Відновлення експлуатаційних властивостей фільтрів функціональних систем літальних апаратів методом десорбції газу з миючої рідини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.22.20 - експлуатація і ремонт транспортних засобів

Відновлення експлуатаційних властивостей фільтрів функціональних систем літальних апаратів методом десорбції газу з миючої рідини

Желіба Альберт Миколайович

Київ 2003

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Національному авіаційному університеті.

Науковий керівник: кандидат технічних наук Гаража Валентин Васильович, професор кафедри конструкції літальних апаратів НАУ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Щепетов Віталій Володимирович, професор, завідувач кафедрою технології аеропортів та енергоресурсів НАУ.

кандидат технічних наук Вернигора Володимир Олександрович, провідний науковий співробітник НДІ будівельного виробництва.

Провідна організація - АНТК ім. О.К. Антонова Міністерства промислової політики

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Запорожець О.І.

Анотація

Желіба А.М. Відновлення експлуатаційних властивостей фільтрів функціональних систем літальних апаратів методом десорбції газу з миючої рідини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - експлуатація і ремонт транспортних засобів. - Національний авіаційний університет, Київ, 2003 р.

Дисертація присвячена розробці і дослідженню процесу регенерації методом десорбції газу з миючої рідини та обладнання для контролю технічного стану фільтроелементів.

Наведено результати експериментальних досліджень по регенерації фільтроелементів новим методом десорбції газу з миючої рідини. Розроблене та досліджене новий пристрій контролю технічного стану фільтроелементів, яке дозволяє проводити поелементний контроль, що значно скорочує експлуатаційні витрати експлуатаційних та ремонтних підприємств.

Досліджений метод регенерації дозволяє збільшити ресурс фільтроелементів та їх зменшити кошти на їх обслуговування.

Встановлено керуючі параметри процесу регенерації для фільтроматериалу ФНС-5 та сітки 80/720. Показано, що першочерговий вплив на процес регенерації припадає на початкову ступінь чистоти фільроелементів.

Одержано аналітичні описання процесу регенерації для фільтроматеріала ФНС-5 та сітки 80/720. Знайдено оптимальні значення параметрів процесу регенерації.

Реалізацію науково - технічних результатів роботи виконано на заводі АРЗ № 410 ЦА; у Хабаровскому об'єднаному авіазагоні м. Хабаровска та у військовій частині № 64549 А. При використанні установки по регенерації та установки по контролю технічного стану очікуваний економічний ефект ~ 65 тис. гр. на рік.

Ключові слова: фільтр, регенерація, забрудненість, ступінь чистоти, ефективність, миюча рідина, фільтроелемент, експлуатація.

Аннотация

Желиба А.Н. Восстановление эксплуатационных свойств фильтров функциональных систем летательных аппаратов методом десорбции газа из моющей жидкости. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - эксплуатация и ремонт транспортных средств. - Национальный авиационный университет, Киев, 2003 г.

Диссертация посвящена разработке и исследованию процесса регенерации методом десорбции газа из моющей жидкости и оборудования для осуществления контроля технического состояния фильтроэлементов.

Приведены результаты экспериментальных исследований по регенерации фильтроэлементов новым методом десорбции газа из моющей жидкости. Исследованы процессы абсорбции и десорбции газов в моющих жидкостях. При исследованиях использовались углекислый газ (СО₂), метан (СН₄) и воздух. В качестве моющих жидкостей использовались авиационное масло гидравлическое (АМГ-10 ГОСТ6794-54), авиационный керосин (ТС-1) и 10% водный раствор поверхностно активного вещества синвал. Разработано и исследовано новое устройство контроля технического состояния фильтроэлементов, позволяющее проводить поэлементный контроль, что значительно сокращает эксплуатационные расходы ремонтных и эксплуатационных предприятий. Устройство позволяет использовать для замены отбракованных не только фильтроэлементы первой категории, но и имеющие степень загрязненности до 0.7. Это позволяет в значительной степени увеличить обменный фонд фильтроэлементов.

Исследованный метод регенерации позволяет увеличить ресурс фильтроэлементов и уменьшить стоимость их обслуживания.

Установлены управляющие параметры процесса регенерации для фильтроматериала ФНС-5 и сетки 80/720. Показано, что превалирующее влияние, оказываемое на эффективность регенерации приходится на исходную степень чистоты регенерируемого фильтроэлемента. Получены аналитические описания процесса регенерации для фильтроматериала ФНС-5 (ТУ 14-1-1400-75) и никелевой сетки саржевого плетения 80/720 (ТУ 16-5380-82-70). Определены оптимальные значения параметров процесса регенерации.

Реализация научно-технических результатов работы выполнена: на авиаремонтном заводе № 410 ГА; в Хабаровском объединенном авиаотряде г. Хабаровска и в воинской части № 64549 А. При использовании одной установки по регенерации и одной установки по контролю технического состояния ожидаемый экономический эффект составил ~ 65 Тыс. гр. в год.

Ключевые слова: фильтр, регенерация, загрязнения, степень чистоты, эффективность, моющая жидкость, фильтроэлемент, эксплуатация.

Annotation

Jeliba A.N. Renewal of operational filters properties of functional systems of by method desorb of gas from liquid. Manuscript.

The dissertation for achieving the candidate of technical science academic degree with specialization 05.22.20 - transportation vehicles exploitation and maintenance. - National Aviation University, Kyiv, 2003 year.

Dissertation sacred to elaboration and to research of regeneration process by method desorbed of gas from detergent liquid and equipment for realization of control of technical fortune of filter element.

Are brought the results of experimental researches on regeneration of filter element by new method desorbed of gas from detergent liquid. Worked up and studied new control device of technical fortune of filter element, allowing to bow element control out, that considerably cuts down operational expenses of repair and operational enterprises.

The investigated method of regeneration allows to increase a resource of filter element and to reduce cost of their service.

