WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В результате установлено, что увеличение содержания в шихте сажи требует повышения давления ее прессования, оказывает положительное влияние на процессы инициирования и снижает размер пор конечного продукта. При добавлении в шихту газифицирующей добавки до 1-1,5 % размер образца в радиальном направлении увеличивается в 2,5-3,2 раза. Оптимальной является реакционная смесь следующего состава, масс. %: порошок титана – 57-65; сажа – 33,5-42,5; тетраборнокислый натрий – 0,5-1,5.

Разработанная технология получения пористого фильтроэлемента признана изобретением.

Теоретические исследования гидродинамических процессов в пористых элементах. Из анализа литературных источников следует, что в состав ОГ машин наряду с токсичными продуктами входят и полидисперсные загрязнения механического происхождения, шламы, эмульгаторы, карбены, карбоиды, способные закупоривать каналы фильтрующей перегородки. Поэтому в настоящей работе течение ОГ в пористой СВС-структуре рассматривалось как сплошной запыленный поток.

В качестве стандартных показателей эффективности пористой структуры карбида титана приняты пористость (), газопроницаемость (K) и удельная поверхность пор (Sуд). В результате работ, выполненных Удлером Э.И. и его научной школой для неупорядоченного расположения частиц пористой структуры, характерного и для СВС-структур, получены математические модели, связывающие проницаемость и пористость с размерами частиц (dч) и пор (dп):

;, (3)

где k – величина, зависящая от плотности (пористости) структуры.

Экспериментально установлено, что для СВС-структуры с различным содержанием сажи эта величина колеблется от 5 до 6,5. Тогда зависимости (3) примут вид

; (4)

(5)

Учитывая, что течение ОГ в системе выпуска машин имеет два характерных режима (ламинарное и турбулентное), зависящие от скоростного режима двигателя, его можно описать двумя безразмерными критериями, предложенными Удлером Э.И. для корпускулярных структур, т.е.

. (6)

Левая часть равенства (6) есть коэффициент гидравлического сопротивления (), а правая – обратная величина числа Рейнольдса (1/Re). После некоторых преобразований для пористых СВС-структур получаем

; (7)

. (8)

Здесь – геометрический симплекс внутреннего подобия структуры реальной и фиктивной сред, имеющих одинаковую проницаемость.

Переходя к виду, исключающему фиктивный диаметр d, можно записать модифицированный коэффициент гидравлического сопротивления в виде

, (9)

где – модифицированный коэффициент гидравлического сопротивления; – модифицированный критерий Рейнольдса.

Для течения ОГ через СВС-структуру в ламинарном режиме критическое значение Reкр = 0,2-0,47, а допустимый удельный расход газа

, (10)

где - кинематическая вязкость ОГ.

Учитывая, что оптимальной формой фильтроэлемента является цилиндрическая, скорость ОГ на входе составит

, (11)

где rн и rв – наружный и внутренний радиусы цилиндрического фильтроэлемента; – динамическая вязкость. А перепад давления составит

, (12)

где Kэ – эквивалентный коэффициент газопроницаемости фильтроэлемента, условно состоящий из нескольких слоев плотной укладки; Q – пропускная способность пористой СВС-перегородки.

Для описания процесса фильтрации ОГ в СВС-элементах течение рассматривается как вязкое течение несжимаемой жидкости около шероховатой поверхности капилляров пористой структуры (рис.6).

Рис.6. Схема структуры СВС-элемента для расчета параметров

В этом случае процессу фильтрации ОГ может быть присущ один (или все одновременно) из следующих режимов:

- свободномолекулярное (Кнудсеновское) течение;

- вязкое (конвективное) и диффузионное течение в режиме сплошной среды;

- поверхностная диффузия.

Для Кнудсеновского режима среднюю скорость молекул газа можно представить в виде

, (13)

где – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура газов; р – давление ОГ на поверхность фильтроэлемента; – средняя масса молекул.

Вязкий режим течения ОГ неразрывно связан с диффузионным поглощением его компонентов как при перемещении по шероховатым поверхностям, так и внутри поровых каналов всего объема СВС-элемента.

Диффузионное течение возникает под воздействием градиента концентрации отдельных компонентов ОГ, градиента температуры газов и собственно структуры (термодиффузия), а также под воздействием внешних, инерционных сил (силовая диффузия).

