеградацией; оборудование для откачки остатков тем вакуумированием; оборудование для регенерации остатков ТСМ.

Второй блок включает устройства для статической очистки ТСМ от воды в резервуаре; для динамической очистки ТСМ от воды; для очистки ТСМ от механических примесей, а также оборудование для регенерации (сушки) гидрофильных полимеров.

Предложенная схема очистки и утилизации остаточных загрязнений из резервуаров для хранения и транспортировки ТСМ дополняет и развивает возможности оборудования для механизированной очистки ТСМ и предусматривает автоматизацию технологических процессов промывки и очистки резервуаров. Схема очистки резервуаров и ТСМ приведена на рисунке 23.

Рисунок 23 - Оборудование для очистки резервуаров и ТСМ при хранении: 1 - очищаемый резервуар; 2...8, 33 - передвижные модули; 9 - емкость для моющего раствора; 10, 18, 24, 28 - насосы высокого давления; 11. 17-гибкие трубопроводы; 12 - моечная машинка; 13 - заборное устройство; 14 - горловина резервуара; 15, 27, 31 - накопительные емкости; 16 - вакуумный блок; 19 - фильтр грубой очистки; 20 -бак-отстойник; 21 - плавающий приемник ТСМ; 22, 23 - патрубки; 25, 26 - фильтры предварительной и тонкой очистки; 29, 30 - коагулирующий и адсорбционный фильтры; 32 - контейнер для утилизации шлама

Откачиваемые из резервуара продукты очистки поступают в бак-отстойник, где происходит их разделение на отдельные фракции, которые затем регенерируются или утилизируются. После расслоения продуктов очистки производится отбор ТСМ с верхнего уровня, слив моющего раствора через коллектор, выгрузка нефтешлама из нижней части бака-отстойника.

Отделенные остатки ТСМ очищаются от механических примесей и воды с помощью фильтра грубой очистки, фильтра-сепаратора и фильтра тонкой очистки. Использование трех ступеней очистки позволяет обеспечить ее тонкость до 5 мкм. Очистка воды (моющего раствора) производится с помощью коалесцирующего и адсорбционного фильтров. Применение этих фильтров в сочетании с вакуумным насосом позволяет отделить эмульгированнные и растворенные остатки ТСМ.

Контейнер для микробиологического обезвреживания отходов ТСМ обеспечивает их нагрев до 25...30 °С, аэрацию и перемешивание, а также повышенную влажность для создания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов. Для утилизации использовали препарат ДНЗ-1.

Разработана технология химико-механо-гидродинамической очистки резервуаров с использованием установки с гидромонитором, снижающая время очистки на 30... 50 % по сравнению с типовой технологией очистки.

Система очистки ТСМ при хранении в резервуарах включает статическую очистку ТСМ от воды с помощью гидрофильного полимера - сополимера акри-ламида с аминоалкрилатами и динамическую очистку путем прокачки продукта через адсорбер с размещенным в нем полимером. При этом скорость прокачки выбирают таким образом, чтобы частицы полимера находились во взвешенном состоянии. Далее ТСМ поступают в адсорбер с фильтрующими элементами АПРИСОБР, в котором отделяются остатки воды и механические примеси.

Принцип действия фильтроэлемента АПРИСОБР и внешний вид фильтра АПРИС показаны на рисунке 24.

а

б

Рисунок 24 - Принцип действия фильтроэлемента АПРИСОБР (а); фильтр АПРИС с фильтроэлементами АПРИСОБР (б)

Разработанная схема очистки ТСМ при хранении позволяет снизить содержание воды в 6,6 раза и механических примесей в 4,2 раза по сравнению с существующей системой хранения без применения устройств для очистки ТСМ перед заправкой сельскохозяйственной техники, снизить износ деталей в 1,3 -1,5 раза, повысить ресурс двигателей на 22 %.

