Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 4643:2009 quy định phương pháp xác định độ thẩm thấu lưu chất của vật liệu kim loại thiêu kết thẩm thấu trong đó độ xốp (rỗng) là liên tục hoặc nối thông với nhau, thử nghiệm được tiến hành trong những điều kiện sao cho độ thẩm thấu lưu chất có thể được biểu thị dưới dạng hệ số thẩm thấu quán tính và hệ số thẩm thấu nhớt (xem Phụ lục A).
TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 4643 : 2009 ISO 4022 : 1987 VẬT LIỆU KIM LOẠI THIÊU KẾT THẨM THẤU - XÁC ĐỊNH ĐỘ THẨM THẤU LƯU CHẤT Permeable sintered metal materials - Determination of fluid permeability Lời nói đầu TCVN 4643 : 2009 thay TCVN 4643 : 1988 TCVN 4643 : 2009 hoàn toàn tương đương với ISO 4022 : 1987 TCVN 4643: 2009 Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 164 Thử lý kim loại biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học Công nghệ công bố VẬT LIỆU KIM LOẠI THIÊU KẾT THẨM THẤU - XÁC ĐỊNH ĐỘ THẨM THẤU LƯU CHẤT Permeable sintered metal materials - Determination of fluid permeability Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn quy định phương pháp xác định độ thẩm thấu lưu chất vật liệu kim loại thiêu kết thẩm thấu độ xốp (rỗng) liên tục nối thông với nhau, thử nghiệm tiến hành điều kiện cho độ thẩm thấu lưu chất biểu thị dạng hệ số thẩm thấu quán tính hệ số thẩm thấu nhớt (xem Phụ lục A) Tiêu chuẩn không áp dụng cho mẫu thử hình trụ rỗng dài có đường kính nhỏ độ giảm áp dòng chảy dọc theo lỗ hình trụ đáng kể so với độ giảm áp dòng lưu chất qua chiều dày thành (xem Phụ lục A, Điều A.5) Tài liệu viện dẫn Các tài liệu cần thiết việc áp dụng tiêu chuẩn Đối với tài liệu có ghi năm công bố, áp dụng phiên nêu Đối với tài liệu không ghi năm công bố, áp dụng phiên (bao gồm sửa đổi) TCVN 8189 (ISO 2738), Vật liệu kim loại thiêu kết, trừ hợp kim cứng - Vật liệu kim loại thiêu kết thẩm thấu - Xác định khối lượng riêng, hàm lượng dầu độ xốp hở Nguyên lý Cho dòng lưu chất thử biết độ nhớt khối lượng riêng chảy qua mẫu thử, đo độ giảm áp lưu lượng thể tích Xác định hệ số thẩm thấu quán tính hệ số thẩm thấu nhớt, thông số công thức mô tả mối quan hệ độ giảm áp, lưu lượng thể tích, độ nhớt khối lượng riêng lưu chất thử, kích thước mẫu thử kim loại xốp thấm lưu chất Ký hiệu định nghĩa Trong tiêu chuẩn sử dụng kí hiệu định nghĩa Bảng 1: Bảng - Kí hiệu định nghĩa Thuật ngữ Kí hiệu Định nghĩa Độ thẩm thấu - Khả kim loại xốp cho lưu chất chảy qua tác dụng gradien áp suất Diện tích thử A Diện tích kim loại xốp vng góc với chiều dòng lưu chất Đơn vị m2 Chiều dày e Kích thước mẫu thử theo chiều dòng lưu chất m a) cho mẫu phẳng: độ dày b) cho mẫu trụ rỗng: theo phương trình 7.1.2 Chiều dài L Hệ số thẩm thấu nhớt v Hệ số thẩm thấu qn tính i Chiều dài hình trụ (xem Hình 2) m Lưu lượng thể tích lưu chất có độ nhớt đơn vị truyền qua đơn vị diện tích kim loại xốp tác động gradien áp suất đơn vị lực cản dòng lưu chất gây giảm độ nhớt Điều không phụ thuộc vào lượng kim loại xốp m2 Lưu lượng thể tích lưu chất có khối lượng riêng đơn vị truyền qua diện tích đơn vị kim loại xốp tác động gradien áp suất đơn vị lực