СПОСОБ ОЧИСТКИ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ МАСЕЛ И ГИДРОЖИДКОСТЕЙ ОТ ВОДЫ И РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C10G31/06 C10G33/00 

Изобретение относится к способам и устройствам очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов. Предлагаемые способ и устройство могут найти применение при очистке турбинных и трансформаторных масел, а также гидравлических жидкостей.

Известен способ вакуумной очистки масел и гидрожидкостей (исходных жидкостей) [1]. Способ состоит в том, что в непрерывно вакуумируемом объеме увеличивают поверхность исходной жидкости за счет использования центробежного эффекта, который обеспечивает растекание непрерывно утончающейся пленки исходной жидкости по поверхности вращающегося диска, и одновременно обдувают исходную жидкость атмосферным воздухом. При этом воздух при пониженном давлении увлажняется парами воды и удаляется независимым вакуумирующим устройством.

Недостатком этого способа является недостаточная площадь контакта искусственно увеличенной поверхности исходной жидкости и воздуха, используемого для эвакуации удаляемых водяных паров.

Наиболее близким по технической сущности является способ вакуумной очистки исходных жидкостей, выбранный в качестве прототипа, включающий разбрызгивание исходной жидкости в непрерывно вакуумируемом объеме при одновременном обдуве атмосферным воздухом [2].

Недостатком известного способа вакуумной очистки исходных жидкостей является недостаточная эффективность их дробления, что приводит к соответствующему увеличению времени очистки.

Известно устройство, осуществляющее способ вакуумной очистки исходных жидкостей [1].

Недостатки известного устройства заключаются в необходимости иметь отдельный дополнительный привод вращающегося диска и уплотнение между этим приводом и вращающимся диском, и возросший из-за этого вес устройства.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, содержащее вакуумируемый от независимого вакуумирующего устройства бак, заполненный исходной жидкостью с установленным в нем узлом обдува воздухом и форсункой, соединенной через фильтр тонкой очистки с жидкостным электронасосом [2].

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, обусловленная тем, что форсунка, установленная в баке, не обеспечивает максимально возможного увеличения поверхности контакта исходной жидкости и используемого для осушки воздуха.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипов и повышение эффективности очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов. Предлагаемое техническое решение заключается в том, что площадь контакта очищаемой исходной жидкости с атмосферным воздухом увеличивают за счет ее дробления в косых скачках уплотнений. При прохождении газа через скачки уплотнений происходит не только резкое изменение его скорости по величине и направлению, но и очень резкое изменение давления. В результате реализуется перекрестное движение жидкой составляющей потока и газовой, приводящее к дроблению жидкости до капель и пленок субмикронного размера. Кроме того, скачки уплотнений эффективно препятствуют процессу коагуляции. В связи с этим, для увеличения поверхности исходной жидкости необходимо создать условия для реализации сверхзвукового течения двухфазной смеси, состоящей из исходной жидкости и выделившихся из нее пара и газов. В прототипе для повышения эффективности процесса осушки используется обдув исходной жидкости атмосферным воздухом, который увлажняется парами воды, выделившимися из нее, и удаляется независимым вакуумирующим устройством. Поэтому при создании условий для реализации сверхзвукового течения двухфазной смеси учитывают и возможное наличие атмосферного воздуха в ней.

На фиг. 1 приведены кривые зависимости двухфазной скорости звука a_с в равновесной смеси воздуха и воды [3]. Здесь K - коэффициент эжекции, равный отношению массового расхода воздуха к массовому расходу воды. Аналогичные кривые могут быть построены для любых других равновесных смесей жидкости и газа (пара). На фиг. 1 виден диапазон значений коэффициента K, которому соответствуют значения местной скорости звука a_с = 20 - 50 м/с. Скорость исходной жидкости в 20 - 50 м/с может быть реально получена при перепадах давлений, создаваемых большинством используемых в промышленности насосов. Таким образом, возможна реализация течения двухфазной смеси со скоростью большей, чем скорость звука в этой смеси, при обеспечении соотношения суммарного массового расхода газов и водяного пара к массовому расходу жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005.

Известно явление эжекции, когда активная среда (жидкость) отсасывает пассивную (воздух). Из теории эжекторов известно, что максимальное разрежение, создаваемое жидкостными эжекторами, ограничено линией насыщения используемой жидкости. При уменьшении расхода отсасываемого воздуха (уменьшение натекания) снижается абсолютное давление в приемной камере такого эжектора. При снижении давления в приемной камере эжектора до давления на линии насыщения происходит вскипание активной жидкости и эжектор теряет работоспособность с точки зрения откачки воздуха. При этом эжектор начинает работать сам на себя, откачивая образующийся пар. Аналогичная картина наблюдается и при наличии в жидкости растворенных газов - начинается массивное газовыделение при полном прекращении подачи воздуха. Линия насыщения очищаемой исходной жидкости должна быть всегда ниже линии насыщения удаляемой из нее воды. При этом исходная жидкость должна иметь температуру большую, чем температура, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимально достижимому абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания воздуха.