Предполагая, что дорожных и строительных машин вязкое течение ОГ наиболее характерно, его моделирование проведено исходя из условия, что полная сила вязкого сопротивления компенсируется силой, обусловленной перепадом давления р на входе и выходе из СВС-фильтроэлемента. В этом случае вязкий поток представлен в виде

, (14)

где – плотность вязкого потока; – молекулярная плотность газа; В0 – параметр вязкого течения, характеризующий геометрию порового канала (В0 = r2/8); – динамическая вязкость газа; р – давление газа.

Примем пористую структуру СВС-элемента (рис.6) в виде набора непересекающихся цилиндрических капилляров радиусом r и длиной leff, и что каждая пора заканчивается отверстием площадью на внешней поверхности фильтроэлемента площадью А.

Тогда объем пор в фильтроэлементе объемом составит. При этом пористость

. (15)

Учитывая извилистость, параметр вязкого течения потока ОГ представлен в виде

. (16)

Введя коэффициент газопроницаемости из кнудсеновского течения

(17)

и объединяя вышеприведенные равенства,

, (18)

где k0 – фактор формы; – поправка на скольжение газа по поверхности перегородки; r – среднеквадратическое отклонение размера пор в структуре.

Основываясь на теории переноса газа в пористых средах Мейсона Э. и Малинаускаса А., для построения математической модели течения многокомпонентной смеси ОГ за основу принималось выражение некоторого импульса (р), полученного в определенный момент молекулой i-го компонента ОГ, с одной стороны при соударении со стенкой порового канала (капилляра), с другой – при столкновениях с молекулами других компонентов, представленного в виде

, (19)

где kB – постоянная Больцмана; - диффузионные потоки различных компонентов ОГ; Di, j – коэффициент концентрационной диффузии переноса компонентов i, j в пористой структуре фильтроэлемента.

Для случая неустановившегося режима работы бензинового двигателя дорожно-строительной машины модель течения ОГ представлена в виде системы уравнений для основных токсичных компонентов

(20)

Представленная система уравнений дает теоретическое представление о процессах очистки ОГ при прохождении через пористую СВС-структуру, тогда как модели, характеризующие пористость-извили­стость и коэффициент газопроницаемости в зависимости от среднеквадратического распределения пор, позволяют оценить структурные параметры пористого фильтроэлемента.

Результаты стендовых и лабораторных испытаний фильтров-нейтрализаторов. Экспериментально изучались зависимости расхода газа от перепада давления в СВС-фильтроэлементе, определялись размер пор, коэффициент газопроницаемости, пористости и локальные скорости фильтрации газов на безмоторном стенде (рис.2), а также эффективность фильтроэлементов по потере мощности, расходу топлива и концентрации токсичных веществ в ОГ на моторной установке с бензиновым двигателем.

Лабораторный стенд с подключением автоматизированной системы сбора и обработки измерительной информации и моторная установка дооборудовались измерительной аппаратурой и приборами в соответствии с ГОСТ 14846-81, ГОСТ 17.2.2.03-87 и ГОСТ Р 52033-03. На моторной установке применялся товарный бензин А-80 (ГОСТ 2084-77). Моторные испытания выполнены в трех нагрузочных режимах: холостом ходу (nmin), разгоне-торможении и номинальном ходу (nк.в. = 0,8 nном.).

Мощность двигателя (Nе) и расход топлива (gе) определялись известными методами. Размер пор вычислялся методом исследования микрофотографий по принципу Кавальери, коэффициент газопроницаемости – по ГОСТ 25283-82, коэффициент пористости – по методу вытеснения жидкости пористым телом (ГОСТ 25281-82).

Объем экспериментальной выборки подсчитан по ОСТ 37.001.043-72 при доверительной вероятности Р = 0,85.

Установлено, что размер пористой структуры из карбида титана зависит от содержания в шихте сажи и подчиняется нормальному закону распределения в структурах С/Ti = 0,40 и С/Ti = 0,65 с газифицирующей добавкой (ГФД) до 1-1,5 %. При этом размер пор колеблется в пределах 110-330 мкм при средней их величине 215 мкм. С увеличением в исходной шихте Ti до 70 % содержание «крупных» пор увеличивается в 1,7-2,0 раза. Это объясняется, видимо, тем, что при снижении доли частиц углерода, пропитанных расплавленным титаном, увеличивается время его пребывания в жидком состоянии вследствие снижения скорости синтеза (реагирования) и вязкости смеси, т.е. происходит "разбавление" конечного продукта титаном. В образце С/Ti = 0,90 до 80 % составляют поры размером 10-70 мкм, распределение которых отличается от нормального. При изменении ГФД Na2B4O7 10H2O от 0,2 до 2,0 % (масс) объем конечного СВС-продукта увеличивается с 1,5 до 3,3 раза.

Получены зависимости расходных характеристик образцов фильтро­элементов из TiC с различным содержанием углерода. При тесноте связи r = 0,99 эти зависимости имеют вид:

, м3/с;

, м3/с; (21)

, м3/с.

Из (21) следует, что наименьшим сопротивлением течению газов обладает пористая структура С/Ti с содержанием углерода 65 %, наибольшим – с 40 %.

Скорости течения газов, коэффициент газопроницаемости и пористости представлены в табл.1.

Характеристики пористой структуры СВС-карбида титана

Таблица 1

Состав

реакционной

смеси (шихты), %

Коэффициент

газопроницаемости

K,, м2 (Дс)

Скорость

течения газов через пористую СВС-структуру, м/с

Коэффициент пористости,

0

С

Ti

ГФД

40

58

1,5

0,28

0,057

0,146

65

33

1,5

5,25

1,07

0,70

90

8

1,5

2,41

0,51

0,86

Низкое значение K при высокой пористости карбида титана с малым содержанием сажи объясняется высокой долей закрытых пор, которая может доходить до 90-100 %.

Увеличение содержания сажи до 65 % приводит к снижению размера пор, тогда как доля их открытости увеличивается, что и обеспечивает K до максимального значения, т.е. до 5,2 Дс. Дальнейшее увеличение сажи в шихте приводит к значительному снижению размера пор и некоторому снижению проницаемости.

Установлено также, что при толщине пористой перегородки СВС-карбида титана, равной 8-10 мм, скорость течения газов составляет 0,2-0,8 м/с, что соответствует скорости течения ОГ двигателей машин в реальных условиях.

Результаты стендовых испытаний подтвердили справедливость полученных теоретических выражений (7), (8), (11), (18).

Динамика изменения концентрации загрязняющих веществ в ОГ моторной установки (рис.7) показала, что при включении в систему выпуска только механической ступени СВС-фильтра концентрация СО снижается на 15-20 %, СnHm на 30 %, тогда как при включении и механической (первой) и окислительной (второй) ступеней СО снижается в 2-2,5 раза, СnHm – в 7,2 раза и ни-

же, вплоть до требований ГОСТ 17.2.2.03-87. При этом мощность двигателя снижается на 3-5 %, а расход топлива увеличивается до 5 %. Дополнительный подогрев ОГ перед входом в СВС-фильтр обеспечивает снижение СО и СnHm до уровня требований Евро-2.

Рис.7. Динамика изменения концентрации вредных веществ ОГ моторной установки УМЗ-451М:

1 – без нейтрализатора;

2 – одна (механическая) ступень фильтра-нейтрализатора;

3 – фильтр в сборе (две ступени) без дополнительного подогрева ОГ;

4 – то же с подогревом.

Разработка пористых фильтров-нейтрализаторов отработавших газов машин. В настоящей работе разработан фильтр-нейтрализатор для широкого класса строительных машин, устанавливаемый в систему выпуска ОГ. Диаметры СВС-элементов выбраны исходя из установленных зависимостей расходных характеристик от толщины пористой перегородки, их взаимного расположения в штатном корпусе с сохранением площадей поперечных сечений на всех этапах течения ОГ. При этом высота отдельного элемента не превышает двух диаметров, что соответствует общепринятым условиям при проектировании фильтров.

Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований, рассчитан объем ОГ, поступающих в фильтр-нейтрализатор и необходимый объем пористой массы (Vп.м.), который, например, для бензинового двигателя ЗИЛ-508.10 составил 0,00437 м3. Тогда общая длина фильтроэлементов при принятых наружном (rн) и внутреннем (rв) радиусах составила 1,16 м. Принята схема фильтра-нейтрализатора с размещением фильтроэле-

ментов в корпусе в два ряда. Длина каждого фильтроэлемента составила 0,1 м, а сумма их – 11 штук. Один фильтроэлемент установлен в механической ступени, а десять – в окислительной (рис.8).

Для изготовления фильтроэлементов потребовалось порошка титана в пределах 2 кг 750 г с учетом пористости = 0,7-0,8.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»