CC BY
13Применение оптического метода контроля
для оценки параметров фильтрующих элементов
из нетканых волокнистых полимерных материалов
О)
о
см
см
О!
о ш т
X
<
т О X X
Кузнецова Ольга Владимировна,
студент, кафедра "Экология и промышленная безопасность", Калужский Филиал Московского Государственного Технического Университета имени Николая Эрнестовича Баумана (национальный исследовательский университет), [email protected];
Стрельникова Светлана Юрьевна,
студент, кафедра "Экология и промышленная безопасность", Калужский Филиал Московского Государственного Технического Университета имени Николая Эрнестовича Баумана (национальный исследовательский университет), [email protected];
Хролынцев Антон Александрович,
АО "Фильтр", ведущий инженер-конструктор, Акционерное общество «Фильтр», [email protected];
Яковлева Ольга Владимировна,
кандидат технических наук, доцент, кафедра "Экология и промышленная безопасность", Калужский Филиал Московского Государственного Технического Университета имени Николая Эрнестовича Баумана (национальный исследовательский университет), [email protected].
Фильтрующие элементы из волокнистых полимерных материалов широко распространены в процессах микрофильтрации. Им отводится особая роль в технологических процессах очистки воды, так как именно эти элементы чаще всего служат своеобразной защитой для мембранных модулей. В настоящее время для очистки сточных вод используются новейшие фильтрующие элементы из нетканых волокнистых полимерных материалов, применение существующих методов контроля качества производства которых замедляет технологический процесс их изготовления, в связи с этим появляется необходимость изучения новых, менее трудоемких методов контроля качества. Статья посвящена исследованию оптического метода контроля основных параметров жидкостных фильтрующих элементов из нетканых волокнистых полимерных материалов при их производстве. Для определения эффективности применения оптического метода контроля проведено исследование с использованием измерительной ячейки, принципиальная схема которой приведена в статье. Проведена серия экспериментов определения параметров жидкостных фильтрующих элементов с использованием данного метода. В результате исследования получены зависимости, позволяющие определять номинальную тонкость фильтрации и гидравлическое сопротивление потокам жидкости и газа для фильтрующих элементов из нетканых волокнистых полимерных материалов. Показано, что использование зависимостей значительно упростит процесс контроля качества производства фильтрующих элементов. Проведенное исследование показало, что использование оптического метода контроля фильтрующих элементов из нетканых волокнистых полимерных материалов позволяет определять основные рабочие параметры фильтроэлемента с наименьшими временными затратами.
Ключевые слова: фильтрующий элемент, оптический метод контроля, номинальная тонкость фильтрации, гидравлическое сопротивление, оптические характеристики, освещенность фотоэлемента.
Введение
В настоящее время для получения воды потребителями необходимого качества и количества используются передовые технологии в области водоподготовки и очистки сточных вод. Такие технологии часто требуют необходимой предварительной подготовки воды, без которой не обеспечивается эксплуатация сооружений тонкой очистки. Так, например, при использовании мембранных методов очистки должно соблюдаться требование установки микрофильтров, которые позволяют подавать на мембранные модули воду, отвечающую требованиям их эксплуатации [1]. Микрофильтрацию все шире используют в пищевой промышленности, в медицине, микробиологии, для очистки питьевой воды, для использования воды в технологических процессах радиоэлектроники, приборо- и машиностроения. В процессах микрофильтрации большое распространение нашли фильтрующие элементы из волокнистых полимерных материалов.
Одним из важнейших этапов при производстве новейших фильтрующих элементов из нетканых волокнистых полимерных материалов, является контроль качества продукции. Существует ряд стандартов [2, 3, 4], которые устанавливают методы испытаний фильтроэлементов, предназначенных для очистки рабочих сред. Данные стандарты предполагают использование специального оборудования, стендов и приборов.
Как показывает практика, традиционные методики испытаний весьма трудоемки и не могут быть использованы для контроля всей выпускаемой предприятием продукции, в связи с этим актуальным является разработка косвенных методов контроля. Эти методы позволят уменьшить трудоемкость операций контроля и снизить общие затраты на производство фильтрующих элементов, что возможно даст положительный экономический эффект.
