Совершенствование процесса очистки отработанных моторных масел от механических примесей центробежным аппаратом в условиях сельскохозяйственного производства

Рост эффективности аграрного* производства,. снижение себестоимости его продукцииа также уменьшение негативных: воздействий, оказываемых этой отраслью на окружающую среду, непосредственносвязаны" с характеромиспользования смазочных? материаловпри эксплуатации автотракторной и сельскохозяйственной техники. Ее рентабельность и эффективность в. значительной" степени зависит от масштабов"потребления-моторных,.трансмиссионных, гидравлических шиных* маселих грамотного применения;

Специфика потребления? автотракторных масел в том, что они полностью не расходуются. В зависимости от типа смазочных материалов в точение цикла их эксплуатации теоретически /5/ от 20 до 70% их безвозвратно теряется на угар, испарение, утечки и т. д. Оставшаяся часть после выработки? ресурса, претерпев существенные качественные изменения, образует отработанные масла, большая. часть которых-моторные/8, 54, 109/.

В России до сих пор сохраняется пренебрежительное: отношение к отработанным нефтепродуктамОдна из причин этого — отсутствие материального стимула у.пользователей. Сбор1 отработкиоперация) затратная,' а экономический эффект от утилизации-собранного материала не всегда очевиден и рентабелен. Отсутствует четкаяправовая? база в этой области, а существующее законодательство вполной-мере не реализуется. В частности это касается: обеспечения должного природоохранного' контроляВсе это приводит к тому, что большое количество отработанных масел просто выбрасывается на свалки, сливается в почву.

Агропромышленный комплекс является одним из крупнейших потребителей нефтепродуктов в России. В нем используется практически половина смазочных материалов страны. В связи с традиционной географической обособленностью аграрных хозяйств, их удаленностью от крупных промышленных центров зачастую затруднен эффективный сбор, вывоз и сдача этих материалов на перерабатывающие предприятия или в пункты утилизации.

Поэтому для сельскохозяйственных предприятий актуальна проблема рационального использования отработанных масел на местах. В связи с этим существуют два принципиально разных подхода к ее решению.

Первый, самый простой и, на первый-взгляд, наиболее рентабельныйэто использование их в качестве топлива для получения энергии илитепла. Однако новейшие исследования о составах выбросов продуктов сгорания отработанных нефтепродуктов показали, что они содержат чрезвычайно вредные для окружающей среды и человека стойкие органические загрязнения (СОЗ)/6, 16,38,39, 47/.

Второй путь утилизации — повторное применение отработанных масел по назначению после регенерации основных их свойств: в качестве смазок, трансмиссионных, гидравлических жидкостей игт.п. Жизненный цикл современных масел при своевременной их смене и соблюдении правил эксплуатации техники, может достигать 5.8 кратного повторного использования.

В зависимости от используемых технологий и материальных затрат степень и глубина регенерации может быть различной: от простейшей очистки масел от твердых и жидких загрязнений до практически полного восстановления их исходных потребительских свойств.

Для аграрных предприятий малых и средних форм, фермерских хозяйств, предприятий по ремонту и техническому обслуживанию автотракторной и сельскохозяйственной техники наиболее рациональным является восстановление физических свойств отработанных масел лишь в той мере, какова может считаться достаточной для их использования их в том или ином оборудовании и механизмах, например, в элементах трансмиссий или в гидросистемах автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин.

Этот способ регенерации фактически сводится к очистке использованных масел от механических примесей и водотопливных фракций.

Следовательно, в агропромышленном производстве актуальна проблема совершенствования технологий и средств очистки отработанных моторных масел в целях повторного их использования при эксплуатации сельскохозяйственной техники.

Существует широкий выбороборудования, в котором применяются различные физические и химические процессы отделения’от масла механических примесей. Наиболее простыми и эффективными являются установки для центробежной очистки, использующие однокамерные центрифуги с реактивно-струйным гидроприводом.

В настоящее время-теория реактивного гидропривода центрифуг разработана достаточно подробно. Его исследования, изучение процессов сепарации минеральных масел, проводились в течение более 50 лет различными учеными и инженерамиf России и бывшего СССР: Григорьевым М. А., Покровским Г. П., Беляниным П. Н., Гродзиевским В. И., Соколовым В. И, Смирновым Г. А., Маевым В. Е. и многими другими.

