С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський icon

С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський




Скачати 144.64 Kb.
НазваС. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський
Дата16.08.2012
Розмір144.64 Kb.
ТипДокументи



I SSN 1813–1166. Вісник НАУ. 2004. №4

УДК 665.66(043.3)

1С.С. Дровнін

2В.Г. Демидко, канд. техн. наук

3А.Й. Пашинський

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ МІНЕРАЛЬНИХ МАСТИЛ


НА ЕТАПАХ ЇХ ЖИТТЄВОГО ЦИКЛУ

1Факультет військової підготовки НАУ, e-maіl: nau@edu.ua

2, 3 Інститут комп’ютерних технологій НАУ, e-maіl: avіacosm@nau.edu.ua

Розглянуто механізм масообміну в системі “газ – вуглеводна рідина”. Розроблено математичну модель масообмінного зневоднення мінеральних мастил. Отримано залежність, що враховує конструктивні особливості барботажних пристроїв, фізико-хімічних властивостей рідини і газу. Визначено параметри і умови режимів обробки мінеральних мастил інертними газами. Обґрунтовано застосування масообмінного методу обробки мінеральних мастил для збереження властивостей на стадіях їх життєвого циклу.

Вступ


Життєвий цикл мінеральних мастил (ММ) обмежений нормативними документами на ці продукти [1]. Це обумовлено негативним впливом води і розчиненого кисню на експлуатаційні властивості ММ, що погіршують ці властивості і виводять показники якості за межі вимог нормативно-технічних документів (НТД) [2; 3].

Збільшення гарантійних термінів зберігання із забезпеченням якості ММ завдання державної важливості, вирішення якого дозволить значно скоротити постачання і витрати на поповнення запасів ММ, збільшить ресурс застосування даних нафтопродуктів [4].

Праці, присвячені створенню нормативної бази для сертифікації технологічних процесів, збереженню якості пально-мастильних матеріалів, хімотологічної надійності і безвідмовності техніки, є актуальними.
^

Аналіз досліджень і публікацій


Аналіз існуючих способів і методів зневоднення ММ показує, що найефективніший метод –це масообмінний або метод барботажу [5; 6]. Якщо використовувати інертний газ, то цей метод буде позбавлений недоліків, властивих іншим методам зневоднювання ММ [6].

Барботажний шар має складну структуру, тому що він негомогенний, деякі його фізичні параметри (наприклад, в’язкість) невизначені, немає фіксованої поверхні розділу фаз (вона постійно змінює свій розмір і форму), спливаючі бульбашки та струмені газу створюють потужні циркуляційні течії рідини, тому точний кількісний опис барботажного шару не розроблено [7].

Процес масообміну залежить від особливостей конструкції барботажних пристроїв [8].

^

Постановка завдання


Завдання проведених досліджень полягало в тому, що на основі відомих законів газогідро-динаміки визначити параметри барботажу та установити залежності конструктивних особливостей барботажних пристроїв, основних фізико-хімічних властивостей (ФХВ) рідини та газу.
^

Розроблення математичної моделі


масообмінного зневоднення

мінеральних мастил

Для розроблення математичної моделі масо-обмінного зневоднення ММ створено алгоритм побудови математичної моделі (рис. 1).



Рис. 1. Алгоритм побудови математичної моделі

Рівняння рухомої маси речовини виведено з урахуванням закону збереження мас, закону зміни кількості руху, рівняння, що визначає динамічний стан рідини і рівняння напруженого стану.

Застосовуючи ці закони до маси рідини m, що знаходиться в момент часу t у деякому, довільно виділеному з усієї рідини об’ємі V, тобто застосуємо ці закони до фіксованої системи мате-ріальних точок маси m, що займало у момент t об’єм V.

Будемо вважати, що всередині об’єму немає джерел або стоків, через які рідина могла б попадати в об’єм або витягатися з нього (рис. 2).



Рис. 2. Довільна маса рухомої рідини

у момент часу t
^

Рівняння нерозривності


Відповідно до закону збереження маси [9 маса рідини, що знаходилася в момент часу t у розглянутому об’ємі, буде залишатися незмінною під час її руху. Якщо позначити через  густину рідини, то за означенням густини можемо записати:

.

Відповідно до закону збереження маси:

. (1)

Маса m під час руху рідини може змінюватися як за рахунок зміни густини , так і за рахунок зміни об’єму V, що може займати ця маса рідини в наступні моменти часу.

Зміна маси рідини m за одиницю часу за рахунок зміни густини буде дорівнювати:

. (2)

Зміну маси рідини визначимо за рахунок зміни об’єму. Нехай ^ S -поверхня, що обмежує об’єм V. Оскільки ця поверхня складається з рідких
частинок, то в процесі руху вона буде переміщуватися.

Елемент поверхні dS (рис. 2), положення якого в просторі визначається нормаллю n, переміщується за час Δt на величину dSUnΔt, де Un – швидкість переміщення елемента поверхні dS у напрямі нормалі. За рахунок переміщення dS об’єм зміниться в одиницю часу на величину UndS. Зміна маси рідини m за одиницю часу за рахунок зміни об’єму буде дорівнювати

. (3)

Ураховуючи рівняння (2) і (3), співвідношення (1) записуємо так:

. (4)

Рівняння (4) виражає закон збереження маси в інтегральній формі. Для вираження цього закону в диференціальній формі перетворимо UndS, використовуючи формулу Остроградського –Гаусса [9], відповідно до якої

(5)

де (U)=div(U).

Ураховуючи вираз (5), рівняння (4) матиме вигляд:

.

Остання рівність не залежить від об’єму V, отже

(6)

або, враховуючи, що

;

,

рівняння (6) матиме вигляд:

. (7)

Доданки др/дt і складають локальну і конвективну частини зміни щільності рідини. У випадку, коли = const, рівняння нерозривності (7) матиме вигляд

. (8)

Для розв’язання поставленої задачі доцільно рівняння нерозривності (8) подати в полярній системі координат:

, (9)

де  і r – змінні системи координат; U,Ur –складові швидкості U.

Повний диференціал рівняння (9) називається функцією струму, тобто кількість речовини, що проходить через одиницю площі [9, яка задо-вольняє рівність:

. (10)

Рівняння (10) буде використане для знаход-ження складових швидкості U, Ur.

^

Рівняння закону кількості руху


До маси рідини m застосуємо закон кількості руху [10], відповідно до якого зміна вектора
кількості руху постійної маси m, що знаходиться в об’ємі V у момент часу t, дорівнює геометричній сумі сил Fi , що діють на масу:

. (11)

Зовнішні сили, що діють на масу рідини m, яка знаходиться в об’ємі V у момент часу t, будуть складатися з об’ємних і поверхневих сил.

Об’ємні сили Fo – це сили, значення яких пропорційні масі, і можуть бути подані у вигляді

Fo =дdV,

де – сумарна сила, що діє на одиницю маси рідини.

До об’ємних сил можуть бути віднесені сили тяжіння або інші сили, зумовлені прискореним рухом усієї маси рідини.

Поверхневі сили Fп – це сили, що діють на поверхню S, яка обмежує об’єм V з боку навколишньої рідини. Ці сили можуть бути подані у вигляді суми сил тиску Fд та сил тертя Fт.; Fд – поверхнева сила, що діє на елементарну площину, проведену через цю точку, величина якої не залежить від орієнтації площини, до якої її прикладено:

Fд=Pds,

сили тертя

Fт=τпds,

де τп – напруга тертя, тобто вектор сили тертя, що діє на площину з одиничною площею, розміщення якої в просторі визначається одиничною нормаллю n.

Таким чином, закон кількості руху (11) можна записати у вигляді

. (12)

Вектор кількості руху маси рідини, що міститься в об’ємі V у момент часу t дорівнює:

. (13)

Диференціюючи рівняння (13), одержуємо зміну кількості руху:

. (14)

З урахуванням формули (14) рівняння (12) матиме вигляд



(15)

Отримане співвідношення (15) є законом
кількості руху в інтегральній формі. Щоб отримати вираз цього закону в диференціальній формі, необхідно застосувати до поверхневих інтегралів формулу (5) Остроградського – Гаусса 9:

. (16)

Рівність (16) виконується для будь-якого об’єму рідини, тому



або

.

Ураховуючи рівність (6) і те, що

,

отримуємо:

. (17)

Рівність (16) є законом кількості руху в диференціальній формі.

