автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов на основе волокнистых каркасных элементов для очистки углеводородных топлив

Мухамеджанов Марат Габитович

тка технологии нетканых фильтровальных материалов на основе волокнистых каркасных элементов для очистки углеводородных

топлив

Специальность 05.19.02. - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

1 з дпр тг

005019479

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005019479

Мухамеджанов Марат Габитович

основе волокнистых каркасных элементов для очистки углеводородных

топлив

Специальность 05.19.02. — Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре технологии нетканых материалов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Научный руководитель кандидат химических наук, профессор

Горчакова Валентина Михайловна

Официальные оппоненты Кудрявин Лев Александрович

доктор технических наук, профессор федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

профессор кафедры технологии трикотажного производства

Жеребцова Нина Анатольевна

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО НПО «Стеклопластик» фирма

НПК «Терм»

Ведущая организация ОАО «Центральный научно-

исследовательский институт пленочных материалов и искусственных кож»

Защита состоится «£ » ^кДА 2012 г. в /?'- 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.02 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 119071, Москва, ул. Малая Калужская, д.1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Автореферат разослан « 5 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ^^ЗО.С. Шустов

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

Углеводородное топливо в процессе производства, хранения, транспортирования, заливки в бак автомобилей и др. подвергается загрязнению твердыми частицами. Для очистки углеводородных топлив от твердых частиц используются различные фильтрующие материалы: бумаги, специальные картоны, ткани и др. Однако эти фильтрующие материалы не отвечают современным техническим требованиям, поэтому создание новых фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оснащение ими фильтроэлементов, являются актуальной задачей.

Цель исследования

Целью данной диссертационной работы является разработка нетканого фильтрующего материала для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений, используемого в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и технологии изготовления структуры пористого многослойного нетканого фильтрующего материала (НФМ),

обеспечивающего номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, низкое гидравлическое сопротивление, высокую грязеемкость.

Задачи исследований

Исходя из поставленной цели, в данной работе решались следующие задачи:

-изучение рынка отечественных и зарубежных фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оценка тенденции их развития;

-анализ современного состояния научных исследований в области фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив;

-разработка технических требований к НФМ для очистки углеводородных топлив от механических загрязнений, используемых в ДВС;

-разработка модели структуры пористого многослойного НФМ, обеспечивающего необходимую тонкость фильтрации, гидравлическое сопротивление, грязеемкость;

-разработка каркасного волокнистого элемента, выполняющего роль барьера для малых частиц загрязнений, повышающего номинальную тонкость фильтрации;

-разработка технологии изготовления многослойных НФМ с тонкостью фильтрации 5 мкм;

-оптимизация технологических параметров изготовления НФМ;

-установление зависимости фильтрующих характеристик от технологических параметров производства и структурных элементов НФМ;

- внедрение в практику разработанного многослойного НФМ и оценка экономической эффективности от внедрения нового материала для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений, в качестве фильтрующей шторы фильтроэлементов;

Методы и средства исследования

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств НФМ и его компонентов.

При оптимизации технологических параметров изготовления материала применялись методы математической статистики, математического планирования и анализа эксперимента.

Исследование структурных характеристик проводилось методами поляризационной микроскопии.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- разработана многослойная структура НФМ на основе алгоритма его работы по осаждению и удержанию частиц загрязнения различных типоразмеров и предложена технология его изготовления;

- разработан основной структурный элемент — барьерный слой, улучшающий фильтрующую способность, и установлено его влияние на изменение эксплуатационных характеристик: грязеемкость, номинальную тонкость фильтрации. Разработана схема технологической реализации многослойной структурной модели НФМ.

- определен характер осаждения и удержания частиц загрязнения в зависимости от предложенных технологических операций с использованием метода поляризационной микроскопии;

- методами регрессионного анализа проведено исследование факторов, влияющих на изменение структурных характеристик, физико-механических и эксплуатационных свойств НФМ;

-определено влияние технологических параметров изготовления фильтровального материала на изменение номинальной тонкости фильтрации, воздухопроницаемости, пористости;

- научная новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение №2421267 «Нетканый фильтрующий материал» от 20.06.2011г.

