рабочих жидкостей насосов
advertisement
Донбасский государственный технический университет на правах рукописи Бойко Николай Зельманович УДК 628.16.067:66.067.3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЧИСТИТЕЛЕЙ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ НАСОСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ 05.05.17 – Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель Евтушенко Анатолий Александрович профессор, кандидат технических наук Сумы 2009 2 СОДЕРЖАНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6 РАЗДЕЛ 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................. 13 1.1. Влияние степени очистки жидкостей на характеристики гидравлических систем ............................................................. 13 1.2.Источники поступления загрязнений в гидравлическое оборудование, их классификация и уровни загрязненности ...................................................................................... 16 1.3. Требования к чистоте жидкостей используемых в гидромашинах ..................................................................................................... 20 1.4. Методы и устройства очистки жидкостей ................................................... 25 1.5. Насосы, требования к очистителям их рабочих жидкостей ...................... 39 1.6. Выводы и задачи исследования .................................................................... 43 РАЗДЕЛ 2 СОЗДАНИЕ ОЧИСТИТЕЛЕЙ, НЕ ИЗМЕНЯЮЩИХ УРОВЕНЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ОЧИЩАЕМОЙ ЖИДКОСТИ И ЗАЩИЩАЮЩИХ СИСТЕМУ ОТ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ............................................................ 46 2.1. Математическое моделирование процессов кондиционирования жидких сред в магнитном и электрическом поле. .......................................................................................... 46 2.2. Экспериментальные исследования очистки жидкостей электрическим и магнитным полем ................................................. 93 2.3. Выводы .......................................................................................................... 113 РАЗДЕЛ 3 РАЗРАБОТКА ОЧИСТИТЕЛЕЙ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ НАСОСОВ .......................... 115 3 3.1. Разработка входных очистителей перекачиваемой среды при повышении всасывающей способности динамических насосов ........................................................................................ 115 3.2. Разработка очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкости динамических насосов. ............................................ 123 3.3. Разработка способа защиты щелевых уплотнений динамических насосов путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. ............... 127 3.4. Внедрение результатов разработки ............................................................ 134 3.5. Выводы .......................................................................................................... 135 ВЫВОДЫ ............................................................................................................. 136 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………...136 8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВAННЫХ ИСТОЧНИКОВ. ........................................ 144 4 ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ Геометрические характеристики. mp - масса частицы, mg - масса жидкости, d - диаметр частицы, Кинематические характеристики. V - локальная средняя массовая скорость жидкости, p - давление, Vp - скорость частицы, Vg - скорость жидкости, F - внешняя потенциальная сила, действующая на частицу, V - объем частицы загрязнений, , , - система координат сплющенного эллипсоида. Электрическические характеристики. Fm - пондеромоторная сила, f - магнитная восприимчивость частицы загрязнений, - напряженность магнитного поля в произвольном месте витка, НА Н отв - напряженность магнитного поля в отверстии, Н диск - напряженность магнитного поля в диске, Fm – поперечная составляющая пондеромотроной силы V g - поперечная составляющая скорости движения жидкости H - напряженность магнитного поля, H0 - напряженность поля на оси соленоида, I W - сила тока, – количество витков. 5 L – длина обмотки соленоида, расстояние между улавливающими дисками; расстояние между сечениями потока, длина внутренней трубы Свойства жидкости. - динамическая вязкость жидкости; – плотность; – кинематический коэффициент вязкости. Сокращения. ПДК – предельно допустимая концентрация, СУ – система управления, ППД поддержание пластового давления, СОЖ – смазоно-охлаждающая жидкость, АЗЛК – автомобильный завод им. Ленинского комсомола, АвтоВАЗ – Волжский автомобильный завод, ОСМП – очиститель со сложной конфигурацией магнитного поля, пол – полезный, нас – насоса, г – гидравлический. 6 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Чистота используемых в технологическом процессе жидкостей имеет решающее значение для качества продукции, производительности оборудования, долговечности и надежности его работы, сокращения трудозатрат на обслуживание. Недопустимо большая крупность частиц загрязнений в жидкостях является причиной 80% аварий на промышленных предприятиях. Превышение крупности загрязнений в жидкости в 4 – 8 раз существенно снижает ресурс работы гидравлических систем. Более значительное отклонение уровня загрязнения от допустимых сокращает работоспособность гидравлических систем в 50 и более раз. В системах охлаждения и пылеподавления на предприятиях и непосредственно в оборудовании “забиваются” загрязнениями практически все форсунки как технологические, так и обеспечивающие безопасность труда. Кроме того, по некоторым данным, около 30% всех затрат энергии расходуется на предприятиях металлургического и топливно- энергетического комплекса на компенсацию излишних затрат связанных с ухудшением теплового отвода от работающего оборудования из-за оседания в нем механических примесей. Применяемые в промышленности очистители в связи с постоянно растущими требованиями к чистоте жидкостей, увеличивают затраты на обслуживание, которые растут по мере появления новых прогрессивных технологий, повышения требований к качеству выпускаемой продукции. Не менее сложные проблемы возникают с обеспечением населения и промышленности чистой питьевой и технической водой. При этом в некоторых случаях требования к охлаждающей воде гораздо выше и зачастую имеют более жесткие показатели, чем даже для питьевой воды [98, 15]. Отклонения здесь возможны в очень узком интервале [72, 12]. Более того, существуют научные и технические проекты, реализация которых сдерживается отсутствием экономически рациональных методов получения воды нужного качества. Даже находясь в районах, где достаточное количество воды, ни одно современное предприятие не в состоянии обойтись 7 без оборотного водоснабжения, поскольку использованная в технологическом процессе вода становится, как правило, непригодна для сброса в среду обитания без предварительной очистки. Существует три принципиально разных метода очистки жидкостей от механических примесей: механическая очистка, т.е. задержка частиц примесей с помощью пористых перегородок; очистка в силовых полях (магнитных, гравитационных, гидравлических, электростатических, центробежных) и гидродинамическая комбинированная, суть которой заключается в разделении механических примесей по крупности в зависимости от результирующей воздействия на частицы, вблизи механической перегородки, разнонаправленных силовых полей. Создание последнего метода связанно с работами Донбасского технического университета выполняемых с 70-х годов прошлого столетия. Поскольку источником сил, действующих на частицу, могут быть пневмогидравлические потоки и пондемоторные электромагнитные силы, в случае комплексного применения гидродинамических и электромагнитных полей для создания промышленного оборудования можно говорить об применении электрогидравлических технологий для разделения двухфазных жидкостей, или в более узком применении, для очистки жидкостей от механических примесей. В связи с этим задача совершенствования систем очистки жидкостей и разработка новых методов и устройств очистки, которой посвящена настоящая работа, является актуальной. Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа является частью научной программы Донбасского государственного технического университета (ДонГТУ), в частности Отраслевой лаборатории смазочных материалов и рабочих жидкостей Минуглепрома Украины при ДонГТУ, направленной на разработку средств и способов очистки рабочих жидкостей. Автор работы являлся ответственным исполнителем по госбюджетной работе ДР 0100U001278 “Розробка теорії автономної саморегенеруючої очистки з 8 використанням гідродинамічних процесів для розподілу двофазних рідин”с 1999 года по 2000 год и по госбюджетной работе ДР 0101U003565 “Збільшення ресурсу та зниження працевтрат на експлуатацію водогрійного обладнання за рахунок комплексної очистки подаваної води” с 2001 года по 2003 год. Целью работы – является повышение чистоты рабочих жидкостей, смазочных материалов, промышленных, бытовых и питьевых вод путем создания нового поколения очистителей с использованием гидроэлектрических технологий Задачами настоящей диссертационной работы является: 1. Разработать научно-методические основы для создания очистителей рабочих жидкостей насосов, использующих гидродинамический эффект очистки, в которых необходимо обосновать возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений на пондемоторную силу с целью упрощения конструкции и значительного повышения тонкости очистки. 2. На базе электромагнитным полученных очистителям научно-методических разработать разработок конструкции по указанных очиститителей и провести их апробацию в лабораторных и промышленных условиях. 3. Определить целесообразность и пути использования очистителей, работающих с использований гидроэлектрических технологий применительно к динамическим насосам, в том числе: разработать принципы расчета и конструирования очистителей перекачиваемой среды динамическими насосами, применение которых не окажет существенного влияния на рабочие характеристики указанных насосов, в частности на их всасывающую способность; - разработать конструктивные решения и методику инженерных расчетов очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкостей динамических насосов; 9 - осуществить поиск дополнительных путей защиты щелевых уплотнений динамических насосов путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. Объект исследования многофазной жидкости, – рабочий который процесс основан устройств на очистки использовании гидроэлектрических технологий. Предмет исследования – очистители многофазных жидкостей, состоящей из базовой фракции – непосредственно жидкости, и имеющей в ней ферромагнитных и (или) неферромагнитных частиц, которые рассматриваются как механические примеси. Методы исследований. Поставленные задачи исследования решались путем использования расчетно-аналитического метода, метода физического моделирования на стенде и на промышленных установках, метода численного моделирования на ЭВМ. Расчетно-аналитическая часть базировалась на использовании уравнений современных теорий турбомашин, механики жидкости и газа. Достоверность полученных использованием широко научных апробированных результатов и признанных подтверждено результатов прикладной гидроаэромеханики, а также результатов сравнения расчетных данных с экспериментальными данными. Экспериментально проверялись и корректировались заложенные параметры установок. Научная новизна полученных результатов диссертационной работы состоит в следующем: 1. Впервые разработаны научно-методические основы создания принципиально нового вида очистителей рабочих жидкостей насосов, использующих гидродинамический эффект очистки жидкости, в котором обоснована возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений на пондемоторную силу, что значительно упрощает конструкцию, существенно повышает 10 тонкость очистки, сохраняя при этом другие положительные свойства гидродинамических очистителей, в том числе: - разработана математическая модель течения двухфазной вязкой немагнитной неэлектропроводной жидкости, содержащей ферромагнитные частицы (загрязнения), при воздействии постоянного неоднородного магнитного поля в электромагнитном очистителе со сложной конфигурацией этого поля и электромагнитного поля в виде бегущей волны; - исследовано влияние параметров жидкости, ферромагнитных частиц и формы электромагнитного поля на течение жидкости в электромагнитном очистителе; - разработаны методы расчета движения ферромагнитных частиц в вязкой неэлектропроводной немагнитной жидкости под действием электромагнитного поля. 2. Впервые определены условия улавливания ферромагнитных частиц в электромагнитных очистителых показана целесообразность и доказана возможность переноса разработок теоретически обоснованных и практически реализованных технических устройств очистки жидкостей, применяемых в объемных насосах на динамические насосы. 3. Впервые разработанны входные очистители перекачиваемой среды, повышающие всасывающую способность динамических насосов; - впервые обоснованна целесообразность использования гидродинамических очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкостей динамических насосов; - дополнена теория рабочего процесса динамических насосов путем разработки способа защиты щелевых уплотнений динамических насосов на базе использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. Практическое значение полученных результатов, заключается в следующем: 11 1. Создан принципиально новый вид электромагнитных очистителей, не изменяющих уровень гидравлической энергии потока очищаемой жидкости и защищающих систему от ферромагнитных загрязнений. 2. Электромагнитные очистители доведены до практического применения и использования в Алчевском региональном производственном управлении ОКП «Компания «Лугансквода»». 3. Рекомендации по применению входных очистителей перекачиваемой среды при повышении всасывающей способности, а также встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкости динамических насосов внедрены на Сумском насосном заводе «Насосэнергомаш». 4. Наработанные рекомендации по развитию теории рабочих процессов динамических насосов внедрены в учебный процесс Донбасского государственного технического университета и при выполнении научных разработок Сумского государственного университета. Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В работах [114, 78, 3, 4] автором рассмотрены вопросы возникновения ферромагнитных загрязнений в различных жидких средах, а в [114, 78, 101, 76, 99, 109 , 110, 77, 58, 15, 29] рассмотрены различные виды фильтров, их устройства и принцип действия. В работах [76, 21, 74, 24, 25, 29, 91] автор изложил теорию работы фильтров с бегущим электромагнитным полем и в работах [98, 92, 115] были описаны эксперименты, которые и послужили основанием для подготовки диссертационной работы. Две постановочные работы [24, 20] опубликованы без соавторов. Постановка задачи, расчеты и экспериментальные исследования, анализ полученных результатов проведены автором работы совместно с научным руководителем. Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на 2 республиканской научно-технической конференции “Гидромеханика в инженерной практике” (Киев, 1997г.), 3 республиканской 12 научно-технической конференции “Гидромеханика в инженерной практике” (Киев, 1998г.), 5 республиканской научно-технической конференции “Гидромеханика в инженерной практике” (Киев, 2000г.), Международной научно-технической конференции “Проблемы создания новых машин и технологий” (Кременчук,2001г.), Международной конференции “Technika diagnostika stroju a vyrobnich zarizeni DIAGO-2003”(Ostrawa, 2003r.), 2 Международной конференции “Прогрессивная техника и технология” (Киев, 2004г.), в центре “Очистки промышленных жидкостей при иновационной фирме “Hert””(Краков,2005г.), регионального на технических производственного управления “Лугансквода”, 14 международной «Гидромеханика в международной научно-технической инженерной советах Алчевского ОКП “Компания научно-технической конференции практике» (Черновцы, конференции 2009 г.), 3 «ENERGIA-2009» (Симферополь – Люблин, 2009г.). Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 30 работ, из которых – 14 в журналах, утвержденные ВАК Украины, 6 статей в зарубежных журналах 7 патентов на изобретения (2 патента приняты в Польше), 2 – тезисы докладов на научных конференциях. Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, трех разделов, выводов, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертационной работы 158 страниц, в том числе 49 рисунка, 22 таблиц, приложения использованных источников из 120 наименований. на 5 листах, список 13 РАЗДЕЛ 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Влияние степени очистки жидкостей на характеристики гидравлических систем Как известно, гидродинамического гидродинамические типа, гидротрансформаторы) [40, центробежные, 41], машины турбины благодаря (насосы гидромуфты, своим бесспорным преимуществам, являются одними из важнейших агрегатов современной промышленности. Пропуская через себя огромные объемы жидкости их элементы непрерывно ощущают воздействие абразивных частиц, находящихся в этих жидкостях. Число этих частиц чрезвычайно велико. Не говоря уже о грунтовых и песковых насосах, предназначенных для перекачки жидкостей с многопроцентным содержанием твердых частиц, самые рядовые насосы подвергаются непрерывному изнашиванию при перекачке, например, воды в замкнутом контуре водоснабжения на металлургических заводах. На Мариупольском металлургическом комбинате им.Ильича прокатный стан 1700 потребляет 24 тыс.м3 в час воды, содержание твердых примесей в которых достигает 11%, ежечасно через насосы проходит 2,5 тонны абразивных материалов в час, т.е. около 60 тонн в сутки. Понятно, что долговечность этих насосов – одна из главных проблем производства. Что касается грунтовых насосов, то в некоторых случаях их межремонтный срок службы составляет 2÷2,5 месяца. Из-за необходимости их ремонта во всех рудоремонтных заводах угольных объединений по добыче угля (на Украине их 20) имеются участки по ремонту центробежных насосов. То же касается и других отраслей народного хозяйства. Рассматривая конструкцию гидродинамических машин можно отметить несколько наиболее «болевых точек». К ним в первую очередь 14 следует отнести щелевые уплотнения. Профессор В.А. Марцинковский указывает: «Износ щелевых уплотнений – основная причина сокращения межремонтных сроков многоступенчатых центробежных насосов, перекачивающих загрязненные абразивными частицами жидкости. К этим насосам относятся насосы шахтного водоотлива и насосы для закачки нефтепромысловых сточных вод и скважины с целью поддержания пластового давления. Обследования таких насосов показали, что больше всего изнашиваются уплотнения, расположенные в средней части ротора, где амплитуда вибраций максимальна. Эти результаты подтверждают связь процессов изнашивания с вибрациями ротора». [65] Там же указывается, что для питательных насосов, для которых предполагается подача предварительно очищенной воды, надежная система защиты от загрязнений также является наиболее актуальной задачей. «Для питательных насосов требуемое стандартами время наработки на отказ 6300 часов, ресурс до капитального ремонта 20000÷30000 часов». Чтобы обеспечить требуемые показатели надежности при работе насоса с малыми радиальными зазорами необходимо использовать материалы, стойкие против задирания при возможных контактах уплотняющих поверхностей и при попадании в зазор твердых частиц. Материалы уплотнений должны также обладать высокой коррозионной и эрозионной стойкостью. Снижение КПД из-за увеличения зазоров в уплотнениях рабочих колес – основная причина вывода насоса в капитальный ремонт». Таким образом, высокая загрязненность перекачиваемой жидкости, а из нее, как правило, поступает жидкость, протекающая через щелевые уплотнения, является не только причиной низкой надежности гидродинамических машин, но и снижения их производительности и увеличения энергозатрат. Еще одной «болевой точкой», связанной с наличием твердых частиц в жидкости, являются торцевые уплотнения, выполненные по принципу гидростатических опор, а также большинство типов разгрузочных устройств насосного и компрессорного оборудования, поскольку в том или ином виде в этих устройствах имеются дросселирующие зазоры, плавающие кольца, 15 рабочие режимы работы которых зависят от величины зазора, определяемого допустимой величиной изнашивающих частиц. Особенно важное значение кондиционирование (понимая под этим поддержание качества жидкости) имеет для насосов, перекачивающих перегретые, радиоактивные, токсические, взрывоопасные, легко воспламеняющиеся и подобные жидкости, выход жидкости которых из корпуса недопустим. В этом случае к концевым уплотнениям от внешнего источника подводится нейтральная запирающая (затворная) жидкость, давление которой на 0,5÷1,0 МПа превышает давление жидкости перед уплотнением. Запирающая жидкость перед подачей в уплотнение, как правило, охлаждается и очищается. Появляется сложный вспомогательный узел, который называется затворным концевым уплотнением [63]. Изменение размеров зазоров в импеллерах также напрямую зависят от степени абразивности и наличия в жидкости твердых включений. Разработке специальных насосов для перекачки многофазных жидкостей посвящена работа С.М. Яхненко [120]. Выпуск насосов для перекачивания жидкостей с посторонними включениями предприятиями Украины до 1993г. вообще не производился, а выпускаемые в настоящее время охватывают лишь небольшую часть требуемых для различных отраслей применения [37, 38]. Этим, несмотря на наличие на Украине более 80 промышленных предприятий, выпускающих динамические машины, и притом, что Украина является мировым центром выпуска этого оборудования, можно объяснить большое количество динамических машин закупаемых для отечественных нужд за рубежом. С учетом перечисленных выше факторов настоятельной задачей гидромашиностроения является создание устройств очистки перекачиваемой жидкости от механических примесей. Конечно, устройства эти должны быть надежными, простыми по конструкции, не требовать дополнительного технического обслуживания, срок службы их должен быть гарантированно выше срока службы основного оборудования. 16 В этих условиях, по нашему мнению, отпадает необходимость в создании большого количества специализированного оборудования, во много раз увеличивается надежность выпускаемых машин, снижется объем ремонтных работ и т.п. Поставленная задача может быть решена двумя путями: – очищать с высокой тонкостью очистки только жидкость, непосредственно проходящую через дроссельные зазоры как в торцевых опорах, в плавающих дисках и щелевых уплотнениях, и подающуюся во вспомогательные устройства (неполнопоточные очистители); – очищать всю перекачиваемую жидкость (полнопоточные очистители). В первом случае значительно повысится надежность и работоспособность самих динамических машин, понизятся энергозатраты на передачу жидкостей, а также трудозатраты на обслуживание этих машин. Во втором случае у динамических машин появится новое качество: повышение параметров самой перекачиваемой жидкости, подаваемой потребителю. Как правило, для последних снижение загрязненности получаемого продукта (жидкости) является важным техническим и экономическим фактором. В большинстве случаев полученная жидкость нуждается в последующей очистке. 1.2.