Обеспечение прочностных требований к скорым напорным фильтрам, исследование влияния толщины фильтроэлемента на качество очистки жидкости

Автор: Коновалов Анатолий Васильевич, Фендриков Андрей Иванович, Коновалов Максим Анатольевич

Журнал: Технологии гражданской безопасности @tgb-vniigochs

Статья в выпуске: 1 т.11, 2014 года.

Бесплатный доступ

В статье описан эксперимент по определению прочностных характеристик скорых напорных фильтров, используемых в мобильных установках водоочистки и водоподготовки. Найден, опытным путем, оптимальный вариант состава связующего и фракции песка для изготовления фильтроэлементов. По результатам гидравлических испытаний установлена зависимость перепада давления от толщины фильтроэлемента и влияние этого параметра на процесс фильтрования.

Системы водоочистки и водоподготовки, скорый напорный фильтр, прочностные характеристики, фильтроэлемент

Короткий адрес: https://sciup.org/14985025

IDR: 14985025

Текст научной статьи Обеспечение прочностных требований к скорым напорным фильтрам, исследование влияния толщины фильтроэлемента на качество очистки жидкости

В условиях любой чрезвычайной ситуации (далее — ЧС), особенно при устройстве временных мест проживания населения, вопрос обеспечения людей питьевой водой является одним из важнейших, если не самым главным [1]. В зависимости от характера источника воды, для водоподготовки при ЧС могут использоваться известные автоматические мобильные станции водоподготовки, такие, как «VIWA 5 STANDARD», «HYDRA FILTER» и др.

В настоящее время не существует единого устройства или фильтра, который бы один решал все проблемы, поэтому станции водоподготовки включают в себя различные устройства обеспечивающие комплексную очистку воды. В любом случае процесс начинается с механической очистки воды фильтрами различных типов. По конструкции фильтры условно можно разделить на имеющие насыпной фильтрационный материал и фильтры со сменными фильтрующими элемента- ми. К последним относятся скорые напорные фильтры, в которых частицы кварцевого песка плакированы и склеены эпоксидной смолой ЭД-16. Достоинствами этих фильтров является возможность очень быстрой замены фильтрующих элементов при минимальных потерях воды, что является важным фактором при ЧС. Фильтрующие элементы этих устройств выполняются в виде дисков различных размеров в зависимости от необходимой скорости фильтрации. Очищаемая вода подается во внутреннюю полость под давлением и движется в радиальном направлении. При этом по мере уменьшения пропускной способности фильтра на механический каркас фильтрующего элемента действует возрастающая сила, которая может привести к появлению трещин и снижению степени очистки. В дальнейшем это может привести к выходу из строя всех устройств станции водоподготовки и отрицательному влиянию на здоровье людей.

Учитывая, что скорые напорные фильтры могут использоваться в различных системах водообеспече-ния, в том числе и в условиях ЧС, возникла необходимость исследования их прочностных характеристик [2, 3, 4, 5] и обеспечения требований промышленной безопасности.

Для этой цели были изготовлены изделия [6], представляющие собой кубики с гранями 7×7×7 см3, в качестве связующего использована эпоксидная смола ЭД-16 при дозе 90 г/кг песка. Кубики высушивались в течение 10 часов в сушильном шкафу при температуре 140—150 °С. Исходным материалом являлся песок, механический анализ которого приведен в табл. 1.

Из табл. 1 следует: основная фракция песка 0,6— 1,0 мм, средний диаметр dcр. равен 0,65 мм, коэффициент неоднородности составляет 1,55.

Для исследований были отобраны три партии кубиков, по 10 штук в каждой. Четыре кубика из каждой партии оставляли сухими, а шесть — загружали в водопроводную воду, где выдерживали таким образом в течение 1 суток, 10 суток, 30 суток.

По истечении данного времени, соответствующая партия кубиков извлекалась из емкости и через 15 минут, после пребывания на воздухе, разрушалась на гидропрессе. Разрушающее усилие Рразр. прилагалось к верхней фиксируемой поверхности исследуемого кубика, площадь ω которого была заранее определена. Результаты исследований занесены в табл. 2.

Проанализировав результаты исследований можно сделать вывод, что у кубиков, выдержанных в водопроводной воде, среднее значение предела прочности σ для фракции песка 0,6—1,0 мм заметно снизилось.

Для решения проблемы были проведены дополнительные исследования фильтроэлементов по прочности. По известной технологии, с учетом определенных составов связующего, было изготовлено еще четыре партии изделий ( по 3 штуки в каждой) из песка фракции 0,85—1,6 мм, предварительно тщательно промытого и высушенного для исключения влияния загрязненности наполнителя.

Кубики измерялись, взвешивались, определялась площадь верхней поверхности ω, полученные результаты сведены в табл. 3.

