Эффективность очистки отработанных моторных масел как полидисперсных систем при различных схемах работы центрифуги

Регенерация отработанных моторных масел технологически сложная и дорогая процедура. Зачастую рационально их вос- становление лишь в той мере, которая достаточна для использования в иных условиях, например, в трансмиссиях или гидро- системах различных технических устройств. В этом случае эффективны установки для очистки масел от механических примесей, использующие однокамерные центрифуги с реактивным гидроприводом. Их эффективность зависит как от свойств масел, природы их загрязнений, так и от конструкции очистителей и режимов их работы.

В современных однокамерных центрифугах не обеспечивается рациональное движение жидкости в зоне сепарации, а следовательно, необходимый путь осаждения частиц и достаточное время их пребывания в роторе. Высокая степень очистки масла центрифугами достигается либо при малых расходах, либо при многократной его циркуляции.

Поэтому актуальны вопросы совершенствования конструкции очистительных центрифуг, оценки их эффективности при различном дисперсном составе загрязнений в отработанных маслах, а также сравнения эффективности двух схем их использования: при однократном пропуске очи- щаемого масла через ротор с малым расходом и при многократной его циркуляции за один и тот же период времени.

В целях оптимизации движения очищаемого масла в полости ротора рационально разделение потоков, используемых в гидроприводе и для очистки, на независимые друг от друга. Такой вариант был реализован в центрифуге с отделённым от сепарационной полости ротора гидроприводом (рис. 1). Здесь организовано равномерное течение очищаемого потока вдоль оси ротора, в тонком кольцевом слое, что важно для эффективности сепарации. Параметры зоны сепарации определяются расположением входных и выходных отверстий в полости ротора. Расход масла на привод не влияет на сепарируемый и может быть теоретически любым.

Как известно [1], сепарационная эффективность центрифуги характеризуется минимальным диаметром частиц, гарантированно удерживаемых ею за один проход масла. Он определяется из выражения (рис. 2).

Рис. 1. Центрифуга с отделенным от сепарирующей полости ротора гидроприводом: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – сливная камера; 4 – колонка ротора; 5 – колпак ротора;

6 – сопловый аппарат гидропривода; 7 – регулировочный дроссель

Рис. 2. Схема сепарирующей полости ротора

δу =

18 ⋅ ν ⋅ lnR/ r

Il ∆⋅ω2 ⋅τ

18 ⋅ ν ⋅ ln(1 + b/ r) м ∆ ⋅ ω2 ⋅ τ

Здесь Δ = ( ρ - ρ _l )/ ρ _l – относительная разность плотностей дисперсной фазы примесей и жидкости;

ν – кинематическая вязкость жидкости, сСт;

R, r – границы пути осаждения частиц в радиальном направлении, м;

b – ширина зоны сепарации (в радиальном направлении), м;

τ – время осаждения, с;

ω – угловая скорость ротора, рад/с.

Время пребывания частиц в роторе τ (осаждения) можно определить как

Hq

τ= , w= и тогда wS

H⋅ f H⋅π(2r+b)⋅b V

τ =       =                  = ^c .  (2)

q  qq

Здесь H – высота сепарирующей полости ротора, м;

w – осевая скорость потока жидкости в роторе, м/с;

• q – расход очищаемой жидкости, м³/c;

• f – площадь сечения кольцевого потока жидкости в роторе, м²;

• V c – объём зоны сепарации, м³;

Полагая, что ширина кольцевого потока масла b существенно меньше радиуса r, то ln(1 + b/r) ≈ b/r. Тогда с учетом (1), (2) наименьший размер улавливаемых ча- стиц

18⋅ν⋅b⋅q δу=                 .           (3)

\ ∆⋅ω2r⋅Vc

Для объективной оценки эффективности центрифуги необходимо учесть долю осаждения частиц размером δi, менее предельного δу. Она характеризуется коэффициентами очистки φi либо пропуска частиц αi. Для этого нужно знать фракционный состав загрязнений в очищаемом масле. Можно считать, что частицы диаметром δi улавливаются пропорционально площади σ i = 2πrsi (рис. 2), где si – радиальный путь их осаждения за время пребывания в роторе τ. Тогда коэффициент их очистки центрифугой (доля осаждения) составляет:

σ    2 π r ⋅ s s

ϕi = i =       i = i

σ    2 π r ⋅ b b

.

Или, выразив из (3) b и по аналогии с ним s i , с учетом (4) получаем

ф i =

(е 1

,

( S i у ) .   (5)

Тогда коэффициент пропуска (остатка) частиц диаметром S i определяется:

a i — 1 — ф i — 1 —

( у )

.

Эти выражения справедливы для одного прохода масла через центрифугу. Рассмотрим режим многократной циркуляции.

Пусть g i – исходная концентрация частиц диаметром S i . После первого прохода и последующих k их концентрация уменьшится и будет составлять:

gi   — gi - фi ' gi,  . . .

( k )      ( k — 1)           ( k - 1)

gi ^— g ⁽    ) - Ф г ' g⁽   ) •          (7)

S у             S у a— Ja if( S )dS —J 00

Перемножив почленно все k равенств системы (7) и преобразовав полученное выражение, с учетом (6) получим

(k)

gi —(1 - Фі) k

или

gi

ak) — (1 - Фі) k

(

k

- —S 2

⁵ y )

.

Полученные выражения (6) и (8) справедливы лишь для частиц диаметра S i . Чтобы получить суммарные коэффициенты, нужно определить их для каждой фракции загрязнений, а затем просуммировать. Тогда, если известна функция, харак-

теризующая распределение частиц загрязнений по размеру (плотность распределения) - f( S ), то коэффициенты остатка после разового пропуска и k -кратной циркуляции масла через ротор составят:

(

—

52 4

5 2

5 y )

f( S)dS,

S yk                S yk

a(k) — J akf(S) • dS — J

k

S 2

1 --L  f( 5) ■ d5.

( S yk )

(9)

(10)

Здесь S yk - минимальный размер частиц, гарантированно улавливаемых центрифугой за один проход масла в режиме его k -кратной циркуляции, мкм.

Таким образом, качество очистки центрифугами отработанных моторных масел как полидисперсных систем механических примесей зависит от их фракционного состава, характеризуемого плотностью распределения f(S).

Анализ загрязнений отработанных масел различных дизельных двигателей [3] показал, что плотность распределения их по размерам подчиняется логарифмически нормальному закону (ЛНР), который характеризуется известным выражением [4]

f( S) —

■

1

s' exp

7

(in 5 — In S o )2

(

2 in 2 о

Здесь S , З о - текущий и медианный размеры частиц, мкм.;

ln о - среднеквадратичное отклонение в ЛНР.

Подставив (11) в (9) и (10), соответственно получим

-

a

(k)

f

a f =

1

1

in 5 у

г

2 П к in ст

J exp

-да

-

к

in 5 у

2П/Л in ст • 5

у

1

J 5

-да

in 5 у

7

J 1

-да

к

-

exp

5 2

-

к

Л

k

yk 7

(in 5- in 5 o ) ²

2 in 2 ст

(in 5- in 5 o) ²

2 in 2 ст

exp

-

к

d(in 5 )

-

d(in 5 ) ;

(in 5- in 5 o ) ²

2 in 2 ст

d(in 5 ) .

Используя формулы (12) и (13), была произведена аналитическая оценка эффективности двух схем использования центрифуги с отделенным гидроприводом (рис. 1) при очистке разных по фракционному составу загрязнений отработанных моторных масел.

Для расчетов использованы данные по загрязнениям отработанных масел судовых двигателей: ЧН25/30, 6ЧНP32/48,

ЧН24/31 [5], [6] и тракторного ЯМЗ-240 [7] (табл. 1, 2).

Учитывая функциональные зависимости между параметрами ЛНР размеров частиц полидисперсной системы в линейной и логарифмической системе координат [8], для рассматриваемых масел были определены основные характеристики распределения частиц их загрязнений: медианы – δо и среднеквадратичного отклонения – lnσ (табл. 1, 2).

Таблица 1

Параметры распределения размеров частиц загрязнений в отработанных маслах судовых двигателей

Марка дизеля	Относительное содержание частиц (%) по размерам, мкм											5 о , мкм	ln a
	ку o' о	О' 7 ку о"	ку 7 О'	О' ci ку	ку ci О' ci	О' СП ку ci	try С<Г О^ ГО	CD 1 го	ку 7 О'		try irT
6ЧНР32/48	48,3	31,3	12,6	4,6	1,9	0,8	0,4	0,1	0,1	–	–	0,55	0,745
ЧН24/31	8,3	41,4	23,8	12,4	6,3	4,0	1,9	1,1	0,5	0,3	–	1,04	0,619
ЧН25/30	8,9	44,2	22,2	12,0	5,8	3,4	1,6	0,8	0,5	0,4	0,1	0,98	0,459

Таблица 2

Параметры распределения размеров частиц загрязнений в отработанном масле двигателя ЯМЗ-240 (трактора К-701)

Размеры частиц загрязнений δ (по группам), мкм	1,0	2,0	3,0	4,0	5-10 (7,5)	10-15 (12,5)	15-20 (17,5)	20-30 (25)	30-40 (35)	40-50 (45)	> 50 (60)
Количество частиц в 1 мл масла, шт.	о к, о CI	ОО ОО СҺ	о о m	ОО	о о к, о m	о к, CI о	ОО о	CI о ОО	о ОО о	мп	CI
in 5 о, (50, мкм)	1,425  (δ0 = 4,1 мкм)
in ст	0,929

Задавшись геометрическими и эксплуатационными параметрами центрифуги (табл. 3), был определен по формуле (3) предельный размер гарантированно улав- ливаемых за один проход масла частиц 5у (при циркуляционном режиме работы центрифуги).