Источники поступления загрязнений в гидравлическое оборудование, их классификация и уровни загрязненности Уровень загрязненности и природа частиц загрязнений, находящихся в жидкостях зависят от количества и интенсивности работы источников поступления загрязнений. Загрязнения, поступающие от разных источников в жидкость можно разделить на несколько классов: - атмосферная пыль – с различной интенсивностью попадает в жидкость на всех этапах ее существования: при изготовлении жидкости, в процессе ее транспортировки, хранения, заливки и эксплуатации. На 17 некоторых этапах, с помощью применения специальной тары и совершенных дыхательных устройств, поступление пыли может быть сведено к минимуму. Состав пыли может быть самым различным как в качественном, так и в количественном отношениях, и зависит, в основном, от местных условий. В связи с непрерывностью поступления пыли на всем пути следования жидкости до пункта применения, наиболее рациональным местом очистки жидкости от этого загрязнителя является точка заливки жидкости в пункте ее применения; - загрязнения, представляют образующиеся собой: остатки не при производстве прореагировавших жидкости, компонентов, отбеливающих глин и других типов наносных загрязнений; загустевшие частицы или частицы осадка, образующегося при химических процессах. К этим загрязнителям следует отнести и частицы песка, ила и другие частицы, которые содержатся в добываемых жидкостях, например, в воде или нефти. Отделение этих загрязнений наиболее рационально в местах приготовления или добычи жидкостей; - инкреторные загрязнения – это загрязнения, возникающие в жидкостях в процессе их хранения, транспортировки и эксплуатации и обусловленные процессами старения, окисления жидкостей с образованием, например, смол, асфальтенов, полимеризовавшихся продуктов и т.д. Отделение этих загрязнений должно происходить при заливке жидкостей в агрегаты или машины [79]; - загрязнения, попадающие в жидкость от оборудования. Обычно это притирочные пасты, стружка, остатки ветоши и другие заводские загрязнения, остающиеся в полостях гидравлических и других агрегатов после их изготовления. Наиболее рационально их удаление на заводах – изготовителях с помощью операций технологической промывки [78]. К этому же классу загрязнений можно отнести все виды частиц, попадающих в промывочные отмывании жидкости или смазочно-охлаждающие жидкости, при полостей цистерн и других емкостей или при омывании 18 обрабатываемых деталей. В последнем случае уровень загрязненности может быть довольно высоким; - загрязнения, являющиеся продуктами изнашивания в процессе приработки деталей, узлов или машин. Целесообразнее всего удалять в процессе приработки на специальных приработочных стендах и выполнять лучше всего это в заводских условиях; - продукты изнашивания, получаемые в процессе эксплуатации. Кроме конструктивных и нагрузочных факторов, в большей мере на интенсивность образования этих видов загрязнений влияет чистота используемой жидкости и эффективность действия устройств для очистки жидкостей. При достижении определенной концентрации загрязнений в жидкости может наступить лавинообразное изнашивание деталей, при котором наблюдается интенсивное накопление продуктов изнашивания. Отделение продуктов изнашивания производится с помощью устройств очистки, встраиваемых в оборудование, а при недостаточной эффективности этих устройств необходимо применение промышленных систем, позволяющих осуществлять эту операцию без демонтажа оборудования в условиях эксплуатации. В процессе работы машин происходит изменение гранулометрического состава загрязнений. Это связанно с постоянным энергетическим воздействием на частицы, поэтому количество и доля мелких частиц постоянно увеличивается. Необходимо отметить особый состав отработанных жидкостей, так как они характеризуются не только высокой концентрацией загрязнений, но и высоким содержанием мелкодисперсной фазы, представляющей особые трудности для улавливания очистителями, а также значительным содержанием продуктов разложения, окисления и полимеризации компонентов жидкостей. Большое количество источников поступления загрязнений и недостаточность существующих мер защиты от них являются причиной довольно высокого фактического содержания механических примесей в жидкостях. Например, в литературе отмечают, что максимальное количество загрязнений в моторных маслах составляет 0,123%, в северной 19 климатической зоне 0,13%, в средней климатической зоне 0,145%, в южной может достигать 0,92% в зависимости от состояния оборудования [50]. Высокий уровень горнодобывающем загрязненности оборудовании, жидкостей, обусловлено применяемых большим в уровнем запыленности, характерным для добывающих производств. Значительное накопление частиц загрязнений отмечается уже в процессе транспортировки “свежей” жидкости к агрегату. По результатам исследований в масляной ванне уже в начале эксплуатации появляются частицы породы и угля размером до 200 мкм [68]. На складах Минуглепрома Украины концентрация механических примесей находится в пределах 0,012-0,022%, что соответствует аналогичным данным по другим отраслям промышленности. На складах рудоремонтных заводов содержание механических примесей в рабочих жидкостях доходит до 0,045%, на складах заводов-изготовителей гидравлических горных машин – 0,015-0,035%. Крупность частиц в рабочих жидкостях, хранящихся на заводах-изготовителях, рудоремонтных заводах, угольных шахтах и других аналогичных предприятий достигает 75 мкм. Эти рабочие жидкости можно отнести к 12 - 17 классу чистоты по ГОСТ 1721671. На участковых складах содержание механических примесей в жидкостях для гидросистем достигает 0,06%, а в момент заливки в машину составляет уже 0,122%. Повышенные утечки в горном оборудовании и связанные с ними доливки являются причиной быстрого накопления загрязнений в ваннах гидравлических систем. Исследования состояния рабочих жидкостей в гидравлических системах комбайнов РКУ показали весьма высокое содержание механических примесей как в рабочих, так и в смазывающих жидкостях [112]. К числу жидкостей, отличающихся механических примесей, относятся повышенным содержанием также смазывающе-охлаждающие жидкости машиностроительного оборудования в связи с постоянным поступлением стружки, притирочных паст и пыли. Содержание 20 механических примесей в таких жидкостях превышает 1%, а крупность частиц зависит от способа обработки и материала деталей. Поэтому требования к устройствам для очистки жидкостей в большой мере зависят не только от требований, предъявляемых к используемым жидкостям, но от фактического загрязнения этих жидкостей. 1.3. Требования к чистоте жидкостей используемых в гидромашинах Требования к чистоте жидкостей связывают обычно с механизмом воздействия частиц загрязнений на жидкость, оборудование, или влиянием их на эффективность процессов, протекающих в жидкости или функции, выполняемые жидкостью. Например, в системах объемного гидропривода допустимая величина частиц связывается с величиной зазоров в парах трения. Считается, что частицы, соизмеримые с зазором, являются причиной абразивного износа или заклинивания пар трения, а частицы меньшего размера свободно проходят сквозь зазор, не принося никакого вреда. В связи с этим, по рекомендациям ВНИИГидропривода допустимая величина частиц загрязнений прямо связана с размерами зазоров в гидроагрегатах [73]. Опыт эксплуатации гидросистем показал однако, что износ осуществляется частицами, много меньшими, чем размер щели [102, 90]. Эксперименты показали, что для безотказной работы золотников с зазором 7-13 мкм необходима очистка от частиц размером до 3 мкм, для плунжерных пар с зазорами 15-34 мкм гидроустройств автомобилей-самосвалов, морских и речных судов нормируется очистка до 15÷20 мкм [72]. Необходимость удаления частиц меньших размеров, чем зазоры отмечают и зарубежные источники [1]. На практике техническая и экономическая нереализуемость указанных требований заставляет ограничиваться очисткой от более грубых 21 частиц и дифференцировать требования к чистоте в зависимости от условий эксплуатации гидроузлов. Многие исследователи связывают допустимый уровень загрязненности с давлением жидкости в гидросистеме. В [9] приведены требования одной из зарубежных фирм к чистоте рабочей жидкости в гидросистемах станков: при рабочем давлении 1,3 МПа жидкость должна быть очищена от частиц размером более 80 мкм, при 5 МПа – свыше 60 мкм, при 12,5 МПа – свыше 40 мкм, при 20 МПа – свыше 25 мкм, при 30 МПа – свыше 15 мкм. Другая фирма требует примерно такой же степени очистки: до 10 МПа – 60 мкм, при 10-14 МПа – 30 мкм, свыше 44 МПа из жидкости должны быть удалены частицы более 10 мкм. Подобные требования были определены и в бывшем Советском Союзе. В зависимости от конкретных условий работы требования к тонкости фильтрации дифференцируются: до 6,3 МПа – 63-80 мкм, до 16 МПа – 25 мкм. По рекомендациям ВНИИ Гидропривода: 2,5-6,3 МПа – 15-30 мкм, до 20 МПа – 10-25 мкм [73]. Для гидравлических систем металлорежущих станков: до 1,3 МПа – 80 мкм, до 12,5 МПа – 40 мкм, до 35 МПа – 15 мкм [52]. В последнем случае автор одновременно отмечает, что для всех систем с давлениями свыше 14 МПа наиболее эффективным является удаление механических примесей свыше 10 мкм. Чистота жидкостей на Украине регламентируется ГОСТ 16217, где с переходом на каждый последующий класс количество частиц во всех размерных диапазона удваивается [102]. Известно, что затраты на фильтрование удваиваются, а в некоторых случаях увеличиваются до 5 раз при переходе к каждому последующему классу чистоты. Это является одной из причин поиска оптимальных требований к чистоте рабочих жидкостей, причем оптимальность эта зависит от условий применения гидравлической системы, требований надежности и безопасности с одной стороны, и характеристиками существующих систем очистки с другой. В зависимости от места установки фильтра рекомендуется также дифференцировать тонкость очистки: для заливных фильтров - 100-200 мкм, 22 воздушных – 5-40, сливных – 15-100 мкм, на всасывающих магистралях 63200 мкм, в системах низкого давления 25-63 мкм, высокого 5-20 мкм. В случае использования подпиточных насосов низкого давления для питания дорогостоящих регулируемых насосов поток от насосов низкого давления к основному следует очистить до 10-20 мкм. Однако наилучшие результаты в увеличении долговечности всех элементов гидравлических систем, а также снижении простоев и затрат по обслуживанию машин, оснащенных гидроприводом, дает установка очистителей с абсолютной тонкостью фильтрования в пределах 3-10 мкм. С учетом проблемы грязеемкости и частоты замены фильтроэлементов рекомендуется постоянное фильтрование рабочей жидкости с тонкостью не хуже 25 мкм и лишь для электрогидравлических следящих систем управления – 2-5 мкм. При этом тонкость фильтрования заливочными фильтрами вновь поступающих, т.е. довольно грязных жидкостей, рекомендуется производить на уровне 100-200 мкм. Последняя рекомендация нам представляется особо малообоснованной, поскольку, наряду с ухудшением работы гидроузлов, будет иметь место резкое снижение ресурса рекомендуемых 25 мкм фильтров. Необходимо также стремиться устанавливать фильтры на всасывающих линиях насосов. Фильтры на всасывании обеспечивают защиту всех узлов гидропривода, а также исключают поломки при небрежной эксплуатации из-за случайного попадания в маслобак посторонних предметов и загрязнений. К сожалению, применяемые приемные фильтры, представляющие собой обычные пористые перегородки, обладают характерным для этого типа фильтров недостатком малой грязеемкостью. В этих условиях, с целью избежания возникновения вакуума на всасывании насоса и, как следствие, кавитации, автором рекомендована довольно грубая характеристика приемного фильтра 63-200 мкм [52]. Компромиссом между этими противоречиями является рекомендация об установке однотипных параллельных фильтров по ветвистой схеме и оборудование их сигнализаторами и байпасными клапанами. Таким образом, автор считает рациональным усложнение конструкции, несмотря на снижение при этом ее надежности, для 23 достижения цели очистки жидкости именно на всасывающей магистрали [52]. Часто предъявляются требования только к процентному содержанию механических примесей в жидкости. Это вызвано несоответствием между высоким уровнем загрязненности жидкости и грязеемкостью существующих средств очистки. Поэтому, к чистоте жидкости выдвигаются явно заниженные требования. Так, по ГОСТ 21046-75 на отработанные нефтепродукты, допустимое содержание механических примесей установлено на уровне 2%. Содержание механических примесей в отходах целлюлозно-бумажного производства за рубежом устанавливается на уровне 0,3%, в тоже время в бывшем СССР этот показатель был заметно выше [93]. Низкая грязеемкость существующих фильтров оказывает также влияние на существующие рекомендации по степени очистки жидкости в сторону ее ухудшения практически во всех отраслях промышленности. Например, отмечая особую важность тонкой очистки рабочих жидкостей авиационных гидросистем, рекомендуется устанавливать на всасывающих магистралях фильтры грубой очистки с тонкостью фильтрации до 100 мкм [11]. При этом учитывают, что наибольший износ зубчатых колес редукторов и изнашивание шлицевых соединений наблюдается при размере абразивных частиц загрязнений от 15 до 35 мкм [12]. Однако предлагаемые требования к чистоте смазочных масел значительно ниже этого показателя. Фактически состояние рассмотренных жидкостей, например, в угольной промышленности, еще хуже [97]. Среди различных методов очистки деталей, узлов, агрегатов и систем во время эксплуатации наиболее эффективными являются методы очистки в жидкой среде или с использованием движущейся моющей жидкости [12, 95, 108]. Во внутренних полостях, собранных на заводах гидроагрегатов и гидросистем, содержится большое количество технологических загрязнений, представляющих собой волокна ветоши, остатки притирочных паст, стружку, частицы краски, атмосферную пыль и т.д. По рекомендациям зарубежных специалистов гидросистема, где планируется использование в эксплуатации 24 фильтра с тонкостью очистки 10 мкм, должна быть отмыта с помощью фильтра с тонкостью очистки 3 мкм [106]. Такого же класса жидкость должна быть в нее заправлена, при этом фильтры тонкой очистки предполагается защищать более грубыми (10-25 мкм) фильтрами с целью повышения ресурса рабочих фильтров с тонкостью очистки 3 мкм. Таким образом, проблема повышения тонкости очистки эффективно действующими фильтрами и, одновременно, их грязеемкости, остается актуальной. При подготовке воды для коммунального и промышленного снабжения в подавляющем большинстве случаев используются зернистые фильтры, основным элементом которых является фильтрующая загрузка. Объем водоснабжения неуклонно возрастает и, одновременно ужесточаются требования к качеству очистки. При этом, при обработке воды с предварительной очисткой до 20-40 мкм фильтроцикл зернистых фильтров возрастает в три раза [55]. Это происходит в условиях истощения освоенных региональных месторождений кварцевого песка [7]. В связи с этим в стране возрастает также острота проблемы изыскания эффективных и промышленно допустимых фильтрующих материалов, эффективных методов их регенерации и защиты. Таким образом, существующие требования к фильтрующим устройствам для очистки жидкостей являются заниженными по причине недостатков существующих систем очистки. Выходом из создавшегося положения является создание более совершенных и грязеемких систем очистки. Решать данную задачу целесообразно исходя из представления о наличии, с учетом перспективы создания таких систем, двух диапазонов требований к чистоте жидкостей в пределах всей промышленности, а следовательно, очистных устройств, в которых ощущается острая необходимость: - устройства, обеспечивающие чистоту жидкостей в пределах 10-30 мкм, предназначенные для прямого обслуживания жидкостей и машин, или для защиты фильтров тонкой очистки с тонкостью фильтрации выше 10 мкм; - устройства, обеспечивающие тонкость фильтрации выше 10 мкм. 25 Уже указывалось, что определение механических примесей от жидкости может проходить либо механическим образом с помощью пористых перегородок (в этом случае прогресс называется «фильтрованием») либо с помощью слоя мелкого материала (песок, гравий, щебень, активированный уголь и др.). В последнем случае процесс называется фильтрацией. Уствойства, обеспечивающие механическое отделение загрязненных частиц, называются фильтрами. С этой точки зрения выражение «центробежный фильтр», «магнитный фильтр» и другие, где отсутствует механическая очистка, являются, строго говоря, некорректными, и лучше, по-нашему мнению, употреблять обобщающее слово «очиститель». Именно такой терминологии мы пытались придерживаться в настоящей работе. 1.4. Методы и устройства очистки жидкостей Проблема достижения высокой степени очистки жидкостей принципиально решена промышленностью постсоветских стран, в том числе Украины. В настоящее время выпускаются механические фильтры тонкой очистки, позволяющие достичь тонкости фильтрации в 5,2 и даже 0,5 мкм. Аналогично зарубежные фирмы “Отамотив продактс”, “Бритиш фильтерс” (Великобритания) выпускают фильтрующие элементы (бумажные, войлочные и сетчатые) с тонкостью фильтрования 2,5, 10 и 25 мкм. Для очистки масла в переносных агрегатах фирма “Филтерпак” (Великобритания) выпускает фильтры тонкостью очистки 0,5-10 мкм. Насос в переносном агрегате оборудуется предохранительным фильтром. Аналогичные устройства производятся фирмами “Фэйри” (Нидерланды), “Фосетт”, “Амцель Лим”, “Милипор” (США), “Сеатфил” (Италия) и другие. В выпускаемых фильтрах последующей регенерации поддаются только сетчатые фильтроэлементы, имеющие тонкость очистки не выше 25 мкм, а войлочные и бумажные не регенерируются. Регенерация осуществляется 26 ультразвуком и промывкой в растворителях, т.е. предполагается наличие дополнительного персонала, оборудования, повышение трудозатрат, энергозатрат и расхода моющих средств. В случае применения оборотной схемы промывки, моющие растворы нуждаются в тонкой очистке для повторного их использования. Фильтроэлементы с тонкостью фильтрования выше (15÷25) мкм выпускаются только одноразового использования, при этом следует учесть, что для изготовления фильтроэлементов с высокой тонкостью фильтрования применяются специальные технологии и материалы. Для увеличения прочности бумаги она армируется сеткой, пропитывается специальным составом, между гофрами размещают нейлоновые или даже металлические нити. Фильтроэлементы изготавливают также из органических волокон, армированных с обеих сторон полипропиленовой сеткой. Фирма “Амцель Лим” производит фильтрующие элементы “Гит-рекс” из плавленых полипропиленовых волокон с увеличивающейся плотностью по толщине. В паспорте указывается, что такие фильтроэлементы обладают стойкостью к повышенным перепадам давления. Однако, специалисты фирмы при установлении рабочих параметров фильтра отдают предпочтение увеличению поверхности фильтрования, вместе с тем массы и габаритных размеров фильтра перед повышением, перепада давления. Фирмы “Миллипор” и “Cеатфил” применяют для изготовления пористых перегородок волокна из смешенных эфиров ацетилцеллюлозы, нитрата целлюлозы, полиэфирные, поливинилхрорида, полипропиленовые, фторопласта, поливинилдепрофторидные нейлона, (ПВДФ). Некоторые фирмы (Паркер Ханнифин, Филлип Илька) для достижения требуемых эффектов при изготовлении фильтроэлементов применяют сложные многослойные материалы. Результатом этих новых технологий является достижение высокой тонкости фильтрации, однако, это происходит за счет неизбежного ухудшения других характеристик. Уменьшение размеров пор фильтрующих перегородок является основным способом повышения тонкости фильтрации механических фильтров, но при этом 27 проявляется ряд других характерных недостатков. К их числу относится неизменный рост перепада давлений с уменьшением размеров пор, что предъявляет повышенные требования к стойкости элементов против разрушения и снижает возможность применения таких элементов на всасывающих магистралях. Отмечается наличие потерь до 3% легирующих присадок при использовании фильтров тонкой очистки [82]. Наиболее серьезным недостатком является низкая грязеемкость механических фильтров тонкой очистки. Это не позволяет обеспечить безостановочную работу в течение межремонтного срока. Известно, что по мере снижения максимального размера пропускаемой фильтром частицы, общая площадь очищающей поверхности при сохранения площади ячеек растет в квадратичной зависимости и еще быстрее снижается срок службы элемента [106,82]. Пропорционально второй степени растут затраты на обеспечение чистоты жидкости [52, 106]. Опыт эксплуатации механизмов подачи комбайнов и гидравлических лебедок с аксиально-поршневыми гидроузлами показал, что для поддержания требуемой чистоты жидкости необходимо в течение межремонтного срока заменить на одном фильтре более 100 фильтроэлементов. Испытания комбайнов РКУ-13 и РКУ-10 на шахте №3 “Великомостовская” объединения Укрзападуголь показали непригодность фильтров тонкой очистки “Реготмас” 600-1-019 при применении их в системах с особо загрязненными жидкостями. Осмотр фильтроэлементов после их работы в течение 20 минут показал, что фильтрующая поверхность покрыта слоем грязи, и в местах изгиба гофров отчетливо видны образовавшиеся отверстия диаметром (1÷3) мм [112]. Засорение фильтроэлемента с более высокой прочностью приводит к открытию переливного клапана фильтра, в систему поступает загрязненная жидкость, что приводит к быстрому износу гидросистем. По данным ВВС Великобритании, где чистоте рабочих жидкостей уделяется большое внимание, 80% всего времени жидкость поступает в систему через байпасные клапаны фильтра [1]. 28 Совокупность недостатков, присущих механической очистке жидкостей, определяют область применения этих фильтров – это специально подготовленные жидкости и системы, изолированные от внешнего влияния, благодаря чему фильтрам необходимо улавливать только продукты изнашивания. При этом подготовка системы заключается в: -технологической промывке деталей и систем в целом; -заливке жидкости, очищенной до тонкости, превышающей тонкость очистки фильтра, находящегося в системе; -установке надежных уплотнений и дыхательных устройств. Эксперименты, проведенные специалистами SEA, показали, что при очистке гидросистемы карьерных экскаваторов с помощью 3 мкм фильтров с последующей установкой 10 мкм фильтров срок службы 10 мкм фильтров увеличился в 10 раз [106]. Высокая степень загрязненности окружающей среды, отсутствие надежных способов герметизации емкостей для рабочих жидкостей и в тоже время высокие требования к чистоте рабочих жидкостей, особенно при высоких рабочих давлениях в системах, потребовала поиска принципиально новых путей очистки рабочих жидкостей от механических примесей. Суть предложенной проф. Финкельштейном З.Л. гидродинамической очистки заключается в создании относительного движения фильтрующей поверхности и частицы в направлении, перпендикулярном направлению потока жидкости через ячейки в фильтрующем элементе (рис.1.1) [114]. Рис.1.1. Схема гидродинамической очистки. 29 При определенных соотношениях величины поперечной и продольной составляющих относительной скорости частицы и фильтрующей поверхности достигается очистка жидкости от частиц механических примесей значительно меньших, чем размеры ячеек в свету. Исключается засорение этих ячеек крупными частицами, а, следовательно, обеспечиваются меньший перепад давлений на фильтрующем элементе, неизменность параметров при очистке в эксплуатации и непрерывная самогенерация. Схематично, все конструктивные варианты реализации гидродинамической очистки можно представить в виде фильтра с неподвижным фильтроэлементом, с вращающимся фильтоэлементом и с колеблющимся фильтроэлементом. В первом случае (рис.1.2) разделение частиц по крупности перед ячейками осуществляется за счет потока вдоль фильтроэлемента, что требует сброса части жидкости из системы (неполнопоточные фильтры). Загрязненная жидкость расходом Q поступает через отверстие А; часть жидкости Q1 проходит через фильтроэлементы В, очищается и через отверстие С поступает в гидравлическую систему, остаток жидкости Q2 сливается через отверстие D и через регулируемый дроссель Е, позволяющий изменить соотношение между очищенным потоком, и потоком обогащенным крупными частицами из загрязненной жидкости, и сбрасываемым через дроссельное отверстие в емкость. Рис.1.2. Схема фильтра гидродинамического с неподвижным фильтроэлементом. 30 Продольная скорость поддерживается постоянной за счет уменьшения зазора между корпусом G и фильтроэлементом В по длине L. Во втором случае (рис.1.3) продольный поток вдоль фильтроэлемента осуществляется его вращением (полнопоточные фильтры). Рис.1.3. Схема фильтра гидродинамического с вращающимся фильтроэлементом. Загрязненная жидкость поступает через отверстие 5 в корпус 1, в котором на подшипниках 2 и 3 вращается фильтроэлемент 4, очищается и поступает в гидравлическую систему по полому валу 6. Отфильтрованные частицы коагулируют и под действие седиментации или с помощью электростатических пластин 7 осаждаются в бункере и периодически удаляются через вентиль 8. В третьем случае продольный поток жидкости вдоль фильтроэлемента осуществляется за счет его возвратно-поступательного движения, что позволяет ускорить седиментацию крупных частиц в сторону собирающих их бункера. На рис.1.4 показана схема одного их таких фильтров для взрывоопасных жидкостей, не допускающих контакта с воздухом. 31 Рис.1.4. Схема фильтра гидродинамического с колеблющимся фильтроэлементом. Неочищенная жидкость подается через патрубки 2 в корпусе 1, очищается фильтроэлементом, а фильтрат выводится через патрубок 3. В процессе работы камера 5 через штуцер 9 поочередно соединяется то с магистралью сжатого воздуха, то с атмосферой, придавая фильтроэлементу закрепленному на гибких диафрагмах 7 и 8, колебательное движение. Каждая из указанных выше принципиальных схем имеет свои преимущества и области применения. Разработанна теория гидродинамической очистки для фильтров с неподвижным, вращающимся и колеблющимся фильтроэлементом [102, 96]. Если для неподвижного фильтроэлемента вектор скорости частицы, двигающейся в направлении фильтрующей поверхности, можно рассматривать как векторную сумму скоростей потоков через большое число отверстий в фильтроэлементе и скорости продольного потока, также зависящего от положения частицы в пространстве, то для вращающего фильтроэлемента учитывается дополнительный эффект, возникающий за 32 счет отбрасывания частиц центробежными силами, а для колеблющегося фильтрующего элемента учитывается неравномерность скорости продольного потока, инерционность частиц и необходимость оптимизации движения частиц по направлению к бункеру. При решении задач по определению очистительной способности гидродинамических решения фильтров дифференциальных использовался уравнений в математический частных аппарат производных в координатах сплющенного эллипсоида, решения уравнения Навье-Стокса для определения устойчивости пограничного слоя вдоль фильтрующего элемента при наличии отсасывающей поверхности [47, 48]. Понятно, что движение частиц вдоль и поперек поверхности, разделяющих их по крупности может быть под действием не только полей, перепада давления, но (и) магнитных, электрических и других полей. В случае их совместных действий (комбинаций) уместно говорить об использовании электрогидравлических технологий. Развитие теории и практики гидравлической очистки было выполнено в трудах док. техн. наук В.П.Коваленко, И.Н.Кучина, канд.техн.наук М.А. Ямковой, Аль-Хавальдах Абдалла Сулейман, А.И.Четверикова, Е.А.Полякова, Е.В.Мочалина, А.А.Бревнова, и других [6, 27, 118]. На протяжении 40 лет гидродинамические фильтры нашли применение в горной, автомобильной, электротехнической, металлургической, машиностроительной, авиационной, нефтедобывающей, автодорожной, химической и других отраслях промышленности. Как правило, при этом использовались фильтры небольшой производительности (до 300 л/мин.) на давление до 40 МПа. Новый подход к созданию фильтров потребовался при разработке и изготовлении очистителей сверхвысокой пропускной способности. Традиционная схема фильтрования, при которой поток двигался вдоль образующей цилиндрического фильтроэлемента и сбрасывал в торце этого фильтроэлемента крупные частицы, требовала создания громоздких аппаратов с весьма малыми зазорами между корпусом и фильтроэлементом. 33 На рис.1.5 изображена схема фильтра с поперечным движением смывающего потока. 5 Вход 1 2 4 3 Выход Слив (возврат) 7 6 Рис.1.5.Фильтр с поперечным движением смывающего потока. Загрязненная жидкость поступает в приемный патрубок 2, затем движется в сужающемся зазоре между эксцентрично расположенными фильтроэлементом 1 и корпусом 6 и выходит через патрубок 4 и дроссель 7 на слив. Большая часть жидкости (85-90)% очищается и поступает в систему, схема которой изображена на рис.1.6. В настоящее время гидродинамические фильтры сверхвысокой производительности выпускают на расходы от 40 м3/час до 6000 м3/час на давление в системе до 3 МПа, при загрязненности очищаемой жидкости до 11г/дм3 и наличии отдельных крупных частиц до 70 мм. Эти фильтры широко применяются в первую очередь для очистки сточных вод, а также в системах оборотного водоснабжения на промышленных предприятиях. . 34 Байпас Задвижка на входе Задвижка на выходе 100% 80-85% Расходомер Расходомер 15-20% Задвижка смыве на Рис.1.6. Схема включения гидродинамических фильтров. Проданы лицензии на изготовление подобных фильтров в России и Польше. Но, несмотря на удовлетворительную работу этих очистителей, их общий недостаток состоит в том, что они очищают жидкость, которая подается на них от динамических насосов. Иными словами, защищая от загрязнений гидроузлы находящиеся под давлением или в линии слива. Сам же агрегат, генерирующий гидравлическую энергию, остается беззащитным. В работах канд. техн. наук С.М.Яхненко показано, что проблема предварительной очистки загрязненной жидкости от механических примесей является наиболее значимой для гидродинамических шламовых и грунтовых насосов, хотя имеются ряд устройств, в том числе и автора этой диссертационной работы, предохраняющих систему от попадания чрезвычайно крупных частиц, размер которых превышает проходное сечение в корпусе насоса [76, 120]. Защита от мелких частиц, определяющих возможность, во первых, забивания выходных патрубков, во-вторых, прогрессивного абразивного изнашивания щелевых уплотнений, в-третьих, увеличения перепада давления на динамической машине и снижения производительности. Поэтому одна из главных задач насосостроения – защита гидродинамических насосов от мелких механических примесей. В первой части этого раздела отмечалось, что более 65% загрязнений составляют ферромагнитные. Эти загрязнения оказывают существенное, а 35 иногда и решающее влияние не только на качество продукции, но на ход технологического процесса, понижая потенциальный уровень производства, уменьшая надежность оборудования и увеличивая трудозатраты [88, 45]. Существующие способы очистки рабочих и охлаждающих жидкостей от ферромагнитных загрязнений или весьма сложны по конструкции, или требуют остановки машины для замены очищающих элементов, Особенные трудности возникают при очистки сильно загрязненных жидкостей. Одним из главных требований к очистителям является обеспечение грязеемкости очистителя при требуемой чистоте рабочей жидкости. Решение этой проблемы связывается с очисткой жидкости в силовых полях – электростатическом, центробежном или магнитном [114, 78, 76, 99, 109, 110, 77, 52, 32, 33, 113]. Очистка в электростатическом поле ограничивается жидкостями, не проводящими электрический ток, невозможностью использования во взрывоопасных средах и необходимостью создания высокой разности потенциалов. Определенные трудности вызывает отсутствие инженерной методики расчетов электростатических очистителей в связи с трудностью определения зарядов частиц. Центрифуги имеют ряд преимуществ перед механическими фильтрами, но по сравнению с другими очистителями они сложнее по конструкции, более трудоемки при изготовлении и наладке. Они имеют значительно большую массу и габаритные размеры, требуют сравнительно больших энергетических затрат, сложный привод для получения скоростей вращения больше 500 рад/с. Существуют большие сложности при очистке центрифуг. Для получения качественной очистки необходимо жидкость многократно пропускать через центрифугу. Поэтому в большинстве случаев применяют механические фильтры [77, 36, 108]. Для очистки от ферромагнитных загрязнений применяют магнитную очистку. Конструкция магнитных очистителей определяется эксплуатационными факторами: производительность, размер трубопровода, плотность и температура жидкости, давление и крупность ферромагнитных 36 загрязнений. По конструктивным особенностям эти устройства разделяются на 2 группы: ловушки и фильтры. В ловушках процесс улавливания происходит при прохождении жидкости через рабочее межполюсное пространство, а магнитные тела удерживаются непосредственно на элементах магнитной системы. В фильтрах сепарируемая жидкость проходит через рабочую область магнитного поля, заполненную фильтрующим магнитным наполнителем (например, в виде дисков или шаров), на котором и осаждаются магнитные включения. Магнитное поле в этих устройствах создается постоянными магнитами или электромагнитами. Применение постоянных магнитов обеспечивает следующие преимущества: отсутствие необходимости электроснабжения, устойчивость к влиянию атмосферных условий, безопасность воспламеняющихся при средах, использовании экономичность. во взрывоопасных Применяются магниты при легких и средних режимах нагрузки и постоянные (небольшие расходы жидкости, малая концентрация ферромагнитных загрязнений). Недостатки – малый радиус действия, малая грязеемкость и трудность при очистке устройств от извлеченных магнитных тел [114, 78, 4, 101, 76, 99, 109, 77, 13, 113, 95, 36, 108, 49, 94]. Очистители с электромагнитным возбуждением применяются в более сложных условиях, когда в рабочих зонах необходимо создавать магнитные поля большой напряженности. Достоинствами таких очистителей является также возможность регулирования рабочей напряженности магнитного поля применительно к условиям эксплуатации и отключения электромагнитного поля, что упрощает регенерацию устройств. Основной недостаток – необходимость в надежном источнике этого поля. Очистители с электромагнитным возбуждением магнитного поля принято называть электромагнитными очистителями или сепараторами [13, 50, 94, 56, 104]. Основой этих конструкций является цилиндрический корпус, снаружи которого размещена электромагнитная система, а внутри цилиндра расположена улавливающая система (ферромагнитная насадка) [49, 94, 56]. Такие очистители работают при низких скоростях жидкости, грязеемкость их 37 большая, но затруднена регенерация. В конструкции электромагнитного очистителя из [49] имеется скребковое устройство, которое смонтировано в центральном канале очистителя. Этот тип очистителя работоспособен при малых расходах жидкости и имеет небольшую грязеемкость. Для работы при малых расходах жидкости предназначен и очиститель из [94]. Его отличительная особенность – использование неоднородного магнитного поля внутри очистителя. Эффективность работы очистителей определяется извлекающими усилиями, которые они могут создать, и зависит от градиента магнитного поля. Для повышения градиентов магнитного поля предложено много конструкций описанных в [32, 36, 56, 104]. Например, в очистителе описанном в [56], внутренняя насадка выполнена в виде зигзагообразных ферромагнитных перфорированных пластин. Система улавливания в очистителях описанных в [32, 94] выполнена в виде шаров. Такие очистители имеют малую пропускную способность и грязеемкость. Открытым остается вопрос разработки новых видов очистителей, которые могут обеспечить высокую степень очистки жидкости при значительных ее расходах и грязеемкости. Решением задачи очистки жидкостей от механических примесей с наличием хотя бы 35% мелкодисперсионных ферромагнитных частиц явилось создание и исследование электромагнитных очистителей со сложной конфигурацией магнитного поля [118]. В этом очистителе учитывались не только силы электромагнитного взаимодействия, но и силы, определяемые механикой жидкостей, т.е. влияние стоксовых сил, сил взаимодействия частиц с потоком. Вместе с тем при расчете не учитывались силы инерции, не учитывалось изменение гидродинамических сил при их приближении к твердым стенкам. Кроме того, этому очистителю был присущ общий недостаток – необходимость регенерации, т.е. очистка его от уловленных механических примесей. 38 Изложенное выше позволяет отметить, что загрязненность жидкостей, эксплуатируемых в различных отраслях промышленности, превышает допустимые нормы иногда в несколько раз. При этом требования к чистоте жидкостей являются заниженными, что вызвано несоответствием характеристик имеющихся очистных устройств, в первую очередь по грязеемкости и связанным с ней перепадом давлений, с реальной загрязненностью и динамикой поступления загрязнений. Сравнивая совокупность областей применения существующих средств очистки жидкостей с потребностями различных отраслей промышленности, учитывая разнообразие условий эксплуатации и факторов воздействий среды, с одной стороны, и принимая во внимание требования к чистоте рабочих жидкостей, с другой стороны, следует отметить, что в пределах всего промышленного комплекса страны существует потребность в классе очистителей, обладающих следующими характеристиками: сбор осадка в неподвижном бункере; способность к приемке крупных частиц; тонкость очистки (10÷30) мкм; конструктивная возможность к увеличению производительности; отсутствие воздействия на присадки и конгломераты молекул жирных кислот; применение привода в пределах промышленных оборотов или частот; возможность применения в напорных магистралях; эффективность применения на всасывающих магистралях; эффективность очистки жидкости за один проход; эффективность очистки жидкости в первоначальный момент времени. Область применения таких очистителей: очистка быстро загустевающих и других, не допускающих разгерметизации и контакта с воздухом, жидкостей; очистка жидкостей, работающих в условиях высокой интенсивности поступления загрязнений. К последним относятся: жидкости, работающие в условиях сильной запыленности; смазочно-охлаждаемые жидкости (СОЖ) металлообрабатывающего оборудования; вода, требующая предварительной очистки перед тонкими фильтрами; вода, применяемая в оборотных системах металлургического оборудования; рабочие жидкости гидравлических систем с большим объемом, утечками, изменениями уровня; 39 жидкости, поступающие к машинам и механизмам от заводов-изготовителей, из заливочных и заливочно - регенерационных устройств; смазочные масла двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, тема исследования, направленная на создание электромагнитных очистителей жидкости, является актуальной как с точки зрения потребности в развитии теории рабочего процесса электромагнитных очистителей, так и с учетом практических задач, стоящих перед промышленностью сегодня. 1.5. Насосы, требования к очистителям их рабочих жидкостей Насосы - один из наиболее распространенных видов технологического оборудования, применяемое во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. На привод насосов используется до 20% электроэнергии, вырабатываемой в стране. Это один из значимых видов продукции машиностроительного комплекса Украины, поставляемой как для внутренних нужд, так и на экспорт. Поэтому повышение качества создания и эксплуатации насосов является актуальным направлением деятельности специалистов в области машиностроения и энергосбережения. Согласно ГОСТ 17398-72 по принципу действия насосы делятся на объемные и динамические. В последнее время в насосах стал широко использоваться вихревой рабочий процесс, что привело к возникновению нового типа турбомашин – вихревых турбомашин [42], значительное место занимает насосы среди них вихревого принципа действия (вихревые, струйные, свободновихревые, лабиринтно-вихревые и др). Указанные насосы вихревого принципа действия конструктивно и по свойствам и составу перекачиваемых сред близки к вышеуказанным динамическим насосам. В связи с изложенным под термином «динамические насосы» в данном случае подразумевается совокупность насосов вихревого 40 принципа действия и собственно динамических насосов по ГОСТ 17398-72 [71]. В силу своих конструктивных особенностей объемные насосы и гидромашинные системы на их основе (объемный гидропривод) являются особо чувствительными к загрязнениям рабочей жидкости [111]. Поэтому именно в приложении к объемным гидромашинам в первую очередь развивались средства очистки рабочих жидкостей [102]. Применительно к динамическим насосам данная проблема также решалась – здесь можно отметить попытки создать входные очистители для питательных насосов тепловой [62] и атомной [63, 64] энергетик, а также создание общей станции очистки для систем поддержания пластового давления (ППД) на нефтяных месторождениях [100]. Следует также сказать, что всегда внимание уделялось проблеме очистки смазывающей и запирающей жидкостей для опорно-уплотнительных узлов динамических насосов, наибольшее распространение получило использование малогабаритных гидроциклонов и центробежных очистителей. Отдельно, по отношению к динамическим насосам, следует говорить о необходимости защиты от износа щелевых уплотнений, определяющих срок службы, надежность и экономичность в работе динамических насосов [65]. С учетом сказанного, можно констатировать факт – разработка средств очистки рабочих жидкостей по отношению к объемным гидромашинам определила практику таких разработок применительно к динамическим насосам. Прежде всего целесообразно вернуться к проблеме создания входных очистителей. Рассмотрим ее применительно к системам поддержания пластового давления (ППД) на нефтяных месторождениях, оснащаемых насосами типа ЦНС – 180 [100]. Как правило, на станциях ППД содержится 2 работающих насоса типа ЦНС – 180. Отсюда и необходимость [100] в четырех постоянно работающих фильтрационных колоннах, оснащенных гидродинамическими фильтрами плюс еще одна колонна – резерв. На сегодня опыт ДонГТУ показывает, что ограничения по максимальной 41 производительности можно с гидродинамических фильтров снять. Нами проведены с использованием данных [102, 103] расчеты типового гидродинамического очистителя на подачу 200м3/час (по входу) и получены следующие результаты (рис.1.7.): - количество сливаемой воды – 15м3/час; - остаточная крупность загрязнений не более 0,5 мм; - перепад давления не более 0,5 атм; - габаритные параметры (высота х ширина х длина, мм) – 1200х660х1160. Укажем, что на сегодня в гидродинамических очистителях несложно получается очистка до максимальной крупности частиц 25 мкм. Кроме того, величина начального давления в фильтре определяется только прочностью его корпусных деталей и можно ставить вопрос об улучшении других из указанных эксплуатационных показателей качества работы гидродинамических фильтров. Так ориентируясь на работу [27] можно ожидать, что закрутка потока в кольцевой области фильтра позволяет уменьшить сброс жидкости в 2-3 раза от общего расхода через фильтр. С учетом изложенного можно утверждать, что создание комплексной системы очистки жидкости для систем ППД нефтяных месторождений является для потребителей технико-экономической задачей – необходимо сравнивать два варианта: один – общая одна система, второй – два гидродинамического очитителя (основной и резервный), а также осадительная колона. Для производителей динамических насосов целесообразно включать в комплект поставок насосного агрегата также входной гидродинамический очистителя. При этом целесообразно разработать типоразмерный ряд таких очистителей, чтобы они были однотипны (взаимозаменяемы) для: энергетических насосов; насосов нефтегазового комплекса; насосов общепромышленного назначения; насосов шахтного водоотлива [105] и других. Возможный представитель такого рода очистителей представлена на рис.1.7. Рис.1.7. Рабочий чертеж – Общий вид рассчитанного фильтра (пропускная способность 180м3/час). 43 1.6. Выводы и задачи исследования 1.6.1. Выводы 1.Для всех отраслей промышленности отказ гидравлических систем вследствие повышенной загрязненности жидкостей составляет (50÷80)% всех отказов, а ресурс по этой причине снижается в 3-50 раз. Влияние загрязненности на функционирование жидкостей и систем, использующих жидкости, является сложным многофакторным явлением. Ухудшение характеристик жидкостей и условий работы оборудования обычно поступление частиц происходит сразу по нескольким параметрам. 2.Уровень загрязненности жидкостей и загрязнений, находящихся в жидкостях, является функцией от количества и интенсивности источников поступления загрязнений. Дополнительные проблемы вносит явление изменения гранулометрического состава загрязнений в процессе работы машин. 3.Уровень требований к чистоте жидкостей определяется: механизмом воздействия частиц загрязнений на жидкость и оборудование; влияние их на эффективность процессов, протекающих в жидкостях или функции, выполняемые жидкостью. На практике техническая и экономическая нереализуемость указанных требований заставляет ограничиваться очисткой более грубых частиц и дифференцировать требования к чистоте в зависимости от условий эксплуатации гидроузлов. 4.Задача обеспечения высокой степени очистки жидкостей может быть решена с помощью механических гидродинамических фильтров. Вместе с тем сама регенерация фильтроэлементов данных очистителей возможна только при тонкости очистки до 25 мкм. Традиционные механические фильтры тонкой очистки обладает весьма низкой грязеемкостью. 5.Прогрессивным направлением является очистка жидкости в силовых полях – электростатическом, магнитном или центробежном. Среди очистителей, использующих силовые поля, наибольшее распространение 44 нашли центрифуги и гидроциклона. Последние обладают своим набором как положительных, так и отрицательных качеств. Их сочетание определило на практике ограниченную область применения центрифуг – встройке их в отдельную гидравлическую систему очистки жидкости в ванне. 6.Самостоятельным перспективным направлением создания систем очистки жидкости от ферромагнитных загрязнений является использование электрогидромагнитных очистителей, которые имеют высокую степень очистки жидкости при значительных ее расходах и высокой грязеемкости. 7. Из обзора научно-технической литературы следует, что средства и способы очистки жидкостей разработаны в наибольшей мере для объемных гидромашин. Вместе с тем, указанные разработки не решают ряд проблем: - во-первых, очистка рабочих жидкостей объемных гидромашин от ферромагнитных загрязнений; - во-вторых, существующие очистители оказывают существенное влияние на рабочие характеристики рассматриваемых гидравлических систем, что приводит к снижению качества их работы, в частности, надежности и срока службы этих гидросистем. 8. Обзор литературы показал, что наработанные средства и способы очистки объемных гидромашин не нашли применения в практике разработки и конструирования динамических гидромашин, что заметным образом влияет на их качество работы. 9. С учетом сказанного задача совершенствования очистителей рабочих жидкостей насосов с использованием гидроэлектрических технологий является актуальной и значимой для современной практики отечественного и зарубежного машиностроения. 1.6.2. Задачи исследования. 1. Разработать научно-методические основы для создания очистителей рабочих жидкостей насосов, использующих гидродинамический эффект очистки, в которых необходимо обосновать возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений 45 на пондемоторную силу с целью упрощения конструкции и значительного повышения тонкости очистки. 