автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка комбинированного фильтра-сепаратора для судовой энергетической установки и основ его проектирования

На правах рукописи

Валиулин Сергей Сергеевич

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОГО ФИЛЬТРА-СЕПАРАТОРА ДЛЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ОСНОВ ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 и Юг) 2012

Нижний Новгород - 2012

005045621

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (ВГАВТ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

засл. деятель науки РФ Курников Александр Серафимович

Официальные onnoneirrbi: доктор технических наук, профессор

Петухов Валерии Александрович Государственная морская академия имени адмирала С. О. Макарова, Санкт-Петербург

кандидат технических наук, доиенг Зеленое Сергей Николаевич ВГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева

Ведущая организация: ФЮУ ВПО «Новосибирская академия водного

транспорта»

Защита состоится «20» июня 2012 г. в 16-00 в ауд. 281 на заседании диссертационного совета Д223.001.02 при Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФЮУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан

«&» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.ц, доц

Кеслер

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы

Одним из важнейших требований по обеспечению надёжности судовых энергетических установок (СЭУ) является поддержание спецификационных параметров рабочих тел систем СЭУ.

В большинстве общесудовых систем и систем СЭУ в качестве рабочих жидкостей используются вода, масло, дизельное топливо, нефтепродукты и др. Все они в общем случае являются неоднородными (гетерогенными) и состоят из двух и более фаз. Например, в воде наружного контура охлаждения двигателей может присутствовать твёрдая дисперсная фаза - частицы песка, органические продукты и газовая фаза - в виде пузырьков воздуха. Положительную технологическую функцию практически всегда выполняет основная сплошная жидкая фаза. Дисперсные включения во всех важных случаях ухудшают работу систем. Так, твёрдые частицы в системе охлаждения, оседая в трубопроводах, теплообменниках и регулирующих органах, ухудшают их гидравлические характеристики, приводят к заклиниванию арматуры, снижают эффективность теплообменных аппаратов и т.п.

Постоянное или периодическое удаление из судовых технологических жидкостей посторонних дисперсных включений - одна из важных задач обеспечения безотказной и долговечной эксплуатации энергетических установок.

Изготовители элементов систем, как правило, указывают нормированные параметры жидкостей и требуют их соблюдения. Несмотря на то, что в настоящее время на флоте применяется большое число специализированных устройств для разделения неоднородных систем и удаления посторонних включений, задачу очистки рабочих жидкостей нельзя считать решённой. Свидетельством этого являются загрязнения систем охлаждения с перегревом главных и вспомогательных двигателей, загрязнение топливной аппаратуры с заклиниванием плунжерных пар, загрязнение систем смазывания с «задирами» пар трения и т.п.

Значительный вклад в решенне указанных проблем внесли отечественные и зарубежные специалисты: Дытнерский Ю.И., Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г., Теверовский Е.Н., Дмитриев Е.С., Лазарев В.А., Васькин C.B., Минц Д М., Ferziger, J. H., Rhie, C.M. и др.

Сложность создания эффективных и стабильно работающих судовых разделительных элементов связана с рядом физических особенностей, в том числе:

-полидисперсностью посторонних частиц, т.е. значительной разницей их размеров и форм;

-вариацией плотности и твёрдости частиц;

-вариацией физико-механических свойств, в т.ч. адгезии к стенкам аппаратов, склонности к коагуляции;

-склонностью к созданию достаточно плотного осадка, дестабилизирующего работу разделительных элементов и др.

В составе СЭУ наибольшее распространение нашли два основных типа фильтрующих устройств: сепараторы и механические фильтры. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Попытки преодоления отрицательных свойств и усиления достоинств являются движущей силой при создании новых фильтрующих аппаратов. Однако, задача создания фильтрующих устройств, сочетающих преимущества сепараторов и механических фильтров, до настоящего момента не имела эффективного решения.

Цель работы. Целью работы является создание эффективного судового комбинированного фильтра-сепаратора и теоретических основ его расчёта и проектирования.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-разработка эффективной гидродинамической схемы и устройства судового комбинированного фильтра-сепаратора (ФС);

-разработка математических моделей течения загрязнённой среды в элементах ФС;

-экспериментальное исследование эффективности работы ФС; -создание основ инженерной методики расчёта и проектирования нового судового комбинированного ФС.

Объектам исследования является судовой комбинированный ФС. Методы исследования. В работе использовались методы математического анализа на базе систем дифференциальных уравнений течения вязкой жидкости и уравнений движения твёрдых частиц в потоке в трёхмерной постановке с генерацией моделей в программной среде АЫБУБ СБХ. Экспериментальные исследования выполнялись на физических полноразмерных моделях с использованием специально спроектированного стенда по методикам, рекомендуемым современными ГОСТами и другой нормативной документацией.

Научная новизна и личный вклад автора заключаются в следующем:

1. Создана новая эффективная гидродинамическая схема и устройство судового комбинированного ФС, сочетающего преимущества сепаратора и механического фильтров.

2. Впервые разработаны математические модели течения загрязнённой жидкости в проточной части комбинированного ФС.

3. Найдены закономерности, отражающие влияния геометрических и режимных факторов на фракционную и общую эффективность фильтрования.

4. Экспериментально подтверждена эффективность работы комбинированного ФС. Получены критериальные зависимости для расчёта эффективности фильтрования.

5. Разработаны основы методики проектирования судового комбинированного ФС.

Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Создан пилотный образец нового судового комбинированного ФС, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками.

2. Разработаны основные параметры тнпоразмерного ряда ФС систем охлаждения, отопления и горячего водоснабжения для вновь строящихся и находящихся в эксплуатации судов.

3. Применение разработанных ФС позволяет значительно уменьшить интенсивность образования отложений в системах, повысить надёжность работы арматуры, предохранительных устройств, датчиков расхода и температуры, давления, повысить эффективность судовых теплообменников и др. Реализация результатов работы состоит в применении разработанных основ методики проектирования судовых ФС в практике предприятия ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ» при создании проекта и промышленных образцов тнпоразмерного ряда ФС на Бу 50... 200.

Достоверность полученных результатов обоснована корректным использованием методов матанализа при создании математических моделей, экспериментальным подтверждением теоретических положений при исследовании характеристик опытных образцов ФС, применением при проведении экспериментов апробированных и надёжных методов измерений, использованием при планировании экспериментов и обработке опытных данных методик, одобренных Государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международного промышленно-экономическом форуме «Великие реки' 2010» и «Великие реки' 2011», ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2010-2012 гг.) Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 5 печатных работ, включая патент на полезную модель.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, приложения.

Основное содержание работы изложено на 119 страницах машинописного текста и включает 62 рисунка и 9 таблиц. Список литературы состоит из 72 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен критический анализ литературных данных по вопросам методов разделения дисперсных систем, методов математического описания процессов сепарации и фильтрования, рассмотрены эффективные конструкторские решения в области фильтрования. Показано, что на основе известных дифференциальных уравнений течения вязкой жидкости и уравнений взаимодействия жидкости и дисперсных частиц могут быть сформированы системы уравнений, являющихся основой математических моделей движения двухфазной среды в проточной части ФС. Известные решения уравнений осаждения в полях сил тяжести и центробежных сил относятся к сферическим частицам и не учитывают реальную форму загрязнений. Наиболее целесообразным методом определения характеристик реальных частиц является экспериментальное исследование.

Современные тенденции совершенствования технологии фильтрования дисперсных сред связаны, в большинстве случаев, с комбинированием двух или нескольких физических принципов. Так, высокая эффективность очистки достигается при сочетании осаждения и механического фильтрования, осаждение в заторможенном пограничном слое и применение эффектов граничного взаимодействия и т.п.

На основании анализа технических решений и изучении патентной литературы выявлено перспективное направление развития технологии фильтрования на базе сочетания центробежной сепарации и механического фильтрования. Однако, для нейтрализации отрицательных свойств каждого из этих принципов и усиления их положительных качеств необходимо решение ряда расчётных, экспериментальных и конструкторских задач. На основании этого сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе разработана и теоретически обоснована новая конструкция комбинированного ФС. Предложена двухступенчатая технология фильтрования жидкости, осуществлённая в конструктивно едином цилинд-

Рисунок 1- Схема фильтра-сепаратора 1 - корпус фильтра - сепаратора, 2 - входной патрубок, 3 - сопло входного патрубка, 4 - выходной патрубок, 5 - фильтрующий элемент, 6 - накопительная шламовая емкость, 7 - дренажный кран, 8 - накопительная газовая емкость, 9 - воздухоотводчик, 10 - успокоительная решетка, 11 - коллектор, 12 - кольцевая перегородка.

В первой центробежной ступени выделяются относительно крупные дисперсные частицы, во второй - механически задерживаются более мелкие загрязнения. Эффективность механического фильтрования усилена путём организации течения жидкости перед сеткой с очень малым углом атаки в соответствии со схемой рис. 2.

Рисунок 2- Схема движения твёрдой частицы загрязнения с!3-условный диаметр частицы загрязнения, (^-условный диаметр ячейки фильтра, а-угол набегания твёрдой частицы на сетку

В результате получены два новых эффекта: возможность задержания дисперсных частиц с размерами, меньшими отверстия сетки фильтроэлемен-та и динамическая самоочистка фильтрующей поверхности. В соответствии с полученной схемой разработаны математические модели объекта исследования, состоящие из трёхмерной твёрдотельной модели ФС, сеточной модели расчетной области, модели течения вязкой жидкости (рис.3).

Рисунок 3- Расчетная схема ФС

А

1

- АВСБМН - входной участок от сечения с заданными параметрами течения до выхода из сопла;

-МН- сопло;

- 1- восходящий участок в цилиндрическом канале;

-2- участок вихревого течения жидкости в кольцевом канале(циклоне);

- 3- участок течения через пористую поверхность (сетку );

-НЕРО- участок выхода жидкости.

Решаемая задача требует описания явлений, значительно отличающихся режимами и геометрическими параметрами, что приводит к необходимости использования систем уравнений, соответствующим условиям конкретных физических явлений. Течение в свободных каналах описывается уравнениями несжимаемой вязкой жидкости, взаимодействующей с твёрдыми частицами (1),(2),(3),(4).

8(рУх) д(РУхУх) д(рУхУу) д(рУхУг) дР-дг зу

а + а* ъу & -~&+2&°ч"*'аГ)+

0)

у) 8(рУхУу) д(рУуУг) д(рУУг) др

с(рУ7) , 8(рУхУг) | 8(рУуК) | с(рУ2У2) _ др | & йг & йг

+ + г^) = ,

йг йу &

(4)

где V*, Уу> У2- компоненты вектора скорости Ур жидкости,м/с; р- давле-ние,Па; р- плотность, кг/мЗ; + - эффективная вязкость Пах; скла-

дывающаяся из ламинарной (физической) вязкости ц и турбулентной (вихревой) вязкости /^.Пат; Мх, Му, Мг- компоненты вектора М интенсивности обмена импульсом между несущей фазой и частицей; »У представляет интенсивность источников массы.

В силу закона действия-противодействия вектор М будет:

— (У-У)

-(5)

Где м3; С-коэффициент сопротивления, Я-радиус частицы, м;

А=7г112, м2.

Уравнение движения частицы в несущей фазе

где т - масса частицы, кг; Я -присоединенная масса сферы, кг; X = -ржК3.

Движение жидкости через зону механического фильтра описывается системой уравнений фильтрации

где, ^-коэффициент проницаемости, характеризующий величину площади сечения пор среды, по которым в основном происходит фильтрация, Кяот -коэффициент потерь, определяющий потери, связанные с длиной пористых каналов. Система уравнений (1-7) интегрировалась в конечно-разностной форме.

При численном интегрировании уравнений источниковые члены Мх, Му, Мг и Б инициировались в каждый момент времени только в том районе пространства несущей фазы, в котором в данный момент находилась движущаяся частица. Для замыкания системы уравнений использовалась составная ББТ модель Ментера. Граничные условия: -на твёрдых непроницаемых границах - прилипание; -на вход подаётся вода с равномерной эпюрой скорости; -на выходной границе - нулевое избыточное давление;

-кольцевая область ИСЬМНЕБО - открытая граница расчётной области с нулевым избыточным давлением.

\

(7)

с!ЫУ = 0;

Твёрдая частица с массой ш внедряется в районе сопла. Сеточная модель задачи построена на базе сеточного генератора АЫЗУЯ КЕМ СРБ, количество узлов- 3 млн. Решение производилось в пакете гидрогазодинамики А^УБ СБХ. Получены данные о полях скоростей, давлений, расходов во всей расчётной области. На рис. 4 представлены результаты расчётов отдельных линий тока в каналах ФС. На рис. 5 показано распределение расходов рабочей среды через сетку фильтроэлемента.

Рисунок 4- Линии тока в проточной Рисунок 5- Удельный массовый части сепаратора. расход рабочей среды

через сетку ФЭ

Подтверждено наличие устойчивого нисходящего спиралеобразного потока в циклонной части. В кольцевом сепарирующем канале формируется центростремительное ускорение в потоке до 700 м/с2, что достаточно для сепарирования частиц размером от 0,1 до 3 мм. Углы натекания жидкости на поверхность фильтра изменяются в пределах 0,7°...6,5°, что теоретически обеспечивает задержание частиц на порядок меньше размера ячейки фильтра.

На рис.6 представлен результат моделирования траектории твёрдой частицы в циклонной части фильтра

Результаты математического моделирования подтверждают эффективность сепарации загрязнений размером от 0,1 до 3 мм, характерных для речной воды.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования характеристик комбинированного ФС.

Задачи экспериментальной работы: подтвердить или опровергнуть гипотезы, положенные в основу конструкции ФС,

Рисунок 6 -Расчетная траектория проверить характеристики объекта иссле-движения твёрдой частицы в

циклонной части ФС. 1 -линия тока воды; 2-траектория частицы с!,=0,8мм

дования, наиденные расчетным путем, выявить направления оптимизации геометрических и режимных параметров ФС. Конструкция экспериментального ФС обеспечивает дискретное изменение геометрических характеристик проточной части. На рис. 7 приведена схема экспериментального стенда для определения параметров фильтрования ФС.

План экспериментов включал варьирование длины фильтроэлемента (Ьф) на трёх уровнях от 56 до 155мм, варьирование размера дисперсных частиц на пяти уровнях от 0,1 до Змм, изменение расходов(<Зф) на четырёх уровнях от 1,67 до 8,2м:7ч. В качестве загрязнителя использовался песок из воды р. Волга, предварительно промытый и рассеянный по фракциям. Экспериментально исследованы характеристики осаждения дисперсных частиц в поле сил тяжести в воде при различных температурах.

\

кя

ф

СКВ

о

Рисунок 7- Схема экспериментального стенда для исследования характеристик ФС.

ФСЭ- фильтр-сепаратор экспериментальный; 3ь32- затворы поворотные водяные; К1Д2- краны воздушный и водяной; МЬМ2- мановукууметры; ИКВ -измеритель количества воздуха; СКВ- счетчик количества воды; НБ- бак накопительный; ФТТО- фильтр тканевый тонкой очистки; ДЗ- дозаторы загрязнения; С- смеситель; НР- насос с регулируемой подачей; Т-термометр.

Определено, что коэффициент сопротивления реальных песчинок значительно отличается от этого параметра для сферических частиц. Предложено ввести поправку в виде коэффициента действительной формы К» в уравнение для определения коэффициента сопротивления §= К0, где коэффициент сопротивления сферы. Найдена критериальная зависимость для расчёта поправочного коэффициента К0 в интервале Яе=1... 4000.

Использование формулы (8) позволило уточнить известные зависимости для определения скорости осаждения реальных песчинок в поле центробежных сил.

(8)

Для центробежной сепарации получены уточнённые формулы скорости осаждения:

для Яе<2

для Яе=2...500

для Ке=500... 4000

18р'V0'*8 ) V

1 ¿„ад»

3/5

«г

(9)

(10) (11)

По результатам исследования фракционной эффективности фильтрования г)ф построена функция отклика т1ф=А(Ьф,С)фД).

Ьф, мм

Рисунок 7- функция отклика г|ф

С целью выполнения математических процедур оптимизации полученная графическая зависимость описана с помощью алгебраических функций.

г|ф= с - а(Ь- Ьф)2, (12)

15

где с=1 +0,0457(0,75<ь) • [1-(0,341- С>ф) "3 ] - 0,0155 с13'1,2, а=0,31 0,031(4,5- 0Ф)2], Ь= 108-Ю,76(Оф-2,93)+5,51п( 104-1).

В области максимума функция г)ф обработана с использованием критерия Стокса

где р3 и р - плотность загрязнения и жидкости, шж - скорость жидкости, м/с; цж - динамическая вязкость жидкости, Б - диаметр корпуса фильтра, м.

Получена критериальная зависимость для функции фракционной эффективности фильтрования

(14)

где к=7,37- коэффициент конструктивного исполнения ФС, I - номер фракции.

Формула (14) позволяет определять фракционную эффективность фильтрования ФС и при известном процентном фракционном составе загрязнения общую эффективность фильтрования.

Четвёртая глава посвящена разработке основных положений методики проектирования судового ФС.

Выявлены главные направления совершенствования ФС с целью достижения максимальной эффективности фильтрования: -обеспечение ускорения потока на входе в кольцевую циклонную часть; -установка цилиндрического фильтроэлемента вертикально и соосно корпусу;

-формирование нисходящего вращающегося потока в циклонной проточной части;

-организация в нижней части ФС камеры сбора загрязнений;

-создание условий вращения потока с центростремительным ускорением в

пределах (100...300) м/с2;

-создание условий течения перед сеткой фильтроэлемента с углом натекания (1...6)0;

-с целью снижения интенсивности вихреобразования на входе в циклонную часть за соплом целесообразна установка направляющего шнека.

Кроме того, сформирован ряд требований с целью обеспечения удобства монтажа, обслуживания и ремонта ФС:

-входной и выходной патрубки должны располагаться соосно и желательно пересекаться с осью корпуса ФС под прямым углом;

-корпус должен располагаться вертикально, в нижней части корпуса должен быть разъём, позволяющий периодически удалять загрязнения из сборной камеры;

-фильтроэлемент должен быть съёмным для периодического осмотра и обслуживания;

-в верхней части корпуса должен быть установлен ручной, либо автоматический клапан для удаления воздуха, который может там скапливаться; -в нижней части сборной камеры должен быть установлен кран для периодического удаления загрязнений методом продувки.

Разработан рекомендуемый параметрический ряд судовых ФС. Предложено минимизированное количество основных типоразмеров - восемь. Ряд построен исходя из требования обеспечения расходов систем охлаждения, теплоснабжения и горячего водоснабжения эксплуатирующихся и вновь строящихся судов речного флота. Ряд ФС перекрывает расходы от 4 до 250 м3/ч. Присоединительные размеры ФС соответствуют судовым трубопроводам с условными диаметрами Dy {40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200} мм. С учётом полученных экспериментальных данных для обеспечения эффективной сепарации значения скорости жидкости на выходе из сопла должны составлять (3...6) м/с. Знание необходимой скорости на срезе сопла при известном расходе среды позволяет определить площадь сопла и его размеры по рекомендуемым соотношениям.

Определение суммарной площади проходного сечения отверстий сетки F,o фильтроэлемента производится с учётом экспериментально определённого оптимального значения скорости фильтрации W^0= (0,05... 0,1) м/с:

Рэо = С!ф / (0,05...0,1). Полная площадь поверхности фильтроэлемента Рфэ-вычисляется с учётом относительного проходного сечения сетки Рс:Рфэ=Рз0/Рс Размер отверстий сетки фильтроэлемента выбирается исходя из экспериментально полученного соотношения ёо= 2с13 99,9, где 4,99,9 - диаметр частиц загрязнения, которые должны быть задержаны на 99,9%.

Глубина ёмкости сбора загрязнений выбирается с учётом соотношения Ье > 0,5-0, где Ье - высота от поверхности слоя загрязнений до нижней кромки фильтроэлемента.

Фракционная эффективность ФС определяется отдельно для каждой фракции по формуле (14-). При известном законе фракционного распределения частиц дисперсного материала, общая эффективность фильтрования определяется по известной формуле ^ = , где ФнГ процентное массовое содержание частиц ьй фракции в рабочей жидкости на входе в ФС.

Разработана методика проектирования ФС, которая внедрена на предприятии ООО «Гидротермаль» и использована при создании судовых систем утилизации теплоты (рис. 8). Блок-схема методики проектирования и расчёта судового ФС представлена на (рис.9).

Рисунок 8- ФС Ду 80 в блоке утилизации теплоты 18

Рисунок 9- Блок-схема методики расчёта и проектирования судового ФС

Общие выводы

Итогом выполненных исследований является разработка высокоэффективного судового ФС и основ его проектирования.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Анализ конструкций, принципов действия и методов расчёта современных аппаратов для очистки технологических жидкостей от твёрдых загрязнений показывает, что одним из перспективных направлений повышения эффективности этих устройств, является сочетание двух и более физических принципов выделения дисперсной фазы. Конструктивное исполнение новых комбинированных фильтрующих устройств должно обеспечивать нейтрализацию отрицательных свойств отдельных физических принципов и максимально полное использование положительных свойств.

2. Разработана эффективная гидродинамическая схема и конструкция судового ФС, сочетающего преимущества циклонного и механического фильтров.

3. Разработаны математические модели течения загрязнённой жидкой среды в элементах предложенного ФС. Расчётные исследования, выполненные с использованием этих моделей, подтвердили заложенные в конструкцию ФС гипотезы об особенностях движения двухфазной среды в кольцевом канале корпуса фильтра при натекании под острым углом на решётку фильт-роэлемента.

4. Экспериментально исследованы гидродинамические характеристики осаждения реальных загрязняющих частиц в речной воде. Выявлено значительное влияние несферической формы частиц на коэффициент сопротивления.

5. Получены критериальные зависимости для определения коэффициента сопротивления частиц загрязнения речной воды.

6. Экспериментально исследована фракционная эффективность опытного фильтра-сепаратора в широком диапазоне геометрических и режимных па-

раметров. Найдена область максимума функции эффективности фильтрования и получена критериальная зависимость для расчта фракционной эффективности фильтрования разработанного ФС.

7. Разработаны основные положения методики проектирования судового фильтра-сепаратора. Данные положения содержат соотношения и рекомендации сформулированные на базе расчётного и экспериментального исследований ФС.

8. Предложена базовая конструкция судового ФС и разработаны параметры типоразмерного ряда фильтров для нужд речного флота.

9. Положения и рекомендации по проектированию судовых комбинированных ФС позволяют создавать эффективные устройства данного типа в диапазоне параметров, соответствующих нуждам проектировщиков судовых систем.

10. Основные положения методики внедрены в практику проектирования судовых фильтров-сепараторов для систем охлаждения и утилизации теплоты на предприятии ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ».

11. Новизна технических решений была подтверждена патентом на полезную модель № 115237.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Валиулин, С.С. «Моделирование гидродинамических процессов в циклонной части фильтра-сепаратора» Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. №3 (декабрь) 2011,- С. 72-77.

Публикации в других изданиях

2. Валиулин С.С., Курников A.C. «Разработка математической модели течения жидкости с дисперсной фазой в проточной части фильтра-сепаратора» журнал труды НГТУ, Энергетические установки и теплотехника, том 93, 2012.-С. 228-237.

3. Валиулин, С.С. «Особенности работы сетчатых фильтров при косом нате-кании потока» Сборник трудов Международного промышленно-экономического форума «Великие реки' 2010». Н.Новгород: Изд. ННГАСУ, 2010.

4. Валиулин С.С., Курников A.C. «Экспериментальные исследования характеристик комбинированного фильтра-сепаратора» Сборник трудов Международного промышленно-экономического форума «Великие реки' 2011». Н.Новгород: Изд. ННГАСУ, 2011.

5. Валиулин, С.С. Фильтр-сепаратор. Патент на полезную модель № 11523, Б. №12 от 27.04.2012

Подписано в печать 15.05.12. Формат 60x84 1/16 Бумага офисная. Печать лазерная. Тираж 120 экз. Заказ 2.

Отпечатано ИП Тюрюмин. 603000, Нижний Новгород, ул.М.Ямская, 36.

Введение

Глава 1. Анализ уровня разработок в области фильтрующих устройств и разделения двухфазных сред

1.1 .Физические принципы работы фильтрующих устройств и их математическое описание

1.2.Конструктивные принципы обеспечения эффективной и стабильной работы фильтрующих устройств

1.3. Выводы. Цель и задачи исследования

Глава 2. Разработка комбинированного фильтра - сепаратора и математическое моделирование рабочего процесса в его проточной части

2.1. Разработка гидравлической схемы и конструкции

2.2. Постановка и решение задачи математического моделирования сред в фильтре-сепараторе

2.3. Особенности численной реализации математической модели

2.4. Результаты математического моделирования течения рабочих сред в фильтре-сепараторе

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальные исследования характеристик комбинированного фильтра-сепаратора

3.1. Задачи и методика проведения экспериментальной работы

3.2. Определение характеристик дисперсного загрязнителя с нормированными параметрами

3.3. Результаты экспериментального исследования характеристик фильтра-сепаратора

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Основные положения методики проектирования судового фильтра-сепаратора

4.1. Конструкция и общая компоновка

4.2. Рекомендуемый параметрический ряд судовых фильтров- 101 сепараторов

4.3 Алгоритм проектирования и расчёта судового комбинированно- 108 го ФС

4.4 Практическое применение результатов исследования

4.5 Выводы по главе 111 Общие выводы 112 Библиографический список используемой литературы 114 Приложение

Одним из важнейших требований по обеспечению надёжности судовых энергетических установок (СЭУ) является поддержание спецификационных параметров рабочих тел систем СЭУ.

В большинстве общесудовых систем и систем СЭУ в качестве рабочих жидкостей используются вода, масло, дизельное топливо, нефтепродукты и др. Все они в общем случае являются неоднородными (гетерогенными) и состоят из двух и более фаз. Например, в воде наружного контура охлаждения двигателей может присутствовать твёрдая дисперсная фаза - частицы песка, органические продукты и газовая фаза - в виде пузырьков воздуха. Положительную технологическую функцию практически всегда выполняет основная сплошная жидкая фаза. Дисперсные включения во всех важных случаях ухудшают работу систем. Так, твёрдые частицы в системе охлаждения, оседая в трубопроводах, теплообменниках и регулирующих органах, ухудшают их гидравлические характеристики, приводят к заклиниванию арматуры, снижают эффективность теплообменных аппаратов и т.п.

Постоянное или периодическое удаление из судовых технологических жидкостей посторонних дисперсных включений - одна из важных задач обеспечения безотказной и долговечной эксплуатации энергетических установок.

Изготовители элементов систем, как правило, указывают нормированные параметры жидкостей и требуют их соблюдения. Несмотря на то, что в настоящее время на флоте применяется большое число специализированных устройств для разделения неоднородных систем и удаления посторонних включений, задачу очистки рабочих жидкостей нельзя считать решённой. Свидетельством этого являются загрязнения систем охлаждения с перегревом главных и вспомогательных двигателей, загрязнение топливной аппаратуры с заклиниванием плунжерных пар, загрязнение систем смазывания с «задирами» пар трения и т.п.

Значительный вклад в решение указанных проблем внесли отечественные и зарубежные специалисты: Дытнерский Ю.И., Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г., Теверовский E.H., Дмитриев Е.С., Лазорев В.А., Васькин C.B., Минц Д.М., Ferziger, J. H., Rhie, C.M. и др.

Сложность создания эффективных и стабильно работающих судовых разделительных элементов связана с рядом физических особенностей, в том числе:

-полидисперсностью посторонних частиц, т.е. значительной разницей их размеров и форм;

-вариацией плотности и твёрдости частиц;

-вариацией физико-механических свойств, в т.ч. адгезией к стенкам аппаратов, склонности к коагуляции;

-склонностью к созданию достаточно плотного осадка, дестабилизирующего работу разделительных элементов и др.

В составе СЭУ наибольшее распространение нашли два основных типа фильтрующих устройств: сепараторы и механические фильтры. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Попытки преодоления отрицательных свойств и усиления достоинств являются движущей силой при создании новых фильтрующих аппаратов. Однако, задача создания фильтрующих устройств, сочетающих преимущества сепараторов и механических фильтров, до настоящего момента не имела эффективного решения.

Цель работы. Целью работы является создание эффективного судового комбинированного фильтра-сепаратора(ФС) и теоретических основ его расчёта и проектирования.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-разработка эффективной гидродинамической схемы и устройства судового комбинированного ФС;

-разработка математических моделей течения загрязнённой среды в элементах ФС;

-экспериментальное исследование эффективности работы ФС; 4

-создание основ инженерной методики расчёта и проектирования ново го судового комбинированного ФС.

Объектом исследования является судовой комбинированный ФС. Методы исследования. В работе использовались методы математического анализа на базе систем дифференциальных уравнений течения вязкой жидкости и уравнений движения твёрдых частиц в потоке в трёхмерной постановке с генерацией моделей в программной среде А^УВ СБХ. Экспериментальные исследования выполнялись на физических полноразмерных моделях с использованием специально спроектированного стенда по методикам, рекомендуемым современными ГОСТами и другой нормативной документацией.

Научная новизна и личный вклад автора заключаются в следующем:

1. Создана новая эффективная гидродинамическая схема и устройство судового комбинированного ФС, сочетающего преимущества сепаратора и механического фильтров.

2. Впервые разработаны математические модели течения загрязнённой жидкости в проточной части комбинированного ФС.

3. Найдены закономерности, отражающие влияния геометрических и режимных факторов на фракционную и общую эффективность фильтрования.

4. Экспериментально подтверждена эффективность работы комбинированно го ФС. Получены критериальные зависимости для расчёта эффективности фильтрования.

5. Разработаны основы инженерной методики проектирования судового ком бинированного ФС.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Создан пилотный образец нового судового комбинированного ФС, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками.

2. Разработаны основные параметры типоразмерного ряда ФС систем охлаж дения, отопления и горячего водоснабжения для вновь строящихся и находящихся в эксплуатации судов.

3. Применение разработанных ФС позволяет значительно уменьшить интенсивность образования отложений в судовых системах, повысить надёжность работы арматуры, предохранительных устройств, датчиков расхода, температуры, давления, повысить эффективность судовых теплообменников и др. Реализация результатов работы состоит в применении разработанных основ методики проектирования судовых ФС в практике предприятия ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ» при создании проекта и промышленных образцов типо-размерного ряда ФС на Ву 50. .200.

Достоверность полученных результатов обоснована корректным использованием методов матанализа при создании математических моделей, экспериментальным подтверждением теоретических положений при исследовании характеристик опытных образцов ФС, применением при проведении экспериментов апробированных и надёжных методов измерений, использованием при планировании экспериментов и обработке опытных данных методик, одобренных Государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международного промышленно-экономическом форуме «Великие реки' 2010» и «Великие реки' 2011», ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2010-2012 гг.) Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 4 печатные работы.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Анализ конструкций, принципов действия и методов расчёта современных аппаратов для очистки технологических жидкостей от твёрдых загрязнений показывает, что одним из перспективных направлений повышения эффективности этих устройств, является сочетание двух и более физических принципов выделения дисперсной фазы. Конструктивное исполнение новых комбинированных фильтрующих устройств должно обеспечивать нейтрализацию отрицательных свойств отдельных физических принципов и максимально полное использование положительных свойств.

2. Разработана эффективная гидродинамическая схема и конструкция судового ФС, сочетающего преимущества циклонного и механического фильтров.

