Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследований качества и надежности текстильных материалов для фильтрации горячих газов . 12
1.1 Ассортимент фильтрующих материалов и волокон, применяемых для улавливания горячих газов. 13
1.1.1 Характеристика отечественных и зарубежных термостойких фильтрующих материалов. 13
1.1.2 Физико - механические и физические свойства волокон, применяемых для изготовления термостойких фильтрующих материалов. 19
1.1.3 Характер воздействия температуры на синтетические и минеральные волокна. 22
1.2 Анализ существующих методик по прогнозированию физико-механических и фильтрационных свойств материалов . 29
1.3 Оценка нормируемых показателей качества фильтрующих материалов. 32
1.3.1 Структурные характеристики нетканых фильтрующих материалов. 34
1.3.2 Фильтрационные характеристики нетканых материалов. 41
ГЛАВА 2. Методика выполнения работы. 46
2.1. Отбор образцов для испытаний. 46
2.2. Определение структурных характеристик полотна. 46
2.3. Определение толщины полотна. 47
2.4. Определение усадки полотна в горячем воздухе. 47
2.5. Определение жесткости полотна . 48
2.6. Определение прочности полотна при растяжении, 48
2.7. Определение воздухопроницаемости. 49
2.8. Определение показателей фильтрации полотна. 50
2.9. Планирование и анализ результатов эксперимента, 52
ГЛАВА 3. Разработка методов и исследование структурных характеристик нетканых фильтрующих материалов 59
3.1. Обоснование выбора объекта исследования. 59
3.2. Исследования структурных свойств нетканых фильтрующих материалов. 61
3.2.1. Исследования нетканых фильтрующих материалов с целью определения их эффективной пористости. 62
3.2.2. Исследования нетканых фильтрующих материалов с целью определения их толщины в свободном состоянии . 67
3.2.3. Определение эффективной пористости нетканых фильтрующих материалов в свободном состоянии. 82
ГЛАВА 4. Исследование фильтрационных свойств нетканых фильтрующих материалов . 85
4.1. Анализ нетканых фильтрующих материалов по фракционной эффективности очистки. 85
4.2. Анализ нетканых фильтрующих материалов по воздухопроницаемости, 99
ГЛАВА 5. Исследование влияния термовоздействия на физико-механические и фильтрационные свойства нетканых материалов . 100
5.1 Отсеивающий эксперимент. 100
5.2 Исследование влияния термовоздействия на физико-механические характеристики нетканых фильтрующих материалов . 101
5.2.2 Исследование влияния термовоздействия на жесткость нетканых фильтрующих материалов при изгибе. 113
5.2.3 Исследование влияния термовоздействия на усадку нетканых фильтрующих материалов. 115
5.3 Исследование влияния термовоздействия на фильтрационные характеристики нетканых фильтрующих материалов. 126
5.3.1 Исследование влияния термовоздействия
5.3.2 Исследование влияния термовоздействия на эффективность очистки нетканых фильтрующих материалов. 132
ГЛАВА 6. Комплексная оценка, зксгшуаталдионньіх свойств нетканых фильтрующих материалов для очистки горячих газов и технико-экономический эффект от внедрения результатов исследования . 140
6.1 Комплексная оценка эксплуатационных свойств исследованных фімьтрующих материалов. 140
6.2 Разработка конструкции и изготовление рукавного фильтра. 145
6.3 Результаты внедрения и технико-экономический эффект. 145
Общие выводы по работе. 146
Список литературы, 151
- Анализ существующих методик по прогнозированию физико-механических и фильтрационных свойств материалов
- Определение жесткости полотна
- Исследования нетканых фильтрующих материалов с целью определения их толщины в свободном состоянии
- Исследование влияния термовоздействия на физико-механические характеристики нетканых фильтрующих материалов
Анализ существующих методик по прогнозированию физико-механических и фильтрационных свойств материалов
В настоящее время имеется достаточно большое количество работ, посвященных исследованиям за поведением материалов при фильтрации [1.1], [1.4Н1.6], [1.8], [1-Ю], [1.14И1.25], [1.29] - [1.34], [2.1], [2.2], [2.6], [2.7], [2.9], [2.12], [4.2], [4.3] и др. Это позволило ввести нормирующие показатели качества и методики их определения. Однако с расширением области применения и ассортимента НФМ, существующие методики часто являются недостаточными и требуют уточнения и доработки. Так, автором работы [2.7] в результате производственных испытаний была изучена топография износа тканей в рукавных фильтрах и разработана номенклатура характеристик механических свойств, оценивающих качество тканей для рукавных фильтров. В предлагаемую номенклатуру, по мнению автора, необходимо включить 5 характеристик: выносливость при многократном изгибе, устойчивость к истиранию, величину остаточной деформации после 50 000 циклов многократного растяжения, стойкость к раздвигаемости нитей и воздухопроницаемость. Прогнозирование поведения тканей в рукавных фильтрах осуществляется с помощью обобщенного комплексного показателя - площадь «многоугольника качества».
