Introducere
Pentru pregatirea unor cantitati importante de combustibil greu necesara consumului zilnic al motoarelor principale, consum ce poate atinge valori de 20 . 30 de tone zilnic sau mai mult, la motoarele principale ale tancurilor petroliere, sunt necesare instalatii corespunzatoare acestui scop.
Instalatiile de pregatire a combustibilului greu de la bord, pe lânga celelalte elemente componente cum sunt tancurile de combustibil, tancurile de decantare, serviciu, pompele de transfer, încalzitoarele si altele au ca element component principal separatorul centrifugal.
Scopul operatiei de separare centrifugala este de a îndeparta din masa amestecului eterogen acele faze a caror prezenta pericliteaza buna functionare a instalatiilor de forta cum sunt motoarele si caldarile de la bord. Se urmareste în principiu îndepartarea apei si a diferitelor impuritati existente într-un amestec eterogen.
Alegerea corecta a discului gravitational
O separare corecta se poate realiza prin adaptarea unei valori corespunzatoare a discului gravitational (diafragme de reglare) la caracteristicile combustibilului ce urmeaza a fi separat si la valoarea temperaturii de separare. Prin alegerea corecta a diametrului interior al discului gravitational se asigura ca linia de demarcatie dintre cele doua faze - apa si combustibil - sub forma unor suprafete cilindrice, sa corespunda zonei gaurilor practicate în talerele de separare. Pentru aceasta orice agregat de separare este livrat cu un set de discuri gravitationale având aceeasi valoare a discului exterior si valori diferite ale diametrului interior, marcate pe fiecare disc.
Determinarea valorii corecte a diametrului interior a discului gravitational se poate face analitic, din tabele, din diagrame sau prin încercari succesive.
Determinarea analitica. Asupra zonei de separare între lichide actioneaza doua forte si anume:
- &n 15115j92p bsp;
o forta centrifuga
datorita masei de combustibil 
;
- &n 15115j92p bsp;
o forta centrifuga
datorita masei de apa 
(fig. VEZI).
Modul de actiune a celor doua forte poate fi asimilat actiunea a doua forte care se exercita într-un sistem de vase comunicante (fig. VEZI).
Ecuatia de
echilibru a celor doua forte pe suprafata laterala a
cilindrului de separare este 
.
Dar:
si
.
Din egalitatea celor doua forte rezulta, dupa simplificari:
.
Deoarece 
se poate considera cu
o buna aproximatie:
.
De asemenea se poate
considera 
relatia VEZI
devenind:
.
Singurul element care
variaza în aceasta formula este 
(diametrul discului
gravitational). Explicitând valoarea lui se obtine:
sau 
.
Cu ajutorul formulelor
anterioare se poate determina diametrul discului gravitational cunoscând
parametrii constructivi ai separatorului (
si 
) si greutatile specifice ale combustibilului
si apei la temperatura de saturatie. Având în vedere ca
temperatura optima de saturatie este cuprinsa între 40°C si
70°C se poate considera 
constant.
Determinarea discului gravitational cu ajutorul diagramelor. Firmele constructoare livreaza în instructiunile de exploatare si diagrame care permit personalului ce lucreaza cu agregatul, o alegere corecta a discului gravitational adecvat. Astfel, firma De Laval pune la dispozitie o diagrama asemanatoare celei din figura VEZI.
Folosirea acestei diagrame este foarte simpla si poate fi prezentata prin doua exemple:
a. &n 15115j92p bsp;
Se cunosc 
; 
.
Se introduc în diagrama cele doua date cunoscute si la intersectia liniilor punctate se obtine un punct. Acest punct cade în zona marcata 109. Acest lucru înseamna ca trebuie sa se foloseasca discul stantat cu 109.
b. &n 15115j92p bsp;
Se cunosc 
; 
.
Se observa, în aceasta situatie, ca trebuie folosit un alt disc si anume cel stantat cu 101.