Практическая ценность работы

• Разработанная комбинированная технология позволяет осуществить промышленный выпуск НФМ для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений размером 5 мкм. Составлен проект нормативно- технической документации на разработанный НФМ.

• Разработанный материал может заменить широко применяемые бумажные фильтрующие материалы как отечественного, так и импортного производства.

• Созданный материал хемостоек к углеводородным топливам и воде, что сохраняет целостность его структуры на протяжении всего времени эксплуатации и исключает проскок частиц более 5 мкм в ДВС.

• Многослойная структура материала обеспечивает высокую и качественную очистку углеводородного топлива, позволяет увеличить грязеемкость до полного засорения фильтроэлемента по сравнению с бумажными аналогами в 2,8 раза, тем самым увеличить срок эксплуатации фильтроэлемента.

• Разработанная структура НФМ позволит создавать ассортиментный ряд фильтрующих материалов для нового поколения ДВС.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. 6 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» «Нетканые материалы технического назначения», 2007г., МГТУ им. А.Н. Косыгина

2. Всероссийской выставке научно- технического творчества молодежи (НТТМ). « Фильтровальные нетканые материалы для углеводородных топлив», 2008 г., ОАО «ГАО Всероссийский выставочный центр».

3. 7 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века». «Нетканый фильтровальный материал», 2008 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

4. Всероссийской научно- технической конференции (ВНТК) «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности.

Текстиль 2009 г». «Нетканые материалы для очистки нефтепродуктов от механических загрязнений», 2009г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

5.ВНТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2010 г». «Структура пористых нетканых фильтровальных материалов и ее качественная оценка», 2010 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

6. 10 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века». « Нетканые фильтровальные материалы для очистки углеводородных топлив», 2011 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

7. ВНТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2011», «Технология изготовления нетканых фильтровальных материалов с использованием матриц в виде барьерных слоев», 2011 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Достоверность результатов работы

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы подтверждаются согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований и базируются на использовании современных методов математической статистики, планирования и анализа эксперимента, теории фильтрации. Экспериментальные результаты основаны на использовании стандартных методов испытаний волокон и НФМ. Полученные результаты работы апробированы на предприятиях и получили положительную оценку.

Публикации

В рамках диссертационной работы опубликовано 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК, 1 патент, 1 научная статья, 7 тезисов докладов.

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 196 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка используемой литературы из 112 наименований, 20 таблиц, 45 иллюстраций, 7 приложений.

Содержание работы

Во введении приведены обоснование выбора темы и ее актуальность, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи работы.

Глава 1 диссертационной работы посвящена обзору и анализу информационных источников о развитии рынка НФМ, тенденции развития

НФМ, состоянии отечественного рынка фильтрующих материалов для очистки углеводородного топлива и сырьевой базе.

На основе анализа литературных источников были установлены виды и механизмы осаждения частиц загрязнения при очистке углеводородного топлива. Проанализирована теория процесса фильтрации углеводородных топлив, которая позволила спроектировать новую структурную модель НФМ.

Определено направление исследований по созданию новых видов фильтрующих материалов. Проанализированы результаты выполненных исследований о влиянии размера пор, воздухопроницаемости НФМ на номинальную тонкость фильтрации.

Во второй главе изложено методическое обеспечение экспериментальных исследований.

Для оценки физико-механических, структурных, эксплуатационных свойств НФМ для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений использовались стандартные методики.

В процессе исследования влияния технологических параметров изготовления на функциональные свойства НФМ использованы современные методы математического планирования и анализа эксперимента с обработкой полученных результатов при помощи современных компьютерных программ.

В третьей главе проведен анализ фильтруемой среды, источников механических загрязнений углеводородного топлива, их видов. Определено распределение частиц загрязнения в дизельном топливе согласно стандарту DIN EN 590 (рис. 1).

Рис.1 Кривая распределения частиц загрязнения по их размерам в дизельном топливе.

Установлено, что для очистки топлива должны использоваться фильтрующие материалы, обладающие глубинным характером осаждения частиц загрязнения.

Составлена условная схема осаждения, удержания частиц загрязнения и алгоритм работы разрабатываемого фильтрующего материала, которая подтверждает необходимость применения многослойной структуры материала.

