Галузеве машинобудування

Скачков В.О., Іванов В.І., Мосейко Ю.В., Карпенко Г.В.

ДО РОЗРАХУНКУ УЩІЛЬНЕННЯ ПОРИСТОЇ СТРУКТУРИ

ВУГЛЕЦЕВИХ КОМПОЗИТІВ ПІРОУГЛЕРОДОМ В ПЛОСКОМУ РЕАКТОРІ

Запорізька державна інженерна академія

Зниження температури ущільнення пористої структури вуглецевих композитів до 600…700 °С можна сягати шляхом використання як реакційного газу пропану, а також урахування реальної пористої структури даних матеріалів.

У роботі [1] зроблено спробу врахувати пористу структуру вуглецевих композитів, яку представляли ефективною пористістю з характерним радіусом усередненої пори.

Розподіл пір у вуглецевих композитах характеризується порограмою, яка має чотири характерні групи пір [2]: перша група розподілена у діапазоні розмірів ефективних радіусів від 0,001 до 0,03 мкм; друга група - 0,03…2,50 мкм; третя група - 2,50…10,0 мкм; четверта група - 10…200 мкм. Частка пір першої групи складає 38 %, другої групи – 32 %, третьої – 19 % і четвертої – 11 %.

У об'ємі реактора реалізуються два дифузійні потоки реакційного газу: один потік спрямовано від центру реактора на його безпористу стінку, другий – на пористу поверхню вуглецевого композиту.

Потік на безпористу поверхню стінки реактора може бути визначено за допомогою метода рівнодоступних поверхонь Франк-Каменецького [3] та концентрацію реакційного газу на поверхні реактора можна розрахувати за формулою

, (1)

де С – концентрація реакційного газу в ядрі реактора; b – константа швидкості дифузії; k – константа швидкості розкладання реакційного газу на нагрітій поверхні.

На поверхні вуглецевого композиту реакційний газ розкладається на безпористих ділянках, дифундує у пори чотирьох груп з осадженням піровуглецю на їх поверхні.

З урахуванням викладеного, концентрацію реакційного газу на пористій поверхні вуглецевих композитів визначають як

, (2)

де q_n – пористість поверхні вуглецевого композиційного матеріалу;

; r_i, p_i – середній ефективний радіус і відносна частка i-ої характерної групи пористої структури вуглецевого композиту відповідно; N – кількість характерних груп пір.

Розглядають плоский реактор шириною b_p і довжиною L. У центрі, між бічними стінками реактора розташовують плоску пластину вуглецевого композиту шириною b_n і товщиною 2h. Реакційний газ (пропан) рівномірно обтікає вказану пластину з обох боків і дифундує з центру потоку на поверхні стінок реактора та пластини вуглецевого композиту. Стінки реактора та пластина є нагрітими до постійної температури Т, за якої пропан розкладається на нагрітих поверхнях з відкладенням твердого осаду, – піровуглецю – відповідно до рівняння

. (3)

Диференційне рівняння перенесення реакційного газу довжиною плоского реактора з урахуванням його розкладання можна записати

, (4)

де U – швидкість течії реакційного газу довжиною реактора; х – координата, спрямована довжиною реактора від входу до нього реакційного газу.

З рівняння (3) виходить:

;

; (5)

,

де – концентрація пропана на вході до реактора; U_вх – швидкість подачі реакційного газу до реактора; a – питомий ступінь розкладання пропана довжиною реактора.

З урахуванням співвідношень (5) рівняння (4) має вигляд:

, (6)

де .

Рівняння (6) задає ступінь розкладання пропану довжиною реактора, що враховує процеси осадження піровуглецю на стінках реактора та у пористій структурі пластини вуглецевого композиту.

Література

1. Дедков, Г.В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели [Текст] / Г. В. Дедков // Успехи физических наук. – 2000. – Т. 170. - № 6. – С. 586-618.

2. Байгушев, В. В. Технология производства композиционных углерод-углеродных материалов электротермического назначения : дис…канд. техн. наук: / В. В. Байгушев. – Днепропетровск, 2006. – 140 с.