РАСЧЕТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПОТОКУ ФИЛЬТРУЕМОГО ВОЗДУХА
METHOD OF ESTIMATING RESISTANCE OF POROUS CERMET FILTRATION MATERIALS TO FILTERED AIR FLOW

Область техники, к которой относится изобретение
Способ относится к области исследования материалов и изделий, а именно к созданию расчетно-экспериментальных способов определения эксплуатационных свойств средств очистки воздуха фильтрующего типа. В способе проводится оценка приращения импульса движения частицы аэрозоля по криволинейной траектории порового канала металлокерамического фильтрующего материала, изготовленного с помощью методов порошковой металлургии. Изобретение может быть использовано в качестве способа определения сопротивления пористых фильтрующих материалов постоянному потоку воздуха, подаваемого на очистку.
Уровень техники
Важным параметром, отражающим эксплуатационные характеристики пористого фильтрующего материала, является сопротивление постоянному потоку фильтруемого воздуха ΔР.
Современные теоретические положения о фильтрации аэрозолей разработаны, главным образом, для волокнистых фильтрующих материалов и не могут быть в целом использованы по отношению к пористым фильтрующим материалам в силу существенных отличий в современных представлениях о движении аэрозольных частиц между волокнами фильтрующего материала и в поровых каналах металлокерамической фильтрующей среды.
Определение эксплуатационных характеристик металлокерамического фильтрующего материала в настоящее время, как правило, осуществляется на этапе формирования пористой фильтрующей среды при помощи трудоемких экспериментальных методов. Это указывает на целесообразность применения для этих целей менее затратных расчетных методов с использованием современных теоретических представлений о фильтрации аэрозолей пористой фильтрующей средой, позволяющих определять их характеристики с достаточной достоверностью.
Описание изобретения
Изобретение относится к области исследования материалов и изделий с помощью технических средств, а именно к созданию расчетно-экспериментальных способов определения эксплуатационных свойств средств очистки воздуха для объектов коллективной защиты человека по стандартному сопротивлению металлокерамического фильтрующего материала потоку воздуха, содержащего опасные примеси, с размерами аэрозольных частиц менее 1 мкм.
Задачей настоящего изобретения является значительное снижение материальных затрат и осуществление прогнозной оценки эксплуатационных свойств средств очистки воздуха на этапе разработки и создания металлокерамического фильтрующего материала, отвечающего современным требованиям к очистке воздуха от аэрозолей, содержащих опасные примеси.
Поставленная задача достигается тем, что производится оценка эксплуатационных свойств металлокерамического фильтрующего материала для заданных условий фильтрации, которые прогнозируются для различных значений скоростей движения воздуха, размеров частиц аэрозоля, в зависимости от радиуса пор, коэффициента пористости, извилистости пор фильтрующего материала и толщины фильтрующего слоя пористой фильтрующей среды.
кр
Сопротивление постоянному потоку фильтруемого воздуха ΔР определяется переносом импульса потока воздуха на стенки пор металлокерамического фильтрующего материала. При этом фильтруемый воздух теряет импульс не только за счет вязкости, но и за счет движения по криволинейной траектории радиусом R (в порах между спекшихся зерен):
где ΔР - сопротивление металлокерамического фильтрующего материала постоянному потоку фильтруемого воздуха, Па;
τ
ΔP - перепад давления воздуха на металлокерамическом фильтрующем материале за счет переноса вязкого импульса, Па;
кр
ΔР - перепад давления воздуха на металлокерамическом фильтрующем материале, обусловленный криволинейностью движения частиц аэрозоля, Па.
τ
Для расчета величины перепада давления воздуха на металлокерамическом фильтрующем материале за счет переноса вязкого импульса ΔР применили выражение для переноса вязкого импульса очищаемого воздуха τ на стенки пор с радиусом α и в результате проведения ряда математических преобразований получили формулу:
где τ - поток вязкого импульса на единицу площади стенки порового канала в единицу времени;
2
S - средняя площадь внутренней поверхности пор, м;
⊥
2
S - средняя площадь поперечного сечения пор, м.
кр
⊥
При постоянной скорости воздуха в порах металлокерамического фильтруемого материала изменение импульса за счет кривизны пор полностью компенсируется соответствующим перепадом давлений ΔР в поперечном сечении пор S и вычисляется из формулы:
ср
где ν - средняя скорость движения аэрозольной частицы, м/с;
кр
З
З
R - радиус кривизны траектории движения частицы аэрозоля, вычисляемый как R+a (R - радиус зерна порошка, а - радиус канала поры), м;
г
3
ρ - плотность фильтруемого воздуха, кг/м;
L - толщина фильтрующего слоя, м;
0
2
S - площадь фильтрующей поверхности образца металлокерамического фильтрующего материала, м;
П - пористость, безразмерная величина, определяемая как отношение объема пор ко всему объему образца фильтрующего материала.
Тогда выражение для определения сопротивления металлокерамических фильтрующих материалов постоянному потоку воздуха принимает вид:
где β - коэффициент извилистости пор металлокерамического фильтрующего материала, безразмерная величина, которая определяется как отношение длины поры фильтрующего материала к толщине рассматриваемого образца металлокерамического фильтрующего материала;
0
2
ν - скорость потока фильтруемого воздуха, м/с;
а - средний радиус порового канала металлокерамического фильтрующего материала, м;
m
η - модифицированная криволинейностью движения аэрозольных частиц динамическая вязкость, которая вычисляется по формуле:
где η - коэффициент вязкости, Па·с;
R
з
R
b - коэффициент пропорциональности, безразмерная величина, который вычисляется как отношение радиуса зерна порошка к радиусу канала поры R/а=b.
Таким образом, формула (4) позволяет проводить расчеты величины сопротивлений металлокерамического фильтрующего материала постоянному потоку воздуха ΔР по заданным его структурным характеристикам (средний радиус поры, пористость, коэффициент извилистости пор и толщина фильтрующего слоя), а также решать обратную задачу по расчету радиуса канала пор пористой фильтрующей среды в зависимости от заданных (требуемых) значений сопротивления постоянному потоку воздуха металлокерамического фильтрующего материала.
Для проверки достоверности разработанной математической модели на основе теоретических зависимостей, были использованы методы математической статистики и определено относительное отклонение расчетных данных от экспериментальных. Расчет относительного отклонения вычислений производился в соответствии с правилами определения относительной погрешности по формуле:
где ε - относительная погрешность вычислений, %;
δ* - вычисленное значение величины;
δ - фактическое значение величины.
В таблице 1 приведен сравнительный анализ экспериментально полученных значений сопротивления образцов металлокерамических фильтрующих материалов, полученных на производстве и вычисленных с помощью расчетного способа, а также определена относительная погрешность вычислений.
Таблица 1
Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных значений эксплуатационных характеристик некоторых образцов металлокерамических фильтрующих материалов
Материал
Стандартное сопротивление ΔР, Па
Относительное отклонение, %
экспериментальное значение
расчетное значение
Лист никелевый пористый еК0.021.724 ТУ (Т<sub>спек</sub>=500°С)
2548±1
2437
4,6
Лист никелевый пористый еК0.021.724 ТУ (Т<sub>спек</sub>=700°C)
1180±1
1139
4,0
Продолжение таблицы
Материал
Стандартное сопротивление ΔР, Па
Относительное отклонение, %
экспериментальное значение
расчетное значение
Селективный слой из порошка марки АЭ-1 еК0.021.709 ТУ (Т<sub>спек</sub>=500°С)
606±1
612
1,1
Селективный слой из порошка марки АЭ-1 еК0.021.709 ТУ (Т<sub>спек</sub>=700°С)
240±1
224
7,1
Примечание: значение ΔР представлено для скорости воздушного потока 0,05 м/с и радиуса аэрозольных частиц 0,15 мкм.
Результаты вычислений, представленные в таблице 1, свидетельствуют о том, что разработанный расчетный способ определения сопротивления пористых металлокерамических фильтрующих материалов потоку фильтруемого воздуха с относительным отклонением не более 10% (в соответствии с рекомендациями для математических вычислений) дает возможность на этапах проектирования и задания тактико-технических требований рассчитывать характеристики металлокерамических фильтрующих материалов, которые позволят обеспечить заданные защитные и эксплуатационные свойства противоаэрозольных фильтров для очистки воздуха от аэрозолей вредных примесей.