Полная версия

Главная arrow Строительство arrow ВЕНТИЛЯЦИЯ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Механика сепарации пыли

Сепарация из воздуха частиц пыли происходит в результате действия внешних сил, как правило, нескольких одновременно, главными из которых являются силы тяжести, центробежные, инерции и электрические. Другие факторы, такие как силы магнитного и акустического полей, диффузия, тепловая коагуляция, адгезия, только интенсифицируют процесс, повышая эффективность пылеулавливания. Главным действующим фактором в большинстве случаев является сила тяжести, которая обычно завершает процесс выделение частиц пыли из воздуха.

Осаждение пыли под действием сил тяжести. В неподвижном воздухе ( tr = О) на оседающую частицу действует' внешняя сила Р= Мч Уравнение (4.9) в этом случае можно записать так:

или [см. зависимость (4.5)"] -

Разделив переменные в (4.10) и интегрируя, пол у чаем:

При 1 = 0 С * tn (- 1р ^ ) , и переменная скорость частицы будет равна

а так как Тр<) * *ос [формула (4.5)J ,то

Величина е»рС-Т/Тр) в формуле (4.11) быстро убывает и поэтому tr4 Z *

Экспериментальными исследованиями установлено, что скорость изменения концентрации аэрозоля за счет осаждения (выпадения) частиц пропорциональна самой концентрации с в данный момент времени:

где к - экспериментальная постоянная, с"*.

Для рассматриваемого случая, т.е. в условиях седиментации в гравитационном поле, экспериментальная постоянная к может быть определена как обратная величина осаждения частицы [lljl

где - длина пути осаждения частицы, м.

Тогда формула (4.12) принимает вид

Интегрирование выражения (4.13) от начальной концентрации ср до с и по времени от О до Т дает зависимость

С учетом зависимости (4.14) и физического смысла коэффициента очистки (с. 122 ) эффективность осаждения пыли ? под действием силы тяжести можно выразить так:

Движение частиц в ламинарных потоках можно описывать также уравнением (4.11). Однако следует учитывать, что траектория частицы в этом случае отличается от прямолинейной за счет средней скорости движения потока.

В турбулентных потоках гравитационная седиментация частиц значительно осложняется наличием турбулентных пульсаций, особенно заметных для мелких частиц. Крупные частицы при гравитационном осаждении ведут ce6s? так же, как и в ламинарных потоках.

Осаждение пыли под действием инерционных сил. Инерционная сепарация может происходить как в прямолинейных, так и в криволинейных потоках.Однако в любом случае инерционное осаждение пыли обусловливается искривлением линии тока воздуха при обтекании препятствий. Под влиянием инерции траектории частиц искривляются в меньшей степени, чем линии тока. Вследствие этого некоторые частицы соударяются с препятствием или касаются его и при определенных условиях выпадают из воздушного потока. Препятствиями могут быть различные плоскости, цилиндрические поверхности (волокна тканей, сетки), сферические тела (капли жидкости, зерна).

Вероятность осаждения частицы пыли зависит от ее массы, скорости потока и характера его движения, от размера препятствия. Эффективность инерционного осаждения может быть выражена

отношением площади сечения набегающего потока, из которого улавливаются все частицы, к площади проекции препятствия в направлении потока (рис. 4.1).

Для цилиндрических поверхностей

Для сферических поверхностей

где Я у - расстояние от оси течения до траектории тех частиц, центры которых при их движении касаются цилиндра; R - радиус препятствия.

Расстояние Ry можно определять, решая уравнение движения частицы (4.7), однако аналитическое решение уравнения (4.7) для данного случая пока невозможно. Поэтому эффективность инерционного осаждения оценивается критерием Стокса:

где 1г - скорость невозмущенного потока, м/с; t - характерный размер препятствия (для цилиндра t s R ), м.

Осаждение аэрозольных частиц на цилиндрическом или сферическом препятствии

Рис. 4.1. Осаждение аэрозольных частиц на цилиндрическом или сферическом препятствии

Критерий Стокса характеризует отношение сил инерции к силе сопротивления среды.