Учитывая, что время очистки заданного объёма масла в режиме его однократного пропуска и многократной циркуляции одинаково (равная производительность установки), между расходами масла через центрифугу в этих режимах существует зависимость

q qk =   ,               (14)

k где qk – расход в режиме однократного пропуска масла, м3/c;

q – расход при k-кратной циркуля ции масла через ротор, м3/c.

Таблица 3

Исходные данные для расчетов коэффициентов остатка частиц

Параметры	Величина
Геометрические и эксплуатационные параметры центрифуги
Высота зоны сепарации Н , мм	228
Начальный радиус сепарации r , мм	24
Ширина зоны сепарации b , мм	4
Объём зоны сепарации V с , л	0,146
Расход очищаемого масла (в режиме многократной циркуляции) q , л/мин	4
Частота вращения ротора n , об/мин	9000
Наименьший размер частиц, гарантированно улавливаемых за один проход масла через центрифугу (при расходе q ) δ у , мкм	4,22
Физические параметры отработанных масел (при t = 90…95 0С)
Кинематическая вязкость масел ν , cCт	10
Плотность масел ρ м , кг/м3	900
Плотность сепарируемых частиц загрязнений (сажа) ρ, кг/м3	1900

При расходах qk соответственно изменяется и наименьший размер гарантиро- ванно улавливаемых за один проход частиц загрязнений δ уk .

Результаты расчетов по формулам (12) и (13) коэффициентов остатка загряз- нений в рассматриваемых маслах при различных значениях k представлены на ри- сунке 3.

При этом для графиков

α (_fk)

пара-

метр k имеет размерность кратности циркуляции и фактически характеризует продолжительность процесса очистки. Для графиков α f каждому значению параметра k соответствует коэффициент остатка загрязнений при расходе масла qk, определяемом по формуле (14). Так как qk в k раз меньше q, то в этом режиме обеспечивает- ся аналогичное время очистки рассматриваемого объема масла, что и при многократной циркуляции. Таким образом, для графиков α f параметр k характеризует расход масла через центрифугу qk и, следовательно, также продолжительность очистки.

Анализируя эти режимы для всех четырех масел, отметим закономерности.

С одной стороны, при заданном времени работы установки более глубокая очистка обеспечивается при однократном пропуске масла через центрифугу с малым расходом q k . С другой стороны, при этом режиме очистка заданного объема до требуемой степени чистоты (коэффициента α _f ) занимает меньшее время, чем при многократной циркуляции. Эффективность центрифуги при любом режиме ее эксплуатации существенно зависит от фракционного состава загрязнений в очищаемом масле.

Сравнивая очистку масел с близкими значениями медиан распределения частиц загрязнений δ _o (рис. 3 б , в ) отметим, что интенсивность отбора примесей выше там, где меньше величина среднеквадратичного отклонения ln σ . Причем эта закономерность имеет место при любом режиме очистки.

Сравним очистку масел с близкими значениями ln ст , но с резко различающимися медианами З о (рис. 3 а, в ). Эффективность очистки тем выше, чем крупнее медиана, т.е. основные фракции загрязнений. Этот вывод подтверждают графики (рис. 3 г ). У отработанного масла двигателя

ЯМЗ-240 медиана З о почти в 8 раз больше чем в примере (рис. 3 а ). Поэтому даже при наибольшем среди рассматриваемых примеров рассеивании частиц ln ст эффективность очистки этого масла центрифугой наивысшая.

атіпь БЧНР:

W

Де иг а сел: > ЧН 2 ? /30

зл

ІП<7 =

0.459:

§„ — 0. ?8 в км

745:

км me :ог< >кр пн >пг ск

МП ог с красны и пр игу ж

Двһтаіелі ЧН 2-

ІПо =

0,619;

34 икм

>й

МЫ ратные ағ "к

0 5 Ю 15 20 25 30 35 40 « 50

10 15 20 2 5 3 0 3 5 40 4 5 5 0

г)              к

10 15 20 25 30 35 40 45 50

а)             к

0.3-

02<

0.1-

0L 0

0.9

0.8 =Чк040.7 ---- 0.6 °Ч 0.5 ---- 0.3

0.2 0.1 о

0.4 ag^k)

0.3

мпогскргтнь й , прзпу ж

1 ■ 0.9' 0.8" 0.7-“аООо.б 7    0.5- о^юу іаттыи

_$aiya:___ " ——

) 5 10 15 20 25 3 0 35 40 45 50

65            к огскргтнь прхтуж

1г

0.9J

0.8“ “Ск(У0 7---- 0.6ft 0.50.4-^0.3-0.20.1" 0“ 0

од жж

03 5м с дне

Рис. 3. Зависимости коэффициентов остатка a f и а^ ^к) механических примесей

в отработанных моторных маслах от времени их очистки и кратности проходов k

Для проверки этих выводов были проведены эксперименты по очистке трех отработанных моторных масел в лабораторных условиях экспериментальной центрифугой с отделенным гидроприводом (рис. 1). Их исходные свойства представлены в таблице 4, а параметры экспериментальных исследований – в таблице 5.

Производилась обработка одинаковых объемов масел: V = 15 литров. Время работы установки Т (мин), соответствующее k -кратной циркуляции масла, определялось как

V • k V

q    qk

Таблица 4

Исходные свойства исследуемых отработанных моторных масел (ОММ)

Параметры масел	ОММ №1	ОММ №2	ОММ №3
Плотность р (при 20 0 С), кг/м 3	889	891	894
Кинематическая вязкость v (при 100 0 С), мм 2 /с	8,32	9,55	10,54
Содержание нерастворимых осадков x 0 , %	0,89	1,22	3,58

Рис. 4. Содержание нерастворимых осадков в отработанных моторных маслах в зависимости от продолжительности очистки и расхода через центрифугу: х k – при многократном пропуске с расходом q ;

х ki – при однократном пропуске через центрифугу с расходом q k

В ходе экспериментов определялось содержание нерастворимых осадков в испытуемых маслах после их очистки:

– при различных расходах q k в режиме однократного пропуска – х ki ;

– при разном количестве проходов через центрифугу k (в условиях многократной циркуляции с расходами q ) – x k ..

Результаты экспериментов представлены графически на рисунке 4. Здесь для кривых x k ось абсцисс имеет смысл количества пропусков k очищаемого масла через центрифугу.

Для графиков хki абсцисса ki рассчитывалась следующим образом. В процессе эксперимента измерялся расход масла через ротор центрифуги – qk. Далее по фор- муле (14) определялась соответствующая кратность проходов масла через центрифугу – ki при расходах q.

Полученные кривые (рис. 4) подтверждают теоретические выводы о наиболее эффективном режиме работы центрифуги в установке: при однократном пропуске масла через нее с малым расходом. Кроме того, эксперименты показали: эффективность центрифуги при очистке рассматриваемых масел различна. Для каждого из них существовала предельная глубина очистки, т.е. стабилизация содержания нерастворимых примесей в конце технологического процесса. Этот предел возможностей опытной центрифуги, очевидно, зависел от дисперсного состава загрязнений в маслах.

Таблица 5

Кратность циркуляции, k	ОММ-1 (q = 2 л/мин)		ОММ-2 (q = 3,8 л/мин)		ОММ-3 (q	= 4 л/мин)
	Т, мин	q k , л/мин	Т, мин	q k , л/мин	Т, мин	q k , л/мин
1	7,5	2,0	4,0	3,8	3,8	4,0
2	15,0	1,0	7,9	1,9	7,5	2,0
3	22,5	0,66	11,9	1,27	11,3	1,33
4	30,0	0,5	15,8	0,95	15,0	1,0
5	37,5	0,4	19,8	0,76	18,8	0,8
6	45,0	0,33	23,7	0,63	22,5	0,66
8	60,0	0,25	31,6	0,475	30,0	0,5
10	75,0	0,2	39,5	0,38	37,5	0,4
15	112,5	0,15	59,3	0,25	56,3	0,3
20	150,0	0,1	79,0	0,19	75,0	0,2
40	300,0	0,05	158,0	0,09	150,0	0,1

Параметры экспериментов по исследованию эффективности различных схем очистки отработанных моторных масел (ОММ)

Выводы

• 1.    Потенциальная эффективность центрифуг при очистке отработанных моторных масел как полидисперсных систем загрязнений определяется не только их конструктивными параметрами и режимами работы, но и фракционным составом загрязнений, в частности двумя основными параметрами логарифмически нормального закона распределения их частиц – медианой и среднеквадратичным отклонением.

• 2.    При заданном времени работы установки при очистке отработанных моторных масел однократный их пропуск через центрифугу с малым расходом более эффективен, чем режим многократной циркуляции и это преимущество сохраняется при любом фракционном составе загрязнений в очищаемых маслах.