Силы, действующие на частицы в газовом потоке

Чтобы оценить масштаб сил, величину сил и движущий фактор процесса очистки газов, рассмотрим те силы, которые воздействуют на частицы. Очень часто будем рассматривать коэффициент диффузии, поэтому на частицы воздействует диффузионные силы, которые связаны с броуновским движением в среде частиц. Как правило, очистке подвергается нагретые газы. На процесс очистки, на поведение частицы в нагретом газе влияют силы термофореза и силы электрического воздействия.

Скорость оседания частиц, которые имеют размер меньше среднего свободного пробега частиц газа (свободный пробег между очередными столкновениями) имеют очень низкие значения.

Перпендикулярно направлению кривых показано модифицированное значение Re от 0,1 до 10³. Скорость оседания резко увеличивается (в10³) при росте d от 10^-3 до 10^-1.

Силы диффузии характеризуют межмолекулярное взаимодействие (взаимодействие частиц). При этом коэффициент диффузии связан с d частиц. При этом коэффициент диффузии равен:

R – газовая постоянная

С – концентрация

- динамическая вязкость

N – число частиц в заданном объеме (число Авагадро)

Коэффициент Д существенно увеличивается с температурой и уменьшается при увеличении газа и размера частиц.

Весьма существенным является действия сил термофореза. Он проявляется, когда диаметр частиц меньше L свободного пробега. При этом, если имеется градиент температур, направленный в сторону теплопередающей стенке, происходит результирующее действие. Момент направлен в сторону стенки.

Это приводит к тому, что частица под воздействием этой результирующей силы перемещается к теплопередающей стенки. При этом на частицу на поверхности стенки действует сила адгезии (прилипание к поверхности). То есть это явление объясняет те факторы налипания частиц загрязнения на поверхности теплопередающих аппаратов. Силы термофореза могут быть оценены по формуле:

- длина свободного пробега

Р- давление, при котором идет процесс

При увеличении Т, силы термофореза уменьшаются.

Скорость термофореза определяется по уравнению:

- вязкость динамическая

а – доля молекул газа, в котором диффузионно отражены частицы.

Для гладких поверхностей а = 0,9; для шероховатых 1.

Кроме сил термофореза, броуновского движения на частицы действуют силы фотофореза – это перемещение частиц под воздействием разности освещенности с двух сторон или под воздействием разности интенсивности световых потоков. Характер перемещения зависит от изменения температур и общего уравнения освещенности. Фотофорез – частный случай термофореза, но интенсивность фотофореза в промышленных системах проявляется в незначительной степени, для систем с низкой концентрацией газовых частиц, для разбавленных газовых растворов.

При определении факторов, влияющих на перемещение частиц в поле сил, учитывают весь набор этих сил и при этом важным является выделение той основной силы, которая приводит к интересующим нас изменениям в газовом потоке. Перемещение частиц обусловлено приложением силы или ее ликвидацией. Время, необходимое для изменение скорости в газовом потоке зависит от характеристики частиц. При этом важным параметром является время релаксации частиц – время за которое происходит изменение основной скорости движения. Оно пропорционально и обратно пропорционально вязкости газового потока:

В массе частиц, которые подвержены тем или иным воздействиям, важное значение имеет коагуляция, то есть взаимное слипание частиц. Коагуляция частиц приводит к их укрупнению. Учитывая то, что в формулах факторы силы воздействия, скорости оседания действуют как d², коагуляция оказывает большее влияние на изменение этих сил. Наиболее часто причиной коагуляции частиц является тепловое движение. Это броуновская коагуляции. Кроме того коагуляции обусловлена воздействием электрических сил, гравитационных и гидродинамических. При этом силы по своей величине зачастую существенно превышают масштабы сил под воздействием броуновского движения.

Скорость коагуляции аэрозолей или загрязненных газовых потоков описывается относительно простыми уравнениями:

Скорость коагуляции пропорциональна квадрату количества частиц.

Это уравнение выведено из предположения, что частицы слипаются при каждом соударении (вследствие броуновского движения), форма сферическая, размер одинаковый, форма и размер остаются постоянными.

Значение К – константа коагуляции – зависит от типов частиц – оксиды Fe = 0,6610^-9, SiO₂ – 2,8 – 3,7 *10^-9 .Обычно скорость коагуляции характеризуют временем, которое необходимо для того, чтобы количество частиц в газовом потоке уменьшилось в два раза.

Для концентрации частиц 10¹¹ в см³ время уменьшения количества частиц в два раза составляет 0,02 сек., если 10⁶ – 33 мин., 10⁵ – 5,5 час. Исходная концентрация частиц сильно влияет на степень коагуляции частиц.

На слипание (коагуляцию) частиц сильное влияние оказывают характеристики потока - вид движения. Для ламинизированного потока – частицы движутся практически не перемешиваясь. В результате этого частицы могут сталкиваться и коагулировать вследствие разности скорости, которое имеет место в отдельных частях потока. В турбулентном потоке за счет турбуляции процесс коагуляции идет по двум механизмам:

1) разность скоростей при флуктуациях среды (периодические изменения параметров) в двух точках, которые расположены на расстоянии ;

2) разность скоростей под воздействием различных инерционных сил, при этом когда радиус частиц в 10 раз меньше чем величина наименьших завихрений. Необходимо учитывать коагуляцию под воздействием турбулизации потока.

Так как инерция частицы зависит от , то по первому механизму для турбулентных потоков происходит соударение и коагуляция частиц различается размерами (одинаковые и неодинаковые), второй механизм – при взаимодействии частиц неодинаковых размеров.

Для очистки газов в электрофильтрах важное значение имеет коагуляция аэрозолей содержащих электрически заряженные частицы. Наличие электрических зарядов частиц в условиях броуновского движения может ускорять или замедлять коагуляцию. При этом учитываются факторы числа столкновений частиц за 1 секунду при наличии и отсутствии электрического поля. Этот фактор характеризуется величиной:

- число столкновений в условиях броуновской коагуляции

- число столкновений в условиях электростатических сил.

Для случая действия отсутствия электростатических сил:

При заряженном аэрозоле в электрическом поле индукционные силы считаются пренебрежимо малыми; при воздействии электрического поля эти условия могут быть оценены при рассмотрении заряженных частиц кремнезема, при этом частицы имеющие одноименный заряд отталкивается и заряд исчезает только после его нейтрализации на поверхности коллектора. При этом на собирающих электродах происходит коагуляции частиц сопровождающаяся увеличением их диаметра. Для аэрозоля с кремнеземом ; -для одноименных зарядов; - для разноименных:

По этому уравнению видно, что размер частиц для сил электростатического взаимодействия оказывают обратно пропорциональное воздействие. Скорость коагуляции под воздействием электрического заряда изменяется за счет поведения заряда на частицах и интенсификации их взаимного притяжения.