ISSN 1733-8670 Józef Kirkiewicz ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE OBSŁUGIWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ OKRĘTOWYCH OMiUO 2005 Zanieczyszczenie pyłowe powietrza i jego wpływ na trwałość elementów silników okrętowych Słowa kluczowe: zapylone powietrze, ziarnistość pyłów, odpylacz cyklonowy i tkaninowy, zużycie elementów silnika W oparciu o Polską Normę wskazano na definicję pyłów oraz zwrócono uwagę na to, że określone klasy ziarnistości wywierają szkodliwy wpływ na organizmy żywe i na mechanizmy siłowniane. Przedstawiono mechanizm działania pyłów przedostających się do warstwy smarowej wraz z olejami, uzasadniając ich działanie abrazyjne znacznie większą twardością cząsteczek pyłów w stosunku do twardości metali. Dokonano skróconego przeglądu stosowanych filtrów powietrza wprowadzanego do siłowni, wskazując równocześnie na możliwość stosowania dwustopniowego odpylacza w układzie cyklon osiowy odpylacz tkaninowy jako zespołu o dobrej skuteczności całkowitej. Wskazano na przedziały ziarnowe pyłów powodujących szczególnie intensywne zużycie materiałowe siłownianych układów roboczych. Influence of Air Dust Pollution on Durability of Marine Power Plant Systems Key words: air dustiness, dust granularity, cyclone dust separator, fiber dust separator, wear of engine elements The Polish Standard-based definition of dust has been given. Attention has been drawn to the fact that certain classes of dust granularity have adverse effect on living organisms as well as on marine machinery components. The way dusts affect lubricated parts has been shown. The abrasive action of dusts is due to their considerably higher hardness than that of metals. A brief review of air filters in the engine room is provided. Possible applications of a two-stage dust separator (axial cyclone-fabric dust cleaner) are shown as the efficiency of the combined filter is much higher. Indicated are grain composition classes causing particularly intensive wear of machine components. 303
Józef Kirkiewicz Wstęp W otoczeniu, z którego czerpane jest powietrze na potrzeby załogi statku oraz pracy siłowni okrętowej znajduje się wiele zanieczyszczeń gazowych i pyłowych. Zanieczyszczenia pyłowe występują zwłaszcza w czasie załadunku lub rozładunku, a ich uciążliwość zależy szczególnie od stężenia zapylenia powietrza, rodzaju materiału pyłowego i jego ziarnistości [4]. Według Polskiej Normy PN-64/Z-01001: pył jest to faza stała układu dwufazowego gaz-ciało stałe, jeżeli stopień rozdrobnienia ciała stałego jest tak duży, że w nieruchomym powietrzu pod ciśnieniem normalnym w temperaturze 20 C i wilgotności względnej mniejszej od 50% cząsteczki ciała stałego, na które działają tylko siły ciężkości będą opadały ze stałą prędkością mniejszą niż 5 m/s lub będą wykonywały ruchy Browna [3]. Dla różnych materiałów pyłowych warunki tej normy mogą spełniać pyły, których średnica cząsteczek ma wymiary od 0,001 do 1000 µm. Pyły o tak dużym przedziale ziarnowym mogą działać szkodliwie zarówno na organizmy żywe jak również na maszyny i urządzenia siłowniane statku. Dla organizmów ludzkich najbardziej szkodliwe działanie mają pyły o wielkości ziaren od 1 5 µm, ponieważ łatwo wnikają do pęcherzyków płucnych w czasie wdychania, ale z trudem są wydalane w czasie wydechu [3]. Zalegające w pęcherzykach płucnych ziarna pyłów ulegają rozkładowi pod wpływem płynów fizjologicznych, w wyniku czego w zależności od rodzaju materiału pyłowego powstają substancje szkodliwe dla człowieka. Procesy takie prowadzą do różnego rodzaju schorzeń, między innymi wywołują chorobę zwaną pylicą. Cząsteczki pyłów o wielkości ziaren od 5 20 µm oddziaływają bardzo szkodliwie na maszyny i urządzenia siłowniane, ponieważ w tym przedziale zawierają się luzy technologiczne, w które wprowadzane są oleje i smary. Przedostanie się pyłów do tego obszaru powoduje zanieczyszczenie czynników smarnych. Wśród pyłów szczególnie szkodliwie działających na elementy maszyn są krzemiany, których ziarna mają dużą twardość i nieregularne kształty, co powoduje intensyfikację procesów zużycia ściernego. Do urządzeń mechanicznych o przyśpieszonym zużyciu należą: tuleje cylindrowe, tłoki i pierścienie tłokowe, czopy i panewki wału korbowego i inne elementy ruchome, na które działają duże przeciążenia. Powietrze pobierane z otoczenia statku poddawane jest odpylaniu przy pomocy przeznaczonych do tego celu urządzeń. Urządzenia te powinny spełniać następujące wymogi: małe gabaryty, odporność na korozyjne działanie środowiska morskiego, mały opór hydrauliczny, 304
Zanieczyszczenie pyłowe powietrza i jego wpływ na trwałość elementów silników okrętowych możliwość eksploatacji w każdych warunkach klimatycznych, dobra skuteczność działania w określonych przedziałach ziarnowych, łatwość obsługi. Na obecnym etapie rozwoju techniki odpylania brak jest urządzeń, które spełniają w całym zakresie wymogi stawiane okrętowym urządzeniom odpylającym. Nadzieję na spełnienie tych wymogów rokują urządzenia, w których składzie występują odpylacze cyklonowe. 1. Dwustopniowe odpylacze cyklonowo-tkaninowe Odpylacz zbudowany w Akademii Morskiej w Szczecinie poddany badaniom można schematycznie przedstawić jak na rysunku 1. 10 Rys. 1. Schemat dwustopniowego układu odpylania powietrza na potrzeby statku: 1, 5, 8 kanały powietrza, 2 cyklon, 3 komora separacji, 4 wentylatory osiowe, 6 główny zbiornik pyłu, 7 obiegowy odpylacz tkaninowy, 9 konfuzor wlotowy, 10 przesłona regulacji prędkości przepływu powietrza, 11 manometry Fig. 1. Two-stage air dust separating system for shipboard applications W jego składzie jest cyklon osiowy (2) z komorą separacji pyłu (3) oraz obiegowy odpylacz tkaninowy (7). Celem określenia roli odpylacza cyklonowego w tym układzie przeprowadzono jego badanie jako elementu autonomicznego (rys. 2) zakładając, że może on pracować w sposób ciągły w każdych warunkach klimatycznych. Odpylacz taki składa się ze ślimaka (1) o zmiennym nachyleniu łopatek, na które trafia strumień zapylonego powietrza. Powietrze to na łopatkach ślimaka o narastającym kącie nachylenia ulega działaniu narastających sił odśrodkowych wymuszających przyśpieszenie odśrodkowe cząsteczek pyłu. 305
Józef Kirkiewicz Rys. 2. Schemat odpylacza cyklonowego: 1 ślimak, 2 komora zawirowania, 3 górna komora separacji, 4 króciec odlotowy, 5 pomocniczy króciec odlotowy, 6 dolna komora separacji, 7 zbiornik pyłu Fig. 2. Cyclone dust separator Celem uzyskania równomiernego prowadzenia strugi zapylonego powietrza zastosowano ślimak o wielu łopatkach. Górna komora separacji (3) ma kształt rozbieżny (stożkowy). Po ściankach tej komory cząsteczki opadają do zbiornika pyłu (7). Odpylone powietrze jest wyprowadzone centralnie umieszczonym kanałem odlotowym (4) do układów wentylacyjnych statku. Jak wykazały badania rozkładu wektorów prędkości ruchu metodą wizualizacji, unika się zawirowań wtórnych w obszarze zbiornika pyłów jeżeli w osi cyklonu zostanie wbudowany króciec odlotowy pomocniczy (5). Badania takiego odpylacza cyklonowego realizowano stosując pyły różnych materiałów o określonych ziarnistościach dla określonych prędkości przepływu. Wyniki tych badań zebrano w tabeli 1 i 2. W trakcie badań odpylacza cyklonowego zwrócono szczególną uwagę na jego skuteczność działania. Z analizy wyników zebranych w tabeli 1 widać, że najwyższą skuteczność osiągnięto dla pyłów zbożowych (96,5%), natomiast najniższą dla pyłów siarki (86%). Średnia skuteczność pracy odpylacza wynosiła 91% i wartość ta była porównywalna ze skutecznością odpylania pyłów apatytów. Dlatego też przy badaniach zależności skuteczności pracy odpylacza cyklonowego od ziarnistości pyłów oraz prędkości przepływu strugi zapylonego powietrza używano pyłów apatytowych. Analizując wyniki pomiarów przedstawione w tabeli 2 zwrócić należy uwagę na dwie wartości prędkości przepływu strugi zapylonego powietrza. Przy maksymalnej prędkości v max = 14,6 m/s 306
Zanieczyszczenie pyłowe powietrza i jego wpływ na trwałość elementów silników okrętowych natężenie przepływu wynosiło 1300 m 3 /h, ale głośność pracy urządzenia dochodziła do 80 decybeli. Przy prędkości przepływu v 5 = 11,8 m/s natężenie przepływu wynosiło 1000 m 3 /h, ale głośność nie przekraczała 50 decybeli. Dla badanych klas ziarnowych przy spadku prędkości z maksymalnej do v 5 = 11,8 m/s skuteczność odpylania obniżała się średnio o ok. 1,5%. Ze względu na potrzeby wentylacyjne zwrócić należy uwagę na to, że dla pyłów o średnicach mniejszych od 5 µm, czyli najbardziej szkodliwych dla człowieka średnia skuteczność odpylania cyklonu osiowego wynosi ok. 85%. Dla pyłów o ziarnistości 5 20 µm średnia skuteczność odpylania powietrza osiągała wartość 94% i jest wystarczająca do celów wentylacyjnych pomieszczeń siłowni okrętowej. Opór hydrauliczny badanego odpylacza cyklonowego nie przekraczał 300 paskali. Lp. Wyniki badań skuteczności pracy odpylacza cyklonowego Results of investigations of cyclone dust separator efficiency Rodzaj pyłu Gęstość pyłu [kg/m 3 ] Całkowita skuteczność odpylania [%] 1 węglowy 1310 93,5 2 apatyty 2330 2630 91 92 3 fosfaty 2787 88,3 4 siarka 2070 86,0 5 ruda żelaza 3950 95,2 6 zbożowy 247 96,5 Tabela 1 Tabela 2 Badanie skuteczności odpylania cyklonu osiowego w zależności od ziarnistości oraz prędkości przepływu dla pyłów apatytowych Investigations of dust separation efficiency of a cyclone separator dependent on granularity and flow speed for apatite dust Frakcja [µm] Prędkość wlotowa [m/s] 4,8 6,8 7,3 10,5 11,8 12,7 14,0 14,6 Skuteczność odpylania [%] >20 93,2 94,8 96,1 97,0 97,6 97,9 98,4 99,1 15-20 91,0 94,6 96,0 97,0 97,4 97,2 98,3 98,4 10-15 90,0 90,4 91,2 93,0 93,2 93,6 94,4 94,4 5-10 80,0 82,0 86,0 89,0 90,0 91,0 91,3 91,5 <5 76,0 80,0 81,0 83,0 84,0 84,5 86,0 86,4 307
Józef Kirkiewicz Średnia 86,0 88,0 90,0 91,8 92,4 92,8 93,7 93,9 Do celów wentylacyjnych pomieszczeń załogowych musi być dostarczone odpylone powietrze, w którym ograniczyć należy nie tylko pyły o ziarnistości 5 20 µm ale również pyły o średnicach mniejszych od 5 µm. Powszechnie zakłada się, że taką skuteczność odpylania można uzyskać w urządzeniach filtracyjnych pracujących w układzie dwustopniowym. Jako drugi stopień odpylania zastosowano w badaniach filtr tkaninowy, który w stanowisku badawczym (rys. 1) umieszczono jako element (7). Wyniki badań odpylacza dwustopniowego w układzie cyklon osiowy filtr tkaninowy przedstawiono w tabeli 3. Lp. Wyniki badań odpylacza dwustopniowego Results of investigations of a two-stage dust separator Rodzaj pyłu Gęstość pyłu [kg/m 3 ] Całkowita skuteczność odpylania [%] 1 węglowy 1310 99,4 2 apatyty 2330 2630 98 99,1 3 fosfaty 2787 98,8 4 siarka 2070 88,0 5 ruda żelaza 3950 99,0 6 zboże 247 99,9 Tabela 3 Z porównania wynika, że po wprowadzeniu filtra tkaninowego średnia skuteczność odpylania wzrosła z 91,7% do 97,2%. Na potrzeby wentylacyjne siłowni okrętowej należy dostarczać znacznie większe ilości odpylonego powietrza niż na potrzeby pomieszczeń załogowych. W układzie odpylającym można wprowadzić kilka równolegle ustawionych odpylaczy cyklonowych, które w stopniu zadawalającym oczyszczają powietrze z pyłów o ziarnistości 5 20 µm. Na potrzeby pomieszczeń załogowych wystarczy jedna sekcja odpylacza w układzie cyklon osiowy filtr tkaninowy. 2. Wpływ zapylenia powietrza na zużycie elementów silników i maszyn okrętowych W transporcie morskim w trakcie przeładunków wydzielają się znaczne ilości pyłów, które rozprzestrzeniają się w strefie otaczającej statek. Pomimo stosowania odpylaczy, zapylone powietrze pobierane przez czerpnię na potrzeby wentylacyjne statku posiada pewną resztkową ilość cząsteczek, które działają szkodliwie na pracę elementów siłownianych. Pyły, osiadając na elementach 308
Zanieczyszczenie pyłowe powietrza i jego wpływ na trwałość elementów silników okrętowych nieruchomych silnika, powodują zakłócenie procesów termodynamicznych przez utrudnienie wymiany ciepła, natomiast dla elementów ruchomych są czynnikiem sprzyjającym starzeniu przez oddziaływanie na procesy trybologiczne. Część pyłów wraz z powietrzem przedostaje się do wnętrza cylindrów silnika i powoduje przyśpieszone zużycie abrazyjne układu tłok z pierścieniami tuleja cylindrowa. Równie szkodliwe działanie mają te pyły, które przedostają się do olejów smarowych. Oleje smarowe pracują w silnikach w sposób ciągły, a w związku z tym ich zanieczyszczenia pyłowe wielokrotnie przepływają przez silnik, przyśpieszając zużycie różnych elementów roboczych. Zawarte w oleju cząsteczki pyłów powodują mikroskrawanie współpracujących części maszyn i elementów silników. Niszczące działanie pyłów wynika głównie z faktu, że ich twardość jest znacznie większa od twardości metali, co widać z porównania danych w tabeli 4. Twardość metali i związków mineralnych [2] Metals and mineral compound hardness Tabela 4 Metale Twardość HB [N/mm 2 ] Związki mineralne Twardość HB [N/mm 2 ] Aluminium 20 Tlenek chromu 1000 1500 Chrom 150 Tlenek aluminium 1170 2100 Mangan 20 Kwarc 1050 Miedź 35 Krzem 1225 Molibden 145 Dolomit 3520 Nikiel 60 Kalcyt 3020 Tytan 185 Grafit 1600 Wanad 180 Magnezyt 4024 Wolfram 250 Żelazo 85 Badania wykazują [1], że szczególnie duże właściwości ścierne, oprócz pyłu diamentowego, mają tlenki aluminium, krzem, dolomit i magnezyt, ale ze względu na kształt cząsteczek i ostrość krawędzi jednymi z najgroźniejszych są cząsteczki kwarcu. Oprócz rodzaju materiału pyłowego zawartego w olejach smarowych bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na zużycie ścierne elementów silników spalinowych tłokowych mają składy granulometryczne. Trudności badawcze w tym zakresie powodują, że liczba wyników jest 309