2. На базе электромагнитным полученных очистителям научно-методических разработать разработок конструкции по указанных очиститителей и провести их апробацию в лабораторных и промышленных условиях. 3. Определить целесообразность и пути использования очистителей, работающих с использований гидроэлектрических технологий применительно к динамическим насосам, в том числе: разработать принципы расчета и конструирования очистителей перекачиваемой среды динамическими насосами, применение которых не окажет существенного влияния на рабочие характеристики указанных насосов, в частности на их всасывающую способность; 4. Разработать конструктивные решения и методику инженерных расчетов очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкостей динамических насосов. 5. Осуществить поиск дополнительных путей защиты щелевых уплотнений динамических насосов путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. 46 РАЗДЕЛ 2 СОЗДАНИЕ ОЧИСТИТЕЛЕЙ, НЕ ИЗМЕНЯЮЩИХ УРОВЕНЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ОЧИЩАЕМОЙ ЖИДКОСТИ И ЗАЩИЩАЮЩИХ СИСТЕМУ ОТ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 2.1. Математическое моделирование процессов кондиционирования жидких сред в магнитном и электрическом поле. Как было показано в первом разделе, обработкой магнитным полем можно достаточно эффективно очищать различные жидкости от ферромагнитных и других примесей. При этом в отличие от других методов в жидкостях не наблюдается изменения их основных характеристик и образование примесей. Учитывая, что очистители различных типов используются для фильтрации различных жидкостей, рассмотрим более подробно принципы работы и возможность разработки электромагнитных очистителей. Ферромагнитные загрязнения возникают в результате изнашивания элементов оборудования и по другим причинам, подробно рассмотренные в первом разделе. Наличие этих загрязнений в охлаждающих жидкостях приводят к быстрому износу оборудования, которое эксплуатируется на предприятиях [19, 107]. Традиционные магнитные очистителя с возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов обладают рядом недостатков, описанных ранее, поэтому задача создания магнитных очистителей, которые способны при большой грязеемкости обеспечивать нужную степень очистки, остается открытой, и в данной работе автор попытался ее частично решить [74, 24]. 47 2.1.1. Электромагнитные очистители со сложной конфигурацией магнитного поля. Очиститель, имеющий сложную конфигурацию электромагнитного поля (ОСМП), изображен на рис.2.1 и представляет собой трубу 4 из неферромагнитного материала с намотанной на ней намагничивающей катушкой 5. Рис.2.1. Электромагнитный очиститель. 1-входной/выходной штуцер; 2, 8 – пластины; 3 – втулка; 4 – труба; 5 – намагничивающая катушка; 6 – стержень; 7 – улавливающий диск; 9 – гайка; 10 – шпилька. В трубе сделаны патрубки 1 для ввода загрязненной жидкости и вывода очищенной жидкости. Внутри трубы установлена улавливающая система, представляющая собой неферромагнитный стержень 6 с надетыми на него улавливающими дисками 7 из магнито-мягкого материала. Для прохода жидкости в улавливающих дисках проделаны отверстия, причем диски одеваются на ось так, чтобы оси отверстий в двух соседних дисках не совпадали. Поток жидкости и магнитное поле при этом направлено так, что ферромагнитные частицы загрязнений улавливаются улавливающих дисков, не забивая отверстия в них. на торцах 48 Испытания такого электромагнитного очистителя показали его высокую эффективность, и вместе с тем, выявили ряд проблем, наиболее существенной из которых было нахождение взаимосвязи между параметрами течения жидкости и конструктивными и силовыми параметрами электромагнитного поля очистителя, для определения их рациональных значений, обеспечивающих заданную тонкость очистки. Для решения этой задачи нами было сделано следующее: определены поля скоростей вязкой жидкости, движущейся через перфорированную перегородку, используя которые были найдены силы сопротивления Стокса, действующие на частицу загрязнений, перемещающуюся в жидкости. Далее были определены выражения для пондеромоторной силы, действующей на ферромагнитную частицу загрязнений со стороны магнитного поля. На основании принципа суперпозиции мы учли влияние этих сил на движение ферромагнитной частицы загрязнений, движущейся в потоке вязкой неэлектропроводной немагнитной жидкости под действием неоднородного постоянного магнитного поля. 2.1.2. Определение поля скоростей вязкой жидкости При нахождении поля скоростей вязкой жидкости, текущей через перфорированную перегородку, были приняты следующие допущения: - движение характеризируется малыми числами Рейнольдса; - жидкость немагнитная и неэлектропроводная; - жидкость считаем несжимаемой, однородной и изотермической; - примесь пассивна; - частицы шарообразны и однородны; - отсутствуют электростатические силы, поверхностные силы, силы адгезии и влияние стенок; - не учитывается взаимодействие движущихся частиц и броуновское движение; 49 - не учитывается инерционность частиц, т.е. не учитывается проскальзывание частицы относительно жидкости в продольном потоке; - не учитывается возможный дрейф частицы из-за ее вращения под действием различных скоростей на ее поверхности; - возможно применение метода линейной суперпозиции. Из этих допущений, на наш взгляд, наибольший вес имеет не учитывание инерционности частиц. Это проверено будет в работе позже. Течение жидкости при малых числах Рейнольдса описывается уравнениями Стокса для медленного течения [57] 2 V gradp 0 , V 0 В общем случае выведение функции тока, которая однозначно характеризовала бы составляющие скорости при трехмерном течении жидкости, невозможно. Однако, для осесимметричных течений, к которым и относится рассматриваемое течение через круглое отверстие, функция тока существует, и удобнее всего ее представить в системе координат сплюснутого эллипсоида (,,). Эти преобразования выполнены в [35]. Используя эти преобразования были получены значения составляющих скорости жидкости сначала в системе координат сплюснутого эллипсоида, а затем в цилиндрической системе координат Vg 3 q cos2 , c 2 sh 2 sin V gz 3q cos . 2 c 2 ch 2 Таким образом, были определены поля скоростей при течении жидкости через одно отверстие. Для нахождения суммарной скорости жидкости, текущей через несколько отверстий, использовался принцип 50 линейной суперпозиции и были найдены скорости жидкости в любой точке междискового пространства, по которым однозначно определяется сила сопротивления Стокса, действующая на одиночную частицу загрязнений в неограниченной жидкости. Так была решена первая задача исследований – определено поле скоростей жидкости в произвольной точке междискового пространства, что позволило определить силу сопротивления Стокса, действующую на частицу загрязнений. При определении поведения одиночной частицы в потоке вязкой жидкости примем следующие допущения: -частица имеет сферическую форму и малые размеры, поэтому сила сопротивления подчиняется закону Стокса; -движение является однородным и стационарным; -частицу при движении окружает постоянный объем жидкости. Для описания такого течения используют уравнение Бассе-БуссинескаОзеена [59]. В работе [34] обобщили это уравнение для случая движения жидкости с переменной скоростью. При этом, дополнив слагаемым, которое учитывает влияние градиента давления в среде на движущуюся частицу, и получили следующее выражение mp d pV p dt F 3d V p Vg 0.5mg t Vg Vg 2 1.5d mg Vg t x to dp dt d p V p Vg dt d pV p / dt d pVg / dt t t (2.1) dt , V pj . t x j j Второе слагаемое в правой части уравнения представляет собой силу сопротивления при стоксовом режиме течения жидкости. Третье слагаемое эффект присоединенной массы, т.е. кажущееся увеличение массы шара на половину массы вытесненной им среды; четвертое - градиент давления; пятое 51 - силу Бассе, которая характеризует мгновенное гидродинамическое сопротивление, возникающее при большом ускорении частицы и приводящее к существенному увеличению силы сопротивления. Учитывая, что уравнение (2.1) базируется не на строгих математических выкладках, а на физических интуитивных соображениях, более корректный вывод уравнения неравномерного движения стоксовой частицы, на наш взгляд, приведен в [59], где на основании анализа воздействий на частицу и с учетом поля скоростей среды получено следующее уравнение mp 1 2 F 3d V p Vg d Vg dt 24 d pV p 0.5mg d p V p Vg d 2 Vg 40 dt Vg Vg mg Vg t x t 1.5d 2 to В этом уравнении (2.2) 1 2 d Vg dt . V p Vg 24 t t dp учитывается поправка Факсена к стоксовому сопротивлению в виде его членов, содержащих Vg . Силу сопротивления Стокса, действующую на частицу, можно определить зная поле скоростей. Силами тяжести и выталкивания на частицу в этом случае можно пренебречь из-за их малости в данном случае. Следует учитывать, что последние три члена уравнения (2.2) существенны лишь в том случае, если плотность жидкости одинакового порядка с плотностью частицы или превышает ее. Сила Бассе характеризует мгновенное гидродинамическое сопротивление, возникающее при большом ускорении частицы, что существенно увеличивает силу сопротивления. В нашем случае эти силы можно не учитывать, т.к. плотность частицы намного больше плотности жидкости, а движение считаем стационарным. Не учитывается также явление термофореза, т.е. движения частиц из более 52 нагретых областей в более холодные, т.к. жидкость считаем изотермической. Движение частиц происходит при малых числах Рейнольдса, поэтому турбофорез, или же направленной смещение частиц в сторону снижения интенсивности пульсаций, также мы не рассматривали. Определение выражения для нахождения пондеромоторной силы Пондеромоторная сила, создаваемая неоднородным постоянным магнитным полем, описывается следующим выражением [17] Fm о V H gradH . (2.3) При известных величинах магнитной восприимчивости и объема частицы, определение пондеромоторной силы сводится к определению напряженности магнитного поля, что является довольно сложной задачей. Для ее решения нами был применен следующий подход. Значение напряженности на оси соленоида определили по выражению из [58] IW Lz z H0 2 L R 2 L z 2 R2 z 2 , Далее определили напряженность поля в произвольном месте витка исходя из того, что линии магнитной индукции всегда перпендикулярны проводнику, по которому течет ток, используя следующее выражение из [15] H 0 R2 HA 2 R r 2 Результаты исследования подтвердили тот вывод, что максимальные значения градиента напряженности и пондеромоторной силы получаются на 53 границе двух сред с различной магнитной проницаемостью. Для нахождения напряженности магнитного поля в случае эксцентрических отверстий использовался метод конформных преобразований. Тогда для этого случая напряженность магнитного поля запишется H отв 4 Н диск 1 b2 R , 2 Напряженность в любой точке междискового пространства является функцией цилиндрических координат и z (так как поле осе симметричное, то от координаты напряженность не зависит). Поэтому gradH IWR H L( R2 2 ) 2 H H e e. z z Lz z ; R 2 ( L z ) 2 R2 z 2 . 3 3 ( R2 z 2 ) 2 ( R2 ( L z ) 2 ) 2 H IWR2 z R2 2 R2 R2 На частицу загрязнений в потоке вязкой жидкости действуют кроме силы сопротивления Стокса и пондеромоторной силы также силы тяжести и выталкивания. Силу Бассе, характеризирующую мгновенное гидродинамическое сопротивление, возникающее при резких ускорениях частицы, также можно не учитывать, т.к. рассматривается стационарный поток. 54 Таким образом, поведение частицы в потоке вязкой жидкости полностью определяется силой сопротивления Стокса и пондеромоторной силой. Ферромагнитная частица, движущаяся в потоке вязкой жидкости под влиянием неоднородного постоянного магнитного поля, находится под воздействием нескольких сил, в том числе силы сопротивления Стокса, сил тяжести и Архимеда, а также пондеромоторной силы. Таким образом, уравнение движения частицы движущейся в потоке вязкой жидкости под действием магнитного поля, сводится к следующему выражению Fm 6a Vg V p 0 , где a - радиус частицы загрязнений. 2.1.4. Определение условия улавливания частиц на перфорированных перегородках Рассмотрим эти условия. Для этого будем использовать рис.2.2 В этом случае должно выполняться следующее соотношение Fm 6a Vg . Для выполнения условия улавливания частицы под отверстием, угол между направлением скорости частицы, расположенной в точке О, и осью Z должен быть больше или равен углу , между осью Z и вектором ОВ, проходящий через край отверстия в точке А, т.е. . Последнее 55 неравенство можно заменить на выражение tg tg из-за малости этих углов. z B β α A O Vρp Рис.2.2. Расположение частицы под отверстием. Тангенс угла α равен отношению поперечной составляющей скорости частицы к ее продольной составляющей, т.е. tg V p V pz , где V p - поперечная составляющая скорости частицы загрязнений; V pz - продольная составляющая скорости частицы загрязнений. Тангенс угла между осью Z и вектором ОВ, соединяющим частицу с краем отверстия, запишем в виде tg c , z где - цилиндрическая координата. Поэтому условие улавливания частицы можно записать в виде 56 V p Vpz c . z и учитывая определенные ранее значения скоростей частицы, получим следующее выражение Vg Vgz Fm 6a c , Fm z z 6a где Fmz - продольная составляющая пондеромомоторной силы; V gz - продольная составляющая скорости жидкости. Частица под диском будет задержана если . Как и ранее, заменим отношение углов отношением их тангенсов, при этом тангенс угла определим как и раньше, а выражение для определения тангенса угла β запишется в виде tg c z . Полученное выражение V p Vpz c z . определяет условие улавливания частицы под диском. Подставим в последнее выражение ранее определенные значения скорости частицы и получим следующее уравнение 57 9 a 1 a3 8 z 2 z3 F V g m c 6a . 3 z 9a 1a 1 8 z 2 z3 F Vg z mz 6a 1 Используя это соотношение можно определить, будет или нет задержана частица загрязнений, находящаяся под отверстием в диске или в диске соответственно. Применяя полученные выражения определим степень очистки неэлектропроводной немагнитной жидкости от ферромагнитных загрязнений электромагнитным очистителем. На степень очистки при данных условиях (расход жидкости, ее вязкость, крупность загрязнений) можно воздействовать, изменяя гидравлические и электрические параметры очистителя. К этим параметрам относятся: расстояние между дисками, радиус очистителя, радиус отверстий в дисках, количество отверстий в дисках, намагничивающая сила. Изменяется также скорость движения частицы. Из полученного после преобразования выражения Vg Vgz Fm 6a c , Fm z z 6a можно определить, что скорость жидкости от радиуса диска не зависит и для частиц, находящихся под отверстием, степень очистки определяется отношением поперечной составляющей пондеромоторной силы к ее продольной составляющей. Для определения влияния различных факторов на степень очистки фильтра со сложной конфигураций магнитного поля автором была разработана для расчетов программа. Используя программу 58 были рассчитаны составляющие скорости жидкости, напряженности магнитного поля, пондеромоторной силы, действующей на частицу, и скорости частицы в зависимости от ее положения. При помощи этой программы была исследована зависимость степени очистки от радиуса улавливающего диска. Эта зависимость приведена на рис.2.3. Рис.2.3. Зависимость степени очистки от радиуса улавливающего диска. Анализ зависимости показал, что до значений степени очистки 0.95 влияние диаметра диска существенно, а при дальнейшем уменьшении степени очистки это влияние ослабевает. Влияния изменения расстояния между дисками на скорость течения жидкости отсутствует. Как показали расчеты, при расходах до 20 л/мин на скорость частицы оказывает определяющее влияние пондеромоторная сила, т.к. составляющая скорости частицы, создаваемая пондеромоторной силой, больше скорости жидкости. Аналогичные выводы можно сделать при анализе зависимости степени очистки от расстояния между дисками. Эта зависимость приведена на рис.2.4. 59 При изменении температуры будет меняться и скорость частицы в потоке вязкой жидкости. Рост температуры приводит к увеличению составляющих скорости жидкости, связанных с пондеромоторной силой, т.к. вязкость жидкости при этом уменьшается. Рис.2.4. Зависимость степени очистки от расстояния между улавливающими дисками. Для частиц, находящихся под отверстием, при определенном значении температуры поперечная составляющая скорости жидкости в заданной точке может упасть до нуля (если Fm 6rVg ), т.к. эта составляющая равна разности поперечной скорости частицы и поперечной пондеромоторной силы, деленной на 6rVс . Частица при этом будет двигаться строго по вертикали. Продольная же составляющая скорости частицы равна сумме соответствующих продольных величин, и не может быть меньше скорости жидкости. У частиц, находящихся под поверхностью диска, и поперечная, и продольная скорости частицы также равны сумме скорости частицы и составляющей скорости, создаваемой пондеромоторной силой. 60 В идеальном случае при увеличении вязкости до бесконечности скорость частицы и под поверхностью диска и под отверстием будет равна скорости жидкости, и все частицы будут увлекаться жидкостью через отверстие. Однако, как показывают расчеты, в диапазоне температур от 00С и выше (т.е. при 0.189 Па·с) изменение вязкости весьма мало сказывается на скорости частиц, и, соответственно, на зоне улавливания, величину которой определяют другие параметры двухфазной жидкости и очистителя. Таким образом, при существующих параметрах очистителя повышение температуры до 1000С и соответствующее снижение вязкости приводят к незначительному расширению зоны улавливания, т.к. составляющие скорости частицы, созданные пондеромоторной силой, больше скорости жидкости, и изменение скорости жидкости мало сказывается на изменении скорости частицы. На улавливание частиц под поверхностью диска изменение температуры практически не сказывается, поскольку составляющие скорости частицы, создаваемые пондеромоторной силой, в этом случае еще выше из-за большей магнитной проницаемости. Рис.2.5. Зависимость степени очистки от температуры жидкости. Анализ зависимости степени очистки от температуры жидкости, график этой зависимости приведен на рис.2.5, показал, что при увеличении температуры от 00С до 300С зона улавливания под отверстием в диске растет 61 быстрее. Это объясняется более сильным снижением вязкости при таких температурах. Выполненные исследования показали, что увеличение расхода и вязкости жидкости незначительно уменьшают степень очистки. Увеличение радиуса улавливающего диска и расстояния между дисками снижает степень очистки. Увеличение величины тока улучшает степень очистки до определенной величины с увеличением напряженности магнитного поля, но с определенного значения степень очистки уже не изменяется, растут лишь потери электроэнергии. 2.1.5 Учет сил инерции при расчете электромагнитных очистителей. Все вышеприведенные результаты получены при пренебрежении силами инерции. Для проверки правильности этого предположения нами бы проведен учет сил инерции при движении ферромагнитной частицы загрязнения в электромагнитном очистителе. В этом случае движения ферромагнитной частицы загрязнения в жидкости описывается системой дифференциальных уравнений (2.4). В этой системе уравнений первые два уравнения представляют собой закон движения частицы в проекции на цилиндрические оси координат Z , ; третье и четвертое выражение – пондеромоторная сила; пятое и шестое - составляющие скорости жидкости; последние два – переход от цилиндрической системы к системе координат сплюснутого эллипсоида. Для решения этой системы дифференциальных уравнений была разработана модель и структурная схема на основе программы Matlab (рис.2.6). 62 m m dV pz dt dV p Fmz dt Fmz 6a V pz Vgz ; Fm 6a V p Vg ; o VI 2W 2 Rd4 2 2 2 2 2 2 2 Rd z 2 L Rd Rd L z Rd2 Rd2 ; 1 . 5 1 . 5 R2 z2 2 Rd2 L z d Fm Lz o VI 2W 2 Rd4 L Rd2 Vg z 2 3 z 2 Lz R 2 L z 2 d ; 2 2 Rd z z 3q cos ; 2c 2 ch 2 (2.4) 3q cos2 Vg 2 ; c sh 2 sin sh z 2 2 c2 z 2 2 c2 2 4z 2 2c 2 ; Z cos c z 2 2 c2 z 2 2 c 2 2 . 4z 2 2c 2 При помощи этой модели были построены различные зависимости основных характеристик очистителя от времени для электромагнитного фильтра при следующих параметрах жидкости и фильтра: вязкость жидкости - 0.06 кг/м·с, расход - 20 л/мин, радиус улавливающего диска - 25 мм, 63 расстояние между дисками - 25 мм, диаметр отверстий в диске - 6 мм, намагничивающая сила – 15200 А·витков, магнитная проницаемость частицы - 1000. Рис.2.6. Структурная схема модели электромагнитного фильтра. На рисунках 2.7-2.9 приведены зависимости перемещения частицы в продольном и поперечном направлении от времени. Анализ зависимостей показал, что частица загрязнений сначала притягивается к боковой стенке фильтра, а потом движется уже по этой стенке. На рис. 2.8 показано изменение положения частицы в продольном направлении, при этом видно, что перемещение в этом направлении начинается только тогда, когда частица приблизилась вплотную к стенке. Это также подтверждает и график изображенный на рис.2.9. Такое поведение пондеромоторной силы частицы в очистителе объясняется - перечная распределением составляющая пондеромоторной силы резко возрастает у боковой стенки, что и показано на рисунке 2.10. Этот тот же график представлен в логарифмическом масштабе на рисунке 2.11. 64 , м t, c Рис.2.7. Зависимость поперечной координаты частицы от времени. Z, м t, c Рис.2.8. Зависимость продольной координаты частицы от времени. 65 Z, м , м Рис.2.9. Изменение положения частицы в пространстве в цилиндрической системе координат. Fm , H t, c Рис.2.10. Зависимость поперечной составляющей пондеромоторной силы от времени. 66 lg Fm t, c Рис.2.11. Логарифмическая зависимость величины поперечной составляющей пондеромоторной силы от времени. Анализ этой зависимости показал, что в начале движения частицы от центра поперечная составляющая пондеромоторной силы изменяется незначительно. Это объясняетя сравнительно небольшим увеличением напряженности магнитного поля из-за больших расстояний до боковой стенки. По мере приближения к ней напряженность увеличивается и особенно резко на расстояниях порядка 1÷7 диаметров частицы. Соответственно увеличивается и градиент напряженности, что в свою очередь обуславливает рост пондеромоторной силы. На рис.2.12 изображена зависимость продольной составляющей пондеромоторной силы от времени. Эта составляющая также сначала незначительно увеличивается по мере приближения частицы к стенкам очистителя. Однако при резком возрастании напряженности увеличивается и продольная составляющая пондеромоторной силы. Далее частица продолжает движение вдоль стенки, при этом ее поперечная координата не изменяется, а продольная координата продолжает изменяться по мере движения частицы. 67 Fmz , H t, c Рис.2.12. Зависимость продольной составляющей пондеромоторной силы от времени. Поскольку величина пондеромоторной силы обратнопропорциональна значениям ( Rd –ρ )4 и Z3, поэтому при неизменном значении ρ начинает сказываться изменение продольной координаты, и по мере удаления от диска продольная составляющая пондеромоторной силы уменьшается. На рис.2.13 и 2.14 показаны графики изменения поперечной и продольной составляющих скорости перемещения частицы от времени. Как и следовало ожидать, эти зависимости имеют приблизительно одинаковый характер, который обусловлен распределением пондеромоторной силы, т.е. скорость частицы сначала увеличивается незначительно, а по мере приближения к диску фильтра резко возрастает и, наконец, спадает до нуля при достижении частицей твердой поверхности. 68 Vp м / с , t, c Рис.2.13. Зависимость поперечной составляющей скорости частицы от времени. V pz , м / c t, c Рис.2.14. Зависимость продольной составляющей скорости частицы от времени. 69 Весь процесс улавливания частицы (т.