Федеральное учебно-методическое объединение в системе высшего образования «Техносферная безопасность и природообустройство» ( председатель)
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
В статье представлена презентация новой модели пористой структуры, а так же дан анализ возможностей нового метода экспериментального исследования пористых проницаемых материалов и определения их структурных характеристик. Приведен анализ большинства используемых в аналитических расчетах геометрических моделей пористой среды и предложена модель пористого материала в виде элементарных ячеек пористой матрицы. Каждая из ячеек содержит капиллярный канал переменного сечения. Объемные структурные характеристики, а также зависимости поверхностных структурных характеристик по толщине пористой матрицы идентичны этим параметрам, которые получены при экспериментальном исследовании пористого материала. В результате применения оригинальной экспериментальной технологии, предложенной авторами, и обработки эксперимента структура пористой матрицы может быть полностью определена. В работе сформулирована задача создания экспериментальной установки позволяющей определять характеристики пористой матрицы. Рассмотрен один из возможных вариантов экспериментального стенда.
геометрическая модель, капиллярное давление, капиллярное заборное устройство, капиллярное сканирование, пористая матрица, пористый металл, разделение жидкости и газа, фильтрация.
1. Обзор применения проницаемых материалов
Исследование свойств, производство и применение пористых материалов в различных сферах человеческой деятельности является актуальным и неуклонно расширяется [1]. Пористые металлические материалы используются в технике для создания прочных и легких деталей в транспортном машиностроении [2]. Инновации в защите здоровья человека и охране окружающей среды являются одной из реальных возможностей внедрения пористых материалов [3]. Фильтрование продуктов горения угля и мазута позволяет снизить вероятность возникновения смога. Подготовка питьевой воды, жидких продуктов питания, а также технических жидкостей требует их фильтрования. Очистка жидких стоков включает в себя сепарацию твердых частиц. Для производства фильтров используются проницаемые материалы, в том числе и пористые металлы. Они наиболее востребованы при изготовлении фильтрующих элементов, которые входят в комплектацию фильтров [4]. Такие детали должны обеспечивать заданную эффективность очистки, что определяется тонкостью фильтрации, определяемой диаметром пор. Их величина измеряется экспериментально и, во многих случаях, зависит от эквивалентного капиллярного диаметра пор, определение которого менее трудоемко. При этом фильтровальные материалы должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением и необходимой прочностью. Тканые металлические сетки, в частности, плотные сетки с нулевыми ячейками, у которых скважность равна нулю, т.е. утки контактируют друг с другом, не образуя просветов, можно также отнести к пористым металлам. Они широко используются в конструкциях фильтров [5]. Основная номенклатура сеток предназначена именно для очистки жидкостей. Пористые сетчатые материалы, изготовленные из таких сеток со степенями деформации до 40%, имеют удовлетворительные расходные и прочностные характеристики и лучшую тонкость фильтрации [6]. Такие качества определяют перспективность их применения для очистки текучих сред. Предельно жесткие требования по надежности работы предъявляются к фильтрам авиационных и ракетных агрегатов и двигателей. Проницаемые листы, изготовленные из тканых металлических сеток, нашли широкое применение в таких изделиях [7]. Кроме того, проницаемые пористые металлы широко используются в машиностроении [8] и в других отраслях производства. Основное применение деталей и узлов, состоящих из пористых металлов, имеет место в следующих областях. Проникающий (транспирационный) и межканальный способы охлаждения [9] базируются на транспирационных свойствах пористых металлов, которые используются для изготовления основных деталей [10].
1. Порошковая металлургия в Беларуси: вызовы времени = Powder Metallurgy in Belarus: challenges of time: сборник научных статей / Национальная академия наук Беларуси, Государственное научно-производственное объединение порошковой металлургии; гл. ред. А. Ф. Ильющенко. — Минск: Беларуская навука, 2017. — 531, [1] с.
2. Крушенко Г. Г. Получение и применение пористых металлических материалов в технике / Г. Г. Крушенко // Вестник СибГАУ имени академика М. Ф. Решетникова. — 2012. — Вып. 3 (43). — С. 124–127.
3. Тумилович М. В. Пористые порошковые материалы для защиты здоровья человека и охраны окружающей среды: получение, свойства, применение / М. В. Тумилович [и др.] — Минск: Беларусская Навука, 2010. — 365 с.
4. Новиков Ю. М. Инженерная школа MГТУ им. Н. Э. Баумана: комбинированные пористые сетчатые материалы. Эффективные, безопасные и экологичные изделия на их основе / Ю. М. Новиков, В. А. Большаков // Безопасность жизнедеятельности. — 2015. — № 11. — С. 53–56.
5. Девисилов В. А. Mеталлические проволочные сетки для фильтрования жидкостей и газов. Ч. 1. Структурные характеристики и их расчет / В. А. Девисилов, В. С. Спиридонов // Безопасность в техносфере. — 2009. — № 3. — С. 46–55.
6. Синельников Ю. И. Пористые сетчатые материалы / Ю. И. Синельников, А. Ф. Третьяков, Н. И. Матурин, А. Г. Колесников, А. Д. Панов. — М.: Металлургия, 1983. — 62 с.
7. Спиридонов В. С. Фильтровальные перегородки из спеченных металлических сеток для встроенных фильтров авиационных гидросистем / В. С. Спиридонов, Ю. М. Новиков, В. А. Большаков // Безопасность в техносфере. — 2015. — № 4. — С. 39–45.
8. Белов С. В. Пористые металлы в машиностроении / С. В. Белов. — М.: Машиностроение, 1981. — 247 с.
9. Синцов А. Л. Эффективность теплообмена в пористых элементах конструкций жидкостных ракетных двигателей / Ф. В. Пелевин, Н. И. Аврамов, С. А. Орлин, А. Л. Синцов // Инженерный журнал: наука и инновации. — 2013. — Вып. 4. — URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/698.html
10. Пелевин Ф. В. Гидравлическое сопротивление пористых металлов / Ф. В. Пелевин // Известия ВУЗов. Машиностроение. — 2016. — № 2. — С. 42–46.
11. Зубков Н. Н. Гидравлические характеристики пористых металлов для систем проникающего охлаждения / Н. Н. Зубков, А. Ф. Петляков, Ю. Л. Шехтер// Теплофизика высоких температур. — 2010. — Т. 48. — № 2 — С. 250–256.
12. Синцов А. Л. О математических моделях процессов пористого охлаждения / А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов // Инженерно-физический журнал. — 1987. — Т. 53. — № 2. — С. 243–249.
13. Синцов А. Л. Капиллярные системы отбора жидкости из баков Космических летательных аппаратов / В. В. Багров, А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов, В Ф. Сухоставец. — М: УПНЦ «Энергомаш», 1997. — 328 с.
14. Новиков Ю. М. Стабильность параметров созданных из комбинированных пористых сетчатых материалов длинномерных капиллярных устройств для забора компонентов топлива / Ю. М. Новиков, В. А. Большаков, И. С. Партола// Известия ВУЗов. Машиностроение. — 2015. — № 1. — С. 124–127.
15. Третьяков А. Ф. Исследование механических и технологических свойств листовых пористых сетчатых материалов из стали 12Х18Н10Т./ А. Ф. Третьяков // Инженерный журнал: наука и инновации. — 2016. — Вып. 6. — URL: http://engjournal.ru/articles/1498/1498.pdf (дата обращения 15 июня 2017).
16. Спиридонов В. С. Влияние способа переплетения на гидравлические характеристики проволочных тканых сеток. / В. С. Спиридонов // Безопасность в техносфере. — 2017. — № 3. — C, 18–23. DOI: 10.12737/5303.
17. Третьяков А. Ф. Исследование влияния конструктивных и технологических параметров на удельную прочность пористых сетчатых материалов / А. Ф. Третьяков // Известия ВУЗов. Машиностроение. — 2017. — № 12. — С. 30–34.
18. Москалев П. В. Математическое моделирование пористых структур / П. В. Москалев, Шитов В. В. — М.: Физматлит, 2007. — 120 с.
19. Синцов А. Л. Тензорный закон Дарси для тканых сеток плотного типа / А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов // Известия академии наук СССР. Механика жидкости и газа. — 1985. — № 4. — С. 77–85.
20. Синцов А. Л. Расчет тонкости фильтрации и других характеристик тканых сеток / А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов // Порошковая металлургия. — 1983. — № 10. — С. 68–72.
21. Синцов А. Л. Коэффициент теплообмена в пакете сеток. Геометрическая модель сетки. Пористость, удельная поверхность / А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1983. № 11 С. 45–49.
22. Синцов А. Л. Диаметр пор пористого металла из тканых сеток / А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов // Инженерно-физический журнал. — 1984. — Т. XLVII. — № 5. — С. 825–831.
23. Armour J. C. Fluid Flow Through Woven Screens / J. C. Armour, J. N. Cannon // AIChE journal. 1968. V 11, № 3, р. 413–420.
24. Синцов А. Л. Ткань для фильтра / А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов // Авторское свидетельство СССР № 1346198. — 1987.
25. Синцов А. Л. Расчет охлаждения пористой металлической стенки, изготовленной спеканием частиц сферической формы / А. В. Курпатенков, В. М. Поляев, А. Л. Синцов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 1985. — № 1. — С. 51–55.
26. Синцов А. Л. Способ определения структурных характеристик проницаемых материалов и устройство для его осуществления. / В. А. Девисилов, А. Л. Синцов // Патент РФ № 2386900. — 1994.