Józef Kirkiewicz ograniczona, ale wystarczająca, aby wskazać na zależność zużycia od wymiarów cząsteczek, co przedstawiono w tabeli 5. Zależność zużycia elementów silnika od wymiarów cząstek pyłów [1] The dependence of engine elements wear on dust particles sizes Tabela 5 Koncentracja pyłu w oleju smarnym [%] 0,15 0,15 0,15 Wymiar cząstek pyłu [µm] do 1 do 5 do 10 Zużycie [mg/h] 0,07 0,30 0,92 Z danych zawartych w tabeli wynika, że zawartość w oleju smarnym cząsteczek pyłu o wymiarach do 10 µm zwiększa zużycie elementów 13 razy w stosunku do ich zużycia przy zanieczyszczeniu oleju cząsteczkami o wymiarach do 1 µm. Źródła teoretyczne wskazują, że filtry oleju powinny usuwać przede wszystkim cząsteczki zanieczyszczeń o wymiarach 5 20 µm jako powodujące najintensywniejsze zużycie elementów silnika (rys. 3 i 4). 310
Zanieczyszczenie pyłowe powietrza i jego wpływ na trwałość elementów silników okrętowych Rys. 3. Wpływ wymiarów cząsteczek pyłu na zużycie pierścienia tłokowego [1] Fig. 3. Influence of dust particles sizes on piston ring wear Rys. 4. Wpływ wymiarów cząsteczek pyłu na zużycie tulei cylindrów i tłoka [1] Fig. 4. Influence of dust particles sizes on cylinder liner and piston wear 311
Józef Kirkiewicz Podsumowanie Istotnym czynnikiem ochrony elementów ruchomych silników okrętowych przed przyśpieszonym zużyciem jest odpylanie powietrza pobieranego z otoczenia statku. Skuteczność działania filtrów powietrza odgrywa główną rolę zwłaszcza w obniżeniu zużycia pierścieni tłokowych, tłoków i tulei cylindrowych, ponieważ elementy te są w pierwszej kolejności narażone na działanie zapylonego powietrza. W oparciu o badania literaturowe [1], można przyjąć, że podwyższenie skuteczności odpylania o 1% zwiększa trwałość silnika nawet kilkakrotnie. W procesach eksploatacyjnych nie jesteśmy w stanie zmienić rodzaju materiału pyłowego, ponieważ zależy to od transportowanego ładunku. Skład granulometryczny oraz stężenie pyłu w powietrzu zasysanym do cylindrów w głównej mierze zależą od skuteczności odpylaczy. Proponowana wersja odpylaczy cyklonowych, a zwłaszcza pracujących w układzie dwustopniowym cyklon osiowy filtr tkaninowy może być czynnikiem znacznie wydłużającym międzyremontowy czas pracy szczególnie agregatowych silników okrętowych. Literatura 1. Baczewski K., Hebla M., Jaroszczyk T., Filtracja oleju, paliwa i powietrza w tłokowych silnikach spalinowych, WKiŁ, Warszawa 1977, s. 15, 31, 36. 2. Jeżewski M., Kalisz J., Tablice wielkości fizycznych, PWN, Warszawa 1957, s. 69. 3. Juda J., Pomiary zapylenia i technika odpylania, WNT, Warszawa 1868, s. 18 i 43. 4. Kukuła P., Badanie nad rozprzestrzenianiem się i dyspersją pyłów surowców chemicznych i innych towarów masowych w zespole portowym Szczecin- Świnoujście, Praca doktorska, Politechnika Szczecińska, Szczecin 1976. Recenzenci doc. dr inż. Vladimir Puchov dr hab. inż. Janusz Grabian, prof. AM Adres Autora doc. dr Józef Kirkiewicz Akademia Morska w Szczecinie 312 Wpłynęło do redakcji w lutym 2005 r.
Zanieczyszczenie pyłowe powietrza i jego wpływ na trwałość elementów silników okrętowych Instytut Matematyki, Fizyki i Chemii ul. Wały Chrobrego 1/2, 70-500 Szczecin 313