CC BY
33
УДК 629.018
ВИЗНАЧЕННЯ ГІДРАВЛІЧНОГО ОПОРУ ПОРИСТОГО МАТЕРІАЛУ ФІЛЬТРУЮЧОГО ЕЛЕМЕНТА ФІЛЬТРА ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ
А.В. Ільченко, доцент, к.т.н., В.Ю. Балюк, аспірант, Житомирський державний
технологічний університет
Анотація. Розроблено спосіб визначення гідравлічного опору пористого матеріалу фільтруючого елемента фільтра відпрацьованих газів автомобіля.
Ключові слова: пористість, фільтр, моделювання.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ФИЛЬТРА ОТРАБОТАВШИХ
ГАЗОВ
А.В. Ильченко, доцент, к.т.н., В.Ю. Балюк, аспирант, Житомирский государственный технологический университет
Аннотация. Разработан способ определения гидравлического сопротивления пористого материала фильтрующего элемента фильтра отработавших газов автомобиля.
Ключевые слова: пористость, фильтр, моделирование.
DETERMINING OF HYDRAULIC RESISTANCE OF POROUS MATERIAL FILTER ELEMENT OF THE EXHAUST GASESDFILTER
A. Ilchenko, Associate Professor, Candidate of Technical Science,
V Baluk, postgraduate, Zhytomyr State Technologycal Universitet
Abstract. The method for determining the hydraulic resistance ofporous material filter element of the filter of the automobile [S exhaust gases was developed.
Key words: porosity, filter, simulation.
Вступ
На сьогодні розроблено велику кількість касетних каталітичних нейтралізаторів і сажових фільтрів із фільтруючими елементами, що виготовляються з пористих матеріалів. При цьому виникла необхідність вивчення впливу пористості матеріалів, використаних для виготовлення фільтрів, оскільки це □ один з основних параметрів, що впливає на гідравлічний опір (ГО) матеріалу, тонкість і повноту фільтрації. Авторами запропоновано спосіб визначення ГО матеріалу елемента, що фільтрує відпрацьовані гази (ВГ), у фільтрі відкритого типу.
Аналіз публікацій
Виконуючи свої функції з очищення ВГ від твердих часток (ТЧ), фільтри створюють не значні протитиски, які, у свою чергу, впливають на пропускну здатність, а також потужність і годинну витрату палива дизелем. У процесі осадження на поверхні пористого фільтра й проникнення в пори ТЧ зростає опір руху ВГ. Для пористих паперових і тканинних фільтрів очищення повітря від пилу запропоновано вираз для визначення ГО, що за аналогією в першому наближенні можна використати і для інших пористих матеріалів [1, 2]
8012цвг увг (1 - птч)
2
ТЧ*‘ТЧ
( 2
0,82 • 106 і^!;25пфм (1 - птч )3 х
(1)
V
Х По + 3600увгірКд / ртч ),
де цвг □ динамічна вйзкість ВГ, ПаИ; увг □ середня швидкість ВГ, м/с; йтч □ середній діаметр ТЧ, м; птч □ пористість ТЧ; пфм □ пористість фільтруючого матеріалу; ґр □ час між регенераціями фільтра, с; п0 □ число ТЧ у 1 м3 газу; Кц □ показник димності ВГ за оптичним димоміром; ртч □ густина твердих частинок, кг/м3.
Сумарний протитиск, створюваний фільтром ТЧ, можна представити як суму протитисків, створюваних окремими ступенями очищення
АР + АР1 + АР2 +АР3 +... + APJ
(2)
При розрахунку фільтра ТЧ із блоками з пористих матеріалів в [2] пропонується використати показник питомого газового навантаження. Обймна витрата газів з урахуванням особливостей навантаження й умов згоряння в дизелі визначається за виразом
Увг — 4,148-10-3 (ОтТк /Рк)х х(а + 0,0675)
(3)
де От □ годинна витрата палива, кг/год; Тк □ температура повітря після компресора, °К; Рк □ тиск після компресора, МПа; а □ коефіцієнт надлишку повітря.
