CC BY
39
Литература
1. Сиппель И.Я. Загрязнение атмосферы полициклическими ароматическими углеводородами, продуктами сгорания автомобильных топлив // Состояние биосферы и здоровье людей: материалы V Всероссийской научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГСХА. 2005.- С. 81-83.
2. Гос. доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды в Республике Татарстан в 2013 г. Часть 8. Казань, 2014.
3. Сулейманов И.Ф., Маврин Г.В., Харлямов Д.А. Проведение расчетов рассеивания выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта и выработка мероприятий по снижению негативного воздействия на окружающую среду // Сборник научных трудов по материалам Международной научной конференции «Научное лето - 2011». Киев: Изд-во ООО «Компания «Миранда». 2011. - С. 43-47.
4. Сулейманов, И.Ф., Маврин Г.В., Харлямов Д.А. Оценка выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта и предприятий автотранспортного комплекса г. Набережные Челны // Сборник статей XIII Международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечение, благоустройства и экологии». - Пенза: РИО ПГСХА. 2011. - С. 158-164.
References
1. Sippel I. J. Air pollution of polycyclic aromatic hydrocarbons, products of combustion of motor fuels // The state of the biosphere and human health: proceedings of the V all-Russian scientific-practical conference. Penza. 2005.- P. 81-83.
2. State report on the state of natural resources and environmental protection in the Republic of Tatarstan in 2013. Part 8. Kazan, 2014.
3. Suleymanov I.F, Mavrin G.V, Kharlamov D. A Calculations of the dispersion of pollutant emissions from road transport and the development of measures to reduce negative impacts on the environment // Materials of the International scientific conference "Scientific summer - 2011". Kyiv: Publishing house "Company "Miranda". 2011. - P. 43-47.
4. Suleymanov, I. F., Mavrin G.V., Kharlamov D. A. Assessment of pollutant emissions from vehicles and enterprises of the transport complex of Naberezhnye Chelny // Collection of articles XIII International scientific-practical conference 'Kities of Russia: problems of construction, engineering, landscaping and ecology". - Penza. 2011. - P. 158-164.
Скачков В.А.1, Иванов В.И.2, Нестеренко Т.Н.3, Мосейко Ю.В.4
'Кандидат технических наук, 2Инженер, 3Кандидат технических наук, ^Кандидат технических наук Запорожская государственная инженерная академия
МЕТОДИКА РАСЧЕТА УПЛОТНЕНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ В ПЛОСКОМ
РЕАКТОРЕ
Аннотация
Предложена методика расчета уплотнения пористой структуры углеродных композитов в рабочем объеме плоского реактора. Методика предусматривает расчет распределения концентрации реакционного газа по длине реактора данного типа с учетом его доставки к нагретым поверхностям и последующей диффузии в пористую структуру уплотняемых композитов. Ключевые слова: углеродный композит, пористая структура, плоский реактор, уплотнение, пироуглерод
Skachcov V.A1, Ivanov V.I.2, Nesterenko UN.3, Mosejko Yu.V.4 'Candidate of Technical Sciences, ^Engineer, 3Candidate of Technical Sciences, 4Candidate of Technical Sciences
Zaporozhe state engineering academy
METHODS FOR CALCULATION OF COMPACTION POROUS STRUCTURE OF CARBON COMPOSITES IN FLAT
REACTOR
Abstract
It is offered the method for calculation of compaction porous structure of carbon composites in the working volume of flat reactor. Method provides the calculation of concentration distribution for reactionary gas on length of reactor of this type taking into account it delivery to the heated surfaces and next diffusion in the porous structure of the compacted composites.
Keywords: carbon composite, porous structure, flat reactor, compaction, pyrocarbon
Введение. Расширение сферы применения углеродных композитов определяется снижением их себестоимости, которая в значительной степени зависит от энергетических затрат. Снижение температуры уплотнения пористой структуры углеродных композитов до 600.. .700 °С путем использования сжиженных газов позволяет найти подход к проблеме энергосбережения [1].
Анализ достижений. Вопросы уплотнения пористой структуры угле-родных композитов рассмотрены в работах [2-4]. Однако не рассматривали реальную структуру пор углеродных композитов и не выполняли оценку ее влияния на процесс уплотнения. В работе [3] сделана попытка учета пористой структуры в процессе уплотнения углеродных композитов, которую представляли эффективной пористостью с характерным радиусом усредненной поры.
Постановка задачи. Задачей исследований является разработка методики расчета уплотнения углеродных композитов с учетом диффузии реакционного газа в реальную пористую структуру для условий изотермического нагрева в плоском реакторе.
Основная часть исследований. Известно, что реальная пористая структура углеродных композитов представляется порограммой имеющей четыре характерные группы пор [5]: первая группа - диапазон эффективных радиусов 0,001.0,03 мкм (38 %); вторая группа - 0,03.2,50 мкм (32 %); третья группа - 2,50.10,0 мкм (19 %); четвертая группа - 10.200 мкм (11 %).
Для более точного расчета уплотнения реальных конструкций из углеродных композитов необходимо в расчетные модели ввести реальную структуру пористого объема указанных материалов.
Диффузия в пористом пространстве Дифференциальное уравнение диффузии реакционного газа в модельной поре с эффективным радиусом r в условиях его разложения на поверхности поры с соответствующими граничными условиями можно записать в виде [3]:
d2C 2k
d l2
r • D
• C
C = CJ
Ml=0 ^0
dC_ d l
= 0
l=h
(1)
(2)
(3)
66
C k
где ^ - концентрация реакционного газа; - координата по длине поры; п - константа скорости разложения реакционного
газа на нагретой поверхности
2h
■ D
■ коэффициент диффузии в поре;
C
концентрация реакционного газа у входа в пору;
h
половина толщины фп) стенки углеродного композита.
Решение уравнения (1) с учетом условий (2) и (3) имеет вид
где
- корень характеристического уравнения,
(4)
z = (2k / r ■ D )0,5
Диффузионные процессы в объеме реактора. В объеме пористого реактора реализуются два диффузионных потока реакционного газа. Один поток направлен от центра реактора на его беспористую стенку, второй поток - на пористую поверхность углеродного композита.
Поток на беспористую поверхность стенки реактора может быть определен методом равнодоступных поверхностей Франк-
Каменецкого [6]. В этом случае концентрацию реакционного газа на поверхности реактора
Ч
(5)
C0
P
можно рассчитывать по формуле
CP _Р-Cv C0
р+k
C в
где p - концентрация реакционного газа в ядре реактора; р - константа скорости диффузии.
На поверхности углеродного композита реакционный газ разлагается на беспористых участках и диффундирует в поры четырех групп с осаждением пироуглерода на их поверхности.
С учетом изложенного, концентрация реакционного газа на пористой поверхности углеродных композитов
C
0
определяется
C =
^0
q-
р-N
р + k ■(1 - qn ) + qn
i=1
где - пористость поверхности углеродного композита;
Ц = r‘ ■ Di ■ z, ■ pi ■ BXp{-2Zi'h)-eXp(2Zi •h)
2 + exp (2zt ■ h) + exp (-2zt ■ h)
(6)
r P.
- средний эффективный радиус и относительная
, „ N
доля * -той характерной группы пористой структуры углеродного композита соответственно; 1 v - число характерных групп пор.
b Т
Массоперенос реакционного газа по длине реактора. Рассматривают плоский реактор шириной p и длиной Т . В центре,
между боковыми стенками реактора располагают плоскую пластину углеродного композита шириной ^п и толщиной Реакционный газ (пропан) равномерно обтекает данную пластину с обеих сторон, диффундирует из центра потока пропана на
поверхности стенок реактора и указанной пластины. Стенки реактора и пластина нагреты до постоянной температуры T , при которой пропан разлагается на нагретых поверхностях с отложением твердого осадка - пироуглерода - в соответствии с уравнением
2h
N3H8 ^ 3C + 4H2
(7)
Константу скорости разложения уравнения (7) задают в виде соотношения Аррениуса k = k0 ■ exp | ——
0 ' R ■T ' (8)
L
E - ,
где E - энергия активации процесса (7); - предэкспонента; R - газовая постоянная.
Дифференциальное уравнение переноса реакционного газа по длине плоского реактора с учетом его разложения можно записать
d (C-U)
dx
= -k-р-C ■
П + r
р+k■(1 -qn)+qn■n-'EQ. р+k
(9)
U x
где - скорость тока реакционного газа по длине реактора; - координата, направленная по длине реактора от входа реакционного газа в реактор.
Из уравнения (7) следует:
Qy,. =(1 -«)• ф ;
"C3H8
CH = 4а ■ CcJ
H 2
(10)
I
b
b
67
и = (1 + 3а)-иж
К
■вд
C3H8 тт а
где ао - концентрация 3 8 на входе в реактор; ^ - скорость подачи реакционного газа в реактор; ^ - удельная
C3H8
степень разложения 3 8 по длине реактора.
С учетом соотношений (10) уравнение (9) можно записать как:
2 (1 - 3а) da
1 -а dx
----by = 0
У =
k-p
UM
где
(11)
p + k-(1 - qn) + qnP + k
Уравнение (11) задает степень разложения пропана по длине реактора, которое учитывает процессы осаждения пироуглерода на стенках реактора и в пористой структуре пластины углеродного композита.
Разделяя в уравнении (11) переменные и интегрируя его левую часть от 0 до а , а правую часть - от 0 до x , с учетом малой
CH
величины удельной степени разложения
а( x ) = 0,25 Г (1 + 8y - x )0,5-1
, будем иметь
(12)
В уравнениях (5) и (6) величина константы скорости диффузии ^ неизвестна. Для ее определения необходимо опытным
Р
UMf
путем найти скорость выхода реакционных газов 'ай0 и вычислить предельную степень разложения "3 8 на выходе из
реактора
а( l )=3
Еа^-1
V U ай о J
(13)
x = L (14)
Подставляя соотношение (13) в уравнение (12) для л = L и учитывая переменные, входящие в уравнение (11), получают
л2 г* \ 0,5
Р = Q+(Q2 - G)0,5
Q = F-(bp -V) + k-(bn -V) F = k-(1 -qn)b qn 'K'SQi
G =
V-k- F Um[ (4а +1) 2-1
V - b - b
p n
V =
8k-L
b
b
p
n
Константа скорости гетерогенного разложения пропана на нагретых поверхностях определена в работе [1]. Формула (14) позволяет определить константу скорости диффузии пропана от ядра реактора к поверхности разложения.
Выводы. Разработана методика расчета распределения концентрации реакционного газа по длине плоского реактора с учетом его доставки к нагретым поверхностям, диффузии в пористую структуру уплотняемых углеродных композитов и разложения реакционного газа с осаждением пироуглерода.
Литература
1. Байгушев В. В. Технология производства композиционных углерод-углеродных материалов электротермического назначения. Диссертация кандидата техн. наук / Владимир Владимирович Байгушев. - Днепропетровск, 2006. - 140 с.
2. Гурин В. А. Исследование газофазного уплотнения пироуглеродом пористых сред методом радиально движущейся зоны пиролиза / В. А. Гурин, И. В. Гурин, С. Г. Фурсов // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1999. - Вып. 4 (76). - С. 32-45.
3. Колесников С. А. Уплотнение углеродных заготовок путем пиролиза газа в промышленных печах / С. А. Колесников, В. И. Костиков, А. М. Васильева // Химия твердого топлива. - 1991. - № 6. - С. 114-122.
4. Математические модели процессов температурной обработки и уплотнения в производстве углеродных композиционных материалов / В. А. Скачков, В. Д. Карпенко, В. И. Иванов, Е. В. Скачков // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1999. -Вып. 4 (76). - С. 3-12.
5. Скачков В. А. Определение кинетических параметров процесса осаждения пиролитического углерода / В. А. Скачков, Р. А. Шаповалов, В. И. Иванов // Металлургия : научные труды ЗГИА. - Запорожье : ЗГИА, 2000. - Вып. 3. - С. 52-55.
6. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. А. Франк-Каменецкий. - М.: Наука, 1967. - 491 с.
References
1. Bajgushev V. V. Tehnologija proizvodstva kompozicionnyh uglerod-uglerodnyh materialov jelektrotermicheskogo naznachenija: dis. kand. tehn. nauk. - Dnepropetrovsk, 2006. - 140 s.
2. Gurin V. A. Issledovanie gazofaznogo uplotnenija pirouglerodom poristyh sred metodom radial'no dvizhushhejsja zony piroliza / V. A. Gurin, I. V. Gurin, S. G. Fursov // Voprosy atomnoj nauki i tehniki. - Har'kov: 1999. - Vyp. 4 (76). - S. 32-45.
3. Kolesnikov S. A. Uplotnenie uglerodnyh zagotovok putem piroliza gaza v promyshlennyh pechah / S. A. Kolesnikov, V. I. Kostikov, A. M. Vasil'eva // Himija tverdogo topliva. - 1991. - № 6. - S. 114-122.
4. Skachcov V. A. Matematicheskie modeli processov temperaturnoj obrabotki i uplotnenija v proizvodstve uglerodnyh kompozicionnyh materialov // Voprosy atomnoj nauki i tehniki. - Har'kov: 1999. - Vyp. 4 (76). - S. 3-12.
5. Skachcov V. A. Opredelenie kineticheskih parametrov processa osazhdenija piroliticheskogo ugleroda / V. A. Skachcov, V. I. Ivanov, R. A. Shapovalov // Metallurgija : nauchn. Tr. ZGIA. - Zaporozh'e : ZGIA, 2000. - Vyp. 3. - S. 52-55.
6. Frank-Kameneckij D. A. Diffuzija i teploperedacha v himicheskoj kinetike / D. A. Frank-Kameneckij. - M.: Nauka, 1967. - 491 s.
68
