10.4.3.1. Влияние неравномерности поля скоростей газового потока на эффективность пылеулавливания

При проектировании и расчете электрофильтров одним из основных допущений является равенство значений скорости газа по поперечному сечению межэлектродного пространства электрофильтра. Однако в реальных конструкциях существует неравномерность распределения профиля скоростей газа. При общем постоянном расходе газа через электрофильтр скорости газа по сечению могут принимать различные значения. Для подобных случаев введем понятия коэффициента неравномерности

(10.4.3.7)

где V_max, V_min и V_ср – скорости газа максимальная, минимальная и средняя соответственно.

На рис. 10.4.3.2 показано влияние неравномерности газового потока на относительный коэффициент уноса e =  , представляющий собой отношение коэффициентов уноса неравномерного и идеального, т. е. равномерного газового потока. Как видно из графиков, неоднородность распределения газового потока очень сильно влияет на эффективность улавливания частиц.

Рис. 10.4.3.2. Зависимость относительного коэффициента уноса от коэффициента неравномерности газа: а) от средней скорости газа, S_н = 2,0; б) от длины электрофильтра, V_ср = 2,0 м/с; 1 – S_н = 0,5; 2 – S_н = 1,0

Причем влияние это тем больше, чем ниже средняя скорость потока и чем длиннее активная зона электрофильтра. Это позволяет сделать вывод о том, что решение задачи выравнивания скоростного поля газа является наиважнейшей в повышении эффективности улавливания промышленных электрофильтров.

10.4.3.2. Влияние неоднородности электрического поля на эффективность пылеулавливания

При движении пылевых частиц в электрическом поле направление вектора силы, обусловленной действием электрического поля на заряженную частицу, совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля, т. е. ориентирован вдоль силовых линий. До сих пор предполагалось (как и во всех ныне используемых методиках расчета вертикальных пластинчатых электрофильтров), что в основном объеме межэлектродного пространства силовые линии электрического поля перпендикулярны осадительному электроду, т. е. система «коронирующие электроды–осадительный электрод» может быть представлена в виде плоского конденсатора (первая строка в табл. 10.4.1.1). В подобной системе напряженность электрического поля, а следовательно, и заряд, приобретаемый частицей, и электрические силы, действующие на нее, и скорость дрейфа являются величинами постоянными и независимыми от координат частицы. Действительно, как будет показано ниже, такое допущение представляется достаточно правомерным. Тем не менее в некоторой области вблизи коронирующих электродов существует неравномерность поля – при приближении к коронирующему электроду происходит сгущение силовых линий, т. е. резкое возрастание величины напряженности электрического поля. Таким образом, в системе существуют, пусть и небольшие по объему, локальные зоны, в которых действует напряженность поля бльшая, нежели средняя по объему. Если частица попадает в такую (назовем ее «активной») зону, она приобретает заряд, больший, нежели заряд, приобретаемый остальными частицами в межэлектродном пространстве. А поскольку и после того, как частица покинет «активную» зону, заряд она не теряет, то и скорость дрейфа таких частиц в межэлектродном пространстве будет больше, т. е. можно ожидать, что результирующая эффективность пылеулавливания повысится.

Для оценки влияния подобного эффекта прежде всего необходимо получить распределение электрических силовых линий в межэлектродном пространстве. Известно [1] уравнение, описывающее распределение электростатического поля для системы «одиночный провод между заземленными плоскостями»

(10.4.3.8)

где – вектор напряженности электрического поля, В/м; U – напряжение, приложенное между электродами, В; z – комплексная координата; z = x + iyh – расстояние между электродами.

Поле системы «ряд проводов между заземленными плоскостями» может быть представлено как сумма полей одиночных электродов, смещенных относительно друг друга. Соответственно выражение для напряженности поля записывается в виде:

(10.4.3.9)

где .

Направление силовых линий электростатического поля, как известно, определяется уравнением

.

На рис. 10.4.3.3 показано распределение электростатического поля, выполненное по уравнениям (10.4.3.9). Эллиптические кривые, очерченные вокруг коронирующего электрода, ограничивают области, в которых напряженность электрического поля достигает значений, больших средней по сечению. Как можно видеть из рисунков, площадь активных зон достаточно мала (не превышает нескольких процентов от общей площади) и в основном сечении силовые линии практически параллельны. Это подтверждает допущение, что электрическая сила, действующая на заряженную частицу, и, следовательно, скорость дрейфа могут быть приняты постоянными по сечению и направленными перпендикулярно к осадительному электроду. Однако наличие даже небольшой по площади активной зоны оказывает сильное влияние на общую эффективность пылеосаждения.

Рис. 10.4.3.3. Распределение силовых линий электрического поля в системе «бесконечный ряд проводов между параллельными плоскостями»: 1 – осадительный электрод; 2 – коронирующий электрод; 3 – силовые линии

При наличии активных зон в межэлектродном пространстве, в которых частицы могут приобретать большой заряд, скорость дрейфа частиц w_Э оказывается зависящей от предыстории, т. е. определяется тем, побывала частица в активной зоне или нет. Таким образом, процесс зарядки частиц приобретает вероятностный характер, причем вероятность приобретения частицей большого заряда увеличивается с увеличением площади активных зон и с увеличением степени турбулизации потока. Площадь активных зон определяется конфигурацией силовых линий электрического поля и для рассматриваемого случая зависит от шага расположения коронирующих электродов. В табл. 10.4.1.2 приведены результаты расчетов эффективности пылеулавливания с учетом локальной неравномерности электрического поля.

Как видно из данных табл. 10.4.1.2, увеличение локальной неравномерности электрического поля у коронирующих электродов положительно сказывается на работе электрофильтра, уменьшая величину уноса. Причем это положительное влияние неравномерности тем больше, чем эффективнее работает фильтр. В качестве очевидного вывода из всего вышесказанного следует практическая рекомендация – располагать коронирующие электроды с таким шагом, при котором суммарная относительная площадь активных зон будет наибольшей. Из таблицы видно, что наилучшие значения эффективности соответствуют относительному шагу = 0,6.

Таблица 10.4.1.2

Эффективность пылеулавливания h (%) при различном шаге расположения коронирующих электродов

Длина L, м
	0,3	0,6	1,5	3,0
4	92,5	94,0	93,1	92,26
5	95,2	97,19	96,5	96
7	98,5	99,22	98,97	98,65
10	99,62	99,935	99,9	99,83

Необходимо отметить, что распределение потенциала поля при коронном разряде отличается от распределения электростатического поля вследствие образования так называемого объемного заряда, обусловленного наличием ионов, движущихся в межэлектродном пространстве. В [1] показано, что конфигурация силовых линий поля при коронном разряде неизменна, следовательно, вектор напряженности поля при наличии объемного заряда будет отличаться от вектора напряженности электрического поля Е при прочих равных условиях только по значению, но не по направлению. Распределение плотности объемного заряда описывается нелинейным дифференциальным уравнением третьего порядка в частных производных [1], решение которого является весьма сложной математической задачей. В то же время плотность объемного заряда однозначно определяется концентрацией ионов, т. е. током короны. При относительно небольших значениях плотности тока короны, характерных для работы электрофильтров (j  13 мА/м²), влияние объемного заряда на распределение поля невелико. В общем случае действие объемного заряда сказывается в некотором уменьшении напряженности поля у коронирующих электродов и увеличении вблизи осадительных, что приводит к тому, что границы активных зон смещаются к осадительному электроду, увеличивая размеры зон.