CC BY
53
УДК 628.33+06
Обеспечение прочностных требований к скорым напорным фильтрам, исследование влияния толщины фильтроэлемента на качество очистки жидкости
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2014
А.В. Коновалов, А.И. Фендриков, М.А. Коновалов
Аннотация
В статье описан эксперимент по определению прочностных характеристик скорых напорных фильтров, используемых в мобильных установках водоочистки и водоподготовки. Найден, опытным путем, оптимальный вариант состава связующего и фракции песка для изготовления фильтроэлементов. По результатам гидравлических испытаний установлена зависимость перепада давления от толщины фильтроэлемента и влияние этого параметра на процесс фильтрования.
Ключевые слова: системы водоочистки и водоподготовки; скорый напорный фильтр; прочностные характеристики; фильтроэлемент.
Providing Strength Requirements for Swift Pressure Filters, Filter Element Study of the Effect of Thickness on the Quality of Cleaning Fluid
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2014
A. Konovalov, A. Fendrikov, M. Konovalov
Abstract
The article describes eksperiment, by definition, strength characteristics of rapid pressure filters used in mobile water treatment plants. Found, by experience, the best option of the binder and the fraction of sand for the manufacture of filter elements. Based on the results of the hydraulic test pressure dependence of thickness of the filter element and the effect of this setting on process filtration.
Key words: water treatment systems and water treatment; quick pressure filter; the strength characteristics; filtering element.
В условиях любой чрезвычайной ситуации (далее — ЧС), особенно при устройстве временных мест проживания населения, вопрос обеспечения людей питьевой водой является одним из важнейших, если не самым главным [1]. В зависимости от характера источника воды, для водоподготовки при ЧС могут использоваться известные автоматические мобильные станции водоподготовки, такие, как «VIWA 5 STANDARD», «HYDRA FILTER» и др.
В настоящее время не существует единого устройства или фильтра, который бы один решал все проблемы, поэтому станции водоподготовки включают в себя различные устройства обеспечивающие комплексную очистку воды. В любом случае процесс начинается с механической очистки воды фильтрами различных типов. По конструкции фильтры условно можно разделить на имеющие насыпной фильтрационный материал и фильтры со сменными фильтрующими элемента-
ми. К последним относятся скорые напорные фильтры, в которых частицы кварцевого песка плакированы и склеены эпоксидной смолой ЭД-16. Достоинствами этих фильтров является возможность очень быстрой замены фильтрующих элементов при минимальных потерях воды, что является важным фактором при ЧС. Фильтрующие элементы этих устройств выполняются в виде дисков различных размеров в зависимости от необходимой скорости фильтрации. Очищаемая вода подается во внутреннюю полость под давлением и движется в радиальном направлении. При этом по мере уменьшения пропускной способности фильтра на механический каркас фильтрующего элемента действует возрастающая сила, которая может привести к появлению трещин и снижению степени очистки. В дальнейшем это может привести к выходу из строя всех устройств станции водоподготовки и отрицательному влиянию на здоровье людей.
Учитывая, что скорые напорные фильтры могут использоваться в различных системах водообеспече-ния, в том числе и в условиях ЧС, возникла необходимость исследования их прочностных характеристик [2, 3, 4, 5] и обеспечения требований промышленной безопасности.
Для этой цели были изготовлены изделия [6], представляющие собой кубики с гранями 7Х7Х7 см3, в качестве связующего использована эпоксидная смола ЭД-16 при дозе 90 г/кг песка. Кубики высушивались в течение 10 часов в сушильном шкафу при температуре 140—150 °С. Исходным материалом являлся песок, механический анализ которого приведен в табл. 1.
Из табл. 1 следует: основная фракция песка 0,6— 1,0 мм, средний диаметр ¿ср равен 0,65 мм, коэффициент неоднородности составляет 1,55.
Для исследований были отобраны три партии кубиков, по 10 штук в каждой. Четыре кубика из каждой партии оставляли сухими, а шесть — загружали в водопроводную воду, где выдерживали таким образом в течение 1 суток, 10 суток, 30 суток.
По истечении данного времени, соответствующая партия кубиков извлекалась из емкости и через 15 минут, после пребывания на воздухе, разрушалась на гидропрессе. Разрушающее усилие Рразр прилагалось к верхней фиксируемой поверхности исследуемого кубика, площадь ю которого была заранее определена. Результаты исследований занесены в табл. 2.
Проанализировав результаты исследований можно сделать вывод, что у кубиков, выдержанных в водопроводной воде, среднее значение предела прочности о для фракции песка 0,6—1,0 мм заметно снизилось.
Для решения проблемы были проведены дополнительные исследования фильтроэлементов по прочности. По известной технологии, с учетом определенных составов связующего, было изготовлено еще четыре партии изделий ( по 3 штуки в каждой) из песка фракции 0,85—1,6 мм, предварительно тщательно промытого и высушенного для исключения влияния загрязненности наполнителя.
Кубики измерялись, взвешивались, определялась площадь верхней поверхности ю, полученные результаты сведены в табл. 3.
Для прочностных исследований два кубика загружались в водопроводную воду, а один оставался сухим (для каждой партии из 3-х кубиков) и выдерживались в таком состоянии в течение 30 суток. Результаты испытаний приведены в табл. 4.
Анализ результатов позволил сделать заключение, что при составе связующего 60 г смолы ЭД-16 плюс 15 % отвердителя прочность пористого филь-троэлемента, находившегося в водопроводной воде в течение 30 суток, немного выше, чем прочность пористого фильтроэлемента сухого за то же время. То есть, найден опытным путем оптимальный вариант состава связующего и фракции песка для изготовления фильтроэлементов скорого напорного фильтра.
По результатам прочностных характеристик, для исследования процесса очистки воды были предложены дисковые фильтроэлементы разной высоты Н (табл. 5). Для их изготовления в качестве наполнителя использовался песок фракции 0,85—1,6 мм, связующее — смола ЭД-16.
На весах было отвешено 3 кг песка указанной фракции, доза смолы на это количество наполнителя принята в количестве 90 г/кг. Учитывая высокую вязкость смолы, ее разогревали и добавляли ацетон в количестве 30 % от веса смолы — 27 г. Для их изготовления в качестве наполнителя использовался песок фракции 0,85—1,6 мм, связующее — смола ЭД-16. Количество отвердителя (алифатического амина) Х [3] рассчитывали по формуле:
Х = Э(М/п)К/43, (1)
где Э — содержание эпоксидных групп, %;
М — молекулярная масса амина;
п — число атомов водорода в первичных и вторичных аминных группах;
43 — молекулярная масса эпоксидной группы;
К = 1,2—1,4 — коэффициент запаса, определяемый экспериментально.
Для полиэтиленполиамина (ПЭПА), значение
Таблица 1
Механический анализ песка фракции (0,6—1,0 мм)
с1ю, мм ¿30, мм ¿50, мм ¿60, мм ¿70, мм ¿90, мм П = С60/ с10
Проба 1 0,45 0,55 0,65 0,69 0,74 0,84 1,53
Проба 2 0,45 0,55 0,65 0,70 0,75 0,84 1,55
Проба 3 0,46 0,55 0,66 0,72 0,72 0,79 1,56
Таблица 2
Исследование прочности изделий, изготовленных из песка dср. = 0,6—1,0 мм на клее ЭД-16 при дозе 90 г/кг, работающих в водопроводной воде
№ кубика Состояние Продолжительность, сутки Площадь ш, см2 Разрушающее усилие Р, т Предел прочности ^•10-5, Па Среднее значние предела прочности ^•10-5, Па
2392 50,84 16,3 320,6
2399 Сухой 1 49,77 20,6 413,9 313,3
2416 49,91 10,3 206,4
2417 49,92 12,2 312,2
2393 49,63 13,6 274,0
2394 49,77 11,4 229,0
2395 2396 В водопроводной воде 1 49,84 50,83 11,8 11,0 236,8 216,4 265,8
2397 49,91 15,0 300,5
2398 49,98 16,9 338,1
2400 51,12 21,1 412,9
2407 2424 Сухой 10 50,10 51,30 20,2 12,2 403,0 237,8 333,4
2435 49,98 14,0 280,1
2401 49,63 8,0 161,2
2402 50,19 8,0 159,4
2403 2404 В водопроводной воде 10 49,98 50,40 7,7 9,1 154,1 180,6 169,6
2405 50,27 8,9 177,0
2406 49,70 9,1 185,7
2408 50,47 19,8 392,3
2415 2436 Сухой 30 50,48 52,85 15,2 13,7 301.1 259.2 301,4
2443 49,77 12,6 253,2
2409 50,06 8,4 167,8
2410 49,63 8,9 179,3
2411 2412 В водопроводной воде 30 50,20 50,54 8,7 8,3 173,3 164,2 159,5
2413 50,05 7,1 141,9
2414 50,51 6,6 130,7
Таблица 3
Результаты замеров, характеризующих состав, размеры, вес изделия
№ кубика Состав связующего Размеры кубиков
а, мм Ь, мм Ь[, мм Ь2, мм Ь3, мм Ь4, мм 2 ю, см О, г
1 60 г. смолы + 15 % отвердителя 70,75 70,8 76,5 76,0 75,4 77,0 50,09 650
2 70,25 70,25 78,0 77,25 77,0 76,9 49,35 710
3 71,0 71,25 77,2 75,5 79,25 80,9 50,77 715
4 50 г. смолы + 15 % отвердителя 70,4 70,4 75,0 74,9 75,0 75,0 49,63 680
5 71,0 71,1 74,5 74,4 73,5 74,0 50,48 680
6 70,75 71,25 77,5 78,0 78,0 77,0 50,43 710
7 45 г. смолы + 15 % отвердителя 70,5 70,5 76,5 76,0 76,0 76,0 49,7 680
8 71,0 71,0 75,0 75,0 74,75 75,9 50,41 660
9 71,0 70,5 77,0 78,0 76,7 76,8 50,06 670
10 30 г. смолы + 15 % отвердителя 70,0 70,0 75,0 76,0 76,55 75,5 49,35 650
11 70,75 70,25 76,0 76,5 76,0 76,0 49,35 650
12 71,5 71,0 76,25 76,25 76,0 76,5 50,77 680
М/п=103/5=20,8, тогда для эпоксидной смолы типа ЭД-16, Х = 9,5/11, %.
