CC BY
107
УДК 621.624.004.2
РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО СТЕНДА, МОДЕЛИРУЮЩЕГО УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТОВ В ТОПЛИВОЗАПРАВЩИКАХ И АГРЕГАТОВ
ФИЛЬТРАЦИИ ТОПЛИВА
А.О. ОСИПОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.
Представлена техническая характеристика многофункционального стенда для испытаний фильтроэлементов авиатоплива, установленных в ТЗ в условиях различных температур.
Ключевые слова: авиационное топливо, фильтроэлементы, модельные испытания, различные температуры, испытательная установка.
1. Назначение стенда
Изучение причин отказов фильтрующих бортовых элементов ВС потребовало разработки и создания многофункционального испытательного комплекса, позволяющего проводить исследования процессов очистки реактивных топлив в условиях, моделирующих реальные условия аэродромных складов ГСМ. Многофункциональный испытательный комплекс СИФ-2 (далее по тексту СИФ-2) предназначен для изучения процессов коагуляции и сепарации водотопливных эмульсий, при изменении внешней температуры от 50°С до минус 50°С и разной степени обводнённости реактивных топлив. При этом испытания можно проводить как в присутствии ПВКЖ в топливе, так и без них. Кроме того, на стенде СИФ-2 возможно осуществлять испытания материалов (фильтрующие бумаги, сетки, клеи, резины, нетканые материалы), применяемых при изготовлении фильтроэлементов. Тестирование различных материалов необходимо выполнять в соответствии с действующей НТД.
2. Теоретические аспекты коагуляции и сепарации микроэмульсий ПВКЖ в топливе
Изучение влияния внешних условий на образование микроэмульсий жидкости «И-М», ее коагуляции и сепарации в фильтроэлементах топливозаправщика практически не отличается от ранее проведенных исследований для систем реактивное топливо-вода. Понижение температуры воздуха, изменение его влажности и атмосферного давления сразу после введения ПВКЖ в очищенное от механических примесей и воды топливо не оказывает влияния на процессы фильтрации топлива через фильтроэлементы топливозаправщика. Это обусловлено общей низкой концентрацией влаги в системе топливо-ПВКЖ.
Хранение топлива с ПВКЖ в течение нескольких суток приводит к обводнению данной системы и увеличению общей концентрации влаги. Применение равнообъемной смеси этилцел-лозольва с метанолом (ИМ) вместо чистого этилцеллозольва способствует повышению гигроскопичности системы и повышению вымываемости ПВКЖ из топлива. Ухудшение этих эксплуатационных свойств связано со свойствами метанола. Растворимость воды в топливе ТС-1, содержащем 0,3% метанола, составляет при 20°С 0,0163% против 0,0148% для этилцеллозольва в той же концентрации. Повышение чувствительности системы топливо-ПВКЖ к изменению внешних условий отрицательно влияет на образование и характеристики микроэмульсий ПВКЖ в топливе. Рассмотрим процесс отделения микроэмульсии И-М от реактивного топлива в фильтроэлементе ТЗ. Современные фильтроэлементы содержат коагулирующие и сепарирующие перегородки. Процесс взаимодействия капель эмульсии ИМ-вода состоит из приближения капли к перегородке, контакта с ней, вытеснения топлива с поверхности перегородки,
адгезии на поверхности, коалесценции каплей с последующим прохождением концентрированной эмульсии через коагулирующую перегородку. Далее на гидрофобной перегородке происходит отделение скоагулировавшихся капель от топлива и осаждение их в отстойник. В отличие от водотопливных эмульсий эмульсии ПВКЖ при охлаждении не образуют кристаллов льда (рис. 1).
Рис. 1. Процесс коагуляции мелкодисперсной эмульсии И-М в ТС1 на элементе, фильтрующем коагулирующем с последующим осаждением на дно отстойника по закону Стокса. Топливо ТС-1 1= -100
Известно, что поверхностные свойства перегородки характеризуются краевым углом смачивания, который определяется значением угла между поверхностью твердого тела и касательной к точке ее контакта с жидкостью и отсчитывается в сторону жидкой фазы (рис. 2, 3).
Рис. 2. Раствор И-М с водой при температуре -100С
Рис. 3. Схема взаимодействия капли эмульсии и фильтрующей перегородки в среде топлива: 0 - краевой угол смачивания, град; орим - поверхностное натяжение раствора И-М, Н; от - поверхностное натяжение топлива, Н; оримт - межфазовое натяжение на поверхности
раздела фаз раствор И-М - топливо, Н
Процесс смачивания поверхности жидкостью и адгезии капли жидкости к этой поверхности характеризуется уравнением Юнга, связывающим поверхностные свойства контактирующих фаз с величиной краевого угла смачивания
cos Q = Stt-
РИМ
s
(1)
РИМТ
Известно, что краевой угол смачивания изменяется от 0° до 180°, а его cos© в пределах -1< cos© <1. При значении краевого угла смачивания, равном 180°, и cos©, равном минус 1, поверхность перегородки обладает идеальными гидрофобными свойствами. При условии нулевого значения краевого угла смачивания и cos©, равном 1, поверхность перегородки обладает идеальными гидрофильными свойствами.
