CC BY
1
Исследование процессов тепломассопереноса в фильтрах очистки
Аннотация: В современных условиях двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее массовой энергетической установкой целого ряда транспортных машин: автомобилей, тракторов, локомотивов, судов речного и морского транспорта. Жесткие требования современных евро-стандартов к степени «дымности» отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания и их токсичности, способствуют возникновению тупиковой ситуации. В ней практически невозможно, используя очевидные технические решения, соблюдение требований стандартов Евро-5 и Евро-6 в условиях сохранения допустимого роста экономических затрат двигатели внутреннего сгорания (ДВС) выделяют в атмосферу значительное количество отработанных газов, что является экологической угрозой. В статье рассмотрен метод СВС - технологии и его преимущества.
Ключевые слова: экологическая угроза, двигатели внутреннего сгорания, СВС-технология, отходы, синтез, фильтры.
Одно из наиболее перспективных решений возникшей в современном мире очень острой дилеммы экология - экономика в области транспортных систем, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, может быть реализовано только в области техники, разрабатывающей новые каталитически активные материалы и экономичные технологии их применения и при исследовании соответствующих вопросов тепломассопереноса [1,2].
В современных условиях двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее массовой энергетической установкой целого ряда транспортных машин: автомобилей, тракторов, локомотивов, судов речного и морского транспорта и т. п. При работе эти двигатели выделяют в атмосферу значительное количество отработанных газов (выхлоп). Накапливаясь в атмосфере, газы представляют реальную экологическую угрозу, особенно в
газовой среды
1 2 2 Н.П. Тубалов , Т.В. Новоселова , А.В. Палий , А.А Шафеева'
1 Алтайский государственный технический университет 2 Донской государственный технический университет
2
2
больших городах, и разрушают здоровье их жителей. В состав отработанных газов входит до 1200 различных компонентов, включая много токсичных [3].
Жесткие требования современных евро-стандартов к степени «дымности» отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания и их токсичности, способствуют возникновению тупиковой ситуации. В ней практически невозможно, используя очевидные технические решения, соблюдение требований стандартов Евро-5 и Евро-6 в условиях сохранения допустимого роста экономических затрат [4].
По итогам прошедшего десятилетия безусловное первое место среди катализаторов, которые служат для очистки выхлопных газов, принадлежит композиционным металлокерамическим материалам. По этой причине в данной работе не рассматриваются остальные виды фильтрующих материалов, а акцентируется внимание на увеличении ресурсной базы и технологии применения минерального сырья для создания проницаемых композиционных пористых материалов. В соответствии с предложенной Батаевым А.А. и Батаевым В.А. классификацией композиционных материалов, пористые проницаемые композиты принадлежат к группе гибридных композиционных металлокерамических материалов. Одним из наиболее эффективных технологических методов производства металлокерамики является ветвь порошковой металлургии, называемая самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) тугоплавких неорганических соединений [5,6].
Метод СВС-технологии предложен, разработан и исследован академиком А.Г. Мержановым и его научной школой примерно 50 лет назад. Сущность метода состоит в специальном инициировании направленного горения спрессованной или свободно насыпанной порошковой шихты, в результате чего реализуется реакция экзотермического взаимодействия, протекающая в режиме направленного горения и соответствественно
приводящая к синтезу тугоплавких материалов, в нашем случае пористой керамики [7].
Состав и чистота получаемых СВС-технологией продуктов, ограничены только качеством исходных реагентов в шихте. Общая схема
СВС-технологии представлена на рисунке 1 .
Рисунок 1 Схема технологического процесса СВС-синтеза
Существенным экологическим преимуществом СВС-технологий является использование производственных отходов других производств, например, стальной окалины, а также полное отсутствие собственных отходов. По типу структуры проницаемые пористые материалы для носителей катализаторов с заданными свойствами представляют собой гибридные металлокерамические композиты. Схема взаимодействия исходных реагентов, образующих при СВС-процессе конечную структуру, представлена на рисунке 2 [8].
Т - температура, ТЭ - температура плавления эвтектики, Ф - величина тепловыделения, п - степень превращений, С - концентрация конечного
продукта
Рисунок 2. Схема взаимодействия при СВС-процессе
По структурному расположению элементов, проницаемые ПММ, полученные с помощью СВС - технологии, могут иметь одноосное, двухосное или трехосное армирование, реализуемое композиционной матрицей, имеющей армирующие функции. Существуют материалы с тканой, волокнистой, стержневой и спиральной структурой, но функционально, все они фильтрующие и каталитические [9].
Стандартная порошковая система СМС в первоначальном состоянии является пористой неоднородной средой с диапазоном гетерогенности составляющем 1-100 микрометров. Отсюда следует, что, описывая процесс теплопереноса в волне самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, следует учитывать условия теплопередачи в пористых средах. Их характеризует значительное разнообразие механизмов теплопереноса, которые являются кондуктивными, твердофазными и газофазными, а также конвективными и радиационными. Последний фактор, из-за высоких температур, от 2000 до 4000 К, является очень важным для систем
самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [10]. Лучистая теплопередача тесно взаимосвязана со спецификой распределения излучения в порошкообразной среде. Проблема осложняется, поскольку свойства структуры среды во время горения могут значительно отличаться от свойств первоначальной твердой фазы. Отличие может составлять величину от относительной пористости 50% до жидкой фазы с полным отсутствием пористости во фронте волны. Это - причина изменений регулирующего механизма теплопередачи. Преимуществом процесса СВС- синтеза считается наличие саморегулирования скорости и температуры волны горения, что является очень важным, например, в процессе горения твердого топлива. Цель процесса - это создание микроструктуры окончательного продукта, обеспечивающей его эксплуатационные характеристики. ПММ фильтров дизельных двигателей обладают каркасным строением заданного уровня упорядоченности, и их итоговые показатели управляются содержимым шихты, технологическим процессом подготовки и горения. Идея единой производственной технологии фильтрующих материалов, созданных с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, была продолжена Вольпе Б.М. и Гарколь Д.А. В ее основе лежит факт того, что по окончании синтеза производится готовый продукт из производственных отходов: окислов Fe, Си, А1, чугуна и других. Вместе с тем, не установлена зависимость физическо-механических и функциональных свойств от пористости и технологических условий, оказывающих влияние на параметры фильтров. Практика использования для очистки отработавших газов ПММ в нашей стране несущественна и, главным образом, ограничена всего лишь испытанием экспериментальных порошковых образцов.
Очищение выхлопных газов выполняется фильтрами, в которых редкоземельные металлы можно применять в качестве смесей металлов и ферроцерия, то есть, практически, нет необходимости применять сложные
технологии для разделения их на отдельные компоненты. Это делает СВС-процессы особенно привлекательными для создания пористых проницаемых фильтров - катализаторов. Фильтры из проницаемых ПММ, изготовленные методом СВС, отличаются от фильтров, полученных из прочих материалов следующими преимуществами - устойчивость к высоким температурным режимам в процессе эксплуатации; - высокая степень устойчивости против эрозии и коррозии; - устойчивость к нагрузкам, возникающим в результате вибраций на акустических частотах, - возможность выполнения параллельного очищения газа от ТЧ и окислов азота. В заключение следует отметить, что металлокерамические проницаемые ПММ, полученные при помощи СВС-технологий, применяемые для производства фильтров -катализаторов, являются уникальным классом материалов, созданных искусственным путем. Однако их широкое применение в нашей стране затрудняется отсутствием экономичных эффективных рецептур пористых металлокерамических материалов, исследований в области СВС-технологий для производства фильтров и результатов их сравнительных промышленных испытаний.
Литература
1. Лукин Е. С., Макаров H.A., Додонова И. и др. Новые керамические материалы на базе оксида алюминия // Техническая керамика и огнеупоры. -2001 год. - № 7. - с. 2-9.