cản dòng lưu chất gây làm giảm quán tính Điều khơng phụ thuộc vào lượng kim loại xốp m Lưu lượng thể tích Q Lưu lượng khối lưu chất chia cho khối lượng riêng Áp suất đầu dòng p1 Áp suất dòng phía vào mẫu thử Áp suất cuối dòng p2 Áp suất dòng phía mẫu thử Áp suất trung bình p Trung bình cộng áp suất đầu dòng cuối dòng Độ giảm áp ∆p Hiệu số áp suất đầu dòng cuối dòng bề mặt mẫu thử m3/s Pa Pa Gradien áp suất ∆p/e Độ giảm áp chia cho chiều dày mẫu thử xốp N/m3 Vận tốc Q/A Tỉ số lưu lượng thể tích với diện tích thử m/s Khối lượng riêng Khối lượng riêng lưu chất thử nhiệt độ áp suất kg/m3 trung bình Độ nhớt động Hệ số nhớt động tuyệt đối theo định luật Newton N.s/m2 Hiệu chỉnh thiết bị (được trừ từ độ giảm áp quan sát) - Độ chênh lệch áp suất quan sát áp suất phân nhánh đầu cuối dòng thiết bị thử khơng có mẫu xốp (Nó thay đổi theo lưu lượng qua thiết bị phát sinh từ ảnh hưởng ống khuếch tán phân nhánh áp suất nguyên nhân khác) Pa Nhiệt độ tuyệt đối trung bình T Trung bình cộng nhiệt độ lưu chất phía đầu dòng cuối dòng hai bên mẫu thử K Mẫu thử Trước thử nghiệm với chất khí, tất chất lỏng phải loại bỏ khỏi lỗ xốp mẫu Dầu chất bôi trơn làm cách dùng dung môi phù hợp với phương pháp chiết theo TCVN 8189 (ISO 2738) Mẫu phải làm khô trước thử nghiệm Thiết bị, dụng cụ 6.1 Thiết bị Việc lựa chọn thiết bị chủ yếu dựa kích thước, hình dáng đặc tính vật lý mẫu thử Tiêu chuẩn đưa hai loại thiết bị khác phù hợp với việc xác định độ thẩm thấu lưu chất mẫu thử xốp 6.1.1 Đầu thử có vòng bảo vệ dùng cho mẫu phẳng Đây loại thiết bị nên dùng để tiến hành thử không phá hủy phần diện tích phẳng xốp Tấm vật liệu xốp kẹp chặt hai cặp vòng đệm bịt kín Cặp bên tương ứng với vùng thử có đường kính trung bình D1 Cặp bên ngồi có đường kính trung bình D2, tạo nên vòng bảo vệ xung quanh vùng thử Vòng ép để ngăn khơng cho vùng diện tích thử bị rò rỉ (xem Hình 1) Bề rộng vùng tạo nên bên vòng bảo vệ không nhỏ độ dày tấm, nghĩa là: D D1 ≥e Đầu thử có vòng bảo vệ làm giảm tối thiểu rò rỉ mặt bên cách đảm bảo cân áp suất buồng ngồi Đối với phía đầu dòng hướng vào mẫu thử, điều đạt cách bố trí diện tích cửa nối với buồng (như Hình 1) lớn tới mức Đối với phía cuối dòng hướng mẫu thử, buồng dẫn tới lưu lượng kế, thường phải chịu áp suất ngược nhỏ buồng ngồi nối với khí qua van điều áp Van điều chỉnh để cân áp suất buồng buồng Việc lắp hạn chế mẫu thử lưu lượng kế, làm tăng áp suất ngược cho phép kiểm soát ổn định van cân áp suất Tuy nhiên, lý tưởng áp suất cuối dòng gần áp suất khí tốt khơng nên sử dụng hạn chế không cần thiết phải điều chỉnh độ giảm áp lưu lượng kế Vòng đệm bịt kín hình xuyến (vòng chữ O) kiến nghị dùng cho vòng đệm bịt kín Các vòng đệm bịt kín phải đủ mềm để khắc phục tất khuyết tật bề mặt độ không phẳng vật liệu xốp Trong số trường hợp cần phải chất tải riêng biệt cho vòng đệm bịt kín ngồi nhằm đảm bảo bịt kín khơng rò rỉ Cần có hai vòng đệm bịt kín và chúng phải thẳng hàng với Hình - Đầu thử có vòng bảo vệ 6.1.2 Gá kẹp cho mẫu thử hình trụ rỗng Độ thẩm thấu mẫu thử hình trụ rỗng thích hợp đo cách kẹp trụ theo chiều dọc trục hai mặt phẳng cho lưu chất