Установлены основные факторы влияющие на изменение функциональных свойств НФМ: разрывные характеристики, воздухопроницаемость, водо- и хемостойкость в среде углеводородного топлив.

Определены критерии оценки НФМ: пористость, размер пор, скорость прохождения потока, номинальная тонкость фильтрации.

Разработаны технические требования, предъявляемые к современным НФМ для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений на основе анализа применяемых аналогов, требований потребителей и существующей нормативно- технической документации: пористость не менее 50%, воздухопроницаемость 42-50 дм3/(м2-с), номинальная тонкость фильтрации 5 мкм.

Четвертая глава посвящена разработке технологии многослойного НФМ для очистки углеводородного топлива. Согласно разработанной рабочей структурной модели фильтрующего материала, проведен выбор волокнистого состава по эквивалентному радиусу пор. Выполнен расчет линейных плотностей волокон в каждом слое.

КП0Р = 2Я8 р- 0,798 = 2 - 0,789; (1)

* уРг \ 2 р„

где, Лаор - средний эквивалентный радиус пор идеального НМ с перекрестным расположением волокон (см);

ЯБ - средний радиус волокон (см);

рв- удельная плотность применяемых волокон (у=1,38) г/см3;

Ру - объемная плотность полотна (г/см3);

Т5- средняя линейная плотность волокон (текс).

Для выполнения требований по прочностным показателям и повышенной номинальной тонкости фильтрации в качестве барьерного слоя опробовано три вида материалов: ткань, холст из полиэфирных волокон

линейной плотностью 0,17 текс и иглопробивной термофиксированный нетканый материал (ИНМ). Показано, что оптимальным волокнистым каркасным элементом, используемым в качестве барьерного слоя, является термофиксированный ИНМ.

Характеристики исследуемых барьерных слоев представлены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование показателей Наименование каркасных слоев

Барьерный слой ИНМ термофиксиро ванный Холст из ПЭФ волокон линейной плотностью 0,17 текс Ткань ПЭФ полотняного переплетения, с размером ячейки 5x5 мм

Поверхностная плотность, г/м2 180 140 110

Толщина при удельном давлении 1,0 кПа, мм 2,1 2,5 3,0

Разрывная нагрузка полоски 50x100 мм, даН по длине по ширине 8,5 10,0 1.3 1,7 100 120

Относительное удлинение при разрыве,% по длине по ширине 48 56 - 25 25

Воздухопроницае мость, дм/(м2с) 470 490 Более 2000

Обоснован способ скрепления волокнистых слоев методом иглопрокалывания (дублирования) и предложены схемы иглопрокалывания, позволяющее минимизировать образование сквозных отверстий от следов игл.

Рациональные параметры иглопрокалывания определены с помощью метода математического планирования и анализа эксперимента второго порядка для 3-х факторов (план Бокс 3).

Найдено уравнение регрессии:

У=233,4375-7,2999-Х,+653999-Х2+2,699-Хг-2,625-ХгХг+3,375-Х2-Х3-14,4375-Х12+4,0625-Х22+4,562-Хз2 (2)

где, У - воздухопроницаемость дм3/(м2с) хг поверхностная плотность г/м2; х2 — плотность прокалывания, см"2; Хз — глубина прокалывания, мм.

С целью увеличения номинальной тонкости фильтрации предложено последовательное использование 2-х стадийной термообработки НФМ, позволяющей достичь необходимой структуры фильтрующего полотна:

-термообработка под температурным воздействием;

-термообработка под одновременным воздействием температуры и давления.

Для определения рациональных параметров термообработо] использован метод математического планирования для двух факторов (плш КОНО-2).

В пятой главе проанализировано изменение структурных, физико механических и функциональных свойств разработанного НФМ н; различных этапах его изготовления. Проведенные исследована подтверждают существенные изменения структурных и фильтрующие характеристик НФМ на каждом технологическом этапе. По разработанноГ комбинированной технологии, выработана опытная партия нетканой фильтрующего материала.

Известно, что номинальная тонкость фильтрации зависит от размер; пор НФМ, уменьшение размера пор приводит к повышению номинально!" тонкости фильтрации, что подтверждается диаграммами распределена частиц загрязнения, (рис. 3) прошедших на эталонный образец после: а дублирования трех слоев, б - термообработки сдублированных слоев бе: давления на АТУ - 1800 и в - термообработки на каландре фирмы «Рамиш».

Рис 3 а) б) в)

Анализ экспериментальных данных подтверждает, что размер прошедших частиц загрязнения снижается с 25 мкм (дублирование материала в три слоя) до 15 мкм (после обработки на АТУ-1800) и после каландрирования достигает до 5 мкм.

Изучено влияние номинальной тонкости фильтрации барьерного слоя на номинальную тонкость фильтрации готового НФМ. Результаты взаимосвязи номинальной тонкости фильтрации барьерного слоя и НФМ представлены на рис. 4. Представленные барьерные слои изготовлены с различными размерами пор.

рис. 4

Барьерный слой во многом предопределяет величину номинальной тонкости фильтрации. Номинальную тонкость фильтрации барьерного слоя можно использовать для прогнозирования величины этой характеристики в НФМ.

Результаты стендовых и промышленных апробаций разработанног НФМ подтвердили, что фильтроэлементы оснащенные новым материала обеспечивают номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, при это1 гидравлическое сопротивление на фильтроэлементе в процессе эксплуатаци не превышает значения 2,5 кПа. Грязеемкость фильтроэлементо! оснащенных НФМ, по сравнению с фильтроэлементами оснащенным; импортньши бумажными фильтрующими материалами увеличивается в 2, раза. Апробация проведена на установочной серии фильтроэлементов дл очистки топлива, поступающего в ДВС тепловозов и автомобилей марк: «МАЗ».

Технические требования предъявляемые к НФМ и их практическа реализация представлены в табл. 2.

Таблица 2

№ п/ п Наименование показателей Заданные значения Показатели разработан ного НФМ

1 Поверхностная плотность, г/м^, не более 500±25 520

2 Толщина при удельном давлении 20 Па,мм, не более 2,0±0,1 1,9

3 Разрывная нагрузка полоски 50x100 мм,цаН, не менее по длине по ширине 40,0 50,0 64,0 78,0

4 Относительное удлинение пи разрыве,%, не более по длине по ширине 120 120 85 92

5 Воздухопроницаемостцдм^м^с 50-38 42-50

6 Пористость.%, не менее 80 80,4

7 Номинальная тонкость фильтрации.мкм, не более 5,0 5,0

8 Хемостойкость Стойкий к углеводород ным топливам и воде Стойкий к углеводород ным топливам и воде

9 Жесткость (метод кольца), сН, не более по длине по ширине 60 55 58 50

10 Гидравлическое сопротивление в элементе,кПа, не более 9,8 2,0

По своим физико- механическим и функциональным свойствам разработанный НФМ, удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к материалам для очистки углеводородных топлив от механических загрязнений для ДВС. Разработанный НФМ обладает высокими значениями разрывных и деформационных характеристик.

В шестой главе Произведен расчет экономического эффекта от внедрения разработанного НФМ у производителя фильтроэлементов. Составлена смета расходов в расчете на 1 м2 фильтрующего полотна для очистки углеводородных топлив. Экономическая эффективность у производителя фильтроэлементов — 30,3 руб/м2.

Общие выводы по работе.

1. На основании теории процессов фильтрации углеводородных топлив от механических загрязнений разработан метод проектирования рабочей структурной модели многослойного НФМ с увеличивающим градиентом плотности по толщине материала, позволяющим обеспечить номинальную тонкость фильтрации 5 мкм. На разработанный НФМ составлены проекты СТО и заправочного расчета.

2. Разработана комбинированная технология изготовления многослойного НФМ на основе доступного волокнистого сырья с каркасным элементом, выполняющим роль барьерного упрочняющего слоя, повышающего номинальную тонкость фильтрации.

3. Установлена зависимость номинальной тонкости фильтрации готового НФМ для очистки углеводородного топлива в ДВС от номинальной тонкости фильтрации барьерного слоя.

4. Научная новизна работы защищена патентом РФ на изобретение «Нетканый фильтрующий материал» № 2421267 от 20 июня 2011 г.

5. Разработанный НФМ предлагается использовать в качестве фильтрующей шторы при изготовлении фильтроэлементов новых конструкций по очистке углеводородных топлив для тепловозов и автомобилей «МАЗ» взамен бумажных фильтрующих материалов.

6. Преимущества разработанного НФМ, по сравнению с широко применяемыми для фильтрации углеводородных топлив бумажными аналогами, свидетельствуют его высокие эксплуатационные характеристики:

-повышенная грязеемкость в 2,8 раза;

-пониженное гидравлическое сопротивление, не превышает 2,5 кПа;

-устойчивость к воде и углеводородным топливам;

-способность к гофрированию для создания развернутой площал фильтрации и увеличению грязеемкости.

7. Разработанный НФМ обладает рядом технико - экономически преимуществ по сравнению с бумажными фильтрующими материалами является экономически привлекательным для производителе фильтрэлементов. Общий удельный хозрасчетный показате! экономического эффекта в расчете на 1 м2 НФМ составил 30,3 руб/м2.

8. Полученные эксплуатационные характеристики подтвержден результатами апробации НФМ в фильтроэлементах для тепловозов на ОА' «Коломенский тепловозостроительный завод» и в фильтроэлементах да ДВС автомобилей «МАЗ» на АО СПО «Дифа» (г. Гродно, Беларусь).

Основное содержание диссертационной работы отражено публикациях:

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Влияние термообработок к фильтрующую способность нетканых иглопробивных полотен.// Извести вузов. Технология текстильной промышленности №1 2010г. - 81-83 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Разработка структуры нетканог материала для очистки углеводородного топлива от механически загрязнений.// Известия вузов. Технология текстильной промышленности № 2011г.-86-89 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Создание нетканы фильтровальных материалов для очистки углеводородных топлив с заданны показателем жесткости.// Химические волокна №3 2010 г. - 52-54 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканые материал] технического назначения.// Тезисы доклада 6 Всероссийской научно студенческой конференции «Текстиль 21 века» 2008 г. - 33-34 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканые материалы да очистки нефтепродуктов от механических загрязнений.// Тезисы доклад Международной научно-технической конференции «Современны технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2009 2009 г.-57-58 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Структура пористых нетканы фильтровальных материалов и ее качественная оценка.// Сборник научны трудов аспирантов МГТУ им. А.Н. Косыгина №16 2010 г. - 31-35 стр.

М.Г. Мухамеджанов. Прогнозирование воздухопроницаемости НФМ зависимости от вида каркасных элементов в структуре.// Тезисы доклад Международной научно-технической конференции «Современны

технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2010» 2010 г. -79-80 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Технология изготовления нетканых фильтровальных материалов с использованием матриц в виде барьерных слоев.//Тезисы доклада Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2011» 2011 г. - 33-34 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов, C.B. Конюхова, Т.Ф. Сутягина. «Нетканый фильтрующий материал». Патент на изобретение № 2421267 от 20.06.2011.

Подписано в печать 29.03.12 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 0,94 Заказ 104 Тираж 80 ФГБОУ ВПО «МГТУ имени А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

61 12-5/2363

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МОСКОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕКСТИЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Н. КОСЫГИНА»

Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов на основе волокнистых каркасных элементов для очистки углеводородных топлив

Специальность 05.19.02. - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

На правах рукописи

МУХАМЕДЖАНОВ МАРАТ ГАБИТОВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

^ у__Кандидат химических наук

Профессор

Горчакова Валентина Михайловна

МОСКВА 2012

Содержание

Стр.

Введение..........................................................................................................................................5-14

Глава 1. Современное состояние производства нетканых

фильтрующих материалов..........................................................................................15-51

1.1 Новые виды нетканых фильтрующих материалов на основе различных способов производства, технологий и исходного сырья.. 15-20

1.2 Ассортимент и области применения зарубежных и отечественных нетканых материалов........................................................................20-25

1.3 Анализ взаимосвязи характеристик пористой структуры и технологических параметров производства иглопробивных

нетканых материалов (ИНМ)................................................................................................25-30

1.4 Анализ процесса фильтрации в пористых перегородках....................30-43

1.5. Фильтрующие характеристики волокнистых пористых

нетканых материалов........................................................................................................................43-50

Выводы по главе 1..........................................................................................................................50-51

Глава 2. Методика проведения исследований..........................................................52-68

