Исследования достижимых пределов гидрообеспыливания при высоконапорном орошении Текст научной статьи по специальности «Физика»

-------------------------------- © В.А. Телегин, Е.А. Шкуракова,

2009

УДК 655.4:621.694.2

В.А. Телегин, Е.А. Шкуракова

ИССЛЕДОВАНИЯ ДОСТИЖИМЫХ ПРЕДЕЛОВ ГИДРООБЕСПЫЛИВАНИЯ ПРИ ВЫСОКОНАПОРНОМ ОРОШЕНИИ

Критический уровень запрещающего энергетического барьера ортокинетиче-ского взаимодействия пылевых частиц с каплями жидкости, определенный инерционным параметром StkKр при высоконапорном гидрообеспыливании существенно снижается.

Ключевые слова: гидрообеспыливание, коагуляция, орошение витающей пыли, борьба с пылью.

Орошение витающей пыли диспергированной водой является наиболее распространенным способом борьбы с пылью как профессиональной вредностью.

Один из путей увеличения эффективности гидрообеспыливания лежит в направлении увеличения до 4-15 МПа давления жидкости распыляемой форсунками. Однако до сих пор нет единого мнения о механизме взаимодействия жидкого и пылевого аэрозолей, не изучен вопрос о достижимых пределах коагуляции в условиях высоконапорного гидрообеспыливания.

Исходя из сказанного представляется актуальным уточнить имеющиеся общие представления о достижимых пределах коагуляционного взаимодействия капель жидкости с частицами пыли в зоне факела высокопанорно-распыляемой жидкости.

При кинетическом столкновении в системе «твердое - жидкое» необходимо разделять понятие «эффективность столкновения», понимаемое как вероятность достижения частицей поверхности капли при соответствующих граничных условиях и обозначаемое термином «коэффициент захвата» - ^ш, и понятие «эффективность коагуляции» понимаемое как вероятность необратимой фиксации частицы каплей при дополнительных граничных условиях перехода системы в стабильное энергетическое состояние и обозначаемое термином «коэффициент коагуляции» - ^£.

Определяющую роль при этом играет величина инерционного критерия Стокса

Stk =X(Vk Vr)

5ж

где тп - время релаксации

т п (рж -рг);

” 18цг ’

5ж и 5п - диаметры капли и частицы пыли соответственно; Vж и V -скорости капли и частицы пыли соответственно; рп и рг - плотности пылевой частицы и газа соответственно; цг - динамическая вязкость газа.

Рядом исследований [1, 2, 3] установлено существование такого критического значения числа Stkпкp > 0, когда эффективность ■Цзл = 0.

Л,Stk (SK ):

Stk 2

п , при Stkn > StkB

(Stkn + 0’ ~""п' ~""пкр:

0, при Stkn < Stkпкр,

где £, = f (StkH; ReK); для капель воды £, = 0,25.

ReK - критерий Рейнольдса капли

Re = 5ж -(Vk ~Vr)-рг .

ж

Ц г

В обстоятельствах автомодельного вырождения критерия Stkm имеет смысл говорить о существовании вблизи поверхности капли аэродинамического энергетического барьера запрещающего переход системы «твердое - жидкое» на более высокий энергетический уровень коагуляционного взаимодействия при недостаточной кинетической энергии соударения.

Величину аэродинамического запрещающего уровня (Дж) энергетического барьера, на границе автомодельного вырождения влияния критерия Stk на эффективность коагуляции можно преобразовать, приведя к безразмерному виду

W -X2

2- "-кр *пкр = S,kl = ,dem,

62 икр

ж

где ткр - критическая масса пылевой частицы; Жпкр - критическая величина кинетической энергии столкновения.

Следовательно, при оценке уровней запрещающих энергетических барьеров достаточно ограничиться сравнением критических величин инерционного параметра Stkuкр.

Границы автомодельности процесса коагуляции реально не столь однозначны. Совместное влияние поверхностного пограничного слоя и режима обтекания капли газом существенно повышают величину критического числа Stkuкp, в области малых чисел Reж

4а ’ V а3 пкр 4а [ 4а[1 + 1п(4а8 *)]]

где 5* - безразмерная толщина вытеснения потока в ламинарном

пограничном слое сферы

5* = •

5 ж л1а • Кеж

5в - толщина слоя вытеснения; С - коэффициент пропорциональности (С1 = 0,8).

Исходя из сказанного можно констатировать, что при коагуляционном взаимодействии в системе «жидкое-жидкое», коэффициент захвата равнозначен коэффициенту коагуляции ^е, однако для системы «твердое-жидкое» вопрос о достидимых пределах коагуляционного взаимодействия частиц пыли с каплями жидкости можно решить только исходя из природы поверхностных явлений их столкновения.

Установлено, что гидрофильная способность твердых тел уменьшается с увеличением их дисперсности. Частицы размером меньше 10 мкм, особенно меньше 5 мкм, относятся к гидрофобным независимо от их состава [5, 6].

Для захвата гидрофобных частиц каплей необходимо совершить работу внешних сил. К работе внешних сил можно отнести кинетическую энергию частиц и капель при их ударе. Кинетическую энергию частицы, отнесенную к единице поверхности (Дж/м2), можно рассчитать по уравнению:

щ = т„ К - К)2 = 1 .5 п (рп-рг )(К)> - Кг )2 ,

где 8и - поверхность пылинки, м2.

Поглощенными считают лишь те частицы, которые под действием сил инерции проникают в каплю. Под энергией захвата (Wn)

при этом подразумевают работу, которую должна совершить частица для преодоления всех сил противодействия Wj, = 2аж-г cos 9,

где аж-г - коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела жидкость - газ; 9 - краевой угол смачивания на границе твердое - жидкое.

Улавливание пылинок возможно также за счет их прилипания к каплям без полного поглощения пылинок каплей. Энергия налипания частицы на каплю (Дж/м2) оказывается вдвое меньше энергии ее полного захвата [5]:

К = 2 wu =а ж-гcos 9.

Захват частицы каплей произойдет тогда, когда величина кинетической энергии окажется большей или равной достаточной для захвата частиц, т.е. должны выполняться условия

W > Wn; (2)

Кк > WH (3)

Условие (2) описывает случай инерционного поглощения пылинки каплей, а уравнение (3) - случай, когда налипание частицы происходит за счет сил адгезии.

Условия (2) и (3) указывают на существование минимальных значений критерия Стокса, при которых происходит поглощение или налипание пылинок на каплю:

12 -Гп

stkПКр = <(Рп5~Рг),§п , (4)

Stkнкр

12-Гн

(Рп-РгК . (5)

8 ж

В последнем случае при гидрообеспыливании необходимо соблюдать условия фиксации частиц на поверхности капель при воздействии на них аэродинамической силы обтекающего газа [5]

Fад > Fл,

где Fад - сила адгезии пылинки с каплей, Н; Fл - сила лобового сопротивления, Н.

Рис. 1. Критические значения критерия Стокса на границе энергетических барьеров: 1 - аэродинамического; 2 - поглощения; 3 - налипания

Проведенный анализ показал, что сила адгезии абсолютно превалирует над силой лобового сопротивления среды ^ад >> Fл) в условиях прилипания частиц к капле во всем диапазоне режимов ее обтекания, используемых в практике гидрообеспыливания (1 < Rеж < 104) [7].

На рис. 1 представлены результаты расчетов полученных из выражений (1), (4) и (5) для сопоставления запрещающих уровней энергетических барьеров при различных скоростях столкновения частиц окиси кремния с каплями воды (5ж = 50 мкм).

Из графиков по рис. 1 видно, что достижимый предел коагуляционного взаимодействия капель жидкости с частицами пыли при гидроорошении в области малых и средних чисел Рейнольдса ^е <100) определяется запрещающим уровнем энергетического барьера налипания Stkнкр, а в области больших чисел Рейнольдса ^е > 100), соответствующих высоконапорному гидрообеспыливанию, уровнем аэродинамического барьера Stkшр.

Можно утверждать, что эффективность коагуляции в системе «твердое - жидкое» при высоконапорном гиброобеспыливании выше чем при низконапорном не только за счет большей кинетической энергии капли, но и вследствие понижения уровня запре-

щающего энергетического барьера коагуляционного взаимодействия при больших числах Рейнодьдса.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ужов В.Н., Вальберг Ф.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. - М.: Химия, 1972. - 247 с.

2. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Физмангиз, 1959. -

700 с.

3. Longmuir I., Blodgett K.B. USA Air forse. Techn. Rept. № 5418, 1946. - 40 p.

4. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 708 с.

5. Физико-химические основы гидрообеспыливания и предупреждения взрывов угольной пыли / В.И. Саранчук, В.П. Качан, В.В. Рекун и др. - Киев: Наукова Думка. 1984 - 216 с.

6. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1976. - 416 с.

7. Фролов А.В., Телегин В.А., Сечкарев Ю.А. Основы гидрообеспыливания. /Приложение к журналу «Безопасность жизнедеятельности». - М.: Новые Технологии, № 10, 2007. - 24 с.

Telegin V.A., Shkurakova E.A.

RESEARCHES OF REACHABLE LIMITS OF HYDRO DEDUSTING AT HIGHPRESSURE IRRIGATION

Critical level energy of forbidden barrier ortokinetic interaction dust particle and water droplet to determined inert parameter StkKp essentially lowery at higtpressure irrigation of dust.

Key words: hydro dedusting, coagulation, soaring dust irrigation, struggle against dust.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Телегин В.А. - инженер, старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды», ЮжноРоссийский государственный технический университет,

E-mail: bgd_frolov@mail.ru.

Шкуракова Е.А. - старший преподаватель, к.т.н. кафедры «Неорганическая и аналитическая химия», Донской государственный аграрный университет, г. Новочеркасск, ic@donntu.edu.ua