Значительный вклад в теоретические исследования, разработку методики расчета маслоочистительных центрифуг, их практическое использование внесли сотрудники АЧГ, А А (АЧИМСХ), ГНУ СКНИИМЭСХ (ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград Ростовской обл.) Рябинин Н. П., Пироженко, Е.М., Чернышенко И. Я., Бутов Н. П., Снежко В. А., Нагорский JI.A. и другие.

Тем не менее, еще существует ряд открытых теоретических вопросов и практических задач, решение которых способно повысить эффективность работы центрифуг с гидроприводом, а следовательно и производительность маслоочистительных установок.

Так, известно, что частота вращения ротора, являющаяся основной качественной характеристикой центробежных аппаратов, существенно зависит от характера истечения струй жидкости из сопел. Чрезмерное распыление струй приводит к ухудшению скоростных характеристик центрифуг, а следовательно и их эффективности. Поэтому существует проблема оптимизации геометрических параметров реактивного гидропривода с целью обеспечения предельной компактности истекающих из соплового аппарата струй масла.

Кроме того, в большинстве исследований динамики процессов осаждения механических примесей в отработанных моторных маслах центрифугами не уделялось должного внимания их фракционному составу. Недостаточно изучен^ вопрос о влиянии характера распределения размеров частиц загрязнений в очищаемой полидисперсной среде на возможность ее сепарирования. Его! решение имеет важное практическое: значение — дляоценки потенциальных возможностей — однокамерных, центрифуг при очистке: отработанных масел. .

В стационарных установках с использованием однокамерных центрифуг с реактивным приводомтрадиционная, схема очистки: предусматривает многократный пропуск масел через ротор1 центрифуги. Это связано с невозможностью обеспечения і требуемого качества1: очистки за одинпроход масла, поскольку в отличие: от/секционированных сепараторов путь осаждения загрязнений воднокамерномроторе1 велик. В связи с этим является актуальным вопрос в озможности применения иной технологической схемы > очистки: при однократном пропуске маслачерез сепарирующий ротор с небольшим расходом. Очевидно, что такая схема может быть реализована лишь при условии использования эффективных центрифуг, в которых очищаемый поток масла не зависит от его расхода, используемого в гидроприводе.

При определении наиболеерациональной ' схемы, использования і центрифуг вмаслоочистительных установках необходимо: учесть, полидисперсный состав загрязнений в отработанных моторных маслах., • '-. :

В-соответствии* сизложеннымсформулированы следующие цели, задачи и основные методологические положения дальнейших исследований.

Цель исследования — повышение эффективности процесса очистки отработанных моторных масел от механических примесей в сельскохозяйственном производстве путем совершенствования конструкции центрифуги и оптимизации параметров очистительной установки.

Объект исследования — процесс центробежной очистки отработанных моторных масел в условиях сельскохозяйственного производства.

Предмет, исследования — закономерности функционирования струйно-реактивного гидропривода центрифуги и осаждения механических примесей отработанных моторных масел в центробежном поле.

Методы исследований. При решении! поставленных задачиспользовались методы, как общенаучные, так и прикладного? характерав частности, системный подход, позволивший? определить место и значимость решаемой) проблемы в рассматриваемой областинауки-, комплекс абстрактно-логических методов, таких как гипотетические: предположениям аналогии, анализ данных: и их синтеза также традиционные эмпирические методы: наблюдение, измерение, сравнение: и дрРеализация методов материально обеспечивалась комплексом? необходимых стандартных приборов, средств измерения^и контроляспециально"изготовленных лабораторных моделей, а также лицензионных пакетов программных средств: МюгоэоШ СШсе-2003, МайСАВ-13. .

Структура работы. В первой главе работы проведет анализ: масштабов проблемы утилизации отработанных масел, методов ее: решения, на: основе которого сформулированы, задачи исследования, реализация которых призвана повысить эффективность центробежнойьочистки^ отработанных моторных масел в процессе их регенерации—с целью повторного использования при эксплуатации сельскохозяйственной техники.

Во второй главе обоснована? конструктивная! схема? усовершенствованной центрифуги. Произведена теоретическая оценкаэффективности ее: использования при очистке отработанных моторных масел в режимах многократной циркуляции и однократного пропуска при условии ограниченного времени работы установки. При этом учитывался полидисперсный состав механических примесей в очищаемых маслах, подчиняющийся логарифмически нормальному закону распределения размеров их частиц.

Проведен теоретический анализ процессов истечения струн из сопел маслоочистительных центрифуг, в результате которого определены-основные факторы, влияющие на их распыление, которое приводит к снижению скорости вращения роторов центрифуг.

В третьей главе сформулированы, задачи экспериментальных исследований, приведена программа, общие и частные методики. Описана экспери-ментальнаящентрифуга, лабораторные установки № оборудование.

В четвертой главе приведены результаты обработки опытных данных, полученных в ходе экспериментов и их анализ, на основе которых сделаны выводы, подтверждающие результаты теоретических исследований.

В пятой’главе обоснован объект практического-применения результатов исследований и произведена оценка экономической эффективности его использования в условиях сельскохозяйственного производства.

Научная новизна. Получено• математическое описание процесса очистки отработанных моторных масел от механических примесейподчиняющихся логарифмически нормальному закону распределения размеров частиц, при однои многократном’их пропуске через центрифугу с отделенным от сепарирующей полости ротора гидроприводом и влияния радиуса поворота потока, подводимого к соплам, на угол распыла струй.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

— однокамерная центрифуга с отделенным от сепарирующей полости ротора струйно-реактивным гидроприводом, обеспечивающая, повышение производительности очистительной установки за счет однократного пропуска через нее отработанного масла с малым расходом;

— зависимости коэффициентов остатка механических примесей в отработанных моторных маслах от параметров логарифмически нормального распределения размеров их частиц, параметров и технологических режимов работы очистительной центрифуги;

— оптимальные геометрические параметры сопловых аппаратов масло-очистительных центрифуг, обеспечивающие компактность струй и наибольшую частоту вращения их роторов.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Предложена конструкция усовершенствованной центрифуги, которая обеспечивает эффективную очистку отработанных моторных масел от механических примесей за один проход через ротор, а также повышение производительности маслоочистительной установки. Выводы и рекомендации, полученные при исследовании распыления струй жидкости из сопел, позволяют применять их на практике при проектировании центробежных очистителей различного назначения. Разработаны способ и устройство для определения содержания нерастворимых осадков в отработанных маслах, обладающие новизной (патент № 2 393 471). Результаты исследований были реализованы при проектировании усовершенствованной маслоочистительной установки, прошедшей эксплуатационные испытания в хозяйстве «ИП Воронцов» Зерно-градского района Ростовской области.

Основные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях в ФГОУ ВПО АЧГАА, ГНУ СКНИИМЭСХ (ВНИПТИМЭСХ) (г. Зерноград), ФГОУ ВПО СтГАУ (г. Ставрополь), в 20 082 011 гг.

По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей, получен один патент на изобретение.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 126 наименований и приложений. Работа содержит 145 страниц текста, 40 рисунков, 15 таблиц.

Выводы.

Анализ экспериментальных исследований центробежной очистки отработанных моторных масел различного дисперсного состава загрязнений, позволяет сделать следующие выводы.

1. Сравнение двух режимов работы очистительной установки: при многократной циркуляции и однократном пропуске заданного объема масла через конкретную центрифугу в условиях равного времени эксплуатации, показало:

— за одинаковое время работы установки наиболее интенсивная очистка (снижение концентрации нерастворимых осадков) достигается в условиях однократного пропуска масла через центрифугу с малым расходом;

— очистка отработанных масел от механических примесей в режиме однократного их пропуска через центрифугу с малым расходом занимает на 25.35% меньше времени, чем при многократной их циркуляции- ¦ • • •104 '.

— преимуществафежима однократного пропуска масла через центрифугу перед циркуляционным, сохраняются при любом дисперсном составе загрязнений в очищаемом, масле.

2. Исследование: влияния дисперсного) состава загрязнений в отработанных моторных маслах на качество их очистки, центрифугой заданной се-парационной эффективности показало: ' •.

— предельная степень очистки масел лабораторной центрифугой различна, она зависит от дисперсного состава их загрязнений:

— чем больше величина медианы распределения частиц загрязнений в очищаемых маслах, тем выше скорость снижения содержания нерастворимых примесей, и тем быстрее достигается предельная их концентрация-:

— чем больше величина дисперсии распределения частиц загрязнений в очищаемых маслах, тем выше остаточная концентрация в них нерастворимых-примесей, т. е: тем хуже качество очистки этих масел данной центрифугой.

4.2. Влияние разрушения струй жидкости, истекающих из сопел? реактивных центрифуг, на их скоростной режим.