2.1 Методы определения свойств используемых волокон и

нетканых материалов..............................................................................52-62

2.3 Методика математического планирования эксперимента и

анализа полученных результатов....................................................................................62-66

2.4 Методика статистической обработки экспериментальных

данных........................................................................................................................................................66-67

Выводы по главе 2......................................................................................................................68

Глава 3. Разработка структуры нетканых фильтровальных

материалов для очистки углеводородных топлив....................................69-85

3.1 Анализ фильтруемой среды...........................................................69-71

3.2. Факторы, влияющие на изменение функциональных свойств нетканых фильтровальных материалов для очистки

углеводородных топлив..............................................................................................................71-76

3.3. Алгоритм работы функциональной модели структуры

НФМ............................................................................................................................................................77-81

3.4 Разработка рабочей модели структуры НФМ для очистки углеводородных топлив..............................................................................................................81-82

3.5 Разработка технических требований предъявляемых к

разрабатываемому НФМ для очистки углеводородных топлив............83-85

Выводы по главе 3..........................................................................................................................85

Глава 4. Технологическая реализация рабочей модели

структуры разрабатываемого НФМ для очистки топлива от

механических загрязнений....................................................................................................86-129

4.1 Подбор и обоснование выбора волокнистого состава НФМ..............86-88

4.2 Определение рациональных линейных плотностей волокон волокнистого состава и их содержания в разрабатываемом

НФМ................................................................................................................................................................88-91

4.3. Барьерный слой НФМ для очистки топлива..........................................................91 -97

4.4. Технология изготовления НФМ для очистки топлива..........................98-114

4.4.1 Подготовка волокнистого сырья к переработке........................................98

4.4.2. Изготовление барьерного слоя................................................................................98-102

4.4.3. Термофиксация барьерного слоя..........................................................................102-107

4.4.4 Дублирование методом иглопрокалывания барьерного слоя с лобовым...........................................................................

107-109

4.4.5 Дублирование методом иглопрокалывания сдублированных

слоев лобового и барьерного с заключительным

слоем.............................................................................. 109-114

4.5 Технологические операции для повышения задерживающей

способности НФМ............................................................. 115-117

4.5.2 Оплавление поверхности НФМ....................................... 117-118

4.5.3 Термообработка НФМ при одновременном воздействии

температуры и давления (каландрирование)..........................................................118-127

Выводы по главе 4........................................................................................................................128-129

Глава 5. Изменение физико-механических, структурных и функциональных свойств разработанного НФМ на различных стадиях технологического процесса его изготовления. Результаты стендовых испытаний фильтровальных

элементов, изготовленных из НФМ........................................................................130-143

5.1 Изменение физико-механических показателей разработанного

НФМ по технологическим переходам........................................................................130-134

5.2 Изменение структурных и функциональных свойств НФМ..........134-140

5.3. Результаты апробации многослойного НФМ,

предназначенного для фильтрации углеводородных топлив от

механических загрязнений....................................................................................................140-141

Выводы по главе 5....................................................................................................................142

Глава 6. Технико - экономическая эффективность..............................143-147

Выводы по главе 6....................................................................................................................148

Общие выводы по работе........................................................................................................149-150

Список используемой литературы..........................................................................151-160

Приложения

Введение

В связи с увеличением количества легковых, грузовых автомобилей и другой техники, работающих на двигателях внутреннего сгорания (ДВС), проблемы очистки углеводородных топлив (бензина, дизельного топлива и др.) приобретают особенную актуальность. Это также обусловлено ужесточением требований и законодательных актов в области охраны окружающей среды в городах и населенных пунктах.

Создание современных ДВС и повышение требований в отношении экономичности и экологичности привело к усложнению задач проектирования и разработки систем фильтрации.

Повышение срока службы ДВС обеспечивает экономический эффект за счет сокращения простоев, увеличения производительности машин и уменьшения расхода запасных частей [1.1]. Обеспечение работоспособности двигателя и отдельных его компонентов на протяжении всего срока службы и эксплуатации, обусловило решение целого ряда задач при разработке систем фильтрации. Многие задачи систем фильтрации в современных условиях нельзя рассматривать изолированно друг от друга, они взаимосвязаны и являются составными частями одной системы.

Углеводородное топливо, как и любая жидкость, подвержено загрязнению различными твердыми частицами, попадающими в него во время производства, транспортирования, хранения, в момент заливки в бак автомобиля и другой техники. В атмосферном воздухе при высокой влажности окружающей среды и перепаде температур содержится много пыли в виде твердых частиц и аэрозолей. Загрязняющие примеси, находящиеся в топливе, вызывают повышенный износ деталей и как следствие уменьшение срока службы двигателя. А забивка топливной

аппаратуры частицами загрязнений при эксплуатации приводит к нарушению подачи бензина и дизельного топлива в бак, что вызывает перегрев двигателя.

Кроме того, в качестве загрязнителя топлив выступает свободная вода, которая замерзает при температуре 0°С, превращаясь в кристаллы льда, которые проникают в фильтрующие элементы топливных фильтров, что приводит к прекращению подачи топлива в двигатель и его остановку.

Из-за наличия в топливе механических загрязнений, в двигателе происходит неполное сгорание топлива и его остатки в виде сажи и углеводородов вылетают в окружающую среду, ухудшая экологическую обстановку.

Поэтому потребители фильтров для ДВС предъявляют все более жесткие требования в отношении повышения эффективности очистки, удаления более тонких твердых частиц, уменьшения вредных выделений и снижение стоимости.

Одним из эффективных путей решения этой проблемы является разработка новых видов и структур фильтрующих материалов (ФМ), используемых в конструкциях топливных фильтров. В качестве ФМ в топливных фильтрах используются волокнистые пористые перегородки, такие как, бумага, ткани, специальные картоны.

Наиболее перспективными фильтрующими перегородками в конструкциях топливных фильтров являются нетканые фильтрующие материалы (НФМ). Благодаря разнообразию способов производства, используемого сырья и возможности создания многослойных пористых структур, НФМ нашли широкое применение в качестве фильтрэлементов в конструкциях и установках топливных фильтров.

Используемые фильтрэлементы, оснащенные бумагами с введением стекловолокон и пропитанные специальными латексами, смолами, имеют существенные недостатки бумаги: набухают в топливе, происходит абразивный износ из-за присутствия стекловолокна, обладают высоким начальным гидравлическим сопротивлением из-за присутствия веществ введенных при пропитке.

Таким образом, данная диссертационная работа направлена на разработку технологии производства и создание многослойных структур НФМ, обеспечивающих номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, большой ресурс грязеемкости и медленно нарастающее гидравлическое сопротивление в процессе эксплуатации, а также увеличение срока службы топливных фильтров.

Автор защищает:

1. Технологию изготовления многослойных нетканых материалов для очистки углеводородных топлив, используемых в двигателях внутреннего сгорания.

2. Структуру многослойных нетканых фильтрующих материалов, обеспечивающих послойное распределение твердых частиц и механических загрязнений.

3. Нетканый фильтрующий материал для очистки углеводородных топлив на основе разработанной технологии и многослойной струтуры с номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм, низким начальным гидравлическим сопротивлением и высоким ресурсом грязеемкости.

4. Метод проектирования структуры многослойных НФМ, обеспечивающих требования по эффективности очистки и увеличению срока службы фильтров для очистки углеводородных топлив.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы

На разных стадиях жизненного цикла (в процессе производства, при хранении, транспортировании, заливке в бак автомобилей и др.) углеводородное топливо подвергается загрязнению различными твердыми частицами. Для очистки углеводородных топлив от твердых частиц используются различные фильтрующие материалы: бумаги со стекловолокнами и пропитками, специальные картоны, ткани. Однако эти фильтрующие материалы не отвечают сегодняшним техническим требованиям, поэтому создание фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оснащение ими фильтрэлементов, являются актуальной проблемой. Данная работа направлена на разработку пористых многослойных нетканых материалов, обеспечивающих номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, низкое начальное гидродинамическое сопротивление, высокий ресурс грязеемкости, и срок службы фильтрэлементов. В связи с автомобилизацией и увеличением количества автомобилей проблема обеспечения эффективности очистки и увеличения срока службы фильтров для фильтрации углеводородных топлив, используемых в ДВС, стоит очень остро. Это, также обусловлено с улучшением экологической обстановки в городах и населенных пунктах в отношении уменьшения вредных выделений от выхлопных газов автомобилей и другой техники.

Целью данной работы является разработка технологии изготовления и структуры пористых многослойных НФМ, обеспечивающих при очистке углеводородных топлив тонкость фильтрации 5 мкм, низкое начальное гидродинамическое сопротивление, высокий ресурс грязеемкости, длительный срок службы фильтрэлемента.

Задачи работы.

Исходя из поставленной цели, в данной работе решались следующие задачи:

- изучение рынка отечественных и зарубежных фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оценка тенденции их развития;

-анализ современного состояния научных исследований в области фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив;

- разработка технологических требований к НФМ для очистки углеводородных топлив;

- разработка модели структуры пористых многослойных НФМ;

- разработка каркасного волокнистого элемента, выполняющего роль барьера для частиц загрязнений, определяющего основную фильтрующую функцию НФМ;

- разработка технологии производства многослойных НФМ с тонкостью фильтрации 5 мкм;

- оптимизация технологических параметров производства НФМ;

- установление зависимости фильтрующих характеристик от технологических параметров производства и структурных элементов НФМ;

- внедрение в практику разработанного многослойного НФМ и оценка экономической эффективности от внедрения нового НФМ для очистки углеводородных топлив, в качестве фильтрующей шторы фильтрэлементов.

Методика проведения работы.

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств волокон и НФМ.

При оптимизации технологических параметров изготовления НФМ применялись методы математической статистики, математического планирования и анализа эксперимента.

Исследование структурных характеристик НФМ проводилось методами поляризационной микроскопии.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- Разработана многослойная структурная модель НФМ на основе алгоритма его работы по осаждению и удержанию частиц загрязнения различных типоразмеров;

- Разработан основной структурный элемент - барьерный слой, определяющий фильтрующую способность НФМ и его влияние на изменение эксплуатационных характеристик. Определена схема технологической реализации разработанной многослойной структурной модели НФМ.

- Определен характер осаждения и удержания частиц загрязнения в зависимости от технологических операций методом поляризационной микроскопии;

- Проведено методами регрессионного анализа исследование факторов, влияющих на изменение структурных характеристик, физико-механических и эксплуатационных свойств НФМ;

- Определено влияние технологических операций на изменение номинальной тонкости фильтрации;

- По результатам проведенной работы получен патент РФ на изобретение №2421267 от 20.06.2011 г. «Нетканый фильтрующий материал».

Практическая ценность работы.

Разработанная комбинированная технология изготовления НФМ, согласно составленному заправочному расчету, позволяет освоить промышленный выпуск НФМ с номинальной тонкостью очистки 5 мкм:

- Составлен проект нормативно- технической документации на выпуск разработанного НФМ.

Использование разработанного НФМ:

1. позволило успешно заменить бумажные фильтрующие материалы как отечественного, так и импортного производства.

2. Обеспечить высокую номинальную тонкость очистки топлива - 5 мкм и повысить качество его очистки.

3. Использование многослойности НФМ позволило увеличить ресурс работы до полного засорения фильтэлементов, по сравнению, с оснащенными бумажными аналогами в 2,8 раза, тем самым увеличить срок эксплуатации фильтрэлементов, как на двигателях автомобилей МАЗ, так и в тепловозах.

4. Разработанный НФМ хемостоек к углеводородным топливам и воде, что сохраняет его целостность на протяжении всего времени эксплуатации и исключает проскок частиц загрязнения.

5. Разработанный НФМ позволяет расширить ассортимент НФМ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всероссийской выставке научно- технического творчества молодежи (НТТМ). « Фильтровальные нетканые материалы для углеводородных топлив» 2008 г. ГАО « Всероссийский выставочный центр».

10 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века». « Нетканые фильтровальные материалы для очистки углеводородных топлив» 2011 г. МГТУ им. А.Н. Косыгина.

7 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века». «Нетканый фильтровальный материал» 2008 г. МГТУ им. А.Н. Косыгина.

6 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» «Нетканые материалы технического назначения» 2007г. МГТУ им. А.Н. Косыгина

Всероссийской научно- технической конференции (ВНТК) «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2011». «Технология изготовления нетканых ф