金屬纖維聚水性能在噴氣燃料中的應用

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0 前言

隨著我國海軍向藍水遠洋海軍的方向發展，艦船須攜帶大量的噴氣燃料以滿足作戰的需求。但噴氣燃料中的水分含量超標會給發動機系統帶來危害，直接影響作戰任務的完成，且噴氣燃料的供給呈現出大流量化、高精度化的特點，因此，也對過濾凈化技術提出了更高的要求，要杜絕燃料質量低劣引起的發動機故障。

1 國內外現狀

目前，在噴氣燃料過濾領域，玻璃纖維是主要的聚結過濾材料，玻璃纖維的纖維氈機械強度低、壽命短、易脫落，容易造成油液的二次污染。雖然浸膠可以改變玻璃纖維表面對水的潤濕性能，但仍限制著聚結技術的發展。無論是從國外進口還是國內購進，其聚結脫水材料均采用玻璃纖維制成。由于材料的批次不同、生產工藝水平不同等，其過濾的性能、質量也有著很大差異，且存儲到一定年限后會產生老化變質，從而導致其性能下降，甚至失效。

2 噴氣燃料的性質對燃油系統的影響

噴氣燃料的質量不僅影響了發動機技術性能的發揮及其經濟技術指標，而且直接影響了發動機的工作可靠性和安全性。特別是燃料中的水分為微生物提供了合適的生存環境[1]，這樣就會導致燃料受到污染，而且在低溫環境下，水析出結成冰晶，堵塞油濾從而導致供油不穩，甚至中斷[2]。

3 金屬纖維聚水原理

水滴的聚結過程主要有3 個步驟。1）液滴接近纖維或接近已附著在纖維上的液滴。2）液滴粘附在纖維上或粘附在已附著在纖維上的液滴。3）增大的液滴從纖維表面釋放[3]。液滴聚結方式包括攔截、沉淀、擴散、慣性碰撞和范德華力等[4]。

水滴粘附效率取決于金屬纖維表面的濕潤性、纖維直徑等。水滴在達到一定的尺寸時，在油液曳力和液滴重力的共同作用下，水滴從聚結材料表面脫落分離，金屬纖維聚水原理如圖1 所示。

范德華力是分子之間的作用力，在油水分離中起著重要作用。范德華力在許多現象中也都起著重要作用，如金屬纖維表面張力、附著力、表面浸潤特性等。從分子的運動角度看，微細顆粒的運動都符合分子運動理論，不同的是細顆粒比分子大得多，因此運動強度小。擴散現象是顆粒布朗運動的宏觀表現，其可用愛因斯坦第一擴散公式來描述：

式中：D 為擴散系數，d 為顆粒粒度，μ 為介質黏度，NA為常數，R 為氣體常數，T 為絕對溫度。由此可見，顆粒粒徑越小，擴散速度越快，擴散能力越強。

圖1 金屬纖維聚水原理

當顆粒在重力作用下作自由沉降運動時，且Rep ＜1 時，沉降速度可用斯托克斯沉降公式來描述：

式中：U1為沉降速度，△ρ 為兩項密度差，a 為重力加速度，Rep 為顆粒雷諾數，d2為顆粒密度，μ 為介質黏度。

一般來說，分散在液體中的顆粒都受2 種力的作用，即重力和擴散力。當顆粒較大時，重力起主要作用，顆粒將發生沉降分離。當顆粒較小時，擴散力起主要作用，顆粒在介質中的分布將趨于均勻。當這2 種作用力相等時，混合體系就達到平衡狀態，能達到沉降平衡的顆粒直徑，沉降極限可用下式進行描述：

式中：dmin為最小直徑，K 為波茨曼常數，T 為絕對溫度，△p為兩項密度差（就是2 種液體的密度差），a 為重力加速度。

4 金屬纖維參數對聚水性能的影響

金屬纖維機械強度大、不易變形，采用燒結的方式使金屬纖維形成固定的形態[5-6]，且改性材料與金屬纖維集體結合良好，抗微生物侵蝕能力強，不易老化，有較好的柔韌性及表面粗糙度。在聚水性能方面，其對金屬纖維表面性質、聚結床厚度、纖維直徑以及表面流速等都有著非常顯著的影響。

4.1 對金屬表面性質的影響

金屬纖維表面未改性之前，既親油又親水，分離效果差。對金屬纖維表面進行改性，減小金屬纖維對水的接觸角，增強其對水的濕潤性。試驗表明，改性后的金屬纖維有較為理想的聚結效果。

4.2 對聚結床厚度的影響

試驗表明，隨著聚結床厚度的增加，聚結程度也相應增大，當聚結床超過一定的厚度，聚結性能就不會增大，只增加過濾的壓力降。

4.3 對纖維直徑的影響

試驗表明，采用小直徑的金屬纖維形成的纖維氈，具有更大的比表面積，當油包水乳化液流過纖維介質時，可粘附更多的水液滴，可以提高聚結性能，但聚結床中的相對孔隙率也變的更小，壓力降也就隨之增大，因此，只有在纖維直徑合理的情況下才能獲得最佳的聚水效果。

4.4 對表面流速的影響

表面流速是影響液滴聚結的重要因素，因為它控制著捕捉機理和液滴捕捉的可能性以及分散相液滴的分布。試驗表明，隨著流速的不斷增大，分離效率總體呈下降的趨勢，但存在著一個大致流速，在一定的范圍內，具有較佳的分離效果，從而確定濾材表面過濾面積。合理的過濾面積可降低濾芯過濾的負荷比，提高濾芯的過濾性能，延長濾芯的使用壽命。

5 成型工藝

以往的玻璃纖維聚結濾芯一般為玻璃纖維氈纏繞在中心管上形成。金屬纖維聚結濾芯的制作則采用將金屬纖維氈及各種濾網按順序依次疊放，再采用折波的方式進行，如圖2 所示，折波是為了增加濾芯的過濾面積，以降低濾芯的過濾負荷。但一味追求牙數增多而求其面積增大，則會程現牙擠牙，牙間隙小，反而增大流通阻力[6]，合適的濾芯牙數可按下式進行計算：

式中：D 為波紋總體外圓直徑，n 為波紋牙數，t 為濾層厚度，r 為波紋牙型折彎半徑，L 為波紋牙間距。

圖2 濾材折波圖

將依次疊放好的濾材按工藝折波后，接口處采用夾條包夾，連同網孔板用固定膠密封于端蓋中，形成筒狀的金屬纖維聚結濾芯，如圖3 所示。當含水的噴氣燃料經過金屬燒結聚結濾芯時，分散的微小水滴吸附在金屬表面，微小水滴在金屬表面聚結，并依次通過金屬纖維破乳燒結氈層、金屬纖維聚水燒結氈層，在油液曳力和液滴重力的共同作用下，實現脫落分離，從而實現高效分離。

圖3 金屬纖維聚結濾芯結構圖

6 在實船上的應用

金屬纖維聚結濾芯已成功應用于各類型號的艦船上，其可有效去除噴氣燃料中的水分，為充分發揮動力裝置技術性能提供了強有力的保障。金屬纖維聚水技術促使艦船重大裝備國產化取得進展，為國家節約大量的外匯，大幅提升了艦船海上作戰能力。

7 結論

金屬纖維聚結技術比玻璃纖維聚結技術有著更高的凈化效率，金屬纖維抗微生物侵蝕能力強、不易老化、使用壽命長，其柔韌性及表面粗糙度均比玻璃纖維好。金屬纖維采用燒結方式，使纖維粘結可靠，形成穩定的無數不規則空隙通道和一定厚度的纖維氈，具有高過濾精度、高納污容量、較低的壓力降和耐高壓等特點，具有極強的推廣價值和廣闊的市場前景。