В данной работе исследования направлены в основном на анализ износостойкости рукавных фильтров под действием различных факторов. Автором изучено поведение тканей при термовоздействии, однако не уделено внимания такому явлению, как усадка полотна. Определение этого параметра важно при оценке свойств фильтрующих материалов, так как термоусадка влечет за собой структурные изменения текстильных полотен, что в свою очередь влияет на их физико-механические и фильтрующие свойства. Также следует отметить отсутствие нормативно-технических документов по методике определения тепловой усадки фильтрующих материалов. Вопросам износостойкости фильтрующих материалов посвящены также работы [4.2], [4.3], [1.11], [2.6], [2.8], [3.15] и др. Изначально изучением износа фильтрующих материалов занимался автор работы. [2.6] В [2.6] был рассмотрен вопрос сравнительной оценки долговечности стеклотканей для рукавных фильтров. В работе данной представляет интерес созданная установка, позволяющая в лабораторных условиях оказывать одновременное воздействие на материал различных факторов, что адекватно отражает условия эксплуатации фильтроматериала. За критерий износостойкости автором предложена стойкость материала к многократным изгибам, а созданная им установка позволяла оценить изгибоустойчивость фильтрующего полотна в зависимости от воздействия таких факторов, как: влажность, высокая температура, химически агрессивные среды, пыль, постоянные растягивающие нагрузки.
Однако в данных работах [4.2], [4.3], [2.6], [2.7] не рассматриваются фильтрационные характеристики материалов, которые имеют первостепенное значение в оценке работоспособности фильтрующих материалов. Показатели, характеризующие фильтрационную способность иглопробивных нетканых материалов, характеристики строения и структуры, а также характеристики механических свойств изучены автором работы. [2.9] Была предложена номенклатура показателей качества и разработаны технические условия, включающие следующие показатели: ширина, толщина, поверхностная плотность, пористость, прочность на продавливание, воздухопроницаемость, чистота фильтрации, неровнота по массе, нормированная влажность. Следует отметить, что в данной работе нет определенности в понятии чистота фильтрации. Чистота фильтрации здесь характеризует максимальный размер частиц загрязнений, определяемый по формуле где п - коэффициент отсева частиц данного размера; К и К0 - число частиц данного размера в единице объема воздуха до и после фильтрования. Однако для прогнозирования свойств фильтрующего материала недостаточно знать характеристику максимального размера частиц загрязнений. Обычно используют средний (медианный) размер частиц, оценивая тонкость фильтрации, а также абсолютную и номинальную тонкость фильтрации. К тому же часто необходимо иметь сведения об эффективности очистки материалов по различным фракциям пыли. В предлагаемых технических условиях отсутствует также такой важный показатель фильтрующих материалов, как термостойкость, значимость определения которого была описана выше. Исследования по определению термостойкости синтетических волокон и нитей проведены в работах [2.3], [2.4], [2.5], [2.10]. В работе [2.5] автор рассматривает вопросы влияния термостарения на физико-механические свойства нитей и пряжи (прочностные характеристики, жесткость, усадка, деформационные характеристики). Затронут также вопрос о воздействии термостарения на свойства текстильных полотен. Автором предложена методика оценки термостойкости текстильных полотен. В методике термостойкость материалов оценивается по показателям изменения соответствующего свойства при изменении температуры. Однако предложенная методика имеет обобщенный характер и не рассматривает специфику изменения свойств фильтрующих материалов.
