3.4.2. Процессы очистки масла в двс

Физические свойства масел и загрязняющих примесей. Было показано, что отработавшие масла двигателей внутреннего сгорания представляют собой тонкие суспензии, в которых взвешенные частицы твердой фазы (загрязняющие примеси) имеют размеры примерно от 0,5 до 100 мкм при общей концентрации не более 1…2% (работа без масляных фильтров) [5].

Состав твердой фазы характеризуется в основном наличием угле­родистых частиц, минеральных частиц (кварц) и металлических частиц (железо), имеющих различную плотность.

При исследованиях и расчетах процессов центробежной очистки масел необходимо знать или оценить физические свойства дисперсионной среды (масла) и дисперсной фазы (загрязняющих примесей): удельный вес, плотность и вязкость.

Удельный вес определяется по формуле

_,

_{где  – удельный вес вещества в кгс/м}³_{; G – вес вещества в кгс; V – объем вещества в м}³_.

Удельный вес смеси

где ₁, ₂, _n – удельный вес компонентов смеси; х_1, х₂,…, х_п – содержание компонентов смеси в %.

Удельный вес масел, применяемых для двигателей внутреннего сгорания, лежит в пределах 0,85…0,90 г/см³.

Влияние температуры на удельный вес масла учитывается формулой Менделеева:

,

где _t – удельный вес масла при некоторой температуре; ₁₅ – удельный вес масла при 15°С; β – коэффициент, зависящий от ₁₅ (для смазочных масел β0,0007); t_м – температура масла в °С.

Удельный вес компонентов загрязнения при расчетах можно принимать следующим:

_у = 1,20 г/см³ – для углеродистых частиц,

_к = 2,40 г/см³ – для минеральных частиц (кварц),

_ж – 7,80 г/см³ – для частиц железа.

Для типичного состава загрязняющих примесей при центробежной очистке масла (85% углеродистых, 14% минеральных и 1% железных частиц) приведенный удельный вес общих механических примесей _п = 1,50 г/см³, а удельный вес неорганической части примесей (минеральные частицы и частицы железа) _н = 3,0 г/см³.

Плотность

,

где g = 9,81 м/с² – ускорение силы тяжести.

Плотность загрязняющих примесей и их компонентов:

• общих механических примесей ;

• несгораемых частиц ;

• углеродистых частиц ;

• минеральных частиц ;

• частиц железа .

При средней плотности смазочных масел для режима рабочих температур (t_м = 70…90С) разность плотностей загрязняющих примесей и масла составит:

• общих механических примесей ;

• несгораемых частиц ;

• углеродистых частиц ;

• минеральных частиц ;

• частиц железа .

Вязкость, т.е. внутреннее трение, проявляющееся при относительном перемещении соседних слоев жидкости и зависящее от сил сцепления между отдельными молекулами, характеризуется единицами динамической и кинематической вязкости.

В практике вязкость масла часто задается в условных единицах – градусах Энглера (°Е).

Для перевода вязкости, заданной в условных единицах, в абсолютные единицы динамической вязкости пользуются эмпирической формулой Уббеллоде:

.

Отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре называют кинематической вязкостью, которая определяется по формуле

.

Вязкость смазочных масел с понижением температуры резко возрастает.

На рис. 34 показаны графики изменения удельного веса и кинема­тической вязкости дизельного масла Дп-11 в зависимости от температуры.

Общие сведения из теории осаждения частиц в жидкости. Элемен­тарным случаем осаждения твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде, является осаждение под влиянием силы тяжести – отстаивание.

Скорость осаждения взвешенных частиц зависит как от плотности, так и от степени их дисперсности, причем осаждение будет протекать тем медленнее, чем меньше размеры частиц дисперсной фазы и чем меньше разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Осаждение частиц подчиняется законам падения тел малого размера в среде, оказывающей сопротивление их движению [6,7].

Оседающая частица, двигаясь вначале с ускорением, через некоторый промежуток времени, когда силы сопротивления перемещению уравновесят силу тяжести, приобретает постоянную скорость и будет падать равномерно.

Сила сопротивления жидкой среды для частиц шарообразной формы определяется по закону Ньютона:

,

где  – коэффициент сопротивления; ₂ – удельный вес дисперсионной среды; d – диаметр частицы; v₀ – скорость осаждения частицы; g – ускорение силы тяжести.

Рис. 34. Графики изменения удельного веса и кинематической вязкости дизельного масла М-10Г₂ в зависимости от температуры

Сила тяжести для частиц шарообразной формы, взвешенных в дис­персной среде,

,

где ₁ – удельный вес частицы.

Условие достижения частицей постоянной скорости осаждения выражается равенством:

,

откуда

. (1)

Коэффициент сопротивления  является функцией числа Рейнольдса

, (2)

где  – динамическая вязкость жидкости.

При Re  1 коэффициент сопротивления

.

Подставляя значение  в уравнение (1), получаем уравнение Стокса:

, (3)

где q₁ – плотность частицы; q₂ – плотность жидкости.

Таким образом, в пределах Rе  1 скорость осаждения шарообразных частиц под влиянием силы тяжести пропорциональна квадрату их диаметра, разности плотностей частиц и жидкости и обратно пропорциональна вязкости жидкости.

Подставляя значение v₀ из уравнения (3) в уравнение (2) и принимая для Rе предельное значение Rе = 1, можно определить максимальный диаметр частицы, для которой осаждение будет происходить по закону Стокса:

.

Формулы осаждения выведены для частиц, имеющих шаровую форму. Для нешарообразных частиц под величиной d, следует понимать эквивалентный диаметр, т.е. диаметр условной шарообразной частицы, которая при прочих равных условиях имела бы наблюдаемую для реальной частицы скорость осаждения.

Процесс осаждения частиц в центрифугах подобен осаждению под действием силы тяжести, но со значительно большей скоростью осаждения.

При центрифугировании на твердую частицу действуют две силы: сила тяжести частицы и центробежная сила. Сила тяжести частицы ничтожно мала по сравнению с центробежной силой, развиваемой при вращении ротора центрифуги и поэтому при расчете скорости осаждения ею можно пренебречь.

Центробежная сила, действующая на взвешенную частицу, вра­щающуюся с жидкостью в роторе центрифуги,

,

где G – вес частицы; ω – угловая скорость вращения; r – радиус вращения.

Скорость осаждения взвешенной частицы при центрифугировании найдем, если в уравнении (1) для скорости осаждения при свободном отстаивании заменим ускорение силы тяжести ускорением центробежных сил

. (4)

В пределах применимости закона Стокса, т.е. при Rе  1, коэффициент сопротивления при центрифугировании

.

Подставляя значение _ц в уравнение (4), получаем:

. (5)

Отношение называется фактором разделения и представляет собой отношение ускорения центробежных сил вращающегося ротора к ускорению силы тяжести.

Из уравнения (5) следует, что отношение скорости осаждения при центрифугировании к скорости осаждения под влиянием только силы тяжести, в пределах применимости закона Стокса, равно фактору разделения, т.е.

.

Критический диаметр частицы, подчиняющейся при центрифугировании закону Стокса,

.