Кинетика процесса электрической очистки диэлектрических сред и разработка электроочистителя с оптимальными параметрами

В настоящее время авиация стала массовым видом транспорта. Современные летательные аппараты (JI.A.) имеют большие по протяжённости и сложные по конструкции топливные, масляные, гидравлические и воздушные системы. Одной из конструктивных особенностей агрегатов данных систем является наличие прецизионных пар трения. В связи с этим рабочие жидкости и воздух в системе должны быть весьма чистыми. Наличие в них загрязнений и воды приводит к быстрому изнашиванию аппаратуры, преждевременной забивке фильтров систем, а в отдельных случаях — к нештатным ситуациям.

Сопоставление экспериментальных и теоретических выводов на их основе свидетельствует о том, что авторы работ /9.46,5201 пришли к единому мнению, считая наиболее опасными на сегодняшний день те частицы, размер которых соизмерим с диаметром радиального зазора золотниковых пар, т. е. составляет 5−12 мкм. Но вследствии того, что в последнее время существует тенденция к возрастанию мощности и быстроходности гидравлических агрегатов, увеличиваются рабочие давления и температура жидкости, критические зазоры уменьшаются и составляют порядка 2−5 мкм. В связи с этим очевидно, что для обеспечения надёжной работы чувствительных к загрязнением агрегатов является предотвращение попадания загрязнений в рабочие среды функциональных систем и повышение уровня их чистоты. Но несмотря на все усилия, проблема чистоты рабочих сред по — прежнему остаётся актуальной.

Известны три основных группы загрязнений из числа наиболее распространённых: 1 — Атмосферные загрязнения — 2 — Эксплуатационные загрязнения — 3 — Загрязнения, вызванные низкими эксплуатационными свойствами рабочих жидкостейУ2Д0/.

Первая группа наиболее полно изучена в работах 19, ~т51. Были исследованы причины попадания атмосферных загрязнений (пыли) в рабочие жидкости, её дисперсный и фазовый составы. Ко второй группе относятся загрязнения, генерируемые в узлах агрегатов в результате износа деталей, загрязнения, оставшиеся в агрегатах, которые после некачественной сборки и промывки были установлены в систему 12., 3,^, 5,6,9 /. Поскольку частицы загрязнений, в основном, своём представляют из себя хороший абразив, то совершенно очевидно, что попадая через воздухозаборник компрессора, уплотнения системы дренажа и наддува в топливные, маслянные, гидравлические системы, а также в системы кондиционирования воздуха, оказывают негативное воздействие на работоспособность ряда узлов и агрегатов, тем самым снижая уровень надежности работы данных систем.

Очистка масел, топлив и жидкостей для гидросистем проводится различными методами, однако наибольшее повсеместное распространение получил метод фильтрации, когда необходимая чистота рабочих сред обеспечивается применением соответствующих фильтров на нефтеперерабатывающих предприятиях, складах ГСМ аэропортов, в системах оборудования и JI.A. Использование многоступенчатой системы фильтрации вызвано тем, что в период между изготовлением рабочих жидкостей и их применением, а также в процессе эксплуатации самолётов, вертолётов и различного оборудования, масла и жидкости постоянно загрязняются.

Анализ исследований!^$#0токазал, что несмотря на производимую многоступенчатую систему фильтрации, поддерживать необходимый уровень чистоты не всегда удаётся. Расчёты 1971 свидетельствуют, что при эксплуатации рабочих жидкостей через насос проходит в среднем порядка 775 кг загрязнений, содержащих около 2,9 * 1012 частиц загрязнений, превышающих 5мкм.

Анализируя проведенные исследования, можно сделать вывод о многообразии причин данного явления. Загрязнённость рабочих жидкостей может быть вызвана проникновением в систему пыли, неравномерностью размера пор фильтроматериалов, генерацией загрязнений в результате износа деталей с последующей их коагуляцией и т. д. Т.о., несмотря на предпринимаемые меры по обеспечению чистоты рабочей жидкости в ней всегда присутствуют частицы загрязнений.

