Общество ограниченной ответственности "ДеКо Вакуум"

DeKo Vacuum Ltd.       

1.      МЕТОДЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАСЛА В ЭКСПЛУАТАЦИИ

В процессе эксплуатации, как было показано в главе 1, в масле образуются различные продукты, снижающие его эксплуатационные характеристики и подлежащие удалению. Удаление продуктов старения масла может производиться либо постоянно в процессе эксплуатации оборудования, либо периодически при достижении эксплуатационными характеристиками предельно допустимых значений. Настоящая глава посещена рассмотрению методов удаления продуктов старения в эксплуатации.

Для удаления продуктов окисления масла в эксплуатации на работающем оборудовании устанавливаются специальные устройства, обеспечивающие очистку масла от различных продуктов окисления. Наибольшее распространение для очистки масла в эксплуатации получили термосифонные фильтры и адсорберы. Принцип действия этих устройств основан на поглощении соответствующих продуктов старения масел поверхностно-активными веществами-сорбентами. В термосифонных фильтрах осуществляется термодиффузная циркуляция масла сверху вниз через внешний цилиндр, заполненный сорбентом. В адсорберах циркуляция масла принудительная, осуществляемая с помощью масляного насоса, перекачивающего масло снизу вверх. Эффективность очистки масла определяется в основном скоростью потока масла и свойствами сорбента.

Действие сорбента основано на процессах адсорбции, т.е. поглощение вещества (адсорбата) поверхностью сорбента. Молекулы адсорбата испытывают притяжение со стороны поверхности сорбента и оседают на ней, покрывая эту поверхность слоем адсорбируемых молекул. При этом химической реакции не происходит и адсорбированные молекулы сохраняют свою индивидуальность. Адсорбционные силы имеют ту же природу, что и силы межмолекулярного взаимодействия, и начинают проявляться при приближении молекул адсорбата к поверхности сорбента на расстояние, соизмеримое с размерами молекул. Поэтому наибольшей эффективностью обладают сорбенты, имеющие пористую структуру с размерами пор соизмеримыми с размерами молекул адсорбата. В зависимости от размера пор различают крупнопористые сорбенты, к которым относится силикагель, крупнопористые стёкла, большинство природных сорбентов, и мелкопористые - активированные угли, мелкопористые стекла, цеолиты. Крупнопористые сорбенты адсорбируют тяжелые продукты окисления масел, размер молекул которых больше, чем молекулы углеводородов, составляющих масло. Мелкопористые сорбенты, имеющие размер пор менее 5-6 Å, не пропускают через свои поры углеводородные составляющие масла, имеющие размер 7-8 Å, но быстро поглощают низкомолекулярные продукты окисления масла, воду и газообразные продукты - метан, этановые, окислы углерода.

Скорость адсорбции по мере эксплуатации сорбентов уменьшается и после достижения сорбентом равновесия процесс адсорбции прекращается. При этом необходимо либо заменять сорбент, либо регенерировать его. Экономичность адсорбционного процесса в значительной степени зависит от режима регенерации сорбента, требующей наибольших энергозатрат.

Для заполнения термосифонных фильтров и адсорберов чаще всего используют крупнопористые сорбенты. Существуют как природные сорбенты – гумбрин, диатомиты, курьинская и волжская опоки, зикеевская земля и др., так и синтетические, наиболее распространенные из которых - силикагели. Достоинство природных сорбентов состоит в малой их стоимости, поэтому после насыщения сорбентов можно заменять их на новые. Наилучшие результаты получаются при использовании курьинской белой опоки, эстонской глины и зикеевской земли. Синтетические адсорбенты в силу высокой их стоимости целесообразно применять лишь при условии их многократного восстановления и повторного использования.

Из мелкопористых сорбентов наибольшее распространение для регенерации масла получили цеолиты. Цеолиты также делятся на природные и синтетические. До недавнего времени считалось, что залежи природных цеолитов невелики, поэтому, несмотря на высокие сорбционные свойства, промышленное применение их было ограничено. В настоящее время открыт ряд крупных месторождений природных цеолитов, поэтому, учитывая, что стоимость подготовки природных цеолитов примерно в сто раз ниже стоимости изготовления синтетических, первые могут широко применяются в системах регенерации масла. Наибольшее распространение из природных цеолитов получают шабазит, гмелинит (диаметр пор около 5 Å), натрийморденит (4,4 Å), левинит, калийморденит (3,8 Å). Синтетические цеолиты, состоящие из окиси кремния, окиси алюминия и катиона какого-либо металла разделяются на типы А и Х, основные различия которых заключаются в различном содержании ионов алюминия и кремния и в различиях структуры. При этом окна пор цеолитов типа А имеют средний диаметр 4,2 Å, в типа Х - (8-10) Å. Сорбционные свойства синтетических цеолитов зависят от катиона металла и возрастают от калия до кальция: Са>Na>К.

Как отмечалось выше, крупнопористые сорбенты удаляют из масла высокомолекулярные продукты, причем эффективность их работы увеличивается с уменьшением влажности масла. Мелкопористые сорбенты адсорбируют низкомолекулярные продукты и воду. Поэтому наибольшая активность очистки масла в эксплуатации достигается при комбинированном использовании в термосифонных или адсорбционных фильтрах мелко- и крупнопористых сорбентов. Фильтры заполняются таким образом, чтобы масло сначала проходило через мелкопористый сорбент, а затем через крупнопористый. Количество мелкопористого сорбента составляет обычно треть общего объема фильтра, а общее количество сорбента зависит от общего количества масла в аппарате и составляет 0,8-1,25 % массы залитого масла.

Использование комбинированного заполнения термосифонных и адсорбционных фильтров позволяет удалять из масла практически все продукты его старения, включая и воду, однако, использование для удаления воды в эксплуатации мелкопористых сорбентов экономически нерационально, так как они достаточно быстро насыщаются влагой и приходится сравнительно часто проводить регенерацию или замену сорбента. Поэтому, вопросом сушки масел или, точнее, изоляции в эксплуатации уделяется особое внимание.

Появление влаги в масле обусловлено не только процессами его старения, но в большей степени старением твердой изоляции, а также попаданием влаги извне оборудования, например, из воздуха для трансформаторов со свободным дыханием. При этом влага распределяется между компонентами изоляции крайне неравномерно; основное количество воды - до 90-95 % сосредоточено в твердой целлюлозной изоляции. В этих условиях даже полное удаление влаги из масла не приведет к заметному снижению общего влагосодержания изоляции оборудования. Рассмотрение кинетики удаления влаги из изоляции показывает, что наиболее просто удаляется влага из масла. Сушка масла может производиться различными способами, наиболее эффективным из которых является вакуумная сушка. Удаление влаги из масла приводит к нарушению равновесного влагосодержания в системе масло-целлюлоза и влага из целлюлозы начинает переходить в масло. Поверхностные слои целлюлозы подсушиваются достаточно быстро, так как скорость диффузии влаги на поверхности раздела твердой и жидкой изоляции сравнительно высока. Скорость же диффузии внутри целлюлозы значительно ниже. Поэтому после удаления влаги из масла и поверхности целлюлозы процесс сушки резко замедляется, несмотря на то, что общее влагосодержание почти не изменилось. Постоянные времени диффузии влаги из толщи твердой изоляции в масло оцениваются десятками и даже сотнями часов. Поэтому для сушки масла в эксплуатации использование интенсивных методов, требующих, как правило, больших энергозатрат нецелесообразно. Рациональнее использовать малопроизводительные способы, которые позволяют с помощью простого и дешевого оборудования, требующего малых энергозатрат, производить сушку масла со скоростями, соизмеримыми со скоростью диффузии влаги в твердой изоляции. Такие устройства могут устанавливаться на работающем оборудовании и производить постоянную сушку его изоляции в эксплуатации.

Одним из примеров таких устройств мотает служить акустический осушитель, схема которого 

показана на рис. 1. 

Принцип действии электростатического осушителя состоит в следующем: при рабочей температуре трансформатора (60-80 ⁰С) количество влаги, растворенной в масле, за счёт поступления ее из твердой изоляции увеличивается по сравнению с нормальной температурой. При быстром охлаждении масла в основном и дополнительном охладителях влага не успевает покинуть масло, а за счет снижения растворимости воды в масле при снижении температуры переходит из растворённого состояния в эмульгированное, образуя микроскопические капли. Масло с эмульгированной влагой поступает в коагулятор, в котором на игольчатых электродах создается резко неравномерное электрическое поле. Происходит втягивание капель влаги в область сильного поля и слияние их в более крупные капли. После коагуляции масло с крупными (до 150 мкм) каплями поступает в выделитель, где под действием слабо неоднородного поля капли воды осаждаются на поверхности стекла, закрывающего внешний электрод, образуя водяной слой. С помощью полиэтиленовых лопастей на роторе выделителя образовавшийся водяной слой снимается со стекла и стекает на дно выделителя, откуда вода периодически сливается. Подсушенное масло через фильтр подается обратно в трансформатор. Достоинствами электростатического осушителя являются:

1. непосредственное выделение влаги из масла; без использования дополнительной среды или регента;

2. простота и низкая стоимость устройства;

3. низкое энергопотребление;

4. дополнительная очистка масла от механических примесей, осаждающихся вместе с водой на стекле и смываемых на дно выделителя.

К недостаткам следует отнести необходимость источника высокого напряжения, наличие вращающихся деталей, снижающих надежность устройства, и необходимость периодического слива воды.

Еще один способ удаления влаги непосредственно из масла связан с использованием активированного алюминия. При этом способе осуществляется принудительная циркуляция масле через баки с активированным алюминием, который активно поглощает воду, растворенную в масле. Бак с активированным алюминием мотает подключаться последовательно с адсорбционным фильтром перед ним. Эффективность такого способа сушки достаточно велика. Общая стоимость сушки до 1,5 раза ниже, чем вакуумная. К недостаткам следует отнести также наличие движущихся деталей в насосе и необходимость периодической замены окиси алюминия.

В описанных осушителях происходит непосредственное выделение влаги из масла. Другим способом сушки масла является сушка с помощью удаления влаги из газа, находящегося в контакте с маслом. При контактировании масла с сухим газом влага, содержащаяся в масле, переходит в газ и вместе с ним удаляется из осушаемой среды. В некоторых случаях в качестве реагентного газа используют воздух, однако в этом случае вместе с осушкой масла происходит быстрое насыщение его кислородом, что приводит к интенсификации процессов окисления масла. Поэтому выгоднее использовать либо азот, либо инертные газы. В зависимости от способа смешения масла с газом различают установки барботажного, скубберного и циркуляционного типов. На установках барботажного типа (см. рис. 2) газ нагнетается компрессором в нижнюю часть осушителя, где проходит через слой твердого влагопоглотителя, после чего направляется в газораспределитель, опущенный под слой осушаемого масла, например, в бак-расширитель трансформатора. Газораспределитель имеет большое количество отверстий, выходя из которых газ в виде большого количества пузырьков с сильно развитой поверхностью проходит через толщу масла, поглощая растворенную в нем влагу. Увлажненный газ, собравшийся над поверхностью масла, подается на вход компрессора.

Несмотря на очевидные достоинства и простоту описанного устройства, оно содержит движущиеся части (компрессор) и требует периодической смены осушителя. Еще более простое устройство, свободное от указанных недостатков, представляет собой термоэлектрический осушитель, схема которого показана на рис. 3. Принцип действия такого осушителя основан на вымораживании паров воды из воздуха, находящегося в баке-расширителе трансформатора, и смещении равновесного влагосодержания в системе масло-воздух в сторону воздуха. Воздух из бака расширителя за счет термосифонного потока циркулирует по замкнутому контуру, проходя через канал термоэлементов. Термоэлемент, действие которого основано на эффекте Пельтье с использованием металлических, а чаще полупроводниковых элементов, охлаждает стенки своего канала до температуры (-70)⁰С и ниже. При этом влага, содержащаяся в проходящем воздухе, осаждается на стенках канала в виде изморози и льда. Осушенный воздух возвращается в бак-расширитель, где происходит его увлажнение за счет воды, растворенной в масле. Лед и изморозь периодически удаляются из канала путем нагревания его до температуры (+10)⁰С, что осуществляется переключением направления тока. При этом вода собирается в нижней части канала и стекает по отводящей трубке. При последующем охлаждении остатки воды в нижней части канала замерзают и плотно закрывают отводящую трубку. Период нагрева длится несколько минут и повторяется 1-2 раза в сутки. Общее энергопотребление такого устройства составляет порядка 100 Вт. Достоинства такого метода очевидны: устройство не требует эксплуатационных затрат, отсутствуют движущиеся части, низкая стоимость устройства и мала потребляемая энергия.

 Рис. 2. Схема маслоосушителя барботажного типа. 1-компрессор; 2-осушитель; 3-газораспределитель; 4-бак с осушаемым маслом.

Рис. 3. Схема термоэлектрического осушителя. 1-бак расширитель; 2-масло; 3-термоэлемент; 4- трубка для слива воды.  

ПЕЛЬТЬЕ ЭФФЕКТ, выделение или поглощение теплоты при прохождении электрич. тока I через контакт двух разл. проводников. Выделение теплоты сменяется поглощением при изменении направления тока. Открыт франц. физиком Ж. Пельтье (J. Реltieг) в 1834. Кол-во теплоты Q_п=ПI, где П – коэффициент Пельтье, равный: П=ТDa. Здесь Т – абс. Темп-ра, Da – разность термоэлектрич. коэфф. проводников.

П. э. объясняется тем, что ср. энергия носителей тока зависит от их энергетич. спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и поэтому в разных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой эл-ны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счет. В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором поглощается теплота Пельтье. При переходе эл-нов из полупроводника в металл энергия эл-нов проводимости ПП значительно выше уровня Ферми металла, и эл-ны отдают свою избыточную энергию. При противоположном направлении тока из металла в ПП могут перейти только те эл-ны, энергия к-рых выше дна зоны проводимости ПП. Тепловое равновесие в металле при этом нарушается и восстанавливается за счет тепловых колебаний крист. решетки. При этом поглощается теплота Пельтье. На контакте двух ПП или двух металлов также выделяется (или поглощается) теплота Пельтье вследствие того, что ср. энергия носителей заряда по обе стороны контакта различна.

П. э. используется для охлаждения в холодильных установках и в нек-рых электронных приборах.

• См. лит. при ст. Термоэлектрические явления. Л. С. Стальбане.  

Послать письмо admin@deko-vacuum.ru with questions or comments about this web site.
Авторские права © 2001 Конев Сергей Александрович (идея, графика, все материалы, оцифровка текстов, Web- дизайн).
Последнее изменение: февраля 05, 2017.

При перепечатке материалов, ссылки на страницы сайта:

http://www.deko-vacuum.ru  http://www.deko-vacuum.narod.ru  - обязательны.