Семернин А.Н., Семернин Н.А., Кокаев У.Ш., Сартай А.Е., Шамахмудов Д.А.

Таразский государственный университет им.М. Х. Дулати, Казахстан

ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ

КОАГУЛИРУЮЩИХ ПЕРЕГОРОДОК

С целью определения структурного состава перегородки, обладающей высокими коагулирующими и гидравлическими свойствами при обезвоживании дизельных топлив, были исследованы многослойные перегородки (таблица 1).

Исследование многослойных перегородок проводили в два этапа: на первом этапе исследовали гидравлические характеристики, на втором – коагулирующие свойства.

1. Исследование гидравлических характеристик многослойных коагулирующих перегородок.

При исследовании коагулирующих перегородок, состоящих из двух и более слоёв, гидравлическую характеристику определяют именно для этих условий, так как перепад давления нескольких слоёв материала не равнозначен сумме перепадов давлений через каждый слой отдельно.

В связи с этим были исследованы гидравлические характеристики многослойных перегородок на дизельном топливе марки Л ГОСТ 305-73, не содержащем свободной воды и механических примесей при температуре 290±3⁰.

Характеристики многослойных коагулирующих перегородок представлены в таблице 1.

У образца 1 при удельной пропускной способности 0,75∙10^-2 м³/м²∙с гидравлические потери составляют 1-4 кПа, а у образца 2 – 1,2-4 кПа. Следовательно, образцы 1 и 2 имеют одинаковые гидравлические потери. На величину гидравлических потерь оказывает влияние толщина перегородки, степень обжатия и удельная пропускная способность.

Для комплексной оценки влияния этих факторов на величину гидравлических потерь в многослойной перегородке результаты экспериментов обрабатывались по матрице полного факторного эксперимента (ПФЭ) – 2³.

Таблица 1

Характеристики многослойных коагулирующих перегородок

№ образца	Структурный состав перегородки	№ перегородки
		1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Супертонкое стекловолокно Теплоизоляционная прокладка	10/2 13/2	10/4 13/4	10/2 26/2	15/2 26/2	10/6 13/6	10/4 26/4	15/4 26/4	10/6 26/6	15/6 26/6
2	Супертонкое стекловолокно Теплоизоляционная прокладка Пенополиуретан ППУ-ЭО-130	5/2 13/2 10/2	10/2 13/2 10/2	15/2 13/2 10/2	5/4 13/4 10/4	10/4 13/4 10/4	5/6 13/6 10/6	15/4 13/4 10/4	15/6 13/6 10/6	10/6 13/6 10/6
В числители приведена толщина перегородки до обжатия, мм; в знаменателе – степень обжатия.

В таблице 2 представлены уровни факторов и интервалов варьирования для образца 2.

Толщина перегородок из теплоизоляционной прокладки и пенополиуретана ППУ-ЭО-130 была постоянной и равнялась соответственно 13 и 10 мм. Толщина перегородки из супертонкого стекловолокна оказывает наибольшее влияние на гидравлические потери в многослойной перегородке. Поэтому при исследовании её толщину изменяли в пределах 5-15 мм.

В таблице 3 представлена матрица планирования эксперимента и результаты её реализации. В качестве функции отклика принят перепад давления (ΔР). Обработка результатов эксперимента проводилась статическими методами [1, 2].

Таблица 2

Уровни факторов и границы варьирования

Структурный состав перегородки	Факторы	Границы варьирования	Уровни факторов
			-1	0	+1
Супертонкое стекловолокно	Х1 – исходная толщина перегородки, мм	28-30	28	33	38
Теплоизоляционная прокладка	Х2 – удельная пропускная способность, *10^-2м^3/м^2*с	0,75-2,5	0,75	1,625	2,5
Пенополиуретан ППУ-ЭО-130	Х3 – степень обжатия перегородки	2-6	2	4	6

Таблица 3

Матрица планирования эксперимента и результаты её реализации

Кодированные значения факторов			Порядок проведения опытов	Натуральное значение фактора			Перепад давления, кПа, ΔР2
Х1	Х2	Х3		Х1	Х2	Х3
+	+	+	4	38	2,5	6	12,6
-	+	+	3	28	2,5	6	9,6
+	-	+	8	38	0,75	6	3,9
-	-	+	7	28	0,75	6	3,0
+	+	-	5	38	2,5	2	6,8
-	+	-	2	28	2,5	2	4,6
+	-	-	1	38	0,75	2	2,1
-	-	-	6	28	0,75	2	1,4

В результате обработки экспериментального материала получена регрессионная модель, представляющая собой неполное квадратное уравнение:

(1)

Анализ уравнения регрессии показывает, что наиболее существенное влияние на гидравлические потери оказывает удельная пропускная способность, затем степень обжатия. Наименьшее влияние на гидравлические потери оказывает толщина перегородки. Поэтому, для коагулирующей ступени фильтра-водоотделителя необходимо использовать перегородки со степенью обжатия равной 2-4.

Результаты исследований гидравлических характеристик использовали при подборе многослойных перегородок для модельных водоотделяющих элементов.

2. Исследование коагулирующих свойств многослойных перегородок.

Для исследования коагулирующих свойств были использованы перегородки, состоящие из двух и трёх слоёв (см. таблицу 1). Цель исследований – определить структурный состав коагулирующей перегородки, обладающей высокими коагулирующими и гидравлическими свойствами.

