Разработка комбинированного фильтра-сепаратора для судовой энергетической установки и основ его проектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Валиулин, Сергей Сергеевич

  • Валиулин, Сергей Сергеевич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2012, Нижний Новгород
  • Специальность ВАК РФ05.08.05
  • Количество страниц 119
Валиулин, Сергей Сергеевич. Разработка комбинированного фильтра-сепаратора для судовой энергетической установки и основ его проектирования: дис. кандидат технических наук: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные). Нижний Новгород. 2012. 119 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Валиулин, Сергей Сергеевич

Введение

Глава 1. Анализ уровня разработок в области фильтрующих устройств и разделения двухфазных сред

1.1 .Физические принципы работы фильтрующих устройств и их математическое описание

1.2.Конструктивные принципы обеспечения эффективной и стабильной работы фильтрующих устройств

1.3. Выводы. Цель и задачи исследования

Глава 2. Разработка комбинированного фильтра - сепаратора и математическое моделирование рабочего процесса в его проточной части

2.1. Разработка гидравлической схемы и конструкции

2.2. Постановка и решение задачи математического моделирования сред в фильтре-сепараторе

2.3. Особенности численной реализации математической модели

2.4. Результаты математического моделирования течения рабочих сред в фильтре-сепараторе

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальные исследования характеристик комбинированного фильтра-сепаратора

3.1. Задачи и методика проведения экспериментальной работы

3.2. Определение характеристик дисперсного загрязнителя с нормированными параметрами

3.3. Результаты экспериментального исследования характеристик фильтра-сепаратора

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Основные положения методики проектирования судового фильтра-сепаратора

4.1. Конструкция и общая компоновка

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

4.5 Выводы по главе 111 Общие выводы 112 Библиографический список используемой литературы 114 Приложение

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», 05.08.05 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка комбинированного фильтра-сепаратора для судовой энергетической установки и основ его проектирования»

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 состоят 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. Положительную технологическую функцию практически всегда выполняет основная сплошная жидкая фаза. Дисперсные включения во всех важных случаях ухудшают работу систем. Так, твёрдые частицы в системе охлаждения, оседая в трубопроводах, теплообменниках и регулирующих органах, ухудшают их гидравлические характеристики, приводят к заклиниванию арматуры, снижают 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 установок.

Изготовители элементов систем, как правило, указывают нормированные 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 перегревом главных и вспомогательных двигателей, загрязнение топливной аппаратуры с заклиниванием плунжерных пар, загрязнение систем смазывания с «задирами» пар трения и т.п.

Значительный вклад в решение указанных проблем внесли отечественные и зарубежные специалисты: Дытнерский Ю.И., Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г., Теверовский E.H., Дмитриев Е.С., Лазорев В.А., Васькин C.B., Минц Д.М., Ferziger, J. H., Rhie, C.M. 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 аппаратов, склонности к коагуляции;

-склонностью к созданию достаточно плотного осадка, дестабилизирующего 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 отрицательных свойств и усиления достоинств являются движущей силой при создании новых фильтрующих аппаратов. Однако, задача создания фильтрующих устройств, сочетающих преимущества сепараторов и механических фильтров, до настоящего момента не имела эффективного решения.

Цель работы. Целью работы является создание эффективного судового 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 судового комбинированного ФС;

-разработка математических моделей течения загрязнённой среды в элементах ФС;

-экспериментальное исследование эффективности работы ФС; 4

-создание основ инженерной методики расчёта и проектирования ново го судового комбинированного ФС.

Объектом исследования является судовой комбинированный ФС. Методы исследования. В работе использовались методы математического анализа на базе систем дифференциальных уравнений течения вязкой жидкости и уравнений движения твёрдых частиц в потоке в трёхмерной постановке с генерацией моделей в программной среде А^УВ СБХ. Экспериментальные исследования выполнялись на физических полноразмерных моделях с использованием специально спроектированного стенда по методикам, рекомендуемым современными ГОСТами и другой нормативной документацией.

Научная новизна и личный вклад автора заключаются в следующем:

1. Создана новая эффективная гидродинамическая схема и устройство судового комбинированного ФС, сочетающего преимущества сепаратора и механического фильтров.

2. Впервые разработаны математические модели течения загрязнённой жидкости в проточной части комбинированного ФС.

3. Найдены закономерности, отражающие влияния геометрических и режимных 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, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками.

2. Разработаны основные параметры типоразмерного ряда ФС систем охлаж дения, отопления и горячего водоснабжения для вновь строящихся и находящихся в эксплуатации судов.

3. Применение разработанных ФС позволяет значительно уменьшить интенсивность образования отложений в судовых системах, повысить надёжность работы арматуры, предохранительных устройств, датчиков расхода, температуры, давления, повысить эффективность судовых теплообменников и др. Реализация результатов работы состоит в применении разработанных основ методики проектирования судовых ФС в практике предприятия ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ» при создании проекта и промышленных образцов типо-размерного ряда ФС на Ву 50. .200.

Достоверность полученных результатов обоснована корректным использованием методов матанализа при создании математических моделей, экспериментальным подтверждением теоретических положений при исследовании характеристик опытных образцов ФС, применением при проведении экспериментов 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.

Похожие диссертационные работы по специальности «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», 05.08.05 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Валиулин, Сергей Сергеевич

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Анализ конструкций, принципов действия и методов расчёта современных аппаратов для очистки технологических жидкостей от твёрдых загрязнений 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 нейтрализацию отрицательных свойств отдельных физических принципов и максимально полное использование положительных свойств.

2. Разработана эффективная гидродинамическая схема и конструкция судового ФС, сочетающего преимущества циклонного и механического фильтров.

3. Разработаны математические модели течения загрязнённой жидкой среды в элементах предложенного ФС. Расчётные исследования, выполненные с использованием этих моделей, подтвердили заложенные в конструкцию 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 значительное влияние несферической формы частиц на коэффициент сопротивления.

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 параметров. Найдена область максимума функции эффективности фильтрова

112 ния и получена критериальная зависимость для расчета фракционной эффективности фильтрования разработанного ФС.

7. Разработаны основные положения методики проектирования судового фильтра-сепаратора. Данные положения содержат соотношения и рекомендации сформулированные на базе расчётного и экспериментального исследований ФС.

8. Предложена базовая конструкция судового ФС и разработаны параметры типоразмерного ряда фильтров для нужд речного флота.

9. Положения и рекомендации по проектированию судовых комбинированных 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 теплоты на предприятии ООО «ГИДРОТЕРМАЛЬ».

11. Новизна технических решений была подтверждена патентом на полезную модель № 115237 Бюл. №12 от 27.04.2012

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Валиулин, Сергей Сергеевич, 2012 год

1. A.c. SU №1291182А1, Гидродинамический фильтр. / кл. В Ol D 7/12, 1982.

2. A.c. SU №2070418С1, Фильтр. / кл. В 01 D 29/20, 1979.

3. Бажан В.И., Вайсблат Б.И., Трянин И.И. Основы научных исследований на речном транспорте, Горький, Волго-Вятское книжное издание. 1990.319 с.

4. Быстров Ю.А. Исаев С.А., Кудрявцев H.A., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. СПб.: Судостроение, 2005. -392 с.

5. Волшаник В.В., Зуйков А.Д., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях/Под ред. Г.И. Кривченко. М.: Энергоиз-дат, 1990.-280с.

6. Водоочистное оборудование: конструирование и использование / Ю.С. Веселов, И.С. Лавров, Н.И. Рукобратский. -Л.: Машиностроение, 1985.232 с.

7. Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта.-М.: Недра, 1971,-312с.

8. Горячев И.К. Рябчиков С.Я. Промышленная и санитарная очистка газов. Обзорная информация. Сер. ХМ 14.-М.:ЦИНТИ химнефтемаш, 1987. -28с.

9. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидравлические и тепловые процессы и аппараты: Учеб. для вузов. М.: Химия. 1992.- 416 с.

10. Закрученные потоки: Пер. с англ. / Гупта А, Лилли Д., Сайред Н.-М.: Мир.1987.- 588 с.

11. Идельчик И.Е.Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Под ред. М.О.Штейнберга, изд. 3-е перераб. и дополн. М.: Машиностроение, 1992,-671с.

12. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков: уч.пособие / Д.А. Кривошин и др.; доп. Мин-вом образов. РФ для студ. вузов по экологич. Спец. М.: Высш. школа, 2003. - 344с.

13. Инженерные сети, оборудование зданий и сооружений: учебник / E.H. Бухаркин и др.; под ред. Ю.П. Соснина.-2-e изд, испр. и доп.-М.: Высш. шк., 2008. 415с.

14. Каталог водоочистного оборудования Каталог.: Метод, пособие / Центр обеспечения экологического контроля. -СПб., 2003. -85 с.

15. Каталог газоочистного оборудования Каталог.: Метод, пособие / Центр обеспечения экологического контроля. -СПб., 2002. -310 с.

16. Лазарев В.А. Циклоны и вихревые пылеуловители: Справочник. Н.Новгород: СпецстройЭнергоПроект, 2005. -285 с.

17. Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-12. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств / М.Б. Генералов, В.П. Александров, В.В. Алексеев и др.; под общ. ред. М.Б.Генералова. М.: Машиностроение, 2004. - 832 с.

18. Методика проектирования объединённой системы очистки судовых сточных и нефтесодержащих вод: автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.08.03 /А.О. Писарев; ВГАВТ,- защищ. 12.2010. Нижний Новгород, 2010. 23 с.

19. Моделирование процессов очистки воды: учеб. пособие /В.И. Кичигин. -М.: АСВ, 2003. -230 с.

20. Методы очистки производственныхсточных вод: справ, пособие / А.И. Жуков, И.Л. Монгайт, И.Д. Родзиллер. -М.: Стройиздат , 1977. 208 с.

21. Минц Д.М. Теоретические основы очистки воды. -М.: Изд. лит. по по строит., 1964. -372 с.

22. Нефтеловушки, фильтры, гидроциклоны и центрифуги. Примеры расчётов.: уч.-мутод. указания для студ. очн. и заочн. обуч. / C.B. Васькин. -Н.Новгород: изд. ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. 52с.

23. Очистка питьевой и технической воды примеры и расчёты: учебн. пособие / Ф.В Кожинов; доп. Мин-вом высш и сред. обр. СССР для студ. вузов 4-е издание, репринт.- М.: Бастед, 2008. - 304 с.

24. Оборудование и технология для очистки сточных вод машиностроительных предприятий: альбом. -М.: ВНИТЭМР, 1991. -120 с.

25. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов / Д.Н. Смирнов, В.Е. Генкин. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1989. 223 с.

26. Очистка питьевой и технической воды: примеры и расчёты, учеб. пособие / Ф.В. Кожинов; доп. Мин-вом высш. и сред. обр.СССР для студ спец. вузов. 4-е изд., репринт. -М.: Бастед, 2008. 304 с.

27. Очистка промышленных газов фильтрами / В.Н. Ужов, Б.И. Мягков. -М.: Химия, 1970. -319 с.

28. Промышленная экология: учебн. пособие для студ вузов / В.Г. Калыгин. -2-е изд. -М.: Академия, 2006.- 432 с.

29. Природоохранные сооружения: учебник / М.А. Попов, И.С. Румянцев; рек. Мин-вом сельск. хоз. РФ для студ. вузов эколог, спец. -М: Колосс, 2005.- 520 с.

30. Пейре Р., Тейлор Т. Вычислительные методы в задачах механики жидкости. Д.: Гидрометеоиздат, 1986. -350 с.

31. Проектировании сооружений для очистки сточных вод: справ, пособие к СНиП. -М.: Стройиздат, 1990. 192 с.

32. Процессы и аппараты очистки сточных вод: уч. Пособие / C.B. Васькин. -Н.Новгород: ВГАВТ, 2006. 256 с.

33. Применение системы ANS YS к решению задач механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. А.К. Любимова. Н.Новгород: Изд-во Нижегородского университета им. Лобачевского,2006. -227 с.

34. Плыкин M. Создание призматических слоев и оптимизация сетки в ANSYS ICEM CFD // ANSYS Solutions. Русская редакция, -2006. -№2 -с. 331-34

35. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1984. -152 с.

36. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидромеханические основы процессов химической технологии: учебное пособие для вузов. -JL: Химия, 1987. -360 с.

37. Разработка и изготовление масляного фильтра-центрифуги для двигателя Р6-ДФ148: отчёт о НИР/ научн. рук. С.А. Чепурнов. -Горький: ГИ-ИВТ, 1962. -35с.

38. РД 5.4434-86 Система показателей качества продукции. Фильтры механической очистки воды, масла и топлива. Методика оценки технического уровня и качества. М.: Изд. стандартов, 1988. - 38 с.

39. Рыбаков К.В. Фильтрация авиационных топлив. М.: Транспорт, 1973. -164 с.

40. Сосуды работающие под давлением, котлы и трубопроводы: Сборник нормативных документов. М.: НЦ ЭААС, 2006. - 528 с.

41. Смирнов O.P., Юдицкий Ф.Л. Надёжность судовых энергетических установок. Л.: Судостроение, 1974. 279 с.

42. Станкова E.H., Затевахин М.А. Многосетчатые методы. Введение в стандартные методы. СПб.: Институт высокопроизводительных вычислений и информационных систем, 2003. -47 с.

43. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: в 2 ч. 4.1 / Л.А. Кльский и др.; отв. ред. А.Т.Пилипенко. -Киев: Наук. Думка, 1980. -680 с.

44. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: в 2 ч. 4.2 / Л.А. Кльский и др.; отв. ред. А.Т.Пилипенко. -Киев: Наук. Думка, 1980. 679 с.

45. Справочник по пыле и золоулавливанию / М.И. Биргер, А.Ю Вальдберг, Б.И. Мягков и др.; под общей ред. A.A. Русанова. -М.: Энергоиздат, 1983.- 312 с.

46. Судовые трубопроводы. Пер. с нем. / Д. Бом, К. Бухенау, Г. Брейер и др.; -Д.: Судостроение, 1976. -264 с.

47. Совершенствование систем обеспечения обитаемости и повышения экологической безопасности судов на основе активированных окислительных технологий: дисс. д-ра техн. наук: 05.08.03 / A.C. Курников; ВГАВТ -защищ. 04.07.2002. -Н.Новгород, 2002. -307 с.

48. Совершенствование системы сбора и обработки судовых отходов с целью повышения безопасности эксплуатации судов: автореферат, дисс. канд. Техн. наук 05.22.19 / И.А. Минаева; МГАВТ.- защищ. 27.04.2011. -М.: МГАВТ, 2011,-21с.

49. Судовые установки очистки сточных вод: способы очистки, устройство и эксплуатация: учеб. пособие / Н.Г. Ермошкин и др. -Одесса.: Феникс, 2004. 56с.

50. Теверовский E.H., Дмитрием Е.С. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М.: Энергоиздат, 1988. -160с.

51. Технологические системы водообработки: динамическая оптимизация / И.В. Гордин.-Д.: Химия, 1987. 264с.

52. Технология обработки природных и сточных вод. / Хаммер М. Дж.; Пер. с англ. М.:Стройиздат, 1979. 400 с.

53. Фильтры тонкой очистки дизельного топлива / И.В. Брай, И.Ю. Белявский, ЮА. Кудинов. -М.: Машгид, 1963.- 128 с.

54. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости. М.:Мир, 1991.-504с.

55. Фильтры для улавливания промышленных пылей / М.Г. Мазус, А.Д. Мальгин, М.Л. Моргулис. -М.: Машиностроение, 1985. 240с.

56. Фильтрация дизельного топлива / Л.А.Емельянов. М.;Л.; Машгид, 1962.-107 с.58,59,60,61.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.