Для прочностных исследований два кубика загружались в водопроводную воду, а один оставался сухим (для каждой партии из 3-х кубиков) и выдерживались в таком состоянии в течение 30 суток. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Анализ результатов позволил сделать заключение, что при составе связующего 60 г смолы ЭД-16 плюс 15 % отвердителя прочность пористого филь-троэлемента, находившегося в водопроводной воде в течение 30 суток, немного выше, чем прочность пористого фильтроэлемента сухого за то же время. То есть, найден опытным путем оптимальный вариант состава связующего и фракции песка для изготовления фильтроэлементов скорого напорного фильтра.

По результатам прочностных характеристик, для исследования процесса очистки воды были предложены дисковые фильтроэлементы разной высоты Н (табл. 5). Для их изготовления в качестве наполнителя использовался песок фракции 0,85—1,6 мм, связующее — смола ЭД-16.

На весах было отвешено 3 кг песка указанной фракции, доза смолы на это количество наполнителя принята в количестве 90 г/кг. Учитывая высокую вязкость смолы, ее разогревали и добавляли ацетон в количестве 30 % от веса смолы — 27 г. Для их изготовления в качестве наполнителя использовался песок фракции 0,85—1,6 мм, связующее — смола ЭД-16. Количество отвердителя (алифатического амина) Х [3] рассчитывали по формуле:

Х = Э(М/n)К/43, (1) где Э — содержание эпоксидных групп, %;

М — молекулярная масса амина;

n — число атомов водорода в первичных и вторичных аминных группах;

43 — молекулярная масса эпоксидной группы;

К = 1,2—1,4 — коэффициент запаса, определяемый экспериментально.

Для полиэтиленполиамина (ПЭПА), значение

Механический анализ песка фракции (0,6—1,0 мм)

Таблица 1

	d₁₀, мм	d₃₀, мм	d₅₀, мм	d₆₀, мм	d₇₀, мм	d₉₀, мм	η = d₆₀/ d₁₀
Проба 1	0,45	0,55	0,65	0,69	0,74	0,84	1,53
Проба 2	0,45	0,55	0,65	0,70	0,75	0,84	1,55
Проба 3	0,46	0,55	0,66	0,72	0,72	0,79	1,56

Таблица 2

№ кубика	Состояние	Продолжительность, сутки	Площадь ω, см2	Разрушающее усилие Р, т	Предел прочности σ•10–5, Па	Среднее значние предела прочности σ•10–5, Па
2392			50,84	16,3	320,6
2399	Сухой	1	49,77	20,6	413,9	313,3
2416			49,91	10,3	206,4
2417			49,92	12,2	312,2
2393			49,63	13,6	274,0
2394			49,77	11,4	229,0
2395	В водопроводной воде	1	49,84	11,8	236,8	265,8
2396			50,83	11,0	216,4	265,8
2397			49,91	15,0	300,5
2398			49,98	16,9	338,1
2400			51,12	21,1	412,9
2407	Сухой	10	50,10	20,2	403,0	333,4
2424			51,30	12,2	237,8
2435			49,98	14,0	280,1
2401			49,63	8,0	161,2
2402			50,19	8,0	159,4
2403			49,98	7,7	154,1
2404	В водопроводной воде	10	50,40	9,1	180,6	169,6
2405			50,27	8,9	177,0
2406			49,70	9,1	185,7
2408			50,47	19,8	392,3
2415	Сухой	30	50,48	15,2	301,1	301,4
2436			52,85	13,7	259,2
2443			49,77	12,6	253,2
2409			50,06	8,4	167,8
2410			49,63	8,9	179,3
2411			50,20	8,7	173,3
2412	В водопроводной воде	30	50,54	8,3	164,2	159,5
2413			50,05	7,1	141,9
2414			50,51	6,6	130,7

Таблица 3

№ кубика	Состав связующего	Размеры кубиков
№ кубика	Состав связующего	а, мм	b, мм	h₁, мм	h₂, мм	h₃, мм	h 4 , мм	2 ω, см	G, г
1	60 г. смолы + 15 % отвердителя	70,75	70,8	76,5	76,0	75,4	77,0	50,09	650
2		70,25	70,25	78,0	77,25	77,0	76,9	49,35	710
3		71,0	71,25	77,2	75,5	79,25	80,9	50,77	715
4	50 г. смолы + 15 % отвердителя	70,4	70,4	75,0	74,9	75,0	75,0	49,63	680
5		71,0	71,1	74,5	74,4	73,5	74,0	50,48	680
6		70,75	71,25	77,5	78,0	78,0	77,0	50,43	710
7	45 г. смолы + 15 % отвердителя	70,5	70,5	76,5	76,0	76,0	76,0	49,7	680
8		71,0	71,0	75,0	75,0	74,75	75,9	50,41	660
9		71,0	70,5	77,0	78,0	76,7	76,8	50,06	670
10	30 г. смолы + 15 % отвердителя	70,0	70,0	75,0	76,0	76,55	75,5	49,35	650
11		70,75	70,25	76,0	76,5	76,0	76,0	49,35	650
12		71,5	71,0	76,25	76,25	76,0	76,5	50,77	680

Исследование прочности изделий, изготовленных из песка dср. = 0,6—1,0 мм на клее

ЭД-16 при дозе 90 г/кг, работающих в водопроводной воде

Результаты замеров, характеризующих состав, размеры, вес изделия

М/n=103/5=20,8, тогда для эпоксидной смолы типа ЭД-16, Х = 9,5/11, %.

