2. Осаждение под действием центробежной силы

Этот метод отделения пыли от воздуха (газа) значительно эффективнее гравитационного осаждения, так как возникающая центробежная сила во много раз больше, чем сила тяжести. Центробежная сепарация может применяться по отношению к более мелким частицам.

Скорость центробежного осаждения шаровой частицы можно определить, приравняв центробежную силу , возникающую при вращении пылегазового потока, силе сопротивления среды по закону Стокса:

где – масса частицы, кг;– скорость вращения потока вокруг неподвижной оси, м/с; – радиус вращения потока, м.

Отсюда, с учетом , где ,

.

Таким образом, скорость осаждения взвешенных частиц в центробежных пылеуловителях прямо пропорциональна квадрату диаметра частицы.

Скорость осаждения под действием центробежной силыбольше, чем скоростьгравитационного осаждения, враз.

Отношение скорости осаждения в центробежном пылеуловителе к скоростивращения потока:

.

Правая часть уравнения представляет собой критерий Стокса, характеризующий режим осаждения:

,

где – линейный параметр – радиус вращения потока, м.

В аппаратах, основанных на использовании центробежной сепарации, могут применяться два принципиальных конструктивных решения: пылегазовый поток вращается в неподвижном корпусе аппарата; поток движется во вращающемся роторе. Первое решение применено в циклонах, второе – в ротационных пылеуловителях.

3. Инерционное осаждение

При инерционном осаждении запыленный поток, перемещающийся со значительной скоростью, изменяет направление движения. Движущиеся в потоке пылевые частицы вследствие большой инерции не следуют за потоком, а стремятся сохранить первоначальное направление движения, двигаясь в котором, оседают на стенках, перегородках, сетках и др. элементах аппарата.

Коэффициент эффективности инерционного осаждения определяется долей частиц, покинувших поток при изменении им направления вследствие обтекания им различного рода препятствий.

Интенсивность инерционного осаждения характеризует в соответствующей области критерий Стокса, учитывающий соотношение сил инерции и сопротивления среды:

где – геометрическая характеристика аппарата.

Критическое значение критерия Стокса, , показывает состояние пылегазовой системы, при котором инерция частицы достаточна для преодоления сил увлекающего ее потока и частица может осесть на расположенной на ее пути поверхности. Следовательно, осаждение частицы возможно, если.

4. Осаждение частиц пыли в электрическом поле

Принцип очистки воздуха (газов) от взвешенных частиц заключается в зарядке частиц с последующим их выделением из взвешивающей среды под воздействием электрического поля.

При обычных условиях большая часть молекул газа нейтральна, т.е. не несет электрического заряда того или иного знака; вследствие действия различных физических факторов в газе всегда имеется некоторое количество носителей электрических зарядов. К таким факторам относятся сильный нагрев, радиоактивное излучение, трение, бомбардировка газа быстродвижущимися электронами или ионами и др.

Если в электрическом поле между электродами создать определенное напряжение, то носители зарядов, т.е. ионы и электроны, получают значительное ускорение, и при их столкновении с молекулами происходит ионизация последних. Ионизация заключается в том, что с орбиты нейтральной молекулы выбивается один или несколько внешних электронов. В результате происходит превращение нейтральной молекулы в положительный ион и свободные электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией.

Часть межэлектродного пространства, прилегающая к коронирующему электроду, в которой происходит ударная ионизация, называется коронирующей областью. Остальная часть межэлектродного пространства, т.е. между коронирующим и осадительным электродами, называется внешней областью.

Вокруг коронирующего электрода наблюдается голубовато–фиолетовое свечение (корона). Коронный разряд сопровождается также тихим потрескиванием. При коронном разряде происходит выделение озона и оксидов азота.

Образовавшиеся в результате ударной ионизации ионы и свободные электроны под действием поля также получают ускорение и ионизируют новые молекулы. Таким образом, процесс носит лавинообразный характер. Однако по мере удаления от коронирующего электрода напряженность электрического поля уже недостаточна для поддержания высоких скоростей, и процесс ударной ионизации постепенно затухает.

