Federal Educational and MethodologicalAssociation in the System of Higher Education «Technospheric Safety and Environmental Management» (Associate Professor)
Moskva, Moscow, Russian Federation
In this paper have been presented a new model of the porous structure, as well as an analysis of possibilities of a new method for experimental investigation of porous permeable materials and determination of their structural characteristics. An analysis for the majority of used in analytical calculations geometric models for a porous medium has been presented, and a model for a porous material in the form of porous matrix’s elementary cells has been proposed. Each of the cells contains a capillary channel with a variable cross-section. Volumetric structural characteristics, as well as dependencies of surface structural characteristics over the porous matrix’s thickness, are identical to these parameters, which have been obtained during the experimental study of a porous material. As a result of use of an original experimental technology offered by authors, and of experiment processing the porous matrix’s structure can be completely defined. The problem of creating an experimental setup, allowing determine the porous matrix’s characteristics, has been formulated. One of possible options for the experimental stand has been considered.
geometric model, capillary pressure, capillary sampling device, capillary scanning, porous matrix, porous metal, liquid and gas separation, filtration.
1. Обзор применения проницаемых материалов
Исследование свойств, производство и применение пористых материалов в различных сферах человеческой деятельности является актуальным и неуклонно расширяется [1]. Пористые металлические материалы используются в технике для создания прочных и легких деталей в транспортном машиностроении [2]. Инновации в защите здоровья человека и охране окружающей среды являются одной из реальных возможностей внедрения пористых материалов [3]. Фильтрование продуктов горения угля и мазута позволяет снизить вероятность возникновения смога. Подготовка питьевой воды, жидких продуктов питания, а также технических жидкостей требует их фильтрования. Очистка жидких стоков включает в себя сепарацию твердых частиц. Для производства фильтров используются проницаемые материалы, в том числе и пористые металлы. Они наиболее востребованы при изготовлении фильтрующих элементов, которые входят в комплектацию фильтров [4]. Такие детали должны обеспечивать заданную эффективность очистки, что определяется тонкостью фильтрации, определяемой диаметром пор. Их величина измеряется экспериментально и, во многих случаях, зависит от эквивалентного капиллярного диаметра пор, определение которого менее трудоемко. При этом фильтровальные материалы должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением и необходимой прочностью. Тканые металлические сетки, в частности, плотные сетки с нулевыми ячейками, у которых скважность равна нулю, т.е. утки контактируют друг с другом, не образуя просветов, можно также отнести к пористым металлам. Они широко используются в конструкциях фильтров [5]. Основная номенклатура сеток предназначена именно для очистки жидкостей. Пористые сетчатые материалы, изготовленные из таких сеток со степенями деформации до 40%, имеют удовлетворительные расходные и прочностные характеристики и лучшую тонкость фильтрации [6]. Такие качества определяют перспективность их применения для очистки текучих сред. Предельно жесткие требования по надежности работы предъявляются к фильтрам авиационных и ракетных агрегатов и двигателей. Проницаемые листы, изготовленные из тканых металлических сеток, нашли широкое применение в таких изделиях [7]. Кроме того, проницаемые пористые металлы широко используются в машиностроении [8] и в других отраслях производства. Основное применение деталей и узлов, состоящих из пористых металлов, имеет место в следующих областях. Проникающий (транспирационный) и межканальный способы охлаждения [9] базируются на транспирационных свойствах пористых металлов, которые используются для изготовления основных деталей [10].
1. Poroshkovaya metallurgiya v Belarusi: vyzovy vremeni = Powder Metallurgy in Belarus: challenges of time [Powder metallurgy in Belarus: challenges of time]. Natsional’naya akademiya nauk Belarusi, Gosudarstvennoe nauchno-proizvodstvennoe ob»edinenie poroshkovoy metallurgii [National Academy of Sciences of Belarus, State Scientific and Production Association of Powder Metallurgy]. Minsk: Belaruskaya navuka Publ., 2017. 531 p. (in Russian)
2. Krushenko G. G. Poluchenie i primenenie poristykh metallicheskikh materialov v tekhnike [Production and use of porous metal materials in engineering]. Vestnik SibGAU imeni akademika M. F. Reshetnikova [Bulletin SibGAU named after Academician MF. Reshetnikova]. 2012, I. 3 (43), pp. 124-127. (in Russian)
3. Tumilovich M. V. Poristye poroshkovye materialy dlya zashchity zdorov’ya cheloveka i okhrany okruzhayushchey sredy: poluchenie, svoystva, primenenie [Porous powder materials for the protection of environmental health of the person and the protection of the environment: obtaining, properties, application]. Minsk: Belarusskaya Navuka Publ., 2010. 365 p. (in Russian)
4. Novikov Yu.M. Inzhenernaya shkola MGTU im. N. E. Baumana: kombinirovannye poristye setchatye materialy. Effektivnye, bezopasnye i ekologichnye izdeliya na ikh osnove [School of Engineering MSTU. N. E. Bauman: combined porous mesh materials. Effective, safe and environmentally friendly products based on them]. Bezopasnost’ zhiznedeyatel’nosti [Life Safety]. 2015, I. 11, pp. 53-56. (in Russian)
5. Devisilov V. A. Metallicheskie provolochnye setki dlya fil’trovaniya zhidkostey i gazov. Strukturnye kharakteristiki i ikh raschet [Metal wire mesh for filtering liquids and gases. Part 1. Structural characteristics and their calculations]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Safety in the Technosphere]. 2009, I. 3, pp. 46-55. (in Russian)
6. Sinel’nikov Yu. I. Poristye setchatye materialy [Porous Mesh Materials]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1983. 62 p. (in Russian)
7. Spiridonov V. S. Fil’troval’nye peregorodki iz spechennykh metallicheskikh setok dlya vstroennykh fil’trov aviatsionnykh gidrosistem [Sintered metal mesh filter partitions for built-in aviation hydraulic filter systems]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Safety in the Technosphere]. 2015, I. 4, pp. 39-45. (in Russian)
8. Belov S. V. Poristye metally v mashinostroenii [Porous Metals in Machine Building]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1981. 247 p. (in Russian)
9. Sintsov A. L. Effektivnost’ teploobmena v poristykh elementakh konstruktsiy zhidkostnykh raketnykh dvigateley [Heat transfer efficiency in porous structural elements of liquid rocket engines]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii [Engineering Journal: Science and Innovations]. 2013, I. 4. Available at: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/698.html (in Russian)
10. Pelevin F. V. Gidravlicheskoe soprotivlenie poristykh metallov [Hydraulic resistance of porous metals]. Izvestiya VUZov. Mashinostroenie [Izvestiya VUZ. Engineering]. 2016, I. 2, pp. 42-46. (in Russian)
11. Zubkov N. N. Gidravlicheskie kharakteristiki poristykh metallov dlya sistem pronikayushchego okhlazhdeniya [Hydraulic characteristics of porous metals for penetrating cooling systems]. Teplofizika vysokikh temperature [High Temperature Thermal Physics]. 2010, V. 48, I. 2, pp. 250-256. (in Russian)
12. Sintsov A. L. O matematicheskikh modelyakh protsessov poristogo okhlazhdeniya [On Mathematical Models of Porous Cooling Processes]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal [Engineering Physics Journal]. 1987, V. 53, I. 2, pp. 243-249. (in Russian)
13. Sintsov A. L. Kapillyarnye sistemy otbora zhidkosti iz bakov Kosmicheskikh letatel’nykh apparatov [Capillary systems for the selection of fluid from the tanks of spacecraft]. Moscow: UPNTs «Energomash» Publ., 1997. 328 p. (in Russian)