2. Wiliamson W.E., Gandhi H.S., Neaver E.E. Effect of fuel additive MMT on contaminant retention and catalyst performance // SAE Techn. Pap. Ser. - 1982. - № 821193. - p. 7.
3. Abu-Jrai, A., Tsolakis A., Megaritis A. The influence of H2 and CO on diesel engine combustion characteristics, exhaust gas emissions, and after treatment selective catalytic NOx reduction // Hydrogen Energy. - 2007. - 32, № 15. - pp. 3565-3571.
4. Saraco G., Specchia V., Fino P. Innovative means for the catalytic regeneration of particulate traps for diesel exhaust cleaning // Chem. End. Sci. -2003. - 58, № 3. - pp. 951-958.
5. Jakobs R.J., Westbrooke K. Aspects of Influencing Oil Consumption in Diesel Engines for Low Emissions // SAE Techn. Pap. ser. - 1990. - №900587. -pp. 1-18.
6. Bittermann Andreas, Kranawetter Erwin, Krenn Johann, Ladein Bernhard, Ebner Thomas, Altenstrasser Harald, Koegeler Hans-Michael, Gschweitl Kurt (BMW Motoren GmbH, Steyr) Erhissionsauslegung des dieselmotorischen Fahzeugantriebs // MTZ: Motortechn. Z. - 2004. 65, № 6. - pp. 466-474 130.
7. Chandes Karine, Pichon Guy, Raulf Mathieu, de Bie Toon, Van Genderen Marcel, Van Helden Rinie (Renault V. I. Powertrain). Urea SCR heavy duty engine NOx reduction for EURO IV // Ing. automob. - 2004, № 770. - pp. 61-65.
8. Новоселова Т.В., Бакланов А.Е., Печенникова Д.С. Очистка отработавших дизельных газов на катализаторах на базе руды монацита // Ползуновский вестник. - 2012 год. - № 3/1. - с. 158-161.
9. Саенко А.В., Малюков С.П., Палий А.В., Бондарчук Д.А., Бесполу-дин В.В. Исследование распределения температуры в пленке TiO2 при импульсном лазерном нагреве // Инженерный вестник Дона. 2017. № 3. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/43 06.
10. Саенко А.В., Палий А.В. Белоусов Е.П., Хандыго А.Д., Малофеев А.Н. Численное моделирование лазерного отжига тонкой пленки аморфного кремния для солнечных элементов // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4954.
References
1. Lukin E. S. N. A. Makarov, E. S. Lukin, I. V. Dodonova i dr. Tehnicheskaja keramika i ogneupory. 2001. pp. 2-9.
2. Wiliamson W.E., Gandhi H.S., Neaver E.E. SAE Techn. Pap. Ser. 1982. № 821193. p. 7.
3. Abu-Jrai, A., Tsolakis A., Megaritis A. Hydrogen Energy. 2007. 32, № 15.pp. 3565-3571.
4. Saraco G., Specchia V., Fino P. Chem. End. Sci. 2003. 58, № 3. pp. 951958.
5. Jakobs R.J., Westbrooke K. SAE Techn. Pap. ser. 1990. №900587. pp. 118.
6. Bittermann Andreas, Kranawetter Erwin, Krenn Johann, Ladein Bernhard, Ebner Thomas, Altenstrasser Harald, Koegeler Hans-Michael, Gschweitl Kurt (BMW Motoren GmbH, Steyr). MTZ: Motortechn. Z. 2004. 65, N 6. pp. 466-474 130.
7. Chandes Karine, Pichon Guy, Raulf Mathieu, de Bie Toon, Van Genderen Marcel, Van Helden Rinie (Renault V. I. Powertrain). Ing. automob. 2004, № 770. pp. 61-65.
8. Novoselova T. V., Baklanov A. E., Pechennikova D. S. Polzunovskij vestnik. 2012. pp. 158-161.
9. Saenko A.V., Maljukov S.P., Palii A.V., Bondarchuk D.A., Bespoludin V.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4306.
10. Saenko A.V., Palii A.V. Belousov E.P., Handygo A.D., Malofeev A.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №2. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4954.
