Реферат: Джерела забруднення авіапалива

1. Сучасні технології та засоби очищення авіаційних палив

Цивільна авіація оснащена сучасними реактивними та турбогвинтовими літаками, які здатні літати на великих швидкостях і висотах. На цих літаках встановлені потужні двигуни з точною паливною та паливо регулюючою апаратурою. Вміст в авіаційних паливах більше 0,0002% по масі забруднень з розмірами більше 5 мкм стало недопустимим.

2. Джерела забруднення палив

Ефективність використання ЛА в значній мірі залежить від чіткої організації заправлення їх якісними ПММ. Номенклатура ПММ, застосовуваних у ГА, і порядок заправлення ЛА регламентуються відповідними інструкціями і вказівками, відступу від яких нерідко приводять до псування ПММ і втраті їхньої якості. Видача на заправку некондиційних палив і масел приводить до порушення регулярності польотів і створює передумови до літних подій.

Якість ПММ залежить від його фізико-хімічних, експлуатаційних й екологічних властивостей, що визначають ступінь придатності до використання.

Фізико-хімічні властивості визначаються в лабораторних умовах.

Експлуатаційні властивості проявляються в процесі роботи двигуна.

Екологічні властивості проявляються при взаємодії ПММ або їхніх продуктів згоряння з навколишнім середовищем.

ПММ у процесі зберігання, транспортування й заправлення можуть змінювати свої властивості. Забруднення в паливі й маслі негативно впливають на роботу агрегатів паливних і масляних систем ЛА. У паливних баках можуть порушитися автоматика керування заправленням і нормальною подачею палива, відбутися передчасне забивання фільтрів. Особливо чутлива до забруднень паливорегулююча апаратура реактивних двигунів.

Своєчасне очищення робочих рідин гідросистем підвищує надійність і довговічність гідравлічного обладнання, а також строк служби безпосередньо робочої рідини.При роботі на забрудненому паливі в насосах-регуляторах реактивних двигунів можуть відбуватися заїдання прецизійних пар, а це викликає нестабільність запуску двигуна, коливання числа обертів або самовідключення двигуна. Забруднення в паливі приводять до інтенсивного забивання трубок паливомастильного радіатора. Виробничій досвід показує, що лише за рахунок якісного очищення робочої рідини довговічність гідравлічної системи і обладнання збільшується в 2 – 3 рази. Тому питанням підвищення чистоти авіаційних палив в останні роки стали приділяти виключну увагу у всіх країнах світу.

В кожній рідині є забруднення, «успадковані», від сировини в процесі виробництва і «набуті», тобто ті, що потрапили в рідину в результаті зносу пар тертя агрегатів, контакту з навколишнім середовищем або з’явилися в результаті фізико-хімічних змін і появи продуктів розпаду. В нафті, що являється основою більшості рідких палив, моторних масел і рідин гідравлічних систем, присутні небажані компоненти, такі як ненасичені вуглеводні, асфальто-смолисті речовини, зольні елементи, нафтенові кислоти, азотні і сірчисті сполуки, тверді парафіни, церезини тощо. В ній можуть бути присутні стронцій, барій, марганець, титан та інші хімічні елементи.

Чистота є однією з найважливіших експлуатаційних властивістю нафтопродуктів. Вимоги до чистоти передбачені відповідними державними стандартами і технічними умовами і залежать від умов застосування нафтопродуктів. Згідно ГОСТ 17216–71 визначено 19 класів чистоти рідин в залежності від дисперсного стану твердих забруднювачів табл. 1.3. Введення цього ГОСТу дає можливість вибирати чистоту нафтопродуктів для машин і механізмів з відповідними допусками, посадками і чистотою обробки робочих поверхонь.

Для забезпечення необхідного класу чистоти необхідні відповідні засоби, що гарантують очищення палива по даному класу чистоти: фільтри, фільтри-сепаратори, центрифуги, а також методи і прилади для визначення забрудненості палив.

Класи чистоти дають безперечну перевагу і зручність. Дійсно, якщо для паливної системи літального апарата вимагається 6 або 7 клас чистоти палива, то немає необхідності вимагати чистоту цього ж класу від палива, що випускається з нафтопереробного заводу. В процесі транспортування, зберігання і заправки це паливо буде забруднюватися і всі затрати на його очищення в заводських умовах будуть невиправдані. Підвищення чистоти палив на шляху від нафтопереробного заводу до паливної системи літака повинно бути ступеневим.

Таблиця 1. Класи чистоти

При експлуатації, зберіганні і перевезені забруднення нафтопродуктів відбувається постійно. Основним джерелом забруднення являється пил, що потрапляє в рідини через систему дренажу, при малому і великому «диханнях» резервуарів, через заливні горловини при відкритій заправці баків.

Пил в атмосфері являє собою типову дисперсну систему з розміром частинок до 100 мкм. Вимірювання показали, що в одному літрі повітря кількість частинок пилу може змінюватись від 10 до 200000 штук. Пил неперервно переміщується при русі повітря, частково осідаючи на поверхні землі, або навпаки, піднімаючись під дією висхідних потоків повітря, поривів вітру і руху транспорту. Щільність дорожнього пилу, не дивлячись на різне його походження, коливається у вузьких межах від 2,6 до 3,0 г/см³ . склад мінеральної частини атмосферного пилу, твердість деяких його компонентів і гранулометрична характеристика наведена в таблиці 1.4.

Таблиця 2

Таблиця 3. Гранулометричні характеристики пилу

Дані таблиць 2 і 3 вказують на те, що більша частина частинок пилу співрозмірна з зазорами в рухомих вузлах гідроагрегатів, а твердість деяких його компонентів значно перевищує твердість матеріалів для виготовлення пар тертя. Для порівняння можна вказати, що твердість по шкалі Мопса встановлюється: для алмаза – 10; заліза – 4,4; міді – 3,0; алюмінію – 2,9.

Форма частинок пилу залежить від мінерального складу. Так, частинки супіщаного пилу по формі наближається до тетраедрів і мають гострі грані. Пил усадочних порід складається з частинок овальної форми.

Частинки забруднення залишаються в системі та її елементах після виготовлення і ремонту: пісок, що потрапляє при литті,; пил, що осідає на стінках; окалина від зварювання, кування чи термічної обробки; залишки машинної обробки деталей; задирки від трубопроводів тощо.

Активними джерелами забруднення є також гідроциліндри, які не оснащені брудознімачами. Безперервно в рідину потрапляють продукти зносу гідроагрегатів і корозії. Рідина містить також багато часточок забруднення, що потрапили в неї із-за зносу і старіння гумовотехнічних виробів.

При експлуатації гідравлічних систем на деталях з чорних і кольорових металів спостерігається корозія і лущення поверхонь. Часточки іржі мікронних розмірів випадають в осад. Однією з причин корозії є наявність в паливі різних продуктів окислення – перекисів, органічних кислот, а також сірки і сірчистих сполук. Сильний корозійний вплив здійснює волога, яка може бути присутня в паливі та маслі. Нагрівання рідини підсилює корозійні процеси.

Забруднення в рідину потрапляють при обслуговувані систем, при недбалому монтажі агрегатів, гнучких шлангів і трубопроводів, через незаглушені з’єднувальні вузли, із-за забрудненості інструментів, заправних засобів, одягу обслуговуючого персоналу.

Забруднення можуть з’явитись також при наливанні паливо-мастильних матеріалів в недостатньо чисті ємності, при перекачуванні по погано промитих трубопроводах.

Основними причинами і джерелами забруднення авіаційних палив є: мінеральні домішки з нафт, що перероблюються, технологічні забруднення, залишкові забруднення, продукти корозії транспортних ємностей і трубопроводів, залишкові забруднення транспортних засобів; атмосферний пил і волога, що потрапляють в ємності транспортних засобів при наливанні, зливанні і їх русі. В нафті є також небажані компоненти такі, як ненасичені вуглеводні, асфальтосмолисті речовини, зольні елементи, нафтенові кислоти, азотні і сірчисті сполуки, тверді парафіни, церезини. Крім того, в нафті можуть бути присутні стронцій, барій, марганець, титан і інші хімічні елементи.

На складах аеропортів забруднення в паливо потрапляють у вигляді продуктів корозії ємностей і технологічного обладнання, зносу спряжених пар перекачуючих засобів, руйнування і вимивання прокладочно-ущільнюючих матеріалів, пил волога, що потрапляють в резервуари при великих і малих диханнях резервуарів, а також при заповненні засобів заправки.

Приблизний перелік основних забруднювачів приведено в таблиці 1.6.

Таблиця 4. Перелік основних забруднювачів гідросистем, їх вплив на гідро обладнання, джерело забруднення

Наявність твердих забруднень в паливах на заводах-виробниках залежить головним чином від складу промивочної води і чистоти засобів зберігання і перекачування. При промиванні палив технічною водою кількість твердих забруднювачів збільшується за рахунок частинок розміром 1 – 3 мкм. При промиванні палив конденсатом кількість забруднювачів зменшується майже вдвічі. Крім того, з палив в цьому випадку також видаляються сполуки заліза, кальцію, натрію та алюмінію.

Нафтопродукти значно забруднюються в процеси виробництва в результаті корозії заводського обладнання гетероорганічними сполуками. В продуктах корозії поряд зі значною кількістю заліза міститься кремній, кальцій, алюміній, магній та інші метали. Забруднення мають високу зольність, що досягає майже 80%, відносно малий вміст вуглецю, значний – сірки, азоту і кисню.

В теперішній час очищення нафтових палив від забруднень і води здійснюється методами відстоювання, фільтрації, центрифугування та хімічними. Найбільше поширення для очищення авіаційних палив в умовах аеропортів і на літальних апаратах отримав метод фільтрації, оснований на плині палива через пористу перегородку і затримувані на ній крапель води. В якості фільтраційних перегородок використовуються різні типи тканин, нетканні матеріали, папір, сітки, кераміка, металокераміка тощо. Аеродромні фільтри і ті, що використовуються на літаках, для очищення палив являють собою апарати періодичної або напібезперервної дії з фільтроелементами дискового, корозійного, спірального, циліндричного та інших типів.

Дослідженнями і розробкою фільтрів для очищення авіаційних палив від забруднень і емульсійної води в теперішній час займаються у всіх провідних країнах світу. Так, у США цими питаннями займається більше 40 крупних фірм, такі як MilliporFilterCorp., FramCorp. та інші, у Великобританії більше 10 крупних фірм, такі як MilliporFilterCorp., StreamLineFilterLtd. та інші, які досягли певних успіхів.

Джерелами забруднення палив і масел в деяких випадках можуть бути самі фільтр, що призначені для очищення рідини. В процесі роботи фільтроелементи частково руйнуються і їх компоненти вимиваються потоком рідини. Такого типу забруднення спостерігаються у всіх фільтрах з волокнистими наповнювачами, виготовлених, наприклад, з паперу, шерсті, целюлози, скловолокна тощо. Крім того, при використані волокнистих наповнювачів, які можуть змінити пористість при збільшені перепаду тиску, при гідроударах і пульсації тиску, затримані фільтром часточки забруднення повільно проходять через фільтроелемент і знову потрапляє в робочу рідину.

Сучасні гідравлічні системи працюють при різному тиску, який досягає 100 МПа, володіють потужністю до 6500 кВт і містять у собі сотні агрегатів різного призначення і тисячі ущільнюючих пристроїв.

В рідині будь-якої гідравлічної системи не дивлячись на наявність фільтрів і захисту систем від потрапляння забруднення знаходяться мільйони механічних часточок різних розмірів і твердості. Рухаючись разом з потоком, вони викликають підвищений знос гідроапаратури, втрату герметичності, порушення регулювань, збільшення сил тертя, а в деяких випадках і заклинювання рухомих деталей. Часточки провокують кавітаційні явища в системі, засмічують калібровані отвори і фільтри, сприяють накопиченню статичної електрики, підвищують окисніть масла та його нагароутворенню. Використання забруднених рідин призводить не тільки до різкого скорочення строків служби гідроапаратури, але й до швидкої втрати ними властивостей, необхідних для роботи в гідравлічних системах і, таким чином, до їх частої заміни.

