CC BY
54
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 1200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Экспериментальное исследование гетерогенных энергетических систем на базе лиофобных жидкостей и пористых тел # 05, май 2014
DOI: 10.7463/0514.0711242
Борман В. Д.1, Тронин В. Н.1, Белогорлов А. А.1, Грехов А. М.1, Конюков В. В.2, Крайнюков В. И.2, Реш Г. Ф.2, Иванов М. Ю.2
УДК 532.6+544.72
1Россия,ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
2
ОАО «ВПК «НПО машиностроения» VDBorman'Smephi.ru VNTroiiin g m ephi .ru A AB el o g orl ov 'q m ephi .ru AMGrekhov^mephi.ni \T>kff npomashru
Введение.
Проблема транспорта несмачивающей (лиофобной) жидкости в пористых телах вызывает в последнее время повышенный интерес у разработчиков технических приложений нанотехнологий. Одним из перспективных направлений является разработка устройств поглощения и аккумулирования механической энергии. В целях подтверждения возможности технической реализации подобных устройств кооперацией, включающей Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» и ОАО «Военно-промышленная корпорация «Научно-производственное объединение машиностроения», были предприняты экспериментальные исследования по изучению процессов заполнения и истечения в гетерогенных системах (ГС), состоящих из пористого тела и лиофобной жидкости, при статическом и динамическом нагружении. В результате исследований были обнаружены новые эффекты, не имевшие ранее теоретического обоснования: гистерезис функции изменения объема жидкости, транспортируемой в пористое тело под воздействием перепада давления, и не вытекание жидкости из пор после снижения перепада давления. Типовые зависимости изменения объема жидкости от перепада давления на ГС с описанием характерных участков физических процессов представлены на рис. 1. Разработаны теоретические положения, объясняющие полученные экспериментальные результаты и позволяющие связать энергетические, силовые и динамические характеристики ГС с
требуемыми параметрами проектируемых устройств, а также обосновать выбор пар в ГС [1-4]. В настоящей статье приводятся и обсуждаются некоторые результаты этих работ и, в частности, результаты взаимодействия силохромов (пористых тел с диаметрами пор от 20 до 360 нм) и несмачивающей жидкости - сплава Вуда (50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова, 12,5% кадмия).
Теория транспорта лиофобных жидкостей в пористых телах.
Коротко рассмотрим условия входа и выхода несмачивающих жидкостей из пористых тел. Будем считать, что в результате тепловых флуктуаций при давлении р возникают макроскопически малые области в виде кластеров из N заполненных жидкостью пор. Каждый кластер начинается на границе пористого тела и жидкости и растёт путём последовательного заполнения флуктуационным образом сообщающихся пор. Можно полагать, что в начале роста каждый кластер представляет собой разветвлённые цепочки заполненных пор. Рассмотрим условия начала роста флуктуаций заполнения. Взаимодействием между кластерами будем пренебрегать. Внешнее давление при заполнении пористого тела жидкостью совершает работу. При этом образуются энергетически невыгодные поверхности менисков жидкости в порах и границы раздела пористое тело - жидкость. Изменяется также упругое состояние пористого тела. Если работа образования флуктуации заполнения равна 5А (N, р), то вероятность возникновения флуктуации № определяется как
Жи ехр(5£) , где 58—флуктуация энтропии, для которой 58 = —5А/Т, Т- абсолютная температура. Поэтому, в случае увеличения 5А (5А > 0) при возрастании числа пор N в кластере вероятность флуктуации уменьшается. Это соответствует термодинамической стабильности исходного состояния системы (участок 0-1 на рис. 1). В противоположном случае (5А < 0) рост флуктуации энергетически выгоден, система становится неустойчивой, и жидкость начинает заполнять пористое тело (участок 1-2).
Работа образования флуктуации заполнения N пор вычисляется по формуле:
5А( N, р) = 5Аехр + 5АЛ + 5Ая2 + 5Ае1, где 5Аехр — работа, совершаемая при расширении жидкости в пористое тело,
5Аехр = —4ля3 р^ 3, Я - радиус пор, р - давление жидкости, 5АЛ — работа образования
поверхности раздела пористое тело - жидкость, 5А,1 = АжВ2 (1 — г]) N5^, г — коэффициент связанности пор, равный отношению поверхности образовавшихся менисков к полной поверхности пор, 5а = — а, а — поверхностная энергия границы раздела пористое тело
- жидкость, а^ — поверхностная энергия границы раздела пористое тело - газ, 5А,2 — работа образования менисков, 5Аг = 4лR2гNа , С — поверхностная энергия жидкости, 5Ае1 — работа по изменению упругой энергии деформации ГС, 5Ае1 »—47гR3p2N (%—)/3 , % - сжимаемость ГС, ^ ~ сжимаемость каркаса ГС, для которых х
Перепад давления, атм
I - увеличение давления, II - уменьшение давления, III - повторное увеличение давления, участок 0-1 -упругая деформация пористого тела, участок 1-2 - заполнение пор жидкостью, участок 2-0' - выход
жидкости из пор
Рис. 1. Зависимость изменения объема ГС от перепада давления
Более подробное изложение теории транспорта лиофобных жидкостей в пористых телах, описывающей все особенности входа в поры и выхода из пор несмачивающих жидкостей, приведено в [1-4].
Экспериментальный стенд.
Для исследования статических и динамических процессов заполнения пор был создан экспериментальный стенд. На стенде, представленном на рис. 2, пористое тело фиксированной массы (от 1 до 4 г) помещалось в герметичную камеру высокого давления объе-
3 „
мом 65 см , оставшийся объем камеры заполнялся жидкостью. В камеру вставлялся шток (длиной 17 см и площадью поперечного сечения 0,8 см ) с уплотнениями. Шток воспринимал воздействие внешней силы и перемещался внутри камеры. Система регистрации данных включала в себя датчик перемещения, тензометрические датчики и блок приема данных. Изменение объема ГС пористое тело - жидкость определялось с помощью датчика перемещения, фиксирующего длину штока, вошедшего в камеру. Погрешности измерения давления в камере и объема ГС не превышали 10%. Скорость изменения давления -не более 1 атм/с, что позволило считать процесс заполнения пор квазистатическим.
1 - верхняя платформа, 2 - нижняя платформа, 3 - направляющие, 4 - блок статического и ударного нагружения, 5 - датчик давления, 6 - камера,7 - пористое тело, 8 - лиофобная жидкость, 9 - крышка, 10 -уплотнение, 11 - шток, 12 - датчик перемещения, 13 - средство фиксации, 14 - блок приема данных, 15 - блок
обработки данных, 16,17 - тензометрические датчики
Рис. 2. Схема стенда для изучения заполнения лиофобной жидкостью пористого тела
Устройство аккумулирования энергии.
Исследование заполнения пористых тел лиофобными жидкостями показало, что зависимости изменения объема жидкости от перепада давления на ГС при увеличении давления и при уменьшении давления в системе отличаются. Это явление получило название гистерезиса заполнения-вытекания. Одним из возможных приложений эффекта гистерезиса может быть устройство аккумулирования энергии. На рис. 3 показано, что площадь А, ограниченная кривой II и горизонтальной прямой а, характеризующей полное заполнение пор, есть работа, которую может совершить жидкость при выходе из пор пористой среды при снятии силы, создающей в системе избыточное давление. Если же условия в системе таковы, что жидкость не может вытекать из пор, то энергия вытекания жидкости может быть аккумулирована.
Аккумулированная энергия вытекания жидкости зависит от параметров пористого тела и лиофобной жидкости, варьируя которые можно увеличить аккумулированную энергию вытекания. Выбор пары пористое тело - несмачивающая жидкость, которая может быть использована для устройств аккумулирования энергии, осуществляется по максимальной удельной аккумулированной энергии и характерному давлению вытекания жидкости из пор.
I - увеличение давления, II - уменьшение давления
Рис. 3. Зависимость изменения объема от перепада давлениядля ГС силохром С-120, модифицированный
ГМДС, - сплав Вуда
Эксперименты по исследованию зависимости аккумулированной энергии, отнесенной к массе пористой среды (удельная аккумулированная энергия), от параметров пористого тела были проведены на силохромах СХ-1, СХ-1.5, СХ-2, СХ-3, С-80, С-120 и С-120, модифицированном гексаметилдисилазаном (ГМДС), со сплавом Вуда, температура плавления которого составляет ~ 342 К. В таблице приведены характеристики пористых тел: диаметр пор, удельный объем пор, удельная площадь поверхности пор, удельная энергия заполнения пор, удельная энергия вытекания жидкости из пор, эффективность ГС (отношение удельной энергии вытекания жидкости из пор к удельной энергии заполнения пор) и давление начала вытекания жидкости из пор. Значения удельных энергий заполнения и вытекания, давления начала вытекания получены при квазистатическом увеличении и уменьшении давления в ГС.
Как видно из таблицы, ГС силохром С-120, модифицированный ГМДС, - сплав Вуда обладает наибольшей из всех исследованных систем удельной энергией вытекания жидкости, наибольшими значениями эффективности ГС и характерным давлением вытекания. Дополнительные эксперименты по заполнению силохромов С-80, С-120 и С-120, модифицированного ГМДС, сплавом Вуда показали, что охлаждение ГС до температуры ниже температуры плавления сплава Вуда и последующее нагревание системы не изменяет удельную энергию вытекания. Исходя из полученных данных следует, что для системы аккумулирования энергии наиболее подходит пара силохром С-120, модифицированный ГМДС, - сплав Вуда.
Демпфирующее устройство.
Для исследования динамических характеристик ГС был разработан макет демпфирующего устройства (рис. 4). Возможности стенда, изображенного на рис. 2, и макета позволили исследовать динамические процессы с характерным временем до 100 мс.
Тип силохрома Удельный объем пор, см3/г Удельная площадь поверхности пор, 2/ м /г Диаметр пор, нм Удельная энергия заполнения пор жидкостью, Дж/г Удельная энергия вытекания жидкости из пор, Дж/г Эффективность ГС Давление начала вытекания жидкости из пор, атм
СХ-1 1,0-1,5 13-26 180-360 17 1,1 0,06 15
СХ-1.5 1,35-1,85 27-43 130-260 21 0,3 0,02 20
СХ-2 1,4-1,9 45-59 100-160 26 0,5 0,02 10
СХ-3 1,5-2,1 90-115 52-84 47 1,7 0,04 30
С-80 1,22-1,44 ~ 80 40-50 46 5,2 0,11 100
С-120 1,22-1,44 ~ 120 20-30 52 13,0 0,25 150
С-120 (ГМДС) 1,2-1,4 ~ 120 20-30 71 28,0 0,39 200
2 1 5
1 - корпус, 2 - цилиндр, 3 - фиксирующее кольцо, 4 - пробка,5 - пористое тело, 6 - сетка, 7 - крышка, 8 -шток, 9 - резиновое кольцо, 10 - нагревательный элемент
Рис. 4. Макет демпфирующего устройства
В качестве ГС в проведённых динамических испытаниях использовались несколько типов силохромов и жидкий сплав Вуда. На рис. 5 представлены результаты исследований ГС силохром СХ-120, модифицированный ГМДС, - сплав Вуда. Как видно из графиков, использование такой ГС позволяет снизить величину ударного воздействия на исследуемый объект в 4 раза. На рис. 6 представлены сравнительные характеристики пружинного,
гидравлического и гетерогенного демпферов при одной и той же ударной нагрузке. Наилучшими характеристиками обладает демпфирующее устройство на основе силохрома СХ-2.
Рис. 5. Зависимость изменения показаний тензометрических датчиков, установленных на штоке 11 и нижней платформе 2 стенда (рис. 2) при ударном нагружении макета с ГС пористое тело - сплав Вуда
Рис. 6. Зависимость силы от времени по показаниям тензометрического датчика 17 (рис. 2) при ударной
нагрузке для различных демпфирующих устройств
Выводы.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали возможность создания аккумуляторов механической энергии и демпфирующих устройств на основе использования пористых тел и лиофобных жидкостей [5, 6]. Выявлены взаимосвязи энергетических, силовых и временных характеристик ГС с требуемыми параметрами проектируемых устройств, что является обоснованием способа подбора рабочих пар пористое тело - лиофобная жидкость. Для устройств с заданными характеристиками разработаны прикладные программы, позволяющие проводить расчеты с целью выбора ГС.
Список литературы
1. Борман В.Д., Белогорлов А.А., Грехов А.М., Лисичкин Г.В., Тронин В.Н., Троян В.И. Перколяционный переход при заполнении нанопористого тела несмачивающей жидкостью // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. 2005. Т. 127, вып. 2. С. 431-444.
2. Борман В.Д., Белогорлов А.А., Грехов А.М., Лисичкин Г.В., Тронин В.Н., Троян В.И. О механизме аккумулирования механической энергии системой несмачивающая жидкость - нанопористое тело // Письма в Журнал Технической Физики. 2004. Т. 30, вып. 23. С. 1-7.
3. Borman V.D., Tronin V.N. Dynamics of Infiltration of a Nanoporous Media with a Nonwetting Liquid. Nova Science Publishers, Inc., 2013. (Ser. Nanotechnology Science and Technology).
4. Tronin V.N., Borman V.D. Energetics and Percolation Properties of Hydrophobic Nanoporous Media. Nova Science Publishers, Inc., 2010. (Ser. Nanotechnology Science and Technology).
5. Белогорлов А.А., Грехов А.М., Грибанов Е.В., Конюков В.В., Лисичкин Г.В., Тро-нин В.Н., Троян В.И. Способ поглощения энергии ударного воздействия с использованием гетерогенной системы: пат. 2309307 РФ. 2006.
6. Borman V.D., Belogorlov A.A., Konyukov V.V., Lisichkin G.V., Tronin V.N., Troyan V.I., Resh G.F., Ivanov M.Y. Power sources for micro flight vehicles on the basis of nano technologies // Collection of Theses of the 1st IAA RACTs Conference Space for Humanity. Korolev, Moscow Region, 2008. P. 191.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Experimental Investigation of Heterogeneous Power Systems on the Basis of Lyophobic Liquids and Porous Media # 05, May 2014
DOI: 10.7463/0514.0711242
V.D. Borman1, V.N. Tronin1, A.A. Belogorlov1, A.M.Grekhov1, V.V.Konyukov2, V.I. Krainyukov2, G.F. Resh2, Ivanov M.Yu2.
1National Research Nuclear University MEPhI, Moscow,115409, Russian Federation "MIC "NPO Mashinostroyenia", Reutov-town, Moscow region, 143966, Russian Federation
VDBorman'SmepkLru VNTronin Smephi ru A AB elogorlov a m ephi .m AMGrekhov '5meplii.ru vpkffinpomash-ru
The use of non-traditional ways for energy accumulation (absorption) is a reserve to increase efficiency of accumulating and damping devices. The work is aimed at experimental and theoretical verification of possibility to create the accumulating and energy damping devices based on the heterogeneous systems (HS). The HS includes a couple i.e. a porous body (silochromes) with pore diameter from 20 nm to 360 nm) and a lyophobic (non-wetting) liquid (Wood's alloy). The paper briefly presents provisions of the theory of processes in HS based on the kinetics of percolation transition that allows us to calculate power, power and temporary characteristics of devices and prove the methods for choosing the couples for HS with the specified characteristics. It explains effect of hysteresis function of changing liquid volume that fills a porous body and outflows from it under the differential pressure, as well as conditions to realize effect of non-outflowing liquid after removal of the differential pressure thanks to which energy accumulation in HS is possible. The stand diagram, device parameters to study static and dynamic processes in HS, and measurement system characteristics are provided. Research results of static processes to fill (outflow) pores of various silochromes with Wood's alloy are presented. It is shown that among considered HS the most efficient one is the HS possessing S-120 silochrome, hexamethyldisilazane-modified. The certain filling pores specific energy of HS made 71 J/g, while the outflow specific energy was 28 J/g. The paper presents a scheme of device model damping a force impact on the support. Test results of spring and hydraulic dampers and the model, as well, with HS based on silochromes with various lyophobic liquids are given.
High HS efficiency that allows the 4 times less impact value is shown. Further researches concern a development of engineering techniques to design and optimize the HS parameters and a choice of the most effective couples in HS. Results of work can find application in space engineering to create damping and synchronization systems of design components movement, in fuel-feed systems of MEMS engines, and in solving the problems of power systems miniaturization when creating nano- and pico-satellites.
Publications with keywords: porous body, lyophobic liquid, heterogeneous damping systems, percolation transition
Publications with words: porous body, lyophobic liquid, heterogeneous damping systems, percolation transition
References
1. Borman V.D., Belogorlov A.A., Grekhov A.M., Lisichkin G.V., Tronin V.N., Troyan V.I. [The percolation transition in filling a nanoporous body by a nonwetting liquid]. Zhurnal Eksperimental'noy i Teoreticheskoy Fiziki, 2005, vol. 127, no. 2, pp. 431-444. (English translation: Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2005, vol. 100, iss. 2, pp. 385-397. DOI: 10.1134/1.1884677 ).
2. Borman V.D., Belogorlov A.A., Grekhov A.M., Lisichkin G.V., Tronin V.N., Troyan V.I. [The mechanism of mechanical energy accumulation in a nonwetting liquid-nanoporous solid system]. Pis'ma v Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki, 2004, vol. 30, no. 23, pp. 1-7. (English translation: Technical Physics Letters, 2004, vol. 30, iss. 12, pp. 973-975. DOI: 10.1134/1.1846831 ).
3. Borman V.D., Tronin V.N. Dynamics of Infiltration of a Nanoporous Media with a Nonwetting Liquid. Nova Science Publishers, Inc., 2013. (Ser. Nanotechnology Science and Technology).
4. Tronin V.N., Borman V.D. Energetics and Percolation Properties of Hydrophobic Nanoporous Media. Nova Science Publishers, Inc., 2010. (Ser. Nanotechnology Science and Technology).
5. Belogorlov A.A., Grekhov A.M., Gribanov E.V., Konyukov V.V., Lisichkin G.V., Tronin V.N., Troyan V.I. Sposob pogloshcheniya energii udarnogo vozdeystviya s ispol'zovaniem geterogennoy sistemy [Method for absorbing of impact energy using heterogeneous system]. Patent RF, no. 2309307, 2006. (in Russian).
6. Borman V.D., Belogorlov A.A., Konyukov V.V., Lisichkin G.V., Tronin V.N., Troyan V.I., Resh G.F., Ivanov M.Y. Power sources for micro flight vehicles on the basis of nano technologies. Collection of Theses of the 1st IAA RACTs Conference Space for Humanity. Korolev, Moscow Region, 2008, p. 191.
