Главная  /  Статьи

Статьи

Трубчатый мелкопузырчатый аэратор УСИ нового поколения из стеклопластика

Композиционные материалы – материалы будущего

Трубчатый мелкопузырчатый аэратор УСИ нового поколения из стеклопластика

Автор к.т.н. С.И. Мыльников

Зарастание отверстий в металлических трубчатых аэраторах, вследствие процесса кольматации, или выбивание фильтросных; плиток; при их продувке приводит к дополнительным потерям воздуха и электроэнергии. Как следствие возникает переплата за перерасход электроэнергии и за увеличение сбросов неочищенных стоков в водоемы. Применение сверленых стальных труб следует считать недопустимым из-за из кольматации. Широко используются трубчатые мелкопузырчатые аэраторы, изготовленные из сверленых полиэтиленовых труб длиной не более 2 п.м. с нанесенными на их поверхность крупно и мелковолокнистыми неткаными слоями из полиэтилена генерируют пузырьки диаметром около 5 мм. Однако, малая длина этих аэраторов является причиной большого числа, т.е. «мертвых зон» в соединениях, которые снижают эффективность процесса очистки. Мягкий поверхностный слой этих аэраторов не способен противостоять даже незначительным механическим воздействиям, в результате чего могут образовываться свищи. Большинство очистных сооружений меняет такие аэраторы уже через 5-7 лет, как правило, из-за кольматации или заноса внутренних поверхностей аэраторов и диспергирующих слоев атмосферной пылью. По истечении указанных выше сроков увеличение сопротивления проходу воздуха препятствует подаче требуемых объемов воздуха и сопровождается перерасходом электроэнергии. Общеизвестно, что регенерация рабочей поверхности таких аэраторов, мероприятие  затратное и неэффективное, из-за наличия в аэраторах нескольких диспергирующих слоев.
Проблемы с применением тарельчатых аэраторов вызваны необходимостью покрытия сетью воздуховодов всей поверхности днища аэротенка, что затрудняет его очистку от донных отложений, а мембраны тарельчатых аэраторов по сравнению с трубчатыми недолговечны и требуют замены через 3 года. Затонувшая ветошь зачастую накрывает мембраны, выводя их из процесса «накислораживания» стоков в аэротенке, требуя частых опорожнений и очистки.
В отличие от приведенных примеров композитные поверхности отторгают образование так называемого «прикрепленного биоценоза», препятствуя кольматации и увеличению гидравлического сопротивления при прохождении и диспергации воздуха. На этом и было основано решение о создание аэратора УСИ из стеклопластика.
Технология по которой ООО «Композитмаш» производит аэраторы не только обеспечивает прочность равную прочности металла но и существенно сокращает себестоимость их производства, поэтому их цена как правило ниже известных аналогов.
Соединения аэрационных труб выполняется внатяг на обоюдоконические патрубки из полиэтилена. Отсутствие резьбовых соединений повышает их прочность особенно в зимнее время.
Сохраняя аэродинамические параметры известных трубчатых аэраторов, разработанные ЗАО «Уралставан-Инжиниринг» совместно с ООО «Композитмаш» стеклопластиковые аэраторы УСИ обладают высокими прочностными свойствами. Стеклопластик химически инертен и в течение десятилетий сохраняет свои свойства практически в любых средах, технология их изготовления позволяет выпускать их длиной 6 п.м. и более, что в разы сокращает протяженность «мертвых зон». Поскольку такие аэраторы легко режутся обычной УШМ, то получить более короткие трубы не представляет труда.
Предотвращение кольматации позволяет аэраторам УСИ сохранять свои аэродинамические свойства уже свыше 17 лет, что дает существенную экономию электроэнергии (до 20% и более).
Заслуживает внимания и тот факт, что аэраторы, имея только один слой диспергирующего материала, легко подвергаются обратной промывке. А саму промывку можно осуществлять, не останавливая процесса аэрации, простым закрытием на несколько секунд задвижки, перекрывающей поступление воздуха в аэрационную нитку. При этом происходит затопление аэраторов очищаемой жидкостью и обратная промывка диспергирующего слоя. Запуск в работу промытой нитки аэраторов после подачи воздуха происходит в течении 2-3 секунд.,br />Отработанные аэраторы могут быть возвращены поставщику по остаточной стоимости для неинтенсивной аэрации промерзающих в зимнее время рыбных водоемов, или утилизированы путем их использования в качестве дренажных труб, или опор бессрочного действия на подтопляемых территориях (иногда с заливкой их внутри бетоном), как столбы для ограждений ни какие другие аэрационные трубы для этой цели не подходят.
Вывод: в условиях строгой экономии электроэнергии и одновременного поддержания высокоэффективного режима очистки хозяйственно-бытовых стоков, аэратор УСИ производства ООО «Композитмаш» идеальное решение, так как стеклопластиковые аэраторы легко утилизируются, будучи востребованными и после их отработки в различных процессах.

Композиционные материалы – материалы будущего

После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности ее изменения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычн ых сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким показателем модуля упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.
Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

1. Композиционные материалы с металлической матрицей.
Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.
2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.
В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы, коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
По виду упрочнителя композитные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.
Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят характеристики материала на изгиб и кручение.

Классификация композиционных материалов.

1. Волокнистые композиционные материалы.
Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Композитые материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости, модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.
Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.
2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.
В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
3. Стекловолокниты.
Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (в следствии влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.
Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качеств есвязующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.).
Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.
Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.
Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства.
4. Карбоволокниты.
Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).
Высокая энергия связи углерод-углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких (до 300 °С) и низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению.
Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).
Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химическистойкие.
Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков.
Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал.
5. Бороволокниты.
Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон.
Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.
Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.
Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.
7. Органоволокниты.
Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.
Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).
Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при температуре 200-300 °С.
В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Экономическая эффективность применения композиционных материалов.

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжероны, нервюры, панели и т. д.) и двигателей (лопатоки компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.
Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.
Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.
Композитные материалы с неметаллической матрицей, а именно, полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.
Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.
Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).
Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадио промышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.