14. Novikov Yu. M. Stabil’nost’ parametrov sozdannykh iz kombinirovannykh poristykh setchatykh materialov dlinnomernykh kapillyarnykh ustroystv dlya zabora komponentov topliva [Stability of parameters of lengthy capillary devices created from combined porous mesh materials for collecting fuel components]. Izvestiya VUZov. Mashinostroenie [News of universities. Engineering]. 2015, I. 1, pp. 124-127. (in Russian)
15. Tret’yakov A. F. Issledovanie mekhanicheskikh i tekhnologicheskikh svoystv listovykh poristykh setchatykh materialov iz stali 12Kh18N10T [Investigation of mechanical and technological properties of porous sheet mesh materials of steel 12X18H10T]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii [Engineering Journal: Science and Innovations]. 2016, I. 6. Available at: http://engjournal.ru/articles/1498/1498.pdf (accessed 15 June 2017). (in Russian)
16. Spiridonov V. S. Vliyanie sposoba perepleteniya na gidravlicheskie kharakteristiki provolochnykh tkanykh setok [Influence of the method of weaving on the hydraulic characteristics of wire woven nets]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Security in the Technosphere]. 2017, V. 6, I. 3, pp. 18-23. (in Russian)
17. Tret’yakov A. F. Issledovanie vliyaniya konstruktivnykh i tekhnologicheskikh parametrov na udel’nuyu prochnost’ poristykh setchatykh materialov [Study of the influence of structural and technological parameters on the specific strength of porous mesh materials]. Izvestiya VUZov. Mashinostroenie [Proceedings of the Universities. Engineering]. 2017, I. 12, pp. 30-34. (in Russian)
18. Moskalev P. V. Matematicheskoe modelirovanie poristykh struktur [Mathematical modeling of porous structures]. Moscow: FIZMATLIT Publ., 2007, 120 p. (in Russian)
19. Sintsov A. L. Tenzornyy zakon Darsi dlya tkanykh setok plotnogo tipa [The tensor Darcy law for woven nets of dense type]. Izvestiya akademii nauk SSSR. Mekhanika zhidkosti i gaza [News of the USSR Academy of Sciences. Fluid and gas mechanics]. 1985, I. 4, pp. 77-85. (in Russian)
20. Sintsov A. L. Raschet tonkosti fil’tratsii i drugikh kharakteristik tkanykh setok [Calculation of filtering fineness and other characteristics of woven meshes]. Poroshkovaya metallurgiya [Powder Metallurgy]. 1983, I. 10, pp. 68-72. (in Russian)
21. Sintsov A. L. Koeffitsient teploobmena v pakete setok. Geometricheskaya model’ setki. Poristost’, udel’naya poverkhnost’ [Heat transfer coefficient in a grid package. Geometric model mesh. Porosity, specific surface area]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [Proceedings of higher educational institutions. Engineering]. 1983, I. 11, pp. 45-49. (in Russian)
22. Sintsov A. L. Diametr por poristogo metalla iz tkanykh setok [Diameter of pores of porous metal from woven meshes]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal [Engineering Physics Journal]. 1984, V. XLVII, I. 5, pp. 825-831. (in Russian)
23. Armour J. C. Fluid Flow Through Woven Screens / J. C. Armour, J. N. Cannon // AIChE journal. 1968. V 11, I. 3, P. 413-420.
24. Sintsov A. L. Tkan’ dlya fil’tra [Filter cloth]. Avtorskoe svidetel’stvo SSSR № 1346198 [USSR Author’s Certificate No. 1346198]. 1987. (in Russian)
25. Sintsov A. L. Raschet okhlazhdeniya poristoy metallicheskoy stenki, izgotovlennoy spekaniem chastits sfericheskoy formy [Calculation of cooling of a porous metal wall made by sintering spherical particles]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie [News of higher educational institutions. Engineering]. 1985, I. 1, pp. 51-55. (in Russian)
26. Sintsov A. L. Sposob opredeleniya strukturnykh kharakteristik pronitsaemykh materialov i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya [Method for determining structural characteristics of permeable materials and device for its implementation]. Patent RF № 2386900 [Patent of the Russian Federation No. 2386900]. 1994. (in Russian)