Как указано выше, разделение водотопливных эмульсий происходит на выходе из коагулирующей перегородки. Окончательное отделение воды от топлива в современных фильтрах-сепараторах протекает на следующей ступени при прохождении топлива через гидрофобные для воды и полностью проницаемые для топлива водоотталкивающие перегородки. При этом на стадии коагуляции может протекать обратный ей процесс - диспергирования.
В соответствии с законом Стокса микрокапли эмульсии размером менее критического уносятся потоком топлива. Критический размер микрокапель эмульсии определяют по формуле
d
1 8^Т ■ Voc
(Рэ Рт )
(2)
где цт - динамическая вязкость топлива при температуре фильтрации, Н-с/м ; уос - скорость осаждения капель, м/с; рэ, рт - плотность дисперсной фазы и топлива при температуре фильтрации, кг/м3.
Продавливание капель микроэмульсии через пору возможно только при разрушении пленки топлива в порах, которое происходит при достижении критического давления. Последнее можно определить по формуле
Р _ L РИМТ п кр
(3)
где Ркр - критическое давление, Па; оримт - межфазовое натяжение на поверхности раздела фаз раствор И-М - топливо, Н; Ьп - длина линии контакта на поверхности раздела раствор И-М и топлива по периметру поры, м; Бп - площадь поперечного диаметра поры, м2.
Анализ вышеприведенных уравнений показывает, что входящие в уравнения 1-3 величины зависят от условий окружающей среды.
3. Технологическая схема стенда и его технические характеристики
Стенд позволяет испытывать различные модели фильтров и фильтров-водоотделителей, используемых в топливных, гидравлических и масляных системах машин и механизмов. Разработка технологической схемы стенда, отдельных его частей и комплектация оборудования проводились с учетом сохранения принципа подобия с реальными системами, включая условия эксплуатации. Моделирование осуществляли в соответствии с СТП 01-00529144-2000 «Комплексная система управления качеством продукции. Контроль и испытания. Входной контроль». Основной задачей, решаемой при разработке схемы стенда, являлась конструкция герметичной камеры испытаний. Эта камера должна была позволить проводить испытания при изменении температуры окружающей среды от 40°С до минус 50°С.
Внутри камеры размещен сконструированный блок для проведения испытаний различных моделей фильтроэлементов. Кроме того, схема стенда предусматривает наличие системы подготовки топлива или другого ГСМ путем смешения его с цинковой пылью или кварцевым порошком, или дистиллированной водой. Приготовление суспензий и эмульсий позволяет тестировать модели фильтроэлементов по их основным эксплуатационным свойствам. Перемешивание компонентов осуществляется насосом через систему трубопроводов «на кольцо». Регулирование скорости потоков предложено осуществлять с помощью изменения частоты вращения асинхронного электродвигателя насоса. Объем расходного и приемного резервуаров выбирался с учетом времени, необходимого для вывода на стабильный режим испытуемого фильтроэле-мента. Рабочий объем расходного резервуара при этом составил 80 дм3, а приемного резервуара - 70 дм3. Максимальная производительность выбранной насосной установки составляет 80 дм3/мин. (5,0 м3/ч); а минимальная - 1 дм3/мин. (0,06 м3/ч). Давление, создаваемое насосной установкой, не превышает 2,0 кГс/м2 или 0,25 МПа. Средняя производительность стенда равна 2м3/ч. Габаритные размеры стенда 1350х 650х 2200мм, а потребляемая мощность - 0,6 кВт. Контроль за производительностью стенда осуществляется с помощью счетчика жидкости ППО-25-1,6 СУ №06386. Давление контролируется с помощью манометров образцового типа.
Расходный резервуар, трубопроводы и отдельные элементы узлов и агрегатов стенда изготавливались из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Приемный резервуар изготовлен из стекла, а его днище и крышка выполнены из нержавеющей стали. Крышка приемного резервуара плоская с полудюймовым краном в верхней точке для сброса давления; днище выполнено в виде конуса для слива отстоя.
Система отбора проб, установленная на стенде, предназначена для взятия проб топлива из определенных точек трубопровода стенда при его работе до и после всех фильтроэлементов и из зон отстоя блока. Она состоит из четырех последовательно установленных на одном коллекторе пробоотборников, представляющих собой трубки с шаровым краном. При использовании пробоотборников необходимо открыть соответствующий шаровой кран и топливо под давлением в трубопроводе сливается в емкость для отбора проб.
Стенд оборудован системой подсветки для визуального наблюдения за ходом протекающих процессов и фиксации их с помощью видео- и фотосъемки.
Общий вид и гидравлическая схема разработанного стенда представлен на рис. 4, 5.
Стенд СИФ-2М. Предназначен для испытания фильтроэлементов при температурах от плюс 50°С до минус 50°С. Работает на всех видах топлива с присадками.
Основным рабочим элементом многофункционального стенда является сконструированный испытательный блок. Этот блок помещен в холодильную камеру марки КТХ-1000 для проведения исследований и испытаний при отрицательных температурах. Испытательный блок выполнен из прозрачного материала с металлическими торцами.
Рис. 4. Общий вид стенда СИФ-2
Р 2-3 СЖ-4 КШ 13 КШ 12 ЭНА-1 Р 1-2
Рис. 5. Гидравлическая схема стенда СИФ-2:
ЭНА-1 - насос; Р1-2 - расходный резервуар; Р2-3 - приемный резервуар; СЖ-4 - счетчик жидкости; Б-5 - блок для исследований фильтра и фильтра-водоотделителя; ИП-6 - индикатор потока; В-7 - трубка заполнения блока; Ф-8 - модель фильтрующего или коагулирующего элемента; СЭ-9 - модель сепарирующего элемента; МН1-10 - манометр на входе; МН2-11 - манометр на выходе; КШ1-12 - кран регулирования потока; ФГ-13 - фильтр гидравлический; КШ 6, КШ7,
КШ8, КШ9, КШ10 - краны пробоотборники; КШ2, КШ3, КШ4, КШ5 - краны регулирования направления потока; КШ11 - кран сброса воздуха; КШ12, КШ13 - краны барботажа; КШ15 -кран слива рабочей жидкости из Р2; КШ14 - кран подачи рабочей жидкости из приемного резервуара в расходный.
В торце имеется специальная оправка для крепления коагулирующей, фильтрующей и сепарирующей перегородки. Днище цилиндра испытательного блока выполнено в виде конуса для сбора и слива отстоя. Исследования процессов очистки реактивного топлива на многофункциональном стенде проводятся как при положительных, так и при отрицательных температурах. Исходное предварительно подготовленное топливо (рис. 5) из расходного бака Р1-2 насосом ЭНА-1 подается в блок Б-5 через трубку В-7. В рабочем блоке Б-5 перед началом опыта установлены модели фильтрующих, коагулирующих перегородок Ф-8, СЭ-9. Все элементы стенда перед началом испытаний имеют температуру окружающей среды. После заполнения рабочего блока Б-5 топливом включают холодильную камеру КТХ-1000. Охлаждение топлива проводится со скоростью 2°С/ч. Температуру и скорость ее изменения при охлаждении расходного бака, рабочего блока, трубопроводов, верхней и нижней части морозильной камеры регистрируют с помощью температурных датчиков. По завершении процесса нагрева или охлаждения топливо насосом прокачивают через испытуемый элемент с заранее установленным расходом в приемный резервуар. Морозильная камера во время эксперимента находится в закрытом состоянии, поэтому все органы управления, а именно: кнопка старт-стоп, позволяющая включать и выключать насос, коллектор отбора проб, позволяющий отбирать пробы из разных точек трубопроводной системы стенда, информационное табло, отражающее температуру в разных точках стенда, вынесены на ее внешнюю стенку. Стенд позволяет также проводить исследование работоспособности моделей фильтрующих, сепарирующих, коагулирующих и фильтрующе-коагулирующих элементов в их реальной компоновке в условиях, близких к условиям эксплуатации, исследовать совместимость реактивных топлив, содержащих рабочие концентрации ПВКЖ, с полимерными пропитками фильтрующих перегородок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дубровкин Н.Ф., Маланичева В.Г. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив.- М.: Химия, 1985.
2. Коняев Е.А., Осипов О.П., Осипов А.О. Обоснование изменения технологии ввода антикристаллизацион-ных присадок в топливо при заправке ВС // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2009. - № 147.
CONSTRUCTION JF MULTIFUNCTIONAL MOUNTING FOR MODEL TESTING REAL FUEL FILTER ELEMENTS
Osipov A.O.
The article presents technical characteristics of multifunctional mounting for fuel filter elements testing, installed on fuel tankers in the case of different temperatures.
Key words: aviation fule, filter elements, model testing, different temperatures, testing mounting.
Сведения об авторе
Осипов Артем Олегович, 1981 г.р., окончил Московский государственный агроинженерный университет им. Горячкина В.П. (2003), аспирант кафедры авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, автор 8 научных работ, область научных интересов - обеспечение качества авиационных топлив физикохимическими методами.
