Навігація
Головна
Відцентрове осадження частинок аерозолівГравітаційне осадження частинок аерозолівЗакономірності взаємодії частини і цілогоОсновні властивості аерозолівЗакономірність єдності навчальної та навчальної діяльностіЗакономірності едукаційного процесуСклад і зміст закономірностей менеджментуКібернетичні закономірностіАерозоліЗакономірне, випадкове і стихійне в історії
 
Головна arrow Екологія arrow Теоретичні основи захисту навколишнього середовища
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Основні закономірності руху і осадження частинок аерозолів

Всі процеси вилучення з повітря зважених часток включають, як правило, дві операції: осадження частинок на сухі або змочені поверхні і видалення осадів з поверхонь осадження.

В основу дії пиловловлюючих і сепараційних пристроїв покладений певний фізичний механізм. У пиловловлювачах і сепараційних пристроях застосовують такі способи відділення зважених часток від зважувати середовища, тобто повітря (газу): осадження в гравітаційному полі, осадження під дією сил інерції, осадження у відцентровому полі, фільтрування, осадження в електричному полі, мокра газоочистка та ін.

Гравітаційне осадження. Частинки аерозолю осідають з потоку забрудненого газу (повітря) під дією сили тяжіння. Осадження під дією гравітаційних сил відбувається через різної кривизни траєкторії руху складових викиду (газів і частинок), вектор швидкості руху якого спрямований горизонтально. Для цього необхідно створити відповідний режим руху забрудненого газу в апараті з урахуванням розміру часток, їх щільності і т.д.

Інерційний осадження. Інерційний осадження засноване на тому, що частинки аерозолю і взвешивающая середу зважаючи на значну різниці щільності володіють різною інерцією. Інерційний осадження відбувається шляхом різкої зміни напряму вектора швидкості руху викиду, при цьому тверді частинки під дією інерційних сил, що рухаються по інерції в колишньому напрямі, відокремлюються від газового середовища і потрапляють в приймальний бункер.

Осадження під дією відцентрових сил. Викиду надається обертальний рух всередині циклонного апарату, при цьому тверді частинки відкидаються відцентровою силою на периферію апарату до його стінки, оскільки відцентрове прискорення в циклоні на кілька порядків більше прискорення сили тяжіння, що дозволяє видалити з викиду навіть вельми дрібні частинки.

Механічна фільтрація. Викид фільтрується через пористу перегородку з волокнистим, гранульованим або пористим матеріалом, при цьому аерозольні частинки затримуються перегородкою в її вузьких звивистих каналах і порах за рахунок ефекту зачеплення, а газова складова повністю проходить через неї.

Осадження в електричному полі. При проходженні через електричне поле частинки аерозоля отримують заряд. Рухаючись до електродів протилежного знаку, вони осідають на них.

Мокра газоочистка. Змочування поверхні частинок і елементів апаратів водою або іншою рідиною сприяє затриманню часток на даній поверхні.

У практиці пиловловлювання та сепарації аерозольних часток використовують і інші методи: термофорез, фотофорез, укрупнення частинок в акустичному полі, вплив магнітного поля, біологічну очистку та ін.

У пиловловлюючих і сепараційних пристроях поряд з основним механізмом уловлювання використовують й інші закономірності. Завдяки цьому загальна і фракційна ефективність апарату досягає більш високого рівня.

data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

Процес очищення від шкідливих домішок характеризується трьома основними параметрами: загальної ефективністю очищення, гідравлічним опором, продуктивністю.

Рух частинок в прямолінійній потоці. Закони, що визначають рух частинок в спочиваючому повітрі, або, що те ж, закони обтікання їхнім повітрям, залежать від розмірів частинок. Аеродинамічний опір частинки діаметром d ч, що рухається зі швидкістю w c щодо повітря щільністю р з, виражають формулою

(6.1)

Коефіцієнт аеродинамічного опору ζ залежить від числа Рейнольдса Re.

При русі з малими швидкостями і дуже невеликих розмірах часток, коли 0 <Re <1, ζ = 24 / Re, а опір визначається формулою Стокса:

(6.2)

У тих випадках, коли досліджується рух, що характеризується свідомо великими значеннями Re, для визначення коефіцієнта аеродинамічного опору застосовують формулу Клячко:

(6.3)

В інтервалі 3 <Re <400 ця формула дає відхилення від дійсних значень не більше 2%, при Re = 1000 похибка становить близько - 4%, а при Re = 0,1 - близько 4%.

Рух частинок в криволінійному потоці. Встановлено, що формула Стокса (6.2), отримана для сфери, обтічної прямолінійним поступальним потоком, не цілком точно визначає навіть опір частинки, седіментірующей в горизонтальному потенційному потоці. При обтіканні ж сфери криволінійним потоком симетричність ліній струму порушується і проявляється вплив ряду нових факторів.

