Stanis³aw GUMU A , Ma³gorzata PIASKOWSKA

Transkrypt

1 Stanis³aw MECHANICS GUMU A, Ma³gorzata PIASKOWSKA KSZTA TOWANIE Vol. 24 No SIÊ STRAT ENERGII NA SUCHYCH FILTRACH POWIETRZA... Stanis³aw GUMU A *, Ma³gorzata PIASKOWSKA * KSZTA TOWANIE SIÊ STRAT ENERGII NA SUCHYCH FILTRACH POWIETRZA W ZALE NOŒCI OD MATERIA U FILTRACYJNEGO, CZASU EKSPLOATACJI FILTRU ORAZ RODZAJU WY APYWANYCH ZANIECZYSZCZEÑ STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badañ eksperymentalnych okreœlaj¹cych straty energii na filtrze, w zale noœci od materia³u filtracyjnego, czasu eksploatacji filtru oraz rodzaju py³u unoszonego przez powietrze. Uwzglêdniono dwa rodzaje materia³ów filtracyjnych M1 i M2, stosowanych w filtrach powietrza silników spalinowych. Pierwszy z nich posiada³ symbol 29/31 LE AD-G, drugi oznaczony by³ symbolem 2/66 LE AD-G. Materia³y te ró ni³y siê znacznie przepuszczalnoœci¹. Do badañ charakterystyk materia³ów filtracyjnych zastosowano cztery rodzaje py³ów: py³ kwarcowy, py³ miejski, i³ oraz less. Po wyeliminowaniu z nich ma³olotnych frakcji wiêkszych od 6 μm, mieszane by³y z powietrzem, tworz¹c oœrodek dwufazowy o zadanym stê eniu. Tak przygotowany oœrodek: powietrze py³ kierowano na filtr. Straty energii na filtrze wyznaczono poœrednio poprzez wykreœlenie charakterystyk strat ciœnienia w funkcji natê enia przep³ywu dla badanych materia³ów filtracyjnych M1 i M2 oraz wszystkich rodzajów py³u. Wyniki badañ przedstawiono w formie wykresów okreœlaj¹cych zale noœci mocy od czasu eksploatacji filtru z natê eniem przep³ywu przez filtr jako parametrem. S³owa kluczowe: materia³y filtracyjne, straty energii w procesie filtracji ENERGY LOSSES IN DRY AIR FILTERS DEPENDING ON THE TYPE OF FILTERING MATERIAL, THE LENGTH OF FILTER SERVICE PERIOD AND THE TYPE OF CONTAMINATION The paper summaries the experimental data expressing the energy loss in a filter, depending on the applied filtering material, filter type and the length of its service period. Two types of filtering materials were considered: M1 and M2, widely applied in air filters in combustion engines. The first one is designated as 29/31 LE, the other as 2/66 LE AD-G. Their permeabilty would differ significantly. Characteristics of filtering materials were collected in an experimental programme in which four types of contaminants were considered: quartz dust, municipal dust, clay and loess. Less volatile fractions larger than 6 μm were eliminated, afterwards the dusts were mixed with air forming a twophase medium with the specified concentration. Thus prepared air-dust mixture was directed to the filter. Energy losses in the filter were determined indirectly, utilising pressure loss vs flow intensity characteristics for the tested materials M1, M2 and for all considered dust types. Results are graphed as plots of power in the function of filter service period, the flow intensity in the filter being the major parameter. Keywords: filtering papers, energy losses in dry air filters 1. PRZEDMIOT BADAÑ Badaniom poddano dwa rodzaje materia³ów filtracyjnych M1 i M2, stanowi¹cych wk³ady filtrów powietrza silników spalinowych. Ze wzglêdu na ró n¹ przepuszczalnoœæ, przeznaczone s¹ one do pracy w odmiennych warunkach (przy normalnym lub podwy szonym stê eniu py³u w powietrzu). Wybrane dane techniczne materia³ów filtracyjnych M1 i M2 zosta³y przedstawione w tabeli 1. W sk³ad oœrodków dwufazowych przep³ywaj¹cych przez badane materia³y filtracyjne wchodzi³o powietrze i py³. Uwzglêdniono cztery rodzaje py³ów: 1) py³ kwarcowy (P1), 2) py³ miejski (P2) zbierany na terenie miasta Krakowa, 3) i³ (P3), 4) less (P4). Przed przyst¹pieniem do badañ okreœlono w³aœciwoœci py³ów takie, jak gêstoœæ w stanie nieutrzêsionym oraz sk³ad frakcyjny (tab. 2). Rozpatrywane by³y ziarna o œrednicy nie wiêkszej ni 6 μm. 2. STANOWISKO BADAWCZE, METODYKA BADAÑ Stanowisko badawcze przedstawiono schematycznie na rysunku 1. Przed ka d¹ seri¹ badañ materia³ filtracyjny doprowadzano do sta³ej temperatury i wilgotnoœci w stabilizatorze. Podajnik py³u zapewnia³ dozowanie py³u o sta³ym sk³adzie frakcyjnym. Natomiast rozpylacz umo liwia³ tworzenie uk³adu powietrze py³ o zadanym stê eniu. Tak przygotowany oœrodek dwufazowy kierowano na filtr. * Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Maszyn i Urz¹dzeñ Energetycznych; kmiue@imir.agh.edu.pl 24

