Новый интегральный критерий оценки эффективности гидроциклонных фильтров-сепараторов для автомобильных антифризов
Гамаюнов Антон Юрьевич, инженер ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия
Драгомиров Сергей Григорьевич доктор технических наук, профессор кафедры двигателей Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, Россия
Драгомиров Михаил Сергеевич директор по развитию, кандидат технических наук, ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ», Россия
Summary
Gamayunov A. Y., Engineer, LLC "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia
Dragomirov S. G. doctor of engineering, professor, Vladimir State University, Russia
Dragomirov M.S., development Director, candidate of technical Sciences L.C. "STC "AutoSphere" at Vladimir State University", Russia
NEW INTEGRAL CRITERION OF THE EFFICIENCY OF HYDROCYCLONE FILTERS - SEPARATORS FOR AUTOMOTIVE ANTIFREEZES
A serious and still unsolved problem is the cleaning of automotive antifreeze from solid particles of pollution. The article describes a new integral criterion for evaluating the efficiency of hydrocyclone filter separators. The justification of the proposed criterion is given.The criterion is designed to determine the rational geometry of the hydrocyclone filter-separator for automotive antifreeze. The results described in the article allow to balance the hydraulic resistance and the trapping capacity of hydrocyclone filters-separators.
Keywords: solid particles of impurity, coolant, antifreeze, filtration coefficient, hydraulic resistance, optimal geometry, criterion of effectiveness
Аннотация
Серьезной и до сих пор нерешенной проблемой является очистка автомобильных антифризов от твердых частиц загрязнений. В статье описывается новый интегральный критерий оценки эффективности гидроциклонных фильтров-сепараторов. Дано обоснование предлагаемого критерия.
Критерий предназначен для определения рациональной геометрии гидроциклонного фильтра- сепаратора для автомобильных антифризов. Описанные в статье результаты позволяют сбалансировать гидравлическое сопротивление и улавливающую способность гидроциклонных фильтров-сепараторов.
Ключевые слова: твердые частицы загрязнений, автомобильный антифриз, коэффициент фильтрации, гидравлическое сопротивление, оптимальная геометрия, критерий эффективности.
Постановка проблемы
гидроциклонный фильтр сепаратор очистка
Современные автотранспортные двигатели оснащены сложными многоконтурными адаптивными системами жидкостного охлаждения (СЖО) [1], в состав которых входит большое количество элементов, таких, как жидкостные насосы, теплообменники, термостаты, всевозможные клапаны для перераспределения теплоносителя по контору системы. На надежность СЖО оказывает значительное влияние качество антифриза [2,3], а именно наличие в нем твердых частиц загрязнений. Присутствие твердых частиц в охлаждающей жидкости (ОЖ) является причиной абразивного износа элементов СЖО, закупоривания и уменьшения проходных сечений каналов системы, износа всевозможных уплотнений, отложений на стенках гидравлического контура.
В связи с этим, проблема удаления твердых частиц загрязнений из антифриза (и из системы в целом) является актуальным и перспективным направлением совершенствования автотранспортных двигателей. Перспективное устройство для удаления твердых частиц из антифриза в процессе эксплуатации транспортного средства, помимо высоких фильтрующих показателей, должно иметь минимальное гидравлическое сопротивление. В противном случае, расход теплоносителя снизится ниже минимально допустимых значений. Поэтому при разработке устройства для очистки антифриза необходимо учитывать эти два параметра - улавливающую способность (коэффициент фильтрации) и гидравлическое сопротивление.
Анализ последних исследований и публикаций
На сегодняшний день, существующие устройства для очистки ОЖ, можно разделить на три группы.
1. Фильтры охлаждающей жидкости (ФОЖ) [4,5] зарубежных компаний Fleetguard, Donaldson, Baldwin, Hengst, WIX и др. По конструкции являются аналогами традиционных масляных фильтров. За рубежом такие фильтры устанавливаются уже более 70 лет на некоторые модели двигателей, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях (тяжелые грузовики, карьерные самосвалы, строительно-дорожные машины и т.п.).
2. ФОЖ с фильтрующим элементом в виде сетки [6]. Встречаются довольно редко. В качестве примера можно привести такой фильтр для автобусов Scania.