Metoda diagramelor este rapida si comoda însa rezultatele cele mai bune se obtin cu metoda indicata în continuare:
Selectarea prin încercari succesive. Deoarece în practica în conditiile bordului nu se port determina exact greutatea specifica a amestecului de apa, combustibil si sedimente, necunoscând nici proportia componentelor din amestec si nici greutatea lor specifice, se recurge la metoda încercarilor succesive. Prin aceasta metoda se fac teste de separare folosind dimensiuni din ce în ce mai mari pâna ce apare combustibil în racordul de evacuare a reziduurilor. În acest moment se opreste separarea si se revine apoi cu o dimensiune. De exemplu, folosind discurile 109 a aparut combustibil la evacuarea reziduurilor. Discul adecvat este cel marcat 101. Evident, în cursul acestor teste toti ceilalti parametrii care influenteaza procesul de separare (temperatura amestecului, temperatura apei de spalare, cantitatea apei de spalare) trebuie mentinuti constanti pentru a nu influenta rezultatele.
Metoda descrisa mai înainte este cea mai buna, deoarece reuseste, asa cum s-a aratat, sa tina seama de toti factorii aleatori care apar în procesul separarii.
Indiferent de modalitatea de determinare a diametrului discului gravitational se va alege din setul existent în dotare valoarea cea mai apropiata. Se recomanda ca verificarea corectitudinii alegerii discului gravitational sa fie realizata experimental prin demontarea separatorului si analiza pozitiei cilindrului de separatie fata de gaurile din talerele separatorului. Daca diametrul cilindrului de separatie este mai mic ca diametrul de baza al gaurilor se va alege un disc gravitational cu diametrul mai mare sau se va micsora temperatura de separatie. Daca diametrul cilindrului de separatie este mai mare decât diametrul de baza al gaurilor, se va alege un disc mai mic sau se va marii temperatura de separatie. Daca nu se poate obtine o pozitie corecta a diametrului de separatie ca regula generala, este preferabila prima situatie pentru a se elimina pierderile nedorite de combustibil, apa fiind eliminata prin recircularea un timp mai îndelungat a combustibilului în separator.
Elementele componente ale unui separator
Un separator este alcatuit din urmatoarele parti componente:
- &n 15115j92p bsp; carcasa cu postamentul ei; sistemul mecanic de antrenare (angrenaj melc - roata melcata;
- &n 15115j92p bsp; motorul electric de antrenare;
- &n 15115j92p bsp; cupa de separare cu anexele sale, discurile gravitationale;
- &n 15115j92p bsp; sistemul de distributie al apei de lucru;
- &n 15115j92p bsp; sistemul de distributie al fluidului de lucru, inclusiv pompa sau pompele aferente;
- &n 15115j92p bsp; aparatura de masura si control (manometre, vacuumetre, tahometre, termometre).
Din punct de vedere constructiv un separator e fabricat din materiale de buna calitate, în general din oteluri aliate cu procent mare de Ni si Cr adica oteluri inoxidabile. Astfel, discurile gravitationale, sunt executate prin ambutisare din tabla de otel inoxidabil 18Cr8Ni. Discurile sunt livrate în seturi, în functie de greutatile specifice ale lichidelor de tratat. Ele sunt prelucrate cu precizie mare, suprafetele lor fiind finisate îngrijit. Calitatea suprafetelor, unghiul de înclinare, precum si dimensiunile gaurilor practicate în ele sunt parametrii determinanti ai procesului de separare.
Partea superioara si cea inferioara a cuplei de separare este executata din otel inoxidabil de buna calitate supus unui tratament termic de calire în ulei, urmat de o revenire si racire în aer.
Celelalte parti, expuse coroziunii, sunt executate din otel de buna calitate, placat cu otel inoxidabil 18Cr10Ni2Mo. Restul partilor componente sunt protejate prin stanare sau plumbuire în bai calde. Carcasa si postamentul sunt executate din fonta, iar capacul din aliaj usor. Datorita conditiilor grele de lucru, vibratii, socuri la pornire si în timpul functionarii normale, centrele de greutate îsi modifica pozitia, în special în conditii severe al unei mari montate, axul principal de antrenare este montat într-un sistem de lagare care are posibilitatea de a oscila liber. Acest sistem de lagare este compus din 3 rulmenti de precizie, dispusi astfel:
- &n 15115j92p bsp; la partea superioara a axului, un lagar radial fixat într-o montura speciala, prevazuta cu arcuri spiralate din otel; rulmentul preia eforturile radiale, în timp ce arcurile au rolul de amortizare a socurilor si vibratiilor pe directie radiala;
- &n 15115j92p bsp; la partea inferioara, doua lagare, un rulment axial si un rulment radial - axial de tip oscilant cu doua rânduri de bile. Pentru a preveni si amortiza oscilatiile pe directie axiala, rulmentul axial se sprijina la partea sa inferioara pe un sistem de amortizare cu arc. Tot acest sistem, de suspendare a axului principal de antrenare confera sistemului un înalt grad de fiabilitate.
