Пористый материал для фильтров

 

Пористый материал для фильтров, состоящий из двух слоев частиц различного размера, имеет отношение размеров крупных и мелких частиц в двух соседних слоях в пределах 1,6-3,4, при этом средний размер частиц мелкозернистого слоя равен среднему размеру пор крупнозернистого слоя, толщина крупнозернистого слоя взята в пределах 1,5-3 от среднего размера составляющих его частиц при пористости материала слоев в пределах 45-55%. Изобретение позволяет улучшить тонкость очистки в 2,5-4 раза, что приводит к увеличению срока службы на 2-3 года, а также снизить эксплуатационные расходы на 10-15%. 1 табл. 3 ил.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления пористых материалов для фильтров, в частности для фильтров очистки топлива, масел, водосодержащих жидкостей типа ПГВ, применяемых в гидросистемах, а также для очистки других жидких и газообразных сред.

К фильтрующим пористым материалам предъявляется комплекс требований, основными из которых являются тонкость очистки в сочетании с высокой скоростью фильтрации. Для повышения тонкости очистки предложены различные технические решения, связанные преимущественно с подбором порошков по гранулометрическому составу. Так, патент ФРГ N 3810932, B 22 F 3/10, опубликован 12.10.89, предлагает с целью повышения тонкости очистки производить смешивание порошков с одновременным нанесением на частицы железа размером 250-315 мкм слоя гидрида титана фракции 1-0,5 мкм толщиной 0,02-0,05 размера частиц железа, после чего производится прессование и спекание заготовки в аргоне при температуре разложения гидрида титана.

Наиболее близким к предложенному изобретению является техническое решение, защищенное патентом РФ N 1817734, B 22 F 3/10, опубликовано 23.05.93. В соответствии с указанным патентом производится формование и спекание пористой основы, после чего на ее поверхность наносится слой более мелких частиц при соотношении средних размеров крупных и мелких пор в пределах 4-40.

Недостатком прототипа является недостаточная тонкость очистки.

Целью настоящего изобретения является повышение тонкости очистки без снижения скорости фильтрации. Поставленная цель достигается за счет того, что соотношение размеров крупных и мелких частиц в двух соседних слоях взято в пределах 1,6-3,4, что соответствует такому соотношению размеров, при котором средний размер частиц мелкозернистого слоя равен среднему размеру пор крупнозернистого слоя. При этом толщина крупнозернистого слоя взята в пределах 2-5 от среднего размера составляющих его частиц, толщина мелкозернистого слоя взята в пределах 1,5-3 от среднего размера составляющих его частиц при пористости материала слоев в пределах 45-55%.

Авторами было экспериментально установлено, что указанное соотношение геометрических размеров частиц крупно- и мелкозернистого слоев приводит в повышению тонкости очистки без уменьшения скорости фильтрации. Физическая сущность положительного эффекта предлагаемого изобретения состоит в образовании предельно тонкого переходного слоя между крупно- и мелкозернистым слоями порошкового материала с минимальным гидравлическим сопротивлением из-за его малой толщины, размер пор в котором меньше, чем в мелкозернистом слое, что улучшает тонкость очистки.

Наилучшие результаты при этом могут быть получены при указанных выше толщинах слоев и пористости. Увеличение толщины слоев выше указанных пределов, а также уменьшение пористости ниже указанных пределов приводит к существенному повышению гидравлического сопротивления и снижению скорости фильтрации без заметного улучшения тонкости очистки. Уменьшение толщины слоев ниже указанных пределов, а также увеличение пористости выше указанных пределов приводит к появлению крупных сквозных пор, ухудшающих показатели тонкости очистки.

Пористый материал характеризуется присущим ему размером пор, зависящим от размера составляющих его частиц и величины остаточной пористости. В этом случае, когда пористость взята в пределах 45-55%, с некоторой степенью идеализации можно считать, что укладка частиц близка к кубической, то есть частицы, которые можно условно считать близкими к сферической форме, расположены в вершине куба.