3. Гидроциклонный фильтр-сепаратор (ГФС) [7], разработанный в ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ».
Первая группа ФОЖ, по сути, являются несколько модифицированными аналогами традиционных масляных фильтров. Они устанавливаются на специальное посадочное место (аналогично масляному фильтру) в блоке двигателя. В зоне этого посадочного места в блоке двигателя выполнен канал для подвода и отвода антифриза. Следует отметить, что этот канал является байпасным, т.е. через него проходит (по информации производителей) только около 10% всего теплоносителя, подаваемого насосом. По нашим данным это количество жидкости не превышает 1%.
Такие фильтры обеспечивают улавливание частиц загрязнений с размером более 30.. .50 мкм с вероятностью 98% (по данным фирм- производителей). Межсменный срок службы подобных фильтров составляет 1 год (или 200 тыс. км пробега автомобиля, или 4000 часов его работы). Они рассчитаны на одноразовое применение, после чего должны утилизироваться.
Следует отметить, что такие ФОЖ по мере загрязнения в процессе эксплуатации увеличивают свое сопротивление при одновременном ухудшении улавливающей способности.
Вторая группа фильтров, в качестве фильтрующего элемента используют металлическую сетку, с размером ячейки 300x300 мкм. Собственно, размером ячейки и определяется размер улавливающих частиц >300 мкм.
Преимуществами таких ФОЖ (по сравнению с первой группой) являются:
- полнопоточная фильтрация;
- разборная конструкция и возможность многократного применения;
- удобство монтажа на любом участке гидравлического контура.
К недостаткам можно отнести:
- невозможность улавливания частиц размерами <300 мкм;
- необходимость частой очистки фильтрующего элемента от загрязнений;
- опасность полного загрязнения фильтра, что может привести к серьезным неисправностям, вплоть до выхода двигателя из строя.
Общее свойство фильтров первой и вторых групп -- это увеличение сопротивления по мере загрязнения фильтрующих элементов.
К третьей группе относятся гидроциклонные фильтры-сепараторы, у которых отсутствуют недостатки фильтров первых двух групп. Конструкция такого ГФС представлена на рис. 1.
В этом гидроциклонном фильтре-сепараторе поток антифриза с твердыми частицами загрязнений поступает в закручивающий аппарат 1 через тангенциальный вход, в результате чего происходит закручивание потока. При прохождении закрученного потока через конусную сепарирующую чашку 2, под действием центробежных сил твердые частицы отбрасываются через улавливающие окна в отстойник 3 и там оседают. Принцип действия ГФС, аналогичен принципу действия гидроциклонов - отделение твердых частиц загрязнений от потока ОЖ происходит под действием центробежных сил (рис. 1б). Но следует отметить разницу в конструкциях этих двух устройств. Основное отличие фильтра-сепаратора от классического гидроциклона заключается в наличие улавливающих окон, расположенных на конусной части сепарирующей чашки, через которые твердые частицы загрязнений и попадают в отстойник (рис.1). Кроме этого, ГФС имеет разборную конструкцию, что делает его более компактным и удобным при установке и эксплуатации.
а) б)
Рис. 1. Конструкция ГФС (а) и его принцип действия (б): 1 - закручивающий аппарат; 2 - конусная сепарирующая чашка с улавливающими отверстиями; 3 - отстойник; 4 - уплотнительное кольцо
Ранее подобный способ очистки антифризов в СЖО транспортных двигателей не применялся, поэтому прямых (принципиальных) аналогов данная разработка не имеет не только в России, но и за рубежом. Оригинальность технического решения, подтверждена патентом РФ на изобретение № 2 625 891 [7].
К преимуществам созданного ГФС следует отнести следующие достоинства:
- высокоэффективную полнопоточную фильтрацию, обусловленную применением гидроциклонного принципа работы фильтра- сепаратора;
- отсутствие собственно фильтрующего элемента, что упрощает конструкцию, снижает стоимость и существенно повышает пропускную способность фильтра;
- срок службы ГФС примерно равен ресурсу работы двигателя;
- ГФС имеет разборную конструкцию, что позволяет его использовать многократно (с периодической очисткой);
- ГФС обладает конструктивной и технологической простотой, легкостью установки на транспортном средстве (не требует специально выполненного посадочного места на блоке двигателя).