Носители электрических зарядов, перемещаясь под действием электрического поля, а также в результате броуновского движения, сталкиваются с пылевыми частицами, взвешенными в газовом потоке, проходящем через электрофильтр, и передают им электрический заряд.

Большая часть взвешенных частиц, проходящих в межэлектродном пространстве, получает заряд, противоположный знаку осадительных электродов, перемещается к этим электродам и осаждается на них. Некоторая часть пылевых частиц, находящихся в сфере действия короны, получает заряд, противоположный знаку коронирующего электрода, и осаждается на этом электроде.

Рассмотрим основные зависимости, характеризующие электрическую очистку газов (воздуха) от пылевых частиц.

Основной закон взаимодействия электрических зарядов – закон Кулона – выражается формулой:

,

где ,– величины взаимодействующих точечных зарядов;– расстояние между ними;–коэффициент пропорциональности (>0).

Под точечными зарядами понимают заряды, находящиеся на телах любой формы, причем размеры тел малы по сравнению с расстоянием, на котором сказывается их действие.

Коэффициент пропорциональности зависит от свойств среды. Этот коэффициент может быть представлен в виде отношения двух коэффициентов:

,

где – коэффициент;– безразмерная величина, называемая относительной диэлектрической проницаемостью среды (для вакуума= 1).

Закон Кулона может быть выражен:

Коэффициент в системе СИ принимают; здесь– электрическая постоянная.

Подставим эту величину в формулу :

,

где .

Для характеристики электрического поля применяют физическую величину – напряженность поля . Напряженностью в какой–либо точке электрического поля называют силу, с которой это поле действует на одиночный положительный заряд, помещенный в эту точку.

Коронный разряд возникает при определенной напряженности поля. Эта величина называется критической напряженностью и для отрицательной полярности электрода может быть определена по эмпирической формуле Пика:

,

где – отношение плотности газа в рабочих условиях к плотности газа в стандартных условиях (), определяемое по формуле:

,

здесь – барометрическое давление, Па;– величина разрежения или абсолютного давления газов, Па;– температура газов,;– радиус коронирующего электрода. Формула Пика предназначена для воздуха, но с некоторым приближением может применяться и для дымовых газов.

Предельный заряд частиц диаметром более 1 мкм определяют пай формуле:

,

где – число элементарных зарядов;– величина элементарного заряда, равнаяКл;– радиус частицы, м;– напряженность электрического поля, В/м.

Формула непосредственно применима, если диэлектрическая проницаемость вещества пыли равна 2,5. Для многих веществ значениезначительно отличается: для газов= 1; гипса= 4; окислов металлов= 12...18; металлов.

Если , то значение, полученное по формуле , умножают на поправку, представляющую собой отношение:

,

где – значениепри;. При,; при,.

В электрофильтре зарядка частиц происходит очень быстро: за время менее секунды заряд частиц приближается к своему предельному значению (Таблица 10).

Таблица 10

Зависимость заряда от времени зарядки частиц

Время зарядки, с				1,0
Заряд, в % от предельного	13,8	61,0	94,0	99,5

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром более 1 мкм в электрическом поле, м/с, можно определить по формуле:

,

где – напряженность электрического поля, В/м;– радиус частицы, м;– динамическая вязкость газа (воздуха),.

Скорость движения заряженных частиц пыли диаметром менее 1 мкм в электростатическом поле, м/с, может быть определена по формуле:

.

Степень эффективности очистки в электрофильтре может быть определена по формуле, полученной теоретическим путем:

.

где – скорость движения (дрейфа) заряженных частиц к осадительному электроду, м/с;– удельная поверхность осаждения, т.е. поверхность осадительных электродов, приходящаяся на 1очищаемого газа (воздуха),.

Степень эффективности очистки, определенная теоретически, несколько отличается от действительной эффективности, так как исходит из идеализированных условий и не учитывает всех факторов, влияющих на эффективность. Обычно пользуются практическими данными об эффективности.