Виходячи з того, що для більш повного поглинання фільтрами ТЧ необхідний час перебування газів у пористій стінці не менш іп = 4,6 -10-2 с, визначають обймну швидкість, що має звИзок із часом перебування в пористій стінці, як ю0=3600/хп. З умови відомої обймної швидкості визначається обсяг пористої маси
V т
V — вг П
3600
(4)
В.І. Волков при визначенні критичних чисел Рейнольдса, починаючи з яких рух газів у порах пористих структур стає турбулентним незалежно від прохідного перетину, та при
виявленні складових пульсацій швидкості, що приводять до квадратичної залежності опору на випуску від числа Рейнольдса, визначив положення, що дає змогу обчислити повний перепад тиску за товщиною пористої стінки. При цьому вважають, що розгляд газодинаміки всередині пористої стінки базується на двох моделях: законі Дарсі за низьких чисел Рейнольдса і двочленному рівнянні Эргана □ за високих чисел Рейнольдса, що звйзують АР із середньовитрат-ною швидкістю усередині пористого шару [1]
1471ц вг V (1 - пфм )2
пі і
фм К
1,75Рвг^ (1 - Пфм )
(5)
уйи
п! і
фм ТЧ
де АР/5СТ □ повний перепад тиску на товщині стінки 5СТ; увг , рог, Цог □ відповідно витратна швидкість газу в порі, м/с, густина, кг/м3, і динамічна вйзкість газів, ПаЕ; Пфм □ пористість фільтруючого матеріалу; йк □ діаметр ТЧ, м.
З рівняння (5) видно, що перепад тиску на пористому фільтруючому елементі оберне-нопропорційно залежить від пористості самого елемента.
Мета та постановка задачі
Як видно з наведених вище фактів, одним з основних факторів, що впливають на ГО сажового фільтра, є пористість фільтруючого елемента. Тому при розробці нових конструкцій фільтрів із пористими фільтруючими елементами обовИзково потрібно її враховувати. Відомо, що навіть за зовнішної схожості пористих матеріалів їх властивості дуже різняться і визначаються окремо для кожного з них. До недавна це здійснювалося винятково за допомогою фізичного експерименту і складного математичного аналізу після нього, але з розвитком сучасних технологій став можливим інший спосіб вирішення даного завдання □ комп №терне моделювання, покликане значно прискорити процес розрахунку даного показника. На сьогодні скорочення витрат часу на проведення проектних розрахунків при розробці нової техніки є одним з найбільш актуальних завдань.
+
+
Розробки методу визначення ГО пористого матеріалу
Для розробки методу визначення ГО пористого матеріалу фільтруючого елемента каталітичного фільтра було взято методику визначення ГО пористого матеріалу, описану у [3]. У даній методиці визначення властивостей пористого каталітичного фільтруючого матеріалу проводилося в такій послідовності:
1. Побудовано експериментальну установку, що складається з дизельного ДВЗ, трубопроводів, каталітичного пористого блоку, вкладеного в корпусі, витяжної системи.
2. Проведено виміри тиску ВГ до каталітичного пористого блоку й після нього.
3. Створено і прораховано математичну модель використаного пористого матеріалу.
4. Побудовано комп№терну кінцево-обйм-ну модель фільтра.
5. Задано властивості каталітичного блоку і граничні умови (параметри ВГ при вході у фільтр й параметри відкритої границі □ виходу з фільтра).
6. Проведено комп Штерне моделювання фізичного експерименту.
7. Проведено порівняльний аналіз отриманих результатів фізичного експерименту й комп№терного моделювання.
Для визначення ГО каталітичних фільтруючих елементів фільтрів ВГ відкритого типу авторами пропонується методика, подібна до вищеописаної, за винятком п. 3. Припущено, що заміна математичної моделі перепаду ти-
ску в пористому фільтруючому матеріалі комп№терною твердотілою моделлю, що більш повно описує геометрію і процеси, які протікають у ньому, призведе до більш точного та швидкого визначення необхідних властивостей.