Використовуючи зв’язок між тензором напруг і тензором деформацій [10], а також рівняння (17), отримаємо рівняння Нав’є–Стокса:

, (18)

де  – коефіцієнт динамічної в’язкості.

У випадку нестисливої рідини і за умови, що F = – , рівняння (18) набуває вигляду

, (19)

де – коефіцієнт кінематичної в’язкості; – вихор швидкості чи ротор .

Ротори обох частин виразу (19) однакові



або . (20)

Якщо потік сталого руху плоский:

,

де  має тільки одну складову в полярній системі координат:

,


2= ++,

то рівняння (20) матиме вигляд

. (21)

^ Рівняння перенесення масової концентрації

Через ni позначимо кількість частинок (молекул) і-го сорту в деякому елементарному об’ємі dV, а через mi – масу окремої частинки. Тоді за визначенням густини i-го компонента:

=nimi  i/= nimi/nimiі.

Відношення i/ буде визначати масову концентрацію частинок і-гo сорту Сі, отже, i = .

Рівняння нерозривності (6) для і-го компонента складається звичайним способом з тією різницею, що під густиною треба розуміти густину
і-го компонента i, під швидкістю U – середню
швидкість Ui цього компонента, отже, дi/дt+(iUi)=0 або д/дt+(U)=0.

Оскільки Ui=U+Uд, де Uд – швидкість дифузії компоненти та i= Сi, то одержимо

. (22)

Із застосуванням закону Фіка [7] рівняння (22) набуває вигляду

, (23)

де Di – коефіцієнт дифузії i-го компонента.

Для сталого руху в полярній системі координат рівняння (23) набуває вигляду

. (24)

Опис процесу масообміну у разі барботажу зводиться до розв’язання системи рівнянь: нерозрив-ності (10), кількості руху (21) та дифузії (24):

(25)

Із праці [10] відомо, що  = 2. Тоді система (25) матиме вигляд:

(26)

Система (26) задовольняє граничні умови:

– на межі розділу фаз “газ – рідина”:

(rn ; ) = 0;

– якщо r  :

 (r ; ) = 0 – U r sin;

– умови симетрії:

 (r ; – ) =  (r ; );

– на межі розділу фаз “газ – рідина”:

С (r ;) = C0 .
^

Застосування математичної моделі


масообмінного зневоднення

під час оптимізації процесу барботажу

Застосування системи рівнянь (26) для роботи реальної системи “газ – вуглеводна рідина” можна у разі виконання теорії розмірності [11] і врахування потрібних умов.

Умова ефективного масообміну – час контакту фаз “газ – рідина” τк має бути достатнім для завершення дифузійних процесів τд, тобто за час всплиття бульбашок, газ, що знаходиться в бульбашці, має насититися вологою до стану динамічної рівноваги [4]. Тоді

τк > τд  Δτ = τк / τд..

Використовуючи аналітичні викладення, закон Стокса [8] та рівняння Ейнштейна, отримане аналізуванням броунівського руху, що встановлює залежність між неупорядкованим рухом молекул і дифузійним потоком 7, установлена залежність, що враховує конструктивні особливості барботажного пристрою і ФХВ рідини та газу:

,

де α – коефіцієнт, що враховує конструкцію барботажного пристрою; – коефіцієнт, що враховує ФХВ рідини; D – коефіцієнт дифузії, що враховує молекулярне і вихрове перенесення маси речовини.

Для корекції отриманої залежності експериментально знайдено діапазони основних параметрів барботажу та барботажних пристроїв
(рис. 3, 4). Тоді умови масообміну: якщо Δτ < 1, масообмін не ефективний; якщо Δτ >> 1, свідомо завершуються дифузійні процеси τд, за час всплиття газових бульбашок τк. Для зручності порівняння отриманих результатів, що характеризують динаміку процесу зневоднення ММ, уведено показник чинника вологого вмісту:

С' = Со,

де С, Со – поточна та початкова концентрації вологи у рідкій фазі.

Чим менше значення С', тим інтенсивніше відбувається масообмін (рис. 3–5). Для характеристики, що враховує об’єми рідкої і газової фаз уведено показник кратності продувки:

к = Vг/Vм,

де Vг, Vм – об’єми газу та оброблюваного мастила.



