Центробежная очистка топлива

Центробежная очистка топлива основана на способ­ности частиц загрязнений и капель воды оседать под дей­ствием центробежной силы.

Этот метод во много раз эф­фективнее, вследствие больших центробежных усилий.

В случае простого отстаивания гравитационные силы, действующие на частицы загрязнений и воду, содержащиеся в топливе, очень невелики, и скорости оседания частиц малы.

При движении частицы под действием центробежной силы на нее действует

центробежная сила

где d. — диаметр частицы, м;

?_п — плотность частицы, кг/м³;

w — скорость вращения частицы, м/с,

? — угловая скорость, рад/с;

n — частота вращения, с^-1;

R — радиус вращения частицы, м.

Одновременно на частицу действуют архимедова сила и сила сопротивления среды, направленные в противополож­ную сторону центробежной силы.

Архимедова сила в этом случае будет

где ?_т — плотность топлива, кг/м³.

Силу сопротивления среды S можно определять по фор­мулам (5) и (11).

Используя уравнение (6) получим уравнение движения сферической частицы с постоянной скоростью при центри­фугировании

Из уравнения (17) можно определить скорость оседания частицы в топливе

Важной характеристикой работы центробежного ап­парата является фактор разделения Ф, показывающий, во сколько раз действующая на частицу центробежная сила, возникающая при вращении, больше ее веса:

Фактор разделения фактически является числом Фруда. С учетом числа Фруда формулу (18) можно записать так

Чем больше фактор разделения, тем интенсивнее про­цесс центрифугирования. В современных центробежных аппаратах фактор разделения ограничивают по условиям прочности и динамической устойчивости. Чем мельче частицы механических примесей в топливе, тем больше должен быть фактор разделения и тем меньше должна быть производительность центробежного аппарата. Центробеж­ную очистку топлив осуществляют в спе­циальных аппаратах, называемых сепа­раторами. В судовой практике приме­няют трубчатые и тарельчатые сепара­торы. Их фактор разделения лежит в пределах 4000—42 ООО. В трубчатых се­параторах происходит процесс толсто­слойного сепарирования. Здесь загряз­ненное топливо непрерывно поступает во вращающийся трубчатый барабан (рис. 3) через нижнее отверстие а.

За­грязнения, находящиеся в топливе, под воздействием центробежных сил отбра­сываются к периферии и оседают на стенках барабана, а очищенное топливо непрерывно выходит через его верхнее центральное отверстие б. Средняя осевая скорость час­тиц, вызванная потоком жидкости через барабан,

Радиальная скорость частицы, возникающая под дей­ствием центробежной силы при стоксовском режиме (Re ? 1),

Производительность трубчатого сепаратора, м³/с, при условии, что скорость топлива по поперечному сечению по­тока топлива в роторе остается постоянной, определяют так:

где R_l и R.₂ — соответственно внешний и внутренний радиусы цир­куляционного потока жидкости в роторе, м;

? — угловая скорость ротора, рад/с;

w₀ — скорость оседания частицы, вычисленная по форму­ле (12), м/с;

l — длина ротора, м;

g — ускорение свободного падения, м/с².

Длина барабана сепаратора должна быть принята та­кой, чтобы частицы малых размеров, которые необходимо удалить, достигали внешней поверхности барабана при за­данной производительности.

Если загрязнения топлива условно принять состоящими из частиц одного эквивалентного диаметра и одинаковой плотности (монодисперсная система), то предельный диа­метр частиц, которые будут полностью оседать в барабане, будет

где µ_T — динамическая вязкость топлива, Па·с.

Фактор разделения для трубчатых сепараторов обыч­но более 12 000.

Приведенная формула справедлива для ламинарного режима течения топлива в барабане, наиболее характерно­го для рассматриваемых сепараторов. Для повышения эф­фективности работы сепараторов необходимо уменьшить путь оседания частиц в барабане, что можно достичь при использовании пакета конических тарелок. В тарельчатых сепараторах осуществляется тонкослойное сепарирование. В барабане такого сепаратора поток очищаемого топлива разделен коническими тарелками 4 (рис. 4, а) на тонкие слои и увлекается ими во вращательное движение.

Топливо непрерывно поступает во вращающийся барабан 5 по центральному каналу б, а отводится через кольцевое отверстие а в верхней части. Под действием центробежных сил частицы загрязнений отбрасываются на нижнюю по­верхность вышележащей тарелки, после чего начинают скользить по ней к внутренней поверхности барабана, а поток очищенного топлива движется к его центру. Длину образующей конической тарелки при заданных частоте вра­щения и производительности определяют при расчете из условия, чтобы частицы минимальных размеров, которые необходимо удалить, достигали поверхности вышележащей конической тарелки, так как только в этом случае они будут удалены из топлива. Обычно в топливных тарельчатых сепараторах зазор между тарелками 0,7—1,0 мм. Поток топлива плотностью ?_т увлекает в межтарельчатое про­странство частицы загрязнений диаметром d и плотностью ?_п со скоростью

где F — суммарное поперечное сечение межтарельчатых каналов для прохода топлива в сепараторе, м².

В то же время под действием центробежных сил части­цы отбрасываются на нижнюю поверхность верхней та­релки со скоростью, определяемой по формуле (22). Будут отсепарйрованы только те Частицы, которые за время Пре­бывания в межтарельчатом пространстве достигали поверх­ности верхней тарелки. Производительность тарельчатого сепаратора для полной очистки в ней топлив от частиц загрязнений диаметром d, м, можно вычислить так:

где ? — угловая скорость ротора, рад/с;

h — высота рабочей части тарелки, м;

i — число тарелок;

R₁' и R₂' — соответственно внутренний и внешний радиусы ко­нической тарелки, м;

?_п и ?_т — соответственно плотность частиw загрязнений и топ­лива, т/м³;

µ_т — динамическая вязкость топлива, Па·с.

Учитывая, что h = (R_2­­' — R₁') tg?, получаем

где ? — угол наклона тарелки к оси вращения ротора.

Тарельчатые сепараторы эффективно работают при ла­минарном режиме течения топлива. При переходе к турбу­лентному режиму поток топлива отрывает уже осевшие на тарелке частицы и уносит их с собой. Переход к турбулент­ному режиму происходит при Re = 200?300.

Для тарельчатых сепараторов число Рейнольдса вычис­ляют по формуле

где v_T — кинематическая вязкость топлива, мм²/с.

Очистка топлива с помощью сепараторов достаточно эффективна, но имеет ряд эксплуатационных неудобств. Кроме относительно больших массы и габаритных размеров аппаратам центробежной очистки присущи еще и такие недостатки: зависимость эффективности очистки от темпе­ратуры очищаемого топлива, относительно большие затра­ты энергии на привод барабана, относительная сложность и высокая стоимость аппаратов.