3. Разработаны математические модели течения загрязнённой жидкой среды в элементах предложенного ФС. Расчётные исследования, выполненные с использованием этих моделей, подтвердили заложенные в конструкцию ФС гипотезы об особенностях движения двухфазной среды в кольцевом канале корпуса фильтра при натекании под острым углом на решётку фильт-роэлемента.

4. Экспериментально исследованы гидродинамические характеристики осаждения реальных загрязняющих частиц в речной воде. Выявлено значительное влияние несферической формы частиц на коэффициент сопротивления.

5. Получены критериальные зависимости для определения коэффициента сопротивления частиц загрязнения речной воды.

6. Экспериментально исследована фракционная эффективность опытного фильтра-сепаратора в широком диапазоне геометрических и режимных параметров. Найдена область максимума функции эффективности фильтрова

112 ния и получена критериальная зависимость для расчета фракционной эффективности фильтрования разработанного ФС.

7. Разработаны основные положения методики проектирования судового фильтра-сепаратора. Данные положения содержат соотношения и рекомендации сформулированные на базе расчётного и экспериментального исследований ФС.

8. Предложена базовая конструкция судового ФС и разработаны параметры типоразмерного ряда фильтров для нужд речного флота.

9. Положения и рекомендации по проектированию судовых комбинированных ФС позволяют создавать эффективные устройства данного типа в диапазоне параметров, соответствующих нуждам проектировщиков судовых систем.

10. Основные положения методики внедрены в практику проектирования судовых фильтров-сепараторов для систем охлаждения и утилизации теплоты на предприятии ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ».

11. Новизна технических решений была подтверждена патентом на полезную модель № 115237 Бюл. №12 от 27.04.2012

1. A.c. SU №1291182А1, Гидродинамический фильтр. / кл. В Ol D 7/12, 1982.

2. A.c. SU №2070418С1, Фильтр. / кл. В 01 D 29/20, 1979.

3. Бажан В.И., Вайсблат Б.И., Трянин И.И. Основы научных исследований на речном транспорте, Горький, Волго-Вятское книжное издание. 1990.319 с.

4. Быстров Ю.А. Исаев С.А., Кудрявцев H.A., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. СПб.: Судостроение, 2005. -392 с.

5. Волшаник В.В., Зуйков А.Д., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях/Под ред. Г.И. Кривченко. М.: Энергоиз-дат, 1990.-280с.

6. Водоочистное оборудование: конструирование и использование / Ю.С. Веселов, И.С. Лавров, Н.И. Рукобратский. -Л.: Машиностроение, 1985.232 с.

7. Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта.-М.: Недра, 1971,-312с.

8. Горячев И.К. Рябчиков С.Я. Промышленная и санитарная очистка газов. Обзорная информация. Сер. ХМ 14.-М.:ЦИНТИ химнефтемаш, 1987. -28с.

9. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидравлические и тепловые процессы и аппараты: Учеб. для вузов. М.: Химия. 1992.- 416 с.

10. Закрученные потоки: Пер. с англ. / Гупта А, Лилли Д., Сайред Н.-М.: Мир.1987.- 588 с.

11. Идельчик И.Е.Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Под ред. М.О.Штейнберга, изд. 3-е перераб. и дополн. М.: Машиностроение, 1992,-671с.

12. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков: уч.пособие / Д.А. Кривошин и др.; доп. Мин-вом образов. РФ для студ. вузов по экологич. Спец. М.: Высш. школа, 2003. - 344с.

13. Инженерные сети, оборудование зданий и сооружений: учебник / E.H. Бухаркин и др.; под ред. Ю.П. Соснина.-2-e изд, испр. и доп.-М.: Высш. шк., 2008. 415с.

14. Каталог водоочистного оборудования Каталог.: Метод, пособие / Центр обеспечения экологического контроля. -СПб., 2003. -85 с.

15. Каталог газоочистного оборудования Каталог.: Метод, пособие / Центр обеспечения экологического контроля. -СПб., 2002. -310 с.

16. Лазарев В.А. Циклоны и вихревые пылеуловители: Справочник. Н.Новгород: СпецстройЭнергоПроект, 2005. -285 с.

17. Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-12. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств / М.Б. Генералов, В.П. Александров, В.В. Алексеев и др.; под общ. ред. М.Б.Генералова. М.: Машиностроение, 2004. - 832 с.

18. Методика проектирования объединённой системы очистки судовых сточных и нефтесодержащих вод: автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.08.03 /А.О. Писарев; ВГАВТ,- защищ. 12.2010. Нижний Новгород, 2010. 23 с.

19. Моделирование процессов очистки воды: учеб. пособие /В.И. Кичигин. -М.: АСВ, 2003. -230 с.

20. Методы очистки производственныхсточных вод: справ, пособие / А.И. Жуков, И.Л. Монгайт, И.Д. Родзиллер. -М.: Стройиздат , 1977. 208 с.

21. Минц Д.М. Теоретические основы очистки воды. -М.: Изд. лит. по по строит., 1964. -372 с.

22. Нефтеловушки, фильтры, гидроциклоны и центрифуги. Примеры расчётов.: уч.-мутод. указания для студ. очн. и заочн. обуч. / C.B. Васькин. -Н.Новгород: изд. ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. 52с.

23. Очистка питьевой и технической воды примеры и расчёты: учебн. пособие / Ф.В Кожинов; доп. Мин-вом высш и сред. обр. СССР для студ. вузов 4-е издание, репринт.- М.: Бастед, 2008. - 304 с.

