УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ
PLANT FOR CLEANING MOTOR FUELS FROM MECHANICAL IMPURITIES

Изобретение относится к технике очистки жидкостей нефтяного происхождения, в частности моторных топлив, от механических частиц и может быть использовано в различных областях народного хозяйства, где требуется эффективная очистка жидких сред с большим объемом загрязняющих примесей. Это особенно актуально в нефтяной, химической, пищевой, текстильной и др. отраслях промышленности.
Рост объемов потребления энергоносителей из-за возрастания единичной мощности машин и аппаратов при ужесточении нормативных требований к экологической безопасности окружающей среды делают проблему очистки многофазных нефтесодержащих жидкостей особенно значимой.
Перед авторами стояла задача - разработать установку для очистки жидких сред нефтяного происхождения достаточно простую в конструктивном оформлении и эффективную при длительном функционировании. Как показал анализ патентных источников, а также технической литературной информации наиболее перспективными средствами разделения по сравнению с другими устройствами являются фильтрационные установки. Существенным ограничением уменьшающим в определенной степени применение указанных установок является проблема восстановления их свойств при функционировании.
Недостатков, связанных с необходимостью периодической остановки работы для длительной регенерации или замены, не имеют устройства с гидродинамическими фильтрами, у которых удаление загрязнений с разделительной перегородки осуществляется постоянно за счет перемещения очищаемой жидкости параллельно ее продольной образующей или благодаря движению пористой перегородки относительно потока жидкости.
Известно устройство для очистки дизельного топлива от загрязнений, содержащее корпус с патрубком в днище для сброса части очищаемой жидкости, установленную на корпусе крышку с входным патрубком, гидродинамический фильтрующий элемент, который содержит пористую перегородку, выполненную в виде правильной усеченной пирамиды из гидрофобного материала и расположенную между плоскими основаниями, из которых верхнее соединено с входным патрубком, а нижнее - с патрубком сброса части очищаемой жидкости (Патент РФ №2524215).
Однако значительные габаритные размеры, технологические сложности при изготовлении и монтаже, а также наличие ребер на поверхности гидродинамического фильтрующего элемента, обуславливающих наличие «застойных зон» и неравномерность потока жидкости, снижают работоспособность устройства, а также уменьшают эффективность разделения.
Известен гидродинамический фильтр с закруткой потока, содержащий цилиндрический корпус, патрубок тангенциального подвода очищаемой жидкости, патрубки отвода очищенной жидкости первой и второй ступени, цилиндрический фильтроэлемент, бункер для осажденных частиц загрязнений, сливное отверстия для удаления загрязнений. При этом закрутка потока обеспечивает создание объемного поля центробежных сил, что исключает возможность контакта с разделительной сеткой фильтра частиц примесей соизмеримых с характерным размером ее ячейки. В то же время основная «тонкость» очистки достигается за счет гидродинамического эффекта, обусловленного тангенциальной составляющей скорости частицы при подходе к сетке фильтра (А.А. Бревнов. Обоснование конструкции гидродинамического неполнопоточного фильтра с закруткой потока. Сборник научных трудов ДонГТУ. - Алчевск, вып. 25. - С. 208-218).
Однако обеспечить эффективную закрутку потока в зазоре 3 мм по всей длине продольной образующей фильтроэлемента практически невозможно и это существенно сказывается на качестве очистки жидкой среды.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является устройство для очистки жидкостей в циркуляционных системах, содержащее цилиндрический корпус с патрубком в днище для сброса части очищаемой жидкости, герметично установленную на корпусе крышку с патрубком подачи очищаемой жидкости, подпружиненный фильтрующий элемент в виде пористой перегородки из гидрофобного материала, выполненный в форме усеченного конуса, размещенного внутри корпуса с образованием кольцевого зазора переменного сечения, и закрепленный нижним концом в патрубке сброса части очищаемой жидкости, верхнее основание которого обращено к патрубку подачи очищаемой жидкости, а с наружной стороны днища корпуса закреплен гравитационный динамический отстойник, размещенный в цилиндрической насадке (Патент РФ №2456055).
Однако организовать достижение постоянной продольной скорости жидкости в указанном устройстве, обеспечивающей самое низкое сопротивление и постоянство тонкости фильтрации по всей длине проницаемой поверхности фильтрующего элемента не представляется возможным, что сказывается на функционировании устройства.