2 MECHANICS Vol. 24 No Lp. Dane techniczne Tabela 1. Dane techniczne badanych materia³ów filtracyjnych Jednostki miary M1 (29/31 LE AD-G) M2 (2/66 LE AD-G) 1 Gramatura g/m Gruboœæ mm,4,5,48, Wielkoœæ porów Dok³adnoœæ filtracji maksymalna <6 <95 przeciêtna μm absolutna 6 nominalna μm ~25 5 Przepuszczalnoœæ powietrza dm 3 /(s m 2 ) Spadek ciœnienia Pa 4 W³aœciwoœci py³ów Gêstoœæ w stanie nieutrzêsionym Py³ kwarcowy P1 Tabela 2. W³aœciwoœci badanych py³ów Py³ miejski P2 I³ P3 Less P4 138 kg/m 3 85 kg/m kg/m 3 75 kg/m 3 Sk³ad frakcyjny 5 μm 7% 39% 34% 43% 5 1 μm 9% 16% 16% 19% 1 2 μm 24% 15% 17% 15% 2 3 μm 19% 12% 1% 11% 3 4 μm 15% 9% 9% 7% 4 5 μm 15% 5% 8% 3% 5 6 μm 11% 4% 6% 2% Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: P podajnik py³u, R rozpylacz py³u, F badany materia³ filtracyjny w os³onie ochronnej, K kryza, W wentylator, T ruroci¹g (φ 75 mm) Pomiar natê enia przep³ywu przeprowadzono metod¹ zwê kow¹, ró nicê ciœnieñ mierzono za pomoc¹ przetworników ró nicy ciœnieñ PRC. T¹ sam¹ technik¹ okreœlono stratê ciœnienia na filtrze. Regulacja natê enia przep³ywu oœrodka dwufazowego przez uk³ad przep³ywowy odbywa³a siê za poœrednictwem zmiany prêdkoœci obrotowej wentylatora. 3. WYNIKI BADAÑ Przeprowadzone badania pozwoli³y wykreœliæ charakterystyki strat ciœnienia w funkcji natê enia przep³ywu dla dwóch rodzajów materia³ów filtracyjnych M1 i M2. Zmienianym parametrem by³ czas eksploatacji filtru i rodzaj py³u. Umo liwi³o to okreœlenie zale noœci strat energii od czasu eksploatacji filtru i poszczególnych rodzajów py³u, tworz¹cych wraz z powietrzem oœrodki dwufazowe (rys. 2 9). We wszystkich przypadkach natê enie przep³ywu Q w ruroci¹gu wynosi³o kolejno:,6,,1,,14,,18,,22 m 3 /s. Stê enie py³u w powietrzu mia³o wartoœæ 5 mg/m 3. Jest to dolna granica stê enia zapylenia dla dróg utwardzonych. 241

3 Stanis³aw GUMU A, Ma³gorzata PIASKOWSKA KSZTA TOWANIE SIÊ STRAT ENERGII NA SUCHYCH FILTRACH POWIETRZA Q =,6 m3/s m 3 Q =,1 m3/s m 3 Q =,14 m3/sm Q =,18 m3/s m 3 Q =,22 m3/s m 3 y = 2,782e,116x y = 13,732e,1112x y = 8,2654e,1144x y = 4,14e,1262x y = 1,5228e,141x Rys. 2. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M1 i py³u P Q =,6 m3/sm Q =,1 m3/s m 3 Q =,14 m3/sm Q =,18 m3/sm Q =,22 m3/sm y = 9,34Ln(x) + 25,87 y = 6,539Ln(x) + 16,813 y = 3,5673Ln(x) + 1,15 y = 1,886Ln(x) + 4,9586 y =,831Ln(x) + 1, Rys. 3. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M1 i py³u P2 6 Q =,6 m3/s m 3 Q =,1 m3/s m 3 Q =,14 m3/s m 3 Q =,18 m3/s m 3 Q =,22 m3/sm y = 13,493Ln(x) + 28, y = 8,7317Ln(x) + 18,664 y = 5,273Ln(x) + 11,25 y = 2,816Ln(x) + 5,1697 y = 1,1659Ln(x) + 1, Rys. 4. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M1 i py³u P3 242

4 MECHANICS Vol. 24 No Q =,6 m3/s m 3 Q =,1 m3/s m 3 Q =,14 m3/sm Q =,18 m3/s m 3 Q =,22 m3/s m 3 25 y = 23,522e,3936x y = 15,188e,476x y = 9,359e,3984x 5 y = 4,8342e,3889x y = 1,7321e,3694x Rys. 5. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M1 i py³u P Q =,6 m3/sm Q =,1 m3/sm Q =,14 m3/sm Q =,18 m3/sm Q =,22 m3/s m 3 y = 5,236e,1448x y = 3,3885e,1459x y = 1,9521e,1516x y =,9159e,1651x y =,2849e,1915x Rys. 6. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M2 i py³u P Q =,6 m3/s m 3 Q =,1 m3/s m 3 Q =,14 m3/s m 3 Q =,18 m3/s m 3 Q =,22 m3/s m 3 y = 11,759x, y = 7,5124x,7752 y = 4,3612x,7653 y = 2,864x,7779 y =,674x, Rys. 7. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M2 i py³u P2 243

5 Stanis³aw GUMU A, Ma³gorzata PIASKOWSKA KSZTA TOWANIE SIÊ STRAT ENERGII NA SUCHYCH FILTRACH POWIETRZA Q =,6 m3/sm Q =,1 m3/s m 3 Q =,14 m3/s m 3 Q =,18 m3/sm Q =,22 m3/sm y =,3737x 2 -,2134x + 6,635 y =,2716x 2 -,3618x + 4,557 y =,165x 2 -,2329x + 2,597 4 y =,127x 2 -,2585x + 1,239 2 y =,368x 2 -,966x +, Rys. 8. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M2 i py³u P3 12 Q =,6 m3/s m 3 Q =,1 m3/s m 3 Q =,14 m3/sm Q =,18 m3/sm Q =,22 m3/s m 3 1 y = 2,7266x 2-1,8657x + 11, y = 1,8791x 2-1,656x + 7,899 y = 1,961x 2 -,968x + 4,81 2 y =,5245x 2 -,3273x + 2,131 y =,1888x 2 -,1858x +, Rys. 9. Straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M2 i py³u P4 Minimalny czas eksploatacji filtru wynosi³ 4 h, co odpowiada przejechaniu 24 km i zatrzymaniu 795 mg py³u. Natomiast maksymalny czas eksploatacji filtru by³ szeœæ razy d³u szy (24 h). Pozwala³ zatem pokonaæ 144 km i wychwyciæ 477 mg py³u. Za³o ono tutaj zu- ycie paliwa 5,5 l/1 km, œredni¹ prêdkoœæ samochodu 6 km/h, moc silnika 11 km oraz sprawnoœæ filtru 99%. Na rysunkach 2, 3, 4 i 5 przedstawiono wp³yw rodzaju py³u na straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M1. Na krzywe eksperymentalne naniesiono krzywe regresji (linie ci¹g³e). Rysunek 2 okreœla zale noœæ strat energii w funkcji czasu eksploatacji dla oœrodka dwufazowego powietrze py³ kwarcowy. Niewiele wiêksze straty energii wyst¹pi³y dla py³u miejskiego (rys. 3) i i³u (rys. 4), jako fazy rozproszonej w powietrzu. Zdecydowanie inny przebieg maj¹ krzywe na rysunku 5. Straty energii gwa³townie rosn¹ po up³ywie 16 godzin eksploatacji filtru. W tym przypadku fazê sta³¹ stanowi³ less. Kolejne cztery rysunki: 6, 7, 8 i 9 przedstawiaj¹ wp³yw rodzaju py³u na straty energii na filtrze dla materia³u filtracyjnego M2. Lini¹ ci¹g³¹ zaznaczono krzyw¹ regresji. Zbli one straty energii wystêpuj¹ dla oœrodka dwufazowego powietrze py³ kwarcowy (rys. 6) i powietrze i³ (rys. 8). Wiêksz¹ strat¹ energii cechuje siê przep³yw py³u miejskiego (rys. 7), stanowi¹cego w powietrzu fazê rozproszon¹. Podobnie jak w przypadku materia³u filtracyjnego M1, oœrodek powietrze less powoduje na M2 najwiêksze straty energii. Tutaj równie gwa³towny ich przyrost mo na zauwa yæ po 16 godzinach eksploatacji filtru. 244

6 MECHANICS Vol. 24 No PODSUMOWANIE Analiza otrzymanych wyników badañ materia³ów filtracyjnych M1 i M2 pozwala stwierdziæ, e rodzaj zanieczyszczeñ powietrza w znacz¹cy sposób wp³ywa na powsta³e na filtrach straty energii. Najgorszy dla pracy filtru okaza³ siê oœrodek dwufazowy: powietrze less. Wywo³uje on najwiêksze straty energii, wzrastaj¹ce gwa³townie po up³ywie 16 godzin eksploatacji filtru. Krzywe regresji, naniesione na krzywe rzeczywiste strat energii, maj¹ charakter wyk³adniczy (M1) lub s¹ wielomianem stopnia drugiego (M2). Najmniejsze straty energii na filtrze towarzysz¹ przep³ywom py³u kwarcowego, stanowi¹cego w powietrzu fazê rozproszon¹. Krzywe regresji, a tym samym krzywe strat energii, maj¹ tutaj ³agodny przebieg. Opisuje je dla obydwu badanych materia³ów filtracyjnych funkcja wyk³adnicza. Niewiele wiêkszymi stratami energii na filtrze cechuje siê przep³yw oœrodka dwufazowego: powietrze i³. Uzyskane krzywe mo na przedstawiæ w postaci funkcji logarytmicznej (M1) lub wielomianu stopnia drugiego (M2). Przep³yw py³u miejskiego, jako fazy rozproszonej w powietrzu, wywo³uje straty energii na materiale filtracyjnym M1 bardzo zbli one do oœrodka powietrze i³. Dla M2 ró nica w stratach energii powodowanych przez te py³y jest zdecydowanie wiêksza. Uzyskane krzywe mo na zast¹piæ funkcj¹ logarytmiczn¹ (M1) lub potêgow¹ (M2). Literatura [1] Baczewski K., Hebda M.: Filtracja p³ynów eksploatacyjnych, t. I, II. Radom, WMCNEMT 1991/ 1992, ISBN [2] Dziubak T.: Badania charakterystyk papierów filtracyjnych do dwustopniowego filtru powietrza pojazdu wojskowego. VI Sympozjum Naukowo-Techniczne Silniki spalinowe w zastosowaniach wojskowych, WAT-AMW, Jurata paÿdziernika 23, , ISBN [3] Gumu³a S., Piaskowska M.: Charakterystyki materia³ów filtrów powietrza stosowanych w pojazdach mechanicznych. Miêdzynarodowa Konferencja Motoryzacyjna Autoprogres-Konmot 22, Wyd. Przemys³owy Instytut Motoryzacji, Pasym k/olsztyna maja 22, , ISBN [4] Gumu³a S., Piaskowska M.: Wybrane charakterystyki eksploatacyjne suchych filtrów powietrza. VI Sympozjum Naukowo-Techniczne Silniki spalinowe w zastosowaniach wojskowych, WAT-AMW, Jurata paÿdziernika 23, , ISBN [5] Myœliñska E.: Laboratoryjne badania gruntów. Warszawa, PWN 1998, ISBN [6] PN-ISO 511: Filtry powietrza do silników spalinowych i sprê arek. Badanie dzia³ania. PKNM