Коагулирующие свойства многослойных перегородок определялись при удельной пропускной способности 0,007 м³/м²∙с и содержании свободной воды в топливе 0,15 и 0,3% масс.

Результаты исследований приведены в таблице 4.

Таблица 4

Эффективность обезвоживания дизельного топлива многослойными пористыми перегородками

№ образца	№ перегородки	Толщина перегородки, мм		Перепад давления	Содержание свободной воды, % мас.		Эффективность обезвоживания
		до обжатия	после обжатия		до перегородки	после перегородки
1	1	23	11,5	1,5/1,9 1,8/3,0	0,128 0,283	0,014/0,019 0,016/0,022	89/85 94/92
	2	23	5,8	2,0/2,8 2,5/3,8	0,129 0,283	0,011/0,014 0,012/0,018	91/89 96/94
	3	36	18	1,9/2,3 2,1/3,3	0,122 0,290	0,008/0,013 0,008/0,016	93/89 97/95
	6	36	9	2,9/4,2 3,0/4,6	0,131 0,278	0,006/0,010 0,005/0,016	95/92 98/94
	4	41	20,5	2,8/3,8 3,2/4,9	0,117 0,286	0,005/0,009 0,005/0,012	96/92 98/96
	7	41	10,2	4,3/5,1 4,8/3,2	0,132 0,293	0,004/0,009 0,005/0,013	97/94 98/96
2	1	28	14	20/2,7 2,4/3,3	0,136 0,273	0,011/0,016 0,011/0,020	92/88 96/92
	4	28	7	2,6/3,4 2,8/3,6	0,138 0,289	0,007/0,011 0,010/0,016	95/92 97/94
	2	33	16,5	2,2/2,7 2,5/3,0	0,129 0,283	0,006/0,008 0,006/0,009	95/94 98/97
	5	33	8,2	2,7/3,9 3,3/4,4	0,139 0,280	0,005/0,009 0,006/0,011	96/94 98/96
	3	38	19	3,7/4,5 4,2/5,0	0,135 0,295	0,003/0,007 0,006/0,012	98/95 98/96
	7	38	9,5	3,9/4,9 4,5/5,3	0,143 0,276	0,003/0,009 0,006/0,013	98/94 98/95

Из данных таблицы 4 следует, что многослойные перегородки обладают высокими коагулирующими свойствами. В топливе после этих перегородок содержится меньше свободной воды, чем после однослойных. Эффективность обезвоживания топлива для образца 1 составляет 85-96% и образца 2 88-97%, а содержание свободной воды после них соответственно 0,009-0,022 и 0,007-0,02 % мас.

Увеличение содержания свободной воды в топливе практически не оказывает влияния на коагулирующие и гидравлические свойства многослойных перегородок.

Однако следует отметить, что с увеличением обжатия перегородок, эффективность обезвоживания топлива повышается, но при этом возрастают гидравлические потери. Так, для перегородок 1 и 2 (образец 1) при содержании свободной воды в топливе 0,283% мас. – гидравлические потери составляют 3,0 и 3,8 кПа, а эффективность обезвоживания соответственно 92 и 94%.

Поэтому при выборе перегородок для коагулирующей ступени фильтра-водоотделителя, в первую очередь необходимо учитывать гидравлические потери. В результате исследований установлено, что минимальные гидравлические потери и высокие коагулирующие свойства имеют перегородки 1, 3 (образец 1) и 2 (образец 2). Содержание свободной воды после этих перегородок колебалось в пределах 0,019-0,022; 0,013-0,016 и 0,008-0,009% мас., а гидравлические потери при этом составили соответственно 1,9-3,0; 2,3-3,3 и 2,7-3,0 кПа.

Таким образом, лучшими гидравлическими свойствами обладает перегородка 1, однако, после неё в топливе содержится достаточно большое количество свободной воды. Перегородка 2, в отличие от перегородок 1 и 3 обладает высокими гидравлическими и коагулирующими свойствами. Это объясняется тем, что в состав перегородки включён пенополиуретан ППУ-ЭО-130.

Несмотря на то, что пенополиуретан ППУ-ЭО-130 имеет низкие коагулирующие свойства, его использование в перегородке 2 (образец 2) приводит к значительному повышению её коагулирующих свойств. Это объясняется тем, что пористая структура эластичного пенополиуретана способствует накоплению в его порах капель воды определённого размера. При критическом перепаде давления из пор пенополиуретана потоком топлива выдавливаются капли воды, диаметр которых превышает диаметр капель поступавших в пенополиуретан. Благодаря этому эффективность осаждения капель повышается. Кроме того, пенополиуретан задерживает волокна, вымытые из стекловолокнистых перегородок.

Анализ результатов исследований показал, что трёхслойные перегородки обладают более высокими гидравлическими и коагулирующими свойствами, чем двухслойные.

Для определения рациональных параметров трёхслойных перегородок были проведены исследования с применением методов математического планирования.

Литература:

1. Завадский Ю.А. Планирование эксперимента в задачах автомобильного транспорта. – М.: МАДИ, 1998. – 156 с.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: Наука, 1996. – 297 с.

3. Голикова Т.И., Панченко Л.А., Фридман М.З. Каталог планов второго порядка. – М.: Университет, вып. 47. – Т. 1, 2004. – 388 с.