Якщо рух відбувається по концентричних колах, а частинки повітря не обертаються (потенційний потік), то швидкості потоку ν розподіляються за законом площ:

vR = k - const (6.4)

Для визначення постійної до розглянемо плоске течія в криволінійному каналі одиничної товщини, утвореному двома концентричними поверхнями (рис. 6.2).

data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

Об'ємна витрата Q потоку, що протікає зі швидкістю ν по каналу, дорівнює

Так як Q / (R 2 - R 1) = v 0, то

(6.5)

В обертових потоках реальних вузьких газів швидкості розподіляються за законом, дещо відрізняється від закону площ:

(6.6)

при цьому значення показника ступеня χ складає в різних випадках від 0,5 до 1.

Рис. 6.2. Епюри швидкостей потенційного течії в криволінійному каналі

У центрі обертового потоку (ядрі вихору) χ = - 1 і швидкості розподілені як у твердому тілі. У цьому випадку за аналогією з обертальним рухом твердих тіл постійна k може бути названа кутовий швидкістю обертання потоку зі. Опір сфери радіусом r одно

(6.7)

Перший член правої частини цього рівняння - сила Стокса в її звичайному вираженні, а другий і третій члени - додаткові компоненти аеродинамічного опору, обумовлені обертанням потоку. Другий член, по модулю рівний m в v 2 / R, являє собою доцентрову силу об'єму повітря, витісненого сферою; третій член з модулем - силу, спрямовану під прямим кутом до вектора швидкості відносного руху сфери в бік обертання потоку.

Сили інерції. Один з найважливіших результатів взаємодії пилових частинок з захопливими їх повітряними потоками - прояв сил інерції.

На інерційної сепарації пилу з повітряних потоків заснований пристрій великої групи різноманітних "інерційних" пиловловлювачів, що набули поширення в практиці обезпилювання циклонів, жалюзійних пиловловлювачів, відцентрових скруберів, ротоклони та ін. Значною мірою силами інерції обумовлені відділення пилу при фільтрації повітря через пористі шари , осадження пилу на перешкодах, коагуляція пилових частинок в полі ультразвукових коливань і т.п.

У світлі сучасних фізичних уявлень розрізняють два класи сил інерції:

Ньютонови сили інерції, що діють в інерційних системах відліку, тобто в системах нерухомих або рухомих по відношенню до нерухомих прямолінійно і рівномірно;

сили інерції, що діють в неінерційній системах відліку, тобто в системах, що рухаються по відношенню до нерухомих з прискоренням.

Розглянемо насамперед Ньютонови сили інерції. Відповідно до першого закону Ньютона (закон інерції), в інерціальній системі координат кожне відокремлене тіло, на яке не діють сили з боку інших тіл, може рухатися тільки прямолінійно і рівномірно. Таким можна представити рух пилової частки у вакуумі, якщо відволіктися від сил тяжіння або допустити, що маса частинки досить мала, щоб можна було на деякий проміжок часу знехтувати впливом цих сил, наприклад на викривлення її траєкторії.

Частка, що рухається в повітряному середовищі, відчуває її вплив. Згідно з другим законом Ньютона, в результаті цього впливу у частинки виникає прискорення відносно нерухомої системи координат і швидкість її руху починає зменшуватися. Прискорення завжди пропорційно діючої на частку силі опору середовища і по напрямку збігається з напрямком цієї сили.

Якщо абсолютна швидкість частинки відносно нерухомої системи координат дорівнює w, а швидкість повітряного середовища (потоку) - ν, то сила інерції

(6.8)

або

де

(6.9)

В даному випадку ускоряющее дію на частинку надає повітряне середовище. Прискорює сила, представлена правою частиною рівняння (6.8), прикладена до частинки.

Згідно з третім законом Ньютона, кожна дія викликає рівну йому і протилежне за направленням протидію. Ньютонова сила інерції являє собою силу протидії ускоряемой частинки і як сила реакції прикладена до прискорюючою повітряному середовищі. Таким чином, діюча сила аеродинамічного опору і протидіюча їй сила інерції, що характеризують взаємодію частинки з повітряним потоком, мають одну і ту ж природу.

Для дослідження сил інерції другого класу розглянемо поведінка частки в потоці, що протікає, наприклад, в конфузорной частини труби пиловловлювача Вентурі, в нерухомій системі координат. У міру звуження перетину конфузора швидкість потоку ν швидко зростає. Швидкість же руху частки w, рівна в момент входу в конфузор w 0 = v 0, змінюється повільніше, і тому завжди існує значення w c = w - ν, відмінне від нуля.