Отвердитель добавлялся в подготовленную смолу, где перемешивался в течение 2—3 минут. Эта композиция выливалась в песок и снова перемешивалась в течение уже 4—5 минут. Приготовленная масса загружалась в пресс-формы, при этом непрерывно уплотнялась трамбовкой. Заполненные

Таблица 4

Результаты испытаний на прочность кубиков и изготовленных из мытого песка фракции 0,85—1,6 мм на смоле ЭД-16 в течение 30 суток

№ кубика Состояние Рразр., кг 2 ω, см σ, кг/см2 1 В водопроводной воде 4100 50,09 81,85 2 4300 49,35 87,13 3 Сухой 3000 50,4 59,52 4 В водопроводной воде 4200 49,63 84,62 5 4000 50,48 79,23 6 Сухой 7400 51,66 143,24 7 В водопроводной воде 1000 49,35 20,25 8 1000 49,35 20,25 9 Сухой 2200 50,41 43,64 10 В водопроводной воде 2700 49,7 54,32 11 1300 50,41 25,78 12 Сухой 5300 51,12 103,67 пресс-формы прессовались под давлением 1,96 МПа, устанавливались в сушильный шкаф, затем выдерживались в течение 5—7 часов при температуре 100—110°С. После чего, пресс-формы были разобраны, а полученные полимербетонные фильтры были готовы для проведения необходимых научных исследований.

Гидравлические исследования проводились на цилиндрических фильтрах, собранных из вышеуказанных дисковых фильтроэлементов (рис. 1), для чего и была создана экспериментальная установка (рис. 2).

Исходная вода с механическими загрязнителями заливается в бак 1 емкостью 50 л, откуда насосом 2 подается, частично, на цилиндрический фильтроэлемент 3, либо возвращается через регулятор расхода 4 в бак 1.

Проходя через фильтр 3 , вода очищается от механических загрязнений и поступает в мерную емкость 7, для определения расхода за единицу времени. Сопротивление на фильтре 3 измеряется с помощью манометра 5 на входе в фильтр и манометра 6 на выходе вод из фильтра. Пьезометр 9 указывает уровень фильтрованной воды в мерной емкости.

Результаты гидравлических испытаний цилиндрических фильтров, собранных на дисковых фильтро-элементах и изготовленных из наполнителя фракции песка 0,85—1,6 мм (рис. 1, 2), сведены в табл. 5.

По полученным экспериментальным данным (табл. 5) построены графики характеристик цилиндрических фильтров, собранных из дисковых фильтрома-териалов, как функции перепада давления ∆Р от удельного расхода q при различных фильтрах с характерными высотами Н дисковых фильтроэлементов (рис. 3).

Выводы

Таким образом, установлена линейная зависимость ∆Р = f(q) и влияние толщины фильтроэлемента на процесс фильтрования скорых напорных фильтров, т. е. с увеличением толщины фильтроперегородки, из-

Рис. 1. Дисковые фильтроэлементы, изготовленные из наполнителя фракции песка 0,85—1,6 мм:

I — фильтр с высотой Н = 30,0 мм, пористостью m = 0,09;

II — фильтр с высотой Н = 15,1 мм, пористостью m = 0,098.

готовленной из одной и той же фракции наполнителя, угол наклона возрастает. Прямая III графически объясняет это тем, что при прессовании зерен наполнителя, по условиям технологии, зерна не «плющатся», а увеличение сопротивления фильтроматериала приводит к уменьшению сечения поровых каналов за счет растекания связующего в относительно большом объеме фильтроматериала, а следовательно на большей длине порового канала [7].

Список литературы Обеспечение прочностных требований к скорым напорным фильтрам, исследование влияния толщины фильтроэлемента на качество очистки жидкости

Федеральный закон от 21.12.1994 N 68-ФЗ (ред. от 02.07.2013) «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (с изм. и доп., вступившими в силу с 01.09.2013).
Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.: Ростехиздат, 1953. 457 с.
Минц Д. М., Шуберт С.А. Гидравлика зернистых материалов. М.: Издательство МКХ РСФСР, 1955.
Кравцов М.В. Гидравлика зернистых материалов. Минск: Наука и техника, 1980.167с.
Быкодоров Л.Ф., Кореневский В.И., Шатихина Т.А., Лебедева И.В. Разработка, изготовление и исследование гравийно клеевых фильтров конструкции РИИЖТа для проявочных машин: Отчет, 1983, РИИЖТ.
Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1995. 688 с.
Коновалов А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГСУ, 2000.

Статья научная