Целью исследования являлось получение расчетных зависимостей, позволяющих определить значения номинальной тонкости фильтрации, удельного воздушного и гидравлического сопротивлений фильтрующего элемента на основе оптических характеристик фильтрующего элемента.
Исследования проводились на базе предприятия АО «Фильтр» и на кафедре «Экология и промышленная безопасность» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Проведение экспериментов и результаты исследования
Для решения задачи оперативного контроля параметров выпускаемых предприятием микрофильтров с фильтрующими элементами из нетканых волокнистых полимерных материалов проведено исследование практического применения оптического метода контроля. На рис. 1 представлена принципиальная схема оптической измерительной ячейки, при помощи которой производилось определение оптических характеристик образцов [5]. Испытуемый образец фильтрующего материала ФМ помещается между источником светового излучения (лампой накаливания) и фотоэлементом Ф. При включённой лампе часть светового потока поглощается фильтром, а прошедший световой поток воздействует на фотоэлемент.
Рис. 1. Принципиальная схема оптической измерительной ячейки
Конструкция разработанной оптической измерительной ячейки представлена на рис. 2 [5]. Корпус и крышка измерительной ячейки выполнены из черного полимерного материала, который эффективно поглощает световое излучение от лампы, и препятствует проникновению светового излучения извне.
Крышка
Корпус Образец
Фотоэлемент
. Лампа
Рис. 2. Конструкция оптической измерительной ячейки
Условные обозначения величин 1. Номинальная тонкость фильтрации (в соответствии с ГОСТ 14066-68), эффективность П>95%, гном, мкм.
2. Удельное сопротивление воздушному потоку ЬРв, Па/(м3/ч).
3. Удельное гидравлическое сопротивление 1_Рг, Па/(л/мин).
4. Освещенность фотоэлемента без образца Ео, лк.
5. Освещенность фотоэлемента с образцом Е, лк.
6. Доля задержанного светового излучения КР, определяется:
(Ео - Е)
кр =
Ео
(1)
7. Доля светового излучения, прошедшего через образец КЕ, определяется:
Ке = 1 - Кр (2)
Для проведения экспериментальных исследований было изготовлено 12 групп образцов (по 5 образцов в группе). В качестве образцов использовались фильтрующие элементы длиной
40 мм с наружным диаметром 42 мм и внутренним диаметром 28 мм.
В таблице 1 приведены средние арифметические значения измеренных параметров. Параметры гном., Е, ьРв, ьРг определялись непосредственно в процессе эксперимента. Значения параметров КР и КЕ рассчитывались соответственно по формулам (1) и (2). Значение освещенности без образца Е0=59557 лк.
Таблица 1
Средние арифметические значения измеренных парамет-
№ группы образцов rном., мкм Е, лк КР Ке Рв, Па/(м3/ч) Рг, Па/(л/мин)
1.1 24,20 19208 0,677 0,323 11 85
1.2 21,20 16588 0,721 0,279 25 280
1.3 17,70 14470 0,757 0,243 47 580
1.4 13,40 12344 0,793 0,207 74 900
1.5 10,90 10429 0,825 0,175 112 1520
1.6 8,95 9204 0,845 0,155 160 2220
1.7 7,30 8135 0,863 0,137 217 2760
1.8 5,60 7101 0,881 0,119 311 3470
1.9 4,85 6377 0,893 0,107 393 3900
1.10 4,40 5893 0,901 0,099 471 4930
1.11 3,95 5281 0,911 0,089 586 5900
1.12 3,40 4840 0,919 0,081 685 7080
Одним из основных показателей работы фильтроэлемента является номинальная тонкость фильтрации, которая должна определяться в качестве рабочей характеристики. При проведении экспериментов определялась зависимость номинальной тонкости фильтрации от оптических характеристик фильтрующего элемента. В качестве оптических характеристик использовались параметры КР и КЕ [6]. На рис. 3 приведены графики зависимостей номинальной тонкости фильтрации от оптических характеристик фильтрующего элемента и расчетные формулы, полученные линейной аппроксимацией.
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю 2
М О
О)
о
см
см
О!
