Очищення й зневоднювання дизельного пального в умовах господарства

Надійність дизельних двигунів сільськогосподарської техніки визначається, насамперед, безвідмовністю роботи паливної апаратури, близько 50% випадків відмов якої відбувається через забруднення пального. Тому для зменшення спрацювання деталей двигуна, підвищення стабільності його роботи, а також зниження витрат пального потрібно подбати про якість останнього.

А. Калюжний, Б. Калюжний,
Харківський національний університет сільського господарства
ім. Петра Василенка,
В. Платков,
Харківський національний економічний університет ім. Семена Кузнеця

Забруднювачами пального є вода, продукти корозії резервуарів і трубопроводів, механічні домішки та продукти окислювання вуглеводнів, що утворюють нерозчинні  сполуки. Найважливішою вимогою до чистоти пального є відсутність у ньому води. Вуглеводневе пальне гігроскопічне. Вода в ньому перебуває у вільному стані, розчиненому та у вигляді водопаливних емульсій. Для підвищення надійності паливної апаратури потрібно, передусім, видаляти емульсійну воду. Водопаливні емульсії утворюються внаслідок дроблення вільної води на дрібні краплі під час проходження пального через насоси та випадання  розчиненої води в процесі його охолодження. Під час заправлення машин пальним забруднювачі, серед яких є й поверхнево-активні речовини, утворюють стійкі дрібнодисперсні емульсії, які важко відстоюються й проникають у прецизійні вузли паливної апаратури через наявні фільтри.
Відома низка способів відокремлення вільної води від нафтопродуктів, заснованих на хімічних, фізичних і фізико-хімічних процесах. Значного поширення для зневоднювання нафтопродуктів набули методи, що грунтуються на застосуванні пористих перегородок (фільтраційні методи).
Дуже поширені фільтрувальні елементи з органічних та неорганічних матеріалів волокнистої будови з різною гідрофобністю. Але вони мають деякі недоліки. Основні з них такі: мала міцність, невисока хімічна стійкість, вимивання волокон, руйнування фільтрувальних матеріалів у процесі фільтрації, труднощі регенерації.
Як фільтрувальні матеріали для тонкого очищення пального застосовують також металеві сітки, фільтрувальний папір (картон), пористу кераміку та металокераміку.
Порівняння фізико-хімічних властивостей пористих матеріалів на різній основі засвідчили, що найменшу поверхневу енергію, яка визначає змочуваність і адгезійну здатність матеріалу, має фторопласт-4. Водночас він, завдяки високій пластичності, дає змогу формувати контрольовану пористу структуру, параметри якої можна варіювати в широких межах.
У лабораторії полімерних матеріалів Харківського національного технічного університету імені Петра Василенка створено фторопластовий фільтрувальний елемент із такими структурними й експлуатаційними характеристиками:
 ступінь очищення — до 10 мкм, що забезпечує практично повне видалення найнебезпечніших часток механічних домішок розмірами в межах 10–20 мкм;
 висока об’ємна пористість — 70–75% забезпечує більшу місткість забруднень  фільтроелемента й тим самим істотно підвищує ресурс роботи фільтра;
 повне видалення емульгованої води;
 багаторазове регенерування фільтроелемента;
 повна хімічна індиферентність;
 гідродинамічна рівна (нерифлена) зовнішня поверхня.
Виготовлення  зазначеного фільтроелемента доведено до промислової технології. Розроблено технічні умови на «Елементи фільтрувальні із фторопласту-4» (ТУУ 29. 21219168-001-2002) і організовано їхнє серійне виробництво.
На основі здійснених досліджень розроблено установку для очищення й зневоднювання дизельного пального продуктивністю 60 л/хв, що забезпечує ефективність водовідокремлення 98% і тонке очищення від механічних домішок до 3 мкм, а також фільтр-сепаратор, який можна встановлювати безпосередньо на сільськогосподарську техніку.
Установка для очищення й зневоднювання дизельного пального має вигляд вертикальної циліндричної посудини, внутрішню порожнину якої розділено перегородкою  на дві секції: верхню (фільтрувальну) й нижню (сепарувальну) (фото 1).
У верхній секції на семи трубчастих тримачах установлено фторопластові фільтрувальні елементи з тонкістю фільтрування 20 мкм, які призначені для очищення пального від механічних домішок. На цих самих тримачах кріпляться сім свічок нижньої секції, що мають по два фільтропатрони. Фільтропатрони нижньої секції є двошаровими циліндричними фільтрувальними елементами з високопористого фторопласту-4. Навколо  сепарувальних фільтропатронів установлено екрани. Над фільтрувальними елементами верхньої секції встановлено відбивач. На верхній секції міститься пристрій для дренажу повітря.

Процес очищення
 Пальне, яке підлягає очищенню, надходячи тангенційно підвідним патрубком у верхню секцію фільтра, набуває окружної швидкості руху й, прискорюючись, опускається через відбивач униз. Водночас великодисперсні частки  механічних забруднень і великі краплі води  відцентровими силами відкидаються до стінки корпусної склянки і опускаються у відстійну зону у верхній секції фільтра. Дрібнодисперсні частки забруднень і дрібні крапельки води з потоком пального надходять до фільтроелементів, які уловлюють практично всі частки механічних домішок. Очищене від механічних домішок обводнене дизельне пальне через отвори в трубчастих тримачах надходить у внутрішні порожнини  сепарувальних фільтропатронів.
Завдяки розвинутій поровій структурі й гідрофобності фторопласту глобули води, що осіли у фільтропатроні, коагулюють у великі краплі, які витісняються з фільтроматеріалу й, рухаючись уздовж екрана, осідають у відстійній зоні нижньої секції пристрою. Очищене пальне відвідним патрубком надходить до споживача. Видалення води й забруднень із відстійників верхньої та нижньої секцій фільтра здійснюється за допомогою пристроїв скидання.
Перепад тиску на пристрої для зневоднювання й очищення дизельного пального контролюється зразковими манометрами.
Установка витримала виробничі випробування і впроваджена в сільськогосподарському виробництві.
Фільтр-сепаратор
Крім цього, для підвищення довговічності роботи паливної апаратури доцільно застосовувати фільтр-сепаратор, який безпосередньо встановлюють у систему подавання пального (поза фільтрами тонкого очищення, перед паливним насосом), що практично повністю видаляє залишки води, які пройшли через фільтр тонкого очищення. На рисунку зображено конструкцію такого фільтра-сепаратора.
Підвищення ефективності очищення пального таким фільтром досягнуто не тільки вдосконаленням фільтроелемента, а й завдяки введенню гідродинамічного принципу попереднього очищення.
Традиційно конструкції автотракторних паливних фільтрів забезпечують напрямок потоку пального перпендикулярно поверхні фільтрувального елемента. Така гідродинаміка потоку сприяє перекриттю порових каналів фільтроелемента великими частками механічних забруднень, що підвищує гідравлічний опір системи й тим самим знижує ресурс самого фільтроелемента.
У пропонованому фільтрі гідродинаміку потоку пального змінено: його  спрямовано тангенційно поверхні фільтроелемента. У такому разі він циркулює в зазорі між зовнішньою поверхнею фільтроелемента й внутрішньою — корпуса фільтра. Така гідродинаміка потоку забезпечує відцентрове очищення пального від часток великодисперсних механічних домішок і надходження інших домішкових часток дотичною до поверхні фільтроелемента, що перешкоджає вкоріненню часток у поровий простір, а динамічно гладенька поверхня фільтроелемента сприяє змиванню раніше осілих часток із його поверхні. Обидва фактори забезпечують істотне збільшення ресурсу роботи фільтроелемента.
Фільтр — це корпус, що складається з кришки і склянки. Підведення вихідного й відведення очищеного пального відбувається через штуцери кришки (напрямок руху пального зазначено стрілками). У кришку  впресовано напрямний апарат, у канавці якого встановлено фільтроелемент, виконаний у формі склянки. Зовнішній діаметр напрямного апарата близький (але трохи менший) до внутрішнього діаметра склянки. На бічній поверхні напрямного апарата проточено навскісні пази прямокутного перетину. Зроблено їх під кутом приблизно 45° до осі напрямного апарата. Проходження пального через проточені пази напрямного апарата формує циркуляційний потік. На торцевій поверхні напрямного апарата зроблено кільцевий паз, призначений для установки й ущільнення фільтроелемента. Зовнішній діаметр паза на 1,5–2% менший за зовнішні діаметри фільтроелемента, а внутрішній діаметр паза на 1,5–2% більший за внутрішні діаметри фільтроелемента. Отже, якщо фільтроелемент вставляти в паз, то частина його стінки, яка входить із натягом у паз, пластично деформується завдяки стисканню порових каналів, що забезпечує надійну герметизацію місця з’єднання фільтроелемента з напрямним апаратом. Фільтроелемент від дна через тарілку-відбивач підтиснутий пружиною, яка унеможливлює розгерметизацію фільтроелемента в разі вібродинамічних навантажень. Відбивач установлено з діаметральним зазором 2–3 мм щодо склянки  корпуса фільтра. Простір між відбивачем і дном склянки формує камеру відстійника. Таке конструктивне вирішення камери відстійника перешкоджає виходу відстояного бруду в робочу зону фільтрації у разі значних вібрацій конструкції в цілому.
Для дизельних двигунів потужністю до 100 к. с. габаритні розміри фільтра в зібраному вигляді становлять: зовнішній діаметр склянки — 45 мм; висота — 110 мм.
Попри істотну вартість фторопласту-4, використовуваного як сировина для виробництва фільтроелементів, вартість очищення пального одним таким фільтроелементом за повного виробітку його ресурсу (тобто з урахуванням багаторазової регенерації) вдвічі-втричі нижча, ніж за використання кількох фільтрів із паперовими фільтрувальними елементами.