不銹鋼纖維氈不同流體透過性能的知識傳播

摘要:“流量——壓差曲線”(Q-ΔP)是多孔材料不同流量流體與對應壓差的關(guān)系曲線，可直觀的反應多孔材料的透過性能。對不銹鋼纖維氈氣、水和油三種不同流體的流量——壓差測試結(jié)果分析表明，不銹鋼纖維氈透過性能與纖維氈的孔徑、作用于其兩側(cè)的壓差和流體的粘度和密度均有一定的關(guān)系，并總結(jié)出了不同流體之間滲透系數(shù)的比例關(guān)系。

關(guān)鍵詞:透過性能;相對透氣系數(shù);相對滲透系數(shù)

中圖分類號:C934文獻標識碼:A文章編號:1672-8122(2010)10-0179-03

一、引 言

“流量——壓差曲線”是多孔材料不同流體流量(Q)與對應壓差(ΔP)的關(guān)系曲線，能反映層流、紊流條件下的流體單位面積流量與壓差的對應值，用戶可直觀地從“流量——壓差曲線” (Q-ΔP曲線)上得到相應流量下多孔材料的壓差值，為多孔材料的使用設計帶來了方便。另外，Q-ΔP曲線的測試拋開了流動狀態(tài)的條件限制，能夠真實反映多孔材料使用中的透過能力。不銹鋼纖維氈作為一種重要的多孔材料，其透過性能也可以從Q-ΔP曲線圖直觀地反映出來，因為透過能力的大小就是通過流量(Q)來體現(xiàn)的。本文采用了氣液兩種介質(zhì)在不同壓差下，對不同孔徑的不銹鋼纖維氈進行了透氣、透水和透油試驗，測得了不銹鋼纖維氈的Q-ΔP曲線并分析了相對透氣系數(shù)與相對滲透系數(shù)的關(guān)系。

二、試驗原理與方法

(一)試驗材料

本研究采用不同絲徑的316L不銹鋼纖維，經(jīng)鋪制、配比、壓制和高溫真空燒結(jié)制成不同過濾精度的不銹鋼纖維氈試樣，過濾精度分別為15micro;m、20micro;m、 25micro;m、30micro;m、40micro;m、60micro;m、100micro;m，每種型號的纖維氈分成3組，每組各3個，即每種實驗做三次，實驗結(jié)果取三次的平均值，試樣尺寸為Φ37的圓片，并且每個試樣均用超聲波清洗機清洗試樣表面附著的小雜物，接著用清洗劑(如四氯化碳)清洗表面油脂，然后進行干燥后備用。

測試流體采用空氣、去離子水和10#航空液壓油，技術(shù)參數(shù)分別為:

密度:空氣1.29kg/m3，去離子水998.223kg/m3，10#航空液壓油1194kg/m3;

粘度:空氣17.9×10-6Pa#8226;S，純凈水1.0×10-3Pa#8226;S，10#航空液壓油54×10-3Pa#8226;S;

測試溫度:室溫21℃。

(二)試驗方法

本試驗采用給流體(氣體和液體)加壓的方式來測量流量與壓差的關(guān)系曲線，測試原理基本相同，既在相同的條件下，使一定流量Q的氣體或液體，通過不銹鋼纖維氈試樣，試樣兩端會產(chǎn)生與流量相對應的壓力差△P，通過測量儀及電腦實時采集流過不銹鋼纖維氈的流體流量及對應的壓差，并繪制出該不銹鋼纖維氈對流體的Q-ΔP對數(shù)曲線。圖1為流體為氣體時的試驗原理圖。

本研究采用的液體為純凈水和10#航空液壓油。測試水和油的相對滲透系數(shù)的儀器基本相同，只是一個是水箱，一個是油箱，結(jié)構(gòu)圖見圖2。

(三)試驗原理

為了工程上的使用方便，在實際測量中是提供所謂相對透氣系數(shù)(Kg)，通常也稱為透氣度來表征多孔材料的透氣性能。將達西定律變換為:

(1)

如果令: (2)

那么根據(jù)達西定律得到相對滲透系數(shù)計算公式:

(3)

式中:

Kg — 相對透氣系數(shù)，m3/h#8226;KPa#8226;m2;

Kf— 相對滲透系數(shù)，m3/h#8226;KPa#8226;m2;

Qg(f) — 氣體或液體流量，m3/h;

ΔP — 氣體通過多孔材料前后產(chǎn)生的壓力降，KPa;

A — 多孔材料測試部分的面積，m2。

— 粘性滲透系數(shù)，m2。

η —牛頓定律所確定的動力學粘度系數(shù)，Pa#8226;s

e — 流體通過的多孔材料的厚度，m。

為了與相對透氣系數(shù)區(qū)別開，將流體為液體時由達西(Darcy)公式得到的Kf值稱為相對滲透系數(shù)，相對滲透系數(shù)與相對透氣系數(shù)的含義、計算公式相同。

三、試驗結(jié)果與分析

(一)不同孔徑纖維氈Q-ΔP曲線

不同孔徑纖維氈以空氣、水和油為流體的Q-ΔP對數(shù)曲線圖，如圖3、圖4和圖5。由圖3、圖4和圖5可以看出，不論流體是空氣、水或油，在相同壓差下，孔徑越大單位面積流體的流量越大，因此可以說纖維氈孔徑越大其透過性能越好。同時從圖中我們也可以看到每種型號的纖維氈的流體流量隨著壓差的增大而增大，也就是說纖維氈的相對透氣系數(shù)和相對滲透系數(shù)與壓差成正比關(guān)系。

(二)纖維氈在相同壓差下不同流體的流量

我們在對數(shù)坐標中分別繪制出三種介質(zhì)下7種型號纖維氈在500KPa時的單位面積流量值與其過濾精度的數(shù)據(jù)點，然后分別再對這7個點進行擬合，如圖6所示。從圖中，可以看出空氣的相對滲透系數(shù)最大，其次是水，10#航空液壓油的相對滲透系數(shù)最小，也就是說，不銹鋼纖維氈不同流體的相對滲透系數(shù)與其流體的密度和粘度成反比。而且從圖中，也可以看出三條線基本平行，這說明相同條件下不同流體流量之間存在一定的比例關(guān)系。

圖3不同孔徑纖維氈Q-ΔP曲線，空氣

圖4不同孔徑纖維氈Q-ΔP曲線，去離子水

圖5不同孔徑纖維氈Q-ΔP曲線，10#航空液壓油

圖6不同精度纖維氈相同壓差下不同流體的單位面積流量

根據(jù)相對透氣系數(shù)和相對滲透系數(shù)計算公式(3)，當測試面積和壓差相同時，我們可以得到它們之間的比值關(guān)系(4)式:

(4)

從公式(4)中我們可以看出當纖維氈的測試面積和壓差相同時，相對透氣系數(shù)和相對滲透系數(shù)的比值與流量之間的比值相同。

表1不銹鋼纖維氈相同壓差下不同流體流量值

序號孔徑

μm空氣流量

Qg

m3/h#8226;m2水流量

Qf-w

m3/h#8226;m2油流量

Qf-o

m3/h#8226;m2Qg/Qf-wQg/Qf-o

115.232443052531722801281423

220.242238913286431031281423

325.352600604092636961281423

430.465310225096545891281423

540.281331566346859751281361

660.81261290293866100991341249

7100.220389028145568163251401248

注:Qg -介質(zhì)為空氣時纖維氈的單位面積流量

Qf-w-介質(zhì)為水時纖維氈的單位面積流量

Qf-o-介質(zhì)為油時纖維氈的單位面積流量

我們從圖6中的雙對數(shù)曲線上取出不同精度纖維氈在相同壓差下不同流體的單位面積流量值并列于表1。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)看到，不同孔徑的不銹鋼纖維氈在不同流體下的單位面積流量比例關(guān)系基本為定值，即相對滲透系數(shù)與相對透氣系數(shù)的比例關(guān)系基本為定值。

同時我們也可看到，纖維氈的孔徑越小，其流量和相對滲透系數(shù)也越小，越容易形成層流狀態(tài)，因此孔徑較小的纖維氈不同流體相對滲透系數(shù)的比值均為一定值，Kg/Kf-w為128，Kg/Kf-o為1423;而隨著孔徑的增大，流量值也相對增大，流體的雷諾準數(shù)Re也就增大，當大于臨界雷諾準數(shù)時，不可能再控制在層流范圍內(nèi)，而成為紊流狀態(tài)，因此我們看到高孔徑纖維氈相對滲透系數(shù)比值有所變化，Kg/Kf-w為134～140，Kg/Kf-o為1361～1248，偏差在10%左右。

從以上試驗結(jié)果看，采用流量—壓差曲線的方法，其拋開了流動狀態(tài)的條件限制，能夠真實并直觀的反映多孔材料使用中的透過能力，曲線能反映層流、紊流條件下的不同流體(空氣、水、油)流量與壓差的對應值，為多孔材料的使用設計帶來了方便。但是，由于用液體作為試驗流體時，孔道中的存在氣體會導致“氣體固鎖”現(xiàn)象;有些多孔材料對液體有吸附作用，使孔尺寸變小;液體隨溫度的變化其密度和粘度也隨著變化，這些問題都將影響測試結(jié)果的可靠性，所以流體透過性能的測試一定要控制好測試條件。而有了上述試驗結(jié)果，我們可以比較準確地通過空氣的相對透氣系數(shù)估算出水和油的相對滲透系數(shù)。

四、結(jié) 論

(一)不同孔徑的不銹鋼纖維氈在相同條件、不同流體下的相對滲透系數(shù)與相對透氣系數(shù)的比例關(guān)系基本為一定值，Kg/Kf-w為128，Kg/Kf-o為1423，而且孔徑越小，其準確度越高，而隨著孔徑的增大，比值雖有所變化，但偏差在10%左右。

(二)不銹鋼纖維氈不同流體的相對滲透系數(shù)與其流體的密度和粘度成反比。

參考文獻:

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