Для устранения указанной проблемы предложено несколько методов и устройств непрерывного по времени контроля механических примесей [
Применение КФ, основанное на хорошо изученных законах фильтрации [
Схема применения КФ в составе топливозаправщика показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема движения топлива и ПВКЖ в заправочном модуле с применением контрольного фильтра:КФ – контрольный фильтр; FQ – расходомер; PDT – датчик перепада давления; AZY – вычислительное устройство; Кр – кран.
Fig. 1. Diagram of fuel and FSII flow in a refueling module using a check filter:КФ – Check Filter; FQ – Flow Meter; PDT – Pressure Differential Transmitter; AZY – Computing Unit; Кр – Valve
Авиатопливо, в том числе в смеси с противоводокристаллизационной жидкостью (ПВКЖ), отбирается на КФ за расходомером. В точке отбора давление регулируется клапаном in-line и в зависимости от его настройки составляет, как правило, 0,35…0,38 МПа. После КФ поток направляется на вход насоса топливозаправщика, где давление близко к нулю всегда, за исключением кратких периодов пуска и останова процесса. Максимальный перепад давления на КФ достигается при его полном загрязнении и равен давлению заправки.
Если известна зависимость перепада давления на КФ от количества подведенного к нему загрязнителя, то по измеренному на определенном интервале времени перепаду давления можно вычислить количество механической примеси, поступившей на КФ за этот период. Далее, измеряя объем авиатоплива, прошедший через КФ за период измерения, можно определить концентрацию мехпримесей в нем. Указанные вычисления целесообразно поручить микропроцессору.
Для практической и экономически обоснованной реализации КФ, требуется выбор его ФЭ, обеспечивающего оптимальное соотношение грязеемкости и чувствительности к уровню загрязненности авиатоплива. Проблема такого выбора заключается в том, что производители фильтров предоставляют гидравлическую характеристику только для чистого ФЭ, снятую при испытании очищенной жидкостью, например обратноосмотической водой4 [
Целью работы являлось экспериментальное определение зависимости перепада давления на ФЭ от массы загрязнителя, подведенного к единице его площади, и выбор оптимальных параметров ФЭ с использованием полученной характеристики. Наилучшим может считаться ФЭ, имеющий максимальный ресурс при достаточной чувствительности к предельно допустимому уровню мехпримесей.
Под ресурсом в данной работе понимается объем авиатоплива, заправленного топливозаправщиком в ВС, за время использования КФ.
Чувствительность КФ определим как время, требуемое для достоверного определения браковочного уровня мехпримесей 2 г/т5 [
Параметры, выбираемые для КФ: номинальная тонкость фильтрации, площадь, расход авиатоплива через него, диаметр подводящего трубопровода, точность датчика дифференциального давления.
При выборе ФЭ и планировании эксперимента, были приняты во внимание следующие соображения.
С учетом возможности использования результатов испытаний в топливозаправщиках с производительностью от 500 до 2 500 л/мин при номинальной тонкости фильтрации 3 мкм и давлением заправки 0,35–0,38 МПа в результате анализа возможных вариантов для эксперимента были выбраны гофрированные ФЭ на основе полипропилена (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид частей фильтра: а – внешний вид сменных ФЭ; б – фильтродержатель
Fig. 2. External view of the filter components: a – External view of the replaceable filter elements; б – Filter holder
Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема установки для испытаний ФЭ:
Е1 – расходная емкость; Е2 – калиброванная приемная емкость; Ф – испытуемый фильтроэлемент; DP – датчик дифференциального давления; L – уровнемер поплавковый; Т – термометр лабораторный; UR – видеорегистратор; Н – насос; МШ – мешалка; Кр1…Кр5 – краны
Fig. 3. Schematic diagram of the test stand for filter elements:
E1 – Supply tank; E2 – Calibrated collection tank; Ф – Tested Filter element; DP – Differential pressure sensor; L – Float level gauge; T – Laboratory thermometer; UR – Video recorder; H – Pump; МШ – Agitator; Кр1…Кр5 – Valves
Для измерения перепада давления использовался датчик ЗОНД-20Exi-ДД-К4И-78-(0…250)-кПа-42-0,15-(+5…+25)-СВМ-Фл-0,5МПа-ТС-1 ГОСТ 10227-2013 (−25…+35 °С) (рис. 4).