4.2.1. Зависимость степени распыления струи от геометрических: параметров сопла и условий истечения жидкости.

Были проведены: эксперименты с сопловыми аппаратамитрех различных типов (рис. 3.5). При этом изменялись их геометрические параметры: диаметры выходных отверстий сопел с1, диаметры вертикальных подводящих колодцев ?>- а также условия работы сопел: давление масла на входе в сопла Р, температура масла Л Некоторые результаты испытаний приведены в приложении 1 к настоящей работе.

Наиболее рациональной оказалась конструкция соплового аппарата типа (в) (рис. 3.5), в котором жидкость к съемной форсунке поступала из камеры большого диаметра в соосном с ней прямоточном направлении. Режим больше неравномерность потока.

На рис. 4.5 представлен график зависимости угла распада струи Р от отношения ИМ. Эти данные получены экспериментально при испытании сопел, отличающихся значениями диаметров сопла с1 и колодца Э. Как следует из графика при отношении ИМ > 1 распад струи незначителен.

Угол, град Р 35.

4 5 6.

Отношение 016 8.

1 — с1 = 1,9 мм, ?> = 5 мм- 3 — й = 1,25 мм, ?> = 5 мм- 5 — <Л = 1,0 мм, ?) = 7 мм.

2- с1 = 2,0 мм, И — 1 мм- 4 — й- 1,5 мм, 0 — 1 мм;

Рис. 4.5. Зависимость угла распада р струи от отношения 0/с1 при? = 85 °C, Р = 8 бар,.

Полученная экспериментально кривая (рис. 4.5) позволила аппроксимировать зависимость угла распыла струи Р от соотношения ИМ (в диапазоне используемых в маслоочистительных центрифугах диаметров сопел с1: 0,8.2,2 мм) в виде функции:

Р = 0,290Г— и.

— 9,037 а 51,930.

На рис. 4.6 представлены фотографии распада струи для двух типов сопловых аппаратов: при истечении масла через сверление в боковой цилиндрической стенке вертикального колодца и с дополнительной съёмной форсункой, ввернутой в цилиндрическую стенку (варианты (а) и (б) рис. 3.5 соной причиной потери компактности струи в сопловых аппаратах маслоочи-стительных центрифуг является внутренняя перестройка потока жидкости при повороте на 90°. Возникающие при этом вторичные вихри и неравномерность течения приводят к разрушению струи. Эта картина усугубляется ростом температуры, давления на входе в сопло и увеличением диаметра сопла.

Оптимальной конструкцией сопловых аппаратов является вариант (в) (рис. 3.5, 4.3), в котором жидкость в форсунку поступает из камеры большого диаметра в прямоточном направлении без поворота на190°.

Однако в большинстве серийных центрифуг реализация такого варианта технически затруднена: Поэтому явление распада струй в" них неизбежно в силу конструктивных особенностей «используемых сопловых аппаратов типов (а) или (б), а именно: значительных диаметров их сопел с1, малых диаметров подводящих колодцев Д и как следствие — малых радиусов поворота (изгиба) потока Яизг при подводе его к соплам. В конечном итоге, это снижает частоту вращения ротора центрифуги, приводит к ухудшению эффективности очистки масла и дополнительному насыщению его воздухом.

Таким образом, для получения компактной струи отношение диаметра вертикального подводящего колодца к диаметру сопла: В/с1, определяющее радиус изгиба потока масла при подводе его к соплам Яизг, должно быть более 7.

В этом случае реальными для маслоочистительных центрифуг могут быть диаметры сопел порядка с1= 1 —1,5 мм. При таких диаметрах необходимый расход масла для привода ротора можно обеспечить, либо увеличив число сопел до 3-х, 4-х, либо приняв меры по увеличению радиуса поворота потока к соплам, т. е. увеличив диаметр вертикальных подводящих к соплам каналов ?>.

4.2.2. Влияние распыления струй на скоростную характеристику центрифуги.

Для оценки влияния распыления струй на скоростные характеристики центрифуг были проведены эксперименты с использованием лабораторной' центрифуги (рис. 3.3), в которой-была обеспечена возможность установки двух, а затем и четырёх сопел.

Для исследований были взяты два комплекта сопел одного типа (рис. 3.5(6)), наиболее распространенного в конструкциях реактивных маслоочи-стительных центрифуг.

Геометрические параметры испытуемых сопловых аппаратов приведены в таблице 4.2.