Валиулин, Сергей Сергеевич. Разработка комбинированного фильтра-сепаратора для судовой энергетической установки и основ его проектирования : Валіулін, Сергій Сергійович. Розробка комбінованого фільтра-сепаратора для суднової енергетичної установки та основ його проектування Valiulin, Sergei Sergeevich. Development of a combined filter-separator for a ship power plant and the basics of its design

Краткое описание

Валиулин, Сергей Сергеевич. Разработка комбинированного фильтра-сепаратора для судовой энергетической установки и основ его проектирования : диссертация ... кандидата технических наук : 05.08.05 / Валиулин Сергей Сергеевич; [Место защиты: Волж. гос. акад. вод. трансп.].- Нижний Новгород, 2012.- 143 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/3763

Федеральное агентство морского и речного транспорта Российской Федерации
Федеральное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Волжская государственная академия водного транспорта
На правах рукописи
0420.1 2 6 8 211 "
Валиулин Сергей Сергеевич
РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОГО ФИЛЬТРА-СЕПАРАТОРА
ДЛЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
И ОСНОВ ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заел, деятель наук РФ Курников А.С.
Нижний Новгород - 2012
Введение 3
Глава 1. Анализ уровня разработок в области фильтрующих устройств и разделения двухфазных сред 7
1.1 .Физические принципы работы фильтрующих устройств и их математическое описание 7
1.2. Конструктивные принципы обеспечения эффективной и ста-бильной работы фильтрующих устройств 21
1.3. Выводы. Цель и задачи исследования 37
Глава 2. Разработка комбинированного фильтра - сепаратора и мате-матическое моделирование рабочего процесса в его проточной части 39
2.1. Разработка гидравлической схемы и конструкции 39
2.2. Постановка и решение задачи математического моделирования
сред в фильтре-сепараторе 46
2.3. Особенности численной реализации математической модели 52
2.4. Результаты математического моделирования течения рабочих
сред в фильтре-сепараторе 55
2.5. Выводы по главе 70
Глава 3. Экспериментальные исследования характеристик комбиниро-ванного фильтра-сепаратора 71
3.1. Задачи и методика проведения экспериментальной работы 71
3.2. Определение характеристик дисперсного загрязнителя с нор-мированными параметрами 82
3.3. Результаты экспериментального исследования характеристик
фильтра-сепаратора 88
3.4. Выводы по главе 98
Глава 4. Основные положения методики проектирования судового фильтра-сепаратора 99
4.1. Конструкция и общая компоновка 99
4.2. Рекомендуемый параметрический ряд судовых фильтров- 101 сепараторов
4.3 Алгоритм проектирования и расчёта судового комбинированно- 108 го ФС
4.4 Практическое применение результатов исследования 110
4.5 Выводы по главе 111
Общие выводы 1^
Библиографический список используемой литературы 114
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важнейших требований по обеспечению надёжности судовых энергетических установок (СЭУ) является поддержание спецификационных параметров рабочих тел систем СЭУ.
В большинстве общесудовых систем и систем СЭУ в качестве рабочих жидкостей используются вода, масло, дизельное топливо, нефтепродукты и др. Все они в общем случае являются неоднородными (гетерогенными) и со¬стоят из двух и более фаз. Например, в воде наружного контура охлаждения двигателей может присутствовать твёрдая дисперсная фаза - частицы песка, органические продукты и газовая фаза - в виде пузырьков воздуха. Положи¬тельную технологическую функцию практически всегда выполняет основная сплошная жидкая фаза. Дисперсные включения во всех важных случаях ухудшают работу систем. Так, твёрдые частицы в системе охлаждения, осе¬дая в трубопроводах, теплообменниках и регулирующих органах, ухудшают их гидравлические характеристики, приводят к заклиниванию арматуры, сни¬жают эффективность теплообменных аппаратов и т.п.
Постоянное или периодическое удаление из судовых технологических жидкостей посторонних дисперсных включений - одна из важных задач обеспечения безотказной и долговечной эксплуатации энергетических уста-новок.
Изготовители элементов систем, как правило, указывают нормирован¬ные параметры жидкостей и требуют их соблюдения. Несмотря на то, что в настоящее время на флоте применяется большое число специализированных устройств для разделения неоднородных систем и удаления посторонних включений, задачу очистки рабочих жидкостей нельзя считать решённой. Свидетельством этого являются загрязнения систем охлаждения с перегре¬вом главных и вспомогательных двигателей, загрязнение топливной аппара¬туры с заклиниванием плунжерных пар, загрязнение систем смазывания с «задирами» пар трения и т.п.
Значительный вклад в решение указанных проблем внесли отечествен¬ные и зарубежные специалисты: Дытнерский Ю.И., Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г., Теверовский Е.Н., Дмитриев Е.С., Лазорев В.А., Васькин С.В., Минц Д.М., Ferziger, J. Н., Rhie, С.М. и др.
Сложность создания эффективных и стабильно работающих судовых разделительных элементов связана с рядом физических особенностей, в том числе:
-полидисперсностью посторонних частиц, т.е. значительной разницей их размеров и форм;
-вариацией плотности и твёрдости частиц;
-вариацией физико-механических свойств, в т.ч. адгезией к стенкам ап¬паратов, склонности к коагуляции;
-склонностью к созданию достаточно плотного осадка, дестабилизи-рующего работу разделительных элементов и др.
В составе СЭУ наибольшее распространение нашли два основных типа фильтрующих устройств: сепараторы и механические фильтры. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Попытки преодоления отрица¬тельных свойств и усиления достоинств являются движущей силой при соз¬дании новых фильтрующих аппаратов. Однако, задача создания фильтрую¬щих устройств, сочетающих преимущества сепараторов и механических фильтров, до настоящего момента не имела эффективного решения.
Цель работы. Целью работы является создание эффективного судово-го комбинированного фильтра-сепаратора(ФС) и теоретических основ его расчёта и проектирования.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-разработка эффективной гидродинамической схемы и устройства су-дового комбинированного ФС;
-разработка математических моделей течения загрязнённой среды в элементах ФС;
-экспериментальное исследование эффективности работы ФС;
-создание основ инженерной методики расчёта и проектирования ново¬го судового комбинированного ФС.
Объектом исследования является судовой комбинированный ФС. Методы исследования. В работе использовались методы математиче¬ского анализа на базе систем дифференциальных уравнений течения вязкой жидкости и уравнений движения твёрдых частиц в потоке в трёхмерной по-становке с генерацией моделей в программной среде ANSYS CFX. Экспери¬ментальные исследования выполнялись на физических полноразмерных мо¬делях с использованием специально спроектированного стенда по методи¬кам, рекомендуемым современными ГОСТами и другой нормативной доку¬ментацией.
Научная новизна и личный вклад автора заключаются в следующем:
1. Создана новая эффективная гидродинамическая схема и устройство судо¬вого комбинированного ФС, сочетающего преимущества сепаратора и меха¬нического фильтров.
2. Впервые разработаны математические модели течения загрязнённой жид¬кости в проточной части комбинированного ФС.
3. Найдены закономерности, отражающие влияния геометрических и режим¬ных факторов на фракционную и общую эффективность фильтрования.
4. Экспериментально подтверждена эффективность работы комбинированно¬го ФС. Получены критериальные зависимости для расчёта эффективности фильтрования.
5. Разработаны основы инженерной методики проектирования судового ком¬бинированного ФС.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Создан пилотный образец нового судового комбинированного ФС, обла¬дающий высокими эксплуатационными характеристиками.
2. Разработаны основные параметры типоразмерного ряда ФС систем охлаж¬дения, отопления и горячего водоснабжения для вновь строящихся и нахо¬дящихся в эксплуатации судов.
З. Применение разработанных ФС позволяет значительно уменьшить интен¬сивность образования отложений в судовых системах, повысить надёжность работы арматуры, предохранительных устройств, датчиков расхода, темпера¬туры, давления, повысить эффективность судовых теплообменников и др. Реализация результатов работы состоит в применении разработанных ос¬нов методики проектирования судовых ФС в практике предприятия ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ» при создании проекта и промышленных образцов типо¬размерного ряда ФС на Dy 50.. .200.
Достоверность полученных результатов обоснована корректным исполь¬зованием методов матанализа при создании математических моделей, экспе¬риментальным подтверждением теоретических положений при исследовании характеристик опытных образцов ФС, применением при проведении экспе¬риментов апробированных и надёжных методов измерений, использованием при планировании экспериментов и обработке опытных данных методик, одобренных Государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международного промышленно-экономическом форуме «Великие реки' 2010» и «Великие реки' 2011», ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2010-2012 гг.) Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 4 печатные работы.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы.
Основное содержание работы изложено на 119 страницах машинопис¬ного текста и включает 62 рисунка и 9 таблиц. Список литературы состоит из 72 наименований.

Список литературы

Общие выводы
Итогом выполненных исследований является разработка высокоэффек-тивного судового ФС и основ его проектирования.
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1. Анализ конструкций, принципов действия и методов расчёта совре-менных аппаратов для очистки технологических жидкостей от твёрдых за-грязнений показывает, что одним из перспективных направлений повышения эффективности этих устройств, является сочетание двух и более физических принципов выделения дисперсной фазы. Конструктивное исполнение новых комбинированных фильтрующих устройств должно обеспечивать нейтрали-зацию отрицательных свойств отдельных физических принципов и макси-мально полное использование положительных свойств.
2. Разработана эффективная гидродинамическая схема и конструкция су-дового ФС, сочетающего преимущества циклонного и механического фильт-ров.
3. Разработаны математические модели течения загрязнённой жидкой среды в элементах предложенного ФС. Расчётные исследования, выполнен-ные с использованием этих моделей, подтвердили заложенные в конструк¬цию ФС гипотезы об особенностях движения двухфазной среды в кольцевом канале корпуса фильтра при натекании под острым углом на решётку фильт-роэлемента.
4. Экспериментально исследованы гидродинамические характеристики осаждения реальных загрязняющих частиц в речной воде. Выявлено значи-тельное влияние несферической формы частиц на коэффициент сопротивле-ния.
5. Получены критериальные зависимости для определения коэффициента сопротивления частиц загрязнения речной воды.
6. Экспериментально исследована фракционная эффективность опытного фильтра-сепаратора в широком диапазоне геометрических и режимных па-раметров. Найдена область максимума функции эффективности фильтрова-ния и получена критериальная зависимость для расчета фракционной эффек-тивности фильтрования разработанного ФС.
7. Разработаны основные положения методики проектирования судового фильтра-сепаратора. Данные положения содержат соотношения и рекомен-дации сформулированные на базе расчётного и экспериментального исследо-ваний ФС.
8. Предложена базовая конструкция судового ФС и разработаны парамет¬ры типоразмерного ряда фильтров для нужд речного флота.
9. Положения и рекомендации по проектированию судовых комбиниро-ванных ФС позволяют создавать эффективные устройства данного типа в диапазоне параметров, соответствующих нуждам проектировщиков судовых систем.
10. Основные положения методики внедрены в практику проектирования судовых фильтров-сепараторов для систем охлаждения и утилизации тепло-ты на предприятии ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ».
Новизна технических решений была подтверждена патентом на полез¬ную модель № 115237 Бюл. №12 от 27.04.2012