Технический результат изобретения - повышение эффективности очистки моторных топлив при повышении работоспособности установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для очистки жидкостей в циркуляционных системах, включающем цилиндрический корпус, в крышке которого размещен патрубок принудительной подачи очищаемого топлива, связанный циркуляционной гидролинией с патрубком сброса части очищаемого моторного топлива из корпуса, в днище которого выполнены патрубок для удаления загрязнений и патрубок слива очищенного топлива в накопительную емкость, закрепленный в горизонтальной перегородке гидродинамический фильтрующий элемент в виде полого усеченного конуса, размещенного внутри корпуса по центральной его оси с образованием кольцевого зазора переменного сечения между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью фильтрующего элемента, согласно изобретению горизонтальная перегородка, в которой закреплен фильтрующий элемент меньшим глухим основанием, выполнена со сквозными каналами, в которых установлены с возможностью движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях угловые сопловые насадки, внутренняя стенка фильтрующего элемента образует цилиндрическую полость, связанную с размещенным в днище корпуса патрубком слива очищенного топлива, а внутренняя поверхность меньшего глухого основания фильтрующего элемента имеет форму двухарочного циклоида вращения, вершина которого совпадает с центральной осью фильтрующего элемента и обращена к большему основанию, в стенке фильтрующего элемента по всей высоте выполнены сквозные наклонные каналы под острым углом α к горизонтальной плоскости, установка дополнительно содержит блок ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента очищенным моторным топливом из накопительной емкости и размещенную в кольцевом зазоре полую насадку в виде усеченного конуса, выполненную из химически стойкого материала и закрепленную торцом меньшего диаметра в днище корпуса без контакта с фильтрующим элементом, ниже которого в полой насадке по периметру выполнены радиальные отверстия, торец большего диаметра полой насадки закреплен в стенке корпуса с исключением вертикального перемещения, при этом блок ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента очищенным топливом из накопительной емкости выполнен в виде гидравлической линии, в которой установлен насос, всасывающий патрубок которого подключен через соответствующий запорный вентиль к накопительной емкости, а напорный патрубок - к линии слива очищенного топлива в накопительную емкость через дополнительно введенный нормально открытый электромагнитный клапан.
На фиг. 1 представлена блок-схема установки для очистки моторных топлив от механических примесей;
фиг.  2 - вид по А-А фиг. 1;
фиг.  3 - узел обеспечения сброса части очищаемого моторного топлива.
Установка для очистки моторных топлив от механических примесей содержит цилиндрический корпус 1, выполненный из металла. В герметичной крышке 2, из исключающего электризацию материала, например, из стали Х18Н9Т (БРЭ, Т. 34. - М.: 2017. - С. 60), с помощью резьбового соединения закреплен патрубок 3 принудительной подачи очищаемого топлива. Всасывающий патрубок центробежного насоса 4, например, типа ХЦМ В-К (ГОСТ Р 54806-2011) через вентиль 5 связан трубопроводом с резервуаром 6 для моторного топлива. Нагнетательный патрубок насоса 4 связан трубопроводом с патрубком 3 принудительной подачи, который с помощью тройника связан с циркуляционной гидролинией 7. Циркуляционная гидролиния 7 с регулирующим вентилем 8 (ГОСТ 23405-78) соединена трубопроводом с патрубком 9 слива части очищаемого топлива из корпуса 1. Патрубок 9 герметично сопряжен со стенкой корпуса 1 резьбовым соединением.
Днище 10 с канавкой для уплотнительного кольца резьбовым соединением герметично крепится на корпусе 1. По центральной оси днища 10 корпуса 1 установлен патрубок 11 для слива очищенного топлива. Патрубок 12 для удаления загрязнений радиально закреплен в днище 10. Патрубки 11 и 12 крепятся резьбовыми соединениями с днищем 10. Резьбовой гайкой 13 крышка 2 зафиксирована в корпусе 1.
Горизонтальная перегородка 14 с канавкой для уплотнительного кольца установлена под крышкой 2 на выступе внутренней расточки корпуса 1. Фиксация горизонтальной перегородки 14 достигается затяжкой гайки 13. Горизонтальная перегородка 14 выполнена из химически стойкого материала, например, из стали Х18Н9Т (БРЭ, Т. 34. - М.: 2017. - С. 60). В сквозных каналах 15 горизонтальной перегородки 14 с помощью резьбовых соединений установлены угловые сопловые насадки 16 (А.А. Звягин, Р.Д. Кислюк, А.Б. Егоров. Автомобили ВАЗ: надежность и обслуживание. Л-д.: Машиностроение, 1981. - С. 69), подвижные в вертикальной и горизонтальной плоскостях (фиг. 2).