thử thấm ngồi qua thành trụ Ví dụ xem Hình Lưu lượng kế đặt phía đầu dòng chảy vào mẫu thử Khi kẹp mẫu để thử, phải sử dụng đệm bịt kín đủ mềm để khắc phục độ nhấp nhô bề mặt để bảo đảm kín khít khơng rò rỉ CHÚ THÍCH: Đường kính phải xấp xỉ đường kính d kinh doanh h nên nhỏ tốt để làm giảm thiểu hiệu chỉnh thiết bị Hình - Giá kẹp cho mẫu thử hình trụ rỗng 6.2 Lưu chất thử Trong phần lớn trường hợp, chất khí lưu chất thử tốt chất lỏng (xem phụ lục B) Chất khí thử phải khơ Với thỏa thuận bên có liên quan, dùng chất lỏng độ thẩm thấu liên quan đến chất lỏng cụ thể yêu cầu Chất lỏng phải khơng chứa khí hòa tan Qui trình thử 7.1 Đo chiều dày diện tích mẫu thử 7.1.1 Mẫu thử phẳng Kích thước đầu đo micromet (trắc vi kế) khơng lớn kích thước độ nhấp nhô bề mặt, không nhỏ kích thước lỗ xốp Diện tích thử định nghĩa diện tích vùng vng góc với chiều dòng lưu chất với điều kiện gradien áp suất đồng đều, định nghĩa có ý nghĩa đầy đủ diện tích thử đo dễ dàng 7.1.2 Mẫu thử hình trụ rỗng Với mẫu thử hình trụ rỗng chiều dày e diện tích thử A tính theo cơng thức sau: Trong r = D (xem Hình 2) d Với chiều dày thành tính cơng thức e= A= D d nhỏ so với d, ví dụ nhỏ 0,1d, chiều dày e diện tích A D d L (D d) 7.2 Đo độ giảm áp Độ giảm áp xác định cách đo áp suất riêng biệt đầu dòng cuối dòng tính hiệu, cách sử dụng áp kế vi sai (dưỡng đo áp kế vi sai) Sự hiệu chỉnh thiết bị đạt cách sử dụng thiết bị mà khơng có mẫu thử vị trí thử, quan sát độ giảm áp phạm vi lưu lượng yêu cầu Sự hiệu chỉnh thiết bị không nên vượt 10 % độ giảm áp (xem Bảng 1) 7.3 Đo lưu lượng Một chuẩn cho việc đo lưu lượng mẫu thử cần đưa vào Lưu lượng phải hiệu chỉnh với áp suất nhiệt độ trung bình mẫu thử Tuy nhiên, lưu lượng kế chuẩn (đã hiệu chuẩn trước so với chuẩn bản) thuận lợi cho việc đo đạc 7.4 Đo áp suất nhiệt độ Cần phải đo nhiệt độ áp suất lưu lượng kế mẫu thử để: - Hiệu chỉnh xác số đo lưu lượng kế; - Tính tốn lưu lượng trung bình chảy qua mẫu thử; - Xác định khối lượng riêng độ nhớt lưu chất thử Biểu thị kết 8.1 Lưu lượng trung bình Số đo lưu lượng kế Qf hiệu chỉnh khơng sử dụng nhiệt độ áp suất hiệu chuẩn nó, cách sử dụng hệ số hiệu chỉnh lưu lượng kế C f nhà sản xuất đưa Số đo lưu lượng kế hiệu chỉnh Qa tính cơng thức sau: Qa = Cf x Qf Số đo lưu lượng kế hiệu chỉnh Qa chuyển đổi sang lưu lượng trung bình Q mẫu thử xốp việc sử dụng số hiệu chỉnh Cs tính từ cơng thức định luật chất khí: Cs = Q = Qa pa p T Ta Lưu lượng trung bình Q = Cs x Qa Khi lập bảng liệu, sử dụng hệ số hiệu chỉnh toàn C o Co = Cf x Cs Để tính lưu lượng trung bình Q = Co x Qf 8.2 Khối lượng riêng độ nhớt trung bình Áp suất trung bình nhiệt độ tuyệt đối trung bình mẫu thử cho phép tính khối lượng riêng trung bình độ nhớt trung bình từ liệu có 8.3 Tính tốn kết Hệ số thẩm thấu nhớt hệ số thẩm thấu quán tính xác định cách lấy kết đồng thời lưu lượng độ giảm áp Số lượng số đo lưu lượng đọc phải nhỏ 5, phân bố cách khoảng số đo lưu lượng, số đo lưu lượng lớn tối thiểu phải 10 lần số đo lưu lượng nhỏ Kết tính cơng thức sau: Cơng thức viết dạng y = ax + b với y= p A e Q x= Q A Giá trị x y tính tốn mức lưu lượng/độ giảm áp Các giá trị tương ứng x y đánh dấu giấy vẽ đồ thị tuyến tính đường thẳng vẽ qua điểm Giao đường thẳng với trục y cho giá trị nghịch đảo độ thẩm thấu nhớt (1/ Độ dốc đường thẳng cho giá trị nghịch đảo độ thẩm thấu quán tính (1/ i v ) ) Trong trường hợp có nghi ngờ, nên xác định đường thẳng phương pháp bình phương nhỏ CHÚ THÍCH: Nếu phép đo tiến hành với dòng chảy theo chế độ chảy tầng, xác định hệ số thẩm thấu nhớt (xem Phụ lục A) 8.4 Kết cuối Báo cáo hệ số thẩm thấu nhớt theo đơn vị 10-12m2 (1 m2) hệ số thẩm thấu quán tính theo 106 m (1 m) với độ xác ± % theo giá trị liên quan CHÚ THÍCH: Đơn vị hệ số thẩm thấu nhớt ( m2) đơi gọi darcy Báo cáo thử nghiệm Báo cáo thử phải bao gồm thông tin sau: a) Số hiệu tiêu chuẩn này; b) Tất chi tiết cần thiết để nhận biết mẫu thử; c) Loại thiết bị sử dụng; d) Lưu chất thử sử dụng; e) Kết đạt được; f) Tất thao tác không qui định tiêu chuẩn xem tùy chọn; h) Chi tiết tất cố ảnh hưởng đến kết thử Phụ lục A (tham khảo) Dòng lưu chất chảy qua vật liệu xốp A.1 Dòng chảy tầng Cơng thức thực nghiệm cho dòng lưu chất chảy qua vật liệu rỗ xốp đưa Darcy, sau thử nghiệm với nước, thể tính tỉ lệ độ giảm áp đơn vị độ dày lưu lượng dòng chảy đơn vị diện tích độ nhớt Cơng thức: Q p = A e (1) v thừa nhận mát trượt nhớt A.2 Dòng chảy qn tính tầng Thực tế, dòng lưu chất chảy qua vật liệu xốp gồm nhiều chế mà đa số chúng vận hành đồng thời Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy phần lớn trường hợp liên quan đến dòng lưu chất chảy qua kim loại xốp có ba chế cần phải quan tâm Đó là: dòng chảy tầng (nhớt), dòng qn tính dòng trượt Dòng qn tính liên quan đến mát lượng thay đổi hướng dòng chảy lưu chất qua rỗ xốp ngoằn ngoèo bắt đầu mạnh mẽ chảy rối cục rỗ xốp, kết hợp với phương trình tổn thất nhớt Darcy, Forchheimer đưa cơng thức (dòng trượt thường khơng có mặt): Q p = A e + v Q2 A2 (2) i Công thức sử dụng 8.3 tiêu chuẩn Tuy nhiên vận tốc dòng chảy thấp lưu chất nhớt, thuật ngữ qn tính cơng thức (2) thường không quan trọng so sánh với thuật ngữ độ nhớt bỏ qua để có cơng thức đơn giản (1) A.3 Dòng trượt Cơng thức (1) thừa nhận kích thước lỗ xốp lớn so với đường chảy tự trung bình phân tử dòng lưu chất thử Sự giả định gần khơng có hiệu lực với lỗ kích thước nhỏ với chất khí áp suất giảm nhiệt độ cao Khi đường chảy tự trung bình phân tử chất khí tiến đến mức kích thước lỗ xốp kim loại, dòng trượt xuất Khi có mặt dòng trượt, kim loại xốp xem dễ thấm so với khơng có dòng trượt Ngồi ra, có mặt dòng trượt, thường khơng có tổn thất qn tính, cơng thức (2) viết dạng: s Trong s = Q A e p (3) hệ số thẩm thấu có dòng trượt Sự hiệu chỉnh dùng cho dòng trượt cho bởi: s= v x B p1 p (4) Trong đó: s độ thẩm thấu nhớt quan sát có dòng trượt v hệ số thẩm thấu nhớt thực B hệ số Klinkenberg, số với vật liệu xốp khí cho trước, có thứ nguyên áp suất Mối quan hệ s v viết lại dạng: s =Bx v x + p1 p v (5) Do đó, cách đo s qua dãy áp suất khác (ví dụ: p1, p2 ), cách vẽ đồ thị ta vẽ đường thẳng Độ dốc đường thẳng B x v s dựa vào p1 p Giao điểm đường thẳng với trục s hệ số thẩm thấu nhớt v Giá trị hệ số Klinkenberg B tăng