Технологія отримання чистої рідини вимагає великих матеріальних затрат. Слід відмітити, що з покращенням якості і тонкості очищення рідини зростають і затрати на її здійснення. Тому для здешевлення цього процесу техніка фільтрації розвивається в основному по двом напрямкам:

1 – це створення фільтрів багаторазового використання з міцних матеріалів, які можуть неодноразово підлягати промиванню, не втрачаючи своїх міцнісних властивостей; розробка методів і засобів, що дозволяють здійснювати більш повну регенерацію фільтроелементів з найменшими економічними витратами. По такому шляху розвиваються бортові фільтри рідинних систем повітряних суден;

2 – це розробка фільтроелементів одноразового використання з найбільш дешевих матеріалів і створення таких технологій виготовлення фільтроелементів, які забезпечують економічно доцільну техніку отримання чистої рідини. Цей напрям розвитку очищення рідин в наш час домінує і наземних засобах фільтрації авіаційних палив. Фільтроелементи таких фільтрів, як правило, виготовляють з паперу, тканини, штучних і природних волокон.

Проблема забезпечення чистоти робочих рідин може бути вирішена лише при комплексному підході. Питання захисту систем від забруднень повинна закладатися при проектуванні, чистота повинна повністю забезпечуватися в процесі зберігання і перевезення нафтопродуктів, при виготовлені і монтажі апаратури, постійно підтримуватися при експлуатації.

Для вирішення проблеми чистоти робочих рідин необхідно: для кожної паливної, масляної і гідравлічної систем визначити гранично допустиму забрудненість рідини, при якій забезпечуються розрахункова надійність системи; розробити конструкцію приладів, що дозволяють швидко і з достатньою точністю оцінити характер і величину забрудненості рідини; мати фільтри і очисники, що дозволяють при малих затратах отримати чисті рідини з рівнем забрудненості нижче гранично допустимого, застосовувати конструкції агрегатів і матеріали для пар тертя, що мало чуттєві до забруднень в рідині; розробити систему заходів, що захищають рідину від забруднень при виготовлені, ремонті та експлуатації.

3. Фільтрація авіаційних палив

Одним із методів видалення забруднень з робочих рідин є фільтрація. Фільтрація – метод очистки рідини від твердих, а в деяких випадках і рідких, забруднень при пропусканні її через пористу перегородку.

Задача видалення забруднень вирішується з допомогою фільтрів, що встановлюються безпосередньо в гідросистемі машин і механізмів. Відповідно до прийнятої системи фільтрації авіаційних палив засоби фільтрації підрозділяють на фільтри попереднього очищення, фільтри тонкого очищення й фільтри-сепаратори.

Перший щабель фільтрації здійснюється фільтрами попереднього очищення, які встановлюються на трубопроводі, що забезпечує видаткові резервуари, а другий і третій щаблі – фільтрами тонкого очищення й фільтрами-сепараторами. Засоби фільтрації другого щабля встановлюються на складі ПММ аеропорту, а третьої – на заправних агрегатах. На складі ПММ засоби фільтрації, як правило, зосереджують в одному місці – у насосній станції або на фільтраційному пункті, які розміщаються наземно у закритих приміщеннях або на відкритих площадках.

Фільтраційні пункти включають фільтри-сепаратори, фільтри тонкого очищення, трубопровідну обв'язку, арматури й контрольно-вимірювальні прилади. У ряді випадків на пунктах фільтрації передбачаються засоби захисту від статичної електрики й автоматичні прилади контролю чистоти палив. Засоби фільтрації у фільтраційному пункті розміщаються з урахуванням наступних вимог: фільтри більше тонкого очищення встановлюються за фільтрами грубого очищення по напрямку подачі палива; фільтри-сепаратори – перед фільтрами тонкого очищення. Варто мати на увазі, що в аеропортах, розташованих у південних зонах або поблизу великих промислових підприємств, де є підвищена запиленість атмосфери перед фільтрами-сепараторами додатково встановлюються фільтри тонкого очищення.

В аеропортах приморських і річкових зон з підвищеною вологістю атмосфери перед фільтрами тонкого очищення додатково встановлюються фільтри-сепаратори. Крім того, розміщення встаткування у фільтраційному пункті не повинне утрудняти проведення монтажних, демонтажних і регламентних робіт. Із цією метою рекомендується залишати проходи між окремими групами фільтрів не менш 1 м, відстань від виступаючих частин фільтрів до стін будинку повинне бути не менш 0,5 м. Фільтри-сепаратори й фільтри тонкого очищення можуть установлюватися окремими блоками, розрахованими на певну пропускну здатність.

Включення засобів фільтрації в трубопровідну мережу системи ЦЗС виробляється за допомогою трубопровідної обв'язки, на якій монтується необхідна кількість запірних арматур. Вибір схеми обв'язки й кількості запірних арматур виробляється з урахуванням можливості послідовного відключення окремих фільтрів або їхніх блоків на період проведення профілактичних робіт без порушення роботи системи. Злив відстою палива з корпусів засобів фільтрації здійснюється по дренажних трубопроводах у заглиблений резервуар, спеціально виділений для цих цілей. Як контрольно-вимірювальні прилади у фільтраційних пунктах використаються манометри, за допомогою яких виміряється тиск на вході й виході із засобів фільтрації. Після фільтрів і фільтрів-сепараторів на фільтраційних пунктах іноді встановлюють автоматичні прилади контролю чистоти палив. У випадку виявлення підвищеного змісту забруднень і води ці прилади перемикають потік палива на повторне очищення через фільтри й фільтри-сепаратори. Найбільше поширення одержали прилади автоматичного визначення чистоти палив «Мікроскан» й «Акваскан». У процесі експлуатації здійснюється систематичний контроль за станом фільтрів по перепаду тиску. При підвищеному або зниженому перепаді тиску фільтруючий елемент підлягає заміні, тому що він або забруднений або прорваний. Технічні характеристики фільтрів визначаються властивостями фільтроматеріалів, що в них використовуються: тканин, нетканинних матеріалів, паперу, волокон, сіток. Тонкість фільтрації і пропускна спроможність – основні експлуатаційні характеристики фільтрів і фільтрів-водовідділювачів. По тонкості фільтрації фільтри для авіаПММ поділяють на фільтри грубого та тонкого очищення.

Ефективність очищення палива забезпечується при виконані наступних вимог:

- фільтрація палив повинна бути ступінчатою, з поступовим підвищенням тонкості фільтрації;

- прокачування палива не повинне перевищувати пропускної спроможності фільтрів і фільтрів водовідділювачів;

- перепад тиску повинен бути не вище і не нижче встановлених меж для даного пристрою.

В аеропортах ЦА визначена така послідовність фільтрації:

· при зливанні із залізничних цистерн і наливних суден проводиться фільтрація авіабензинів через сітчасті фільтри грубого очищення, а авіагасів – через сітчасті фільтри ФГН‑120;

· при видачі із витратних резервуарів фільтрація палива проводиться через фільтри ТФ‑10 з чохлами ТФЧ, СТ. – 500–2М і ТФ‑10 з фільтроелементами ТУБ або через фільтри ТФ‑10 з чохлами ТФЧ, СТ. – 2500 та інші;

· при заправці ПК паливо очищується у фільтрах паливозаправників, пересувних і стаціонарних заправних агрегатів системи ЦЗЛ.

В таблиці 5 приведені технічні характеристики деяких фільтрів, що застосовуються в наземних системах очищення палива.

Таблиця 5. Технічні характеристики фільтрів

Досвід експлуатації складів ПММ аеропортів і паливних систем літаків показує, що застосування окремо взятих навіть дуже ефективних фільтрів не може забезпечити необхідну чистоту авіаційних палив, а отже, і безпеки польотів. Тільки раціональне, комплексне використання заходів по попередженню і зниженню забрудненості палив, що складають систему фільтрації, може забезпечити необхідну чистоту авіаційних палив.

Системи очищення палива повинні забезпечувати безперебійну заправку ПК кондиційним паливом. Система паливозабезпечення а/п ЦА включає три зони очищення палива: в першій зоні проводиться приймання, попереднє очищення і зберігання палива; у другій – зберігання, відстоювання, основне очищення і видача палива на заправку, в третій зоні – заправка Пк паливом.

Рис. 1.4. Технологічна схема заправних пунктів:

Стаціонарні заправні пункти та пересувний заправний агрегат:

1 – напірний патрубок; 2 – кран; 3 – сепаратор; 4 – фільтр тонкого очищення; 5 – дозатор; 6 – засувка; 7 – лічильник; 8 – шланговий барабан; 9 – наконечник; 10 – гідроамортизатор; 11 – трубопровід зворотного зливу; 12 – ручний насос; 13 – зворотний клапан; 14 – шланговий візок; 15 – приєднувальний штуцер.

В першій зоні повинні бути видалені з палива механічні домішки розміром більше 40 мкм і відстійна вода; у другій зоні повинне забезпечуватися видалення всіх механічних часточок розміром більше 5…8 мкм і основна маса вільної води. Вміст механічних домішок повинен бути не більше 0,0002%, вільної води – не більше 0,003% по масі. В третій зоні проводиться очищення палива в паливо заправниках і стаціонарних заправних агрегатах системи ЦЗЛ. Паливо, що заправляється в ПК повинне містити не більше 0,003% вільної води і не більше 0,0002% механічних домішок.

На паливозаправниках встановлюють фільтри тонкого очищення з фільтроелементами ТУБ. В системах ЦЗЛ пересувні і стаціонарні заправні агрегати обладнуються фільтрами с паперовими фільтроедементам типу ТУБ і фільтрами-сепараторами. В окремих випадках, як виключення, дозволяється експлуатація заправних агрегатів, що обладнані тільки фільтрами тонкого очищення і паперовими фільтроелементами.

Рис. 1.5. Схема автоматизованої системи централізованої заправки літаків паливом

4. Методи очищення авіаційних палив в силових полях

Очищення авіаційних палив в силових полях дозволяє вилучати із рідини частинки будь-яких розмірів при малих затратах енергії. Силові очисники, як правило, мають велику брудомісткість, створюють малі гідравлічні опори, легко піддаються регенерації і мають невелику вартість.

Відцентрові очисники

Процес розділення рідких неоднорідних систем під дією відцентрових сил називається центрифугуванням. Відцентрове очищення рідин – це відділення частинок забруднень в полі відцентрових сил.

Відцентрове поле штучно створюється шляхом швидкого обертання рідини в роторі відповідного виконання

Створити відцентрове поле для очищення рідини можна двома шляхами: обертанням потоку рідини в нерухомому пристрої і обертанням ротора разом з рідиною, що в ньому знаходиться. Апарати першого типу називаються гідро циклонами, а другого – центрифугами або відцентровими очисниками.

Рис. 2.2. Схема відцентрового очисника

1 – патрубок для входу забрудненої рідини; 2, 6 – опорні підшипники; 3 – корпус очисника; 4 – ротор; 5 – центральне тіло; 7 – патрубок для виходу чистої рідини.

Гідроциклони характеризуються рядом позитивних якостей: в них відсутні рухомі частини і тому немає необхідності в їх ущільненні і обслуговуванні; їх відрізняє простота конструкції, великий строк служби; відносно велика пропускна спроможність і низький гідравлічний опір дозволяють застосовувати їх в якості пристроїв попередньої фільтрації і встановлювати на лініях зливання малов’язких нафтопродуктів із транспортних засобів.

Центрифуги являються апаратами, в яких в обертання приводиться так званий ротор. Якщо він отримує обертання від якого-небудь механічного приводу, то такі центрифуги називають активними.

На відміну від активних центрифуг існують центрифуги реактивні. Ротор таких центрифуг обертається, використовуючи енергію потоку рідини, що протікає через його внутрішню порожнину.

Відцентрове очищення робочих має ряд переваг:

- немає необхідності в процесі експлуатації замінювати окремі вузли, центрифуги, як, наприклад, в паперових та інших фільтрах тонкого очищення;

- в процесі центрифугування із робочої рідини видаляються в першу чергу забруднюючі частинки, які мають високу щільність, тобто ті частинки, які викликають інтенсивний знос деталей гідравлічного обладнання;

- пропускна здатність центрифуги по мірі накопичення в ній забруднень практично не змінюється;

- при відцентровому осаджені по складу забруднень можна судити про стан зносу окремих вузлів і деталей гідравлічного обладнання, що дозволяє оцінити технічний стан гідроприводу без його розбирання;

- з робочих рідин гідросистем і процесі центрифугування не видаляються активні присадки, а при використанні, наприклад, паперових фільтрів тонкого очищення з масла видаляються до 3% облагороджувальних присадок.

Працездатність відцентрових очисників різко знижується при очищенні сильнов’язких масел, а також в тих випадках, коли щільність частинок забруднення або їх конгломератів близька до щільності рідини, що очищується.

Магнітні очисники

Очищення рідин в магнітному полі застосовується лише тільки для феромагнітних матеріалів. Частинки такого походження, потрапивши в магнітне поле, можуть відчувати силу, що перевищує силу тяжіння на декілька порядків.

Магнітне очищення робочої рідини гідросистем дозволяє видаляти забруднюючі мілкі феромагнітні частинки розміром 0,5 – 5 мкм, наявність яких приводить до забруднення фільтрів тонкого очищення, значно знижуючи строк служби, тобто забезпечують високу тонкість очищення, подовжуючи ресурс звичайних фільтрів тонкого очищення. Крім того, такі частинки являються активним каталізатором при окисленні робочої рідини, зменшуючи строк її служби в гідроприводі. Крім феромагнітних частинок, магнітні фільтри вловлюють органічні засмічення, абразивні частинки, пісок і інші забруднення. Цьому сприяє ефект електризації немагнітних частинок.

Теоретично залежності для розрахунку процесу очищення в магнітному полі не існує, тому не практиці використовують експериментальні дані.

В промислових пристроях очищення рідин використовують як правило постійні магніти, так як застосування електролітів суттєво збільшує вартість засобів очищення, а обслуговування обладнання вимагає високої кваліфікації.

Магнітні фільтри можна створювати для досить значних витрат робочих рідин в гідросистемах. В гідроприводах успішно застосовують магнітні фільтри з витратою робочої рідини до 1000 л/хв. і більше.

Рис. 2.3. Конструкція магнітного очисника

1 – корпус; 2 – кришка; 3 – траверси; 4 – трубчатий магніт; 5 – латунна трубка; 6 – феромагнітна вставка; 7 – шайба.

При проектуванні очисників слід враховувати, що ефективність процесу магнітного очищення залежить від ряду факторів:

- потік рідини повинен проходити тонкими шарами через область з максимальною напруженістю магнітного поля;

- режим течії рідини повинен бути ламінарним;

- чим менша в’язкість рідини, тим ефективніший процес очищення;

- сила, що діє на частинку з боку магнітного поля, обернено пропорційна квадрату відстані;

- напрям потоку рідини повинен співпадати з напрямком силових ліній магнітного поля.

Магнітні фільтри можна створювати для досить значних витрат робочих рідин в гідросистемах. В гідроприводах успішно застосовують магнітні фільтри з витратою робочої рідини до 1000 л/хв. і більше.

Очищення рідини в електричному полі

Великі можливості для очищення робочих рідин від частинок забруднення закладені і застосуванні сильних електричних полів. Рідке паливо, моторне масло, робоча рідина гідравлічної системи являються типовими діелектриками, а частинки забруднення в них зазвичай несуть на собі заряд. Якщо рідина разом частинками забруднення, що в неї потрапляють, піддаються силовому впливу електричного поля, то частинки, згідно з законами електростатики, почнуть здійснювати рух, яким можна керувати: осаджуватися на поверхню електродів, відокремлюватися від основного потоку рідини, укрупнюватися. Частинки, що не несуть електричний заряд, потрапляючи в електричне поле, поляризуються, а величина заряду на них, як правило, підвищується, що інтенсифікує процес.

Ця фізична закономірність – рух заряджених частинок під силовим впливом електричного поля лягла в основу розробок конструкцій електроочисників.

Рис. 2.4. Найпростіша схема електроочисника:

1 – шар електроізоляції; 2 – металічна пластинка; 3 – «ланцюжки» частинок забруднення.

Складнощі при створені електростатичних очисників викликані необхідністю утримувати на поверхні електродів забруднюючі частинки, що втратили заряд в результаті торкання з електродом. При втраті заряду зникають і сили електричного протягування. Н.Н. Белянін запропонував застосовувати пористі керамічні пластини змінної щільності, які запобігають змиванню робочою рідиною притягнутих до електродів забруднюючих частинок. Пористі пластинки надійно утримують забруднюючі частинки навіть при вимкненому електростатичному очиснику. По мірі накопичення забруднювачем пористі пластинки виймають із очисника, очищують і встановлюють знову.

Чим більше напруженість електричного поля, тим ефективніше буде працювати електричний очисник, так як в тому випадку забруднюючі частинки, що мають невеликий заряд, будуть притягуватися до електродів. Але величина напруженості електричного поля обмежується діелектричними характеристиками робочих рідин гідросистем. Гранично допустима різниця потенціалів на електродах залежить від відстані між електродами і будь-якому випадку не повинна перевищувати 90 – 95% напруження пробивання рідини.

Розрахунок електростатичного очисника зводиться в основному до визначення діаметра забруднюючої частинки, що надійно утримується на електроді. В наш час електростатичні очисники не застосовують для очищення робочих рідин гідросистем промислових гідроприводів.

Гравітаційний метод очищення

Просто і достатньо ефективно можна очистити від забруднень і води нафтопродукти, використовуючи сили гравітації. Пристрої, в яких для відокремлення частинок забруднення із палива використовується гравітаційне поле Землі, називаються відстійниками. Розрізняють відстійники періодичної і безперервної дії.

Очищення рідин в гравітаційному полі відбувається під впливом сили тяжіння. При встановленому русі на сферичну частинку діють такі сили:

- сила тяжіння;

- виштовхуючи сила;

- сила лобового опору, що залежить від числа Рейнольдса.

Якщо прирівняти всі ці три сили, то можна визначити встановлену швидкість осадження частинки. Але як показали вимірювання, фактична швидкість осадження менше розрахункової. Цю обставину можна пояснити, по-перше: наявністю конвективних потоків в очищуваній рідині, а по-друге – відмінністю форми частинки від кулеподібної.

Ряд дослідників пропонують для розрахунку швидкості осадження частинок більш точні формули, які враховують вплив форми частинки на швидкість осадження. Але і ці формули не відображають реальної картини, так як не враховані конвективні потоки рідини.

Найбільш поширеними гравітаційними відстійниками являються резервуари для зберігання рідин. На практиці для гарантованого осадження частинки розміром більше 10 мкм на глибину 1 м необхідно 4 години для гасу і 1 година для бензину. Цей час регламентується інструкцією.

В наземних резервуарах частинки розміром менше 10 мкм практично не осаджуються. Цьому заважають конвективні потоки, що викликані різницею температур рідини в різних місцях резервуару. Кращі результати гравітаційного очищення можна досягнути в підземних резервуарах, так як на глибині більше 0,5 м температура практично постійна.

З метою зменшення часу відстоювання рідин в резервуарах застосовують верхні пристрої для забору рідини. Це дає можливість через 4 год відбирати верхній шар рідини товщиною в 1 м.

Рис. 2.5. Схеми різних ГО:

а – статичний очисник; б – динамічний прямоточний очисник; в-резервуар з верхнім пристроєм забору рідини; г – тонкошаровий ГО з плоскими тарілками; д – тонкошаровий ГО з конічними тарілками.

Резервуари відносяться до статичних ГО періодичної дії.

Більш ефективними, з точки зору продуктивності є динамічні очисники. Відстійники такого типу вигідно відрізняються від перших тим, зо в них процес очищення і видачі очищеної рідини відбувається безперервно. По такому принципу відстійників побудовано більшість нафтопасток і пісколовок на складах ПММ а/п.

З метою підвищення продуктивності ГО доцільно виконувати багатошаровими, для чого внутрішню частину розділюють на декілька шарів. прокачування через такий ГО може бути збільшене в стільки разів, на скільки шарів розділена його внутрішня порожнина. При невеликій товщині шару рідини, що очищується, їх може бути дуже багато. Такі очисники отримали назву тонкошарових або багатошарових ГО. В деяких випадках їх внутрішню порожнину розділяють конічними поверхнями. Це конструктивне рішення дозволяє забезпечити більш легке видалення осаду за рахунок оборотного потоку рідини. В деяких випадках можу використовуватися і вібрація осаджувальних тарілок.

Рис. 2.6. Схема ГО з нахиленими осаджувальними пластинами

Гравітаційні очисники, як правило, використовують для очищення малов’язких рідин від крупних частинок. Їх встановлюють в системах фільтрації в якості приладів, що забезпечують попереднє очищення і подовжують строк служби фільтрів тонкого очищення.

Спеціально створені тонкошарові очисники дозволяють досягнути більш високої тонкості очищення в порівнянні з очищенням в резервуарах ы відстійниках. Ще кращої якості очищення рідини від механічних домішок можна досягнути, якщо забезпечити зниження впливу таких негативних факторів, як вібрація, пульсація потоку рідини в очиснику і гідроудари, зниження конвективних потоків.

В цілому при правильному здійснені процесу гравітаційного очищення можна досягнути 8…11 класів чистоти згідно ГОСТ 17216.

5. Результати дослідження процесів відстоювання механічних забруднень в резервуарній групі аеропорту

В нормативних документах регламентується чистота авіаційного палива, що заправляється – вміст механічних домішок не більше 0,0002% по масі, що відповідає 8 класу згідно ГОСТ 17216–71

Таблиця 3.1

В закордонних стандартах поділяють вимоги до чистоти робочих рідин в залежності від умов, при яких проводиться очищення. Інші стандарти встановлюють класи чистоти до яких доводять очищення палив. Регламентується також і максимальне число частинок забруднень певного розміру або сумарну кількість всіх частинок механічних домішок. Міжнародною організацією по стандартизації рекомендується клас чистоти встановлювати по кількості частинок з розміром більше 5 мкм. В різних галузях промисловості існують свої нормативи по допустимому вмісту механічних домішок певного розміру.

Жорстокі вимоги до чистоти робочих рідин в авіації викликані необхідністю забезпечення високої надійності і безпеки авіаційної техніки. Але з підвищенням ступеню очищення значно підвищуються затрати на його здійснення. Затрати на фільтрацію рідини приблизно подвоюються при переході до кожного наступного класу чистоти.

В підрозділах ЦА одним із етапів підготовки авіа палив до заправки є його відстоювання в резервуарній групі складу ПММ.

При закачуванні палива в резервуар відбувається різке його забруднення механічним домішками. Це пояснюється тим, що на дні і на стінках резервуару постійно накопичуються механічні домішки від попередніх об’ємів палива, корозією самого резервуару і розміщеного в ньому обладнання, проникнення через нещільно закриті люки і клапани, при «малих» і «великих диханнях» резервуару, атмосферного пилу. Як показали дослідження, показник класу чистоти палива підвищується при накачуванні в середньому від 9 до 12, тобто кількість частинок в кожному розмірному діапазоні, встановленого ГОСТ 17216–71, збільшується приблизно в 6…8 разів. Таким чином, в певний момент являється об’єктом, що генерує забруднення.

Вміст механічних домішок після закачування палива в резервуар приблизно однаковий на всіх рівнях, але вже через 3 год після закінчення закачування конкретно простежується зміна вмісту забруднюючих домішок по його висоті. За цей період конвективні токи, викликані паливо, що в нього поступає, сповільнюються і самі крупні частинки забруднення осідають із верхній шарів в його нижні шари.

На рис. 3.1 представлені результати вимірювань вмісту забруднень в паливі відразу після закачування і через 20 год відстоювання на рівень 1 метр від дна резервуару. Із приведених даних видно перерозподілення в загальному складі забруднень значимості кожної розмірної групи частинок. Кількість частинок розміром 5…10 мкм скоротилося незначно – зі 107 до 100 тисяч в об’ємі 100см³ палива, розміром 10…25 мкм – з 22 до 11 тисяч, найбільший темп осадження спостерігається для частинок діаметром 25…50 мкм і вище.

Рис. 3.1. Розподіл забрудненості палива по гранулометричному складу і об’ємній концентрації при різному часі відстоювання

Частинки забруднюючих домішок мають різну природу і форму, але при їх підрахунках приймається припущення, що частинка – кулеподібна. Об’єм кулі знаходиться в прямій кубічній залежності від діаметра. Таким чином, перерахувавши який об’єм складають частинки певного розміру, отримаємо характеристику об’ємної концентрації забруднення. Криві представлені на рис. 3.1 ломаною лінією відображають об’ємну характеристику забруднень кожного розмірного діапазону. Із цієї характеристики забрудненості палива видно, що найбільшу частину із всієї суми забруднень складає об’єм частинок розміром 10…25 мкм як в початковий період відстоювання, так і по всій його тривалості.

Результати дослідження показали, що при максимальному рівні забрудненості, який відповідає початковому моменту процесу відстоювання, найбільша частина розміром 10…25 мкм і складає близько 42% від загального об’єму, частинки 5…10 мкм – 7…8%, 25…50 мкм – 12%, 50…75 мкм – 3…4%, 75…100 мкм – 19% і вище 100 мкм – 16%. Тобто в початковий період відстювання найбільшу долю в загальному об’ємі забруднюючих частинок складають частинки розміром 10…25, 25…50, 75…100 і більше 100 мкм.

Через 20 год відстоювання забрудненість палива стала значно меншою і зі всього об’єму забруднень частинки розміром 5…10 мкм складають 16%, 10…25 мкм – 70%, 25…50 мкм – 8%, 50…75 мкм – 3,5%, 75…100 мкм –1,5%, більше 100 мкм – 1,5%. Таким чином після 20 год відстоювання із палива майже повністю осіли частинки більше 50 мкм, практично без змін залишилася кількість частинок розміром до 10 мкм, тим не менше відносний їх об’єм в загальному балансі об’ємної концентрації підвищився з 7,5% до 16%, а частинок10…25 мкм з 42% до 70%. Скоротилася кількість і об’ємна концентрація частинок розміром 25…50 мкм, з 12% до 8%.

Результати гранулометричних аналізів відібраних проб з різних висот палива також після тривалого відстоювання виявили наявність в них частинок забруднень розміром 25…100 мкм і більше. Їх вміст в паливі можливо пояснюється тим, що природний склад забруднень сильно відрізняється. Питома вага забруднюючих частинок може коливатися від величини співрозмірної з питомою вагою палива величини 3,78 г./см³ , тому і швидкості однакових за розміром частинок можуть значно відрізнятися. Тим більше, що з процесом відстоювання одночасно протікають процеси коагуляції мілких частинок, на стінки бака впливають вібраційні навантаження, температурні напруження, в результаті чого з паливом можуть поступати додаткові частинки забруднення різного розміру і з різних рівнів відстоювання.

При оцінці гранулометричної характеристики забрудненості палива на різній висоті резервуару визначилася чітка залежність ефективності процесу відстоювання від початкової концентрації забрудненості палива. Дані приведені в табл. 3.2 показують, що чим вища початкова концентрація забрудненості палива, тобто сума об’ємів забруднюючих частинок, тим триваліше необхідно відстоювати паливо для отримання одного і того ж значення ступеня чистоти.

Таблиця 3.2

Разом з тим навіть значне збільшення часу відстоювання не дає можливості досягнути того ступеня чистоти палива, який можливо отримати при відстоюванні палива з більш низькою початковою концентрацією забруднюючих домішок.

Так, наприклад, при початковій об’ємній концентрації 1800 мм³ ·10^-4 /100см³ забруднень. Ця величина понижується в 2 рази через 50 год відстоювання і далі, із збільшенням часу відстоювання, не понижається. Того ж рівня чистоти досягає паливо з початковою концентрацією з 1300 мм³ ·10^-4 /100см³ через 8 год.

Із приведених даних випливає, що після майже повного осадження крупних частинок забруднень, основна маса забруднень, що міститься в паливі, – частинки менше 10 мкм, які знаходяться у зваженому вигляді або мігрують під впливом конвективних токів. Для їх видалення з палива шляхом осадження необхідно застосовувати спеціальні методи, які б привели до їх коагуляції і, звичайно, маси. Це можливо досягнути шляхом застосування спеціальних присадок, які в той же час, не повинні погіршувати інші показники кондиційності палива.

Рис. 3.2. Гранулометричні характеристики механічних домішок по висоті наливу палива, що відстоюється

На рис. 3.2 представлені результати вимірювань приведені у вигляді залежності кількості частинок забруднень різних розірів по висоті відстоювання палив. Поверхня, утворена гранулометричними характеристиками забруднень по рівнях відстоювання палива, дає наглядне представлення про розподіл забрудненості в різних шарах палива, що відстоювалося протягом 10 годин.

Отримані дані в результаті статистичної обробки результатів вимірювань дають можливість не тільки встановлювати характер процесу відстоювання забруднень, але і дозволяють прогнозувати вміст забруднюючих домішок в паливі на різній висоті резервуару. Для цього необхідно знати гранулометричну характеристику проби палива, відібраної з конкретної висоти резервуару після закачування.

Рис. 3.3. Дисперсний склад механічних домішок авіа палива в залежності від тривалості його відстоювання

На рис. 3.3 представлені результати вимірювань дисперсного складу забруднення в залежності від часу відстоювання палива в резервуарі на рівень в один метр. На цьому графіку відмічається найбільша ефективність в перші години відстоювання, потім відбувається зниження його темпу і поступова стабілізація на певному рівні. Найбільш швидко осаджуються крупні частинки, кількість же частинок розміром до 10 мкм зменшується на невелику величину і подовження часу відстоювання не являється ефективним засобом для їх видалення із маси палива, що знаходиться в резервуарі. Частинки більше 10 мкм, особливо розміром 10…25 мкм, з найбільшою інтенсивністю осаджуються в перші 40 – 60 годин. Частинки більше 25 мкм за 20 – 40 годин. Тобто, приблизно 7,5…2,5 години на метр взливу приходиться на найбільш інтенсивний період осадження забруднюючих домішок із шару палива висотою у 8 метрів.

Рис. 3.4. Зміна кількості частинок механічних домішок авіа палива у процесі відстоювання в залежності від величини їх діаметра

Отримана в результаті досліджень залежність кількість частинок забруднення від часу відстоювання і розмірів частинок дає можливість проводити розрахунки необхідного часу відстоювання палива в резервуарі з певною величиною наливу. Для цього необхідно визначити гранулометричну характеристику проби палива з конкретного рівня відбору проби і висоту залитого в резервуар палива.

Розподілення забруднень палива по висоті резервуару в залежності від тривалості відстоювання, представлено на рис. 3.5. Ці дані повністю відповідають встановленим раніше закономірностям процесу відстоювання палива, що знаходиться в резервуарі. Із приведеної тримірної залежності видно, що найбільш ефективно паливо очищується в початковий період відстоювання, при чому найбільш ефективно цей процес протікає в верхній шарах палива.

Рис. 3.5. Розподіл забруднень палива по висоті резервуару в залежності від тривалості відстоювання

По мірі зменшення висоти шару палива темп зміни вмісту забруднюючих його домішок зменшується, так як відбувається постійне поповнення механічними частинками нижніх шарів палива із верхніх. Тобто, відбувається одночасний процес уходу з цих шарів власне свого бруду і поповнення їх частинками, що осідають, з шарів палива, що знаходяться за ними. Можна вважати, що в початковий момент спостерігається рівноважний баланс частинок, що потрапляють і виходять, з однієї розмірної групи в шарі, що розглядається, протягом часу, за рахунок меншої швидкості осідання більш менших частинок з одночасним уходом в осад найбільш крупних частинок, все ж таки відбувається сумарне скорочення об’єму забруднень по всій масі палива, що відстоюється.

Отримані в результаті досліджень результати, приведені на рис. 3.5 дають можливість визначати рівень забрудненості палив на будь-якій висоті резервуару і при будь-якій заданій тривалості відстоювання палива. Для визначення цих параметрів, на основі аналізів статистичної обробки результатів, розроблена номограма.

Номограмою можна користуватися для розрахунків при умові, коли визначена гранулометрична характеристика забруднень палива, відібраного з певної висоти резервуару при відомому значенні часу, що пройшов після закачування палива на відстоювання. Проба для аналізу повинна бути відібрана або відразу ж після закінчення закачування, або не менше ніж через 3 години після його закінчення.

Рис. 3.6. Залежність вмісту забрудненості палива по висоті наливу від тривалості відстоювання

Дослідження процесів відстоювання в природних умовах складу ПММ дають об’єктивні дані, які враховують весь комплекс умов, що здійснюють вплив на ефективність осадження забруднюючих частинок. В результаті дослідження встановлено, що найбільш ефективно осаджуються частинки розміром більше 10 мкм, частинки меншого діаметра відстоюються більш триваліше і майже не осаджуються забруднення розміром до 2 мкм. Набільшу частину всього об’єму забруднень, що містяться в паливі, що відстоюєстья, складають частинки розміром 10…25 мкм. Швидкість осадження частинок забруднення цього розмірного діапазону в найбільшому ступені визначають ефективність відстоювання палива в резервуарах складу ПММ. Протягом досліджуваних періодів відстоювання палива була виявлена залежність ступеня очищення палива від початкової концентрації забруднень. Встановлено, що чим більше забруднене палива поступає в резервуар, тим менша можливість його відстоювання до потрібного рівня чистоти. Це пов’язано з тим, що навіть при повному видалені з палива крупних частинок, в ньому знаходиться велика аса мілких частинок, смолоподібних речовин, питома вага яких мало відрізняться від палива. Навіть подовження часу відстоювання не приводить до позитивного результату, так як в цей період в паливі йдуть паралельні процеси: коагуляції мілких частинок і їх осадження, а також поява нових частинок, що утворюються внаслідок окислення палива.

Підвищення рівня забрудненості палива, відразу після закачування в резервуар, на 2…3 класи пояснюється перш за все технічним станом внутрішніх поверхонь резервуарів, ступінню їх корозії, а також наявністю на дні резервуару осаду забруднення, що утворюється після кожного циклу відстоювання палива. Внаслідок бурного перемішування, в момент закачування, паливо насичується додатковими продуктами забруднення.

Як було встановлено найбільший темп відстоювання відбувається в верхніх шарах палива і на перших 20…40 годинах відстоювання. Далі, по мірі збільшення стовпа палива, що відстоюється, ефективність осадження знижується за рахунок опускання забруднення з верхніх шарів в більш низькі. З цього випливає, що зменшуючи висоту наливу палива в резервуар можна досягнути більш швидкого його відстоювання.

Як видно з отриманих результатів, найбільша концентрація забруднень в паливі міститься в придонній частині резервуару і у вигляді осаду на дні. Тому при постановці резервуару на видачу неможна допускати його повного опорожнення. При залишку в резервуарі палива на висоті приблизно 1 метр необхідно здійснити переключення видачі палива на інший резервуар. Паливо, що залишилося в придонній частині резервуару необхідно інтенсивно перемішати, перекачуючи його по замкненому циклу, а потім злити в окрему ємність для більш тривалого відстоювання і додаткового очищення засобами фільтрації або сепарації. Цей захід дозволить запобігти накопичуванню забруднень в резервуарі і попередити потрапляння додаткової маси механічних домішок у паливо, що відстоюється.

Отримані дані про більшу концентрацію забрудненості палива в придонній зоні резервуару говорять про необхідність розробки спеціальних засобів, які б в період закачування палива в резервуар могли ізолювати цю зону, запобігаючи таким чином перемішуванню палива, що закачується, з тим, що залишилося на дні. В процесі відстоювання ці засоби повинні забезпечувати можливість вільного проходження через них частинок в придонну зону резервуару. При витраті палива з резервуару придонна зона резервуару також ізолюється.

В результаті статистичної обробки даних дослідження отримані об’ємні графіки і розроблені номограми з допомогою яких можна проводити інженерні розрахунки величини забрудненості палива на різних висотах і тривалості відстоювання. На основі інформації про забрудненість палива складу ПММ, технічного стану кожного конкретного резервуару, характеристики забрудненості палива, що поступає на відстоювання його тривалості в використовуваних резервуарах у фіксований момент часу можна скласти найбільш оптимальний графік видачі палива зі складу.