е. передвижения ее к улавливающему диску) составляет не более 0.35 мс что, на наш взгляд, позволяет признать допущение о безинерционности частицы правильным. Исследования очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля не только показали высокую эффективность очистки жидкости от ферромагнитных загрязнений, но и выявили недостаток этого очистителя – сложность регенерации, для которой требуется сначала подать на очиститель напряжение обратной полярности, чтобы размагнитить улавливающие диски, затем отключить питание очистителя от сети, разобрать его и тщательно промыть улавливающие диски, что на практике не очень удобно. Электромагнитный очиститель с бегущим электромагнитным полем. Нами была разработана конструкция очиститель с бегущим магнитным полем. Этот очиститель позволит проблемы с регенерацией экономить электроэнергию, снять очистителя, а также снизить расход электротехнической стали за счет отсутствия улавливающей системы как в ранее разработанных фильтрах со сложной конфигурацией магнитного поля [74, 24]. На рис.2.15 изображена конструкция такого очистителя. На наружной поверхности корпуса 2 расположена в верхней части электромагнитная система 3, создающая бегущее магнитное поле. Магнитное поле с одной стороны, притягивает ферромагнитные частицы, находящиеся в зазоре между корпусом 2 и отводящей жидкость трубой 1, к наружной стенке фильтра, а с другой стороны перемещает притянутые ферромагнитные частицы в сторону бункера 5, где они удерживаются электромагнитом постоянного тока 4. Бегущее магнитное поле создается кратковременной подаче напряжения на отдельные катушки электромагнитной системы. Закон изменения электромагнитного поля внутри очистителя зависит от вязкости жидкости, параметров частицы загрязнения и т.д. При необходимости удаления отделенных от жидкости ферромагнитных частиц из очистителя электромагнит 4 отключается от сети 70 и открывается затвор 6. Очищенная жидкость через выходную трубку поступает к потребителю[74]. Рис.2.15. Электромагнитный очиститель с бегущей волной. 1 - выходная трубка; 2 - корпус фильтра; 3 – электромагнитная система; 4 – постоянный электромагнит; 5 – собирающий бункер; 6 – затвор Рассмотрим силы, действующие на частицу, которая находится в зазоре между трубами. Для этого воспользуемся рис.2.16. На частицу действуют сила тяжести G, архимедова сила Fa, сила сопротивления частицы в продольном направлении Fcz и силы сопротивления движению частицы Fcρ в поперечном направлении, после приложения пондеромоторной силы. Здесь же показаны направления сил и координаты – вдоль оси очистителя – цилиндрические координаты, обозначенные через z, а в радиальном направлении через ρ. Параметры движения частицы между трубами можно рассчитать, если решить совместные системы гидродинамических и электромагнитных уравнений. 71 Рассмотрим сначала теоретически работу очистителя. В этом случае примем во внимание пондеромоторную силу, силу сопротивления Стокса и силу инерции. Рис.2.16 Схема сил и скоростей действующих на частицу в кольцевой щели. Инерционность частицы переключения обмоток будет определять максимальную частоту электромагнитной системы очистителя. Учет инерционности позволит устанавливать максимальную скорость движения частиц загрязнения в бункер. В идеальном случае при отсутствии сопротивления среды и единичной толщины витка скорость движения ферромагнитной частицы совпадает со скоростью магнитного поля и определяется только частотой переключения напряжения на каждый следующий виток обмотки. В реальности же частица будет двигаться с запаздыванием, величина которого определяется законом движения частицы загрязнения в магнитном поле, скоростью жидкости и диаметром витка провода [25]. Для определения закона движения частицы, рассчитаем силы действующие на нее. Для определения силы сопротивления Стокса необходимо рассчитать поле скоростей жидкости в рабочем канале фильтра. 72 Расчет будем выполнять в следующем порядке, используя рис.2.17. Начало координат поместим в середине зазора, направив ось ОZ вдоль течения жидкости, а ось OY - по нормали к стенкам очистителя. Возьмем два нормальных поперечных сечения потока на расстоянии L одно от другого и рассмотрим ширину потока равную единице. h Z Uпрод l Y dy 2y z dy Рис.2.17. К расчету поля скоростей. Для этого выделим объем жидкости в виде прямоугольного параллелепипеда, расположенного симметрично относительно оси ОZ между выбранными поперечными сечениями потока и имеющего размеры сторон L 2 y 1 . Тогда условие равномерного движения выделенного объема вдоль оси ОZ запишется следующим выражением 73 dVg 2 ypтр dy 2L , где pтр р1 р2 - перепад давлений в рассматриваемых сечениях (знак "-" обусловлен тем, что производная скорости отрицательна). Для определения приращения скорости приращению координаты dy , проинтегрируем dVg , соответствующее выражение и после интегрирования получим Vg ртр 2L y2 C . Учитывая, что при значении y h 2 приращение скорости Vпрод 0 , вычислим величину С ртр h 2 С , 2L 4 тогда Vg ртр h 2 y 2 . 2L 4 Подсчитаем расход, приходящийся на единицу ширины потока, для чего возьмем симметрично относительно оси OZ две элементарные площадки размером 1 dy и выразим используя следующее выражение элементарный расход жид кости 74 dQ Vg dS pтр h 2 y 2 2dy . 2L 4 Отсюда расход запишем в виде Q pтр h3 12 L . Потерю давления в очистителе выразим через среднюю продольную скорость Vg Q h . Тогда выражение для перепада давления в рассматриваемых сечениях запишется pтр 12 LVg h2 . Приведем полученные уравнения к случаю кольцевой щели. Ширину этой щели будем рассматривать не как единичную, а как величину равную D h . Поскольку D h и pтр р , тогда расход жидкости запишем в виде рh3 Qкц D. 12 L Величину y можно выразить через х. Тогда при h 2 h x 2 x h y x ; 2 h y x. 2 Распределение скоростей в зависимости от х можно записать как 75 Vg p xh 2 x . . 2L Число Рейнольдса для кольцевой щели определим Re hVg . Для этого случая критическое число Рейнольдса принимаем равным Reкр 600 1000 , а закон сопротивления, выраженный через гидравлический радиус 24 [91]. Re Рассмотрим пондеромоторную силу, действующую на частицу загрязнения, которая находится в магнитном поле очистителя. Как и в предыдущем случае при рассмотрении электромагнитного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля, пондеромоторную силу определим по (2.3). Рассмотрим основные величины для определения пондеромоторной силы. В каждый отдельный момент времени единичным витком обмотки, на магнитное поле создается который подается кратковременно постоянное напряжение. Напряженность магнитного поля в этом случае на оси единичного витка определяется выражением из [28] Ho Используя подход, ранее IR 2 2 R2 z 2 1.5 . изложенный при рассмотрении электромагнитного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля, 76 получим выражение для определения напряженности поля в произвольном месте пространства в виде H Далее возьмем IR 4 2 R2 z 2 производные R 1.5 2 от выражения, 2 . определяющее напряженность поля, по координатам и z и получим H IR 4 ; 1.5 2 R2 z2 R2 2 H 1.5 IR 4 z . 2 2 2.5 2 2 z R z R Тогда поперечная и продольная составляющие пондеромоторной силы запишутся в виде Fm oV 2R z Fm z 0.75 oV Для теоретических I 2 R8 2 R R 2 3 2 2 3 I 2 R8 z 2 z исследований R 2 4 2 автором ; 2 2 . была разработана математическую модель очистителя. В систему вошли пять уравнений: два уравнения движения по проекциям и z , уравнения для пондеромоторной силы и одно уравнение для продольной составляющей жидкости. Запишем систему дифференциальных уравнений модели. Для решения полученной системы дифференциальных уравнений была разработана автором структурная схема и получены решения этой системы с использованием программы «Matlab». Разработанная структурная схема модели фильтра изображена на рис. 2.18. 77 m m dV pz dt dV p dt Fm 6rV p ; Fm oV Vg z Структурная I 2 R8 2R z Fm z 0.75 oV Рис.2.18. Fmz 6r V pz Vg z ; 2 R R 2 3 2 2 3 I 2 R8 z 2 z R 2 4 2 ; 2 2 . p h2 1 , . 2L схема модели электромагнитной волной в программе «Маtlab». очистителя с бегущей 78 Эта модель позволяет учесть начальные и граничные условия в системе уравнений, описывающих очиститель с бегущей магнитной волной нач D 2 h; Z нач 0; при D 2 r и V p 0. Граничные загрязнения условия притянется оговаривают к боковой следующее, стенке составляющая ее скорости V p будет когда очистителя, частица поперечная равна 0. В качестве начальной координаты принят наиболее неблагоприятный вариант расположения частицы с точки зрения воздействия на нее пондеромоторной силы – у поверхности внутренней трубы очистителя. При получены зависимости координат частицы, этих условиях были пондеромоторной силы, действующей на нее, и силы сопротивления Стокса, противодействующей ее движению, от времени. Данные зависимости представленные на рисунках 2.19 - 2.26. Графики были рассчитаны при следующих условиях: диаметр ферромагнитных частиц при очистке (20÷100)x10-6м, сила тока - (2,5 ÷20) A, температура жидкости (10÷60)0С, расход жидкости – (0÷15)л/с, высота щели (2÷5)х10-3м, расстояние между витками (1÷10) х10-3м . На рис. 2.19 изображен график изменения поперечной координаты частицы от времени. Частица за 0.0258 с достигает стенки фильтра и дальше продолжает движение вдоль нее, нигде не отрываясь от поверхности. Это происходит потому, что пондеромоторная сила максимальна при достижении частицей поверхности фильтра, а это в свою очередь объясняется характером распределения напряженности магнитного поля в соленоиде. Как было показано Ландау и Лифшицем, напряженность обратно пропорциональна разности квадратов радиуса соленоида и координаты , и по мере 79 приближения к поверхности соленоида (в нашем случае – очистителя) она возрастает [58]. Если учесть, что максимальное приближение к стенке очистителя определяется радиусом частицы, составляющим в нашем случае 10x10-6м - 100х10-6 м (при радиусе фильтра 5.5 х10-2м ), то можно определить, что при перемещении от внутренней трубы до поверхности очистителя (т.е. на высоту щели 5 х10-3м) напряженность магнитного поля возрастает в 4772 раза. t,ρ,м,cм t,c Рис.2.19. Зависимость перемещения частицы в поперечном направлении от времени. Соответственно градиент напряженности будет также расти. Этим и обуславливается резкое возрастание поперечной пондеромоторной силы у поверхности очистителя (см. рис.2.20 - 2.22). На рис.2.20 приведена описанная ранее зависимость поперечной составляющей пондеромоторной силы от времени. Из-за малого времени переходного процесса, который характеризует возрастания пондеромоторной 80 силы у поверхности фильтра, график на рис.2.20 не очень информативен и показывает только характер процесса за 1х10-3 с, что изменения. На рис. 2.21 показано развитие позволяет оценить начальное значение пондеромоторной силы, которое сохраняется вплоть до достижения частицей стенки очистителя и после достижения стенки ее значения не изменяется. Рассчитанная зависимость, изображенная на рисунке 2.22 подтверждает наше предположение о резком возрастании поперечной пондеромоторной силы при непосредственном приближении к стенке. Fm , H t, c Рис.2.20. Зависимость поперечной составляющей пондеромоторной силы от времени. Сила сопротивления движению частицы в поперечном направлении со стороны жидкости должна сначала возрастать, причем в окрестности стенки довольно резко, а при полном приближении частицы к стенке падать до нуля, т.к. перемещение частицы в поперечном направлении заканчивается (частица не сможет оторваться пондеромоторной силы). от стенки Наши из-за значительной предположения величины подтверждаются рассчитанными зависимостями, которые приведены на рисунках 2.23 и 2.24. 81 Fm , H t, c Рис.2.21. Характер изменения пондеромоторной силы у поверхности от времени. Fm , H , м Рис.2.22. Зависимость поперечной составляющей пондеромоторной силы от координаты . 82 Fc , H t, c Рис.2.23. Зависимость поперечной составляющей силы Стокса от времени. Fc , H , м Рис.2.24. Зависимость поперечной составляющей силы сопротивления Стокса от координаты . Анализ полученных выражений и результаты расчетов показали, что в очистителе перемещение частицы в продольном направлении происходит 83 следующим образом. Пока частица не достигла боковой стенки очистителя, в продольном направлении она изменяет свое положение довольно медленно изза постепенного изменения напряженности магнитного поля, а следовательно, и пондеромоторной силы. В случае если частица оказалась в непосредственной близости от стенки, где напряженность возрастает в 103 раз, резко возрастает не только поперечная составляющая пондеромоторной силы, но и продольная. Поэтому за счет значительного увеличения этой силы частица начинает двигаться быстрее, что подтверждает рассчитанная зависимость приведенная на рис. 2.25. Анализ рассчитанного графика, изображенного на рис.2.26 показал, что межвитковое расстояние в 1 мм при наших параметрах частица внутри очистителя проходит за 0.0026 с. Поэтому говорить об ограничении скорости переключения обмоток очистителя в электрических цепях мы не можем, т.к. основным параметром при расчетах будет расход жидкости. На рис.2.27 показано изменение продольной сотавляющей пондеромоторной силы от времени. Как и следовало ожидать, она сначала возрастает при приближении частицы к боковой стенке, достигает на поверхности своего максимума, а потом начинает уменшаться. Это происходит потому, что при неизменной поперечной координате ρ продольная координата z продолжает увеличиваться, что приводит к снижению продольной составляющей пондеромоторной силы. Продольная составляющая пондеромоторной силы обратно пропорциональная z7 и (R2 - ρ2)2. Теоретически нами было определено, что вначале процесса очистки координата ρ сначала увеличивается по мере приближения к боковой стенке, а затем, когда частица притягивается к ней, остается неизменной. Продольная координата z продолжает увеличиваться все время. Сначала, до достижения частицей боковой стенки, на продольную составляющую пондеромоторной силы определяющее влияние оказывает возрастание ρ, и эта сила увеличивается. Дальнейший процесс очистки происходит при постоянной координате ρ и возрастающей z. Поэтому происходит уменьшение значения пондеромоторной силы. Это можно увидеть на рис.2.28. 84 z, м , м Рис.2.25. Зависимость изменения продольной координаты z частицы от поперечной составляющей . z, м t, c Рис.2.26. Изменение положения частицы в продольном направлении от времени. 85 Fmz, H t, c Рис.2.27. Зависимость продольной составляющей пондеромоторной силы от времени. Fmz , H z, м Рис.2.28. Зависимость продольной составляющей пондеромоторной силы от координаты z . 86 Наличие экстремума продольной составляющей пондеромоторной силы определяет ее выражение, полученное нами ранее. Характер изменения продольной составляющей силы Стокса, изображенной на рис. 2.29 можно объяснить следующим образом. Fcz , H t, c Рис.2.29. Зависимость продольной составляющей силы сопротивления Стокса от времени. Сначала, до достижения частицей боковой стенки, величина пондеромоторной силы увеличивается незначительно, поэтому и скорость движения частицы загрязнения под действием этой силы также возрастает не очень быстро. Когда частица достигает боковой поверхности и начинает двигаться по ней, пондеромоторная сила, действующая на нее, и, соответственно, скорость частицы резко возрастают. Дальнейшее движение сопровождается снижением силы магнитного поля, а значит и скорости частицы, следовательно, сила сопротивления движению этой частицы также уменьшается. При проектировании электромагнитной части фильтра важно определить оптимальные значения намагничивающей силы, при которых высокое быстродействие может быть получено при минимальных потерях 87 энергии. Необходимо отметить, что нагрев обмотки в данном случае является в определенной степени положительным явлением, т.к. при увеличении температуры вязкость жидкости уменьшается, что приводит к уменьшению силы сопротивления Производительность Стокса, фильтра тормозящей зависит процесс от очистки. гидродинамических, электромагнитных и геометрических параметров жидкости и загрязнений, к которым относятся вязкость жидкости и ее расход, намагничивающая сила, размер частицы загрязнения, высота щели и расстояние между витками. В таблицах 2.1÷2.6 приведены зависимость времени притяжения частицы к наружной стенке t и перемещения ее от одного витка к другому t z от вышеперечисленных параметров (результаты получены при следующих параметрах: радиус частицы 10х10-6 м, вязкость жидкости (воды) 0.001 кг / м с , расход 5 л/мин, высота щели 4 х10-3м, расстояние между витками 1 х10-2м , радиус внутренней трубы 5 х10-2м. Анализ данных из таблиц 2.1-2.2 показал, что увеличение силы тока и диаметра частицы приводит к повышению быстродействия очистителя (рис.2.30 и 2.31), что объясняется увеличением пондеромоторной силы, которая зависит от квадрата тока и от куба радиуса. Сила сопротивления Стокса также увеличивается при увеличении размера частицы, но только в первой степени, поэтому этот фактор не будет иметь определяющего значения при анализе работы очистителя. Таблица 2.1 Зависимость быстродействия очистителя от намагничивающей силы I, A tz , c t , c 2.5 0.025 5 0.006 7.5 0.0024 10 0.0015 15 0.00067 20 0.00035 0.0029 0.00075 0.00035 0.0002 0.00009 0.000054 88 Таблица 2.2 Зависимость быстродействия очистителя от диаметра частицы r, 10 6 м 10 15 20 25 30 40 45 50 t z 10 3 , c 1.5 0.7 0.4 0.25 0.15 0.1 0.074 0.06 t 10 3 , c 0.2 0.088 0.05 0.033 0.023 0.013 0.01 0.009 t, c t z f I t f I I, A Рис.2.30. Зависимость времени достижения боковой стенки и перехода от одного витка к другому частицы от величины силы тока. В таблицах быстродействия от 2.3÷2.8 приведены гидродинамических рассчитанные параметров зависимости жидкости – ее температуры, т.е. вязкости (в случае воды и масла) и расхода (рис.2.32). Как и следовало ожидать, увеличение вязкости при уменьшении температуры, повышающее силу сопротивления Стокса, снижает скорость частицы, а значительное увеличение вязкости при переходе от воды к маслу (примерно на два порядка) приводит к необходимости значительного увеличения намагничивающей силы. 89 Таблица 2.3 Зависимость быстродействия очистителя от температуры воды t, oC 10 20 40 60 t z 10 3 , c 4 3.5 2.4 1.5 t p 10 3 , c 0.5 0.39 0.26 0.19 t ,10 6 c мкс,м м.3.27. Зависимос ть tz времени достижен ия t боковой стенки r , 10 6 м и перехода Рис.2.31. Зависимость времени достижения боковой стенки и перехода от одного от одного витка к другому от радиуса частицы загрязнения. витка к другому от силы тока Зависимость, изображенная на рис.2.32 показала, что быстродействие с очистителя зависит практически линейно от температуры жидкости. Это можно объяснить линейной зависимостью силы Стокса от вязкости жидкости. Выполненные нами расчеты показали, что при силе тока в 10 А частица пройдет расстояние в 1 см за 3 с при очистке масла, что явно не 90 может удовлетворять технологическим требованиям для очистителей, которые применяются для обработки вязких жидкостей. t , 106 c tz t t , oC Рис.2.32. Зависимость времени достижения боковой стенки и перехода от одного витка к другому частицей от температуры воды. Таблица 2.4 Зависимость быстродействия очистителя от температуры воды t , oC 10 20 40 60 t z 10 3 , c 4 3.5 2.4 1.5 t 10 3 , c 0.5 0.39 0.26 0.19 Зависимость, изображенная на рис.2.32 показала, что быстродействие очистителя зависит практически линейно от температуры жидкости. Это можно объяснить линейной зависимостью силы Стокса от вязкости жидкости. По рассчитанным данным из таблиц 2.4 и 2.5 можно сделать вывод о целесообразности использования очистителя с бегущим магнитным полем 91 для очистки воды и других маловязких жидкостей (эмульсий и т.д.). Это ограничение связанно с тем, что для вязких жидкостей требуются большие значения намагничивающей силы, для создания которой придется применять медную шину сечением около 300 мм2 для практической реализации электромагнитной системы фильтра. Таблица 2.5 Зависимость быстродействия очистителя от температуры масла при намагничивающей силе 700 А витков t, oC 20 40 60 t z 10 3 , c 75 6.2 1.7 t 10 3 , c 2.8 0.69 0.2 Таблица 2.6 Зависимость быстродействия очистителя от расхода жидкости q, л / мин 0 5 10 15 20 t z 10 3 , c 3.3 3.4 4 5 9 t 10 3 , c 0.39 При использовании для очистки вязких жидкостей очистителей со сложной конфигурацией магнитного поля, как показали наши расчеты, этой проблемы не существует. Анализ полученных данных таблицы 2.6 показал, что время достижения частицей стенки не зависит от расхода жидкости, как это и 92 следует из нашей математической модели – при ламинарном течении жидкости поперечная составляющая скорости жидкости равна нулю. В таблицах 2.7 и 2.8 приведены зависимости быстродействия от геометрических параметров фильтра – расстояния между витками и высоты щели. Эти зависимости показали, что продольная составляющая перемещения частицы при очистке зависит больше от геометрических параметров фильтра, чем поперечная (рис.2.33). Это еще раз подтвердило правильность наших теоретических исследований. Таблица 2.7 Зависимость быстродействия очистителя от расстояния между витками z нач, м 0.001 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t z 10 3 , c 3 3.4 5 7 8 10 t 10 3 , c 0.36 0.39 0.5 0.74 1.2 2 Таблица 2.8 Зависимость быстродействия очистителя от высоты щели h, м 0.002 0.003 0.004 t z 10 3 , c 2.5 6 9 t 10 3 , c 3.52 3.62 8.4 93 t, c tz t L, м Рис.2.33. Зависимость времени достижения боковой стенки и перехода от одного витка к другому частицей от расстояния между витками. Экспериментальные 2.2. исследования очистки жидкостей электрическим и магнитным полем Для проверки теоретических выводов и моделирования, выполненных во втором разделе, были проведены экспериментальные исследования очистки от ферромагнитных загрязнений жидкостей при помощи разработанных электромагнитных очистителей. 2.2.1. Программа и методика проведения экспериментального исследования Нами для проверки теоретических выводов было проведено экспериментальное изучение влияния различных параметров жидкости, очистителя и загрязнений на степень очистки. При этом осуществлялись измерения, и определялся гранулометрический состав загрязнений до и после очистителя. Исследования проводились на очистителе в его натуральную 94 величину при реальных значениях гидродинамических и электромагнитных параметров, поэтому все условия подобия соблюдались. Проведение эксперимента В задачи экспериментальных определение параметров влияния на конструкции исследований очистителей входило производительность очистителя, жидкости очистителя и различных загрязнений. При проведении экспериментов изменялись: расход очищаемой жидкости и ее вязкость, расстояние между дисками и намагничивающая сила для электромагнитного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля, а также частота переключения обмоток для очистителя с бегущим электромагнитным полем. В качестве критерия оптимизации была выбрана степень очистки, определяемая по ГОСТ 17216-71 выражением Y Z1 Z 2 Z1 Индекс загрязненности Z определяется Z 1 10n510 25n1025 50n2550 100n50100 200n100200 400nвол 1000 где nij - количество частиц в 100 мл интервале от i до j мкм; nвол - количество волокон. Намагничивающая сила контролировалась по величине напряжения на обмотке электромагнитной системы, с учетом U W . R Скорость потока жидкости определялась по ее расходу IW V q , s а вязкость жидкости изменялась за счет изменения ее температуры. 