Pe axul principal de antrenare se afla melcul angrenajului de tip melc - roata melcata. În functie de tipul separatorului, acest melc poate sa faca corp comun cu axul separatorului sau poate fu sub forma unei piese separate montate pe ax si solidarizata cu aceasta prin intermediul unui stift elastic. La partea superioara a axului este prevazut un sistem de etansare foarte eficace sub forma de labirint. Aceasta etansare previne patrunderea apei sau a reziduurilor în baia de ulei care asigura ungerea angrenajului mecanic.
Baia de ulei o constituie chiar partea inferioara a carcasei. Nivelul de ulei mentinut la cota stabilita de catre constructor asigura o buna ungere a angrenajului melc - roata melcata, prin imersia rotii melcate circa 1/3 în ulei. De asemenea, lagarul inferior fiind complet scufundat în baia de ulei beneficiaza de o ungere si o racire eficienta. Lagarul superior, mai putin încarcat, este uns prin împroscare cu ulei de catre roata melcata. Baia de ulei este prevazuta cu o sticla de nivel, pentru controlul operativ al nivelului de ulei în baie precum si cu o gura de umplere. Tot în baia de ulei este montat si angrenajul tahometrului, indicatorul acestuia, sub forma unui disc rotitor sau unui turometru, fiind plasat în exteriorul carcasei.
Asa cum s-a aratat, separatorul este antrenat de un motor electric. De remarcat ca la alegerea puterii motorului electric de antrenare se tine cont de faptul ca perioada de pornire presupune un consum sporit de putere. Dupa ce separatorul a atins turatia de regim, consumul de putere scade la circa 1/3. Daca motorul electric se alege de o putere corespunzatoare puterii consumate în perioada de pornire, se asigura o mare fiabilitate, deoarece în timpul functionarii normale, motorul electric va fi încarcat doar la 2/3 din capacitatea sa. Transmiterea miscarii de la motorul electric la roata melcata se face prin intermediul unui cuplaj cu frictiune. Aceasta solutie constructiva asigura o pornire lina a separatorului si ofera o protectie eficienta contra suprasarcinilor în angrenajul mecanic al motorului electric sau reteaua electrica.
Pompele de combustibil sunt de tipul cu roti dintate si în functie de rolul pe care îl au pot fi folosite pentru alimentarea sau descarcarea separatorului. Separatoarele pot fi echipate cu una sau doua pompe. Aceste pompe sunt antrenate de motorul electric al separatorului si evident la dimensionarea motorului electric al separatorului si evident la dimensionarea motorului electric trebuie tinut seama de puterea consumata de ele.
Încalzitoarele de combustibil si apa sunt folosite ca elemente auxiliare ale instalatiei de separare. Pentru o separare eficienta prezinta o importanta deosebita dimensiunile discurilor gravitationale si temperatura fluidelor de lucru. Pentru a aduce la valori optime temperatura apei si a fluidului de separat se folosesc încalzitoarele. Din punct de vedere constructiv, încalzitoarele nu prezinta particularitati deosebite putând fi electrice sau cu aburi.
Întregul subansamblu vertical: ax, tambur (cupa, oala) cu set de talere, distribuitor, etc. este echilibrat dinamic, iar deplasarea centrului de greutate al acestuia duce la aparitia vibratiilor în ansamblul separatorului. Pentru a se pastra echilibrajul dinamic. Dupa o demontare a separatorului este necesar ca remontarea sa se faca cu respectarea tuturor marcajelor facute de constructori pe elementele subansamblului vertical.
Purificarea si clarificarea la un separator fara autodescarcare
Pentru întelegerea proceselor reale care au loc într-un separator se fac referiri în continuare în figura VEZI care prezinta la o scara marita zona discurilor de separare. Pe aceasta schema au fost trasate si directiile de curgere ale diferitelor lichide în zona de separare.
Dupa ce separatorul a pornit si a ajuns la turatia de regim, tamburul de separare este umplut cu apa. Acest aport de apa la începutul separarii este necesar deoarece functionarea corecta a tamburului în procesul de purificare necesita existenta unui lichid de etansare în spatiul de reziduuri, înainte de admiterea combustibilului de tratat; daca nu s-ar introduce apa în interiorul cupei combustibilul admis ar fi refulat în exterior, prin spatiile prevazute pentru evacuarea apei murdare. Dupa ce tamburul s-a umplut cu apa, preferabil la aceeasi temperatura cu cea a combustibilului, se începe introducerea combustibilului pe la partea superioara a tamburului. Combustibilul dezlocuieste o cantitate de apa din cupa pâna ce se stabileste un anumit nivel si o anumita zona de separatie dintre apa si combustibil. S-a aratat ca aceasta zona este verticala, iar pozitia ei fata de axa de rotatie este data de raportul greutatilor specifice ale lichidelor prezente în tambur. Este esential pentru procesul de separare, ca aceasta zona sa fie în dreptul gaurilor existente pe discurile de separare. Forta centrifuga divide amestecul într-o componenta usoara, purificata, care se misca de-a lungul suprafetei superioare a discurilor si o componenta grea (apa si sedimente) care curge în afara, de-a lungul suprafetei inferioare a discurilor. Catre spatiul de reziduuri. Unghiul corect de înclinare a discurilor si suprafata lor, bine slefuita, permit reziduurilor solide sa se miste usor catre spatiul de reziduuri. Aceasta miscare, produce simultan si o autocuratire a discurilor.
Combustibilul purificat precum si apa scoasa din combustibil sunt descarcate, în mod separat, prin tubulaturi independente în tancurile respective. Reziduurile solide ramân în spatiul de reziduuri al cupei, sub forma unor depuneri pe peretii verticali ai acesteia.
În procesul de purificare este recomandat ca adaosul de apa curata sa se faca la aceeasi temperatura cu cea a combustibilului. Prin adaosul de apa, particulele usoare, precum si urmele acide foarte daunatoare sunt spalate si evacuate din separator, odata cu apa murdara. Acest mod de lucru, permite o marire a intervalului de timp între doua spalari si doua demontari succesive ale separatorului, precum si scaderea riscului de coroziune.
Procesul de clarificare se deosebeste de cel de purificare prin faptul ca majoritatea impuritatilor ce trebuie separate sunt solide. În acest scop, se foloseste acelasi tambur si acelasi set de discuri ca la purificare. Singura deosebire este aceea ca la partea superioara a tamburului se monteaza un inel de etansare care închide orificiul de evacuare a apei murdare; de asemenea nu mai este necesara introducerea apei de etansare a tamburului la începutul operatiunii de separare, de data aceasta etansarea fiind executata mecanic prin inelul amintit. În rest, procesul de clarificare decurge în mod identic cu cel de purificare, reziduurile solide fiind adunate în spatiul de reziduuri, iar combustibilul clarificat fiind refulat în exterior.
Separatorul cu autodescarcare
Separatoarele fara autodescarcare, la care curatirea camerei de separare se face manual, sunt eficiente în cazul în care continutul de impuritati solide al lichidului de separat este relativ mic. În cazul în care acest continut este mare, separatoarele simple nu mai sunt eficiente deoarece spatiul de reziduuri se umple foarte repede si instalatia trebuie oprita în mod frecvent pentru curatire. Separatorul cu autodescarcare ofera o exploatare continua deoarece principiul sau de constructie permite descarcarea reziduurilor în mod periodic în timp ce cupa se roteste cu turatia sa nominala. În acest mod, timpii morti, necesari spalarii manuale a separatorului sunt eliminati. Acest aspect al economiei de timp este deosebit de important în cazul exploatarii separatoarelor la bordul navelor.
Principiul de functionare
Din punct de vedere al procesului de separare, functionarea separatoarelor cu autodescarcare este similara cu a separatoarelor simple. Aceste separatoare pot fi folosite atât pentru purificare cât si pentru clarificare, putând fi adaptate prin schimbarea setului de discuri, pentru tratarea lichidelor cu greutati specifice diferite.
Diferentele mari apar în modul de constructie al tamburului, mod care este adaptat de aceasta data descarcarii semiautomate a reziduurilor. În figura VEZI este prezentata o sectiune axiala schematica printr-un tambur cu descarcare semiautomata. Se observa ca, la acest tip de separator, semicupa inferioara este executata din mai multe repere: reperul 1 este fix, solidarizat cu semicupa superioara 4 cu ajutorul piulitei 5. Reperul 3 închide la partea interioara spatiul în care are loc procesul de separare. Între reperele 1 si 3 este plasat un piston 2, de forma adecvata. Acest piston are posibilitatea de a se deplasa în sus sau în jos, în functie de pozitia pe care o ocupa, putând etansa sau nu spatiul de separare fata de exterior. Atunci când este în pozitie inferioara el deschide ferestrele 6 practicate în semicupa inferioara 1; prin deschiderea acestor ferestre, spatiul de separare comunica cu exteriorul, toate reziduurile solide fiind expulzate datorita fortei centrifuge în exteriorul cupei. În acest mod se obtine o curatire eficace si operativa a spatiului de reziduuri. Actionarea pistonului 2 se face pe cale hidraulica cu ajutorul apei.
Actionarea hidraulica a descarcarii
În cele ce urmeaza, cu ajutorul figurilor urmatoare se va explica modul de actionare hidraulica a procesului de descarcare.
În figura VEZI se observa cupa în procesul de separare. Pistonul mobil 2 este în pozitia ridicata etansând, în acest fel, spatiul de lucru. Pistonul este retinut în aceasta pozitie, de o perna de apa, introdusa la partea sa inferioara. Datorita fortei centrifuge, aceasta perna de apa exercita o forta asupra peretilor camerei în care se afla. Componenta pe directie axiala a acestei forte mentine pistonul 2 în pozitia sa superioara.
În momentul în care spatiul de reziduuri s-a umplut si este necesara evacuarea sa, se opreste admisia lichidului de separat din separator. Cu ajutorul valvulei de operatie se introduce apa în spatiul aflat între piston si reperul 3. Apa, patrunde în acest spatiu, forteaza deplasarea în jos a pistonului, si astfel se închid ferestrele de evacuare 6. în acest moment, datorita fortei centrifuge întreg continutul din spatiul de separare este expulzat în afara. Cu aceasta procesul de curatire a cuvei este terminat. Evacuarea cupei are loc în 5 . 10 secunde. Acest proces de evacuare poate fi controlat manual sau automat cu ajutorul unei unitati de timp. În procesul de evacuare se pierd circa 4 litri de apa. Apa necesara actionarii pistonului trebuie sa fie la o presiune de circa 2 atmosfere. Aceasta presiune se realizeaza în mod diferit în functie de tipul de separator. Astfel, separatoarele Westfalia, folosesc apa sub presiune de la un hidrofor, în timp ce separatoarele De Laval au o mica pompa centrifuga montata sub cupa si actionata de aceasta.
Dupa ce cupa a fost golita se reia ciclul obisnuit de separare:
- &n 15115j92p bsp; se închide admisia apei de comanda;
- &n 15115j92p bsp; se reface perna de apa care asigura etansarea tamburului (cupei);
- &n 15115j92p bsp; se introduce apa în tambur (cupa) pentru a reface etansarea cu lichid a acesteia (numai în cursul purificarii);
- &n 15115j92p bsp; se începe admisia în tambur (cupa) a lichidului de tratat;
- &n 15115j92p bsp; se continua procesul de separare pâna în momentul unei noi spalari a separatorului.
Tipul de separator descris mai sus, deosebit de convenabil exploatarii la bordul navelor maritime datorita avantajelor pe care le prezinta:
- &n 15115j92p bsp; continuitatea procesului de separare; datorita faptului ca separatorul nu necesita perioade de oprire, afectate curatirii manuale, el poate lucra practic fara opriri;
- &n 15115j92p bsp; volumul de munca afectat întretinerii este mult diminuat;
- &n 15115j92p bsp; modul de constructie se preteaza perfect unei automatizari a întregului proces.
Automatizarea procesului de separare
Posibilitati de automatizare. Datorita modului de constructie, separatoarele de combustibil cu autodescarcare se preteaza la montarea într-o instalatie automata. S-a aratat anterior modul de lucru cu un separator cu autodescarcare. S-a putut observa ca toate operatiunile de pornire, spalare, oprire se efectueaza prin manevrarea unor valvule. Daca în locul acestor valvule se plaseaza valvule electromagnetice, exista posibilitatea ca aceste operatiuni sa fie efectuate prin impulsuri electrice. Daca în aceasta instalatie se plaseaza un aparat capabil sa furnizeze impulsuri electrice de comanda în functie de un program stabilit, se poate realiza o automatizare completa a procesului. Succesiunea operatiunilor, într-o instalatie automata de separare a combustibilului este urmatoarea:
a) &n 15115j92p bsp; pornirea motorului electric;
b) &n 15115j92p bsp; etansarea cupei cu ajutorul apei;
c) &n 15115j92p bsp; umplerea cuvei cu apa (numai la purificare);
d) &n 15115j92p bsp; admisia combustibilului;
e) &n 15115j92p bsp; oprirea intrarii combustibilului în separator;
f) &n 15115j92p bsp; evacuarea combustibilului din cupa;
g) &n 15115j92p bsp; descarcarea si evacuarea reziduurilor;
h) &n 15115j92p bsp; asteptarea (50 de secunde pentru descarcarea completa).
Din acest moment ciclul operatiunilor se reia cu începere de la punctul b. În cazul în care datorita cantitatii mari de impuritati este necesara spalarea de doua ori consecutiv a tamburului (cupei), atunci dupa punctul h se repeta operatiunile b, c, g, h dupa care se reia ciclul cu operatiunea b.
Instalatia de automatizare a proceselor de separare. Pentru asigurarea functionarii continue, îndelungate a separatoarelor si autodescarcare (autocuratirea depunerilor din camera de separare (spatiul de separare al cupei), acestea sunt dotate cu instalatii automate ce se compun din urmatoarele elemente: un releu de timp (timer) cu programul sau, valvule automate comandate electric sau pneumatic, aparatura de avertizare (vezi figura VEZI).
Functionarea instalatiei este urmatoarea: dupa un interval de timp prestabilit în care separatorul a lucrat, cupa trebuie golita de reziduuri. Valvula electromagnetica 1 comandata de releul de timp deschide aerul comprimat catre robinetul cu trei cai. Acest robinet comandat de aer joaca rolul de by-pass al pompei de alimentare cu combustibil al separatorului. Prin deschiderea lui combustibilul neseparat este recirculat în pompa pe toata perioada de spalare a separatorului, în continuare releul de timp 7 transmite o comanda catre valvula electromagnetica 2, plasata pe tubulatura de umplere cu apa a cupei. Mentinând deschisa pentru un scurt timp aceasta valvula apa umple cupa evacuând pe tubulatura 5 combustibilul din cupa. În acest fel se face economie de combustibil deoarece în momentul descarcarii în cupa nu se vor afla decât apa si reziduuri. Dupa deschiderea acestei valvule, releul de timp comanda deschiderea valvulei 3 care furnizeaza separatorului apa de comanda pentru deschiderea cupei. Cupa este deschisa, reziduurile si apa fiind ejectate în afara prin tubulatura 6 în tancuri de reziduuri. Valvula 3 este mentinuta deschisa 10 secunde, timp suficient golirii separatorului. Urmeaza o perioada de asteptare în care are loc etansarea, cât si atingerea turatiei nominale de lucru de catre cupa de separare. În continuare valvula 2 este deschisa din nou, cupa este umpluta cu apa pentru a reface etansarea cu lichid a acesteia. Când ciclul este complet, releul de timp comanda închiderea valvulei 2 si a by-pass-ului 4 si astfel combustibilul neseparat este admis din nou în separator.
Succesiunea operatiilor care formeaza programul de automatizare se poate vedea în figura VEZI. Daca din motivele aratate anterior, este necesara spalarea dubla a separatorului, atunci programul de lucru este cel aratat în figura VEZI.
|