Отвердитель добавлялся в подготовленную смолу, где перемешивался в течение 2—3 минут. Эта
композиция выливалась в песок и снова перемешивалась в течение уже 4—5 минут. Приготовленная масса загружалась в пресс-формы, при этом непрерывно уплотнялась трамбовкой. Заполненные
Таблица 4
Результаты испытаний на прочность кубиков и изготовленных из мытого песка фракции 0,85—1,6 мм на смоле
ЭД-16 в течение 30 суток
№ кубика Состояние Рразр., кг 2 ш, см о, кг/см2
1 В водопроводной воде 4100 50,09 81,85
2 4300 49,35 87,13
3 Сухой 3000 50,4 59,52
4 В водопроводной воде 4200 49,63 84,62
5 4000 50,48 79,23
6 Сухой 7400 51,66 143,24
7 В водопроводной воде 1000 49,35 20,25
8 1000 49,35 20,25
9 Сухой 2200 50,41 43,64
10 В водопроводной воде 2700 49,7 54,32
11 1300 50,41 25,78
12 Сухой 5300 51,12 103,67
пресс-формы прессовались под давлением 1,96 МПа, устанавливались в сушильный шкаф, затем выдерживались в течение 5—7 часов при температуре 100—110°С. После чего, пресс-формы были разобраны, а полученные полимербетонные фильтры были готовы для проведения необходимых научных исследований.
Гидравлические исследования проводились на цилиндрических фильтрах, собранных из вышеуказанных дисковых фильтроэлементов (рис. 1), для чего и была создана экспериментальная установка (рис. 2).
Исходная вода с механическими загрязнителями заливается в бак 1 емкостью 50 л, откуда насосом 2 подается, частично, на цилиндрический фильтроэлемент 3, либо возвращается через регулятор расхода 4 в бак 1.
Проходя через фильтр 3 , вода очищается от механических загрязнений и поступает в мерную емкость 7, для определения расхода за единицу времени. Сопротивление на фильтре 3 измеряется с помощью манометра 5 на входе в фильтр и манометра 6 на выходе вод из фильтра. Пьезометр 9 указывает уровень фильтрованной воды в мерной емкости.
Результаты гидравлических испытаний цилиндрических фильтров, собранных на дисковых фильтро-элементах и изготовленных из наполнителя фракции песка 0,85—1,6 мм (рис. 1, 2), сведены в табл. 5.
По полученным экспериментальным данным (табл. 5) построены графики характеристик цилиндрических фильтров, собранных из дисковых фильтрома-териалов, как функции перепада давления АР от удельного расхода q при различных фильтрах с характерными высотами Н дисковых фильтроэлементов (рис. 3). Выводы
Таким образом, установлена линейная зависимость АР = и влияние толщины фильтроэлемента на процесс фильтрования скорых напорных фильтров, т. е. с увеличением толщины фильтроперегородки, из-
I II
Рис. 1. Дисковые фильтроэлементы, изготовленные из наполнителя фракции песка 0,85—1,6 мм:
I — фильтр с высотой Н = 30,0 мм, пористостью m = 0,09;
II — фильтр с высотой Н = 15,1 мм, пористостью m = 0,098.
готовленной из одной и той же фракции наполнителя, угол наклона возрастает. Прямая III графически объясняет это тем, что при прессовании зерен наполнителя, по условиям технологии, зерна не «плющатся», а увеличение сопротивления фильтроматериала приводит к уменьшению сечения поровых каналов за счет растекания связующего в относительно большом объеме фильтроматериала, а следовательно на большей длине порового канала [7].
Литература_
1. Федеральный закон от 21.12.1994 N 68-ФЗ (ред. от 02.07.2013) «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (с изм. и доп., вступившими в силу с 01.09.2013).
2. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.: Ростехиздат, 1953. 457 с.
3. Минц Д. М., Шуберт С.А. Гидравлика зернистых материалов. М.: Издательство МКХ РСФСР, 1955.
4. Кравцов М.В. Гидравлика зернистых материалов. Минск: Наука и техника, 1980.167с.
5. Быкодоров Л.Ф., Кореневский В.И., Шатихина Т.А., Лебедева И.В. Разработка, изготовление и исследование гравийно клеевых фильтров конструкции РИИЖТа для проявочных машин: Отчет, 1983, РИИЖТ.
6. Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1995. 688 с.
7. Коновалов А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГСУ, 2000.
Таблица 5
Результаты гидравлических испытаний полимербетонных цилиндрических фильтров, собранных на дисковых фильтроэлементах из наполнителя фракции 0,85—1,6 мм
№ фильтра п/п Давление, кг/см2 Перепад давления Время наполнения емкости Объем жидкости Расход Удельный расход, л/мин . см2
Рвх. Рвых. АР кг/см2 t, с W, л Q л/мин q = Q/F
I Фильтр с высотой Н = 10,3 мм, пористостью m = 0,084
1 1,0 0,6 0,4 19 0,8 2,526 0,2526
2 0,5 0,25 0,25 32 0,8 1,5 0,15
3 0,8 0,4 0,4 24 0,8 2 0,2
4 1,0 0,5 0,5 21 0,8 2,285 0,2285
II Фильтр с высотой Н = 15,1 мм, пористостью m = 0,098
1 1,0 0,25 0,75 25 0,4 0,960 0,0960
2 2,0 0,6 1,4 25 0,3 1,92 0,192
3 3,0 1,0 2,0 18,2 0,8 2,637 0,2637
4 4,0 1,5 2,5 17 0,8 2,823 0,2823
III Фильтр с высотой Н = 30 мм, пористостью m = 0,09
1 1,0 0,2 0,8 45 0,4 0,533 0,0533
2 2,0 0,3 1,7 25 0,4 0,960 0,0960
3 3,0 0,45 2,55 18 0,4 1,333 0,1333
4 4,0 0,55 3,45 15 0,4 1,6 0,16
Рис. 2. Схема экспериментальной установки по фильтрованию воды 1 — бак исходной воды; 2 — пластинчатый насос постоянной производительности; 3 — испытуемый фильтр; 4 — регулятор расхода; 5, 6 — манометр; 7 — мерная емкость; 8 — кран; 9 — пьезометр.
Рис. 3. Характеристика цилиндрических фильтров, собранных из дисковых фильтроэлементов АР = 1(д),
(фракция наполнителя 0,85—1,6 мм)
Сведения об авторах
Коновалов Анатолий Васильевич: к. т. н., доц., ФГБОПУ ВПО Ростовский государственный университет путей сообщения.
344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2. E-mail: bgd@kaf.rgups.ru
Персональный идентификационный авторский SPIN-код в Научной электронной библиотеке elibrary.ru и системе SCIENCE INDEX — 9248-8602.
Фендриков Андрей Иванович: Южный филиал ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), н. с.
344000, г Ростов-на-Дону, ул. Греческого города Волос, 11. E-mail: yufvniigochs@mail.ru
Персональный идентификационный авторский SPIN-код в Научной электронной библиотеке elibrary.ru и системе SCIENCE INDEX — 7440-4281.
Коновалов Максим Анатольевич: аспирант, Ростовский государственный университет путей сообщения. 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2. E-mail: bgd@kaf.rgups.ru
Персональный идентификационный авторский SPIN-код в Научной электронной библиотеке elibrary.ru и системе SCIENCE INDEX — 9581-2516.
Information about authors
Konovalov Anatoly V.: PhD (Technical Sc.), Associate Professor, Rostov State University of Railway Transport. 344038, Rostov-on-Don, sq. Rostov Infantry Regiment of the national militia, 2. E-mail: bgd@kaf.rgups.ru
Author's personal identification code in SPIN-scientific electronic library elibrary.ru and system SCIENCE INDEX — 9248-8602.
Fendrickov Andrey I.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Fede-ral Center of Science and high technology), Southern Branch, Research Associate. 344000, Rostov-on-Don, str. Greek city of Volos, 11. E-mail: yufvniigochs@mail.ru
Author's personal identification code in SPIN-scientific electronic library elibrary.ru and system SCIENCE INDEX — 7440-4281.
Konovalov Maxim A.: Graduate Student, Rostov State University of Railway Transport.
344038, Rostov-on-Don, sq. Rostov Infantry Regiment of the national militia, 2. E-mail: bgd@kaf.rgups.ru
Author's personal identification code in SPIN-scientific electronic library elibrary.ru and system SCIENCE INDEX — 9581-2516.