Для очистки резервуаров в настоящее время невыгодно иметь стационарные установки, особенно для небольших нефтехозяйств, поэтому целесообразно использовать мобильные установки. Пример технологической схемы очистки резервуаров, когда оборудование транспортируется на автомобиле с прице-

Рисунок 25 - Технологическая схема очистки резервуаров с использованием мобильной установки: А - автомобиль; Б - прицеп; 1 - очищаемый резервуар; 2 -гидромониторное устройство; 3,7 - насосы; 4 - емкость с моющим составом; 4,5 - емкость-сепаратор; 6 — промежуточная накопительная емкость; 8 - гидроэжектор; 9 -емкость для сбора ТСМ; 10 - компрессор; 11 - вакуумный насос; 12 - парогенератор

Управление установкой осуществляется оператором дистанционно. В водный раствор добавляют моющее средство. Под действием раствора осадок размягчается, уменьшается сила его поверхностного натяжения, он уносится моющей жидкостью, образуя в ней неустойчивую эмульсию, которую откачивают из резервуара. Количество моечных циклов определяется толщиной загрязнений на внутренней поверхности резервуара.

Преимущества метода автоматизированной очистки внутренней поверхности емкостей с помощью предлагаемой установки по сравнению с другими методами:

исключается необходимость пребывания персонала внутри резервуара;

благодаря процессу сепарации значительно улучшено качество восстановленного нефтепродукта;

процесс утилизации продуктов сведен к минимуму;

обеспечение безопасности труда и снижение вреда, наносимого окружающей среде;

сокращение времени на 30...50 % по сравнению с традиционными технологиями;

мобильность, заключающаяся в размещении оборудования на базе автомобиля, позволяет обрабатывать резервуары с различными видами ТСМ;

снижение потребления воды: используются продукты рециркуляции для процесса очистки.

В шестой главе «Внедрение и технико-экономическая оценка методов и средств системы обеспечения чистоты ТСМ» приведена информация о внедрении разработанной системы очистки на ГП «Калужская МТС», в ООО «Агромашсервис», ЗАО «Домодедово Фьюэл Сервисиз», ЗАО «Домодедово Джет Сервис», ЗАО «Агрофирма «Бунятино» и др., в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГАУ, Брянской ГСХА, МВТУ им Н.Э. Баумана и др.

В процессе внедрения установлено увеличение ресурса двигателей в 1,2 раза. Общий экономический эффект составил 765 759 р. в расчете на 330 условных резервуаров объемом 5 м .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Объем используемых в сельскохозяйственном производстве топ-ливно-смазочных материалов достигает 20 % от их выпуска, причем некондиционными являются 22...24 % продуктов. Среднее количество механических примесей в топливах достигает 100... 180 г/т, а воды - до 1,5 %. Большое количество загрязнений образуется из-за коррозии металлических поверхностей резервуаров, в конструкции которых практически не используются современные полимерные материалы. Загрязненность ТСМ снижает ресурс работы узлов трения в 2 - 3 раза.

2. Значительную часть загрязнений составляют остаточные, накопившиеся в резервуарах. Перспективной является химико-механо-гидродинамическая очистка резервуаров с вакуумным удалением эмульгированных загрязнений. Обследование загрязненности остатков ТСМ в резервуарах показало наличие в них механических примесей от 8 до 25 %, воды от 10 до 25 %.

3. Теоретическими исследованиями установлены аналитические зависимости для определения количества загрязнений, попадающих в резервуары с ТСМ, и закономерности их распределения в горизонтальных емкостях различного сечения.

4. Найдена величина силы воздействия струи моющего раствора на очищаемую поверхность в зависимости от ее кривизны, определена продолжительность удаления остатков ТСМ из резервуаров методом вакуумирования.

5. Теоретически обоснован процесс статического и динамического обезвоживания ТСМ гидрофильными полимерами. Моделирование процесса

регенерации гидрофильных полимеров позволило обосновать возможность их неоднократного использования.

6. Разработаны методики: проведения исследований по очистке резервуаров и ТСМ перед заправкой сельскохозяйственной техники; оценки влияния системы обеспечения чистоты ТСМ на изнашивание деталей и работу двигателей; расчета количества загрязнений в резервуарах.

7. Установлено, что количество загрязнений увеличивается при увеличении вязкости ТСМ. Так, по сравнению с бензином в дизельном топливе на 38 % загрязнений больше. Использование стеклопластиковых резервуаров вместо стальных уменьшает количество загрязнений в топливе на 6...8 %.

8. Исследование трибологических свойств масел показало, что наличие воды и механических примесей увеличивает силу трения в смазываемом узле на 9.. .22 %, его температуру на 9... 11 % и износ на 33.. .50 %, причем вода оказывает большее влияние по сравнению с механическими примесями.

