Технические науки/2. Механика

 

Аспирант Агарков А.М.,

студент Краснов В.В., студент Локтионов И.С.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

 

Моделирование процессов улавливания пыли насыпными клинкерными слоями

 

Используемые для пылеулавливания пористые перегородки – зернистые слои, ткани, волокнистые слои имеют высокую пористость, что обусловлено большими, по сравнению с размерами частиц пыли, расстояниями между зернами, нитями или волокнами [7].

В связи с этим одним из основных механизмов улавливания пыли является осаждение частиц при обтекании запыленным газом структурных элементов пористых перегородок.

Существуют три причины осаждения пыли на зернах, нитях или волокнах: инерция, касание и диффузия частиц. Вклад каждой из этих причин различен и зависит от режима обтекания препятствий, который определяется числом Рейнольдса . Выделяют два основных режима обтекания: вязкое, ползучее обтекание , для которого определяющее значение имеет вязкость газа и идеальное потенциальное обтекание , в котором влияние вязкости пренебрежимо мало [1, 2, 5, 6].

Установлено, что эффективность инерционного осаждения частиц определяется значением безразмерного критерия – числа Стокса Stk, которое характеризует отношение силы инерции к силе аэродинамического сопротивления газа:

,

(1)

где u  – скорость набегания потока запыленного газа, м/с; Kc – поправка Каннингема:

.

(2)

Здесь λ – длина свободного пробега молекул (при t = 20 °C, Па,  λ = 6,5∙10–8 м).

Инерционное осаждение частиц начинает проявляться при Stk > Stkкр, где Stkкр – критическое значение числа Стокса. Для вязкого обтекания Stkкр = 0,6…4,3, для потенциального Stkкр = 0,04…0,125. Установлено, что эффективность инерционного осаждения частиц возрастает с увеличением Stk, которое может быть вызвано увеличением размера частиц, их плотности, скорости фильтрования, а также уменьшением размеров зерен насыпного слоя. Инерционное осаждение характерно для частиц с размерами δ > 1мкм.

Если достаточно мелкая частица не сталкивается с препятствием, но проходит достаточно близко от него, то ее осаждение возможно за счет касания (зацепления) (рис. 1).

Рис. 1. Схема осаждения частиц пыли в зернистой среде: 1 – зерно насыпного слоя;

2 – частица, осаждающаяся за счет инерции; 3 – частица, осаждающаяся в результате касания;        4 – частица, осаждающаяся  в результате седиментации; 5 – частица, осаждающаяся из-за диффузии

 

Эффективность осаждения частиц за счет касания ηк зависит от отношения   и возрастает при вязком режиме обтекания. В этом случае

.

(3)

Гравитационное осаждение (седиментация) частиц пыли в зернистом слое заметно проявляется лишь при малых скоростях фильтрации                        (w ≤ 0,02 м/c). Его эффективность, возрастает с увеличением параметра , где  – число Фруда.

Экспериментально установлено, что эффективность гравитационного осаждения в зернистых насыпных фильтрах значительно возрастает, если поток запыленного газа направлен вертикально вниз, т.е. по направлению сил тяжести.

Частицы субмикронных размеров (δ << 1 мкм) вовлекаются в броуновское движение и мигрируют к поверхности зерен насыпного слоя за счет молекулярной диффузии.

Эффективность диффузионного захвата частиц возрастает при уменьшении безразмерного критерия Пекле

,

(4)

где D – коэффициент молекулярной диффузии частиц пыли, который определяется формулой Эйнштейна

.

(5)

Здесь  Дж/K – постоянная Больцмана.

Заметное влияние на процесс улавливания пыли в зернистых слоях могут оказать электрические силы. Зерна фильтрующего слоя могут электризоваться за счет трения, или быть поляризованными под действием внешнего электрического поля. Частицы пыли могут быть предварительно заряжены с помощью коронных ионизаторов [4].

Таким образом, осаждение частиц в зернистых фильтрах происходит в результате действия сил инерции, зацепления, гравитации, диффузии, электрических  сил,  поэтому  относительный  проскок  пыли  через  зернистый  фильтр

,

(6)

а также связанная с ним эффективность очистки запыленных газов являются функциями критериев, определяющих рассмотренные выше основные механизмы улавливания пыли, и некоторых других безразмерных величин [3].

.

(7)

В частности, экспериментально установлено, что степень пылеочистки зависит от критерия гомохронности , отношения , а также геометрических факторов  и .  Здесь  – начальная и конечная концентрация пыли, кг/м3; w, t  – скорость фильтрования и его продолжительность, соответственно; h – высота (толщина) зернистого слоя, м.

Таким образом

.

(8)

При установлении вида зависимости (8) необходимо учитывать то, что общая эффективность зернистого фильтра должна быть больше эффективности любого отдельно взятого механизма улавливания пыли, но меньше их суммы (суммирование эффективностей имело бы место при параллельном и независимом друг от друга действии всех механизмов улавливания пыли, чего в действительности нет).

Нужно также иметь в виду, что в реальных условиях действие всех механизмов улавливания пыли сопровождается рядом побочных малоизученных явлений, таких как адгезия, отскок крупных частиц от зерен, вторичный унос осажденных частиц и др.

Кроме этого, рассмотренные выше закономерности осаждения частиц пыли относятся лишь к начальному периоду работы зернистого фильтра, т.е. к чистому зернистому слою, поскольку с течением времени на его лобовой поверхности  образуется слой уловленных частиц – автослой, а поровые каналы между зернами фильтра постепенно зарастают пылевыми отложениями, что приводит к снижению проскока пыли и повышению гидравлического сопротивления слоя.

Эти обстоятельства крайне затрудняют теоретический вывод зависимости  (8) и выдвигают на первый план экспериментальные методы исследования процессов очистки запыленных газов зернистыми слоями.

 

Литература:

1.            Белоусов В.В. Теоретические основы газоочистки. – М.: Металлургия, 1988. – 256 с. – ISBN.

2.            Репле Э.К. Решение экологических вопросов в цементной промышленности / Э.К. Репле // Цемент Известь Гипс. – 2002. – № 2. – С. 36–72.

3.            Красовицкий Ю.В. Обеспыливание газов зернистыми слоями / Ю.В. Красовицкий, В.В. Дуров. – М.: Химия, 1991. – 192 с. – ISBN.

4.            Указания по применению нестандартизированных фильтр-циклонов зернистых ФЦЗ-1,5 при проектировании систем обеспыливания. –Новороссийск, 1985.

5.            Хан Г. Статические модели в инженерных задачах / Г. Хан, С. Шапиро. – М.: Мир, 1969. – 395 с. – ISBN.

6.            Sharapov R.R., Agarkov A.M., Sharapov R.R.-jn.. Matrix Modeling of Technological Systems Grinding with Closed Circuit Ball Mill // World Applied Sciences Journal Т. 24. 2013. №10. С. 1399–1403.

7.            Овсянников Ю.Г., Агарков А.М. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик системы аспирации с принудительной рециркуляцией // Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений: сб. докладов Междунар. наун.-практ. конф. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. Т. II. С. 166–169.