Существенным недостатком механических пористых фильтроэлементов является их прямая зависимость гидравлического сопротивления фильтра от тонкости очистки рабочих сред и, как правило, затруднённость регенерации фильтроматериалов, что делает применение таких фильтров не всегда эксплуатационно и экономически целесообразно. В настоящее время находят всё более широкое применение методы удаления частиц загрязнений из рабочей среды с помощью силового поля, в частности, электрического, которые хорошо себя зарекомендовали. Таким образом, учитывая значимость проблемы обеспечения чистоты рабочих сред, используемых в системах оборудования и JI.A., очевидна актуальность проведения научно — исследовательских работ, направленных на обеспечение эффективного удаления частиц загрязнений из диэлектрических жидких и газо — воздушных сред JI.A.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка, оптимизация конструктивных параметров и исследование процесса очистки и эксплуатационных свойств устройства, использующего для удаления частиц загрязнений силы электрического поля.

ЗАДАЧИ:

— исследование и анализ динамики некоторых процессов движения частиц загрязнений, в частности движение частиц загрязнения в ячейках — накопителях загрязнений;

— определение влияния основных эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов на процесс очистки;

— создание математической модели работы электроочистителя (ЭО) для конструкции с круглыми ячейками-накопителями загрязнений, с учётом взаимного влияния основных конструктивных, эксплуатационных и технологических факторов;

— оптимизация параметров и режимов работы ЭО;

— исследование характеристик ЭО при работе в эксплуатационных условиях;

— оценка технической и экономической эффективности работы ЭО .

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

— разработана адекватная математическая модель и конструктивная схема ЭО с ячейками — накопителями загрязнений (ЯН);

— определена область применения ЭО.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ включает экспериментальноаналитическое исследование процессов движения частиц загрязнения в силовом электрическом поле и разработку математической модели методом локальноэкстремального экспериментирования^ целью получения эффективной области работы ЭО.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработано эффективное устройство удержания частиц загрязнения из технологических жидкостей и воздуха. Полученная математическая модель процесса очистки, позволяет проектировать оптимальные конструкции очистителя, а результаты исследований могут быть использованы для дальнейших разработок и совершенствования ЭО с ячейками — накопителями. Показана целесообразность предварительной ионизации воздуха с целью увеличения эффективности работы очистителя.

РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНО — ТЕХНИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

В промышленность внедрены результаты научно — исследовательской работы по испытанию ЭО в установках по очистке масел и воздуха от загрязнений в силовых электрических полях.

По материалам диссертационной работы имеются 3 акта внедрения .

Результаты научно — исследовательской работы могут найти широкое применение не только в системе авиационно — промышленного комплекса, но и в ряде других отраслей народного хозяйства, связанных с необходимостью обеспечения высокого уровня чистоты рабочих диэлектрических сред.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты выполнения работы по разработке и исследованию электроочистителя диэлектрических сред с ячейкаминакопителями загрязнений были доложены на научно — технических семинарах: НПО ЦНИИТМАШ в 1995 г., в Нижегородском ВКЗРЦ 1995 г., Международной школе — семинаре в 1996 г., на научно — технических конференциях СВАИУ им. маршала авиации В. Судца 1995, 1996, 1997 г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 публикациях, трёх научно — исследовательских отчётах. Приоритет автора закреплён 1 решением на выдачу патента / № 96 100 608/, 3 положительными решениями, /№ 96 100 648, № 96 100 485, № 96 100 649/, выполненным по материалам диссертации.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ. Выполненная диссертационная работа включает введение, пять глав .

Общие выводы.

1.Проведен сравнительный анализ существующих способов и методов очистки.

2. Доказана возможность очистки жидкости АМГ-10 и воздушной среды с помощью электроочистителя выбранной схемы.

3. На базе метода Бокса-Уилсона получена математическая модель процесса очистки в ЭО жидкости АМГ-10, учитывающая комплексное влияние конструктивных и эксплуатационных факторов.