24. Оборудование и технология для очистки сточных вод машиностроительных предприятий: альбом. -М.: ВНИТЭМР, 1991. -120 с.

25. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов / Д.Н. Смирнов, В.Е. Генкин. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1989. 223 с.

26. Очистка питьевой и технической воды: примеры и расчёты, учеб. пособие / Ф.В. Кожинов; доп. Мин-вом высш. и сред. обр.СССР для студ спец. вузов. 4-е изд., репринт. -М.: Бастед, 2008. 304 с.

27. Очистка промышленных газов фильтрами / В.Н. Ужов, Б.И. Мягков. -М.: Химия, 1970. -319 с.

28. Промышленная экология: учебн. пособие для студ вузов / В.Г. Калыгин. -2-е изд. -М.: Академия, 2006.- 432 с.

29. Природоохранные сооружения: учебник / М.А. Попов, И.С. Румянцев; рек. Мин-вом сельск. хоз. РФ для студ. вузов эколог, спец. -М: Колосс, 2005.- 520 с.

30. Пейре Р., Тейлор Т. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. Д.: Гидрометеоиздат, 1986. -350 с.

31. Проектировании сооружений для очистки сточных вод: справ, пособие к СНиП. -М.: Стройиздат, 1990. 192 с.

32. Процессы и аппараты очистки сточных вод: уч. Пособие / C.B. Васькин. -Н.Новгород: ВГАВТ, 2006. 256 с.

33. Применение системы ANS YS к решению задач механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. А.К. Любимова. Н.Новгород: Изд-во Нижегородского университета им. Лобачевского,2006. -227 с.

34. Плыкин M. Создание призматических слоев и оптимизация сетки в ANSYS ICEM CFD // ANSYS Solutions. Русская редакция, -2006. -№2 -с. 331-34

35. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1984. -152 с.

36. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидромеханические основы процессов химической технологии: учебное пособие для вузов. -JL: Химия, 1987. -360 с.

37. Разработка и изготовление масляного фильтра-центрифуги для двигателя Р6-ДФ148: отчёт о НИР/ научн. рук. С.А. Чепурнов. -Горький: ГИ-ИВТ, 1962. -35с.

38. РД 5.4434-86 Система показателей качества продукции. Фильтры механической очистки воды, масла и топлива. Методика оценки технического уровня и качества. М.: Изд. стандартов, 1988. - 38 с.

39. Рыбаков К.В. Фильтрация авиационных топлив. М.: Транспорт, 1973. -164 с.

40. Сосуды работающие под давлением, котлы и трубопроводы: Сборник нормативных документов. М.: НЦ ЭААС, 2006. - 528 с.

41. Смирнов O.P., Юдицкий Ф.Л. Надёжность судовых энергетических установок. Л.: Судостроение, 1974. 279 с.

42. Станкова E.H., Затевахин М.А. Многосетчатые методы. Введение в стандартные методы. СПб.: Институт высокопроизводительных вычислений и информационных систем, 2003. -47 с.

43. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: в 2 ч. 4.1 / Л.А. Кльский и др.; отв. ред. А.Т.Пилипенко. -Киев: Наук. Думка, 1980. -680 с.

44. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: в 2 ч. 4.2 / Л.А. Кльский и др.; отв. ред. А.Т.Пилипенко. -Киев: Наук. Думка, 1980. 679 с.

45. Справочник по пыле и золоулавливанию / М.И. Биргер, А.Ю Вальдберг, Б.И. Мягков и др.; под общей ред. A.A. Русанова. -М.: Энергоиздат, 1983.- 312 с.

46. Судовые трубопроводы. Пер. с нем. / Д. Бом, К. Бухенау, Г. Брейер и др.; -Д.: Судостроение, 1976. -264 с.

47. Совершенствование систем обеспечения обитаемости и повышения экологической безопасности судов на основе активированных окислительных технологий: дисс. д-ра техн. наук: 05.08.03 / A.C. Курников; ВГАВТ -защищ. 04.07.2002. -Н.Новгород, 2002. -307 с.

48. Совершенствование системы сбора и обработки судовых отходов с целью повышения безопасности эксплуатации судов: автореферат, дисс. канд. Техн. наук 05.22.19 / И.А. Минаева; МГАВТ.- защищ. 27.04.2011. -М.: МГАВТ, 2011,-21с.

49. Судовые установки очистки сточных вод: способы очистки, устройство и эксплуатация: учеб. пособие / Н.Г. Ермошкин и др. -Одесса.: Феникс, 2004. 56с.

50. Теверовский E.H., Дмитрием Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М.: Энергоиздат, 1988. -160с.

51. Технологические системы водообработки: динамическая оптимизация / И.В. Гордин.-Д.: Химия, 1987. 264с.

52. Технология обработки природных и сточных вод. / Хаммер М. Дж.; Пер. с англ. М.:Стройиздат, 1979. 400 с.

53. Фильтры тонкой очистки дизельного топлива / И.В. Брай, И.Ю. Белявский, ЮА. Кудинов. -М.: Машгид, 1963.- 128 с.

54. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости. М.:Мир, 1991.-504с.

55. Фильтры для улавливания промышленных пылей / М.Г. Мазус, А.Д. Мальгин, М.Л. Моргулис. -М.: Машиностроение, 1985. 240с.

56. Фильтрация дизельного топлива / Л.А.Емельянов. М.;Л.; Машгид, 1962.-107 с.58,59,60,61.