Коагуляция частиц аэрозолей
Коагуляция частиц аэрозоля представляет собой слипание или слияние частиц в более крупные агрегаты в результате их столкновений. Причиной столкновений частиц является их броуновская (тепловая) или турбулентная диффузия , а также упорядоченное движение частиц с различными скоростями под действием аэродинамических, гравитационных или электрических сил. Процессы коагуляции и осаждения аэрозолей взаимосвязаны, поскольку увеличение размеров частиц и изменение их формы существенно влияет на характер аэродинамических сил. Начальная фаза коагуляции частиц, когда изменением их размеров можно пренебречь, описывается уравнением: (1.12) где n – счетная концентрация частиц 1/м3, k – константа коагуляции, м3/с. Для мелких частиц вторым слагаемым правой части уравнения (1.12) можно пренебречь. В этом случае приближенное решение уравнения (1.12) имеет вид: (1.13) где n0 – счетная концентрация частиц в начальный момент времени. В турбулентных потоках, а также в присутствии сильных электрических полей скорость коагуляции существенно возрастает, поэтому необходимо учитывать увеличение размеров частиц. Поскольку общая масса дисперсной фазы в процессе коагуляции не изменяется, то имеем: (1.14) Продифференцировав обе части этого равенства по времени, получим: (1.15) Можно вывести следующую систему уравнений, описывающую коагуляцию частиц и увеличение их размера: (1.16) (1.17) Пренебрегая вторым слагаемым в первой части уравнения (1.17) после интегрирования получим приближенную зависимость размера частицы от времени , (1.18) где d 0 - размер частиц в начальный момент времени. Для монодисперсного аэрозоля, содержащего сферические частицы, величины n 0 и d 0 связаны с соотношением: (1.19) Здесь С - массовая концентрация частиц. Основными механизмами коагуляции являются следующие: 1. Тепловая коагуляция, связанная с броуновским движением субмикронных частиц. Ее константа равна: (1.20) где kв = 1.38×10-23 Дж/К - постоянная Больцмана, Сk - поправка Кенингема имеющая значение лишь для субмикронных частиц (при d<1мкм, Ск »1). 2. Градиентная коагуляция, идущая в тонком пристенном слое газового потока: (1.21) где DP - перепад давления в трубопроводе (канале); DЭ, l - его эквивалентный диаметр и длина. Учитывая ограниченность зоны действия механизма градиентной коагуляции, ее константа должна входить в уравнения коагуляции движущихся частиц в следующем виде: (1.22) где Dl – расстояние от движущейся частицы до ограничивающей поток поверхности, dn - толщина вязкого подслоя:
(1.23) 3. Турбулентная коагуляция частиц, возникающая из-за разности скоростей частиц различной массы, приобретаемых ими под действием турбулентных пульсаций газа. Константа турбулентной коагуляции определяется по формуле: (1.24) где e - удельная энергия воздушного потока, переходящая в турбулентные пульсации, d - средний размер частиц, b - коэффициент характеризующий распределение частиц по размерам. (1.25) (1.26) Однако, формула справедлива лишь в случае полного затухания потока в объеме воздуха с характерным размером D. При течении воздуха в трубах и напорах в турбулентные пульсации переходит лишь малая доля энергии движущегося потока, которую можно оценить сравнивая общее выражение для турбулентной вязкости газа с эмпирической формулой Шервуда-Верца. В результате такого сравнения получим: (1.27) Тогда формула для константы турбулентной коагуляции принимает вид: (1.28) 4. Кинематическая коагуляция, происходящая в результате упорядоченного относительного движения частиц различных размеров под действием сторонних сил, например ,сил тяжести, электрических сил и т.д.: (1.29) Здесь Vpp - скорость движения частиц размера d относительно более мелких частиц; hi – эффективность инерционного осаждения частиц при их взаимном обтекании. Относительная скорость частиц различных размеров существенно возрастает в сильном электрическом поле. Считая, что частицы успевают приобрести максимальный электрический заряд, получим следующую оценку для их средней относительной скорости: (1.30) где - среднеквадратическое отклонение размеров частиц аэрозоля. Эффективность инерционного сближения частиц может быть найдена по эмпирической формуле: (1.31) где - критерий Стокса. В поле коронного разряда в результате относительного движения заряженных частиц различных размеров скорость коагуляции значительно возрастает: Электрическая коагуляция частиц, связанная с их поляризацией под действием электрического поля: (1.32) В поле коронного разряда в результате относительного движения заряженных частиц различных размеров скорость коагуляции значительно возрастает: (1.33) Результирующая константа коагуляции равна сумме констант, связанных с различными ее механизмами: (1.34) Для обычных в практике газоочистки условий (Т = 293 К, DР=120 Па, l= 1 м, U = 10 м/с, rT = 2500 кг/м3 , Е»105 В/м) суммарная константа коагуляции может быть оценена с помощью формулы: k = (0.3Ск + 8900d3 + 7d4 + 196d2 + 61.7d3)×10-15 (2.35) где размер частиц измеряется в мкм. Приходим к выводу, что в обычных условиях основной являются турбулентная, а в пристенных слоях – градиентная коагуляция. Наложение же сильного электрического поля приводит к преобладанию электрической и кинематической коагуляции частиц размером d > 1 мкм.
Популярное: Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (899)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |