CC BY
39
В то же время процесс заращивания тонкодисперсных добавок сопряжён с дополни-тельными энергетическими затратами. Так, например, при переходе к осаждению компо-зиционных электрохимических покрытий (КЭП) в подавляющем большинстве случаев наблюдается снижение выхода по току на 2-3% по сравнению с процессом осаждения индивидуального матричного металла (или сплава).
При изучении процесса осаждения композиционного хромового покрытия из электролита с добавкой ионов цинка при введении в него наночастиц углерода нами установлено увеличение износостойкости покрытия при одновременном закономерном снижении выхода по току.
Таким образом, проведённые исследования позволяют сделать вывод, что экологичность электролитов хромирования, снижение энергозатрат и удельного расхода сырья могут быть достигнуты при разработке и внедрении электролитов с лучшими технологическими характеристиками, позволяющими получать покрытия с более высокими физико-механическими и эксплуатационными показателями. Для этой цели рекомендован способ хромирования с добавками ионов металлов, вводимых в состав электролита, что обеспечивает высокую износостойкость покрытия и позволяет снизить его толщину без уменьшения срока службы изделия и тем самым уменьшить Муд и Мпотерь.
Библиографический список
1. Исследование коррозионных систем: метод. указания к лабораторному практикуму / сост.: Б.Н. Михайлов, О.В. Немыкина, М.Е. Склянова. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. 64 с.
2. Михайлов Б.Н. Гальванотехника. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 284 с.
3. Михайлов Б.Н. Оборудование электрохимических производств и основы проектирования. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. 152 с.
4. Михайлов Б.Н. Эколого-технологические проблемы технической электрохимии. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 268 с.
5. Михайлов Б.Н., Баранов А.Н. Защита металлов от коррозии. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 152 с.
6. Михайлов Б.Н., Михайлов Р.В. Исследование процесса хромирования // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. №12 (59). С.203-206.
7. Повышение срока службы алюминиевого электролизера путем нанесения на блюмс углеродсодержащих композиционных покрытий / А.Н. Баранов, И.Г. Гамаюнов, Э.Н. Дадо-нов [и др.] // Системы. Методы. Технологии: сб. науч. тр. Братск: Изд-во БрГУ, 2010. С. 94-95.
УДК 66.074
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЩЕЛЕВОЙ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ПЕРЕГОРОДКИ
© Н.М. Самохвалов1, Т.Ю. Нестерова2, В.В. Виноградов3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Изучены закономерности изменения гидравлического сопротивления в новой оригинальной конструкции щелевого фильтра, в котором фильтрующая перегородка выполнена из навитой на специальный каркас металлической проволоки, уложенной в несколько слоев. Выполнен анализ экспериментальных данных с использованием известных зависимостей по расчёту гидравлических сопротивлений пористых перегородок. Предложена новая методика расчета гидравлического сопротивления щелевой перегородки с учетом её структурных характеристик. Ил. 2. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: фильтрующая перегородка; щелевой фильтр; гидравлическое сопротивление.
HYDRAULIC RESISTANCE OF SLOTTED FILTER PLATE N.M. Samokhvalov, T.Yu. Nesterova, V.V. Vinogradov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article studies the regularities of changes in the hydraulic resistance of a new originally designed slotted filter where
a filter plate is made of metal wire wound on a special frame and laid in several layers. Experimental data are analyzed
using the known dependences on the calculation of hydraulic resistances of porous plates. New methods to calculate the
hydraulic resistance of a slotted filter plate with regard to its structural characteristics are proposed.
2 figures. 1 table. 6 sources.
Key words: filter plate; slotted filter; hydraulic resistance.
Самохвалов Николай Митрофанович, кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии неорганических веществ и материалов, тел.: 89041312541, e-mail: htnv@istu.edu
Samokhvalov Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Chemical Technology of Inorganic
Substances and Materials, tel.: 8904131254, e-mail: htnv@istu.edu
2Нестерова Татьяна Юрьевна, аспирант, тел.: 89246209527, e-mail: tn16111962@mail.ru
Nesterova Tatyana, Postgraduate, tel.: 89246209527, e-mail: tn16111962@mail.ru.
'Виноградов Владимир Владимирович, аспирант, тел.: 89041295405, e-mail: vvv158@mail.ru
Vinogradov Vladimir, Postgraduate, tel.: 89041295405, e-mail: vvv158@mail.ru
Для эффективной очистки запыленных газов широко используются тканевые, волокнистые и зернистые фильтры. Тканевые и волокнистые фильтры плохо выдерживают высокие температуры, воздействие абразивных частиц пыли и химически агрессивных сред. В таких условиях более надежной конструкцией является щелевой фильтр [1, 2]. В щелевом фильтре в качестве перегородки используется навитая в несколько слоев на специальный каркас в виде «беличьего колеса» проволока.
Любой процесс пылеулавливания характеризуется показателем эффективности осаждения пылевых частиц и гидравлическим сопротивлением, которое является показателем энергетических затрат. Поэтому при использовании пылеуловителей в реальном производстве необходимо знать величину этого сопротивления для выбора соответствующего напорного устройства и определения экономических затрат.
Закономерности изменения гидравлического сопротивление при фильтровании газов широко изучены применительно к тканевым и зернистым фильтрам [3, 4]. Щелевой фильтр является новой конструкцией, и такие закономерности для него ранее не изучались. Поэтому нами проведены исследования влияния диаметра проволоки, числа слоев и скорости фильтрования воздуха на гидравлическое сопротивление. Для исследований использовались фильтры с диаметром проволоки от 0,75 до 1,5 мм, числом слоев от 4 до 7 при скоростях фильтрования от 0,05 до 0,15 м/с. Гидравлическое сопротивление измерялось микроманометром с наклонной трубкой ММН-240. Скорость фильтрования определялась путем измерения расхода воздуха с помощью ротаметра с учетом температуры потока воздуха.
Структура перегородки щелевого фильтра существенно отличается от структуры тканевых и зернистых фильтров. Это отличие состоит в том, что каналы щелевой фильтрующей перегородки имеют форму щелей, а не каналов трубчатого типа или пор, как в зернистых или тканевых фильтрах. При этом щелевые каналы имеют переменное сечение по толщине слоя. На входе в слой проволоки они сужаются, а на выходе расширяются. Если, в зернистых фильтрах толщина фильтрующего слоя Н не зависит от диаметра зерен, то в щелевом фильтре она жестко связана с диаметром проволоки и ее можно рассчитать по зависимости
Н = пЛпр + (п-1),
где п - число слоев проволоки в перегородке; ^ -диаметр проволоки; Ищ - ширина щели между витками или слоями проволоки.
От толщины фильтрующего слоя, а следовательно, и от числа слоев зависят доля свободного объема
ео и коэффициент извилистости каналов £, в то
время как в зернистых слоях такой зависимости нет.
Большое значение при фильтровании через щелевую перегородку имеет живое сечение слоя как доля свободного сечения от поверхности фильтрования.
При одном и том же размере фильтрующей поверхности «живое» сечение изменяется с изменением диаметра проволоки, что сказывается на скорости потока в каналах слоя. Все это указывает на более сложное влияние структурных характеристик фильтрующей перегородки на величину гидравлического сопротивления в щелевом фильтре по сравнению с тканевыми или зернистыми фильтрами. В то же время характеристики перегородки из слоев проволоки имеют стабильные значения и не являются случайными величинами из-за правильности формы, что облегчает задачу их определения.
Для обработки полученных экспериментальных данных использовался ряд известных зависимостей для расчета гидравлического сопротивления пористых перегородок, которые считаются теоретически обоснованными и во многих случаях дают достаточно достоверные результаты. Одной из таких зависимостей является уравнение Эргана [3], которое используется для любого режима течения:
ДР = 150<1^ .WH +
+1,75
3 d
(1 ) pW H
(1)
^ йэ
где £о - доля свободного объема фильтрующего слоя; л - вязкость газа; - скорость фильтрования; - эквивалентный диаметр каналов.
Для расчета гидравлического сопротивления в ламинарном режиме (Яе^ < 50) тканевых и зернистых перегородок широко используется уравнение Козени-Кармана [4]:
др ^180®-^, (2)
где Ф - фактор формы фильтрующих элементов слоя (для округлой формы принимается равным 0,8).
Формула Пуазейля [3] при расчете гидравлического сопротивления учитывает извилистость каналов £:
/МН£2
и 0 ъ (3)
ДР = 32-
4го
Сопротивление зернистого слоя можно определять с помощью известного уравнения, предложенного Аэровым и Тодесом [5]:
ДР = 1
f (1 -gp )pW h
2sl
(4)
где Ас - коэффициент сопротивления фильтрующего
слоя, для расчета которого рекомендована следующая зависимость [6]:
4 - 3е„ 3
1 = 2£3 -0--+ 0,017
+2£3 [0,45(Re„ ^)-4/9 +0,042
2е„
3(1 -О
Re4 #
(5)
Здесь Яеч - критерий Рейнольдса для модели обтекания частицы
^прг
Яе.. = ■
£оМ
£ - коэффициент извилистости каналов, который рассчитывается на основе доли свободного объема по уравнению [6]:
ж
2/3
£ = 1 + ^ --1^1 )
На рис. 1 представлены сравнительные результаты опытных и расчетных значений гидравлических сопротивлений с использованием зависимостей (1) и (2) для различных скоростей фильтрования в сопоставимых условиях. Данные приведены для перегородки из 5-ти слоев проволоки диаметром 1,0 мм. Для всех случаев фильтрование проходило в ламинарном режиме. Расчетные значения по формулам (3) и (4) более чем на порядок были меньше результатов, полученных по формулам (1) и (2), и тем более меньше опытных величин, поэтому на графике не показаны, так как практически сливаются с осью абсцисс. Аналогично изменяются опытные и расчетные значения сопротивлений в зависимости от диаметра проволоки при постоянной скорости, причем с увеличением диаметра проволоки сопротивления возрастают и изменения имеют линейный характер.
В расчетах доля свободного объема определялась по уравнению
(V - V )
V сл прУ £ =-
0 V.
Эквивалентный диаметр каналов щелевого слоя рассчитывался по известной зависимости
*э = 4£о / /, где / - удельная поверхность слоя проволоки, которая определялась из отношения поверхности Г навитой проволоки к объему фильтрующего слоя ^:
/ = Г / Гсл = 4/*пр.
Рис. 1. Зависимость сопротивления от скорости фильтрования: 1 - опытная; 2 - рассчитанная по формуле (2); 3 - рассчитанная по формуле (1)
На рис. 2 показаны опытная и расчетные зависимости гидравлического сопротивления по уравнениям (1) - (4) от диаметра проволоки при постоянной скорости фильтрования. С увеличением диаметра проволоки сопротивление возрастает, а изменения имеют линейный характер. Сравнения проводились при скорости фильтрования = 0,07 м/с и пяти слоях проволоки.
Сравнительный анализ показывает, что ни одна из рассматриваемых расчетных зависимостей не отражает реального изменения гидравлического сопротивления в щелевой фильтрующей перегородке. Во всех формулах для оценки сопротивления используются доля свободного объема и эквивалентный диаметр каналов.
Рис. 2. Зависимость сопротивления
от диаметра проволоки: 1-4 - рассчитанная соответственно по формулам (4), (3), (1), (2); 5 - опытная
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали, что сопротивление существенно изменяется с изменением диаметра проволоки, который определяет долю «живого» сечения перегородки. Причем доля «живого» сечения не зависит от числа слоев и более значительно влияет на скорость потока в каналах слоя. В то же время, влияние доли свободного объема на гидравлическое сопротивление в щелевой перегородке, в отличие от зернистых фильтров, менее существенно. Проверка замены доли свободного объема в зависимостях Эр-гана, Козени-Кармана и Пуазейля не дала желаемых результатов, так как приводила к резкому скачку значений сопротивлений и не соответствовала закономерностям их изменения от диаметра проволоки и скорости фильтрования. Для уравнения (4) такая замена показала, что в этом случае характер изменения и величина расчетного гидравлического сопротивления более близки к опытным данным.
В связи с этим, предлагается в уравнении (4) заменить долю свободного объема на долю «живого» сечения фильтрующей перегородки. Тогда это уравнение запишется как
АР = Л
/ (1 -у)р№ н 2фЗ
(6)
Долю «живого» сечения рекомендуется рассчитывать по уравнению
К О +1)
где I - ширина фильтрующего барабана.
Для лучшей корреляции расчетных данных с опытными нами в уравнение для расчета коэффициента сопротивления фильтрующего слоя Хс введен
новый коэффициент, равный 2,5. Тогда уравнение (5), примет вид
Г4-3я 3
4 =
(
+ 0,017
■ +
2е„
3(1 -е0)
ную структуру в отличие от зернистого слоя, нами предложено коэффициент извилистости пор определять как отношение длины канала к толщине фильтрующей перегородки:
^ = !к /Н = ^прпПН.
В таблице представлено сравнение опытных и расчетных данных с использованием уравнения (6) для различных условий фильтрования.
Данные таблицы показали хорошую сходимость опытных и расчетных результатов, что говорит об адекватности уравнения (6), которое можно рекомендовать для расчета гидравлического сопротивления чистых перегородок в щелевых фильтрах.
Таким образом, проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволили уточнить расчетную зависимость, предложенную М. Аэровым и О. Тодесом, применительно к расчету гидравлического сопротивления новой оригинальной конструкции пылеуловителя с щелевой перегородкой с учетом ее структурных особенностей.
+2,54/ [0,45(Яеч 4)-4/9 + 0,042] . Учитывая, что щелевой слой имеет упорядочен-
Гидравлическое сопротивление щелевой перегородки
ёпР ,мм п, шт Жо, м/с 4 АР, Па
опытное расчетное
0,75 4 0,051 5,3 1,36 91,1 92,0
4 0,067 7,0 1,36 119,3 122,9
7 0,051 5,2 1,34 185,9 156,3
7 0,067 6,8 1,34 240,5 212,2
1,00 4 0,051 7,9 1,41 163,3 164,3
4 0,067 10,4 1,41 230,5 220,0
7 0,051 7,7 1,39 305,6 281,0
7 0,067 10,2 1,39 390,1 376,3
1,10 4 0,051 9,0 1,42 206,4 199,3
4 0,067 11,8 1,42 267,2 267,0
7 0,051 8,8 1,41 363,7 341,4
7 0,067 11,6 1,41 450,8 457,6
1,14 4 0,051 12,5 1,45 331,4 325,1
4 0,067 16,4 1,45 443,4 436,8
7 0,051 12,2 1,44 563,7 559,3
7 0,067 16,0 1,44 742,1 751,6
0,1«
1. Пат. 104863 Российская Федерация. Фильтр для очистки газа от пыли / Н.М. Самохвалов; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. техн. ун-т. Опубл. в Б.И. 2011. №15.
2. Виноградов В.В. Очистка запыленных газов в щелевом фильтре // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых. Новосибирск, 2012. Ч.4. С.283-287.
3. Ужов В. Н., Мягков Б. И. Очистка промышленных газов фильтрами. М.: Химия, 1970. 320 с.
ский список
4. Мазус М.Г., Мальгин А.Д., Моргулис М.Л. Фильтры для улавливания промышленных пылей. М.: Химия, 1985. 240 с.
5. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.: Химия, 1968. 510 с.
6. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984. 104 с.