95 Соответствие очистителя требованиям технических условий и комплекта конструкторской документации проверялось визуально. Основные параметры и размеры очистителей соответствуют данным, указанным в таблицах 2.9 и 2.10. Очистители должны работать в течении всего времени испытаний. Стабильность работы обеспечивается путем правильной эксплуатации и технического обслуживания очистителя. Продолжительность работы очистителя при экспериментальных исследованиях - не менее 10 часов. Продолжительность и режимы испытаний и необходимые измерения во время испытаний В ходе испытаний необходимо провести следующие измерения: - расход жидкости; - температуры жидкости; - расстояния между дисками; - напряжения на намагничивающей обмотке; - силы тока в намагничивающей обмотке; - гранулометрический состав загрязнений и класс чистоты жидкости до и после очистителя; - частоту следования намагничивающих импульсов. Время испытаний получения одной пробы - 10 мин. По результатам анализа методов [70, 71, 73, 88] и средств измерений были разработаны гидравлическая и электрические схемы стендов для испытания очистителей (рис.2.34 ÷ рис.2.36). Подготовка испытательного стенда и очистителей к испытаниям заключается в следующем. Заливают в бак испытательную жидкость. Проверяют визуально соответствие присоединения трубопроводов гидравлической схеме стенда и надежность крепления, и герметичность всех фланцевых соединений трубопроводов и очистител. Проверяют соответствие электрических соединений электрической схеме. Проверяют наличие, исправность и правильность подключений средств измерений: расходомер типа ВСКМ - 16/40; секундомер; мерная емкость 10 л; амперметр постоянного тока на максимальное значение 15А; вольтметр постоянного тока на максимальное напряжение на 50В; манометр; термометр. 96 Таблица 2.9 Техническая характеристика электромагнитного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля Наименование параметра Значение параметра Пропускная способность, л/мин 30 Максимальное давление в системе, МПа 1 Перепад давления на очистителе, МПа 0.03 Вязкость жидкости, мм2/с 3÷200 Загрязненность исходного потока, г/л, не более 6 Степень очистки за один проход, %, не менее 80 Способ очистки гидромагнитодинамический Грязеемкость, кг, не менее 0.5 Таблица 2.10 Техническая характеристика электромагнитного очистителя с бегущей волной Наименование параметра Значение параметра Пропускная способность, л/мин 30 Максимальное давление в системе, МПа 1 Перепад давления на очистителе, МПа 0.03 Вязкость жидкости, мм2/с 0.7÷1.2 Загрязненность исходного потока, г/л, не более 6 Степень очистки за один проход, %, не менее 80 Грязеемкость, кг, не менее 0.5 После проверки проводят эксперимент согласно табл.2.11 и табл.2.12. и определяют гранулометрический состав загрязнений до и после очистителя. При проведении эксперимента соблюдают следующие меры безопасности. Сборку и разборку очистителя производить только при отключенном насосе и электропитании. 97 Таблица 2.11 Программа проведения экспериментальных исследований электромагнитн6ого очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля № варианта Расход жидкости, Температура, оС л/мин Расстояние между дисками, 10 3 м Сила тока, А 1 6 20 20 10 2 12 20 20 10 3 18 20 20 10 4 24 20 20 10 5 30 20 20 10 6 12 10 20 10 7 12 20 20 10 8 12 30 20 10 9 12 40 20 10 10 12 50 20 10 11 12 60 20 10 12 12 70 20 10 13 12 20 15 10 14 12 20 10 10 15 12 20 15 10 16 12 20 20 10 17 12 20 25 10 18 12 20 30 10 19 12 20 20 3 20 12 20 20 4 21 12 20 20 5 22 12 20 20 6 23 12 20 20 7 24 12 20 20 8 25 12 20 20 9 26 12 20 20 10 98 12 11 4 5 10 3 6 2 8 1 9 7 Рис.2.34. Гидравлическая схема стенда. 1 - всасывающий трубопровод; 2 - насос; 3 - трубопровод подачи; 4 – исследуемый очистителя; 5 - трубопровод фильтрата; 6 расходомер; 7 - бак; 8 – тэн; 9 - термометр; 10 - кран; 11 и 12 - манометры. 3 1 РА PV 2 4 6 5 Рис.2.35. Электрическая схема для испытания электромагнитного фильтра со сложной конфигурацией магнитного поля. 1 –латр; 2- -мост выпрямительный; 3 – амперметр; 4 – вольтметр; 5 – конденсатор; 6 – катушка очистителя. 99 L1.1 L1.2 L1.3 ~ 220 V L1.4 L2.1 L2.2 L2.3 L2.4 · · L7.1 L7.2 L7.3 L7.4 L8.1 L8.2 L8.3 L8.4 Система управления K1 K2 K3 K4 Рис.2.36. Электрическая схема для испытания электромагнитного очистителя с бегущим магнитным полем. 100 При проведении анализа проб жидкости концентрация вредных веществ в помещении не должна превышать ПДК. При испытаниях и проведении анализа загрязненности в случае использования в качестве испытательной жидкости горючих жидкостей, дополнительно необходимо выполнять требования ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010-76 [86, 87]. Таблица 2.12. Программа проведения экспериментального исследования электромагнитного очистителя с бегущей волной № варианта Расход жидкости, Температура, оС л/мин Расстояние между Сила 3 витками, 10 м тока, А 1 5 20 10 2.5 2 5 20 10 5 3 5 20 10 7.5 4 5 20 10 10 5 5 20 10 15 6 5 20 10 20 7 10 20 10 10 8 20 20 10 10 9 40 20 10 10 10 60 20 10 10 11 5 15 10 10 12 5 10 10 10 13 5 15 10 10 14 5 20 10 10 15 5 20 15 10 16 5 20 10 10 17 5 20 20 10 18 5 20 30 10 19 5 20 40 10 20 5 20 50 10 101 Для проведения испытаний очистителя с бегущим магнитным полем была разработана электрическая схема подключения электромагнитной системы очистителя, которая изображена на рис.2.36. Электромагнитная система очистителя состоит из 32 катушек индуктивности L1.1÷L8.4, расположенных одна над другой по оси корпуса фильтра. Катушки индуктивности соединены в 4 параллельные ветви, подсоединенные к сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц через коммутаторы К1÷К4. Каждая ветвь состоит из 8 последовательно соединенных катушек L1.1÷L8.1, L2.1÷L8.2, L3.1÷L8.3, L4.1÷8.4. Управление ключам К1÷К4 осуществляется от системы управления (СУ). СУ построена таким образом, что позволяет переключать катушки магнитной системы в любой очередности и в любом направлении («сверху - вниз» или наоборот). На рис.2.37 изображены импульсы управления ключами К1÷К4 в случае получения в электромагнитной системе очистителя бегущей магнитной волны «сверху - вниз». K1 K2 K3 K4 t,c 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис 2.37. Управляющие сигналы для ключей К1-К4 поочередного переключения катушек очистителя с бегущим магнитным полем. 102 2.2.2 Результаты экспериментального исследования очистителей со сложной конфигурацией магнитного поля и с бегущей электромагнитной волной применительно к очистке вязкой жидкости 2.2.2.1 Результаты экспериментального исследования очистителей со сложной конфигурацией магнитного поля Экспериментально гидродинамических, было геометрических проверено и влияние различных электромагнитных параметров очистителя на эффективность его работы. К параметрам жидкости относятся ее расход и вязкость. В табл. 2.13 и 2.14 приведены теоретические и экспериментальные значения степени очистки в зависимости от расхода жидкости и ее температуры. Таблица 2.13 Зависимость экспериментальной yтеорет и теоретической yпракт степень очистки от расхода жидкости q, л / мин 6 12 18 24 30 y теорет 0,9634 0,9565 0,95 0,9499 0,9483 0,99 0,86 0,798 0,976 0,98 y практ Таблица 2.14. Зависимость экспериментальной yпракт и теоретической yтеорет степени очистки от температуры жидкости t, oC 10 20 30 40 50 60 70 y теорет 0,948 0,949 0,95 0,9505 0,951 0,951 0,951 y практ 0,824 0,96 0,855 0,98 0,86 0,99 0,89 103 Степень очистки определялась, используя выражение Y таблицах 2.15 и приведены 2.16 результаты Z1 Z 2 . В Z1 эксперимента - гранулометрический состав загрязнений до и после очистителя, индексы загрязненности очищаемой и очищенной жидкости, теоретическое и экспериментальное значение степени очистки, а также разница в процентах между ними. Максимальная разница составляет 16%, что с учетом возможной погрешности определения гранулометрического состава загрязнений вполне допустимо. Сравнение результатов математического и физического моделирования поведения ферромагнитных частиц загрязнений в воде постоянного неоднородного магнитного поля под влиянием показало соответствие теоретических выводов практике. Таким образом, экспериментальная проверка показала правильность теоретических выводов о влиянии параметров жидкости на степень очистки электромагнитного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля, что свидетельствует о справедливости выводов, приведенных выше. К геометрическим улавливающего диска параметрам (т.е. радиус очистителя трубы, в относятся которой радиус установлена улавливающая система) и расстояние между улавливающими дисками. Изменение диаметра трубы требует перемотки обмотки намагничивания, другими словами изготовления новой улавливающей системы, что приводит к необходимости создания новой конструкции. Поэтому экспериментальное изучение влияния радиуса улавливающего диска на степень очистки не проводилось. При изменении расстояния между дисками были получены следующие теоретические и экспериментальные значения очищающей способности в зависимости от расстояния (таблица 2.17) 103 Таблица 2.15 Гранулометрический состав загрязнений до и после очистителя при различных расходах жидкости q, утеор л/мин количество частиц в 100 мл до количество частиц в 100 мл Z1 очистителя крупностью, 10-6м Z2 yпракт после очистителя крупностью, разни ца 10-6м 10-25 25-50 50-100 >100 10-25 25-50 50-100 >100 % 6 0,9634 28637 21888 12558 2736 505 218 125 0 3616 36 0,99 2,76 12 0,9565 56544 43046 10579 1459 20275 1721 925 0 4915 688 0,86 10 18 0,95 81715 35021 27542 365 23760 3852 5508 0 6621 1337 0,798 16 24 0,9499 61925 30643 8846 1271 1409 612 353 0 4219 101 0,976 2,75 30 0,9483 57849 37605 14243 988 175 752 509 0 4948 98 0,98 3,34 104 Таблица 2.16 Гранулометрический состав загрязнений до и после очистителя при различной температуре жидкости t, oC утеор количество частиц в 100 мл до количество частиц в 100 мл Z1 очистителя крупностью, 10 -6м Z2 yпракт после очистителя крупностью, разни ца 10 -6м 10-25 25-50 50-100 >100 10-25 25-50 50-100 >100 % 10 0,948 81715 32419 9850 364 17858 4538 1576 0 4721 831 0,82 13 20 0,949 50160 19841 9485 729 739 595 853 0 3340 133 0,96 1,6 30 0,95 64205 36480 6201 730 10149 5107 922 0 4195 608 0,85 10 40 0,9505 53261 28819 12403 1915 955 288 469 0 4395 87 0,98 3,1 50 0,951 81940 29914 18390 1321 6444 3888 4045 0 5647 760 0,86 9 60 0,951 63110 28454 8485 1475 669 284 94 0 4043 40 0,99 3,94 70 0,951 70771 24259 12768 659 10874 1940 1150 0 4399 483 0,89 6,41 105 Таблица 2.17 Экспериментальная упракт и теоретическая утеор степени очистки в зависимости от расстояния между дисками L,x10-3 м 5 10 15 20 25 30 утеор 1 0,9754 0,9576 0,9518 0,9492 0,9447 упракт 0,91 0,85 0,98 0,81 0,87 0,97 Максимальная разница между теоретическим и экспериментальным значением степени очистки жидкости составляет 13.7%, что вполне допустимо и подтверждает правильность теоретических выводов. К электромагнитным параметрам очистителя и двухфазной жидкости относятся намагничивающая сила и магнитная восприимчивость частицы загрязнения. Намагничивающая сила определяется как произведение силы тока в обмотке намагничивания на число витков. Изменение этого параметра осуществлялось изменением питающего напряжения. Магнитная восприимчивость зависит от материала частицы и напряженности магнитного поля. Изменение материала частицы потребовало бы слива имеющейся загрязненной жидкости, промывки системы и заливки новой жидкости с подготовленным новым загрязнителем. Экспериментально зависимость между магнитной восприимчивостью и степенью очистки не исследовалась. Экспериментальные и теоретические значения степени очистки при изменении силы тока приведены в табл. 2.18. В таблицах 2.19÷2.20 приведены данные о количестве частиц различного размера в 100 мл жидкости до и после очистки, по которым рассчитаны индексы загрязненности и экспериментальная степень очистки, а также разница между теоретической и экспериментальной степенью очистки. Как показывают расчеты, максимальная разница составляет 19.5%. 106 Таблица 2.18 Экспериментальная упракт и теоретическая утеор степени очистки в зависимости от величины тока в намагничивателе I, A 3 4 5 6 утеор 0,939 0,943 0,946 0,947 0,949 0,949 0,949 0,949 упракт 0,945 0,98 0,93 0,86 7 8 0,92 0,9 9 0,98 10 0,91 2.2.2.2 Результаты экспериментального исследования очистителей с бегущей электромагнитной волной применительно к очистке вязкой жидкости. Экспериментальные исследования позволят проверить теоретические предположения, которые были определены во второй части работы, в том, что очиститель со сложной конфигурацией магнитного поля необходимо применять для очистки более вязких жидкостей. Эксперимент был выполнен при очистке СОЖ на основе воды. Применить этот очиститель для СОЖ от механических ферромагнитных загрязнений затруднительно из-за того, что улавливающие диски изготовлены из магнито-мягкой стали, подверженной коррозии, вследствие чего сам очиститель, предназначенный для очистки СОЖ, будет генерировать загрязнения. Эту проблему можно решить, если изготовить улавливающие диски из других ферромагнитных материалов, вплоть до ферритов. Но ферриты целесообразно применять только в высокочастотном магнитном поле из-за их относительно малой магнитной проницаемости. Другие же ферромагнитные вещества (такие как тантал, платина и т.д.) достаточно дороги. Наиболее реальным представляется применение в очистителях для СОЖ на основе воды нержавеющей магнитной стали или обычной магнито-мягкой, но с выполненным защитным покрытием от коррозии. Улавливающая система, состоящая из отникелирована, дисков чтобы из не магнитомягкой создавать стали, была дополнительных загрязнений, которые могут появиться при испытаниях. предварительно ферромагнитных 107 Таблица 2.19 Гранулометрический состав загрязнений до и после очистителя при различных расстояниях между дисками l, мм утеор количество частиц в 100 мл до количество частиц в 100 мл после Z1 очистителя крупностью, 10 -6м очистителя крупностью, 10 -6м 10-25 25-50 50-100 >100 10-25 25-50 50-100 >100 Z2 yпрак разни т ца % 5 1 48883 31373 11309 552 6051 2196 1017 0 4032 362 0,91 9 10 0,9754 50707 22984 10214 367 6923 2988 2042 0 3511 526 0,85 12,8 15 0,9576 45782 21706 8299 421 319 434 331 0 3143 62 0,98 2,34 20 0,9518 65664 14352 7360 641 12869 2870 1471 0 3223 612 0,81 14,18 25 0,9492 57437 28872 9351 392 6345 4330 1309 0 3893 506 0,87 8,34 30 0,9447 52772 16891 12473 1001 1324 506 498 0 3611 108 0,97 2,68 108 Таблица 2.20 Гранулометрический состав загрязнений до и после очистителя при различной силе тока в намагничивателе I, A утеор количество частиц в 100 мл до количество частиц в 100 мл Z1 очистителя крупностью, 10 -6м Z2 yпракт разница после очистителя крупностью, 10 -6м 10-25 25-50 50-100 >100 10-25 25-50 50-100 >100 % 3 0,939 59282 24483 11973 360 2477 979 1077 0 3975 218 0,945 0,63 4 0,943 67842 38537 12186 983 757 385 121 0 5038 50 0,98 3,92 5 0,946 42871 30792 11001 614 4312 1231 990 0 3834 268 0,93 1,69 6 0,947 53333 29972 10679 847 10041 3596 1388 0 4069 569 0,86 9.19 7 0,949 30893 20410 13002 641 3066 1020 1300 0 3221 257 0,92 3,05 8 0,949 57117 27881 14831 415 6008 2509 1631 0 4388 438 0,9 5,16 9 0,949 47572 29841 10375 416 2029 298 103 0 3802 76 0,98 3,26 10 0,949 48719 22116 9905 238 4602 1769 990 0 3361 302 0,91 4,11 109 Таблица 2.21 Результаты сравнительных испытаний очистителей при очистке маловязких жидкостей Вид очистителя количество частиц в 100 мл до количество частиц в 100 мл после Z1 очистителя крупностью, 10 -6м очистителя крупностью, 10 -6м 10-25 10-25 25-50 50-100 >100 25-50 50- Z2 yпракт >100 100 Очиститель со сложной 49887 24465 10453 256 20265 15998 3952 10 3567 1703 0.52 51265 28385 12835 198 5093 3295 678 0 4023 359 0.91 конфигурацией магнитного поля Очиститель бегущей волной с 110 В табл.2.21 приведены результаты этого эксперимента при следующих условиях: расход воды 6 л/мин, температура 20 оС, расстояние между дисками 10x10-3 м, сила тока 10 А. Для сравнения в этой же таблице даны результаты испытаний очистителя с бегущей волной также для очистки СОЖ на основе воды. При этом у очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля получена степень очистки 52.5% (в то время как у фильтра с бегущей волной – 91%), что свидетельствует о большей целесообразности применения этого очистителя для очистки менее вязких жидкостей. Экспериментальная проверка характеристик очистителя с бегущей электромагнитной волной будет выполнена в реальных условиях на предприятии. 2.2.3. Экономическая эффективность применения очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля Экономическая эффективность применения очистителя с бегущим электромагнитным полем была рассчитана в условиях ремонтно- транспортного цеха АКП “Лугансквода”. По результатам испытания очиститель с бегущим электромагнитным полем определялась экономическая эффективность его использования. Экономический эффект от внедрения этих фильтров может быть достигнут за счет качественной очистки как заправляемого, так и отработанного масла. Масло, очищенное с помощью центрифуги СМ1-3000 можно трижды использовать для приработки двигателей СМД-60, а применение очистителя с бегущим электромагнитным полем позволяет увеличить кратность применения одной и той же порции масла до пяти раз. В этом случае экономический эффект будем определять по выражению ΔЭм = ΔМ · Цм, 111 где ΔМ - количество масла сэкономленного при применении очиститель с бегущим полем, тонн; Цм - цена масла, грн. При нормальной работе ремонтно-транспортного цеха предприятия в среднем за месяц прирабатывается 60 двигателей СМД-60, емкость картера каждого двигателя составляет 20 л. Таким образом, количество масла (Мн) необходимого для приработки двигателей за год составит Мн = 60 · 12 · 0,020 = 14,4 т/год. Учитывая, что при использовании очистки масла при помощи центрифуги его можно использовать три раза перед регенерацией, годовой расход масла составит М = 60 · 12 · 0,020 / 3 = 4,8 т/год, а в случае применения для очистки очистителя с бегущим магнитным полем одно и тоже масло можно использовать пять раз до регенерации, тогда расход масла за год в этом случае будет М ´= 60 · 12 · 0,020 / 5 = 2,88 т/год. Таким образом, реальная экономия масла за один год составит ΔМ = М - М´ = 4,8 – 2,88 = 1.92 т/год. Учитывая, что цена масла М10Г2 на 1.02.2008 года составляет 2950 гривней за тонну, экономический эффект от применения очистителя с 112 бегущим магнитным полем на участке обкатки двигателей СМД-60 составит ΔЭм = 1.92 · 2950 = 5664 грн/год. Для мероприятий научно-технического прогресса расчет годового экономического эффекта за срок службы оборудования будем выполнять с использованием выражения Э Зг Зг Эм 10235 .25 2261 .14 5664 22730.18 грн Rp E 0.5 0.1 Испытания и внедрение очистителя выполнялось на небольшом ремонтном предприятии (ремонтном транспортном цехе АКП “Лугансквода” на участке обкатки двигателей СМД-60). В условиях транспортного цеха АКП “Луганск-вода” на участке обкатки двигателей СМД-60 очистителя с бегущим электромагнитным полем окупается за 3.3 месяца. Документы, подтверждающие проведение испытаний разработанного автором работы очистителя с бегущим электромагнитным полем приведены в приложении А. В приложении Б приведен протокол совещания на котором рассматривались теоретические вопросы работы очистителя с бегущей электромагнитной волной и его применения в промышленности. Это техническое совещание промышленных жидкостей. проходило в г.Катовице в центре очистки 113 2.3. Выводы 1. Разработаны очистителей научно-методические рабочих жидкостей основы насосв, для создания использующих гидродинамические эффект очистки, в которых обоснована возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений на пондемоторную силу, что позволило упростить конструкцию очистителей и значительно повысить тонкость очистки; теоретически обоснована возможность создания очистителей для жидкостей различной плотности, разработаны их математические модели, определены зависимости основных характеристик очистителей и очерчены области их применения. 2. Исследования предложенного и изготовленного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля (ОСМП) показали, что увеличесние расхода и вязкости жидкости незначительно уменьшают степень очистки, а увеличение радиуса улавливающего диска и расстояния между дисками снижают степень очистки. Увеличение величины тока повышает степень очистки до определенной величины, после чего степень очистки не изменяется, но увеличиваются тепловые потери. 3. Исследования предложенного и изготовленного очистителя с бегущим магнитным полем показали, что увеличение силы тока и диаметра частицы приводит к повышению быстродействия очистителя и степени очистки, но быстродействие линейно зависит от температуры жидкости (вязкости) и не зависит от расхода. 4. Очистители со сложной конфигурацией магнитного поля целесообразно использовать для очистки более вязких жидкостей, а фильтры с бегущим магнитным полем – для жидкостей с малой вязкостью. Экспериментальная и промышленные расчеты испытания опытных образцов очистителей подтвердили теоретические расчеты и выводы, а 114 также экономическую и техническую целесообразность использования разработанных очистителей в существующих гидросистемах. 5. Испытания в промышленных условиях опытных образцов разработанных очистителей подтвердили все ожидаемые технико- экономические характеристики и показали целесообразность дальнейшего распространения созданного класса очистителей на другие отрасли промышленности. 115 РАЗДЕЛ 3 РАЗРАБОТКА ОЧИСТИТЕЛЕЙ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ НАСОСОВ 3.1. Разработка входных очистителей перекачиваемой среды при повышении всасывающей способности динамических насосов 3.1.1 Обоснование использования во целесообразности входном очистителе комбинированного гидродинамического очистителя и струйного насоса (рециркуляционная схема) Выше (раздел 1) уже сделан вывод – разработка средств очистки рабочих жидкостей по отношению к объемным гидромашинам определила практику таких разработок применительно к динамическим насосам. Соответственно, справедливо утверждение – в динамических насосах целесообразно использовать при создании и эксплуатации новые разработки из области объемных гидромашин. Прежде всего это касается нового класса очистителей, принцип действия которых основан на так называемом гидродинамическом эффекте, выявленном и обоснованном проф. Финкельштейном З.Л. [102]. Суть указанного эффекта, как это уже сказано выше (раздел 1), сводится к следующему – возможно создать условия, при которых через ячейки поверхностного фильтроэлемента будут проходить частицы, размер которых существенно меньше размеров ячеек «в свету». Создавать указанные очистители с теми или иными производственно – технологическими показателями (массогабаритные характеристики и другие) или эксплуатационными показателями (соотношение величин основного и сбрасываемого потоков, срабатываемый перепад давления на 116 фильтре и другие) можно изменяя состав и величины сил, действующих на частицу. В настоящее время создана большая группа разных конструкций очистителей, использующих описанный гидродинамический эффект, – специалистами Донбасского государственного технического университета, исследования где ведутся длительное время в данном направлении, данная систематические группа технических устройств названа очистителями рабочих гидросмесей, основанных на электрогидравлических технологиях. Среди них можно отметить работы: создание дополнительного воздействия на частицы введением подвижности (вращения) фильтроэлемента [6], введением закрутки потока с внешней стороны фильтроэлемента [27], введением электрического [118] или магнитного [23] полей. При разных комбинациях используемых сил воздействия на частицы мы получаем очистители с разными показателями их качества, что позволяет подобрать их для разных условий эксплуатации и использования в технических устройствах других конструктивных исполнений и назначений, например, в динамических насосах. Прежде всего вернемся к проблеме создания входных очистителей динамических насосов. В разделе 1 приводятся результаты разработки типового гидродинамического очистителя применительно к насосам систем ППТ нефтяных месторождений типа ЦНС 180. Данная разработка решает рассматриваемую задачу, но не в полной мере – задача ставится о создании входного очистителя не ухудшающего всасывающую способность защищаемого динамического насоса, другими словами о создании очистителя с минимальным (желательно нулевым) перепадом давления на нем. Отдельной проблемой является случай использования подпорных (бустерных) насосов для повышения антикавитационных качеств основного динамического насоса [67]. Речь идет о защите высоконагруженного насоса путем установки перед ним подпорного насоса той же производительности, но со значительно меньшим напором, достаточным для преодоления 117 сопротивления очистителя, установленного перед всасывающим патрубком основного насоса. Поскольку изнашивание абразивными частицами пропорционально второй – третьей степени перепада давления на насосе, надежность основного насоса будет много выше, чем надежность подпорного насоса в случае его работы на загрязненной жидкости. Однако такая схема требует значительное увеличение стоимости оборудования: двойная цена насосов, очистителей с малым сопротивлением, устройства синхронизации расходов, больших габаритов, усложнение конструкции комплекса насосного оборудования. Пусть медленно, но изнашивается подпитывающий насос и, кроме того, необходимы большие площади, много расходного материала и трудозатрат на обслуживание, требуются очистители, рассчитанные на очень большие производительности. Как уже указывалось выше, основной причиной невозможности избавиться от дополнительного насоса в случае очистки жидкости на всасывании в основной насос является малая всасывающая способность основного насоса, приводящая и без очистки к опасности возникновения в нем кавитации. Укажем еще на два обстоятельства, которые необходимо учитывать при создании систем очистки рабочей жидкости на входе в динамические насосы. Первое – осадительная колона. Можно ориентироваться на осадительную колону, успешно эксплуатируемую на Анастасьевском месторождении Ахтырского НГДУ на протяжении четырех лет [51] разработанную в Сумском государственном университете (автор – к.т.н. Соляник В.А.). Следует также учесть имеющиеся достаточные успешные наработки ДонГТУ (г.Алчевск) в этом направлении. Второе – наличие срабатываемого перепада давления на очистители, что может существенно повлиять на антикавитационные качества защищаемого динамического насоса. Здесь мы имеем дополнительное преимущество гидродинамических очистителей. 118 Все традиционные очистители высокой пропускной способности (сотни, тысячи и десятки тысяч метров кубических в час) имеют сопротивление, как минимум в 0,2÷0,3МПа, что вообще исключают их использование в линии всасывания. Поскольку гидродинамическая очистка позволяет создавать очистители любой пропускной способности с чрезвычайно малым сопротивлением (0,01÷0,02МПа) появилась возможность повысить напор на срезе всасывающего патрубка насоса. Суть предложения видна на рис. 3.1, где изображена принципиальная схема всасывающего устройства с рециркуляцией части нагнетаемого потока с целью повышения давления на всасывании. Устройство состоит из всасывающего трубопровода 7, струйного насоса 6, подающего жидкость на очиститель 5, насоса 4, нагружаемого потребителем 1. Часть жидкости, подаваемой потребителю с помощью дросселя-вентиля 3 по обводному трубопроводу 2, поступает с необходимым давлением на струйный насос 6, создавая скоростной поток, создающий дополнительное разряжение, помогающее повысить всасывающую способность динамического насоса. Для контроля рабочего процесса в схеме предусмотрены мановакууметр 9 и манометр 10. Дроссель 8 необходим для обеспечения очистителем 5 нужной тонкости очистки. Сброс части потока из линии нагнетания известен как один из методов регулировки производительности динамических насосов [42, 62, 63, 67]. В случае объемных гидромашин - это принцип дроссельного регулирования, который допустимо применять при общей мощности не выше 3кВт. 119 Н 1 2 10 М 3 9 В 4 5 8 6 7 Рис. 3.1. Принципиальная схема всасывающего устройства с рециркуляцией части нагнетаемого потока: 1 - потребитель; 2 – обводной трубопровод; 3 – дроссель-вентиль; 4 насос; 5 - очиститель; 6 – струйный насос; 7 – всасывающий трубопровод; 8 - дроссель; 9 - мановакууметр; 10 – манометр. Анализируя энергетические характеристики высокооборотных лопастных машин, профессор Б.И. Боровский [26] указал «… эффект эжекции, создаваемый в таком уплотнении (с наклонным козырьком – Н.Б.) потоком протечек, повышает давление на входе в колесо, устраняя западание рабочей характеристики и улучшая антикавитационные качества 120 ступени». По нашему мнению, здесь прямое подтверждение работоспособности схемы. Наконец, следует указать, что подобную схему по повышению вакуумметрической высоты всасывания центробежных насосов успешно испытали в толстолистовом цехе Алчевского металлургического комбината. Таким образом, с принципиальной точки зрения предлагаемый метод повышения надежности не должен вызывать сомнений. Эффективность предлагаемого устройства можно оценить по данным работы [61]. Ниже приводится заимствованная из [61] таблица, отображающая показатели установок с гидроструйными насосами для повышения кавитационного запаса динамических насосов. Однако теоретическое и расчетное исследование рециркуляции жидкости в динамических насосах вызывает значительные трудности. Во-первых, уровень повышения давления в линии всасывания зависит от количества рециркулируемой жидкости, от нагрузки со стороны потребителя, от характеристики защищаемого насоса, от характеристики обводного клапана и от других показателей. При этом эти показатели в свою очередь зависимы между собой и, самое главное, от меняющейся нагрузки (требуемого расхода и напора). Рециркуляция приводит к потерям КПД как в связи с потерями мощности, идущей на рециркуляцию, так и в связи с изменением ординаты на кривой КПД в характеристике насоса. Поэтому экономической учет всех указанных целесообразности факторов энергопотерь и определение ради повышения надежности – сложная научная и инженерная задачи. Во-вторых, приведенная на рис. 3.1 схема – это пример положительной обратной связи, которая, как известно, может привести к неустойчивой работе системы. Возникает опасность опрокидывания системы, т.е. полного прекращения подачи основным насосом. 121 Решение указанной проблемы возможно с использованием методов теории автоматического управления. Показатели установок с гидроструйными насосами для повышения надкавитационного напора лопастных насосов. Относительное Относительный Относительный Гидравлический повышение расход полезный надкавитацион жидкости ного КПД г на расход агрегата напора работу Параметр струйного насоса Qпол Qнас h H нас струйного 0,0126 0,09 0,91 0,920 8,5 0,0155 0,1 0,9 0,917 7,6 0,0183 0,11 0,89 0,901 7,1 0,0215 0,12 0,88 0,900 6,6 0,0256 0,13 0,87 0,888 5,9 0,0283 0,14 0,86 0,880 5,6 0,0315 0,15 0,85 0,878 5,4 0,0352 0,16 0,84 0,870 5,1 0,0395 0,17 0,83 0,860 4,8 0,0450 0,18 0,82 0,852 4,5 0,0526 0,20 0,80 0,843 4,2 0,0605 0,22 0,78 0,830 3,8 0,0710 0,24 0,76 0,816 3,5 0,0850 0,26 0,74 0,800 3,3 0,1050 0,29 0,71 0,780 3,1 насоса dг dс Q Qнас Поскольку, нужные методы разработаны, как правило, для задач электротехники, то целесообразно, с нашей точки зрения применить электрогидравлическую аналогию, т.е. представить задачу в виде электрической цепи, исследовать ее, а интерпретировать с точки зрения гидропривода. полученные результаты 122 Дополнительно к выше изложенному нами была приведена дополнительная экспериментальная проверка возможности повышения всасывающей способности динамических насосов рециркуляцией потока. В лаборатории шахтного водоотлива Донбасского государственного технического университета была проверена принципиальная возможность повышения всасывающей способности центробежного за счет частичного отбора жидкости из линии нагнетания и после дросселирования пополнения этим отобранным потоком линии всасывания. Необходимо было убедиться, что возможно увеличить всасывающую способность на величину перепада давления на очистителе всего потока жидкости, поступающей на всасывающий патрубок насоса. При этом следует учесть, что, во-первых, подаваемая из линии нагнетания в линию всасывания жидкость уже прошла очистку и, следовательно, не будет изнашивать струйный насос, а, во-вторых, эта часть потока подвергается двойной очистке и, следовательно, повышаются качества выдаваемого продукта. Опытная установка была собрана по схеме рис.3.1. Отличие состояло только в том, что в месте соединения обводной трубы со всасывающим трубопроводом не устанавливался струйный насос. Такое решение шло в «запас». Понятно, что если без струйного насоса будет доказана возможность установки серийного гидродинамического очистителя, и что при этом будет обеспечена устойчивость работы системы, при наличии струйного насоса задача будет выполняться гарантировано, и станет новая задача оптимизации процесса. В качестве испытываемого насоса использовался центробежный насос ЦНС-60-66. Все приборы прошли метрологическую поверку. Как следует из акта (Приложение В), за счет рециркуляции 45% подачи было получено повышение всасывающей способности на 0.02 МПа, что вполне достаточно для компенсации перепада давления на любом рассчитанном на самую большую пропускную способность гидродинамическом очистителе. Изложенное выше, нам представляется достаточным обоснованием для положительного решения вопроса о целесообразности использования 123 гидродинамических очистителей в качестве входных очищающих устройств динамических насосов. 3.2. Разработка очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкости динамических насосов. Обратимся далее ко второй проблеме, имеющей с нашей точки зрения, прямое отношение к рассматриваемому вопросу, – вопрос об очистке смазывающих и запирающих жидкостей, используемых применительно к опорно-уплотнительным узлам динамических насосов. 3.2.1. Неполнопоточные очистители. В основу разработки очистителей для динамических машин положен принцип гидродинамического разделения фаз (см. раздел 1). Применительно к входным фильтрам насосов мы выше вели речь только об, так называемых, полнопоточных очистителях – в которых очищается вся перекачиваемая жидкость. Применительно к охлаждающим и смазывающим жидкостям целесообразно говорить о неполнопоточных очистителях, в которых очищается с высокой степенью точности очистки только часть жидкость, непосредственно, проходящая через дроссельные зазоры в опорах и уплотнениях, а также подающаяся в другие вспомогательные устройства. Схематично неполнопоточный фильтр представлен на рис.3.2. 3 1 4 2 Рис.3.2. Схема неполнопоточного очистителя. 124 Устанавливается очиститель в линии нагнетания соответствующей жидкости. Как показано на рис.3.2 схематично очиститель представляет собой вставку в трубопровод 1, имеющую ответвление 4 на трубку, в которую поступает жидкость с высокими требованиями к ее чистоте. Вставка состоит из фильтрующего сетчатого цилиндра 3 и корпуса вставки 2. При включении вентиля подачи очищаемой жидкости часть поступает по трубопроводу 4, очищалась перегородкой 3. Хотя крупность ячеек в этой перегородке невелика, засорение ее не происходит, т.к. крупные частицы уносятся основным потоком. Для увеличения скорости последнего диаметр фильтрующего цилиндра выполняется меньшим, чем диаметр трубопровода. Такая схема применима, если на очистку расходуется жидкости значительно меньше, чем ее протекает по трубопроводу 1. Нами произведены расчеты очистителя, работающего по вышеописанной схеме. Согласно результатам выполненных расчетов, получено следующее: насос производительностью Q 180 м 3 / час , на очистку поступает ( Q1 ) 5% от производительности насоса; тонкость очистки d 20 мкм . Диаметр перфорированной перегородки D 100 мм . Применяем в качестве перегородки сетку с размерами ячейки в свету 0,5х0,5 мм и толщиной проволоки 0,3 мм. Согласно выполненным расчетам для выполнения выше указанных условий необходима длина вставки около L 150 мм , при этом перепад давления на очистители равен P 0,02МПа . Уменьшение указанного перепада давления можно произвести увеличением длины вставки. 3.2.2. Гидроэлектромагнитные очистители. Опыт показал, что для гидродинамических очистителей без использования дополнительной энергии надежно получаемая постоянная крупность частиц 25мкм. В то же время во многих случаях, при наличии 125 продуктов изнашивания, в первую очередь ферромагнитных частиц, такая тонкость очистки является недостаточной. Работами профессора С.В.Горобец [32, 33] было доказано, что вокруг ферромагнитной частицы достаточно малого размера, находящейся в магнитном поле, возникает возбужденное магнитное поле, которое на 107 раз больше, чем возбудившее его. При этом диа- и парамагнетики притягиваются к ферромагнитной частице малого размера и сами по себе могут быть причиной интенсивного изнашивания оборудования. По нашему мнению в данном случае требуется применение комплексной очистки с использованием электромагнитных очистителей, разработанных на базе электрогидравлических технологий (раздел 2), где позволит в несколько раз поднять надежность и долговечность оборудования, работающего с жидкостями обогащенными продуктами изнашивания. Учитывая теорию и испытания электромагнитных очистителей со сложным магнитным полем и с бегущей электромагнитной волной, можно рекомендовать следующие схемы. 1 1 2 4 2 6 4 6 3 5 5 3 а) Рис 3.3. б) Схема неполнопоточной очистки жидкостей с использованием электрогидравлических технологий: а – для маловязких жидкостей; б – для жидкостей средней вязкости: 1 – насос; 2 – гидродинамический очиститель; 3 – электромагнитный очиститель; 4 – потребитель жидкости без очистки; 5 – потребитель очищенной жидкости; 6 – дроссель 126 Из предыдущего раздела следует возможность очистки жидкостей от механических примесей тоньше определенного уровня получаемого при гидродинамической очистке. Опыт применения гидродинамических очистителей показал, что для гидродинамических очистителей без использования дополнительной энергии надежно получаемая наименьшая крупность частиц 25мкм. В то же время во многих случаях, при наличии продуктов изнашивания, в первую очередь ферромагнитных частиц, такая тонкость очистки является недостаточной. Одно из самых проблемных мест при производстве автомобилей является сверление длинных (до 400мм), малого диаметра (до 6мм) отверстий в распредвалах. Причем одновременно в течении 40÷60с сверлится 12 отверстий. Как бы тонко традиционными фильтрами не очищалась смазочноохлаждающая жидкость (СОЖ), идущая через ось перьевого сверла, стойкость их крайне низкая, а продолжительность работы даже лучших насосов фирмы Бош (на АЗЛК) или специализированного немецкого станка «Beda» (на АвтоВАЗе) не превышала 3 месяцев. По нашему мнению применение комплексной очистки на базе электрогидравлических технологий позволит в несколько раз поднять надежность и долговечность оборудования, работающего с жидкостями обогащенными продуктами изнашивания. Учитывая теорию и испытания электромагнитных очистителей со сложным магнитным полем и с бегущей электромагнитной волной (раздел 2), можно рекомендовать следующие схемы. Для очистки эмульсий, СОЖей и других маловязких жидкостей (до 5÷10мм2/с) и при неполнопоточной схеме подачи чистой жидкости – применять схему по рис. 3.4а с электромагнитным очистителем с бегущим магнитным полем; для очистки жидкостей средней вязкости (5÷600мм2/с) – применять схему по рис. 3.4б со сложным магнитным полем. 127 3.3. Разработка способа защиты щелевых уплотнений динамических насосов путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. Следует сказать еще об одном возможном подходе к защите щелевых уплотнений динамических насосов от твердых включений с помощью гидродинамического эффекта. Движение жидкости (утечки) в щелевых уплотнениях динамических насосов бывает двух видов - течения в пазухе рабочего колеса происходит от периферии (наружный диаметр рабочего колеса) к центру (ось вала) и наоборот. В случае, если указанное движение происходит от центра к периферии на входе в щелевое уплотнение формируется течение характерное для гидродинамических очистителей – существует основной поток, проходящий дополнительный (поперечная в поток, скорость). рабочее колесо проходящий Очевидно, (продольная через что щелевое можно скорость) и уплотнение ставить задачу использования гидродинамического эффекта «наоборот» – создавать условия, чтобы твердые частицы не попадали в щелевые уплотнения (в фильтре мы их «заставляем» проходить через ячейку сетки, по отношения к щелевому уплотнению надо сделать наоборот). Для примера известно [3, 62, 65], что межступенная утечка в межступенчатых центробежных насосах, происходит именно в направлении от центра к периферии. В работах [5, 51, 120] исследовались проточные части современных грунтовых насосов, в том числе было обращено внимание на сложные формы переднего уплотнения рабочего колеса, а также наличие специальных выступов на наружных поверхностях рабочего колеса. Как оказалось [5] указанные особенности проточной части грунтовых насосов обеспечивают движение жидкости в пазухах рабочего колеса от центра к периферии. 128 1 2 4 6 5 3 а) 1 2 4 6 3 5 б) Рис.3.4. Схема неполнопоточной очистки жидкостей с использованием электрогидравлических технологий: а – для маловязких жидкостей; б – для жидкостей средней вязкости. 129 В схемах приняты следующие обозначения: 1 – насос; 2 – гидродинамический очиститель; 3 – электромагнитный очиститель; 4 – потребитель жидкости без очистки; 5 – потребитель очищенной жидкости; 6 – дроссель. Соответственно, в работе [120] впервые было высказано предположение, что данные техническое решение связано с поиском способа защиты переднего уплотнения рабочего колеса от износа за счет использования гидродинамического эффекта. В заключении по этому вопросу укажем, что здесь мы имеем дело с многофакторной оптимизационной задачей. Очевидно, что усложнение конструкций пазух рабочего колеса приведет к изменению КПД насосной проточной части, известно также [65], что изменение геометрии и картины течения в щелевом уплотнении существенным образом влияет на вибронадежность насоса и наконец известно [8], что изменение картины течения в пазухах рабочего колеса ведет к изменению осевой силы, действующей на ротор насоса. Таким образом, можно сделать вывод о том, что сознательное использование явления гидродинамического эффекта в динамических насосах может быть существенным фактором для улучшения их техникоэкономических показателей. В основе предложенного способа защиты щелевых уплотнений положен принцип гидродинамического разделения фаз (раздел 1). Последний является сущностью принципа работы типового гидродинамического очистителя. Рассмотрим такой очиститель и способы его расчета с целью показа способа реализации в практике проектирования динамического насоса предлагаемого способа защиты его щелевых уплотнений от загрязнений. Устанавливается такой очиститель на линии нагнетания. Схематично очиститель представляет (рис. 3.5) собой вставку в трубопровод 1, имеющую ответвление 4 на трубку, в которую поступает жидкость с 130 высокими требованиями к чистоте рабочих жидкостей, например, на щелевые уплотнения и на дроссельные щели. 3 1 2 4 Рис. 3.5. Очиститель на основе гидродинамического разделения. Вставка состоит из фильтрующего сетчатого цилиндра 3 и корпуса вставки 2. При включении вентиля подачи очищенной жидкости часть жидкости поступает по трубопроводу 4, очищаясь перегородкой 3. Хотя крупность ячеек в этой перегородке невелика, засорения ее не происходит, т.к. крупные частицы уносятся основным потоком. Для увеличения скорости последнего диаметр фильтрующего цилиндра выполнен меньшим, чем диаметр трубопровода. Такая схема применима, если на очистку расходуется жидкости значительно меньше, чем ее протекает по трубопроводу 1. Рассмотрим схему расчета такого очистителя. Пусть по трубопроводу поступает расход жидкости Q, а необходимость в чистой жидкости составляет Q1. Требуемая точность очистки d. Диаметр перфорированной перегородки 3 обозначим через D. Тогда скорость основного потока составит Vпр (Q Q1 ) 4 . D2 Определим необходимую скорость поперечного потока 131 Vпот Q1 , F k где F – площадь перфорированной перегородки; k – коэффициент живого сечения. Если обозначить размер квадратной ячейки в свету через с, а перегородки между ячейками через m, то очевидно, что c2 . k (c m) 2 (3.1) Из [102] известно, что предельное значение с определяется, как Vпр Vпоп d . 2c (3.2) Отсюда Q1 c 2 D2 2 d F (c m) ; 4(Q Q1 ) 2c (3.3) 2 D 2 c 3 Q1 4 F (c m) 2 (Q Q1 ) d . (3.4) Но F Dl , где l – длина перфорированной перегородки. 132 D 2 c 3 Q1 2 D l (c m) 2 (Q Q1 ) d ; Отсюда D c 3 Q1 2 l (c m) 2 (Q Q1 ) d . (3.5) Поскольку, как правило, Q>>Q1 D c 3 Q1 2 l (c m) 2 d Q . Из полученного выражения возможно определить любое из варьируемых величин: D, l и характеристику перегородки. Рассмотрим пример: Насос производительностью Q=180 м3/ч; на очистку поступает 5% производительности; тонкость очистки – 200 мкм. Диаметр D=100 мм. Принимаем в качестве перегородки сетку с размерами ячейки в свету (0,5×0,5)мм2 и толщиною проволоки 0,3 мм. Находим минимальную длину вставки lmin c 3 D Q1 (5 10 4 ) 3 0.1180 3600 0.24 м 2(c m) 2 d Q 3600 2[(5 3) 10 4 ]2 2 10 4 0.05 180 . Таким образом, для обеспечения требуемой степени очистки необходима длина вставки всего лишь около 250 мм. Для более тонкой очистки, например, d = 100 мкм, возьмем, например, сетку с ячейками (0,3×0,3) мм2 и той же толщиной проволоки m = 0,3 мм. При прочих равных условиях здесь lmin= 120 мм. Таким образом, перед насосостроителями возникает повышения долговечности гидромашин. возможность значительного 133 Особо следует подчеркнуть, что степень очистки не зависит от крупности частиц и их концентрации в перекачиваемой жидкости, и задержка этих частиц на сетке невозможна. Определим, какой перепад давлений необходим, чтобы на вставке обеспечить отделения нужного количества жидкости в отводной трубопровод. Расчет ведем по рекомендациям работы [114] Q2 p 2 2 , 2 Q2 2 2 Q (3.6) 2 p 2 p , , где ρ – плотность жидкости; μ – коэффициент расхода; ω = F∙k – площадь сечения в свету. D l c2 (c m) 2 , (3.7) Q 2 (c m) 4 , p 2 2 2 D 2 l 2 c 4 (3.8) Поскольку давление жидкости в месте установки вставки равно давлению развиваемому насосом под нагрузкой, то, как правило, величина p , полученная по (3.6), значительно ниже, чем давление насоса, в систему необходимо поместить дополнительное (желательно регулируемое) 134 сопротивление. В противном случае на вспомогательные нужды пойдет больше жидкости, уплотнения, по чем нашему предполагалось. мнению, Впрочем, автоматически сами станут щелевые такими сопротивлениями. Продолжим пример расчета: В первом случае: ρ = 1000 кг/м3; μ = 0,82 – для квадратной ячейки: 180 1000 [(0.5 0.3) 10 3 ]4 p 5200 Па 0.005 МПа . 3600 2 0.82 2 2 0.12 0.24 2 (0.5 10 3 ) 4 Во втором примере (при тонкости очистки - 100мкм, ячейке, в свету (0,3×0,3) мм2 и длине вставки 200 мм) p 180 (0.3 0.3) 4 (10 3 ) 4 1.8 10 4 Па 0.02 МПа . 2 2 2 12 2 3600 2 0.82 0.1 0.3 10 0.2 Снижение перепада давления легко производится увеличеснием длины вставки. 3.4. Внедрение результатов разработки Излагаемые в данном разделе результаты исследования внедрены на Сумском заводе «Насосэнергомаш» (Приложение ), в учебном процессе ДонГТУ (Приложение ), а также используется при проведении научных исследований в Сумском государственном университете. 135 3.5. Выводы 1. Обоснована целесообразность и необходимость переноса найденных научно-технических решений средств и способов очистки рабочих жидкостей полученных для объемных гидромашин на гидравлические системы, имеющие в своем составе гидродинамические машины с учетом особенностей их рабочих процессов и конструктивных испытаний. 2. Разработаны принципы расчета и конструирования очистителей перекачиваемой среды динамическими насосами, применение которых не оказали существенного влияния на рабочие характеристики защищаемого от изнашивания динамического насоса, в частности, на его всасывающую способность. 3. Получены конструкторские решения и разработана инженерная методика расчета очистителей, встроенных в системы охлаждающей и запирающей жидкостей динамических насосов. 4. Рассмотрена теория и практика проектирования узлов щелевых уплотнений динамических насосов, обеспечивающие дополнительную защиту этих уплотнений от абразивного изнашивания путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. 136 ВЫВОДЫ Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи – совершенствованию очистителей рабочих жидкостей насосов с использованием гидроэлектрических технологий. 1. Разработан, теоретически и экспериментально обоснован, принципиально новый класс гидродинамических очистителей рабочих жидкостей гидравлических систем, в котором рабочий процесс базируется на комбинированном применении гидроэлектрических технологий, в частности путем использования в качестве источника движения частиц в одном из направлений пондемоторных сил. 2. Созданы экспериментальные и промышленные образцы электромагнитных очистителей нового принципа действия (со сложной конфигурацией проведенные магнитного стендовые и поля и с бегущей волной), причем промышленные испытания подтвердили технические параметры, полученные аналитическим путем, в частности, значительно более высокую тонкость очистки (до 10 мкм), снижение эксплуатационных затрат по расходу энергии (в 2 раза) и повышение экономической эффективности в промышленных условиях (снижение потребления смазочных материалов на 30%). 3. Доказана очистителей целесообразность рабочих жидкостей, и возможность разработанных использования для объемных гидромашин, применительно к гидродинамическим машинам, в том числе: - предложена принципиальна новая конструкция для очистки перекачиваемой среды динамическими насосами без ухудшения всасывающей способности последних. 4. Впервые разработаны конструкции и созданы инженерные методики расчета очистителей для систем охлаждающих и смазывающих рабочих жидкостей динамических насосов. 137 5. Расширена теория и практика проектирования узлов щелевых уплотнений динамических насосов, обеспечивающих дополнительную защиту этих уплотнений от абразивного изнашивания путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости. 138 ПРИЛОЖЕНИЯ 139 1 140 2 141 3 142 4 143 5 144 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВAННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 1. Conference DIL Contamination in fluid power system Bath. 1976. London – New York, 1977. – р. 144. 2. N.Bojko Filtr for water cleaning with running magnetic field. / . N.Bojko, M.Yamkowaja // Motorization and power industry in agriculture. Tom 10A, Lublin, 2008. s.31-36. 3. N.Boyko. Опыт диагностики рабочих гидравлических жидкостей. / N.Boyko, Z.Фіnkelshtain. // Technika diagnоstika strojй а vyrobnich zarizeni “Diado - 2003”. Sbornik anotaci. Ostrawa, 2003, s. 10. Опыт 4. Z.Фinkelshtein диагностики рабочих гидравлических жидкостей./ Z.Фinkelshtein, N.Boyko.// – Technicra diagnostika strojй a vyrobnicka univerzita Ostrava. Asociace technickych diagnostaru Ceska republiky. – Dolu Paskjb, 2003. 5. Алексенко О.В. Насосный эффект дисков рабочего колеса центробежного насоса. / О.В. Алексенко, А.А. Евтушенко, С.М. Яхненко // НТУУ «КПИ» Технология и техника издательства / Сб. наук-пр. Вып. 23(4-5), Киев, 2004, с.88-93. 6. Аль-Хавалдех Абдалла Сулейман. Исследование и разработка гидродинамических очистителей дис.канд.техн.наук: 05.05.17 моторных 17 масел. «Гідравлічні Автореферат машини та гідропневмоагрегати» / Сумы, 2001, 20с. 7. Аюкаев Р.И. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. / Р.И. Аюкаев, В.В. Мельцер – Л.: Стройиздат. Ленингр. отд. – 1985. – 120 с. 8. Байбаков лопастных А.С. машин. / Гидродинамика А.С. Байбаков, Машиностроение, 1982. – 112с. вспомогательных В.К. Караханьян трактов //– М.: 145 9. Барышев В.П. Повышение надежности и долговечности гидросистем тракторов и дорожно-строительных машин в эксплуатации. / В.П. Барышев – Челябинск.: Южно-Уральское книжн. Из-во, 1973. – 110 с. 10. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. / Т.М. Башта – М.: Машиностроение, 1967.- 231c. 11. Белянин гидравлических П.Н. систем. Авиационные / фильтры П.Н. Белянин, и очистители Ж.С. Черненко – М.: Машиностроение, 1964. – 294 с. 12. Белянин П.Н. Промышленная чистота машин. / П.Н. Белянин, С.М. Данилов – М.: Машиностроение, 1982. – 224 с. 13. Белянин П.Н. Центробежная очистка рабочих жидкостей авиационных гидросистем. / П.Н. Белянин – М.: Машиностроение, 1976. – 328 с. 14. Берман В.М. Гидропередачи забойных машин и их эксплуатация. / В.М. Берман – М.: Надра, 1970. – 284 с. 15. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитрое поле. / Л.А. Бессонов – М.: Высшая школа, 1978. – 231с. 16. Бизянов Е.Е. Метод измерения параметров воды для систем теплоснабжения. / Е.Е. Бизянов, Р.Н. Погорелов, Н.З. Бойко // Материалы науч. практ. конференции «IV Международный Водный Форум». – К.: Экспоцентр Украина, 2006. –с.241. 17. Бинс К. Анализ и расчет электрических и магнитных полей./ К. Бинс, П. Лауренсон - М.: Энергия, 1970. – 376 с. 18. Бойко Н.З. Анализ подземных шахтных вод с точки зрения их использования для хозяйственных целей. / Н.З. Бойко, В.В. Романенко, Л.Д. Пляцук //Вестник МАНЭБ, т.11 ;4 (100)- С.-Пб., «Лада», 2006, С.100104. 19. Бойко Н.З. Исследование течения электролита в межэлектродном 146 зазоре при электрохимической обработке. / Н.З Бойко, С.В. Шадрин, М.Я. Ямковая // Вісник СумДУ – Суми : СумДУ, 2004. – № 13 (72). – (Технічні науки). 20. Бойко Н.З. О необходимости и целесообразности использования электрогидравлических технологий очистки рабочих жидкостей применительно к динамическим насосам / Н.З. Бойко // Вісник Сумського державного університету „Технічні науки” №1 –Суми, СумДУ, 2009, С.14-20. 21. Бойко Н.З. Расчет намагничивающей силы при электромагнитной очистке. / Н.З.Бойко, М.А.Ямковая // Проблемы создания новых машин и технологий: Труды Кременчугского политехн.у-та. Вып. 1. 2001. С. 521533. 22. Бойко Н.З. Электрогидравлические методы очистки жидкости от ферромагнитных частиц. / Н.З. Бойко, А.А. Евтушенко // Вісник СхідноУкраїнського національного університету ім. В.Даля.№3(109), част.2, 2007. –С.34-38. 23. Бойко Н.З. Электродинамические методы очистки жидкости от ферромагнитных частиц./ Н.З. Бойко, А.А. Евтушенко // Вестник Восточноукраинского национального университета им.В.Даля, №3(109) – 2007, ч.2. – с.34-37. 24. Бойко Н.З. Фильтр с бегущей электромагнитной волной. / Н.З.Бойко //-Сборник научных трудов ДонГТУ, Алчевск, N19.2005. С.314-322. 25. БойкоН.З. Повышение точности электрохимической обработки магнитоизотропной среды компенсирующим магнитным полем. / Н.З. Бойко, М.А. Ямковая, С.В. Шадрин // Вестник Национального технического университета “ХПИ”,2004г, N28, С.8-16. 26. Боровский Б.И. Энергетические параметры и характеристики 147 высокооборотных лопастных насосов. / Б.И. Боровский // – М.: Машиностроение, 1989 – 183с. 27. Бревнов А.А. Совершенствование гидродинамических фильтров за сет закрутки потока в щелевой области пазухи фильтроэлемента. Автореферат дис.канд.техн.наук: 05.05.17 17 «Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати» / Сумы, 2009, 20с. 28. Брынский Е.А. Электромагнитные поля в электрических машинах. / Е.А. Брынский, Я.Б. Данилевич, В.И. Яковлев– Л.: Энергия, 1979. – 176с. 29. Бухгольц Г. Расчет электрических и магнитных полей. / Г. Бухгольц – М.: Издательство иностранной литературы. 1961. – 712с. 30. Верклов Б.А. Механизм взаимодействия ферромагнитных и неферромагнитных примесей рабочих жидкостей в магнитном поле. / Б.А. Верклов, С.В. Горобец // Известия ВУЗов. М.: Машиностроение. № 12, 1988. – С.31-39. 31. Гогосов В.В. взаимодействующих с Гидродинамика электромагнитным дисперсных полем / систем, В.В. Гогосов, В.А. Налетова, Г.А. Шапошникова // МЖГ. – 1977. - № 3. – С.59-63. 32. Горобец С.В. Зависимость эффективности коагуляции ферромагнитных и неферромагнитных примесей в магнитном поле от параметров фильтров, рабочих жидкостей и примесных частиц. / С.В.Горобец // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1991. № 1-3, - С.133137. 33. Горобец С.В. Исследование эффективности очистки неферромагнитных жидкостей магнитными фильтрами. / С.В.Горобец, З.Л.Финкельштейн // Труды IV Всесоюзной научно-техн.конф. Челябинск. 1990. – 31 с. 34. Демирчян К.С. Моделирование магнитных полей. / К.С. Демирчян 148 – Л.: Энергия, 1974. – 176с. 35. Дж. Хаппель. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. / Дж. Хаппель, Г. Брэннер. - Из-во Мир, М, 1976. –631с. 36. Дорофеев В.Н. Очистка и обеззараживание сточных вод угледобывающих предприятий. / В.Н. Дорофеев, Е.Е. Бизянов, И.Н. Кучин // Сборник научных трудов ДГМИ “Перспективы развития угольной промышленности в 21 веке”. Алчевск. - 2002. С.303-308. 37. Евтушенко А.А. Гидродинамические аспекты новой концепции развития насосостроения / А.А. Евтушенко // «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования»: Тр. Междунар. научно-техн. конф. / НАН Украины и др. Редкол. Ю.М. Мацевитый (отв. ред). – Харьков, Ин-т проблем машиностроения им.А.И. Подгорного НАН Украины, 1997 – с.447-480. 38. Евтушенко А.А. Стандартизация выбора параметров вновь создаваемых насосов общепромышленного назначения / А.А. Евтушенко // Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты: теория, расчет, конструирование: Тематический сборник научных трудов / Под ред. Ковалева И.А. – К.: ИСИО, 1994. – с.20-28. 39. Евтушенко А.А., Математическая модель гидродинамического фильтра с бегущим магнитным полем. / А.А. Евтушенко, Н.З. Бойко // Вісник Сумського державного університету „Технічні науки” №1 –Суми, СумДУ, 2007, С.16-22. 40. Евтушенко A.A. Мaтемaтические модели для создaния средств ведения рaсчетного экспериментa в нaсосостроении / A.A. Евтушенко, В.Г. Неня // Физико-технические и технологические приложения мaтемaтического моделировaния. Сборник нaучных трудов. / НAН Укрaины Институт мaтемaтики / [отв. ред. Сaмойленко A.И. и Богдaнов Ю.Н.] – К.: 1998 – С. 93-96. 149 41. Евтушенко A.A. Евтушенко, A.A. Рaзвитие Э.Е. Ржебaев, нaсосостроения A.И. Швиндин, в Укрaине// М.И. Шифрин // Мaшинобудувaння Укрaїни. №1.- Киев. - 1995.- С. 30-33. 42. Євтушенко А.О. Гідродинамічні машини і передачі: Навчальний посібник./ А.О. Євтушенко Суми: Вид-во СумДУ, 2005 – 255с. 43. Жужиков В.А. Фильтрование. / В.А. Жужиков – М.: Химия, 1968.132c. 44. Іващенко В.І. Єкономічний аналіз господарчої діяльності. / В.І. Іващенко, М.А. Болюх – К. “ЗАТ” Нічлава, 1999 – 204 с. 45. Калицун В.И. Основы гидравлики, водоснабжения и канализации. / [Калицун В.И., Кедров В.С., Ласков Ю.М., Сафонов П.В.] – М.: Стройиздат. - 1972. 381c. 46. Картавый Н.Г. Стационарные машины. / Н.Г. Картавый // – М.: Недра, 1981. – 327с. 47. Квон О. Рaсчет несжимaемых оторвaвшихся погрaничных слоев с учетом вязко-невязкого взaимодействия / О. Квон, Р. Плетчер // Теоретические основы инженерных рaсчетов: Труды aмерикaнского обществa инженеров-мехaников. - Т. 101, № 4.– 1979. – С. 171-180. 48. Кaминер A.A. Гидромехaникa в инженерной прaктике / A.A. Кaминер, О.М. Яхно – К., Техникa, 1987. – 175 с. 49. Коваленко В.П. Загрязнения и очистка нефтяных масел. / В.П. Коваленко - М.: “Химия”. 1978. 304с. 50. Коваленко В.П. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений. / В.П. Коваленко, А.А. Ильинский – М.: Химия, 1982. – 271 с. 51. Колисниченко Э.В. Рабочий процесс динамических насосов нетрадиционных конструктивных схем на газожидкостных смесях. Автореферат дис.канд.техн.наук: 05.05.17 17 «Гідравлічні машини та 150 гідропневмоагрегати» / Сумы, 2007. - 20с. 52. Коновалов В.М. Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков. / В.М. Коновалов, В.Я. Скрицкий, В.А. Рокшевский – М.: Машиностроение, 1986. – 288 с. 53. Контроль загрязненности гидроэнергетических систем – последние достижения в США / Кирнбауэр Э.А. Новосибирск, пер. №4659 – 20 с. 54. Красовський екосистем із Г.Я. Космічний застосуванням моніторінг безпеки геоінформаційних водних технологій / Г.Я. Красовський - К.: Інтертехнологія, 2008. - 480 с.: іл. 55. Кузьмин Ю.М. Сетчатые установки систем водоснабжения. / Ю.М. Кузьмин – Л.: Стройиздат. Ленингр. отд. – 1985. – 180 с. 56. Кучин И.Н. водонагревательного Комплексная оборудования. система / обработки И.Н.Кучин, воды для Л.Н.Бойко, З.Л.Финкельштейн // Труды Международной конференции “Экология и безопасность жизнедеятельности” – Алчевск. 2001. С.30-34. 57. Ладыженская О.А. Математические вопросы динамики вязкой несжимаемой жидкости./ О.А. Ладыженская – М.: Наука, 1970. – 288с. 58. Ландау Л.Д. Теория поля. / Л.Д.Ландау, Е.М. Лифшиц – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. – 581с. 59. Ландау Л.Д. Электродинамика сплошных сред./ Л.Д.Ландау, Е.М. Лифшиц – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. – 581с. 60. Ломaкин A. A. Центробежные и осевые нaсосы / A.A. Ломaкин [2 –изд., перерaб. и доп. ]– “Мaшиностроение” – М. – Л. – 364 с. 61. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки./ Лямаев Б.Ф.// Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1989. - 256с. 151 62. Малюшенко В.В. Насосное оборудование тепловых электростанций. / В.В.Малюшенко, А.К. Михайлов [изд. 2-е, перераб. и доп.] – М.: «Энергия», 1975. – 280с. 63. Малюшенко В.В. Энергетические насосы. Справочное пособие./ В.В.Малюшенко, А.К. Михайлов – М.: Энергоиздат, 1981 – 200с. 64. Марцинковский В.А. Насосы атомных электростанций. / В.А. Марцинковский, Л.Н. Ворона – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 256с. 65. Марцинковський В.А. Шпарові ущілення. Теорія і практика. / В.А. Марцинковський –Суми: Вид-цтво СумДУ,2005.-416с. 66. Мельников А.С. Прогнозирование ресурса машин на основании испытаний на чувствительность к загрязнению / А.С. Мельников, Г.С. Бродский, А.Д Гозман // Промышленная чистота рабочих жидкостей гидросистем и фильтрация: Тез. докл. Всесоюзной научно-технич. конференции. – Челябинск, 1987. 67. Михайлов А.Н. Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления / А.Н. Михайлов, В.В. Малюшенко – М. : Машиностроение, 1971. – 304 с. 68. Молдавский Л.А. Виды повреждений и долговечность трансмиссий горных машин. / Л.А. Молдавский, З.Л. Финкельштейн, Б.А. Верклов – М.: Недра, 1981, - 192 с. 69. Мухина П.С. Роторный очиститель с саморегенерируемой фильтровальной поверхностью. / П.С. Мухина, Е.А. Поляков – Л.: МТЦНТИП, 1986. – 4 с. 70. Нaсосы динaмические. Методы испытaний : ГОСТ 6134-87. – [введен 89.01.01]. – М.: Изд-во стaндaртов, 1988. – 29с. – (межгосудaрственный стaндaрт). 71. Нaсосы динaмические. Ряды основных пaрaметров : ГОСТ 2785488 (СТ СЭВ 6049-87). – [введен 88.20.10]. – М.: Изд-во стaндaртов,- 1994 - 152 6 с. 72. Никитин Г.А. Влияние загрязненности жидкости на надежность работы гидросистем летательных аппаратов. / Г.А. Никитин, С.В. Чирков – М.: Транспорт, 1969. – 179 с. 73. Очистка рабочей жидкости в гидроприводах металлорежущего оборудования: Методические рекомендации. – М.: ВНИИГидропривод. 1982.– 37 с. 74. Пат. № 9771 Очисник FIL55/24 /Финкельштейн З.Л., Пляцук Л.Д., Бойко Н.З. опуб. 17.10.02 Бюл.№10. 75. Пат. №42944 Гідравлічна система об’ємного типу з замкнутою циркуляцією робочої рідини F16H38/00 / З.Л. Фінкельштейн, О.О. Мельниченко, М.З. Бойко. Опубл.бюл 14, 2009р. 76. Пат. А:134688 Польша Filtr dynamiczny do cieczy. В01Д29/11/ Wasylecko Zenon, Bojko Nikolaj Zelmanowicz. // Biuletyn urzedu patentowego, Nr3 (733)2002.07.24. 77. Патент UA20485 АF162L55/24 / Бойко Н.З., Савельев К., Волоцкий В.М. опуб 1997. 78. Петренко оборудования от В.А. Защита загрязнений гидросистем гидродинамическими промышленного фильтрами. / В.А.Петренко, Н.З.Бойко. // – Наукові праці ДонНТУ. Вип. 30. 2002. 79. Пологов Г.Ф. Опыт применения фильтров для тонкой очистки лаков / Г.Ф. Пологов, З.Л Финкельштейн, Д.В. Корона, Е.А. Поляков // Электротехническая промышленность. - № 150. – 1989. – с.8-9. 80. Практика экономии энергии за счет мер, связанных с гидравлической аппаратурой и гидравлическими рабочими жидкостями / ТПП УССР - №4706/7 – Харьков, 1985. – 29 с. Пер. с японск. ст.Екацуна Н., Комацу К. 81. Продление наиболее экономичного срока службы рабочих 153 жидкостей гидросистем / Филинбар Д.А. ПООНТИ/ВНО. - №БП-84-49583. – 10 с. 82. Рыбаков К.В. Пути совершенствования систем обеспечения чистоты нефтепродуктов на складах агропромышленных предприятий / К.В. Рыбаков, В.П. Коваленко, В.А. Борзенко // Энерготехнические средства сельскохозяйственного назначения и их технические системы. – М.: Сборник научных трудов МИИСП, 1989, 113 с. 83. Рыбаков К.В., Коваленко В.П., Турчаников В.Е. Очистка нефтепродуктов от механических примесей и воды. / К.В. Рыбаков, В.П. Коваленко, В.Е. Турчаников – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1974. – 80 с. 84. Рыбаков К.Ф. Фильтрация авиационных топлив. / К.Ф. Рыбаков – М.: Транспорт, 1973. -164 с. 85. Сандуляк А.В. Магнитно-фильтрационная очистка жидкостей и газов. / А.В. Сандуляк – М.: Химия, 1988. – 136 с. 86. Система стандартов безопастности труда. Взрывобезопастность: ГОСТ 12.1.010-76. [разрешен к применению 1996]. - М.: Изд-во стандартов, 1996 - 20с. 87. Система стандартов безопастности труда. Пожарная безопастность, общие требования: ГОСТ 12.1.004 - 91. [введен 91.01.01]. М.: Изд-во стандартов, 1991 - 25с. 88. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды в 2-х ч. // [Л.А.Кульский, И.Т.Тороновский, А.М.Кагановский, М.А.Шевченко] – К: Наукова думка, 1980. – 1206 с. 89. Сырицын Т.А. Надежность гидроприводов. / Т.А. Сырицын. – М.: Машиностроение, 1981. – 216 с. 90. Турчаников С.П. Долговечность гидротранспортных трубопроводов. / С.П. Турчаников – М.: Недра, 1993. – 179 с. 91. Угинчус А.А. Гидравлика и гидравлические машины./ 154 А.А. Угинчус [4-е переработанное издание.] – Харьков, Изд-во ХГУ 1970. – 395с. 92. Усачев В.П. Электрофизические способы очистки от накипи и безнакипного режима работы. / В.П. Усачев, Н.З. Бойко //Сборник трудов “Экология и безопасность жизнедеятельности”- Алчевск: ВОУ МАНЭБ, 2004г, -С.26-30. 93. Финкельштейн Г.Э. Контроль состава смазочных вод и выбросов целлюлозно-бумажного производства. / Г.Э. Финкельштейн – М.: ВНПИЭИлеспром, 1981. – 41 с. 94. Финкельштейн З.Л. Гидравлика и гидропривод. / З.Л. Финкельштейн, В.Г. Чебан - Алчевск. 2002. 164с. 95. Финкельштейн З.Л. Использование двухфазных пульсирующих приводов в горных машинах. / З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко // Наукові праці ДонДТУ, вип..27, - 2001. - С.453-45. 96. Финкельштейн жидкости в З.Л. Исследование гидродинамических фильтроэлементом./ З.Л. устойчивости очистителях Финкельштейн, Аль с потоков вращающимся –Хавальдах Абдалла Сулейман // Вестник ХГПУ (ХПИ), Віп.89, 2000. С.70-79. 97. Финкельштейн З.Л. Источники загрязнения смазочных и рабочих жидкостей. / З.Л. Финкельштейн, Г.Н. Сушкова // Уголь Украины. – 1977, №4. – С. 34-35. 98. Финкельштейн З.Л. О возможности использования подземных шахтных вод для промышленных, сельскохозяйственных и бытовых целей. / З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко, И.Н. Кучин //– Вісник Сумського Державного університету. Серія: Технічні науки, N12 (58), 2003.- C.192195. 99. Финкельштейн З.Л. Отбойные фильтры./ З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко, Л.З. Финкельштейн // Вестник МАНЭБ, 155 т.9,N7,(79),2004г,Санкт Петербург, С.1102-104. 100. Финкельштейн З.Л. Повышение качества работы динамических насосов системы ППД месторождений./ З.Л. Финкельштейн, И.Б. Твердохлеб, Р.Н. Лилак // Вестник НТУУ КПИ : Машиностроение, Вып 34 – 1999, С.342-345. 101. Финкельштейн З.Л. Применение гидродинамических фильтров в оборудовании горно-металлургическго комплекса./ З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины, - “Дніпровська навчальна книга”, N13, т.2, 2002. - С.85-89. 102. Финкельштейн З.Л. Применение и очистка рабочих жидкостей для горных машин. / З.Л. Финкельштейн – М.: Недра, 1986. – 232 с. 103. Финкельштейн З.Л. Расчет гидродинамических фильтров. / З.Л. Финкельштейн [в кн.: Гидравлика и пневматика. Приводы и системы управления]. Вып. 7, - Л., 1979, с.232-240. 104. Финкельштейн З.Л. Совершенствование способов очистки сточных вод, сбрасываемых в водоемы. З.Л.Финкельштейн, В.А.Давиденко, И.Н.Кучин // Прикладная механика № 1. 2003. 105. Финкельштейн З.Л. Состояние и перспективы насосного оборудования А.И. Швиндин, для шахтного водоотлива. И.Б. Твердохлеб // / З.Л. Вестник Финкельштейн, НТУУ «КПИ», Машиностроение, вып. 35, - К., 1999, с.257-261. 106. Финкельштейн З.Л. Теория, принципы создания и применение гидродинамических фильтров: Дис.доктора техн. наук: 05.04.13. «Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты» / З.Л. Финкельштейн Москва, МАДИ, 1987. – 527 с. 107. Финкельштейн З.Л. Термогравитационная очистка рабочих жидкостей для гидросистем./ З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко // – Тезисы докладов научно-технической конференции “Гидроаэромеханика в 156 инженерной практике”. – К.: 1998. 108. Финкельштейн З.Л. Установка для промывки трубопроводов гидравлических систем. / З.Л Финкельштейн, Н.З. Бойко // Вісник СумДУ – Суми : СумДУ, 2003. – № 13 (59). – с. 65 - 71. – (Технічні науки). 109. Финкельштейн З.Л. Фильтры сверхвысокой пропускной способности / З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко// - Вестник НТТУ “КПИ”. Машиностроение. Вып. 41, 2001, С.102-194. 110. Финкельштейн З.Л. Фильтры сверхвысокой пропускной способности. / З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко// Тези доповідей II Міжнародної конференції “Прогресивна техніка і технологія - 2001” – Київ, НТУУ (“КПІ”) – 2004 – c.100. 111. Финкельштейн З.Л. Эксплуатация гидравлического оборудования. Учеб.пособие / З.Л. Финкельштейн – Алчевск, ДонГТУ, 2008. – 123с. 112. Финкельштейн З.Л. Эффективность очистки жидкости в гидросистемах угольных комбайнов/ З.Л. Финкельштейн, Е.А. Поляков, В.А. Варейкис // Уголь Украины. – 1986. - №4. – с. 9-10. 113. Финкельштейн З.Л. Эффективность работы электромагнитного очистителя при различной крупности загрязнений./ З.Л.Финкельштейн, М.А.Ямковая // Вестн. НТУУ (“КПИ”) № 35, 1999. С.137-141. 114. Финкельштейн З.Л., Гидродинамическая очистка жидкостей./ З.Л. Финкельштейн, Л.Н. Бойко, Н.З. Бойко //- Тр. НИИ прикладных проблем гидроаэромеханики и теплообмена. – Черкассы. Изд. ЧИТИ, 1997.- С. 29-35. 115. Фінкельштейн З.Л. Аналіз техніко-економічної ефективності різних методів обробки води. / З.Л. Фінкельштейн, Є.Є. Бізянов, Н.З. Бойко// –Вісник Сумського Державного університету, Серія: Технічні науки, N2 (61), 2004р, С.195-199. 157 116. Шевченко В.С. Долговечность гидравлического оборудования станков. / В.С. Шевченко, В.Н. Бетхер, О.П. Лапотко – М.: Машиностроение, 1974. – 114 с. 117. Шрайбер А.А.. Гидромеханика двухкомпонентных потоков с твердым полидисперсным веществом / А.А. Шрайбер, В.Н. Милютин, В.П. Яценко. – К.: Наукова думка, 1980. – 252с. 118. Ямкова М.А. Гідродинамічні основи методики розрахунку електромагнітних очисників: автореф. дис.канд.техн.наук: 05.05.17 17 «Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати» / Ямковая Марія Андрійовна// Київ. - 2000р. 20с. 119. Ямковая М.А. Проблемы экономического развития Донбасса и их взаимосвязь с вопросами совершенствования производственного фильтрующего оборудования // Франція та Україна, науково-практичний досвід у контексті діалогу національних культур. V Міжнародна конфкркнція. Том 1. Збірник наукових праць. В двох чатинах. Ч.П. – Дніпропетровськ: Арт-Прес, 1998. – 200 с. 120. Яхненко С.М. Гидродинамические аспекты блочно-модульного конструирования динамических насосов: дис.канд.техн.наук: 05.05.17 17 «Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати» Михайлович // – Сумы, 2003 – 210с. / Яхненко Сергей