9. Сравнение моющих средств О-БИС, БОК-6, ТОНК, Гидробрек-Пауэр показало, что средство ТОНК эффективнее других средств в 10 - 15 раз. Время очистки этим средством стеклопластиковых резервуаров в 1,3-1,5 раза меньше, чем резервуаров из других материалов (Ст 3, алюминий, сталь с цинковым покрытием).

10. Разработана схема очистки резервуаров, включающая вакуумную откачку остатков ТСМ, химико-механо-гидродинамическое удаление загрязнений, очистку моющего раствора, биологическое обезвреживание продуктов очистки (нефтешлама) средством ДНЗ-1 и их утилизацию.

11. Разработана схема очистки ТСМ от воды, механических примесей, биозагрязнений, включающая статическую и динамическую очистку с использованием гидрофильного полимера - сополимера акриламида с аминокрилата-ми и фильтрующих элементов АПРИСОБР. Данная схема обеспечивает снижение воды в 6,6 раза, механических примесей в 4,2 раза по сравнению с ТСМ без предэксплуатационной очистки.

12. Стендовые испытания двигателей Д-243 с использованием дизельного топлива и масла М-10Г2к после их очистки по разработанной схеме показали снижение износа деталей в 1,3 - 1,5 раза, уменьшение механических потерь в 1,3-1,7 раза. Эксплуатационные испытания показали повышение ресурса двигателей на 22 %.

13. Внедрение разработанной системы осуществлено на ГП «Калужская МТС», в ООО «Агромашсервис», ЗАО «Домодедово Фьюэл Сервисиз», ЗАО «Домодедово Джет Сервис», ЗАО «Агрофирма «Бунятино» и др., в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГАУ, Брянкой ГСХА, МВТУ им. Н.Э. Баумана. Общий экономический эффект составляет 765 759 р. от повышения эффективности очистки резервуаров, ТСМ и увеличения ресурса двигателей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография

1. Богданов, В. С. Обеспечение качества топливно-смазочных материалов при хранении [Текст]: монография / В. С. Богданов - М. : ООО «УМЦ «Триада», 2011. - 229 с. - ISBN 958-5-9546-0082-7

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

2. Богданов, В. С. Влияние качества масел на работу узлов трения машин [Текст] / В. С. Богданов // Техника и оборудование для села. - 2012. -№4. - С. 33 - 34. - ISSN 2072-9642.

3. Богданов, В. С. Способ отбора проб загрязнений при очистке резервуаров для хранения топливно-смазочных материалов [Текст] / В. С. Богданов И Техника и оборудование для села. - 2012. - № 6. - С.42- 43. - ISSN 2072-9642.

4. Богданов, В. С. Методика определения моющей способности и коррозионной активности средств очистки резервуаров от топливно-смазочных материалов [Текст] / В. С. Богданов, В. Н. Попов // Научное обозрение. -2012. -№ 2. - С. 206-210. - ISSN 2226-0226.

5. Богданов, В. С. Система очистки ТСМ при хранении [Текст] / В. С. Богданов // Сельский механизатор. - 2012. -№11. - С. 37. - ISSN 0131-7393.

6. Богданов, В. С. Определение качества ТСМ в нефтехозяйствах агрофирм [Текст] / В. С. Богданов // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. сер. «Агроинже-нерия». - 2012. - № 2. - С. 53 - 55. - ISSN 1728-7936.

7. Богданов, В. С. Оборудование для очистки резервуаров и топливно-смазочных материалов [Текст] / В. С. Богданов, В. Н. Попов, О. Н. Дид-манидзе//Международный технико-экономический журнал.-2012. -

№ 2. - С. 105 - 113. - ISSN 1995-4646.

8. Богданов, В. С. Технология очистки резервуаров для хранения топливно-смазочных материалов от загрязнений [Текст] / В. С. Богданов // Международный технико-экономический журнал. - 2012. - № 3. - С. 107 -111. -ISSN 1995-4646.

9. Богданов, В. С. Требования к очистке резервуаров для хранения [Текст] / В. С. Богданов // Международный технико-экономический журнал. -2012. - № 4. -С. 110- 112. - ISSN 1995-4646.

10. Богданов, В. С. Резервуары для хранения ТСМ в АПК [Текст] / В. С. Богданов // Сельский механизатор. - 2012. - № 6. - С. 32- 33. - ISSN 01317393.

11. Богданов, В. С. Теоретические основы очистки резервуаров гидромеханическим [Текст] / О. Н. Дидманидзе, В. Н. Попов, В. С. Богданов // Международный технико-экономический журнал. - 2012. - № 4. - С. 126-130.-ISSN 1995-4646.

12. Богданов, В. С. Качество топливно-смазочных материалов и причины ухудшения его при хранении [Текст] / B.C. Богданов // Техника и оборудование для села. - 2012. - № 5. - С. 33-36. - ISSN 2072-9642.

13. Богданов, B.C. Влияние качества топливно-смазочных материалов на работу двигателей [Текст] / B.C. Богданов // Сельский механизатор. - 2012. -№ 9. - С. 33 - 39. - ISSN 0131-7393.

14. Богданов, В. С. Источники загрязнения ТСМ при хранении [Текст] / В. С. Богданов // Сельский механизатор. - 2012. - № 12. - С. 32-33. - ISSN 0131-7393.

15. Богданов, В. С. Контроль качества топливосмазочных материалов [Текст] / B.C. Богданов // Сельский механизатор. - 2012. - № 10. - С. 34 -35.-ISSN 0131-7393.

16. Богданов, В. С. Разработка устройства для очистки внутренней поверхности резервуаров для хранения топливно-смазочных материалов [Текст] / В. С. Богданов // Международный научный журнал. - 2012. - № 3. - С. 106-109. - ISSN 1995-4638.

17.Богданов, В. С. Исследование влияния воды и механических примесей в маслах на трибологические свойства поверхностей трения деталей [Текст] / В. С. Богданов // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. сер. «Агроинже-нерия». 2012. -№ 3 (54). -С. 35-37. - ISSN 1728-7936.

18. Богданов, В. С. Теоретическое определение количества загрязнений в резервуарах и показателей эффективности их очистки [Текст] / В. Н. Попов, В. С. Богданов // Международный научный журнал. - 2012. - № 5. - С. 99 - 100.-ISSN 1995-4638.

19. Богданов, В. С. Методы очистки резервуаров для хранения топливно-смазочных материалов [Текст] / В. С. Богданов, В. Н. Попов, В. П. Коваленко // Международный научный журнал. - 2012. - № 5. - С. 101-103. -ISSN 1995-4638.

20. Богданов, В. С. Расчет количества нефтешлама при очистке резервуаров [Текст] / В. С. Богданов, В. Н. Попов И Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. сер. «Агроинженерия».- 2012.-№ 3 (54). - С. 17-18.-ISSN 1728-7936.

21.Богданов, В. С. Эффективность очистки резервуаров от загрязнений [Текст] / B.C. Богданов, В.Н. Попов // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. сер. «Агроинженерия». - 2012. -№ 5 (56). - С. 17 - 18. - ISSN 1728-7936.

Патенты на изобретения, свидетельства и патенты на полезную модель, решения о выдаче патентов на полезную модель.

22. Пат. 2160641 Российская Федерация, МПК В08В9/08. Устройство очистки внутренней поверхности резервуара для хранения или перевозки нефтепродуктов [Текст] / Богданов В. С.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГАУ. - № 99126192 ; заявл. 20.12.1999 ; опубл. 20.12.2000, Бюл. № 36. - 3 с.

23. Свидетельство на полезную модель 20735 Российская Федерация, МПК В08В9/08. Лабораторная установка для определения моющей и защитной

от коррозии способностей раствора для очистки резервуаров от нефтепродуктов [Текст] / Богданов В. С., Коваленко В. П., Михлин В. М., Дид-манидзе О.Н.; правообладатель ФГБОУ ВПО МГАУ. - № 2001118781; за-явл. 09.07.2001; зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27.11.2001. - 1 с.

24. Свидетельство на полезную модель 20736 Российская Федерация, МПК В08В9/08. Лабораторная установка для определения эффективности струйной очистки резервуаров от нефтепродуктов [Текст] / Богданов В. С., Коваленко В.П., Михлин В. М.; правообладатель ФГБОУ ВПО МГАУ - № 2001118786 ; заявл. 09.07.2001 ; зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ. 27.11.2001.-1 с.

25. Пат. 2181639 Российская Федерация, МПК В08В9/08. Способ очистки резервуаров от загрязнений [Текст] / Богданов В. С., Коваленко В. П., Лоскутов В. С., Михлин В. М.,; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГАУ. - № 2001115334/12; заявл. 06.06.2001; опубл. 27.04.2002, Бюл. № 18. -4 с.

26. Пат. 122595 Российская Федерация, МПК В08В9/08. Установка для очистки внутренней поверхности резервуара для хранения и перевозки нефтепродуктов [Текст] / Богданов В. С., Попов В. Н., Дидманидзе О. Н.; заявитель и патентообладатель В. С. Богданов. - № 2012126410; заявл. 17.09.2012, Бюл. № 34. - 4 с.

27. Пат. 122694 Российская Федерация, МПК В08ВЗ/00. Лабораторная установка для определения параметров процесса струйной очистки внутренней поверхности резервуаров от нефтепродуктов [Текст] / Богданов В. С., Попов В. Н., Дидманидзе О. Н.; правообладатель В. С. Богданов. - № 2012126410; заявл. 03.09.2012, опубл. 10.01.2013, Бюл. №1.-2 с.

28. Решение о выдаче патента на полезную модель от 26.10.2012 по заявке № 2012145434. Установка для мойки нефтеналивных резервуаров [Текст] / Богданов В. С., Попов В. Н., Дидманидзе О. Н.; правообладатель В. С. Богданов. -№ 2012145434; заявл. 26.10.2012.

Учебно-методические издания

29. Богданов, В. С. Диагностика и техническое обслуживание систем автомобилей: методическое пособие [Текст] / Митягин Г. Е., Андреев О. П., Егоров Р. Н., Богданов В. С. Часть 1. - М. : ФГОУ ВПО МГАУ, 2000. -69 с.

30. Богданов, В. С. Проектирование элементов автомобильных дорог: методическое пособие [Текст] / Пильщиков В. Л., Дидманидзе О. Н., Митягин Г. Е., Богданов В. С. - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2001. - 32 с.

31. Богданов, В. С. Диагностика и техническое обслуживание систем автомобилей: методическое пособие [Текст] / Митягин Г.Е., Андреев О.П., Егоров Р. Н., Богданов В. С. Часть 2. - М. : ФГОУ ВПО МГАУ, 2001. -72с.

32. Богданов, В. С. Материально-техническое обеспечение на автомобильном транспорте: методическое пособие [Текст] / Дидманидзе О. Н., Андреев О. П., Дзюба Ю. В., Мельник В. Г., Асадов Д. Г., Богданов В. С. -М.: ООО «УМЦ «Триада», 2007. - 107 с.

33. Богданов, В. С. Руководство по диагностике, техническому обслуживанию и ремонту комбинированной энергоустановки гибридного автомобиля TOYOTA PRIUS NHW20: методическое пособие [Текст] / Дидманидзе О. Н., Иванов С. А., Новиков Е. В., Шмелев М. Н., Асадов Д. Г., Хлебан-цев А. В., Богданов В. С. - М.: ООО «УМЦ «Триада», 2008. - 358 с.

34. Богданов, В. С. Устройство автомобилей: методическое пособие [Текст] / Дидманидзе О. Н., Иванов С. А., Чупеев Я. В., Карев А. М., Богданов B.C. - М.: ООО «УМЦ «Триада», 2009. - 391 с.

Подписано к печати 20.12.2012 г.

Формат 68x84/16

Бумага офсетная.

Печать офсетная.

Уч.-изд. л. 2,0

Тираж 100 экз.

Заказ №

Отпечатано ООО «УМЦ Триада»

127550. Москва, ул. Лиственничная аллея, д.7 корп. 2.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

На правах рукописи 052013а0о25 Богданов Виталий Сергеевич

УДК 665.6.003.13

Методы и средства обеспечения чистоты топливно -смазочных материалов в сельском хозяйстве

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Попов Владимир Никитович

Москва 2013

Содержание

Введение..................................................................................................6

1. Состояние вопроса и постановка задач исследования..........10

1.1. Объемы и номенклатура топливно-смазочных материалов (ТСМ), потребляемых в сельском хозяйстве........10

1.2. Обеспечение сельскохозяйственных предприятий ТСМ.. 14

1.3. Причины ухудшения качества топливно-смазочных материалов........................................................................................16

1.4. Резервуары для хранения ТСМ в сельском хозяйстве........25

1.5. Влияние загрязнений ТСМ на работу машин.....................31

1.6. Методы очистки ТСМ от загрязнений...............................38

1.7. Технологии очистки резервуаров от загрязнений.............46

1.8. Оборудование для очистки резервуаров и ТСМ...................52

1.9. Моющие средства (составы), регенерация и утилизация продуктов очистки...........................................................................67