4. На основе полученной математической модели разработана методика расчета основных конструктивных параметров ЭО.

5. Спроектирована и изготовлена конструктивная схема ЭО с оптимальным сочетанием параметров, позволяющая очищать жидкостно-газовые среды от частиц загрязнения размером более 1 мкм. с коэффициентом отсева 99,8%.

6. При определении гидравлических потерь, при течении жидкости через ЭО, установлено наличие гистерезисных процессов при числах Re=1300 и влияние напряженности электрического поля на величину гидравлического сопротивления ЭО.

7. Выполнено экспериментальное и аналитическое изучение динамики заполнения ЯН частицами загрязнений. Показано, что эффективность работы ЭО не ухудшается при заполнении внутреннего объема ЯН на 30%.

8. Исследовано влияние различных эксплуатационных факторов на процесс очистки диэлектрических сред, применяемых в различных системах оборудования и определена область эксплуатации ЭО:

— загрязненность очищаемых сред 0,0004%<С<3,7%;

— размер частиц загрязнений 1мкм< d <100мкм.;

SS3.

— загрязненность очищенных сред 0,2%<С<0,0014%;

— диэлектрическая проницаемость очищаемых сред 1< есред <6;

— температура очищаемой жидкостиот минимальной, обеспечивающей минимальную вязкость не выше 15сСт., до максимально возможной эксплуатационной.

9. Эксплуатационные испытания разработанной конструкции ЭО подтвердили ее высокую эффективность и показали возможность ее широкого применения для очистки разнообразных диэлектрических сред, как при удалении мелкодисперсных частиц загрязнений, так и для создания абактериальных сред.

10. Экономический эффект при производстве и эксплуатации только одного ЭО, с расчетной прокачкой 10 л/мин., вместо ФНС-5 составляет 2млн.300 тыс. руб.

Заключение

.

АМГ-10Б.

26,6.

6,81.

3,91.

4,4314.

0,106.

2,015.

0,655.

Модель адекватна.

Принципиальная модель процесса очистки жидкости АМГ-10 имеет вид:

У=22,636−3,565X1−0,048X2+2,992X3+3,014X4+4,286X5+6,116X6−0,963X1X2+ +0,421X1X3−0,565X1X4+1,447X1X5+0,122Х1Х6-+0,259X2X3−0,768X2X4—0,454X2X5−0,171X2X6−0,822X3X4−0,211X3X5+0,364X3X6+0,49X4X5−1,176X4X6+0,15X5X6+0,96X1X2X3−0,163X1X2X4+0,625X1X2X5—0,322X1X2X6+0,55X1X3X4+1,508X1X3X5+0,908X1X3X6+1,306X1X4X5+ +0,509X1X4X6−0,359X1X5X6−1,30X2X3X4+1,332X2X3X5−0,574X2X3X6—0,148X2X4X5+0,58X2X4X6−0,72X2X5X6+0,94X3X4X5−0,039X3X4X6−0,798X3X5X6+1,98X4X5X6+0,825X1X2X3X4+1,4X1X2X3X5+1,426X1X2X3X6 +0,825X1X2X3X4+1,4X1X2X3X5+1,426X1X2X3X6+0,663X1X2X4X5+.

0,312X1X2X4X6+0,36X1X3X4X5−0,89X1X3X4X6−0,853X2X3X4X5—0,397X2X3X4X6−0,692X2X3X5X6+0,725X2X4X5X6−1,185X1X4X5X6+ +0,663X3X4X5X6+2,47X1X2X5X6−1,09X1X3X5X6+0,914X1X2X3X4X5—1,31X1X2X3X4X6+1,144X1X2X3X5X6+0,938X1X2X4X5X6−2,127X1X3X4X5 Х6+0,206X2X3X4X5X6−0,674X1X2X3X4X5X6. (4.19).