о ш
В
X
<
В
О X X
дола Пропущенного/одержанного сеетоеого излучения
□ г номике]
Рис. 3. Графики зависимостей номинальной тонкости фильтрации от оптических характеристик фильтрующего элемента
Рис. 4. Графики зависимостей удельного воздушного сопротивления от оптических характеристик фильтрующего элемента
В результате исследований получена зависимость удельного воздушного сопротивления от оптических характеристик фильтрующего элемента. В качестве оптических характеристик использовали КР и КБ. На рис. 4 приведены графики зависимостей удельного воздушного сопротивления от оптических характеристик фильтрующего элемента и расчетные формулы, полученные аппроксимацией полиномами пятой степени.
Полученные графики и расчетные зависимости позволяют определить удельное воздушное сопротивление фильтрующего элемента по известным значениям долей задержанного светового излучения КР или прошедшего светового излучения КБ. Удельное воздушное сопротивле-
ние может быть определено только в исследованных интервалах значений КР и КБ. За пределами этих значений расчетные зависимости будут давать большую погрешность.
Для получения зависимости удельного гидравлического сопротивления от оптических характеристик фильтрующего элемента в качестве оптических характеристик использовали КР и КБ. На рис. 5 приведены графики зависимостей удельного гидравлического сопротивления от оптических характеристик фильтрующего элемента и расчетные формулы, полученные методом аппроксимации экспоненциальной функцией.
Полученные графики и расчетные зависимости позволяют определить удельное гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента по известным значениям долей задержанного светового излучения КР или прошедшего светового излучения КБ. Удельное гидравлическое сопротивление может быть определено по расчетным зависимостям и за пределами исследованных значений КР и КБ, но при малых значениях КБ и при значениях КР близких к единице точность расчета будет не высокой [7].
Рис. 5. Графики зависимостей удельного гидравлического сопротивления от оптических характеристик фильтрующего элемента
Методика расчета
Определение параметров фильтрующих элементов производилось по следующей методике:
1. Определяется освещенность фотоэлемента без образца Б0. Для этого измерительная ячейка закрывается крышкой, включается лампа и фиксируется значение освещенности фотоэлемента Б0.
2. Определяется освещенность фотоэлемента с образцом Б. В ячейку помещается образец фильтрующего элемента, закрывается крышка, включается лампа и записывается значение освещенности фотоэлемента Б.
3. Рассчитывается значение параметра КР по формуле (1).
4. Номинальную тонкость фильтрации определяем по формуле
г_ном = -89,91Kp + 85,32 (3)
5. Удельное воздушное сопротивление определяем по формуле
DPfe =2444867Kp5 -9001730Kp4 +13250767Kpä -9744929Kp +3579917Kp-525516
(4)
6. Удельное гидравлическое сопротивление определяем по формуле
DP г = 0,00125e169Kp (5)
Полученные в результате проведенных экспериментальных исследований расчетные зависимости позволяют определять основные характеристики фильтроэлемента - номинальную тонкость фильтрации, удельное воздушное сопротивление и гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента, на основе оптических характеристик.
• Проведенные экспериментальные исследования показали, что определение основных параметров фильтроэлементов из нетканых волокнистых полимерных материалов с использованием оптического метода является простым в использовании.
Выполненную конструкцию измерительной ячейки для определения оптических характеристик фильтрующего элемента и описанную методику расчета основных параметров фильтрующих элементов возможно эффективно использовать на практике.
Оптический метод контроля с достаточной для практических целей точностью, позволит определять основные параметры фильтрующих элементов.
Исследование показало, что использование оптического метода контроля фильтрующих элементов из нетканых волокнистых полимерных материалов позволяет определять основные рабочие параметры фильтроэлемента с наименьшими временными затратами.
Литература
1. Христофорова М.И., Хролынцев А.А., Яковлева О.В. Поиск оптимальных параметров фильтрующего слоя для элементов из нетканого полимерного волокнистого материала //Наукоемкие технологии. 2016. Т.17 №5. С. 6973
2. ГОСТ Р 50554-93. Промышленная чистота. Фильтры и фильтрующие элементы. Методы испытаний.1994. - 3 с.
3. ГОСТ Р ИСО 16889-2011. Гидропривод объемный. Фильтры. Метод многократного пропускания жидкости через фильтроэлемент для определения характеристик фильтрования. 2012. - 3 с.
4. ГОСТ 115902.1-80. Полотна текстильные нетканые. Методы определения линейных раз-
меров и поверхностной плотности. М.: Издательство стандартов. 1980. - 4 с.
5. Кузнецова О.В., Стрельникова С.Ю., Яковлева О.В., Хролынцев А.А. Методы косвенного контроля параметров фильтрующих элементов из нетканых волокнистых полимерных материалов/наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Всероссийской научно-технической конференции, 2017 г. Т. 2. - Калуга: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. - С. 18-21
6. Леонтьев Н.Е. Основы теории фильтрации: Учеб. пособие. - М.: Изд-во Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ, 2009. - 88 с.
7. Маскет М. Течение однородных жидкостей в пористой среде // Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований. 2004. [Электронный ресурс]. URL: https://rucont.ru/file.ashx?guid=484db1be-cd0b-4b1a-88fb-f13fb75321b5 (дата обращения: 10.10.2018).
Application of the optical control method for assessment of the parameters filtering elemetov from nonwoven fibrous polymeric fabrics Kuznetsova O.V., Strelnikova S.Yu., Khrolintsev A.A., Yakovleva O.V.
Moscow State Technical University named after Nikolai Ernestovich Bauman (National Research University), JSC "Filter"
Filter elements made of fibrous polymeric materials are widely used in microfiltration processes. They play a special role in the technological processes of water purification, since these elements most often serve as a kind of protection for membrane modules. At present, newest filtering elements from nonwoven fibrous polymeric materials are used for wastewater treatment, the use of existing production quality control methods slows down the technological process of their manufacture, and therefore it is necessary to study new, less labor-intensive quality control methods.The article is devoted to the study of the optical method of monitoring the basic parameters of liquid filter elements of non-woven fibrous polymeric materials in their manufacture. To determine the effectiveness of the optical control method, a study was conducted using a measuring cell, a schematic diagram of which is given in the article. A series of experiments to determine the parameters of liquid filter elements using this method was carried out. As a result of the study, dependences were obtained that allow determining the nominal filtration fineness and hydraulic resistance to liquid and gas flows for filtering elements made of nonwoven fibrous polymeric materials. It is shown that the use of dependencies will greatly simplify the process of quality control of the production of filter elements. The study showed that the use of an optical control method for filtering elements made of non-woven fibrous polymeric materials allows determining the main operating parameters of the filter element with the least amount of time. Keywords: filter element, optical control method, nominal filtration fineness, hydraulic resistance, optical characteristics, photocell illumination. References
1. Khristoforova M.I., Khrolintsev A.A., Yakovleva O.V. Search for the optimal parameters of the filter layer for elements of non-woven polymeric fibrous material // High technology. 2016. T.17 №5. Pp. 69-73
X X О го А С.
X
го m
о
ю 2
М О
to
2. GOST R 50554-93. Industrial cleanliness. Filters and filter elements. Test methods. 1994. - 3 s.
3. GOST R ISO 16889-2011. The hydraulic actuator is volumetric. Filters. The method of repeated transmission of fluid through the filter element to determine the filtration characteristics. 2012. - 3 p.
4. GOST 115902.1-80. Cloths textile nonwoven. Methods for determining linear dimensions and surface density. M .: Publishing house of standards. 1980. - 4 p.
5. Kuznetsova O.V., Strelnikova S.Yu., Yakovleva O.V., Khrolintsev A.A. Methods for indirect control of the parameters of filtering elements of non-woven fibrous polymeric materials // High technology in instrumentation and mechanical engineering and the development of innovation in high school: materials of the All-Russian Scientific and Technical Conference, 2017. V. 2. - Kaluga: MGTU im. N. E. Bauman, 2017. - p. 18-21
6. Leontiev N.E. Fundamentals of the theory of filtration: Textbook. allowance. - M .: Publishing house of the Center for Applied Research at the Faculty of Mechanics and Mathematics, Moscow State University, 2009. - 88 p.
7. Masket M.. Flow of homogeneous liquids in a porous medium
// Moscow-Izhevsk: Institute of Computer Science. 2004. [Electronic resource]. URL:
https://rucont.ru/file.ashx?guid=484db1be-cd0b-4b1a-88fb-f13fb75321b5 (appeal date: 10/10/2018).