К особенностям работы ГФС можно отнести следующее:
- зависимость эффективности сепарации от расхода жидкости;
- при малых расходах жидкости часть твердых частиц загрязнений может не улавливаться и циркулировать в контуре СЖО;
- не удаляются из потока частицы с плотностью меньше плотности теплоносителя (как правило, это органические частицы).
Фильтры, принцип действия которых основан на применении центробежных сил, не позволяют осуществлять тонкую очистку жидкости, но для современных СЖО поршневых двигателей такая фильтрация и не требуется.
Из проведенного выше анализа можно сделать вывод, что созданный в ООО «НТЦ «АвтоСфера» при ВлГУ» гидроциклонный фильтр-сепаратор имеет наилучшие показатели среди известных устройств для очистки антифриза в СЖО.
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы
В общем случае эффективность процесса любой природы определяется отношением: полученный результат/затраченные ресурсы. При этом и результат, и ресурсы должны быть одной категории (природы). Например, это могут быть энергетические, финансовые, материальные, временные показатели и др.
Для фильтров различного принципа действия и конструкций важнейшим параметром их эффективности является коэффициент фильтрации р. Этот параметр количественно оценивает эффективность улавливания загрязнений:
где: mc- масса частиц в контуре системы, г; m - масса задержанных фильтром частиц, г.
Но данный показатель р не может в полной мере характеризовать эффективность фильтрации, т.к. остаются неизвестными затраченные ресурсы для обеспечения конкретного уровня (коэффициента) улавливания частиц загрязнений.
В качестве таких затраченных ресурсов может выступать количество энергии (потери давления на фильтре), необходимой для достижения данного коэффициента фильтрации.
Перепад давления между входом и выходом фильтра количественно оценивает величину гидравлических потерь:
где ДР - перепад давления между входом и выходом ГФС, Па;
о - коэффициент местного сопротивления;
с - плотность ОЖ, кг/м3;
v - скорость потока, м/с.
Поскольку принцип действия гидроциклонных фильтров-сепараторов основан на применении центробежных сил, то чем они больше, тем выше коэффициент фильтрации [8].
Величина центробежных сил Бц в значительной степени зависит от угловой скорости потока:
где: m- масса вращающегося тела, кг; г - расстояние от оси вращения до центра тяжести тела, м; т - угловая скорость вращения, с-1.
С другой стороны, с увеличением этой скорости возрастают гидравлические потери. Увеличение гидравлических потерь приводит к снижению расхода в контуре СЖО, что негативно влияет на интенсивность теплоотвода. Восстановить расход можно путем применения насоса с более высоким напором, но при этом на привод насоса придется затрачивать большую мощность.
Таким образом, при оценке эффективности ГФС нельзя руководствоваться только значением коэффициента фильтрации, поскольку он не отражает, при каких гидравлических потерях достигается данный результат. Для ГФС необходимо учитывать два фактора: коэффициент фильтрации и гидравлические потери.
До настоящего времени такой подход в теории фильтрации не использовался. Возможно, это связано с тем, что при применении традиционных фильтрующих элементов (пористые материалы, сетки и т.п.) о потерях давления в фильтре можно было говорить только по отношению к новым (неработавшим) фильтрам. По мере их загрязнения в процессе эксплуатации эти потери давления, естественно, существенно возрастают (вплоть до бесконечности) и делать какие-либо заключения об эффективности фильтрации с учетом затрат энергии просто невозможно.
Иная ситуация наблюдается при использовании гидроциклонных фильтров- сепараторов. Из-за особенностей принципов их функционирования гидравлическое сопротивление этих устройств (перепад давления между входом и выходом) остается неизменным в процессе работы при каждом конкретном расходе потока. Таким образом, появляется возможность реально определить эффективность фильтрации (сепарации) у гидроциклонных фильтров, используя показатели достигнутого результата (коэффициент фильтрации) и затраченных ресурсов (потери давления на фильтре).
Таким образом, для сравнительного анализа различных конструктивных исполнений ГФС необходим критерий, который одновременно оценивает/учитывает эти два параметра. При одинаковом коэффициенте фильтрации, более эффективным ГФС будет тот, у которого наименьшее сопротивление и, наоборот, при равном сопротивлении эффективнее тот у которого выше коэффициент фильтрации.