The managing parameters of the process of regeneration for filter material ФНС-5 and grid 80/720 are placed(installed). Is shown, that the prevailing influence rendered on efficiency of regeneration is necessary on a source degree of cleanness regeneration of filter element. The analytical descriptions of the process of regeneration for filter material ФНС-5 and grid 80/720 are obtained. The best value of parameters of the process of regeneration are defined.

A Realization of scientifically technical work results done: at the air repair factory № 410 CA; in Khabarovsk joint airgroup t. Khabarovsk and in military part № 64549A.

Key word: a filter, regeneration, contaminations, degree of cleanness, efficiency, detergent a liquid, filter element, maintenance.

1. Загальна характеристика роботи

десорбція механічний фільтр миючий рідина

Актуальність теми

Використання робочої рідини необхідного рівня чистоти у функціональних системах повітряних суден (ПС) підвищує ресурс, надійність і безпеку польотів повітряного транспорту, зменшує простої авіаційної техніки. Погіршення експлуатаційних властивостей робочих рідин, обумовлене наявністю забруднень, викликає підвищений знос деталей, відмовлення в роботі вузлів і агрегатів, порушення працездатності функціональних систем. Велика частина відмов ВР (50...60%) припадає на паливні, масляні і гідравлічні системи. Недостатнє очищення робочих рідин викликає 10% відмов у роботі паливних систем і 40% у гідравлічних.

Аналіз літератури показав, що до 90% відмов від загального числа припадає на гідравлічні системи. Використання гідравлічних і моторних олій з недостатнім ступенем чистоти призводить до значного зростання ремонтних і експлуатаційних витрат авіапідприємств. Ці витрати можуть перевищити початкову вартість авіатехніки і призвести до збитків, які обчислюються мільйонами гривень. Проблеми охорони навколишнього середовища і заощадження паливно-енергетичних ресурсів так само зв'язані з забезпеченням чистоти робочих рідин.

Для очищення робочих рідин функціональних систем ПС, технологічних стендів в авіаційній промисловості і на підприємствах ЦА найбільш широко використовуються механічні фільтри зі спеціального паперу металевих сіток і різних пористих матеріалів. Зі збільшенням тонкості фільтрації вартість фільтраційного матеріалу значно збільшується. Якщо вартість м² нікелевої сітки саржевого плетива, що забезпечує тонкість фільтрації 12...1…1б мкм, складає близько 350 гривень, то вартість м² пористого матеріалу ФНС-5 при тонкості фільтрації 5 мкм у 15 разів дорожче.

Аналіз статистичних даних експлуатаційного забруднення фільтроелементів в умовах виробництва, експлуатації і ремонту ВР показує, що за час їхнього наробітку на повітряному судні до 50 годин рівень забруднення фільтроелементів може збільшуватися в 3,75 разів.

При цьому тонкість фільтрації фільтрів впливає на рівень перевищення забруднення фільтроелементів при рівному часі їхнього наробітку.

Так, при тонкості фільтрації в гідросистемах 5-7 мкм перевищення нормованого рівня досягає 2.9 разів, а при 12-16 мкм., у 3.1-3.75 разів. У паливних системах при тонкості фільтрації 12-16 мкм рівень перевищення досягає 2.5 разів.

Це викликає необхідність робити часту заміну фільтруючих елементів з метою підтримки заданого рівня чистоти робочих рідин.

За літературними даними, авіаційні підприємства несуть великі витрати на забезпечення фільтрації робочих рідин. Аналіз розподілу річних витрат на фільтрацію робочих рідин стосовно літакобудівного заводу показує, що з загальних витрат (100 %), витрати на змінні фільтри (у кількості 1200 шт.), складають 45 %, витрати на змінні фільтропакети і фільтри, що підлягають відновленню (2840 шт.), відповідно 26 %. Витрати на оборотний запас змінних технологічних фільтрів, витрати на ультразвукову регенерацію забруднених фільтрів і компенсацію фільтроелементів, що виходять з ладу, відповідно дорівнюють 12 %, 14 % і 3%.

У такий спосіб сумарні витрати на відновлення фільтроелементів складають більш 50% від загальних витрат на фільтрацію.

Обсяг наукових досліджень в області розробок нових і удосконалювання наявних засобів регенерації фільтрів досить великий. Однак, у силу властивих кожному з розроблених засобів і методів недоліків, проблема регенерації і здійснення контролю забруднення фільтрів функціональних і технологічних систем не вирішена остаточно і залишається актуальною у виробництві, експлуатації і ремонті ПС.

Аналіз літератури з даної проблеми показав, що підвищення ефективності регенерації фільтрів можна чекати при використанні десорбції газу з миючої рідини, а зменшити витрати на заміну фільтроелементів застосуванням засобів контролю, що забезпечують кількісну оцінку ступеня чистоти фільтроелементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана відповідно до держбюджетної теми Забезпечення надійності і ресурсу конструкції і рідинних систем ПС у процесі експлуатації, № 6-ДО97 за планами кафедральних НДР Національного авіаційного університету.

Мета і завдання дослідження

Мета роботи - розробка і дослідження методу регенерації десорбцією газу з миючої рідини і засобів контролю технічного стану механічних фільтрів після регенерації й у процесі експлуатації рідинних систем ПС.

Для реалізації мети роботи були поставлені такі завдання:

- Розробити устаткування і методики для дослідження впливу різних факторів на ефективність регенерації фільтроелементів методом десорбції газу з миючої рідини.

- Розробити устаткування і методики для здійснення кількісної оцінки ступеня забруднення фільтроелементів.

- Досліджувати процес регенерації фільтроелементів при десорбції газу з миючої рідини.

- Виконати математичне моделювання процесу регенерації фільтроелементів і оптимізацію факторів експлуатаційних властивостей фільтрів, що впливають на ефективність відновлення, функціональних систем літальних апаратів.

- Виконати аналіз впливу керуючих параметрів на ефективність відновлення експлуатаційних властивостей фільтрів функціональних систем літальних апаратів.

- Провести промислові випробування розробленого методу і засобів контролю чистоти фільтрів в умовах ремонту й експлуатації авіаційної техніки.

Об'єкт дослідження.

Процес забезпечення чистоти робочих рідин функціональних систем повітряних суден, що забезпечує безвідмовну експлуатацію та зростання рівня безпеки польотів.

Предмет дослідження - процес регенерації фільтроматкріалів, контроль технічного стану фільтроелементів та фактори, що впливають на ефективність процесу регенерації.

Методи досліджень.

У дисертаційній роботі використані аналітичні методи, засновані на експериментальних дослідженнях, що базуються на вивченні робочих рідин, абсорбованих газів та фільтроматеріалів авіаційних фільтрів.

Наукова новизна одержаних результатів

Уперше для регенерації фільтруючих елементів функціональних і технологічних систем розроблено новий метод, в основу якого покладено явище десорбції газу з миючої рідини.

Розроблено пристрій контролю технічного стану й ефективності очищення, робота якого ґрунтується на порівнянні результатів проливок контрольованого й еталонного фільтроелементів.

Визначено спрямованість і ступінь впливу керуючих параметрів на ефективність процесу регенерації.

Математичне моделювання роботи установки для регенерації фільтраційного матеріалу методом десорбції газу з миючої рідини дозволило визначити область оптимальних значень керуючих параметрів для досягнення найбільшої ефективності регенерації.

Аналіз результатів експериментальних досліджень дозволив одержати рекомендації щодо вибору оптимальних значень керуючих параметрів для практичної реалізації при регенерації фільтруючих елементів в умовах ремонту й експлуатації ПС.

Практичне значення одержаних результатів міститься в розробці високоефективного методу регенерації фільтроелементів, заснованого на десорбції газу з миючої рідини, що дозволяє відновлювати експлуатаційні характеристики фільтруючих елементів, виготовлених із сітки саржевого плетива і з пористого матеріалу ФНС-5.

Реалізація методу й установки для регенерації фільтроелементів на ремонтних і експлуатаційних підприємствах показала:

даний метод не вимагає великих енерговитрат;

можливість відновлення експлуатаційних властивостей фільтрів як поелементно, так і без розбирання фільтропакетів;

невисоку вартість устаткування і можливість виготовлення установки на базі експлуатаційних і ремонтних підприємств ЦА.

розроблений пристрій для контролю технічного стану дозволяє виконувати кількісну оцінку ступеня чистоти фільтроелементів існуючих типорозмірів і виготовлених з різних фільтруючих матеріалів.

практичне використання пристрою контролю технічного стану й ефективного методу регенерації фільтрів в умовах експлуатації і ремонту авіаційної техніки (АТ) обумовлює можливість поелементного контролю фільтроелементів з фільтропакета, що знижує експлуатаційні витрати і дає можливість визначати ступінь чистоти як поелементно, так і фільтропакета.

отримана математична модель дозволяє здійснювати вибір оптимальних сполучень керуючих параметрів установки і режимів регенерації фільтрів залежно від типу і матеріалу фільтроелементів.

Реалізація одержаних науково - технічних результатів роботи

Результати наукових досліджень пройшли апробацію на авіаційному ремонтному заводі № 410 ЦА м. Києва, у Хабаровському об'єднаному авіазагоні і військовій частині 64549А.

Очікуваний економічний ефект за розрахунками фахівців АРЗ № 410 ЦА від впровадження установки регенерації і пристрою контролю технічного стану й ефективності регенерації фільтроелементів складе 61676 гривень у рік.

Особистий внесок здобувача

Дисертаційна робота є результатом самостійних досліджень. У роботах, виконаних у співавторстві особисто автором побудовано математичну модель 1, проаналізовано результати дослідів 2, розроблена конструкція та методики 3, 4, 5, 6, 7, побудована номограма 8, винайдено спосіб очистки 10 та розроблено пристрої 9, 11, 12.

Апробація результатів дисертації

Результати дисертаційної роботи обговорювалися на:

VII всесоюзній науково-технічній конференції "Експлуатаційні властивості авіаційних палив, мастильних матеріалів і спеціальних рідин. Питання авіаційної хіммотології" Київ, КИИГА, 1989 р.;

всесоюзній конференції "Забезпечення і контроль промислової чистоти" Саратов, 1989 р.;

міжнародній науково-технічній конференції “АВИА-2002”, Київ 2002 р.

науково-технічних конференціях професорко-викладацького складу КМУЦА, Київ 1989-1997 р.;

Публікації

За темою дисертації опубліковано 12 робіт, з них у фахових виданнях 6.

Структура й обсяг роботи

Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків.

Загальний обсяг 192 сторінки, із них 127 сторінок машинописного тексту, 42 сторінки ілюстративного матеріалу, 8 сторінок додатків. Бібліографія - 164 найменувань на 13 сторінках.

2. Зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми очищення робочих рідин функціональних авіаційних систем від забруднень, а також розробки нових технологій, пристроїв і методів для високоефективної регенерації і контролю технічного стану механічних фільтрів рідинних систем. Дано характеристику існуючих засобів методів регенерації і контролю. Показано, що одним з варіантів підвищення ефективності регенерації фільтрів може бути використана десорбція газу з миючої рідини.

У першому розділі виконано аналіз забруднення робочих рідин функціональних систем ПС, їх хімічний склад, шляхи проникнення забруднень у робочі рідини. Показано, що максимальна забрудненість палив, гідравлічних мастил та мастил двигунів знаходиться в межах від 7 г/м³ для паливних і до 270 г/м³ для систем змащення ГТД. Гранулометричний склад забруднень містить частки за розміром від 0.5 до 200 мкм. Проведено аналіз умов роботи робочих рідин у ході експлуатації ПС. Палива на ПС під час експлуатації знаходяться у широкому діапазоні температур від -60⁰ С до +45⁰ С. Температурний діапазон роботи мастил для ГТД лежить в межах від - 60⁰ С до +1101150 С.

Виявлено, що забруднення робочих рідин залежить від їх властивостей. Причиною корозійної агресивності робочих рідин є залишки в них слідів кислот, що розчиняються у воді, сірчаних з'єднань та вільної вологи.

Проведено аналіз забруднень фільтроелементів паливних, змащувальних та гідравлічних систем ПС. Установлено, що забрудненість фільтроелементів систем змащування авіаційних двигунів має більш складну природу у порівнянні з паливними фільтрами. У системах змащування утворюються асфальтени. Забруднення фільтроелементів гідравлічних систем літаків накопичуються із зростанням напрацювання мастил, а їх природа аналогічна забрудненням паливних систем та систем змащування. На фільтрах гідросистем знайдено продукти окислення та корозії, кремній, кальцій. Мідь у забрудненнях фільтроелементів свідчить, що має місце знос гідроагрегатів. Проведено аналіз методів очищення робочих рідин від забруднень та характеристик фільтраційних матеріалів, які використовуються. Показано, що основними фільтрувальними матеріалами є металеві сітки та пористі структури. Проаналізовано методи регенерації фільтраційних матеріалів 6 і виявлено переваги та недоліки існуючих методів. Найбільш поширені методи механічної регенерації, але їх можливості у великій мірі залежать від тонкості фільтрації фільтроелементів. З підвищенням тонкості фільтрації ефективність механічної регенерації різко знижується. Використання органічних розчинників як миючої рідини ефективно лише для видалення органічних смол. Найбільш ефективним є використання силових полів з прокачкою миючої рідини у зворотному напрямку через фільтроелемент. Але використання енергії гідродинамічного потоку за рахунок перепаду тиску обмежено міцністю фільтроелементів. Застосування ультразвукової обробки фільтрів також обмежено кількістю циклів регенерації - не більше чотирьох, бо матеріал фільтроелементів під впливом ультразвукової обробки руйнується внаслідок механічної ерозії. Крім того, при 90% забруднень фільтроелементів із матеріалу ФНС-5 ультразвукова обробка неефективна.

Перспективним методом підвищення ефективності регенерації, при помірних перепадах тиску, може бути використання енергії гідродинамічного потоку за рахунок виділення додаткової енергії при десорбції газу з миючої рідини 4. Але рішення, щодо ефективності прогнозуючого методу може бути прийнято лише у ході всебічних досліджень 7. Аналіз методів оцінки ступеню чистоти фільтроелементів показав, що на даний час існує чотири методи , які грунтуються на різних принципах дії: зміні гідравлічного опору, перепаду тиску, зміні часу заповнення внутрішнього об'єму фільтроелемента та за оцінкою товщини відфільтрованого шару забруднення. Як показав аналіз методів, більш точні результати контролю можуть бути одержані при реалізації принципу заміру зміни об'ємної подачі на фільтроелементі та порівнянні з аналогічними параметрами зразкового фільтроелемента. При цьому одержується якісна і кількісна оцінка ступеня чистоти фільтроелемента, який контролюється.

У висновку першого розділу, на підставі наведеного стану питання, сформульовано мету та завдання досліджень.

У другому розділі наведено основні об'єкти досліджень. Зроблено аналіз номенклатури фільтрів літаків. Зроблено висновок щодо першочергового вирішення проблеми регенерації фільтрів з тонкістю фільтрації 5 та 1216мкм, які виготовляються відповідно з пористого матеріалу ФНС-5 та нікелевої сітки саржевого плетіння 80/720.Зокрема ці фільтраційні матеріали погано піддаються регенерації. Виявлено багаторазовий характер використання монотипів фільтрів у функціональних системах ПС. Тому як матеріали для об'єктів досліджень вибрані сітка саржевого плетіння 80/720 та пориста нержавіюча сталь ФНС-5 (Х18Н15-ПН). Миючими рідинами для проведення досліджень по регенерації фільтроелементів вибрані: гідравлічне масло АМГ-10, (ГОСТ6794-54), гас ТС-1 та водний розчин ПАВ (10% розчин сінвал).Наведено обґрунтування складу забруднювача, яким використовувався природний забруднювач , виділений із робочих рідин систем центрифугуванням на установці СОГ-904. Для оцінки складу дисперсної фази суспензій використовувались аналізатор ФС 151А та мікроскоп МІМ-7. Чистота досліджень забезпечувалася за допомогою миючого стенду, на якому промивався посуд для відбору проб.

Забруднення зразків фільтроматеріалів під час проведення досліджень проводилося на спеціально розробленій установці. Досліджуваний зразок розміщувався у кюветі. Для проведення досліджень по регенерації зразків фільтроматеріалів та фільтроелементів спеціально розроблена та зроблена установка 10 на яку отримано авторське свідоцтво № 1639718. 1990 р.

Для контролю рівня чистоти фільтроелементів 8розроблено установки 9, 11, 12, на які отримані авторські свідоцтва. Дослідження по абсорбції та десорбції газів у миючих рідинах проводилися на установках, описаних у роботі 3.

Для проведення досліджень спеціально розроблено такі методики: методика складання експериментальних установок; методика визначення кількості абсорбованого газу у робочій рідині; методика визначення параметрів десорбції газу з миючої рідини; методика приготування робочої рідини для штучного забруднення фільтроелементів; методика приготування робочої рідини для регенерації фільтроелементів; методика регенерації фільтроелементів; методика забруднення фільтроматеріалів та фільтроелементів; методика приготування робочої рідини для оцінки ступеня чистоти фільтроелементів; методика оцінки ступеня чистоти фільтроелементів та методика обробки результатів експериментальних досліджень.

У третьому розділі наведені аналітичні дослідження процесу регенерації фільтроелементів методом десорбції газу з миючої рідини. Проаналізовано умови відриву часток забруднень при регенерації фільтроматеріала, коли частка знаходиться у каналі мікропори рис. 5 та коли вона розміщена у тупику мікропори рис. 6.

Отримано рівняння балансу сил для першого та другого випадків. У першому випадку баланс сил описується рівнянням:

P_гидр + P_арх - P_адг - P_тяж = 0, (1)

де P_гидр, P_арх, P_адг, P_тяж - сили (гідродинамічна, Архімеда, адгезії та тяжіння).

Відрив часток може виникнути у результаті зсуву, перекидання, або спливання у залежності від характеру відриву та місця перебування частки на верхній, боковій чи нижній поверхні пори. Показано, що для часток розміром 130 мкм силами Архімеда та тяжіння можна знехтувати, так як вони на 3-4 порядки менші за останніх. Стосовно сучасних уявлень щодо характеру течії рідини у в'язкому підшару прийнято, що відрив часток з поверхні пор можливі під дією гідродинамічних сил, які викликані ламінарною чи вихровою течією рідини. Виконано аналіз розрахунку гідродинамічних сил від дії ламінарного потоку із застосуванням формул Е. Жуковського, А. Чаплигіна та Джефріда. Показано, що при регенерації найбільш імовірним є турбулентний характер течії робочої рідини. Турбулентна течія розглядалась як невпорядковане виникнення пульсацій швидкості та тиску в усіх напрямках. Течія у пристінній межі потоку має безперервну зміну квазіламінарного та турбулентного режимів потоку. При цьому відбувається періодичне втручання у підшар турбулентних вихорів із суміжних зон потоку і відбувається масообмін. Для турбулентних течій характерні пульсації швидкостей та відповідні їм пульсації тиску у трьох напрямках. Компоненти пульсуючих швидкостей оцінювалися за формулами:

та .

Пульсації швидкостей відбуваються з певною частотою. При цьому найбільш енергоємні будуть низькочастотні пульсації, які належать великомасштабним вихорам, частоту яких можна визначити за формулою:

.

У першому наближенні для розрахунку гідродинамічної сили під час дії великомасштабних вихорів при низькочастотних пульсаціях запропонована формула:

Інтенсивність виникнення вихорів залежить від конфігурації мікрокапілярних каналів матеріалу фільтроелемента. На підставі мікроскопічних досліджень препарованого фільтоматеріала ФНС-5 встановлено, що стінка каналу мікрокапіляру має конфігурацію поверхні кінцевої кривизни.

Схематизація перерізу каналу мікрокапіляра, дозволила отримати фізичну модель процесу регенерації матеріалу ФНС-5.

Фізична модель одержана із розгляду елементарного об'єму рідини у будь якій точці поверхні каналу, який має напрямок у середину потоку у момент часу з масою, що дорівнює у першому наближенні xдyдz. За час ф + Дф за рахунок переміщення елементарний кубічний об'єм трансформується у іншу просторову фігуру, яка формується при розгляді загального тензору деформації на компоненти у вигляді:

Використовуючи девіаторний тензор та враховуючи, що інтенсивність зміни швидкості по осі y значно вище, ніж по осям x та z показано, що нерівнозначна інтенсивність зростання швидкості по координатним осям призводить до деформації елементарного об'єму рідини. У результаті чого можно представити деформацію бокової проекції кубічного об'єму рідини трансформуванням квадрату ОАВС.

При трансформуванні бокової проекції точка С зміщується по лінії СВ, а точка А по лінії АВ. Тоді при деформації квадрату ОАВС повинна звільнитися площа, окреслена трикутником ОСС_І, але це не може відбутися за умов нерозривності потоку. Отже, трансформування супроводжується обертанням ромбу ОА_ІВ_ІС_І відносно точки С, яка є нерухомою. Довжина відрізка ОС_І знаходиться за формулою:

.

Так як відрізок осі співмірний з ОС, кут СОС_І = можна прийняти рівним його тангенсу. Тоді вираз для кутової швидкості можна записати у вигляді:

Таким чином, одержано доведення наявності пульсацій на стінках, що обмежують потік рідини. Під час руху рідини по каналу фільтруючої пори відбуваються стрибки швидкості та тиску, які обумовлені зміною площини перерізу на ділянці порового каналу, яка призводить до деформації потоку.

Розрахункова зміна відносних швидкостей () та тиску ()показує, що у перерізі ІІ-ІІ = мах, а ІІІ-ІІІ - = мін. При зниженні тиску нижче рівноважної концентрації утворюються пульсуючі пузирі газу. Утворені та збільшені у розмірах пузирі впливають на поверхню каналів пор фільтруючих матеріалів та на частки забруднень. При цьому відбувається збільшення швидкості мікротечій біля твердої поверхні та в об'ємі рідини. Це викликає інтенсивний відрив, підхоплення та виніс часток забруднень із каналів пор фільтроматеріалу. Фізична модель регенерації фільтроелементів десорбцією газу із миючої рідини отримана на підставі результатів експериментально теоретичних досліджень, і в її основі лежить дія турбулентних вихорів та силові дії десорбіруючого газу по всій довжині каналів фільтруючих пор, яка призводить до відриву та виносу забруднень з фільтровального матеріалу.

Виконано факторний аналіз процесу регенерації для побудови математичної моделі. Аналіз конструктивних, експлуатаційних та технологічних факторів на підставі літературних джерел та досліджених даних, які отримані на початку багатофакторного дослідження, показав, що з 12 факторів значимими виявилось 8. Це час витримання, тип газу, тип миючої рідини, об'єм миючої рідини, ступінь забруднення фільтроелементів, температура миючої рідини та число циклів регенерації.

Факторний аналіз дозволив виконати математичне моделювання процесу регенерації фільтрів методом десорбції газу із миючої рідини.

Як параметр оптимізації (функції відгуку) була прийнята ступінь очищення ц фільтроелемента від забруднень.

Завданням оптимізації було досягнення максимального ступеня очищення фільтроелемента при оптимальних сполученнях керуючих факторів, які впливають на процес регенерації.

Згідно з рішенням поставленого багатофакторного завдання, були виконані аналіз факторів та вибір їх числових значень для проведення досліджень і оцінки можливості лінійної апроксимації функції відгуку. При цьому припускали, що в поліномах більш високого порядку коефіцієнти при нелінійних членах малі, у порівнянні з головними ефектами. Аналіз апріорної інформації про зміну функції відгуку та кривизни її поверхні дозволив оцінити локальну область проведення дослідів, тобто основні рівні варіювання факторів. Для побудови матриці планування використовувався дрібно факторний план 2^8-4, тобто 1/16 від повного факторного плану 2⁸. Виключення впливу систематичних помилок, зумовлених зовнішніми умовами, досягалося постановкою паралельних дослідів, запланованих у кожній репліці 2^8-4 та використанням рандомізації у часі за допомогою генератора випадкових чисел.

Лінійна апроксимація функції відгуку після реалізації основної та зворотної до неї репліки і проведенням регресивного аналізу допомогла отримати лінійну математичну модель 1 процесу регенерації десорбцією газу з миючої рідини для матеріалу ФНС-5:

₁ = 26,969 + 1,00х₁ - 0,5х₂ - 0,281х₃ + 0,3438х₄ - 0,094х₅ - 5,375х₆ + 0,8125х₇ + 2,125х₈,

та сітки 80/720:

₂ = 41,45 + 0,98х₁ - 0,48х₂ - 0,266х₃ + 3,859х₄ - 0,109х₅ - 5,89х₆ + 0,828х₇ + 2,172х₈

Для дослідження впливу кожної із змінних х_j на параметр побудовані залежності _j = f(x_j) 1 при фіксованих значеннях останніх змінних х_{j + 1} у центрі експерименту, який являє собою сукупність прямих типу = B_j B_jx_j.

Математичні моделі процесу регенерації десорбцією газу з миючої рідини описуються поліномами першого порядку та дозволяють виконати оцінку впливу керуючих факторів на ефективність регенерації фільтроелементів. Гіпотеза, що при десорбції газу з миючої рідини у порах фільтроматеріалів виникає вихровий рух миючої рідини та має місце ефект "поршня", які забезпечують відрив часток забруднень з поверхні порових каналів, підтверджена експериментально-теоретичними дослідженнями.

У четвертому розділі наведено результати досліджень щодо оцінки конструктивно-технологічних параметрів процесу регенерації десорбцією газу з миючої рідини 3. Аналіз досліджень щодо впливу миючої рідини та газу на процес абсорбції показав, що розчинність досліджених газів прямо пропорційна тиску газу на рідину та залежить від природи рідини та газу. Із трьох досліджених газів найкращу розчинність має газ СО₂, який в одному літрі гасу ТС-1 може розчинитися у кількості 65 літрів при тиску 4.0 МПа, що у 3 рази більше ніж метану та у 8 разів більше ніж повітря. У той же час 10% водний розчин ПАВ може розчинити лише 17 літрів СО₂. Характерно, що гас ТС-1 та масло АМГ-10 абсорбують повітря краще ніж водний розчин ПАВ. Досліди показали, що найбільшу схильність розчиняти газ має паливо ТС-1, а найменшу - вода. Присутність ПАВ у воді практично не впливає на її розчинні характеристики.

Дослідження процесу десорбції газу з рідин та газів, які досліджуються, показали, що найбільш ефективним є сполучення паливаТС-1 з двоокисом вуглецю. У ТС-1 крім того, що розчиняється, порівняно з іншими рідинами, багато СО₂, так і об'ємна десорбція відбувається також при меншому тиску газу. Найкраще сполучення ТС-1 та СО₂ ще й тому, що СО₂ є нейтральним газом та забезпечує більшу протипожежну безпеку..

Вплив температури на ефективність регенерації виявився незначним. Як показав експеримент, у процесі використання ТС-1 та газу СО₂ при трикратному підвищенні температури ефективність регенерації (оцінювалася ступенем чистоти) зростає усього на 4-5%. Це пояснюється тим, що у діапазоні досліджених температур миючої рідини її в'язкість зменшується мало, а зростання температури негативно позначається на процесі абсорбції газу. Попередня витримка фільтроелементів у миючій рідині , як показали досліди, не має домінуючого впливу на ефективність регенерації. Аналіз рис. 6. показує, що час витримування фільтроелементів із ФНС-5 у миючій рідини незалежно від початкового ступеня чистоти (криві 1, 2, 3 відповідно для 0.3, 0.5, 0.7) діє на динаміку процесу регенерації у межах 8-10 хвилин. Аналогічний результат отримано і для фільтроелементів із сітки 80/720. При цьому, зростання ступеня чистоти для матеріалу ФНС-5 відбувається на 4-5%, а для сітки 80/720 у два рази вище. Це свідчить про незначний ефект технологічної операції по попередньому витримуванню фільтроелементів.

Дослідження щодо впливу типу абсорбованого газу на ефективність регенерації фільтроелементів із ФНС-5 виявили, що найбільш ефективно використовувати як миючу сполуку АМГ-10 + СО₂. Із аналізу графіка рис. 8. слідує, що найбільш ефективно регенерація відбувається в разі використання палива ТС-1 та газу СО₂ (криві 3), тому, що у цьому випадку ступінь чистоти зростає, відносно початкових значень у 1.4-1.93 рази. Характерно, що динаміка зміни процесу відбувається у діапазоні перших трьох циклів регенерації, а потім зростання ступеню чистоти уповільнюється. Найменш ефективно регенерація відбувається у разі використання як газу - повітря (крива 1), при цьому зростання ступеня чистоти не перевищує 1.17-1.3 рази відносно початкової. Аналіз рис. 8. свідчить, що ефективність регенерації залежить від забруднення фільтроелементів. Якщо початкова чистота дорівнює 0.3 (забруднення 0.7), то такий фільтроелемент , крива 3, регенерується до рівня = 0.58, тобто ступінь чистоти зростає у 1.93 рази. А при початковому = 0.7 (забрудненість 0.3) після регенерації отримано = 0.99, а зростання досягає 1.4 рази.

Більш ефективна регенерація при використанні СО₂, у порівнянні з метаном та повітрям, пояснюється більш високою абсорбцією СО₂ у паливі ТС-1, яка при тиску 3 МПа у 8 разів вища, відносно повітря та у 2.82 рази ніж у метана. Цим пояснюється більш ефективна регенерація при використанні СО₂.

Природа миючої рідини також впливає на регенерацію. Як свідчить аналіз експерименту, використання СО2 залежно від миючої рідини дає різні результати. Найбільш ефективно використовувати паливо ТС-1, коли ефективність процесу регенерації найвища. Так, якщо використовувати ТС-1 + СО₂, то ефективність регенерації від забруднення фільтроелемента (0.7, 0.5, 0.3) досягає відповідно до значень 0.49, 0.7, 0.9 у той час, як при використанні водного розчину ПАВ відповідно 0.41, 0.61, 0.8. Характерно, що число циклів регенерації практично однаково впливає на процес регенерації і при числі циклів 8 процес відновлення фільтроелементів стабілізується.

Аналогічні результати були досягнуті у процесі дослідження фільтроелементів із сітки 80/720. При цьому були отримані результати, які співмірні з результатами для фільтроелементів із ФНС-5.

Аналіз експериментів щодо використання миючих рідин разом з газом СО₂ показав, щонайкраща миюча властивість у палива ТС-1, потім у АМГ-10, гірші результати були отримані на 10% водному розчині ПАВ. Тому для практичної реалізації слід використовувати при регенерації ТС-1, а як виняток, масло АМГ-10. Пояснюється це тим, що енергоємність розчину ПАВ значно нижча (у 8 разів) за рахунок низької розчинності СО₂, у порівнянні з паливом ТС-1. На процес регенерації впливає тиск. Результати експериментів щодо впливу тиску на ефективність процесу регенерації представлені на рис. 12. Підвищення ступеня чистоти має нелінійну залежність у межах від 0.5 до3.0 МПа при зростанні тиску. Верхня межа 3.0 МПа відповідає перепаду тиску, який у два рази вище від допустимого при випробуваннях.

Аналіз експерименту свідчить, що при зростанні тиску у 6 разів приріст ступеня чистоти досягає 2.46 раз. Це свідчить, що зростання тиску приводить до підвищення об'єму абсорбованого газу . Якщо при тиску 0.5 МПа в одному літрі палива ТС-1 абсорбується 8 літрів СО₂, то при тиску 3.0 МПа - 48 літрів СО₂. Тому зростання тиску призводить до підвищення енергоємності миючої рідини та ефективності процесу регенерації. Ступінь чистоти при регенерації фільтроелементів залежить від початкової їх забрудненості. При регенерації фільтроелементів із ФНС-5 миючим складом із ТС-1 та СО₂ і при числі циклів рівному 6 зростання забрудненості від 0.3 до 0.7 призводить до зниження ефективності регенерації десорбцією газу. Число циклів регенерації впливає на якість регенерації. Ефективність процесу регенерації фільтроелементів із сітки 80/720 зростає з підвищенням числа циклів. Динаміка зміни зростання ефективності завершується на 6 циклі, а потім процес стабілізується на рівні = 0.27. Підвищення ефективності процесу регенерації пояснюється зростанням об'єму миючої рідини, який визначає час регенерації та об'ємну подачу.

Результати досліджень дозволили зробити оцінку щодо вибору оптимального об'єму миючого складу, який потрібен для одного циклу регенерації. Експерименти проводилися при змінах відносного об'єму в межах від 1до 4. Ефективність регенерації зростає з підвищенням , і при = 3 процес стабілізується. Тому для практичної реалізації слід рекомендувати об'єм миючої рідини який дорівнює трьом об'ємам фільтроелемента.

Дослідження ступеня чистоти фільтроелементів виконано на розробленому пристрої 2. Якщо пори фільтроелемента повністю забруднені S_ф = 0 то = 0, а у чистого = 1. Таким чином область існування функції

,

0 1.Виконуючи непрямий метод оцінки площини живих перерізів порових каналів забрудненого і еталонного фільтроелементів, оснований на співвимірі залежних від об'ємної подачі параметрів, одержано рівняння для ступеня забруднення фільтроелементів:



де W_ф та W_э - об'ємна подача через забруднений і еталонний фільтроелементи; _э, _ф - коефіцієнти розходу.

Апробацію працездатності і випробування розробленого пристрою 11, 12 виконували на АРЗ № 410 ЦА м. Києва. При цьому передбачалося два варіанти використання пристрою: заміна існуючого ПКФ на запропонований пристрій контролю чистоти фільтроелементів; спільне застосування ПКФ та пристрою поелементного контролю чистоти фільтроелементів.

Як показали випробування, використання пристрою 5 дозволяє вилучити з фільтропакету лиш найбільш забруднені фільтроелементи.

Аналіз результатів експериментів показав, що фільтроелементи із ступенем чистоти = 0.1 не придатні для регенерації та подальшої експлуатації повинні відбраковуватися. На їх заміну можна використовувати регенерировані фільтроелементи замість фільтроелементів І категорії. Для підбору фільтроелементів на заміну відбракованим з метою відновлення працездатності фільтропакету за спеціальною методикою, було виконано поелементний контроль фільтропакетів. Експериментальні данні по елементного контролю фільтропакетів були оброблені за спеціальною програмою 8, 9, та дозволили отримати номограму рис 16 для оцінки ступеня чистоти фільтроелементів, які надходять на заміну відбракованим. Номограма побудована на залежності ступеня чистоти від об'єму см³ рідини, що пролита крізь фільтроелемент. Залежність = f(V) побудовано відповідно до числа n відбракованих фільтроелементів. Випробування приладу показали, що його можна успішно використовувати для кількісної оцінки як поелементно, так і фільтропакету. Поряд з випробуваннями розробленого пристрою 10 на АРЗ № 410 ЦА були проведені промислові дослідження по регенерації фільтроелементів методом десорбції газу з миючої рідини на розробленій 4, 7 установці. Випробування виконали на фільтроелементах із ФНС-5, як більш трудомістких і які очищають на ультразвуковій установці. Аналіз результатів випробувань показав, що ефективність регенерації при десорбції газу СО2 із палива ТС-1 при оптимальних значеннях керуючих параметрів у 5 разів вища ніж при ультразвуковій обробці. При цьому кратність регенерації фільтроелемента дорівнює 15-20. Порівняльний аналіз результатів випробувань ефективності регенерації фільтроелементів із ФНС-5 методом десорбції газу з миючої рідини та ультразвуковим методом рис. 17 показав що:

- одержані при випробуваннях результати по ефективності регенерації сумірні з даними експерименту з лабораторних досліджень;

- найбільша ефективність регенерації при використанні газу СО₂ та палива ТС-1. (крива 3);

- при використанні СО₂ та ТС-1 підвищення якості регенерації досягає 0.25 (крива 3), що у 2-2.5 рази вище у порівнянні з ультразвуковою обробкою (крива 2);

- затрати часу на регенерацію методом десорбції газу при використанні СО₂ та палива ТС-1 у 1.3 рази менші (крива 3) у порівнянні з ультразвуковою обробкою (крива 2).

Таким чином, випробування комплексу технологічного обладнання з регенерації фільтроелементів методом десорбції газу з миючої рідини на АРЗ № 410 ЦА, на ХОАО м. Хабаровська та вч. № 64549А показали їх високу ефективність. По розрахункам спеціалістів заводу № 410 ЦА очікуваний економічний ефект від впровадження технологічного комплексу обладнання та методу регенерації десорбцією газу із миючої рідини склав 61676 гр. на рік.

Основні висновки

1. Розроблено новий метод регенерації фільтрів основою якого є десорбція газу із миючої рідини. На метод регенерації та на пристрій для його реалізації одержано авторське свідоцтво № 1639718 Способ очистки фильтроэлементов и устройство для его осуществления 1990.

Новий метод, в порівнянні з існуючими, підвищив ефективність регенерації на 15% і в пять разів збільшив ресурс фільтроелементів.

2. Розроблено новий пристрій контролю технічного стану фільтроелементів, який дозволяє робити поелементний контроль. На пристрій для контролю технічного стану фільтроелементів одержані авторські свідоцтва: № 1465083 Устройство для контроля качества очистки фильтрующих элементов 1988.; № 1697869 Устройство для контроля качества очистки фильтрующих элементов 1991.; № 1733976 Устройство контроля степени загрязнения фильтрующих элементов 1992. Поелементний контроль значно зменшує експлуатаційні витрати на обслуговування рідинних функціональних систем.

3. Розроблені математичні моделі процесу регенерації методом десорбції газу з миючої рідини фільтроелементів виготовлених із пористого матеріалу ФНС-5 та фільтроелементів виготовлених з нікелевої сітки саржевого плетіння 80/720 дозволяють визначати найбільш впливові фактори та прогнозувати їх вплив на очистку фільтрів. Це дає можливість в умовах авіаремонтних, авіабудівних підприємств та при експлуатації здійснювати регенерацію в більш оптимальних умовах.

4. Розроблено номограму для визначення ступеня чистоти фільтроелементів, які поступають на заміну. За допомогою номограми у комплексі з пристроєм поелементного контролю технічного стану фільтроелементів, зявилась можливість здійснювати якісне відбраковування фільтроелементів під час експлуатації фільтрів. Це дозволяє підвищити ресурс фільтрів у цілому та виключити можливість безпідставного вилучення працездатних фільтроелементів.

Список опублікованих автором робіт по темі дисертації

1. Желіба А.М., Гаража В.В. Математична модель планованого експерименту по регенерації фільтроелементів методом десорбції газа з миючої рідини // К.: Вісник НАУ.- № 4. 2002. - С. 39-42.

2. Желиба А.Н., Савельев Г.В. Исследование растворимости газов в моющих жидкостях // Исследование процессов подготовки применения и контроля качества авиаГСМ и спецжидкостей. - К.: КИИГА, 1992. -С. 106-109.

3. Желиба А.Н.,Черненко Ж.С. Очистка фильтроэлементов топливных, масляных и гидравлических систем воздушных судов методом десорбции газа из моющей жидкости // Труды НИТИ НТС № 1, Саратов, 1990. - С. 6-7.

4. Желиба А.Н.,Захарчук П.П. Устройство для контроля техсостояния и качества очистки фильтроэлементов // Труды НИТИ НТС № 1, Саратов, 1990. - С. 8-11.

5. Желиба А.Н.,Черненко Ж.С. Анализ методов очистки и контроля чистоты фильтров топливных, масляных и гидравлических систем ВС// Труды НИТИ НТС № 1, Саратов, 1990. -С. 3-6.

6. Желиба А.Н., Черненко Ж.С. Установка для очистки фильтроэлементов топливных, масляных и гидравлических фильтров методом обратной растворимости газа в моющей жидкости. Тезисы доклада // "Эксплуатационные свойства авиатоплив, смазывающих материалов и спецжидкостей" - К.: КИИГА, 1989. -С. 27-28.

7. Желіба А.М. Методика контролю міри забрудненості фільтруючих елементів фільтрів гідравлічних систем // Тези доповіді НТК ПВС КМУЦА. -К., 1997. -С. 106-109.

8. Желиба А. Н., Захарчук П.П. Поэлементный контроль фильтроэлементов из материала Х18Н15-ПМ в условиях эксплуатации // Динамика технического состояния конструкции ВС. - К.: КИИГА, 1987. - С. 55-59.

9. Устройство для контроля качества очистки фильтрующих элементов А. с. 1465083. СССР. А1 Желиба А.Н., Захарчук П.П. Павловский В.Г., Карабцов Г.П., Кобинек В.С. 1988.

10. Способ очистки фильтроэлементов и устройство для его осуществления А. с. 1639718. СССР А1 Желиба А.Н., Захарчук П.П., Кобинек В.С. 1990.

11. Устройство для контроля качества очистки фильтрующих элементов А. с. 1697869. СССР А1 Желиба А.Н., Захарчук П.П., Кобинек В.С. 1991.

12. Устройство контроля степени загрязнения фильтрующих элементов А. с. 1733976. СССР А1 Желиба А.Н., Захарчук П.П., Кобинек В.С. 1992.

Размещено на Allbest.ru

...