а



б

Рис. 3. Залежність інтенсивності зневоднення мастил від вибору одиночних отворів d0 у барботері (а) і витрати газу Q (б):

– М-8В; – Галол-4042ТД; –АМГ-10;

а: І-ІІІ –область зневоднення (І –область інтенсивного зневоднення);

б: І-ІV –область зневоднення (ІІ –область інтенсивного зневоднення)

Отримано залежності інтенсивності зневоднення від вибору висоти барботажного шару (рис. 4), де встановлена мінімальна висота барботажного шару для ефективного масообміну [4].



Рис. 4. Залежність інтенсивності зневоднення мастила М-8В від висоти барботажного шару hi

і кратності продувки кі:

– h1= 0,1 м; – h2 = 0,2 м; – h3= 0,3 м; – h4 = 0,4 м


На основі визначення основних параметрів
барботажу і барботажних пристроїв досліджено зміна обводненості та газоутримання ММ. Установлено залежності інтенсивності зневоднювання від часу барботажу, початкового вологовмісту, ФХВ мастила і кратності продувки [4].

Установлені залежності підтверджують правильність підходу до вибору основних характеристик барботажу (рис. 5).



Рис. 5. Залежність зміни концентрації води

в ММ від кратності продувки

Загальна залежність зміни концентрації води в ММ від кратності продувки описується рівнянням

Сτ0ехр(-аVг/Vм),

де а – коефіцієнт, що враховує фізико-хімічні показники якості ММ.

Пропонований спосіб обробки ММ інертними газами можна застосовувати безпосередньо в місцях виробництва, зберігання і застосування
нафтопродуктів завдяки його простоті.

Оброблені інертними газами ММ закладено на довготривале зберігання на складах пального МО України.

Отримані результати спостережень свідчать про те, що ММ, що зберігаються в інертному середовищі більш тривалий час, зберігають ФХС порівняно з товарними ММ, що зберігаються в звичайних умовах.

Запропонована методика дозволяє прогнозувати терміни гарантійного зберігання ММ τ'гі .

τ'гі = (КП)і' τгі /КПі = Кзб  τгі,

де τгі = f (КПі) – гарантійний термін зберігання товарних згідно з НТД на товарні ММ; КПі – комплексний показник якості ММ; (КП)і' – комп-лексний показник якості ММ, знайдений згідно з методикою.

Результати розрахунків оброблено методом математичної статистики. Знайдений коефіцієнт Кзб дозволяє порівнювати отримані розрахункові та емпіричні дані.

За цими значеннями можна прогнозувати отримані результати і приймати рішення про можливість продовження життєвого циклу ММ на стадіях зберігання та застосування.

Висновки


На основі запропонованої математичної моделі розроблено методику барботажного зневоднення мінеральних мастил. Установлено залежність, що враховує конструктивні особливості барботажних пристроїв, фізико-хімічних властивостей рідини та газу, визначено основні пара-метри барботажу.

Обробка і наступне зберігання мінеральних мастил та гідравлічних рідин в інертному середовищі дозволяє збільшувати терміни їх гарантійного зберігання зі збереженням якості в межах вимог стандартів.

Дістали подальший розвиток:

– визначення параметрів барботажу залежно від початкових умов зневоднення, тобто вихідної концентрації вологи, фізико-хімічних показників якості оброблюваних нафтопродуктів;

– розроблення методик і рекомендацій щодо проектування пересувних та стаціонарних установок зі зневоднення;

– обґрунтування потреби у впровадженні в практику військ утримування запасів ММ та гідравлічних рідин тривалого зберігання в інертних середовищах з метою збереження якості та
збільшення гарантійних термінів зберігання;

– розроблення нормативно-технічної доку-ментації технологічних процесів виробництва, зберігання, відновлення якості ММ та гідравлічних рідин на етапах їх життєвого циклу.

Список літератури

  1. Лифиц Н.М. Основы стандартизации, метрологии, сертификации. – М.: Юрайт, 2001. – 267 с.

  2.  Аксенов А.Ф. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости. – М.: Транспорт, 1970. – 271 с.

  3.  Гречкин А.М., Белянский В.П., Аксенов А.Ф. Пути повышения надежности и долговечности топливных, масляных и гидравлических систем самолетов // Наука и техника гражданской авиации. – М.: ЦНТИГА, 1981. – С. 6–8.