Експериментальна установка, що використовувалась при проведенні дослідження, скла-
далась з:
1) каталітичного нейтралізатора ВГ авто-
мобіля IVECO DAILY;
2) манометра МП3-У (0-2,5 кгс/см2) ТУ 25-
02.180335-84;
3) муфти-перехідника між генератором ВГ
і фільтром;
4) манометра МТ-Т3 (0-1,6 кгс/см2) ТУ 25-
02.180335-84;
5) корпуса для кріплення манометра на ви-
хідному кінці фільтра.
Оскільки ні в математичній, ні в комп№-терній моделі зміна гідравлічного опору при фільтрації ТЧ не враховувалась, генератором ВГ було обрано автомобіль ЗАЗ Славута з двигуном обймом 1,2 л. Експериментальна установка була приєднана до вихідного кінця вихлопної труби автомобіля й жорстко закріплена на спеціальному підрамнику. Умови випробувань: температура навколишнього
середовища Т0 = 295-302 °К; атмосферний тиск Р0 = 756-758 мм рт. ст.; вологість повітря Ж0 = 70-75%. Виміри проводилися при фіксованих обертах колінчастого вала двигуна: 1500; 2000; 2500 об/хв.
Таблиця 1 Показники основних параметрів, визначених експериментально, шляхом аналітичних розрахунків та за результатами комп'ютерного моделювання
Оберти двигуна, об./хв Метод отримання результату Середній тиск ВГ у вхідній трубі експериментальної установки, МПа Середній тиск ВГ у вихідній трубі експериментальної установки, МПа Середня швидкість ВГ при проходженні через фільтруючий елемент, м/с
1500 Експеримент/розрахунки 0,119 0,116 1,600
Моделювання 0,118 0,118 1,566
2000 Експеримент/розрахунки 0,132 0,127 2,171
Моделювання 0,136 0,129 2,193
2500 Експеримент/розрахунки 0,147 0,137 2,565
Моделювання 0,148 0,139 2,583
Основною задачею експерименту були вимір за допомогою манометрів тиску ВГ при вході у фільтр і при виході з неї, вимір температури ВГ при вході у фільтр за допомогою цифрового термометра М890Б ГОСТ Р 8.6252006. Показники температури використовувались при аналітичних розрахунках обймної витрати ВГ.
Перевірка достовірності отриманих результатів показала, що величина абсолютної похибки при вимірах становила до 5 %.
Для повноти завдання умов для комп№тер-ного моделювання було проведено розрахунки стану ВГ на вході в пористий проникний фільтр за методикою, викладеною в [2].
Як видно з табл. 1, збіжність результатів, отриманих при проведенні експерименту, аналітичних розрахунків та отриманих за результатами комп№терного моделювання, є задовільною. Останнє дозволяє з упевненістю сказати, що рішення поставленої задачі було отримане із задовільними показниками достовірності, та визначення показника ГО може виконуватись шляхом комп№терного моделювання без проведення фізичного експерименту.
Висновки
1. Підтверджено, що перепад тиску на пористому фільтруючому елементі оберненопро-порційно залежить від пористості самого елемента.
Запропоновано метод визначення ГО пористого матеріалу фільтруючого елемента каталітичного фільтра відкритого типу.
Приведено результати експериментальних досліджень, аналітичного розрахунку та комп№терного моделювання процесу визначення ГО пористого матеріалу фільтруючого елемента каталітичного фільтра відкритого типу автомобіля IVECO DAILY.
Література
1. Фукс H.A. Механика аэрозолей / НА. Фукс.
□ М. : АН СССР, 1956. □ 352 с.
2. Евстигнеев В.В. Моделирование процессов
очистки отработавших газов химических производств и дизельных агрегатов от твердых частиц СВС-фильтрами / В.В. Евстигнеев, А.Л. Новоселов,
B.И. Пролубников, Н.П. Тубалов // Известия Томского политехнического университета. □ 2005. □ Т. 308, № 1. □
C. 138Q43.
3. Газодинамический анализ системы обра-
ботки отработавших газов [електронний ресурс] / Режим доступу : http://www. autoengineer.org/66/4_7.pdf
Рецензент: М.А. Подригало, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 26 травня 2011 p.
