SU741109A1 - Модель пористого материала - Google Patents

Description

(54) МОДЕЛЬ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА

1

Изобретение относитс  к модел м пористых материалов, способам определени  их параметров.

В современной технике пористые 5 материалы и покрыти  часто должны работать при экстремальных услови х, когда пр мое экспериментальное определение их характеристик, преимущественно массопереносных, затруднено 10 или невозможно. Поэтому в насто щее врем  в р де областей техники, например в энергетике, ракетостроении и др., остро стоит задача расчетного определени  массопереносных характе- 5 ристик пористых материалов и покрытий на основании упрощенных модели геометрии пор.

Известна модель и способ определени  ее параметров, в которой поровые 20 каналы представлены набором усеченных конусов 1.

Однако модель применима лишь дл  материалов, которые имеют текстуру подобную фиктивному грунту,т.е. 25 состо т из отдельных правильно упакованных зерен приблизительно одинакового размера,. В описании нет данных по расчету массопереносных характеритик каких-либо материалов. Дл  боль-

шинства поЕжстых материалов, например огнеупоров, текстура которых качественно отличаетс  от текстуры фиктивного грунта, нельз  ввести и определить параметра указанной мидели: эффективный диаметр частиц образующих материал dgффи другие.

Известна и широко примен етс  дл  расчета массопереносных характеристик.. пористых материалов капилл рна  модель пористого материала и способ определени  еепараметров. Указанна  модель представл ет собой совокупность пустотелых каналов правильной геометрической формы, располсокенных параллельно друг другу, причем все каналы имеют посто нное сечение по всей своей длине от одной поверхности образца до другой. Параметры модели определ ют путем вдавливани  в образец несмачивающей образец жидкости , например ртути, и определени  объема ветиедшей жидкости при ступенчатом повышении прикладываемого давлени  2.

При попытках использовать капилл рную модель и способ определени  ее параметров дл  расчета массопереносных характеристик многих материалов , например огнеупорных покрытий , наблюдаетс  очень Оэльшое отличие от эксперимента. Дл  получени  удовлетворительной точности совпадени  экспериментальных и расчетных значений массопереносных коэффициентов , например коэффициента фильтрации , ввод т до четырех подгоночных коэффициентов, которые определ ют из экспериментов по определению тех же массопереносных характеристик Таким образом, известна  модель и способ определени  ее параметров не могут быт.ь использованы дл  определе ни  массопереносных характеристик многих материалов на основании параметров пористой модели. Причиной невозможности применить капилл рную модель  вл етс  то, что в большинстве пористгах материалов перовые каналы имеют резко переменное сечение по длине, т.е. состо т из сужений и расширений. При использовании указанного способа дл  определени  параметров модели при вдавЯИВШ1ИИ жидкости в поры материалов дл  заполнени  крупных пор, лежащих вдали от поверхности отразца (источника ртути), требуетс  подн ть давле ние до величины достаточной дл  преодолени  сужений, и объем расширений вудет отнес«i к объему сужений. Сред ний размер из-за этой причины может отличатьс  от реального в 20 и болеераз . Э-ЕИМ способом нельз  точно опреде лить и размер сужений поровых каналов , соедин5И1НЧйх крупные поры, так как длр исследовани  берут образцы механически раздробленные до размера от долей мм до нескольких миллиметррв . При этсзм велика поверхность образцов и на получаетлые эксперимен:тально данные сильно вли ют поверхностные поры и выбоины, что приводит к резкому завышению рассчитанных зна чений коэффициента фильтрации. Таким образ«л известные модель и способ позвол ют получать лишь качественную Информацию о распределении пор по размерам, на оснований которой нель з  рассчитать массопереносные характеристики . дл  реальных пористых, iHanpHMfep.огнеупорных, материалов и локЕхатии. Цель изо етени  - определение масеопереносных характеристик пориссих материалов. Указанна  цель достигаетс  тем,ч поровые каналы расположены параллел но друг другу под углс й 30 к пове ноет м образца,выполнены из одинако шах,последовательно чередующихс  участков сужений и расширений,приче длина каждого участка по крайней ме не менее п ти его радиусов,отношени авно отношению их радиусов, а чисо каналов выбрано из соотношени  TK-iV -p) р де п - число поровых каналов на единице площади образца; АОТ открыта  пористость; г rJ3 радиусы сужений и расширений поровых каналов. Предварительно определ ют размер аиболее крупных пор d иселеуемом материале, изготавливают образы с минимальным линейным размером е менее чем в 50 раз, превышающем ту величину, с поверхностью, высота еровностей на которой h 0,1 dma атем ступенчато понижают давление и предел ют объем ртути, вышедшей из ор, не менее чем при трех значени х авлени . На чертеже изображена модель порисого материала. Модель содержит совокупность паралельных поровых каналов 1-2, распооженных под углом 30° к поверхнос м 3-4 поровые каналы состо т из динаковых последовательно чередуюихс  сужений 1 и расширений 2, поерхности пористого издели  3 и 4 араллельные друг другу и беспористую атрицу 5, Модель работает следующим образом. Газ или жидкость последовательно преодолевают сужени  1 и расширени  2 и Г1ОД действием градиента давлени  или концентрации перетекают с поверхности пористого издели  3, где давление выше, к поверхности 4, где давление ниже. Беспориста  матрица 5 непроницаема дл  жидкости или газа. Иассопереносные коэффициенты, например коэффициент фильтрации и диффузии , дл  приведенной модели завис т от радиусов сужений и расширений и числа поровых каналов, которые определ ют предложенным способом. В реальном пористом материале поровые каналы состо т из сравнительно крупных пор (расширен-ий), лежащих между;зернами материала и сужений, соедин ющих расширени  друг с другом. Поэтому модель с чередующимис  суже-ни ми и расширени ми в достаточной мере соответВтвует реалтной стру-ктуре материала. Размер иссдедуемых образцов, а следовательно, длина поровых каналов много больше размера отдельных nopi Как сужени , так и расзнирени , имеют различные ра,-;иусы (распределены по размерам) , но по длине каждого из пороговых каналов, пронизывающего образец, встречаютс  всевозможные сужени  и расз ирени  и эффективна  проницаемость каналов зависит от средней ве- Ыичины сужений и расширений, В большинстве материалов поры изометричны и поэтому можно прин ть, что длина

участка перового канала пропорциональна радиусу. Длина поровых каналов больше толщины образцов. Отношение средней длины поровых каналов к толщине образца называетс  коэффициентом извилистости. Среднеста--. тическое значение коэффициента извилистости равно 2. При угле наклона поровых каналов 30° это условие выполн етс . Общее количество поровых каналов на единицу площади образца п определ етс  из величины открытой пористости по формуле

OTKiV P .

(1)

П- .(1--; где Ар,- открыта  пористость;

Г(. и Гр- средние радиусы сужений и

расширений,

Модель сама по себе не позвол ет решить поставленную в изобретении задачу если нет способа, позвол ющего определить ее параметры. Предложенный способ позвол ет раздельно определить средний размер сужений и расширений поровых каналов.

Распределение сужений может йать определено с использованием известного способа при условии исключени  Дл  этого необходимо, чтоОа, во-перилх , размер образцов алл много больше (не менее чем в 50 раз) размера наиболее крупных пор и, во-вторих, поверхность образцов должна быть шлифована до чистоты, обеспечивающей высоту неровностей меньшую по крайней мере на пор док, чем размер максимальных пор. Дл  определени  размера исследуемых образцов и класса чистоты подготовки поверхности неТ56ХОДИМО предварительно определить размер наиболее крупных пор в исследуемом материале. Класс чисто-иа (кл) обработки поверхности образцов, при котором шсрта неровностей приблизительно на пор док меныне величины наиболее крупных пор можно найти из соотношени  2 S/dfr a ; t где 3,,(,щмаксимальный размер пор (мм) . Указанное соотношение нами получено йа основании данных, приведенных в ГСХ:Т 2789-73. Невыполнение рассматриваемых требований приводит к ошибкам при расчете коэффициента фильтрации, достигаквдим сотен процентов.

Распределение расширений определ ют на основании данных, получае (Ллх при ступенчатом понижении давлени , так как при уменьшении давлени  поровый канал освобозвдаетс  лишь в случае, когда давление понижено до давлени  соответствуинцего расширени . Измер   объем ртути, выход щий из пор, наход т распределение расширений поровых ка алов по размерам и средний размер расширений (С() .

На основании полученных данных рассчитывают коэффициент фильтрации по формуле

4

l2R-r - Р

ттт.

,(2)

,A,

осМ с р

ес

где Zj. и ZP коэффициенты аддитивности ПуазеЙлевского и КнудсеновсQ кого потоков, соответствующие радиусам пор г и Гр

,

(3)

к HI-3,1. В формулах (2,3) введены следующие

5 обозначени  р, г| , М - среднее давление , в зкость и молекул рный вес фильтрующего газа; Т - абсолютна  температура; R - газова  посто нна , Л - длина свободного пробега

0 молекул газа при давлении Р.. п - определ ют по формуле (1).

исследовано вли ние всех предложенных отличительных признаков  зоб5 ретени  на точность определени  коэффициента фильтрации (К). Дл  исследовани  используют образцы, приготовленные по обычной методике (дробление до размера х 1 ®л) , тонкие нешлифованные и шлифованные пластина, нешлифованные и шлифованные образцы толщиной около 3 мм. Во всех случа х при расчете по капилл рной модели наблюдаетс  отличие от экспе1жмен5 тальных значений,найденных по известной методике на 1000 йроцентов. При подготовке образцов по предложенному в изобретении способу с пибка значительно уменьшаетс , но все равно очень велика. При расчете по

0 данной модели, но когда образцы изготавливают путем дроблени  или, когда их размер меньше необходимой величины, или когда  спр ьз5ге}тс  образада с нешлифованной предварите ь но поверхность, наблюдаетс  отличие рассчитанных значений от экспериментальных на сотни и тыс чи процентов. Лишь при реализации всех отличительных признаков модели и

0 способа определени  ее параметров удаетс  рассчитывать коэффициент фильтрации пористых материалов с удовлетворительной точностью.

Способ дл  определени  пфаметров

5 данной Модели применен дл  расчета коэффициента фильтрации пок{% тий из окиси алюмини , полученных методс к плазменного и детонационного напылени . Образцы подготавливались

0 по предлагаемой нами методике, а

Claims (1)

1. также путем механического дроблени . Так же, как и в предыдущем случае при использовании данной модели и способа наблюдаетс  хорсааее согласие с экспериментом, в то врем  как при использовании капилл рной модели или при подготовке образца по ойлчной методике наблюдаетс  отличие от экспериментальных значений на тыс чи процентов. Изобретение применено дл  определени  коэффициента фильтрации (К) пористого материала из окиси алюмини , полученного методом газопламенного напылени . Дл  расчета используетс  модель, в которой последовательно чередуютс  одинаковые сужени  и расширени . Перовые каналы расположены, параллель но друг другу под углом 30 к поверхност м образца, которые параллел ны друг другу. Длина каждого участка в дес ть раз больше его диаметра Отнс иение длины расширени  к длине сужени  равно отношению их радиусов а число каналов выбрано из соотноше ни  (1) . Дл  определени  г,,-, Гр и А ме тодом петрографии определ ют, что максимальный размер пор в образцах из окиси алюмини , полученных методом газопламенного пруткового напыл ни , около 50 мкм. Из материала вырезают цилиндрический образец диаме ром около 15 мм и толщиной около 3 мм. Поверхность его шлифуют до 5класса чистоты, т.е. до вйсоты неро ностей менее 5 мкм и тщательно вают спиртом, высушивают, взвешивают после чего помещают в Дилатометр . Образец заливают ртутью, прикладывают давление, ступенчато увел чивающеес  от 2-00 мм рт.ст. до 2000 атм. Измер ют объем ртути, вошедший в поры при каждом увеличении давлени  и на основе полученных дан ных рассчитывают средний размер сужений поровых каналов. Давление, пр кладываемое к ртути, ступенчато уменьшают от 2000 атм до 200 мм рт. Измер ют объем ртути, вышедший из пор при каждом понижении давлени  и на основании полученных данных рассчитывают средний размер расширений поровых каналов. Рассчитывают проницаемость, по формулам (1-3) на основа нии модели, в которой чередуютс  цилиндрические сужени  и расогарени , радиус которых наход т по указанной методике (отношение длин равно отношению радиусов, а число поровых каналов наход т из приведенного соотношени  (1). Расчет производим дл  условий (Т, Р, М) (формула 2), при которых данный материал будет эксплуатироватьс . Изобретение позвол ет определ ть коэффициент фильтрации при произвольных , в том числе и экстремальных услови х, когда экспериментальное определение невозможно. Например , при высоких температурах в среде агрессивных газов. Изобретение может йлть использовано в металлургической , химической и энергетической промышленности, в ракетостроении , турбостроении и т.д. Помимо коэффициента фильтрации по формулам аналогичным (2) дл  предложенной модели на основании найденных параметров могут быть определены коэффициент диффузии, кинетика, пропитки и другие массопереносные характеристики пористых материалов. . Формула изобретени  Модель пористого материала, представл юща  собой совокупность пусто телых каналов правильной геометрической формы, расположенных паргшлельно друг другу, отличающ а   с   тем,что, с целью определени  массопереносных характеристик пористых материалов, поровые каналы расположены под углом 30 к поверхности образца, выполнены из одинаковых , последовательно чередующихс  участков сужений и расширений, причем длина каждого участка по крайней мере не менее п ти его радиусов, отнс нение длины расширени  к длине сужени  равно отнсхаению их радиусов, а число каналов выбрано из соотношени  . где п - число поровых каналов на единице площади образца, АОТК открыта  пористость, ГрИ Гр-радиусы сужений и расширений поровых каналов. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР №432388, кл. G 01 N 15/08, 1971. 2,Авторское свидетельство СССР №123403,. кл. G 01 N 15/08, 1958.