Введемо рухливу систему координат, рухому разом з потоком, тобто рухому прискорено зі змінною швидкістю ν по відношенню до нерухомої системі координат. Абсолютна швидкість частинки w = ν + w c, при цьому ν може бути названа швидкістю переносного руху, aw c - швидкістю відносного руху. Відповідно прискорення складе

Спостерігач, пов'язаний з рухомою системою координат і тому не замечающий її прискорення dv / dt, повинен буде зазначити, що пилова частинка рухається з прискоренням, рівним dw / dt - dv / dt, яке він не зміг би пояснити дією яких-небудь конкретних сил. Для пояснення цього явища необхідно ввести в розгляд силу інерції - mdv / dt, спрямовану в бік, протилежний напрямку потоку. Рівняння руху частинки відносно рухомої системи координат прийме вигляд

Внаслідок довільності вибору швидкості рухомої системи координат ν може довільно змінюватися і значення сили mdv / dt. Очевидно, однак, що ця сила також є силою реакції частинок.

Сепарація пилу з повітряних потоків відбувається в результаті дії сил тяжкості, інерції, електричних, а також в результаті молекулярної і турбулентної дифузії. Взаємодія між частинками може призводити до їх укрупнення і тим самим сприяти подальшій сепарації. У всіх випадках остаточне відділення пилу від повітряних потоків і її уловлювання визначаються дією сили тяжіння частинок або умовами їх контакту з поверхнями, на які вони осідають, зокрема з поверхнями рідин.

Осадження пилових частинок на сухих поверхнях. Сучасна теорія пиловловлення виходить з уявлення, що кожне зіткнення частинки з перешкодою завершується її прилипанием; частинка відділяється від потоку і може вважатися уловленной. Насправді це справедливо тільки для дуже дрібних частинок. Великі частинки, торкнувшись в процесі сепарації поверхні, можуть відскочити від неї і знову повернутися в повітряний потік.

Зіткнення частинок з перешкодою підпорядковується закономірностям удару. Коефіцієнт k відновлення швидкості частинки після удару можна прийняти рівним 0,8. Відскоку мікротел після удару перешкоджають сили адгезії. Якщо кінетична енергія відскоку частинок (у припущенні відсутності сил адгезії) менше енергії адгезії, то частки прилипають, в іншому випадку вони відскакують. Таким чином, якщо знехтувати силою тяжіння частинки, граничне умова її прилипання виразиться рівністю

(6.10)

де w - швидкість відскоку в припущенні відсутності сил адгезії; E пекло - енергія адгезії.

Зі збільшенням розмірів часток (d> 2 мкм) адгезія все в більшій мірі визначається розміром (радіусом) виступів їх шорсткою поверхні. Контакт може здійснюватися як в одній, так і в декількох точках.

У виразі (6.10) енергія адгезії, тобто робота, витрачається на подолання сил адгезії, при зміні зазору між контактуючими тілами дорівнює

Сила адгезії убуває дуже швидко - пропорційно квадрату або навіть кубу розміру зазору в найбільш вузькому його місці, стаючи надзвичайно малою величиною вже при зазорах розміром близько 1 мкм.

Якщо прийняти, ЩО E пекло = F пекло h, h = 6A, то отримаємо E пекло = 0,012 · 6 х 10-8dч. Тоді з умови (6.10) отримаємо

(6.11)

звідки граничне значення швидкості (см / с), при якому ще можливо прилипання частинок, так само

(6.12)

де d ч - розмір часток, мкм.

З виразу (6.12) видно, що частинки розміром близько 1 мкм можуть прилипати до поверхонь при швидкостях зіткнень приблизно 0,3 см / с. При деформації частинок або волокон і при утворенні на контактуючих тілах шару адсорбованих молекул води і вуглеводнів умови адгезії можуть ставати більш сприятливими. За розрахунками, за рахунок деформації синтетичних волокон при ударі по них твердих пилових частинок F пекло збільшується в 2 ... 3 рази. Проте сухі поверхні волокон та інших перешкод не можуть надійно утримувати великі пилові частинки, хоча початкове осадження їх з повітряних потоків відбувається так само, як і на змочених поверхнях.

У процесі послідовних зіткнень великих часток з волокнами фільтруючого шару швидкість їх поступово зменшується, так як вона не може відновлюватися повітряним потоком миттєво. При цьому створюються більш сприятливі умови для їх седиментації і механічного утримання в фільтруючому шарі.

Максимум ефективності сухих фільтрів відповідає крупності частинок 4 ... 6 мкм; при більшій крупності частинок ефективність фільтрів різко знижується. Змочені фільтри зберігають високу ефективність в області більш великих часток.

Заповнювати сухі фільтри переважніше полімерними матеріалами, так як деформація поверхні цих матеріалів при ударі об них частинок покращує умови контакту і адгезії.

Осадження частинок в турбулентному потоці. Характер впливу турбулентних пульсацій на поведінку часток представляє винятковий інтерес для пиловловлення, оскільки в апаратах чаші всього спостерігається турбулентний плин запиленого газового потоку. Проте поведінка частинок в турбулентному потоці менш вивчено, ніж у ламінарному. Так, до кінця не вивчено питання про ступінь захоплення частинок турбулентними пульсаціями. Розрахунки показують, що практично повне захоплення частинок пульсаціями відбувається при τр ≤ 0,01, тобто при d ч ≤ 60 мкм для частинок щільністю р ч = 1000 кг / м 3. Частинки ж розміром порядку 1 мм практично не беруть участь в пульсаціях середовища.

При Re r T> 10 4 в прямокутному каналі (за винятком прикордонного шару) коефіцієнт турбулентної дифузії частинок DT (м 2 / с) є постійною величиною і може бути визначений за формулою

(6.13)

Нижче наводяться дані по швидкості дифузійного осадження частинок на стінці з турбулентного потоку у вигляді залежності безрозмірного відносини - швидкість осадження частинок за рахунок турбулентної дифузії, м / с; v * - характерна для даного потоку швидкість турбулентних пульсацій, м / с) від діаметра частинок (при v г = 0,15 см 2 / с):

Діаметр частинок, мкм

10 -3

10 -2

10 -1

Швидкість дифузійного осадження

і ", м / с

0,19

0,0056

0,000034 0,0000052

З наведених даних випливає, що швидкість осадження частинок за рахунок дифузії невелика і до того ж різко зменшується із зростанням розміру часток.

Значно більше значення на практиці має інерційний осадження частинок з турбулентного потоку. Відомо, що швидкості пульсації в міру наближення до стінки зростають і починають спадати лише на дуже малій відстані від неї. З іншого боку, діаметр вихорів в міру наближення до стінки убуває, а перпендикулярні стінці дрібномасштабні пульсації спостерігаються вже на відстані декількох мікрометрів від стінки. Тому, незважаючи на повне захоплення частинок турбулентними пульсаціями, в центральній частині потоку поблизу стінок на них можуть впливати значні інерційні сили, що сприяють їх осадженню.

Інерційний осадження в турбулентному потоці відбувається і при обтіканні газом тіл, встановлених або рухомих назустріч потоку. Осадження відбувається як на навітряного, так і на підвітряного стороні тіла, причому іноді на підвітряного стороні осадження відбувається інтенсивніше. Остання обставина пояснюється гідродинамічними умовами обтікання тіла. Найкращі умови для подветренного осадження - досить висока для інерційного осадження частинок швидкість у вихорах і не занадто швидке їх видалення від обтічного тіла.

Для розрахунку ефективності осадження частинок при турбулентному плині газового потоку на трубчастих і пластинчастих поверхнях було запропоновано рівняння

(6.14)

де w ч.тyp6 - швидкість турбулентного осадження зважених часток, м / с; l - довжина труби або каналу, м; D е - еквівалентний діаметр каналу (для плоскопаралельних каналів D е = 2h, де h - ширина каналу), м.

Сумарна ефективність уловлювання частинок. Зазвичай уловлювання частинок аерозолю здійснюється в пиловловлювачі під впливом декількох механізмів осадження одночасно. Запропоновано ряд емпіричних формул для розрахунку ефективності при спільній дії двох і більше механізмів осадження. Наприклад, для розрахунку сумарного впливу трьох механізмів осадження - інерції, зачеплення і дифузії - було запропоновано наступне рівняння:

(6.15)

Оскільки окремі механізми осадження взаємопов'язані, загальну ефективність не можна представити у вигляді суми

Краще наближення досягається при допущенні, що частинки, що не уловлені в результаті дії одного з механізмів, уловлюватимуться за рахунок дії інших. Загальна ефективність осадження в цьому випадку може бути визначена по рівнянню

(6.16)

Якщо один або два механізми відіграють вирішальну роль при уловлюванні частинок, то в цьому конкретному випадку слід розраховувати величину η по найбільш імовірним механізмам осадження. Решта механізми будуть відігравати другорядну роль і ними можна знехтувати.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Cхожі теми

Відцентрове осадження частинок аерозолів
Гравітаційне осадження частинок аерозолів
Закономірності взаємодії частини і цілого
Основні властивості аерозолів
Закономірність єдності навчальної та навчальної діяльності
Закономірності едукаційного процесу
Склад і зміст закономірностей менеджменту
Кібернетичні закономірності
Аерозолі
Закономірне, випадкове і стихійне в історії
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук