CC BY
299
Электротехнические комплексы и системы
3. Ismagilov F.R. Matematicheskaja model' perehodnyh teplovyh processov v beskontaktnoj magnitojelektricheskoj mashine [Tekst] / F.R. Ismagilov, I.H. Hajrullin, V.E. Vavilov // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2013.- № 3.- t. 9.- S. 8-14.
4. Geller B. Vysshie garmoniki v asinhronnyh mashinah [Tekst] / B. Geller, V. Gamata; per. s angl. Z. G. Kaganova. - M.: Jenergija, 1981. - 351 s.
5. Vol'dek A.I. Jelektricheskie mashiny: uchebnik dlja jelektrotehnicheskih special'nostej vuzov [Tekst] /
A.I. Vol'dek . - 3-e izd., pererab. - L.: Jenergija, 1978. -832 s.
6. Balagurov VA. Proektirovanie special'nyh jelektricheskih mashin peremennogo toka: ucheb. posobie dlja studentov vuzov [Tekst] / V.A. Balagurov. - M.: Vyssh. shkola, 1982. - 272 s.
7. Kopylov I.P. Jelektricheskie mashiny: uchebnik dlja jelektromehanicheskih i jelektrojenergeticheskih special'nostej vuzov [Tekst] / I.P. Kopylov. - Moskva: Jenergoatomizdat, 1986. - 360 s.
Возмилов А.Г. Vozmilov A.G.
доктор технических наук, профессор кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень
Андреев Л.Н. Andreev L.N.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень
Дмитриев А.А. Dmitriev A.A.
аспирант кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень
Жеребцов Б.В. Jerebtsov B. V.
преподаватель кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Россия, г. Тюмень
УДК 621.356.48:622.794.7
РАЗРАБОТКА ПОЛНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ПЫЛИ, МИКРООРГАНИЗМОВ И ВРЕДНЫХ ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО МОКРОГО ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА
В статье описаны проблемы, связанные с интенсификацией ведения животноводства на промышленной основе, в частности - ухудшение качества микроклимата в помещениях. Эти факторы являются предпосылкой для повышения эффективности существующего мокрого однозонного электрофильтра. Данная статья описывает требования к системам очистки рециркуляционного воздуха. В публикации рассмотрен общий случай конструкции двухступенчатого мокрого электрофильтра, состоящего из двух последовательно соединенных мокрых однозонных электрофильтров (когда активные длины и скорости воздушного потока на первой и второй ступенях электрофильтра различны), а также частный случай (когда они одинаковы). Для обоих случаев разработаны методики расчета комплексной эффективности очистки воздуха от пыли, микроорганизмов, >го и j-го вредно действующих газов. Эффективность очистки воздуха от пыли в каждой из ступеней рассчитывается по известной формуле Дейча, от микроорганизмов - на основании графической зависимости количества колониеобразующих частиц от концентрации аэрозольных частиц. Эффективность очистки воздуха от вредных газов определяется с учетом окисления данных компонентов озоном, образующимся в результате коронного разряда, и по-
глощения их жидкостью, омывающей осадительные электроды. Проведен анализ полученных зависимостей, в конце статьи приведены выводы.
Ключевые слова: двухступенчатый мокрый электрофильтр, методика расчета, эффективность очистки, пыль, микроорганизмы, вредно действующие газы.
WORKING FULL METHODS OF CALCULATING EFFICIENCY OF AIR FILTRATIONS AGAINST DUST, MICROORGANISMS AND HARMFUL GASES WITH THE TWO-STAGE WET ELECTROSTATIC FILTER
This article describes the problems associated with the intensification of livestock farming on a commercial basis, in particular - the deterioration of the quality of indoor environment. These factors are a prerequisite for increasing the efficiency of existing single-band of wet electrostatic filter. This paper describes the requirements for cleaning the return air. The publication consider the general case a two-stage wet electrostatic filter, consisting of two series-connected single-band wet electrostatic filters (when the active length and the airflow in the first and second stages are different), as well as a special case (when they are the same). In both cases, the methods of calculation of complex efficiency air filtration, micro-organisms, i-th and j-th exert a deleterious effect gases. The effectiveness of air purification from dust in each of the stages is calculated from the known formula Deich from microorganisms - based on the plot of the number of colony-forming particles from the particulate matter concentration. Efficiency air cleaning gas is determined taking into account oxidation of these components ozone formed by the corona discharge and absorption of the liquid, washing the collecting electrodes. The analysis of the obtained relationships, at the end of the article the conclusions.
Key words: two-stage wet electrostatic filter, procedure of cleaning efficiency, dust, microorganisms, harmful acting gases.
В настоящее время наблюдается общая тенденция к расширению области использования воздушных фильтров для очистки приточного, вытяжного и рециркуляционного воздуха. Это можно объяснить следующими причинами: 1) повышением требований к чистоте воздуха, что связано в значительной мере с развитием производств, требующих определенного качества воздуха; 2) увеличивающимся загрязнением атмосферы; 3) снижением энергозатрат на создание нормируемого микроклимата в помещении и др.
Большой интерес представляют аппараты для комплексной очистки рециркуляционного воздуха в технологических процессах в животноводстве и птицеводстве.
Внутренний воздух животноводческих помещений в результате жизнедеятельности животных и птицы загрязняется пылью, микроорганизмами и вредно действующими газами (углекислый газ, аммиак и сероводород). Согласно Временным рекомендациям по проектированию систем очистки рециркуляционного воздуха в животноводческих и птицеводческих помещениях концентрация вредностей в очищенном рециркуляционном воздухе не должна превышать 30% от ПДК по данным вредностям [1].
Использование систем очистки рециркуляционного воздуха на крупных животноводческих и птице -
водческих комплексах позволяет решить ряд задач по обеспечению дальнейшего развития данной отрасли: охраны воздушного бассейна комплексов, снижения энергозатрат на создание оптимального микроклимата, улучшения санитарно-гигиенического состояния в животноводческих помещениях и др.
В работах [2, 3, 4, 5, 6] приведены результаты исследований мокрого однозонного электрофильтра (МЭФ) при комплексной очистке рециркуляционного воздуха в свиноводческих помещениях.
Производственные испытания специально разработанного МЭФ показали высокую эффективность очистки рециркуляционного воздуха от пыли (до 95,4%), микроорганизмов (до 77%) и аммиака (до 83,8%) [5, 7].
Для повышения эффективности комплексной очистки рециркуляционного воздуха был разработан двухступенчатый мокрый электрофильтр (ДМЭФ) [8], состоящий из двух последовательно соединенных однозонных мокрых электрофильтров, схема которого представлена на рис. 1.
Конструктивное отличие первой и второй ступени в общем случае заключается в различии: межэлектродных расстояний ф h2), что позволяет увеличить эффективность тонкой очистки от пыли и микроорганизмов; в составе омывающей осадитель-ные электроды жидкости; активной длины электрофильтра (/1 ф /2); скорости воздушного потока (и1 ф и2).
Рис. 1. Схема двухступенчатого мокрого электрофильтра для 1-й и 2-й ступеней ДМЭФ соответственно: И1, И2 - межэлектродное расстояние, м; и , и2 - скорость воздушного потока, м/с; I I - активная длина электрофильтра; 1 - коронирующие электроды, 2 - осадительные электроды.
Первая ступень (ступень грубой очистки) предназначена для очистки воздуха от крупнодисперсного аэрозоля, микроорганизмов, ьго вредного газа (основная очистка) и j-го вредного газа. Вторая ступень (ступень тонкой очистки) обеспечивает очистку от мелкодисперсного аэрозоля, j-го вредного газа (основная очистка) и доочистку от пыли, микроорганизмов, ьго газа.
Одним из основных технических показателей аппаратов очистки воздуха является их эффективность [9]. В общем, эффективность очистки ДМЭФ можно рассчитать по известной формуле [10]:
П = 1 - (1-п) • (1-п) (1)
где ц П2 _ эффективность очистки первой и второй ступеней ДМЭФ соответственно.
Рассмотрим более подробно расчет эффективности ДМЭФ при очистке рециркуляционного воздуха от пыли, микроорганизмов и вредных газов.
Расчет эффективности очистки воздуха ДМЭФ от пыли При определении эффективности очистки первой ступени по пыли пп1 воспользуемся формулой Дейча [11]: П
1 I
I Кщ.
аналогично для второй ступени можно записать: Л (
т]п1 = 1 - ехр
¡г2и
2 У
^,, w2 - скорость дрейфа частиц, м/с; И, Н2 - межэлектродное расстояние, м; и, и2 - скорость воздушного потока, м/с; 12 - активная длина электрофильтра.
Подставляя (2) и (3) в (1) и проведя ряд преобразований, получим аналитическое выражение для расчета эффективности ДМЭФ по очистке воздуха от пыли:
Т]п =1 -ехр
м>111Ь2и2+у\!212\и1
(4)
КиАиг
Допуская, что скорость воздушного потока в аппарате неизменна (и=и2=и) и при ¡=¡=1, выражение (4) упрощается и принимает следующий вид:
м?^ + м>21г1
г]п = 1 -ехр
¿А
(5)
(2)
(3)
где для 1-й и 2-й ступеней ДМЭФ соответственно:
Анализ зависимости (5) показывает, что эффективность двухступенчатого мокрого электрофильтра по очистке от пыли прямо пропорциональна его общей активной длине 21, скорости дрейфа частиц м> , ^ обратно пропорциональна скорости воздушного потока и и межэлектродному расстоянию первой Ии второй И2 ступеней мокрого электрофильтра.
Расчет эффективности очистки воздуха ДМЭФ от микроорганизмов В [12] рассмотрены вопросы определения эффективности очистки воздуха МЭФ от микроорганизмов. В основу расчета положена графическая зависимость количества колониеобразующих частиц (КОЕ) в исследуемом объеме воздуха от концентрации аэрозольных частиц в данном объеме (см. рис. 2) [13].
10 100 1000 10000 Число частиц размером > 0,5 мкм в куб. футе воздуха
♦ Нижняя граница доверительного интервала Верхняя граница доверительного интервала 4 Усредненная зависимость
Рис. 2. Зависимость числа КОЕ в воздушной среде от числа частиц размером 0,5 мкм и более в данной среде
Полученное в [12] аналитическое выражение позволяет определять эффективность очистки воздуха МЭФ от микроорганизмов цКОЕ по значению эффективности очистки воздуха пП данного фильтра от аэрозольных частиц размером 0,5 мкм и более:
пкоое = 1 - (1-v 06 (6)
Используя выражение (6) на основе уравнения
(1), получим выражение для расчета эффективности
ДМЭФ по очистке воздуха от микроорганизмов
Пкое = 1 - (1 -Пкое1) ^ (1 - Пкое2) , (7)
где цКОЕ 1= 1 - (1 -цп1) 0,66 - эффективность очистки воздуха от микроорганизмов в первой ступени фильтра, пКОЕ2= 1 - (1 -Ц„2) 0,66 - эффективность для второй ступени.
При подстановке ЦКОЕ1 и ЦКОЕ2 в (7) получим аналитическое выражение для расчета эффективности очистки воздуха ДМЭФ от микроорганизмов Vкое = 1- (1-[1- (1-171 Г6]) (1-[1-С1-77п2)0'66]).(8) Анализ полученного аналитического выражения (8) показывает, что эффективность очистки ДМЭФ воздуха от микроорганизмов зависит от эффективности очистки воздуха данным фильтром от аэрозольных частиц размером 0,5 мкм и более.
Поэтому при проектировании ДМЭФ необходимо определять конструктивные и технологические параметры второй ступени (ступень тонкой очистки) фильтра исходя из условий эффективности очистки воздушной среды от мелкодисперсной части аэрозоля, а именно от частиц размером 0,5 мкм и более.
Расчет эффективности очистки воздуха ДМЭФ от вредно действующих газов В работе [6] рассмотрены вопросы очистки воз-
духа от вредных газовых составляющих мокрым однозонным электрофильтром. В данной работе определено, что очистка воздуха от вредных газовых компонентов в мокром однозонном электрофильтре происходит за счет окисления вредных газов озоном и поглощения специально подобранной жидкостью, омывающей осадительные электрофильтры.
Для мокрого однозонного электрофильтра эффективность очистки воздуха от >го вредного газа определяется по выражению
= 1-
ехр
{к ог+ к ож)
(9)
где ^ - константа скорости окисления ьй вредно действующей газовой компоненты озоном; к - константа скорости абсорбции >й компоненты омывающей жидкостью.
Выше отмечалось, что первая ступень электрофильтра заполняется омывающей осадительные электроды жидкостью, которая эффективно абсорбирует >й вредно действующий газ, а вторая ступень заполняется омывающей жидкостью, эффективно абсорбирующей j-й газ.
В этом случае для ДМЭФ с учетом (1) можно записать аналитическое выражение для расчета эффективности очистки воздуха от вреднодействующих газов:
- для ьго газа
п = 1 - а-п,) • ги,^ (10)
где па и п2 - соответственно эффективность очистки от ьго газа в первой и второй ступенях фильтра;
- для j-го газа
ц = 1 - (1-пи) • (1-Ц) (11)
где Пц1 и Пц2 - соответственно эффективность очистки от j-го газа в первой и второй ступенях фильтра.
Электротехнические комплексы и системы
С учетом (9) выражение (10) и (11) принимают следующий вид: - для ьго газа:
VI =1-"П-(1-ехр
к
и,
{к а, + к ОЖ1 ^
) • 1-(1-ехр
Ь^(кп + к'2 )
и ^ о; +К ОЖ 2)
) -
= 1 - ехр
^ + к"ож\) * [к1\; + к'20Ж2 )
(12)
где к,1Оз, и к2Оз„ - константа скорости окисления ьй воздуха омывающей жидкостью соответственно в
газовой компоненты воздуха озоном соответствен- первой и второй ступенях; но в первой и второй ступенях; к,1ож1 и к,2ож2 - кон- - для j-го газа можно записать аналогично: станта скорости абсорбции ьй газовой компоненты
/7. = 1 - ехр
ц (^О,' + к АОЖ1 ) * 2о," + ^2ОЖ2 )
(13)
При допущении 11 = 12 = 1, и1 = и2 = и получим: - для ьго газа:
для j-го газа:
г]1 = 1 - ехр
7. = 1 - ехр
и 03' + ^ ОЖ\ + к о3" + к ОЖ2 |
{к1 0з' + ^ ож\ + 0з" + ^ ОЖ2 )
(14)
(15)
Обозначив через ¥(О )12 = клО, + к,2О,
и к,
к>1 + к,2
ож1 ож2
и подставив данные значения в (14), получим для ьго газа:
= 1 - ехр
-Ы
и \
4- к'
2 ОЖ 1,2
Аналогично для j-го газа можно записать:
п. = 1-ехр
и [к\оъ) 1,2 + ^ОЖ1,2)
(16)
(17)
где к Ц , = кЦ1 + кц2 и ки = кЦ1 + кц2
(Оз)1,2 Оз' Оз" ож1,2 ож1 ож2
- константа скорости окисления j-й газовой компоненты озоном и константа скорости абсорбции данной компоненты омывающей жидкостью соответственно.
Анализ уравнений (16) и (17) показывает, что эффективность очистки воздушной среды от вредных газов в конечном итоге зависит от концентрации озона и способности абсорбции данных газов омывающими жидкостями в первой и второй ступенях ДМЭФ.
Выводы
1. Аппараты комплексной очистки рециркуляционного воздуха имеют хорошие перспективы в
различных отраслях народного хозяйства: в промышленном животноводстве и птицеводстве, в химической и металлургической промышленности и т. д. и т. п.
2. Полученные аналитические зависимости (5), (8) и (14), (15) позволяют рассчитывать основные конструктивные и технологические параметры ДМЭФ при проектировании систем комплексной очистки рециркуляционного воздуха.
Список литературы
1. Временные рекомендации по проектированию систем очистки воздуха животноводческих и птицеводческих помещений [Текст]. - М.: ГИПРО-НИИсельхоз, 1976. - 44 с.
2. Возмилов А.Г. Очистка воздуха в помещениях для свиней [Текст] / А.Г. Возмилов // Достижения науки и техники АПК. - 1991. - № 2. - С. 33.
3. Волков Г.К. Возможность использования рециркуляции воздуха в свинарниках [Текст] / Г.К. Волков, В.Н. Гущин // Ветеринария. - 1974. - № 9. - С. 29-32.
4. Паникар И.И. Промышленное птицеводство и охрана окружающей среды [Текст] / И.И. Паникар и др. - М.: Росагропромиздат. - 1988. - 80 с.
5. Возмилов А.Г. Результаты исследований мокрого однозонного электрофильтра [Текст] / А.Г. Возмилов, В.Н. Мишагин, Л.Н. Андреев// Техника в сельском хозяйстве. - 2009. - № 3. - С. 20-22.
6. Возмилов А.Г. Электроочистка и электрообеззараживание воздуха в промышленном животноводстве и птицеводстве: дис. д-ра техн. наук [Текст] / А.Г. Возмилов. - Челябинск, 1993. - 268 с.
7. Возмилов А.Г. и др. Результаты производственных испытаний мокрого электрофильтра [Текст] / А.Г. Возмилов, Л.Н. Андреев, В.Д. Астафьев и др. // Вестник КрасГАУ. - 2013. - № 8. - С. 185-191.
8. Патент № 128919 Российская Федерация, МПК F24F3/00. Система двухступенчатой очистки воздуха [Текст] / А.Г. Возмилов, Б.В. Жеребцов, Л.Н. Андреев, А.В. Якурнов, Н.И. Смолин; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия» (RU). -№ 2012114273; заявл. 11.04.2012; опубл. 10.06.2013. - № 11. - 3 с.
9. ГОСТ Р. 51215-99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка [Текст]. - Введ. 200001-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 6 с.
10. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов фильтрами [Текст] / В.Н. Ужов, Б.И. Мягков. - М.: Химия, 1970. - 320 с.
11. White H.J. Entstaubung industrieller Gase mit Elektrofilter [Text] / H.J. White. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag fur Ggrundstoffindustrie, 1969. - 197 c.
12. Мишагин В.Н. и др. Методика определения эффективности систем очистки воздуха от микроорганизмов [Текст] / В.Н. Мишагин и др.// Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2008. - № 5. - С. 39-40.
13. Чистые помещения [Текст] / Под ред. А.Е. Федотова. - М.: АСИНКОМ, 1998. - 320 с.
References
1. Vremennye rekomendacii po proektirovaniju sistem ochistki vozduha zhivotnovodcheskih i pticevodcheskih pomeshhenij [Tekst]. - M.: GIPRONIIsel'hoz, 1976. - 44 s.
2. Vozmilov A.G. Ochistka vozduha v pomeshhenijah dlja svinej [Tekst] / A.G. Vozmilov // Dostizhenija nauki
i tehniki APK. - 1991. - № 2. - S. 33.
3. Volkov G.K. Vozmozhnost' ispol'zovanija recirkuljacii vozduha v svinarnikah [Tekst] / G.K. Volkov, V.N. Gushhin // Veterinarija. - 1974. - № 9. -S. 29-32.
4. Panikar I.I. Promyshlennoe pticevodstvo i ohrana okruzhajushhej sredy [Tekst] / I.I. Panikar i dr. -M.: Rosagropromizdat. - 1988. - 80 s.
5. Vozmilov A.G. Rezul'taty issledovanij mokrogo odnozonnogo jelektrofil'tra [Tekst] / A.G. Vozmilov, V.N. Mishagin, L.N. Andreev // Tehnika v sel'skom hozjajstve. - 2009. - № 3. - S. 20-22.
6. Vozmilov A.G. Jelektroochistka i jelektroobezza-razhivanie vozduha v promyshlennom zhivotnovodstve i pticevodstve: dis. d-ra tehn. nauk [Tekst] / A.G. Vozmilov. - Cheljabinsk, 1993. - 268 s.
7. Vozmilov A.G. i dr. Rezul'taty proizvodstvennyh ispytanij mokrogo jelektrofil'tra [Tekst] / A.G. Vozmilov, L.N. Andreev, V.D. Astafev i dr.// Vestnik KrasGAU. -2013. - № 8. - S. 185-191.
8. Patent № 128919 Rossijskaja Federacija, MPK F24F3/00. Sistema dvuhstupenchatoj ochistki vozduha [Tekst] / A.G. Vozmilov, B.V. Zherebcov, L.N. Andreev, A.V. Jakurnov, N.I. Smolin; patentoobladatel' FGBOU VPO «Tjumenskaja gosudarstvennaja sel'skohozjajstvennaja akademija» (RU). - № 2012114273; zajavl. 11.04.2012; opubl. 10.06.2013. - № 11. - 3 s.
9. GOST R. 51215-99. Fil'try ochistki vozduha. Klassifikacija. Markirovka [Tekst]. - Vved. 2000-0101. - M.: Izd-vo standartov, 2001. - 6 s.
10. Uzhov V.N. Ochistka promyshlennyh gazov fil'trami [Tekst] / V.N. Uzhov, B.I. Mjagkov. - M.: Himija, 1970. - 320 s.
11. White H.J. Entstaubung industrieller Gase mit Elektrofilter [Text]/ H.J. White. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag fur Ggrundstoffindustrie, 1969. -197 s.
12. Mishagin V.N. i dr. Metodika opredelenija jeffektivnosti sistem ochistki vozduha ot mikroorganizmov [Tekst] / V.N. Mishagin i dr.// Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva. -2008. - № 5. - S. 39-40.
13. Chistye pomeshhenija [Tekst] / Pod red. A.E. Fedotova. - M.: ASINKOM, 1998. - 320 s.