  4.  Дровнин С.С., Терехин В.И. Определение ос-новных параметров барботажа обводненных минеральных масел и гидравлических жидкостей различными газами //Матеріали V міжнар. наук.-техн. конф. „Авіа–2003”. – 23–25 квіт. 2003 р. – К.: НАУ, 2003. Т. ІV. – С. 41.105–41.112.

  5.  McFall J., Van Восхlаеr М. Сеtrіfugаl purіfіса-tіоn sеrvісе gеts trаnsmіssіоn plаnt оut оf hоt water // Lubricants World. – 2002. – 12, №3. – Р. 24–26.

  6.  Дровнін С.С. Способи зневоднення наф-топродуктів //Матеріали ІІІ міжнар. наук.-техн. конф. „Авіа–2001” 24-26 квіт. 2001 р. – К.: НАУ, 2001. – Т. ІV. – С. 12.44–12.46.

  7.  Кафаров В.В. Основы массопередачи. – М.: Высш. шк., 1972. – 496 с.

  8.  Протодьяконов И.О., Люблинская И.Е. Гидродинамика и массообмен в системах газ–жид-кость. – Л.: Наука, 1991. – 349 с.

  9.  Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.: Наука, 1973. – 847 с.

10. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. – М.: Наука,1969. – 824 с.

11. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. –М.: Наука, 1967. – 428 с.

Стаття надійшла до редакції 12.10.04.

С.С. Дровнин, В.Г. Демидко, А.И. Пашинский

Обеспечение качества минеральных масел на этапах их жизненного цикла

Рассмотрен механизм массообмена в системе “газ – углеводородная жидкость”. Разработана математическая модель массообменного обезвоживания минеральных масел. Получена зависимость, учитывающая конструктивные особенности барботажных устройств, физико-химических свойств жидкости и газа. Определены параметры и условия режимов обработки минеральных масел инертными газами. Обосновано применение массообменного метода обработки минеральных масел для сохранения свойств на стадиях их жизненного цикла.

S.S. Drovnin, V.G. Demydko, A.J. Pashynskyj

Мaintenance of quality of mineral oils at stages from life cycle

The mechanism mass change in system «gas–coalhydrargium a liquid» is considered. The mathematical model mass change off water of mineral oils is developed. The dependence which is taking into account design feature of barbotage of devices, Physics -chemical properties of a liquid and gas is received. The parameters and sufficient conditions of modes of processing of mineral oils by inert gases are determined. The application mass change of a method of processing of mineral oils for preservation of properties at stages of their life cycle is proved.

Схожі:

С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconГосударственный стандарт союза сср конструкции и изделия железобетонные радиационный метод определения толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения
Л. Г. Родэ, канд техн наук; В. А. Клевцов, д-р техн наук; Ю. К. Матвеев; И. С. Лифанов; В. А. Воробьев, д-р техн наук; Н. В. Михайлова,...
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconСтроительные нормы и правила отопление, вентиляция и кондиционирование сниП 04. 05-91*
Ссср (д-р техн наук Е. Е. Карпис, М. В. Шувалова), вниипо мвд СССР (канд техн наук И. И. Ильминский), мниитэп (канд техн наук М....
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconГосударственный стандарт союза сср трапы чугунные эмалированные технические условия гост 1811-81
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. И. Горбунов, канд техн наук
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconПо делам строительства москва разработан министерством промышленности строительных материалов СССР исполнители
В. А. Лопатин, канд техн наук; Н. Н. Бородина, канд техн наук; Т. А. Мелькумова; В. И. Голикова; Л. Г. Грызлова, канд техн наук;...
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним сортамент гост 6942. 1-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд., техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним общие технические условия гост 6942. 0-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним. Муфты конструкция и размеры гост 6942. 22-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним отводы конструкция и размеры гост 6942. 9-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд., техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним. Ревизии конструкция и размеры гост 6942. 24-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
С. С. Дровнін 2В. Г. Демидко, канд техн наук 3А. Й. Пашинський iconТрубы чугунные канализационные и фасонные части к ним. Раструбы и хвостовики фасонных частей типы, конструкции и размеры гост 6942. 2-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи