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 | УДК: 628.33+06
Providing strength requirements for swift pressure filters, filter element study of the effect of thickness on the quality of cleaning fluid
The article describes eksperiment, by definition, strength characteristics of rapid pressure filters used in mobile water treatment plants. Found, by experience, the best option of the binder and the fraction of sand for the manufacture of filter elements. Based on the results of the hydraulic test pressure dependence of thickness of the filter element and the effect of this setting on process filtration.
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 |
|||
|
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 |
|||||||
|
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
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.
