Аннотация. Разработана глобулярная модель пористого тела, позволяющая рассчитывать основные свойства порошковых фильтрующих материалов в зависимости от строения их поровой структуры. Приведены методики вывода уравнений для расчета структурных и гидродинамических свойств порошковых фильтрующих материалов. Выполнен расчет свойств однородных и градиентных структур.
Введение. Современные предприятия агропромышленного комплекса не могут обойтись без применения фильтрующих материалов, используемых как для достижения требуемого качества производимой продукции, так и для обеспечения безотказной работы оборудования. Особое место среди этих материалов занимают фильтрующие материалы на основе металлических порошков, являющиеся монопольной составляющей порошковой металлургии. Порошковые фильтрующие материалы (ПФМ), представляющие собой образованные порошковыми частицами пористые тела, обладают высокой тонкостью очистки и коррозионной стойкостью, способны подвергаться обработке резанием, давлением, пайке, склеиванию, многократной регенерации, устойчивы к резким колебаниям температуры.
Необходимым этапом при разработке новых процессов получения ПФМ является прогнозирование основных свойств разрабатываемых материалов (пористости, коэффициента проницаемости, размеров пор), которые непосредственно определяют эффективность их эксплуатации, в частности, при разработке получивших в последние годы наибольшее развитие методов создания ПФМ с градиентной структурой. К таким материалам, в первую очередь, относятся многослойные ПФМ, у которых каждый слой выполняется из порошков различного размера. По сравнению с изотропными материалами многослойные обеспечивают существенные улучшения комплекса эксплуатационных свойств, повышая эффективность применения и расширяя диапазон их использования. На рисунке 1 схематично представлены структуры ПФМ с градиентной структурой пор, полученные различными методами.
Результаты исследований. В данной работе предложена физико-математическая модель для описания структурных (пористости, удельной поверхности, размеров пор) и гидродинамических (коэффициент проницаемости) свойств ПФМ, основанная на глобулярном представлении пористого тела, которая, в отличие от известных [1, 2], состоит из сферических частиц различного диаметра и характеризуется функцией распределения частиц f (D, х, у, z), где D — диаметр частиц; х, у, z — пространственные координаты. Эта функция при заданных значениях D, х, у, z показывает, какую часть элементарного объема δV с координатами центра х, у, z составляет объем dVD, занимаемый частицами с диаметром в интервале D, D + dD, и определяется из соотношения:
Рисунок 4 – Зависимость коэффициента проницаемости от размеров пор (а) и параметра эффективности E1 (б) ПФМ с однородной (1) и градиентной (2, 3) структурой пор.
В третьем случае использовали зависимости (39) и (21). Как и для двухслойного ПФМ при расчете размера пор, полагали, что он, во-первых, определяется минимальными размерами частиц, а, во-вторых, находится в сечении, где пористость П2(z) минимальна. В рассматриваемом случае D1/D2=10; П1=0,4; П2=0,76 на одной из граней ПФМ и увеличивается по толщине ПФМ до единицы по закону П2(z)=0,76+0,24(7z/3h).
Проведенные расчеты наглядно доказывают, что ПФМ с градиентной структурой обладают гораздо более высокой проницаемостью при сохранении тонкости очистки; при этом параметр эффективности E1 возрастает почти в 2 раза.
Выводы. Разработана глобулярная модель пористого тела, состоящего из сферических частиц различного диаметра, описываемых функцией распределения. Модель позволяет рассчитывать основные свойства порошковых фильтрующих материалов в зависимости от строения их поровой структуры. На конкретных примерах приведены методики вывода уравнений для расчета структурных и гидродинамических свойств ПФМ. Выполненный расчет свойств однородных и градиентных структур, подтвердил преимущество последних.
Литература
- Хейфец, Л.И. Многофазные процессы в пористых средах / Л.И. Хейфец, А.В. Неймарк. – Москва: Химия, 1982. – 320 с.
- Карнаухов, А.П. Глобулярная модель пористых тел корпускулярного строения. 1. Характеристика модели / А.П. Карнаухов // Кинетика и катализ. – – Т. 12. –№ 5. – С. 1235–1242.
- Белов, С.В. Пористые металлы в машиностроении //С. В. Белов. Москва: Машиностроение, 1976. – 184 с.
- Витязь, П.А. Фильтрующие материалы: свойства, области применения, технология изготовления / П.А. Витязь, В.М. Капцевич, Р.А. Кусин. Минск : НИИ ПМ с ОП, – 304 с.