Инерционная сепарация оценивается критическим значением числа Стокса St , при котором частицы преодолевают силу увлечения потоком воздуха и могут оседать на препятствии. Значения St определяют минимальный размер частицы dm;H, которая может оседать на препятствии:

При инерционном осаждении частиц огромную роль играет эффект зацепления, особенно в мокрых пылеуловителях и пористых слоях.

Инерционное отделение пыли в криволинейных потоках увеличивает время воздействия сил инерции на частицу и дает возможность добиться сепарации к наружным границам потока сравнительно мелких яастиц. Широко применяются для этого случая аппараты под общим названием циклоны.

Для нахождения скорости воздушного потока, действующей на частицу в циклонном процессе vu , вводят понятие фактора разделения Фр или центробежного критерия фруда, представляющего собой отношение центробежной силы Р„ к силе тяжести Рт :

Линейная скорость Уц может быть заменена угловой скорхггью

ш s г - радиус циклона), и тогда фактор разделения будет равен

При известной скорости осаждения частицы под действием сил тяжести шос центробежная скорость определяется так:

Осаждение пыли под действием электрических сил. Осаждение пыли в электрическом поле основано на движении отрицательно заряженных ионов к положительному электроду. Такое движение возможно под действием коронного разряда,возникающего в неоднородном электрическом поле у поверхности коронирующих электродов. Частицы пыли поглощают ионы, приобретают заряд и движутся к осадительному электроду. Так как даже малые по массе частицы могут приобретать большие электрические заряды, то силы электрического поля во много раз могут превышать инерционные, центробежные и гравитационные силы.

Применительно к трубе напряженность поля Е , В/м, выражается следующей зависимостью:

где V - напряжение на коронирующем электроде, В; г - расстояние от оси трубы (текущая координата), м.

Критическое значение напряженности поля Е0 , при котором возможно движение электронов, определяется обычно по эмпирической формуле

где а , в - постоянные для данного газа; г0 - радиус корони- рующего электрода, м.

Для воздуха эта формула имеет вид

Зная значение критической напряженности поля, можно рассчи - тать минимальное напряжение между электродами.

Для радиальной конструкции (рис. 4.2) напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию от оси: Схема коронируюшего разряда в трубе

Рис. 4.2. Схема коронируюшего разряда в трубе: 1 - осадительный (положительный) электрод; 2 - коронирующий (отрицательный) электрод

Совместное решение уравнений4.16), (4.17) определяет напряжение на коронируюшем электроде:

Минимальное напряжение , В, при котором у центрального электрода появится корона, определяется интегрированием формулы (4.18) от О до Vm;H и от г*в до R :

Промышленные электрофильтры работают при напряжениях 50-60 кВ.

Скорость движения частиц пыли в электрическом поле (в условиях действия закона Стокса) можно определить, приравняв силу сопротивления частицы [формула (4.3)] силе взаимодействия электрического поля:

откуда

где к - число электронов; е - заряд электрона, Кл.

Следует заметить, что процесс осаждения в электрическом поле недостаточно изучен, особенно мало исследованы вопросы гидродинамики в электрическом поле.

Интенсификация способов сепарации пыли из воздушных потоков обеспечивается в основном укрупнением частиц за счет их коагуляции и увеличением сил адгезии.

Коагуляцией аэрозолей называется процесс слипания или слияния аэрозольных частиц при соприкосновении друг с другом. Слипание происходит под действием поверхностных сил,, главными из которых являются молекулярные ван-дерваальсовы силы и силы электрического притяжения. В процессе коагуляции образуются крупные агрегаты,седиментируюшиеся под действием сил тяжести.

Коагуляцию можно разделить на естественную, происходящую за счет диффузии, и искусственную, вызываемую увеличением столкновений между молекулами нагреванием аэрозоля, турбулизацией потока, использованием магнитных и электрических полей, а также добавкой различных примесей.

Предполагая, что аэрозоль является монодисперсным и что все столкновения частиц приводят к коагуляции, изменение концентрации аэрозольного облака можно выразить зависимостью

где к - количество частиц аэрозоля^ к' - экспериментальная постоянная, зависящая от размеров частиц: для d в 1*10"® м к< ? 0,51 •10"^*® м^/с, для с4 - 5-10”® м к* -6101^М3/Св

Изменение концентрации монодисперсного аэрозоля за счет диффузии можно описать уравнением М.Смолуховского [9]

где 3) - коэффициент диффузии, м^/с; t - характерный размер, м.

Применительно к пылеулавливанию интерес представляет искусственная коагуляция в магнитном и акустическом полях.

Вещества и пыли, из них образующиеся, по магнитным свойствам можно разделить на три группы: диамагнетики (металлы: цинк, золото, ртуть и др., неметаллы: кремний, фосфор, сера и др.), обладающие отрицательной магнитной восприимчивостью ; парамагнетики (палладий, платина и др.); ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы).

В однородном магнитном поле укрупнение частиц происходит только под действием магнитной восприимчивости частиц. В неоднородном магнитном поле на частицу, кроме того, действует удельная сила (градиент давления) рм , Па/м, [ 9J:

где у0 - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; * м - удельная магнитная восприимчивость; Н - напряженность магнитного поля, А/м.

Магнитная коагуляция может образовывать агрегаты феррома:>- нитных частиц, ориентированных вдоль силовых линий поля, достигающих длины 10-50 мм.

Акустическая коагуляция осуществляется при воздействии на запыленный газ упругих колебаний звуковой или ультразвуковой частоты. Эти колебания вызывают движение частиц пыли и большое число их столкновений, процесс коагуляции происходит при силе звука не менее 145 - 150 дБ и частоте 2-50 кГц. Скорость пылегазового потока не должна превышать критическую скорость, определяемую силами сцепления в данной неоднородной системе, иначе агрегаты скоагулированных частиц разрушатся вновь.

Акустическую коагуляцию проводят для пылегазового потока с концентрацией от 0,2 до 230 г/м^. При меньшей концентрации коагуляцию нецелесообразно проводить, а при большей - возможно затухание звука и большая потеря звуковой энергии.

Согласно Сент-Клеру скорость частицы тгч , находящейся в акустическом поле, с учетом относительной скорости воздуха может быть выражена зависймостью [9J

где о? » *?*$) ( f - частота колебаний, Гц; ) - кинематическая вязкость воздуха, м^/с; г - радиус частицы, м).

Из формулы (4.19) следует, что для частиц разных размеров скорость*' приобретаемая ими в звуковом поле определенной частоты, различна.

Смачивание поверхностей, предназначенных для осаждения пылей, и увеличение тем самым эффекта захватывания (зацепления) частиц значительно интенсифицирует работу пылеуловителей.

Силы адгезии Р , Н, при наличии тонкой пленки смачивающей жидкости на поверхности определяются формулой

где o’ - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; 0 - краевой угол смачивания, зависящий от химических свойств жидкости, дисперсности и формы частиц пыли, град; е - угол, определяющий смоченную часть поверхности частицы, град.

При 0 = 0 (хорошо смачивающие жидкости, например,масла) и € = О (точечный контакт) сила адгезии выражается простой зависимостью (4.1).

Утолщение пленки смачивающей жидкости необходимо для надежного улавливания пыли. Если толщина пленки больше размера частицы, то последняя может погрузиться в жидкость полностью. Такие условия необходимы при очистке воздуха от пыли в мокрых пылеуловителях.

В мокрых пылеуловителях обычно применяют чистую воду или воду с добавкой поверхностно-активных веществ для уменьшения поверхностного натяжения воды. Минимальная толщина слоя воды для надежного захвата частицы пыли может быть определена из уравнения движения (4.7), которое для данного случая с учетом присоединения массы воды принимает вид

где М ж - масса присоединенной к частице пыли воды, кг; у - коэффициент сопротивления среды: - миделевое сечение частицы,

м^; - плотность воды, кг/м^.

Решение уравнения (4.20) М позволяет определить общую длину пути хк (толщину плёнки воды), пройденного центром частицы в воде, необходимого для удержания частицы (конечная скорость частицы v в О):

где R е0 - значение критерия ^йнольдса при вхождении частицы в воду.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>