Совершенно очевидно, что хотя полученные полиномиальные модели несколько громоздки, очевидна простота их использования при решении на ЭВМ.

Кроме того, многие коэффициенты регрессии имеют значения меньшие, чем их доверительный интервал Abj. Поэтому уравнение (4.19) можно значительно упростить без снижения точности.

После реализации данного положения модель (4.19) принимает вид: У=22,636−3,565X1+2,992X3+3,014X4+4,286X5+6,11X60,963X1X2+1,447X1X5—0,768X2X4−0,822X3X4−1,176X4X6+0,960X1X2X3+1,508X1X3X5+ +0,908X1X3X6+1,306X1X4X5−1,30X2X3X4+1,332X2X3X5−0,72X2X5X6+ +0,94X3X4X5−0,798X3X5X6+1,98X4X5X6+0,825X1X2X3X4+1,4X1X2X3X5+ +1,426X1X2X3X6−0,89X1X3X4X6−0,853X2X3X4X5−0,692X2X3X5X6+ +0,725X2X4X5X6−1,185X1X4X5X6+2,47X1X2X5X6−1,09X1X3X5X6+ +0,914X1X2X3X4X5−1,31X1X2X3X4X6+1,144X1X2X3X5X6+ +0,938X1X2X4X5X6−2,127X1X3X4X5X6−0,674X1X2X3X4X5X6 (4.20).

Анализируя значения коэффициентов регрессии пришли к заключению, что они не противоречат априорной информации (напримерувеличение параметров ХЗ, Х4, Х5, Х6 и уменьшение параметра XI ведёт к увеличению значения функции выхода).

4.2. Оптимизация параметров ЭО. Полученная полиномиальная модель очистки позволяет производить расчёт эффективности при условии, что варьируемые параметры XI, Х2, ХЗ,.

Х4, Х5, Х6 лежат в заданных пределах. Воспользовавшись данным положением попробуем достичь максимально возможного значения эффективности процесса очистки, применив метод крутого восхождения.

При решении данной задачи — увеличения эффективности или иначе достижения максимума функции выхода У можно воспользоваться линейным свойством полученной полиномиальной модели. Представленная модель описывает п-мерную гиперплоскость. Согласно положений работы / 38 / коэффициенты регрессии являются показателями тангенса угла наклона гиперплоскости. Очевидно, для того, чтобы двигаться с максимальной крутизной по гиперплоскости, достаточно придерживаться такого направления, при котором тангенс угла наклона будет по всем координатным осям постоянен и равен коэффициенту регрессии. Для этого необходимо отразить все варьируемые параметры через один. Например, при выборе в качестве базового параметра XI получим следующие выражения для остальных параметров :

Ь2 Ьъ Ьп.

Х2 = — Х-ХЗ = —Х\.Хп = —XI (421}.

Поскольку гиперплоскость одна, то выбор базового параметра не имеет значения /38 /. Однако, следует помнить, что при выходе за пределы эксперимента, нельзя критериально оценить ошибку вычисления. Из — за этого положения, в случае, если хотя бы один параметр вышел бы из области постановки эксперимента, необходимо проводить экспериментальную проверку значений.

Рассмотрим процедуру движения по градиенту согласно методике, приведённой в /36 /.

В качестве базового параметра используем ХЗ. Шаг изменения величины ХЗ при движении по градиенту был принят равным 0,1. Шаг остальных управляющих параметров рассчитывался по формуле :

А.- =.

ЬАХ-Л0 bi АХ0 где: AibiAXi — шаг, коэффициент регрессий, интервал варьирования определяемого управляющего параметра соответственно Доbo — АХ0 — шаг, коэффициент регрессии, интервал варьирования базового параметра соответственно. Эксперименты выполнялись при начальной загрязнённости 40 мг / л, при напряжённости 900 В / мм, прокачке Q= 0,8 л / мин.

Графическая зависимость у =/ (ХЗ) при движении по градиенту в данном случае представлены на рис. 4.9, а значение параметров в табл. 4.9.