Методика отличается также некоторой трудоемкостью (время выдержки образцов в термокамере составляет 300 часов). Интервал температур, в котором изучалось изменение свойств нитей, пряжи и полотен был выбран в [2.5] 120-180С. Представляет интерес исследование поведения синтетических фильтрующих материалов при кратковременных воздействиях более высоких температур (200С и выше). В настоящее время термостойкость технических тканей определяется по ГОСТ 29104.13-91 и ГОСТ 29104.14-91 [6.1], [6.2], однако они не распространяются на нетканые полотна, а также фильтрующие полотна и вследствие этого требуют доработки. Как уже отмечалось, в связи с расширением ассортимента фильтрующих материалов, растут требования, предъявляемые к качеству их изготовления. Это в свою очередь вызывает необходимость постоянного совершенствования нормативно-технической документации (НТД), по которой они выпускаются. В настоящее время основные виды фильтрующих материалов вырабатываются по техническим условиям (ТУ) и отраслевым стандартам. Появление на рынке новых термостойких фильтров на основе нетканых иглопробивных полотен различной структуры вызвало необходимость пересмотра существующей НТД, нормируемых показателей качества и методов их оценки. В отличие от тканей и трикотажа нетканые полотна характеризуются большим разнообразием способов изготовления и структурных элементов. Физико-механическая технология производства нетканых материалов основана на скреплении структурных элементов (волокнистого холста,
Определение жесткости полотна
Испытание на жесткость проводили по ГОСТ 10550-93 «Материалы текстильные. Полотна. Методы определения жесткости при изгибе» [6.7.]на приборе ПЖУ - 12 М методом кольца. Для испытания вырезали 5 продольных и 5 поперечных полосок из испытуемого полотна размером 125x25 мм. Измерение жёсткости производили шариками массой 0.88 г. при диаметре кольца 40 мм и прогибе кольца 20 мм. Жёсткость Р, сН (гс) по методу кольца вычисляли раздельно по продольному и поперечному направлениям пробных полосок по формуле где m - масса шарика, г; ПсР - среднее количество упавших шариков, При исследовании разрывных характеристик применяли ГОСТ 15902.3-79 «Полотна нетканые. Метод определения прочности». [6.8.] Разрывная нагрузка характеризуется усилием, выдерживаемым полосками при растяжении их до разрыва, удлинение при разрыве - приращением длины растягиваемой полоски в момент разрыва. Для определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве нетканого материала применяли разрывную машину с постоянной скоростью движения нижнего зажима РТ -250М - 2. Зажимную длину принимали равной 100 мм.
Среднюю разрывную нагрузку определяли в деканьютонах (даН), с точностью до 0,01 даН и округляют до 0,1 даН , а среднее разрывное удлинение - в % с точностью до ОД % с округлением до 1 %. Определение воздухопроницаемости проводили по ГОСТ 12088 - 77 «Материалы текстильные и изделия из них. Метод определения воздухопроницаемости». [6.9.] Сущность метода заключается в измерении объёма воздуха, проходящего через заданную площадь испытуемого материала за единицу времени при определенном разрежении под образцом. Для испытаний применяли прибор марки ВПТМ-2. Воздухопроницаемость (В) в дм /м .с каждого образца вычисляли по формуле где Q - средний расход воздуха по одному образцу, дм3/с. S -испытуемая площадь, см2. Средний расход воздуха Q по образцу находили путём перевода по тарировочной таблице, прилагаемой к прибору, среднего арифметического из всех замеров по дифференциальному манометру (мм сп. ст.) в дм3/с. 2,8. Определение показателей фильтрации полотна., Определение показателей фильтрации производили по ГОСТ 8002 - 74 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Воздухоочистители. Методы стендовых безмоторных испытаний». [6.10.] Испытания проводили на стенде для испытаний воздухоочистителей, схема которого представлена на рис. 2.2. Устройство и работа стендовой установки. Стендовая установка состоит из пыледозатора 1, обеспечивающего постоянную запыленность воздуха на входе в патрубок корпуса фильтра 2, в котором закреплен испытуемый образец НФМ. Для оценки пылеемкости и весового количества пыли, пропущенной НФМ, установлен «абсолютный фильтр» (фильтровальная бумага марки 712S-134 фирмы "Віп2Єг",Германия и ткань марки ФПП-Д) в корпусе 3. Рост сопротивления на НФМ и абсолютном фильтре определялся U-образными водяными манометрами 4, 5. Расход воздуха, поступающего в корпус фильтра, создавался вакуумным насосом 6 и определялся по расходомеру 7. Регулировка расхода воздуха осуществлялась вентилем 8. Отбор проб пыли, пропущенной НФМ, осуществлялся трубкой отбора проб 10 на мембранный фильтр 11. Расход воздуха через мембранный фильтр обеспечивался вакуумным насосом 12 и определялся по расходомеру 14. Отбор проб осуществлялся из условия изокинетичности потока в трубке отбора проб.
Определение среднего весового коэффициента пропуска пыли Етф, % производилось по формуле: где т1а.ф - масса абсолютного фильтра до испытаний, г; т2а ф - масса абсолютного фильтра после испытаний, г; ШІНФМ - масса нетканого фильтровального материала до испытаний, г; Ш2НФМ - масса нетканого фильтровального материала после испытаний, г; ОПРЄДЄЛЄНИЄ Средней ВеСОВОЙ эффеКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ПЫЛИ 1(/ф, % осуществлялось по формуле: Начальная средняя эффективность очистки и фракционная эффекгивность очистки НФМ определялись при анализе ныли, поступившей на мембранный фильтр. Исследования дисперсного состава частиц пыли, осажденной на мембранном фильтре, проводились с помощью прибора лМС фирмы «Millipore» (Франция). Прибор лМС обеспечивает непосредственное наблюдение частиц в просматриваемом поле микроскопа и выводом изображения на экран монитора, осуществляет автоматический подсчет числа и размеров частиц, а также позволяет визуально оценивать форму частиц и степень их коагуляции. Прибор позволяет определять размеры отдельных частиц с помощью светового карандаша. Точность измерения 1,5-2,7% в зависимости от размера и материала частиц. Для получения более достоверных результатов просматривали 10 различных полей на каждом образце. Для изучения процессов фильтрации и построения многофакторных нелинейных математических моделей в работе был проведен ротатабельный центральный композиционный эксперимент (РЦКЭ). [1.28.] - [1.30.] Эксперимент проводили по матрице, включающей три группы опытов, которые расположены симметрично на разном расстоянии от центра эксперимента, поэтому он называется центральным композиционным экспериментом. РЦКЭ проводится чаще всего с целью описания «почти стационарного» участка поверхности отклика. В этом случае адекватной регресионной многофакторной моделью (РМФМ) является полином второго порядка:
Исследования нетканых фильтрующих материалов с целью определения их толщины в свободном состоянии
Толщина нетканых материалов определяется по методике ГОСТ 12023=93 [6.3]. Ассортимент НФМ представлен полотнами различной жесткости, поэтому при воздействии на них сжимающего усилия, эти материалы ведут себя по-разному. Волокна, образующие структуру мягких рыхлых неплотных полотен, имеют большую подвижность, ввиду малой плотности упаковки, поэтому при нагружении материал легче сжимается. В этих условиях его толщина существенно отличается от толпщны в недеформированном состоянии, тогда как полотна жесткие и плотные при давлении изменяют свою форму незначительно. Поведение НФМ при воздействии нагрузки приведено на Рис.3.4 (а, б -мягкий материал - Образец№1, в,г - жесткий материал - Образец №2). Технические характеристики образцов приведены в табл.3.3 Образец №1 (Рис. 3.4 а) более рыхлый и мягкий материал, чем Образец №2. Волокна, образующие структуру данного полотна, имеют большую подвижность, ввиду малой плотности упаковки, поэтому при нагружении материал легче сжимается (Рис.3.46). В этих условиях его толщина значительно отличается от толщины в недеформированном состоянии (Рис 3.4 в), тогда как Образец №2 практически не изменяет свою толщину (Рис 3.4 г). Таким образом, для фиксирования толщины нетканого полотна в свободном состоянии недостаточно задаваться нагрузкой, одинаковой для всех материалов, т.к. представление о толщине в этом случае будет ошибочным.
Поэтому в практике обычно задаются несколькими значениями величины нагрузки и площадей давления при определении толщин НФМ (для более мягких нетканых материалов меньшие нагрузки и большие площади давления, а для более жестких большие нагрузки и меньшие площади давления, в соответствии с рекомендациями ГОСТ 12023-93), что вызывает неоднозначность в представлении толщины различных материалов. Определение толщины материала в свободном состоянии необходимо для решения инженерных задач (расчет конструкции фильтрующих установок, анализ физико-механических процессов, протекающих в фильтрах, оценка структурных характеристик), при этом для потребителей подобной продукции часто необходимо оценивать толщину материалов в недеформированном состоянии, которая часто существенно отличается от определяемой по ГОСТ. Кроме того, для анализа фильтрационных свойств материалов необходимо знать такой важный параметр, как пористость материала в свободном состоянии. Применяя значения толщиньї, измеренные по методике ГОСТ 12023, при расчете пористости возникают погрешности, связанные с деформацией материала во время измерения. С целью установления толщины НФМ в свободном состоянии в данной работе разработана методика [4.11], [4.12], приведенная в приложении 3. Испытания по определению зависимости толщины НФМ от нагрузки проводились на стендовой установке в лаборатории систем фильтрации НАТИ, схема которой приведена на рис.3.5. В качестве стандартных средств измерения были использованы индикатор часового типа марки ИЧ 50 по ТУ 2-034-611-74 с диапазоном измерения 50 мм и основной погрешностью измерения 15 мкм, лабораторные весы марки OWA labor фирмы Vor Feuch Hgkeit Schutzehl (Германия) с диапазоном измерения 0-10 кг и основной погрешностью измерения 0,5 г. Принцип работы установки. Испытуемый образец 5 помещают между прижимной площадкой 4 и платформой весов 6. Вращением винта нагружающего устройства 2 передается усилие на прижимную площадку от упругого элемента 3.
Передаваемое усилие на испытуемый материал фиксируется по измерительной шкале весов, а толщина материала по показаниям индикатора. Каждое измерение проводится с выдержкой 30 с. Результаты испытаний анализировались в программной оболочке Mathcad 2000 по специально разработанной программе (Приложение 4). Процесс деформации НФМ при нагружении приведен на рис. 3.6. На основании регрессионного анализа получены уравнения, описывающие зависимость толщины материала от величины давления. Как видно из рисунка, процесс деформации материала можно разделить на три фазы. Первая (а) обусловлена преимущественной деформацией выступающих на поверхность материала отдельных волокон. Вторая (б) характеризуется переходной зоной, когда происходит интенсивная деформация поверхностных волокон и начинается незначительная деформация основной структуры материала. Третья (в), при которой деформация поверхностных слоев волокон практически завершена и деформируется основная структура материала. Таким образом, за толщину фильтровального нетканого материала в свободном состоянии можно принять толщину, определяемую началом фазы деформации (в). Для математического описания этого процесса и более наглядного представления построена его модель, приведенная нарис. 3.7. Корреляционный анализ обработки результатов испытаний НФМ в програмной оболочке Mathcad 2000 показал, что графическую зависимость можно представить в виде двух гиперболических кривых. (Рис.3.8, 3.9) Первая кривая описывает деформацию поверхностных волокон в виде:
Исследование влияния термовоздействия на физико-механические характеристики нетканых фильтрующих материалов
Основными критериями, оценивающими стойкость материалов к воздействию высоких температур, являются теплостойкость и термостойкость. При фильтрации горячих газов деструкция материала может наступить как от кратковременного воздействия температур, превышающих температуру плавления (Тая), так и в результате термостарения, когда в течение длительного времени на фильтрующий материал оказывает влияние высокая, но не превышающая Tm, температура. Поэтому важно иметь представление о термостойкости и теплостойкости материалов во всем диапазоне воздействия температуры и времени. проведен потатабельный центральный композиционный эксперимент (ТК11Э). Исследование Физико-механических свойств НФМ пповодилось по следующим показателям: усадка, разрывная нагрузка, разрывное удлинение, жесткость, а также абсолютные и относительные изменения рассматриваемых характеристик. Вычисление относительного изменения каждой характеристики А, % проводили по формулам:
В соответствии с результатами отсеивающего эксперимента и описанной выше методикой проведения испытаний были определены полуцикловые разрывные характеристики исследуемых полотен при растяжении. Значения разрывной нагрузки и разрывного удлинения приведены в таблице 5.3 на примере НФМ марки «Фимас ». Значения абсолютных и относительных изменений полуцикловых разрывных характеристик НФМ марки «Фимас» при растяжении приведены в табл. 5.45 5.5. В таблшдах 1 и 2 приложения 8 приводятся данные относительного шмснсния разрывной нагрузки и разрывного удлинения для остальных исследуемых материалов. Обработку результатов проводили с помощью пакета программ среды Mahtcad 2000. После обработки получены математические модели процесса в виде уравнений регрессии второго порядка. Уравнение регрессии разрывной нагрузки по длине для материала марки «Фимас»: Уравнение регрессии абсолютного изменения разрывной нагрузки по ДЛИНС! Уравнение регрессии относительного изменения разрывной нагрузки по длине: Уравнение регрессии разрывной нагрузки по ширине: Уравнение регрессии абсолютного изменения разрывной нагрузки по ширине: Уравнение регрессии относительного изменения разрывной нагрузки по ширине: Уравнение регрессии разрывного удлинения по длине: Уравнение регрессии абсолютного изменения разрывного удлинения по длине: Уравнение регрессии относительного изменения разрывного удлинения по длине: Уравнение регрессий разрывного удлинения по ширине: Уравнение регрессии абсолютного изменения разрывного удлинения по ширине: Уравнение регрессии относительного изменения разрывного удлинения по ширине: Полученные математические модели зависимости полуцикловых разрывных характеристик при растяжении представлены ірафически.
Поверхности отклика и их сечения относительного изменения полуцикловых разрывных характеристик при растяжении показаны на примере материала марки «Фимас» на рисунках 5.1-5.6. Зависимости относительного изменения разрывной нагрузки и разрывного удлинения исследуемых материалов от температурно-временного воздействия приведены на рисунках 5.7, 5.8. В приложениях 12-15 приведена программа вычисления регрессионных уравнений зависимости относительного изменения полуцикловых разрывных характеристик при растяжении от температурно-временного воздействия на примере НФМ марки «Фимас». Термостойкость полотен на данном этапе оценивалась по относительному изменению разрывных характеристик НФМ в течение длительною и кратковременного воздейсгвия повышенной гемнературы. На рисунках 5.1-5.6 показан характер изменения разрывных характеристик на примере НФМ марки «Фимас». Как видно из графиков на рис. 5.1- 5.6, в начальный период времени - 0,2 ч (рис.5.2 б - 5.3 б, 5.5 б - 5.6. -б), при возрастании температуры разрывная нагрузка и разрывное удлинение материала по длине и ширине начинают увеличиваться. Максимальная температура, до которой разрывная нагрузка материала растет, составляет 210С по длине и 212С по ширине. Разрывное удлинение увеличивается до