В горизонтальной перегородке 14 размещен гидродинамический фильтрующий элемент 17 в виде полого усеченного конуса. Фильтрующий элемент 17 установлен меньшим глухим основанием 18 в расточке горизонтальной перегородки 14. Фильтрующий элемент 17 фиксируется при поджатии крышки 2 к горизонтальной перегородке 14 резьбовой гайкой 13. Внутренняя поверхность меньшего глухого основания 18 имеет форму двухарочного циклоида вращения (Д.А. Голиус, А.А. Горовенко. Циклоиды и их применение при проектировании деталей машин и механизмов // Международный студенческий научный вестник. - 2017. - №4-7 - С. 1037-1040), вершина которого совпадает с центральной осью фильтрующего элемента 17 и обращена к его основанию 19. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и боковой поверхностью фильтрующего элемента 17 образован кольцевой зазор 20 переменного сечения. Внутренняя цилиндрическая полость 21 фильтрующего элемента 17 соединена с патрубком 11 слива очищенного топлива. В стенке фильтрующего элемента 17 по всей высоте под острым углом α к горизонтальной плоскости выполнены сквозные наклонные каналы 22.
В зазоре 20 размещена полая насадка 23 в виде усеченного конуса, выполненная из химически стойкого материала, например, из стали Х18Н9Т (БРЭ, Т. 34. - М.: 2017. - С. 60). Полая насадка 23 установлена торцем меньшего диаметра в кольцевой канавке днища 10 без контакта с фильтрующим элементом 17. Ниже фильтрующего элемента 17 по периметру в полой насадке 23 выполнены радиальные отверстия 24 (диаметр отверстий 5 мм) (фиг. 3). Торец большого диаметра полой насадки 23 опирается на уступ 25 в ступенчатой цилиндрической внутренней поверхности корпуса 1 на расстоянии от днища 10 не менее 0,5-0,7 Н высоты фильтрующего элемента 17. Полая насадка 23 фиксируется при завинчивании днища 10.
Патрубок 11 для слива очищенного моторного топлива подключен трубопроводом через нормально открытый электромагнитный клапан 26 (ГОСТ 22413-89) с регулирующим вентилем 27 (ГОСТ 23405-78) к накопительной емкости 28. Патрубок 12 для удаления загрязнений соединен трубопроводом с вентилем 29 и баком 30 для сбора загрязнений.
Блок ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента выполнен в виде гидролинии, которая включает центробежный насос 31, например, насос ХЦМ В-К (ГОСТ Р 54806-2011) во взрывобезопасном исполнении, давление нагнетания 300 кПа, всасывающий патрубок которого через запорный вентиль 32 подключен трубопроводом к накопительной емкости 28, а напорный патрубок - к нормально открытому электромагнитному клапану 26 и линии слива очищенного топлива в накопительную емкость 28.
Расположение фильтрующего элемента 17 в виде усеченного конуса с вершиной «вверх» дает возможность разместить в кольцевом зазоре 20 угловые насадки 16 для обеспечения закрутки потока в одну сторону вдоль его наклонной образующей (фиг. 2), что позволяет «отбросить» загрязнения к внутренней стенке корпуса 1. Движение угловых насадок 16 в вертикальной и горизонтальной плоскостях позволяет эффективно закручивать поток с наименьшими потерями. Результирующая скорость вращательной и продольно-осевой составляющих существенно больше, чем лишь одной продольной составляющей, а время «экспозиции» загрязненной среды при движении по винтовой линии также значительно больше, чем по продольной образующей, поэтому результативность работы фильтрующего элемента 17 возрастает, действие центробежных сил при закрутке потока моторного топлива усиливает указанный эффект.
Увеличивающаяся к основанию 19 фильтрующего элемента 17 длина L сквозных «радиальных» каналов 22, а также их исполнение наклонными под углом α увеличивает длину каналов до L/Sinα и приводит к дополнительному возрастанию гидравлического сопротивления, вследствие действия сил вязкости, что обуславливает снижение проникновения механических загрязнений в нижней части фильтрующего элемента 17 (Е.З. Рабинович, А.Е. Евгеньев. Гидравлика. - М.: Недра, 1987. - С. 92). Количество каналов 22 рассчитывается по их суммарной площади проходных сечений, исходя из условия обеспечения скорости движения потока моторного топлива в пределах 5-7 м/сек., с учетом уменьшения условного прохода в 1,8-2 раза из-за стенок пор материала фильтрующего элемента. Криволинейное сопряжение цилиндрической полости 21 и наклонных цилиндрических каналов 22 способствует наиболее полному использованию импульса набегающего потока (Е.З. Рабинович, А.Е. Евгеньев. Гидравлика. - М.: Недра, 1987. - С. 191) при регенерации фильтрующего элемента.
Меньшее глухое основание 18, выполненное в форме двухарочного циклоида вращения, обуславливает увеличение силы давления в 4 раза на его внутреннюю поверхность (Рабинович Е.З., Евгеньев А.Е. Гидравлика - М.: Недра, 1987. - С. 191), тем самым увеличивает интенсивность промывки фильтрующего элемента 17.
Полая насадка 23 в кольцевом зазоре 20 служит направляющей для отброшенных к стенке корпуса 1 механических примесей. Насадка 23 в виде усеченного конуса в зазоре 20, обеспечивает разгон потока топлива в его нижней половине (0,5-0,7 Н) (А.А. Бревнов. Экспериментальное исследование работоспособности гидродинамического неполнопоточного фильтра с закруткой потока. Сборник научных трудов ДонГТУ. - Алчевск, вып. 28. - 2009. - С. 294-304) и, тем самым, уменьшает возможность падения продольной скорости потока моторного топлива и повышает эффективность разделения.
Ударно-волновая регенерация фильтрующего элемента 17 осуществляется при действии импульсных волн возмущения, возникающих при гидроударе во время периодического срабатывании нормально открытого электромагнитного клапана 26 прямого действия. При этом наблюдается значительное повышение давления в трубопроводе из-за резкого торможения потока топлива. Этот процесс является быстротечным и характеризуется чередованием повышений и понижений давления в моторном топливе (Е.З. Рабинович, А.Е. Евгеньев. Гидравлика - М.: Недра, 1987. - С. 157). Использование чередующихся пульсаций давления чистой жидкой среды при регенерации повышает работоспособность установки без существенного снижения ее эксплуатационных показателей.
Установка работает следующим образом. Центробежным насосом 4, при открытом вентиле 5 из резервуара 6 осуществляется подача моторного топлива через угловые сопловые насадки 16 с закруткой в кольцевом зазоре 20. При этом вентили 8,27 и 29 открыты, а запорный вентиль 32 на гидравлической линии закрыт. Происходит очистка моторного топлива на фильтрующем элементе 17.
При падении производительности установки на 30% от первоначальной осуществляется регенерация фильтрующего элемента 17. Для этого насосом 31 подают очищенное моторное топливо из накопительной емкости 28 при открытом запорном вентиле 32. Насос 4 принудительной подачи выключен. Вентили 5, 8 и 27 закрыты, а вентиль 29 остается открытым. Чистое моторное топливо из накопительной емкости 28 с помощью насоса 31 по гидравлической линии при импульсном срабатывании нормально открытого электромагнитного клапана 26 подается в цилиндрическую полость 21. Чистое моторное по наклонным каналам 22 периодически воздействует на фильтрующий элемент 17 и смывает накопленные на фильтрующем элементе 17 механические примеси в бак для сбора загрязнений 30.
Для оценки эффективности предлагаемой установки проводилась очистка моторного топлива (топливо для реактивных двигатели марки ТС-1 и дизельного топлива марки ДТ-Л-0,5-62), результаты сравнивались с аналогичными, полученными при функционировании прототипа. Для испытания было выбрано по 1500 литров каждого топлива, в которые вносились искусственные загрязнения (кварцевая, либо аризонская пыль в объеме 0,12 г/л - 180 гр. (ИСО 12103-1-97)). При этом загрязнения равномерно распределялись в резервуаре 6. Подача центробежного насоса 4, а также характерные диаметры проходных сечений трубопроводных магистралей масштабировались, что обеспечивало скорости потока моторного топлива в пределах 5-7 м/с. Очищенное моторное топливо возвращалось в резервуар 6, где периодически повторно загрязнялось до первоначальной концентрации.
Результаты сравнительных испытаний представлены в табл. 1 и 2.
Очевидно, что почти при одинаковой исходной производительности при длительной работе производительность фильтра взятого за прототип уменьшилась на 10%, а производительность предлагаемой установки снизилась на 3-5%.
Таким образом, за счет совокупности известных признаков: цилиндрического корпуса, патрубок принудительной подачи очищаемого топлива которого связан циркуляционной гидролинией с патрубком сброса части очищаемого моторного топлива, закрепленного в горизонтальной перегородке гидродинамического фильтрующего элемента в виде усеченного конуса с образованием кольцевого зазора и со вновь вносимыми: горизонтальной перегородки с установленными в ней угловыми сопловыми насадками, цилиндрической полости фильтрующего элемента, меньшее глухое основание которого имеет форму двухарочного циклоида вращения и в его стенке по всей высоте выполнены сквозные наклонные каналы, полой насадки в виде усеченного конуса в кольцевом зазоре, закрепленную торцом меньшего диаметра в днище корпуса изолированно от фильтрующего элемента, под которым по периметру выполнены радиальные отверстия, блока ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента в виде гидравлической линии, в которой установлен насос, связанный с нормально открытым электромагнитным клапаном, позволяет повысить эффективность разработанной установки.