Объем сферы (V_ср) диаметром D_ср и объем куба (V_к) со стороны D_к равны соответственно Отсюда пористость материала, состоящего из сферических частиц, расположенных в вершинах куба, равна т.е. около 50%.

Схема, показывающая поперечное сечение предлагаемого пористого материала для фильтров, представлена на фиг. 1. Толщина крупнозернистого и мелкозернистого слоев, а также суммарная толщина материала обозначена на схеме соответственно S_к, S_м и При этом, как видно из представленной схемы, сумма толщин крупно- и мелкозернистого слоев больше суммарной толщины материала примерно на размер поры крупнозернистого слоя, т.к. слои взаимно перекрывают друг друга.

Схемы, более подробно показывающие взаимное расположение крупно- и мелкозернистых частиц двухслойного материала, представлены на фиг. 2 и 3.

Проведем условно плоскость сечения через центры сфер, изображенных на фиг. 2, через центры двух сфер крупнозернистого слоя и центр сферы мелкозернистого слоя. Между ними образуется пора переходного слоя, минимальное сечение которой показано на фиг. 3.

Ниже приводится методика расчета размера поры переходного слоя.

Радиус поры (фиг.3) можно определить из сопоставления выражений H²= (R + r)²- R²= 2Rr + r² (4) h²= (R + )²- R²= 2R + ² (5) H - h = + r (6) Отсюда после ряда преобразований получим
или же в безразмерном виде

Соответствующие обозначения представлены на фиг.3.

Примеры реализации изобретения и расчетные величины размера пор переходного слоя приведены в таблице.

Пористые материалы были изготовлены из высоколегированного порошка Х18Н15 ГОСТ 13084-88 путем рассева на фракции (диапазон рассева и средние размеры частиц представлены в таблице), прессования крупнозернистого слоя при давлении 1-1,5 т/см² и спекания в вакууме при температуре 1120-1250^oC в течение 30-40 мин, что дает возможность получить заявленную пористость в диапазоне 45-55%, после чего проводилась напрессовка мелкозернистого слоя на крупнозернистый слой при тех же параметрах технологического процесса. В качестве фильтруемой среды было использовано индустриальное масло марки И20А ГОСТ 20799-88, вязкость 30 сСТ. Скорость фильтрации определялась в соответствии с методикой ГОСТ 25277-82. Гранулометрический состав загрязнений до и после фильтрации определялся в соответствии с методикой ГОСТ 22622-75 (седиметационный анализ). В качестве численного показателя тонкости очистки в соответствии с общепринятой методикой принято уменьшение фракции частиц загрязнения на порядок и более. Результаты экспериментов представлены в таблице и свидетельствуют о правильности предложенного технического решения и выбранных интервалов. Тонкость очистки улучшается в 2,5-4 раза по сравнению с фильтроматериалом прототипа без снижения скорости фильтрации.

Предложенный пористый материал для фильтров может найти широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, использующих масла, топлива и другие жидкие и газообразные среды, нуждающиеся в очистке, в частности судостроении, сельскохозяйственном и транспортном машиностроении, химической промышленности, энергетике и т.д.

Экономический эффект от предлагаемого изобретения определяется повышением срока службы машин и механизмов. По предварительным данным улучшение тонкости очистки в 2,5-4 раза приводит к увеличению срока службы на 2-3 года, а также снижению эксплутационных расходов на 10-15%.

Формула изобретения

Пористый материал для фильтров, состоящий из двух слоев частиц различного размера, отличающийся тем, что отношение размеров крупных и мелких частиц в двух соседних слоях взято в пределах 1,6-3,4, при этом средний размер мелкозернистого слоя равен размеру пор крупнозернистого слоя, толщина крупнозернистого слоя взята в пределах 1,5-3 от среднего размера составляющих его частиц при пористости материала слоев в пределах 45-55%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4