1.10. Выводы по главе и постановка задач исследований........71

2. Теоретические основы очистки топливно-смазочных материалов от загрязнений и воды.................................................75

2.1. Исследование процессов образования загрязнений в резервуарах из ТСМ и определение их количества.....................75

2.2. Математическое моделирование распределения загрязнений в горизонтальных резервуарах.................................88

2.3. Теоретическое обоснование параметров процесса очистки резервуаров..........................................................................................94

2.4. Определение продолжительности удаления остатков ТСМ из резервуаров вакуумированием.........................................107

2.5. Обоснование биологической утилизации отходов ТСМ из

очищаемых резервуаров.................................................................112

2.6. Смачиваемость поверхностей трения обводненными ТСМ....................................................................................................115

2.7. Теоретическое обоснование обезвоживания ТСМ гидрофильными полимерами........................................................119

2.8. Моделирование процесса регенерации средств обезвоживания ТСМ.......................................................................129

2.9. Обоснование конструкции оборудования для струйной очистки резервуаров......................................................................132

2.10. Выводы по главе......................................................................140

3. Методика проведения исследований.......................................142

3.1.Изучение распределения остаточных загрязнений в резервуарах.......................................................................................142

3.2. Определение состава загрязнений на внутренних поверхностях резервуаров.............................................................144

3.3. Определение моющей способности жидкостей для очистки резервуаров.......................................................................145

3.4. Определение коррозионной активности и защитных свойств моющих составов (MC)..................................................148

3.5. Определение влияния кривизны очищаемой поверхности на эффективность очистки..............................................................152

3.6. Определение эффективности очистки резервуаров при изменении давления струи моющего состава и времени воздействия......................................................................................153

3.7. Определение эффективности опорожнения резервуаров вакуумированием после их очистки............................................155

3.8. Определение эффективности биологических методов утилизации нефтеотходов...........................................................157

3.9. Многофакторное планирование экспериментов по обезвоживанию ТСМ......................................................................158

3.10. Методика обезвоживания ТСМ гидрофильными полимерами......................................................................................164

3.11. Определение влияния воды и загрязнений в ТСМ на трибологические свойства поверхностей трения деталей... 168

3.12. Оценка точности измерений исследуемых показателей................................................................175

3.13. Оценка влияния воды и загрязнений на работу двигателей Д-243..................................................................................................177

3.14. Методика эксплуатационных испытаний двигателей .181

3.15. Выводы по главе......................................................................184

4. Экспериментальные исследования процесса очистки резервуаров от загрязнений............................................................186

4.1. Определение количества загрязнений в резервуарах.........186

4.2. Исследования влияния воды в маслах на их адгезионные свойства............................................................................................196

4.3. Исследования влияния воды и механических примесей в маслах на их трибологические свойства...................................198

4.4. Исследование моющих и коррозионных свойств средств очистки.............................................................................................205

4.5. Исследования влияния диаметра резервуара на эффективность очистки..............................................................208

4.6. Влияние продолжительности очистки на степень загрязненности очищаемой поверхности..................................211

4.7. Исследование процесса опорожнения резервуара от ТСМ вакуумированием.............................................................................213

4.8. Исследования водопоглащающей способности гидрофильных полимеров..............................................................214

4.9. Утилизация остатков ТСМ после очистки резервуаров. 216

4.10. Выводы по главе......................................................................217

5. Разработка мероприятий по обеспечению чистоты ТСМ и их влияние на работу двигателей.......................................................221

5.1. Разработка системы очистки ТСМ при хранении в нефтехозяйствах............................................................................221

5.2. Система очистки горизонтальных резервуаров от остатков ТСМ и загрязнений.......................................................233

5.3. Влияние предэсплуатационной подготовки ТСМ на работу двигателей........................................................................................246

5.4. Результаты эксплуатационных испытаний двигателей Д-243..................................................................................................250

5.5. Технологияхимико-механо-гидродинамической очистки резервуаров с использованием мобильной установки..............256

5.6. Методика расчета количества нефтешлама при очистке резервуаров........................................................................................260

5.7. Выводы по главе......................................................................262

6. Внедрение и технико-экономическая оценка применения методов и средств обеспечения чистоты ТСМ...........................264

6.1. Внедрение результатов исследований в нефтехозяйствах.........................................................264

6.2. Технико-экономическая оценка методов и средств обеспечения чистоты ТСМ..........................................................267

6.3. Выводы по главе......................................................................277

Общие выводы...................................................................................278

Список использованных источников...........................................281

Приложения.......................................................................................301

Введение

Актуальность работы. В «Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации» указано на необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья для обеспечения населения. В «Стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства на период до 2020 года», кроме роста продуктивности растениеводства и животноводства, указывается на необходимость оптимизации затрат материально-технических ресурсов, в том числе топливно-смазочных материалов (ТСМ) при производстве сельскохозяйственной продукции.

Для надежной работы мобильной техники большое значение имеет обеспечение качества ТСМ в процессе транспортно-складских и заправочных операций.

Важным показателем качества ТСМ является их чистота: содержание в них воды, механических примесей и органических загрязнений, образующихся в нефтепродуктах или попадающих в них на всех этапах жизненного цикла - от нефтеперерабатывающих предприятий до баков и систем сельскохозяйственной техники. Данный показатель качества ТСМ способен резко ухудшаться в процессе транспортных и складских операций.

Наличие в ТСМ загрязнений значительно осложняет работу топливной аппаратуры, двигателей, узлов и агрегатов сельскохозяйственной техники. Наличие воды и механических примесей в ТСМ снижает ресурс узлов и агрегатов этой техники на 30 % и более. Поэтому обеспечение чистоты ТСМ в сельскохозяйственном производстве является научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

Причинами увеличения содержания механических примесей и воды в ТСМ являются атмосферные, коррозионные, инкреторные, износные загрязнения, которые образуют остаточные загрязнения, скапливающиеся в транспортных цистернах, складских резервуарах, трубопроводных коммуникациях и другом технологическом оборудовании нефтескладов

сельскохозяйственных предприятий, загрязняя затем следующие партии топлив и масел. В связи с этим необходимо проводить периодическую очистку резервуаров и цистерн от остатков ТСМ и загрязнений, а также очищать ТСМ перед их заправкой для исключения попадания воды и механических примесей в заправочные емкости сельскохозяйственных машин.

Очистка резервуаров и цистерн предусмотрена в установленные сроки при техническом обслуживании (ТО-2), а также производится при смене сорта ТСМ и проведении ремонтных работ. Однако существующие методы очистки емкостей и применяемое для этих целей оборудование имеют ряд недостатков, которые затрудняют достижение необходимых результатов вследствие высокой трудоемкости указанных операций и их технологической сложности.

Недостаточно исследованы вопросы влияния новых конструкционных материалов для изготовления резервуаров на чистоту ТСМ. Требуют решения задачи, связанные с оценкой степени загрязнения современных ТСМ, мероприятий по обеспечению их чистоты, изучением эффективности использования резервуаров из различных конструкционных материалов, разработкой устройств для очистки резервуаров от остаточных загрязнений ТСМ.

Цель работы - разработка эффективных методов и средств обеспечения чистоты ТСМ при их транспортировке, хранении и заправке сельскохозяйственной техники для повышения безотказности и долговечности этой техники при ее эксплуатации.

Научная концепция - обеспечение эффективной работы сельскохозяйственной техники путем повышения чистоты применяемых ТСМ.

Объект исследований — технические средства и технологическое оборудование для восстановления и поддержания чистоты ТСМ при транспортировании и хранении.

Предмет исследований - технические мероприятия и технологические процессы обеспечения чистоты ТСМ. Научная новизна:

предложены аналитические зависимости, описывающие процесс накопления остаточных загрязнений в складских резервуарах и транспортных цистернах;

разработаны математические модели процессов очистки емкостей различной формы от остаточных загрязнений и теоретически обоснованы методы утилизации продуктов очистки;

обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования для хранения ТСМ резервуаров из новых перспективных конструкционных материалов, способствующих снижению уровня загрязненности этих продуктов;

дано теоретическое обоснование и изучен механизм обезвоживания ТСМ с помощью новых гидрофильных материалов.

Методы исследований основаны на теоретических положениях математического моделирования, системного анализа, гидромеханики, аналитической химии, микробиологии, спектрального анализа. Для экспериментальных исследований разработаны оригинальные лабораторные установки и стенды, на которые получены патенты на полезные модели. Практическая значимость работы:

разработаны методы химико-механо-гидродинамической очистки резервуаров для хранения ТСМ и утилизации продуктов очистки; разработаны методы статической и динамической очистки ТСМ с помощью гидрофильных полимеров;

исследована степень загрязнения и эффективность очистки резервуаров из конструкционной стали маркиСтЗ,СтЗ с цинковым покрытием, алюминиевых сплавов, стеклопластика;

изучено влияние механических примесей и воды на трибологические характеристики минеральных, синтетических и рапсового масел;

разработан комплекс технологического оборудования для очистки складских и транспортных емкостей от остаточных загрязнений.

Внедрение результатов исследований. Разработанные методы и технологические средства внедрены в ЗАО «Домодедово Джет Сервис»,ЗАО «Домодедово Фьюэл Сервисиз», ЗАО «Куликово», ЗАО «Агрофирма Бунятино», ГУП «Мосавтотранс 11-й автобусный парк», ООО «Агропромсервис», ГП «Калужская МТС» и др. Разработанные теоретические положения и методики используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГАУ, МГТУ им Н.Э. Баумана, Брянской ГСХА.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО МГАУ в 1998-2012годах; на технических совещаниях ФАУ 25 ГосНИИХИММОТОЛОГИИ РФ; международной НПК «Инженерия поверхности и реновация изделий» (г. Ялта, 2012 г.) и др.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 20 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, издана одна монография, получены два патента на изобретения, два свидетельства на полезные модели и два патента на полезную модель, одно положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Всего автором опубликовано 34 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа включает 333 страницы, в том числе 47 таблиц, 116 рисунков, 189 наименований использованных источников.

1. Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Объемы и номенклатура топливно-смазочных материалов (ТСМ), потребляемых в сельском хозяйстве

Сельскохозяйственное производство является одним из основных потребителей топлив, смазочных материалов и технических жидкостей. По данным Минсельхоза РФ, по состоянию на 1.01.2011 года в сельском хозяйстве эксплуатируется более 1 млн ед. энергонасыщенной техники, потребляющей около 5,0 млн т дизельного топлива, около 2,0 млн т бензина, около 0,2млн т минеральных масел.

От качества и рационального использования ТСМ в значительной степени зависит эффективная и долговечная работа машинно-тракторного парка. Бесперебойное обеспечение нефтепродуктами машин и других потребителей требует высокоорганизованной системы нефтепродуктообеспечения, достаточного количества резервуаров, автоцистерн, передвижных и стационарных средств заправки. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов неразрывно связано с совершенствованием организации технического обслуживания и ремонта нефтескладского оборудования [1].

Современное нефтехозяйство - это специализированное подразделение сельскохозяйственного предприятия. Задача нефтехозяйства - удовлетворять текущий спрос на ТСМ машинно-тракторного парка путем поставок с распределительных нефтебаз и расходования собственных запасов с минимальными количественными и качественными потерями.

К числу ТСМ, применяемых в сельском хозяйстве, относятся бензины, дизельные топлива, моторные, трансмиссионные, гидравлические масла, пластические смазки и др.

Автомобильные бензины применяются при эксплуатации значительной части автомобильного транспорта. Мощность бензинового двигателя, его экономичность, надежность работы, токсичность отработавших газов во многом зависят от качества топлива. Автомобильные бензины применяются

в карбюраторных и инжекторных двигателях и представляют собой смесь нефтяных дистиллятов, выкипающих при температуре от 35 до 215 °С.

Автомобильные бензины должны удовлетворять следующим требованиям:

быть легко испаримыми, обеспечивать однородный состав смеси в каждом цилиндре;

способствовать легкому запуску и устойчивой работе двигателя на всех режимах;

иметь хорошую детонационную стойкость;

иметь высокую физическую и химическую стабильность при хранении, транспортировке, заправке и применении;

не вызывать коррозии емкостей средств транспортирования, хранения, заправки, а также системы питания двигателей;

иметь высокую теплоту сгорания; обеспечивать максимальную мощность двигателя;

обеспечивать полное сгорание без образования вредных выбросов;

иметь минимальную склонность к образованию нагара на деталях двигателя;

обладать хорошими низкотемпературными свойствами;

не иметь повышенной гигроскопичности и склонности к образованию льда;

не содержать механических примесей и воды;

обеспечивать минимальный расход моторного масла.

Для обеспечения этих требований бензины должны обладать определенными эксплуатацион