Рис. 4. Датчик дифференциального давления
Fig. 4. Differential pressure sensor
Таблица 1
Table 1
Перечень и характеристики ФЭ, использованных в эксперименте
List and characteristics of the filter elements used in the experiment
* Отводящий слой увеличенной жесткости.
| Серийный номер | Номинальная тонкость фильтрации, мкм | Паспортная площадь фильтрации, м² | Максимальное давление, МПа |
| 291442 | 2,0 | 0,34 | 0,5 |
| 507955 | 2,0 | 0,45 | 0,5 |
| 507956 | 2,0 | 0,45 | 0,5 |
| 532044 | 2,0 | 0,21 | 0,5 |
| 532046 | 2,0 | 0,24 | 0,5 |
| 556624* | 2,0 | 0,43 | 0,5 |
Из условий пожарной безопасности испытания ФЭ проводились водой. При средней температуре воды в эксперименте 20 °С динамическая вязкость топлива ТС-1, вычисленная по ГОСТ 10227-20136 [
Приготовление воды для испытаний производилось методом двукратной фильтрации через трехступенчатый фильтр с номинальной тонкостью фильтрации первой ступени – 10 мкм, второй ступени – 2 мкм, третьей ступени – 0,5 мкм (рис. 5).
Рис. 5. Фильтр подготовки воды
Fig. 5. Water treatment filter
В работах авторов [
Таблица 2
Table 2
Перечень загрязнителей
List of contaminants
| Наименование | Плотность, г/см³ |
| Сталь (стружка) | 7,85 |
| Закись железа FeO (вюстит) черного цвета | 5,70 |
| Закись-окись железа Fe3O4 (магнетит) черного цвета | 5,20 |
| Окись железа Fe2О3 (гематит) красного цвета | 5,24 |
| Песок (диоксид кремния) | 2,60–1,96 |
| Глина (каолин) | 2,60 |
| Резина МБС (износ РТИ) | 1,60 |
| Целлюлоза (волокна) | 1,50 |
| Смола фенольная | 1,38–1,25 |
| Смола акриловая | 1,25–1,20 |
| Смола эпоксидная | 1,25–1,16 |
В испытаниях ФЭ использовался каолин7 с плотностью 2,58 г/см³, являющийся распространенным загрязнителем авиатоплива и поступающий в него с атмосферным воздухом через дыхательные устройства.
При номинальной тонкости фильтрации ФВО 3 мкм в потоке топлива после неповрежденного фильтра могут находиться частицы размером 3 мкм и менее. В случае повреждения ФВО возможно наличие частиц размером более 3 мкм. В эксперименте загрязнителем служила смесь, состоящая (по массе) из 30 % каолина деламинированного с номинальным размером частиц 3 мкм8 и 70 % каолина микронизированного с номинальным размером частиц 2 мкм9. Исходя из данных производителя о гранулометрическом составе каолинов, расчетный гранулометрический состав тестового загрязнителя представлен на рис. 6.
Рис. 6. Гранулометрический состав тестового загрязнителя
Fig. 6. Particle size distribution of the test contaminant
Взвешивание загрязнителя производилось на электронных весах с погрешностью 0,01 г.
Введение загрязнителя в тестовую жидкость проводилось с учетом рекомендаций ГОСТ 14146-8810.
Расход жидкости в эксперименте был выбран из условия равенства скоростей фильтрации в опыте и на предполагаемом КФ.
Ресурс КФ обратно пропорционален расходу контрольного потока через него. Поэтому поток целесообразно снижать до предела, ограниченного репрезентативностью содержания частиц мехпримеси в единице объема.
Скорость потока в точке отбора (рис. 1) не может превышать 5 м/с. Практически для разных топливозаправщиков она составляет от 4,1 до 4,8 м/с, что соответствует числам Re в диапазоне (170 000…400 000) >> 4 000. Следовательно, имеет место развитое турбулентное течение [
В соответствии с регламентом IATA12 предупредительный уровень загрязнения авиатоплива мехпримесями равен 0,2 мг/л. Это соответствует 4–5-му классу чистоты по ГОСТ 17216-2001 пересчетом по гранулометрическому составу загрязнителя плотностью 7,85–2,60 г/см³. Таким образом, при предупредительном уровне загрязнения количество частиц размером 5 мкм и более, находящихся в 100 см³ топлива, будет составлять не менее 390…780 шт., а их общее число – на два порядка больше. Соответственно, среднее расстояние между частицами размером 5 мкм и более составит не более 6,3 мм, а для всех частиц ~ 0,1…0,2 мм. Следовательно, отбор потока на КФ трубкой с внутренним диаметром 8…12 мм должен обеспечить идентичность гранулометрического состава контрольного потока заправляемому топливу.
Минимальную скорость потока в контрольной трубке рационально ограничить числом Re = 4 000 – границей турбулентного характера потока [
Рис. 7. Расход тестовой жидкости
Fig. 7. Test fluid flow rate
Методика эксперимента заключалась в перекачивании через ФЭ тестовой жидкости известной загрязненности порциями по 170…175 л. Перекачивание заканчивалось при достижении перепада давления 4,5 кг/см². Первично измеряемыми величинами были:
Далее вычислялась масса загрязнителя, подведенная к 1 м² поверхности ФЭ (mf, г/м²) в функции времени – mf(t):
mf(t) = V(t) ‧ mv/ Sf,
где mv – концентрация загрязнителя, г/л; Sf – паспортная эффективная площадь ФЭ, м.
Затем строилась искомая характеристика ФЭ: масса загрязнителя, подведенная к 1 м² поверхности в функции перепада давления: mf(Pf).
Дополнительно дифференцированием функции V(t) методом двухсторонней разности вычислялся расход (Q, л/мин) через ФЭ.
Расшифровка измерений и расчеты выполнялись с периодом 30 с.
Перепад давления на ФЭ измерялся датчиком типа ЗОНД-20 с основной относительной погрешностью 0,15 % и диапазоном измерения 0…250 кПа. Для осуществления измерений в диапазоне 250…450 кПа и уменьшения погрешности измерения проводились по следующей схеме:
С целью определения потери давления на участке коммуникации между точками подсоединения датчика дифференциального давления был измерен перепад давления в отсутствие ФЭ в фильтродержателе при расходе тестовой жидкости 4,5 л/мин. Он составил (0,40 ± 0,12) кПа, что учитывалось в последующих расчетах и построении графиков.
Были испытаны ФЭ, указанные в табл. 1. Испытания ФЭ проводились при концентрациях загрязнителя (0,2; 1,0; 1,6; 50,0) г/м³. Концентрация 50 г/м³ использовалась для ускоренного построения отдельных участков характеристики mf(Pf). При этом испытания других ФЭ на данных участках проводились и с концентрациями (0,2; 1,0; 1,6) г/м³.
На рис. 8 представлена зависимость удельной грязеемкости ФЭ от эффективной площади фильтрации (далее для краткости под удельной грязеемкостью понимается масса загрязнителя, подведенная к 1 м² ФЭ).
Рис. 8. Удельная грязеемкость ФЭ при потере давления 4,5 кг/см²
Fig. 8. Specific contaminant capacity of the FE at a pressure loss of 4.5 kg/cm²
В исследованном диапазоне площадей фильтрации удельная грязеемкость ФЭ (mf, г/м²) постоянна. Влияния концентрации загрязнителя, партии фильтрующего материала и жесткости отводящего слоя ФЭ на удельную грязеемкость не выявлено.
На рис. 9 представлена зависимость удельной грязеемкости ФЭ от перепада давления.
Рис. 9. Характеристика mf(Pf) ФЭ: ΔP – изменение перепада давления на ФЭ за время Δt; Δm – изменение массы загрязнителя, подведенного к 1 м² ФЭ
Fig. 9. Filter element characteristic mf (Pf): ΔP – Change in the pressure differential across the FE over time Δt; Δm – Change in the mass of contaminant supplied to 1 m² of the filter element
Для безопасного применения КФ максимальное давление ФЭ должно быть несколько больше максимального давления заправки. В эксперименте использовались ФЭ с максимальным давлением 0,5 МПа.
На графике рис. 9 выделяются четыре характерные зоны:
зона I – участок линейной зависимости перепада давления и загрязненности ФЭ, по-видимому, соответствующий фильтрации с постепенным закупориванием пор ФЭ частицами примеси [
зоны II, III и IV – нелинейный участок, соответствующий фильтрации через частично закупоренные поры и осадок.
Для зон III и IV характерна большая и близкая к постоянной скорость увеличения перепада давления при загрязнении ФЭ. Зоны I–III составляют рабочую часть характеристики КФ.
Загрязнение к концу линейной зоны I составляет по результатам проведенных экспериментов 34–38 % от грязеемкости испытуемых ФЭ. Использование только линейной зоны при применении КФ, ограничивает ресурс его применения по грязеемкости в 2,5–3,0 раза.
Полученная зависимость (рис. 9) аналогична результатам, приведенным в [
Среднеквадратичные погрешности измерений перепада давления и объема тестовой жидкости, вычисленные по методике авторов [
Таблица 3
Table 3
Погрешности измерений
Measurement Errors
| Наименование | Разм. | Величина |
| Измерение перепада давления на ФЭ | ||
| Среднеквадратичное абсолютных отклонений σ | кПа | 2,61 |
| Интервал 3σ с доверительной вероятностью 0,997 | кПа | 7,83 |
| Максимальная по модулю величина отклонения от наилучшей (аппроксимирующей) кривой | кПа | 7,36 |
| Отношение 3σ к диапазону измерения | % | 3,13 |
| Измерение объема тестовой жидкости | ||
| Среднеквадратичное абсолютных отклонений σ | л | 0,694 |
| Интервал 3σ с доверительной вероятностью 0,997 | л | 2,083 |
| Максимальная по модулю величина отклонения от наилучшей (аппроксимирующей) кривой | л | 1,409 |
| Отношение 3σ к диапазону измерения | % | 1,23 |
Инструментальные погрешности измерений, определенные по методике авторов13, показаны в табл. 4.
Таблица 4
Table 4
Инструментальные погрешности измерений
Instrumental measurement errors
| Наименование | Разм. | Величина |
| Абсолютная погрешность измерения времени (t) | с | 0,10 |
| Абсолютная погрешность измерения массы загрязнителя (m) | г | 0,01 |
| Абсолютная погрешность измерения температуры тестовой жидкости (T) | °С | 1,00 |
| Основная абсолютная погрешность измерения давления (Pf0) | кПа | 0,38 |
| Дополнительная (температурная) абсолютная погрешность измерения давления (PT) | кПа | 0,11 |
| Абсолютная погрешность датчика давления: Pf = Pf0 + PT | кПа | 0,49 |
| Абсолютная погрешность измерения уровня (L) | мм | 1,00 |
| Абсолютная погрешность измерения объема (V) | л | 0,20 |
Ошибки вычислений удельной грязеемкости и расхода, определенные по [
Таблица 5
Table 5
Ошибки вычислений
Computation Errors
| Наименование | Разм. | Величина |
| Погрешность вычисления концентрации загрязнителя: mv = m / V | г/м³ | 0,12 |
| Погрешность вычисления загрязненности ФЭ площадью S: mf = V(t) ∙ mv / S | г/м² | 0,86 |
| Погрешность вычисления расхода тестовой жидкости: Q = dV(t) / dt | л/мин | 0,10 |
Обозначим:
ρ – плотность топлива, кг/м³;
Sf – площадь КФ, м²;
mf – удельную грязеемкость КФ, г/м²;
Mf – грязеемкость КФ, г;
mv – среднюю концентрацию мехпримесей в топливе, г/м³;
Q – средний расход топлива через КФ, м³/с;
Q1 – среднюю скорость заправки ВС, м³/с;
T – ресурс КФ, ч;
R – ресурс КФ, тыс. тонн топлива, заправленного в ВС.
Грязеемкость КФ может быть выражена следующими отношениями:
Mf = mf ∙ Sf = mv ∙ Q ∙ T ∙ 3 600,
из которых можно определить ресурс КФ:
T = (1)
и
R = 0,0036 ∙ Q1 ∙ ρ ∙ T. (2)
Из (1) и (2) следует, что на увеличение ресурса КФ можно влиять увеличением его площади и уменьшением расхода через него.
Обозначим:
ΔP – абсолютную погрешность измерения перепада давления на КФ, кПа;
Δm – количество мехпримеси, подведенной на 1 м² КФ, г/м² при изменении перепада давления на нем на величину ΔP (рис. 9);
Δt – интервал времени, с, за который происходят изменения ΔP и Δm;
mv1 – браковочный предел загрязненности авиатоплива, г/м³;
= Dmp – производную кривой mf(Pf) (рис. 9);
ΔM – количество мехпримеси, подведенной к КФ, г при изменении перепада давления на нем на величину ΔP (рис. 9).
Количество мехпримеси, подведенной к КФ за время Δt, может быть выражено следующими отношениями:
ΔM = Dmp ∙ ΔP ∙ Sf = Q ∙ Δt ∙ mv1, (3)
откуда может быть определена чувствительность КФ:
Δt = (4)
Чувствительность КФ тем лучше, чем меньше время Δt. В соответствии с (4) чем меньше погрешность датчика дифференциального давления, меньше площадь фильтрации и больше расход через КФ, тем выше чувствительность. Следует отметить, что площадь фильтрации и расход влияют на ресурс (1) и чувствительность (4) КФ противоположно.
С использованием экспериментальной зависимости mf(Pf) (рис. 9) и формул (1), (2), (4) было проведено параметрическое исследование по выбору наилучших параметров КФ. На рис. 10 приведена зависимость чувствительности и ресурса КФ с использованием исследованных ФЭ. Для наглядности ресурс выражен в количестве заправок ВС объемом по 15 м³. Вычисления для графиков рис. 10 и 11 выполнены для среднего расхода через КФ, равного 4 л/мин; скорости заправки 1 200 л/мин; браковочного уровня 2 г/т и датчика давления ЗОНД-20 код 73 со шкалой 2,5 кПа, основной погрешностью 0,15 %, для температуры топлива −40…+40 °С.
Рис. 10. Зависимость ресурса и чувствительности КФ от площади фильтрации
Fig. 10. Dependence of the check filter service life and sensitivity on the filtration area
Рис. 11. Зависимость числа переключений клапанов Кр от площади фильтрации
Fig. 11. Dependence of the number of valve (V) actuations on the filtration area
На малозагрязненном ФЭ (зона I, рис. 9) перепад давления изменяется при поступлении на него мехпримеси относительно медленно. По мере загрязнения ФЭ (зона II, рис. 9) скорость изменения перепада давления возрастает, достигая в зоне III максимальных значений. Соответственно, время реакции КФ на предельный уровень загрязненности уменьшается с возрастанием засорения ФЭ.
Для исследованных ФЭ оптимальная площадь фильтрации составляет 0,05…0,10 м², что находится в пределах существующего производства. При этом ресурс КФ составит 200…400 заправок ВС объемом по 15 м³ (2,35…4,70) тыс. тонн, а время реакции на предельный уровень мехпримесей – не более 25,0…12,5 с, в среднем – 5…10 с.
На рис. 11 показано изменение важного для выбора КФ параметра – количества переключений клапанов Кр2, Кр3, Кр4 (рис. 3) за одну «типовую» заправку объемом 15 м³. Для исследованного ФЭ переключение клапанов потребуются не более 1 раза за заправку. Этот процесс желательно автоматизировать.
Экспериментальное изучение зависимости потери давления на ФЭ от количества мехпримеси, поданного на него, и расчеты, выполненные с использованием полученной связи, показали возможность практического применения КФ для непрерывного мониторинга уровня мехпримесей в авиатопливе. Определены оптимальные размеры КФ и измерительных приборов для непрерывного контроля чистоты авиатоплива по критерию ресурс – чувствительность.