kích thước lỗ xốp giảm, khối lượng phân tử tương đối giảm, độ nhớt nhiệt độ khí tăng A.4 Hiệu ứng đầu mút thành Cơng thức (2), liên quan đến dòng chảy lưu chất, cho độ xốp liên tục đồng đều, bề mặt mẫu thử xuất điểm gián đoạn Có hai trường hợp cần xem xét: - Hiệu ứng thành mẫu thử bịt cạnh thành bình chứa; - Hiệu ứng đầu mút bề mặt ngược dòng xi dòng tất mẫu thử nghiệm Nói chung với vật liệu hạt, đường kính mẫu thử nghiệm khơng nhỏ 100 lần đường kính hạt kim loại xốp, hiệu ứng thành thường khơng đáng kể với đường kính gấp khoảng 40 lần đường kính hạt sai số nhỏ khoảng % Hiệu ứng đầu mút thường không đáng kể chiều dày mẫu thử không nhỏ 10 lần đường kính hạt kim loại xốp Giống trường hợp hiệu ứng thành, hiệu ứng đầu mút phụ thuộc vào khác trạng thái rỗ xốp bề mặt bên A.5 Vật liệu xốp dạng ống dài Công thức (2) (Xem A 2) cơng thức tính tốn diện tích chiều dày 7.1.2 độ giảm áp 7.2 thừa nhận áp suất từ lên đồng cho tất phần mẫu Với ống rỗng dài kết khơng Để thiết lập sai số sụt áp chất lỏng dọc theo lỗ ống nhỏ %, cần sử dụng quy trình sau: a) Thêm dòng áp suất khác vào vùng xa đầu vào dòng lưu chất so sánh giá trị với giá trị nhận từ dòng áp suất gần với đầu vào dòng lưu chất; b) Che khoảng nửa diện tích ống từ đầu Đo độ thẩm thấu phần che vị trí phần không che là: - Gần tới - Xa từ đầu vào dòng lưu chất So sánh hai độ thẩm thấu đo Phụ lục B (tham khảo) Lưu chất thử Phần lớn trường hợp chất khí lưu chất thử thuận tiện so với chất lỏng Các hạn chế chất lỏng sau: - Khó loại bỏ tất hạt rắn mắc lỗ xốp kim loại xốp làm thay đổi độ thẩm thấu; - Chất khí hòa tan chất lỏng bị đẩy vào lỗ xốp gây “nút khí”; - Áp suất thủy tĩnh gây khó khăn thêm cho việc đo độ giảm áp; - Chất lỏng đắt tiền gây bẩn trình làm việc; - Một số kim loại có phản ứng hấp phụ với số chất lỏng làm cho kích thước lỗ xốp có xu hướng bị giảm đi; - Do tính mao dẫn hiệu ứng bề mặt, mức độ thấm ướt bề mặt bề mặt xốp chất lỏng ảnh hưởng tới độ thẩm thấu quan sát được, đặc biệt kim loại xốp có cỡ lỗ xốp nhỏ Tuy nhiên số trường hợp sử dụng chất lỏng cần đến độ thẩm thấu chất lỏng cụ thể, chất lỏng phải tuân theo định luật Newton cần phải tuân thủ yêu cầu sau: - Chất lỏng phải sạch, khơng có hạt rắn, bụi khí hòa tan; - Tồn diện tích mẫu phải ngấm hết chất lỏng, khơng có bóng khí bề mặt mẫu thử Thông thường, chất lỏng cho kết độ thẩm thấu phù hợp với chất khí mà lỗ xốp lớn Với tất lý chất khí lưu chất thử ưu tiên sử dụng Tuy nhiên, với chất khí mát qn tính thường xuất nhiều cơng thức (2) Phụ lục A thích hợp ... chiết theo TCVN 8189 (ISO 2738) Mẫu phải làm khô trước thử nghiệm Thiết bị, dụng cụ 6.1 Thiết bị Việc lựa chọn thiết bị chủ yếu dựa kích thước, hình dáng đặc tính vật lý mẫu thử Tiêu chuẩn đưa... lượng Một chuẩn cho việc đo lưu lượng mẫu thử cần đưa vào Lưu lượng phải hiệu chỉnh với áp suất nhiệt độ trung bình mẫu thử Tuy nhiên, lưu lượng kế chuẩn (đã hiệu chuẩn trước so với chuẩn bản)... a) Số hiệu tiêu chuẩn này; b) Tất chi tiết cần thiết để nhận biết mẫu thử; c) Loại thiết bị sử dụng; d) Lưu chất thử sử dụng; e) Kết đạt được; f) Tất thao tác không qui định tiêu chuẩn xem tùy