В предлагаемом изобретении атмосферный воздух используется в качестве второй фазы (газовой) для получения сверхзвукового потока и одновременного уноса выделяющихся из исходной жидкости водяных паров. Однако использование воздуха дает и отрицательный эффект - одновременно с осушкой происходит насыщение исходной жидкости воздухом. Поэтому процесс проводят в два этапа. Первый - удаление воды. Второй - удаление растворенных газов и воздуха. Из сказанного выше следует, что для увеличения поверхности исходной жидкости и повышения эффективности ее очистки от воды и растворенных газов необходимо использовать:
явление резкого уменьшения местной скорости звука в двухфазной равновесной смеси до значений менее 30 м/с при соотношении суммарного массового расхода воздуха, выделившихся из исходной жидкости газа и водяного пара к массовому расходу этой жидкости от 0,00001 до 0,005, и возможности получения сверхзвукового потока двухфазной смеси для реализации течения со скачками уплотнения;
явление дробления исходной жидкости в скачках уплотнений на капли и пленки субмикронных размеров;
эжекцию для подсоса атмосферного воздуха, смешения этого воздуха с раздробленной в скачках уплотнения исходной жидкостью и создания разрежения в зоне контакта раздробленной исходной жидкости и воздуха;
свойство вскипания воды, содержащейся в исходной жидкости, при снижении давления до давления на линии насыщения воды, и свойство массированного газовыделения растворенных газов при прекращении подачи атмосферного воздуха.

Используемые для реализации изобретения приемы заключаются в том, что процесс очистки исходной жидкости от воды и растворенных газов проводится в два этапа. Первый этап - удаление воды. Второй этап - удаление растворенных газов и воздуха.

На первом этапе эжектируют исходной жидкостью атмосферный воздух и смешивают их при обеспечении соотношения суммарного массового расхода воздуха, выделившихся из исходной жидкости газа и водяного пара к массовому расходу этой жидкости от 0,00001 до 0,005. При этом обеспечивают скорость исходной жидкости не менее 30 м/с и ее температуру больше температуры, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому этой жидкостью без натекания атмосферного воздуха.

На втором этапе прекращают подачу атмосферного воздуха к исходной жидкости при сохранении значений скорости исходной жидкости и температуры, указанных в первом этапе.

Экспериментальные исследования сверхзвуковых вакуумных водовоздушных эжекторов, проводившиеся в ЦИАМ, подтверждают реализуемость течения двухфазных газопарожидкостных смесей со скачками уплотнений [4].

Устройство для реализации предлагаемого способа очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов приведено на фиг. 2. Оно состоит из последователно соединенных герметичного бака с исходной жидкостью 1, электронасоса 2, фильтра тонкой очистки исходной жидкости 3, трубки 4, соплового блока эжектора 5, в приемной камере которого 6 установлен манометр 7 для измерения давления воздуха, поступающего через редуктор с воздушным фильтром 8. При этом камера смешения сверхзвукового жидкостно-газового эжектора 9, объединяющего форсунку и узел подачи воздуха, своей выходной частью герметично соединена с баком 1, в котором контролируется давление манометром 10, а сам бак 1 соединен в свою очередь трубкой 11, через кран 12 с приемной камерой 2-го эжектора 13, установленного на втором баке 14 и соединенного с атмосферой через фильтр-улавливатель паров 15 исходной жидкости. Циркуляция рабочей жидкости вакуумирующего устройства осуществляется через фильтр тонкой очистки 16 с помощью насоса 17. Кроме того, дно бака 14 установлено выше дна бака 1 и соединено трубкой 18 через кран 19 с нижней частью вакуумируемого бака 1, при этом в нижней части этого бака установлена сливная трубка с краном 20.

Работа устройства для очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов может быть продемонстрирована на процессе очистки 30 кг трансформаторного масла.

На первом этапе трансформаторное масло с температурой 318К (давление насыщения водяного пара над плоской поверхностью раздела фаз P_s = 9600 Па) циркулирует с помощью электронасоса 2 по замкнутому контуру: бак 1, электронасос 2, фильтр тонкой очистки 3, трубка 4, сопловой блок эжектора 5, камера смешения эжектора 9 и опять бак 1. При этом электронасос обеспечивает абсолютное давление масла перед сопловым блоком P_Ож = 0,7 - 0,75 МПа (скорость жидкости более 30 м/с) и секундный массовый расход масла, равный 0,5 кг/с. Засасываемый через редуктор с фильтром 8 воздух попадает в камеру смешения эжектора 9, где он смешивается с маслом и образует равновесную сверхзвуковую двухфазную смесь. Эта смесь тормозится на выходе из камеры смешения в скачках уплотнений. Увлажненный воздух и трансформаторное масло в виде пены поступают в бак 1, в котором контролируется давление манометром 10. При этом бак 1 непрерывно вакуумируется другим независимым вакуумирующим устройством, которое соединено с ним через трубку 11 с краном 12. Вакуумирующее устройство удаляет увлажненный воздух из бака 1 в свой бак 14, из которого этот воздух выбрасывается в атмосферу через фильтр-улавливатель масляных паров 15. При этом редуктор с фильтром 8 может быть перекрыт в любой момент для контроля за степенью осушки по показанию манометра 7. Дело в том, что с уменьшением влагосодержания уменьшается и величина абсолютного давления, которое может создавать эжектор. На практике время, необходимое для удаления воды и окончания первого этапа, составляет около 7 минут при исходном количестве воды в масле до 1%.

На втором этапе перекрывается подача воздуха через редуктор с фильтром 8 и производится удаление оставшейся в масле связанной воды и дегазация. При этом независимое вакуумирующее устройство продолжает откачивать из бака 1 газы и пары воды, содержавшиеся в масле. В приемной камере эжектора 6 при этом давление падает до уровня 2000 Па, что обеспечивает быструю и качественную дегазацию масла. Процесс заканчивается по результатам проверки пробы масла на пробой электрическим напряжением, величина которого поднимается от исходных 10 кВ до 80 - 90 кВ, что соответствует влагосодержанию не более 4 г на тонну масла и обеспечивает удаление 100% свободных и до 80% растворенных газов. На практике такой результат достигается при продолжительности второго этапа не более 8 минут.

Источники информации
1. HSP 180 Series. Pell Industrial Hydraulics.-September 1995. Printed in England.

2. HNP 070 Series. Pell Industrial Hydraulics.-September 1995. Printed in England.

3. Васильев Ю.Н. Теория двухфазного газожидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения. В сб.: Лопаточные машины и струйные аппараты. Вып. 5. М.: Машиностроение, 1971.

4. Васильев Ю.Н., Гладков Е.П. Экспериментальное исследование вакуумного водо-воздушного эжектора с многоствольным соплом. В сб.: Лопаточные машины и струйные аппараты. Вып. 5. - М.: Машиностроение, 1971.

Может быть использовано при очистке турбинных и трансформаторных масел. Сущность изобретения: процесс очистки исходной жидкости от воды и растворенных газов проводится в два этапа. Первый этап - удаление воды. Второй этап - удаление растворенных газов и воздуха. На первом этапе эжектируют исходной жидкостью атмосферный воздух и смешивают их при обеспечении соотношения суммарного массового расхода воздуха, выделившихся из исходной жидкости газа и водяного пара к массовому расходу этой жидкости от 0,00001 до 0,005. При этом обеспечивают скорость исходной жидкости не менее 30 м/с и ее температуру больше температуры, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому этой жидкостью без атмосферного воздуха. На втором этапе прекращают подачу атмосферного воздуха к исходной жидкости при сохранении значений скорости исходной жидкости и температуры, указанных в первом этапе. Устройство для очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов содержит вакуумируемый от независимого вакуумирующего устройства бак со сверхзвуковым жидкостно-газовым эжектором, который герметично соединен своей выходной частью с баком, сопловым блоком с магистралью подачи отфильтрованной исходной жидкости от электронасоса, а приемной камерой с атмосферой через редуктор и воздушный фильтр. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов за счет ее дробления в косых скачках уплотнений. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов, включающий разбрызгивание исходной жидкости в непрерывно вакуумируемом объеме при одновременном обдуве атмосферным воздухом, отличающийся тем, что сначала осуществляют осушение эжектированием атмосферного воздуха исходной жидкостью с температурой, большей, чем температура, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания атмосферного воздуха, и смешение этой жидкости с атмосферным воздухом при обеспечении массового отношения суммарного расхода эжектируемого воздуха, выделявшихся водяного пара и растворенных газов к расходу исходной жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, которую выбрасывают в непрерывно вакуумируемый объем, откуда увлажненный воздух удаляют независимым вакуумирующим устройством, а затем осуществляют дегазацию путем прекращения подачи атмосферного воздуха к эжектирующей исходной жидкости, причем в течение всего процесса осушки и дегазации поддерживают скорость исходной эжектирующей жидкости не менее 30 м/с. 2. Устройство для очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов, содержащее вакуумируемый от независимого вакуумирующего устройства бак, заполненный исходной жидкостью с установленным в нем узлом подачи воздуха и форсункой, соединенной через фильтр тонкой очистки с жидкостным электронасосом, отличающееся тем, что форсунка и узел подачи воздуха объединены в сверхзвуковой жидкостно-газовый эжектор, который герметично соединен своей выходной частью с баком, сопловым блоком с магистралью подачи отфильтрованной жидкости от электронасоса, а приемной камерой - с атмосферой через редуктор и воздушный фильтр. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве независимого вакуумирующего устройства используется сверхзвуковой жидкостно-газовый эжектор, который соединен своей приемной камерой с вакуумируемым баком и установлен в независимом замкнутом контуре, состоящем из последовательно установленных бака, соединенного с атмосферой через фильтрулавливатель паров исходной жидкости, электронасоса, фильтра тонкой очистки и трубки подвода жидкости к сопловому блоку вакуумирующего эжектора, причем бак заполнен обрабатываемой жидкостью, нижние точки обоих баков соединены между собой трубкой с краном, а дно бака вакуумирующей системы установлено выше дна вакуумируемого бака.