Расчет топливных сепараторов

При выполнении технологического расчета топливных сепараторов, установленных в системе топливоподготовки, наиболее практически интересно решение двух основных задач:

по определению эффективности очистки топлива, если известна производительность сепаратора;

по установлению производительности сепаратора, обес­печивающего удаление частиц диаметром больше d_кр при известных значениях разделяющего фактора Ф и разде­ляемости топлива Е.

Эффективность очистки можно оценивать с помощью от­носительной концентрации загрязняющих примесей (воды и механических примесей) в очищенном топливе. Относи­тельную концентрацию ?_с определяют как отношение кон­центрации примесей на выходе из сепаратора С_с к перво­начальной концентрации C₀, т. е.

Для решения первой задачи необходимо выразить ?_с через параметры, характеризующие конструктивные эле­менты сепаратора, режимы его работы, размеры частиц за­грязнений и распределение их в топливе. Конструктивные элементы и режимы работы сепаратора влияют на размер частиц, оставшихся в очищенном топливе, d_кр.

Так как примеси характеризуются размерами частиц и их распределением в топливе, для нахождения ?_с необхо­димо знать функцию распределения массы частиц по раз­мерам. При прохождении загрязненного топлива через се­паратор выделяются не только частицы d > d_кр но и не­которое количество частиц размером d < d_кр. Удаление этих частиц можно объяснить тем, что, во-первых, часть мелких частиц захватывается крупными, во-вторых, при поступлении топлива в барабан сепаратора частицы распре­деляются равномерно по всему сечению потока, и те из них, которые оказались близко к стенке барабана или к нижней стенке тарелки, успевают осесть на эти поверхности даже за время пребывания топлива в барабане сепаратора. Про­веденные исследования о характере распределения приме­сей по размерам в тяжелых топливах позволили установить вид функции распределения и найти довольно простое вы­ражение для определения относительной концентрации:

Формула (48) охватывает весь диапазон размеров частиц примесей (от 0 до d_max). Как показывают исследования, d_max составляет примерно 250—300 мкм. По формуле (48) можно рассчитать эффективность сепарации, задаваясь значени­ями d_кр.

Для уточнения значений ко­эффициентов ? и ?₀ в уравнении (48), удовлетворяющим топливам различных партий, были обобщены опытные данные по очистке различных топлив сепа­раторами разных марок. На рис. 52 представлена зависи­мость относительной концентра­ции ?_с от d_кр и нанесены экспе­риментальные точки, получен­ные при центробежной очистке топлив ДТ и мазута Ф12 сепара­торами различных марок: РХ-309 (Швеция), САОЖ3016 (ФРГ), СОЗВ/О (ГДР), СЦ-3 (СССР), ЛСМ61 (Финляндия), СЖ-61 (Япония).

Обработка данных экспериментальных исследований с помощью математической статистики показала, что зна­чения коэффициентов ? и ?₀ в формуле (48) можно принять соответственно равными 1 и 30. Эти значения согласуются с результатами исследований отстаивания топлив.

При испытании топливных сепараторов эффективность их работы можно оценивать по зависимости ?_с = f (Q) ли­бо ?_с = f (Q/Ф), в этом случае

где К_с = 27µ/[?(?_ч—?_m)];

µ—динамическая вязкость топлива, Па·с;

?_ч, ?_m — соответственно плотность частиц примесей и топли­ва, кг/м³;

? — поправочный коэффициент, называемый технологиче­ским к. п. д. или коэффициентом эффективности сепаратора.

Коэффициент ? учитывает отклонение реального процесса от действительного, т. е. ? = Q_д/Q_T;

Q_д, Q_T — соответственно действительная и теоретическая про­изводительность сепаратора, л/ч.

Соответственно можно выразить относительную концен­трацию через отношение производительности к разделяюще­му фактору, подставив в формулу (48) d_кр по выражению (49).

В связи с тем что дисперсная фаза топлив состоит из различных компонентов, при технологическом расчете се­параторов возникает необходимость выбора некоторого условного или «расчетного» загрязнителя, физические свой­ства которого могут быть заложены в расчет. У этого за­грязнителя должна быть очень близка плотность к плотно­сти топлива и наиболее высокая степень дисперсности. Можно рассмотреть с этих позиций компоненты дисперсной фазы. Вода не может быть расчетным загрязнителем, так как выделяется из топлив быстрее, чем механические при­меси, хотя и плотность ее меньше. Частицы неорганичес­ких примесей удаляются из топлив с большей эффективно­стью, чем органические примеси, поэтому эта группа ком­понентов не может быть выбрана в качестве расчетного за­грязнителя. Поэтому карбены и кар бонды наиболее целесообразно принять в качестве расчетного загрязнителя. С одной стороны, у них высокая степень дисперсности, с дру­гой — они близки к топливу по плотности.

Таким образом, если рассчитывать режим сепарации, исходя из условия, что из топлива будут выделены частицы карбенов и карбоидов размером d_i, тем самым в расчет бу­дет заложено удаление частиц механических примесей не­органического происхождения размером меньшим, чем d_i. При этом выделение воды будет эффективнее, чем механи­ческих примесей.

Для решения второй задачи технологического расчета (выбора производительности сепаратора для выделения час­тиц заданного размера при известных Ф и Е) необходимо установить взаимосвязь между производительностью, фи­зическими свойствами топлива и конструктивными элемен­тами барабана сепаратора.

При работе сепараторов принятая схема движения ча­стиц и потока (идеализированная) искажается из-за наличия вихревых зон, коагуляции частиц, отставания скорости жидкости от скорости вращения барабана, неравномерно­сти течения жидкости вдоль ротора, неравномерности рас­пределения жидкости по высоте пакета тарелок, степени неоднородности дисперсного состава части примесей и т. д. Поэтому действительная производительность сепаратора отличается от теоретической и в уравнение производитель­ности необходимо вводить поправочный коэффициент. В практике отечественного проектирования для расчета судо­вых тарельчатых центробежных сепараторов применяют уравнение производительностив м³/с,

На процесс центробежной сепарации влияют такие фак­торы, учесть которые анали­тически в настоящее время при расчете технологических показателей сепараторов весь­ма трудно. Решить эту задачу можно, если, выбрав какое-ли­бо уравнение производитель­ности сепаратора, ввести в не­го корректирующий коэффи­циент, полученный опытным путем, т. е. коэффициент эффективности ?. Установлено, что рекомендуемые в литера­туре значения коэффициента ? при очистке отечественных тяжелых топлив завышены.

Это видно из рис. 53, где нанесена экспериментальная кривая d_кр в зависимости от производительности сепаратора РХ-309, полученная на моторном топливе ДТ. Там же на­несены теоретические зависимости, подсчитанные по формуле (49) при ? = 0,5 и 1. Крупность разделения, подсчи­танная по существующим методам расчета, в несколько раз меньше действительной.

В связи со значительным расхождением теоретических и экспериментальных данных появилась необходимость изучить влияние па коэффициент ?, кроме конструктивных параметров сепараторов и физических свойств топлива и режимов сепарации.

Если обозначить в формуле (49)

то при анализе с помощью теории размерностей коэф­фициент ? может быть представлен как функция подобия чисел Рейнольдса, Фруда и Архимеда, т. е.

которую можно представить в виде уравнения

в котором числовые значения А, х, у, z определяют экспе­риментально.

Следовательно, диаметр частиц с учетом выражения (54) будет

Для установления значений коэффициентов А, х, у, z были проведены экспериментальные исследования на топливах различных марок при очистке их сепараторами раз­ных фирм. Переменными параметрами были производитель­ность сепараторов и вязкость топлив. В качестве критерия, устанавливающего степень расхождения фактических и расчетных показателей работы сепараторов (что необходи­мо для определения значений ?), был принят диаметр час­тиц d_кр, который определяли с помощью микроанализа по фотографиям как максимальный размер частиц, оставших­ся в очищаемом топливе.

Числа подобия Фруда и Рейнольдса в случае суживаю­щегося потока, наблюдающегося в барабане сепаратора при движении от периферии к центру, для наименьшего ра­диуса тарелки можно представить в следующем виде:

Число Архимеда вычисляли по формуле

Экспериментальные данные обработаны методом наи­меньших квадратов. Получено уравнение, обобщающее ре­зультаты испытаний всех марок сепараторов и марок топ­лив:

Уравнение (56) получено при изменении чисел подобия в следующих пределах: 3 · 10^-3 < Fr < 9 · 10^-2; 1 < Re < 6; 0,25 < Аг < 0,3.

Учитывая, что показатели степени у чисел подобия Fr и Re близки, а число подобия Аг изменяется в узких преде­лах, то приняв его степень 0,98 = 1,0, получим

После подстановки формулы (57) в выражение (55) по­лучим выражение для определения действительной круп­ности разделения (с учетом зависимости (49))

Экспериментальная и теоретическая крупности разде­ления, подсчитанные по формуле (58), сопоставлены на рис. 54.

По оси абсцисс отложены значения d_кр, получен­ные экспериментально, а по оси ординат — d_кр, подсчитанные по формуле (58) для определенного типа сепаратора и режима работы. Пересечение значений действительной крупности разделения и теоретической дают для каждой серии испытаний свои точки. Как видно из рисунка, по этим точкам можно провести одну прямую под углом 45°. Точки расположены достаточно близко к этой прямой, что указывает на соответствие опытных и аналитических дан­ных по крупности разделения для всех серий испытаний.

Производительность сепаратора определяли по выра­жению

Данные экспериментально-теоретических исследований позволили построить номограмму для выбора режимов се­парации топлив (рис. 55).

По номограмме в зависимости от требуемого размера от­деляемых сепаратором частиц механических примесей мож­но определить относительную концентрацию топлива ?_с, которая равна отношению концентрации примесей после сепаратора С_с к первоначальной С₀, и выбрать производи­тельность сепаратора Q, зная его разделяющий фактор Ф.

Пример. Из моторного топлива при температуре подогре­ва 65 °С, обеспечивающей вязкость 13 мм²/с, необходимо удалить частицы механических примесей размеров более 12 мкм. В этом случае эффективность очистки будет ?_с = 0,15, а производитель­ность сепаратора марки СЦС-3 Q = 1,3 м³/ч. Пользование номограм­мой рис. 55 пояснено стрелками.

- Расчет диаметра регулировочной шайбы сепаратора;

- Схемы включения сепаратора в топливную систему;

- Комплексное применение отстаивания и сепарации.