Акустические способы и средства осаждения взвешенных частиц промышленных дымов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правахрукописи

ЧЕРНОВ Николай Николаевич

АКУСТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ОСАЖДЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДЫМОВ.

Специальность 01.04.06 - акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Таганрог, 2004

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тимошенко В.И. ТРТУ, г. Таганрог

доктор технических наук, профессор Борисов Ю.А. АКИН им. Н.Н. Андреева, г. Москва

доктор технических наук, профессор Заграй Н.П. ТРТУ, г. Таганрог

доктор физ.-мат. наук, профессор Короченцев В.И. ДВГТУ, г. Владивосток

Ведущая организация:

НКТБ «Пьезоприбор», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 14м на заседании

диссертационного совета Д 212.259.04 при Таганрогском государственном радиотехническом университете, по адресу: 347922 Ростовская область, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТРТУ

Автореферат разослан " 8" сентября 2004 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Загрязнение атмосферы является составной частью всей нашей жизни и особенно ощутимо для больших городов и промышленных центров. Оно формируется как за счёт природных процессов, таких как лесные пожары, извержения вулканов, пыльные бури, так и за счёт деятельности человека. По мере развития промышленности, энергетики и средств транспорта происходит концентрация населения и промышленных предприятий в больших городах и промышленных зонах и, как следствие, значительное локальное загрязнение атмосферы. В России на 15% территории сосредоточены основные производственные мощности и проживает около 60% населения страны. Экологическая обстановка здесь уже не соответствует нормативам, определяющим уровень экологической безопасности людей. В рейтинге качества жизни, ежегодно проводимой экспертами ООН, за 2003 год Россия занимает скромное 63-е место из-за невысокой средней продолжительности жизни и неблагоприятной экологии. Как раз из-за последнего показателя России не удается подняться выше, поскольку по другим параметрам -доходам и уровню образования она опережает многих соседей по рейтингу.

Особо настораживает пока еще недостаточно ясное влияние деятельности человека на изменение глобального климата Земли, хотя локальные изменения обнаруживаются совершенно отчетливо, например, на микроклимате больших городов. За последнее время наблюдаются резкие изменения климата в различных районах Земли. Изменения климата представляют собой результат сложного взаимодействия различных естественных процессов и хозяйственной деятельности человека. Среди различных факторов, оказывающих влияние на изменение климата, особо значимыми являются загрязнения атмосферы углекислым газом и взвешенными частицами. Содержащиеся в атмосфере пары воды и углекислота поглощают инфракрасное излучение Земли, создавая «тепличный эффект». Прямо противоположный процесс связан с уменьшением поступления на поверхность Земли солнечной энергии из-за увеличивающихся выбросов в атмосферу твердых и жидких взвешенных частиц с отходящими газами промышленных предприятий и транспорта. Они мешают проникновению сквозь атмосферу солнечной радиации, отражая часть энергии Солнца обратно в космос. По имеющимся расчетам, если концентрация взвешенных частиц в атмосфере Земли в связи с развитием промышленности увеличится в несколько раз, то это может снизить температуру на Земле в большей степени, чем увеличение температуры, вызванное «тепличным эффектом».

Большая часть присутствующих в воздухе взвешенных частиц и аэрозолей может стать вторичными загрязнителями, адсорбируя другие загрязнители, они часто оказываются гораздо токсичнее первичных.

Взвешенными частицами принято называть находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии твёрдые и жидкие частицы размером больше молекулы, но менее 500мкм. Взвешенные частицы в таком диапазоне размеров могут существовать от нескольких секунд до нескольких суток. Потенциальный ущерб от загрязнения атмосферного воздуха взвешенными частицами велик: поражая легкие, частицы наносят ущерб здоровью, уменьшают прозрачность атмосферы, увеличивают вероятность туманов, снижают потоки солнечной радиации, влияют на скорость роста растений, состояние почвы и водоёмов. При этом в каждом из перечисленных случаев ущерб зави • их концентрации, физического и химического

состава. РОС. ЦАЦиОЫАЛШАЯ

»ньлиотьцд ¿?.э. ЗиСОЧ 6 6&

СЕек^^т 3

Исследование влияния различных антропогенных нагрузок на природу в городских условиях показало, что наибольшую опасность для человека представляет загрязнение воздушного бассейна стационарными источниками: тепловыми электростанциями, металлургическими, машиностроительными и химическими заводами, выбрасывающими в атмосферу широкий спектр токсичных веществ, способных накапливаться в приземном слое атмосферы и почвах.

Создание высокоэффективных схем осаждения взвешенных частиц промышленных дымов со степенью улавливания 99.8 - 99,9% затруднено из-за ограничений физического плана: резко снижается эффективность пылеулавливания мельчайших микронных и субмикронных частиц, доля которых в связи с интенсификацией производства постоянно возрастает. Возникает необходимость использования новых принципов построения пылеулавливающих схем, использующих, например, предварительное изменение физических параметров аэродисперсной среды. Одним из путей решения этой задачи является использование схем осаждения с предварительным укрупнением микронных и субмикронных частиц в агрегаты частиц, легко улавливаемые традиционными осадительными аппаратами. В этом смысле акустическая коагуляция является одним из прогрессивных методов быстрого укрупнения субмикронных частиц промышленных дымов с целью их дальнейшего улавливания в существующих или специально создаваемых схемах осаждения.

Несмотря на то, что в исследовании физики процесса и в вопросах промышленного использования акустической коагуляции аэрозолей сделано многое, вряд ли исследования в этой области в настоящее время можно считать завершенными. Связано это с тем обстоятельством, что акустическая коагуляция аэрозольных частиц исключительно многофакторное явление. При его исследовании и практическом использовании, приходится решать задачи различных областей физической науки, такие как движение ансамбля частиц в звуковом поле, проблемы генерирования мощных звуковых колебаний, измерения основных характеристик акустического поля и аэродисперсной среды, вопросы физической кинетики, прикладной гидродинамики и механики аэрозолей. Поэтому в большинстве работ по акустическому осаждению использовался, в основном, эмпирический подход при выборе параметров коагуляционных установок. При общем положительном физическом эффекте акустической коагуляции это приводило к наличию слишком больших энергетических затрат: от 3 до 7 кВтч на 1000 м3 газа. В условиях необходимости очистки сотен тысяч кубических метров газа в час и малой стоимости улавливаемого продукта такие энергозатраты делали акустические методы экономически нецелесообразными. Для оптимизации параметров акустических схем пылеочистки различных промышленных дымовых газов и снижения энергозатрат на очистку необходимы теоретические и экспериментальные исследования микро- и макропроцессов акустической коагуляции в широком диапазоне варьирования параметрами акустического поля и аэродисперсной среды.

Цели и задачи работы. Учитывая актуальность и большую значимость рассматриваемой темы, целью диссертационной работы было определено решение научной и прикладной проблемы создания экологически и экономически рациональной системы подготовки промышленных дымов в акустическом поле к очистке от взвешенных частиц в штатных осадительных устройствах, теоретически обоснованной и учитывающей индивидуальные свойства аэродисперсной среды, а так же разработка новых конструктивных схем акустических коагуляционных

осадительных устройств, обеспечивающих интенсивное улавливание микронных и субмикронных взвешенных частиц.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи: теоретическое исследование пространственного гидродинамического взаимодействия взвешенных частиц несферической формы в звуковом поле при широком варьировании параметрами акустического поля и аэродисперсной среды;

- создание модели и разработка методов расчета макропроцесса акустической коагуляции на основе исследования единичного взаимодействия частиц;

- создание экспериментальной базы и методики проведения исследований макропроцесса коагуляции в акустическом поле взвешенных частиц различных промышленных дымов, наносящих наибольший вред природе и человеку;

- получение на основе результатов теоретических и. экспериментальных исследований расчётного уравнения, описывающего макропроцесс акустической коагуляции произвольного аэрозоля;

- проведение теоретического и экспериментального анализа процесса образования агрегатов частиц различной плотности, формы и устойчивости, а также разрушение дисперсной структуры слоя пылевых отложений в мощном звуковом поле;

- разработка теоретических и экспериментальных аспектов создания конструкций низкочастотных акустических излучателей для промышленных коагуляционных установок;

- внедрение в промышленность акустических способов и средств интенсификации очистки дымовых газов, обеспечивающих повышение эффективности улавливания взвешенных частиц и снижение вредных выбросов в атмосферу.

Научные положения выносимые на защиту:

1. Теоретические методы исследования пространственного взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в многокомпонентном звуковом поле при широком варьировании параметрами акустического поля и аэродисперсной среды.

2. Закономерности влияния параметров акустического поля (частоты, уровня звукового давления, времени озвучивания и характеристик компонентов и формы поля колебательной скорости) и физических параметров аэрозоля (концентрации, дисперсности, температуры и формы частиц дисперсной фазы) на макропроцесс акустической коагуляции.

3. Экспериментальные методы и средства исследования макропроцесса акустической коагуляции взвешенных частиц промышленных дымов.

4. Принципы и методы инженерных расчетов осадительных характеристик пылеулавливающих устройств с предварительной обработкой пылегазового потока мощным акустическим полем с учётом физических характеристик потока и поля.

5. Физическая модель образования агрегатов частиц и разрушения слоя дисперсной фазы пылевых отложений в мощном акустическом поле.

6. Рекомендации по расчету, проектированию и результаты практической реализации мощных излучателей звука - низкочастотных электродинамических сирен.

7. Принципы построения, рекомендации по выбору параметров и результаты-реализации в промышленности низкочастотных акустических установок для повышения эффективности улавливания взвешенных частиц промышленных дымов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- впервые проблема повышения эффективности улавливания взвешенных частиц промышленных дымов за счёт коагуляции в акустическом поле решается на основе

комплексных исследований процесса на микро- и макроуровнях с подтверждением теоретических расчетов лабораторными и промышленными исследованиями;

- установлены закономерности пространственного единичного и множественного взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в сложных гармонических и негармонических акустических полях;

- на основе полученных закономерностей разработаны схемы модернизации штатных осадительных систем с использованием акустической коагуляции промышленных дымов;

- впервые на созданной промышленной коагуляционной установке исследован разработанный теоретически способ очистки рабочих поверхностей пылеулавливающего и другого технологического оборудования от слоя пылевых отложений;

- предложены и экспериментально подтверждены принципиально новые критерии выбора параметров акустических коагуляционных установок для различного типа осадителей и очищаемых дымов.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в разработке технологии и техники эффективного осаждения высокодисперсной пыли в штатных осадительных устройствах путём предварительного укрупнения взвешенных частиц дымовых газов в мощном акустическом поле. На основе комплекса исследований единичного и множественного взаимодействия взвешенных частиц аэродисперсной среды предложены инженерные методики расчёта основных параметров акустических коагуляционных установок для различных типов осадительных аппаратов и промышленных дымов. Применение разработанных схем очистки с акустической коагуляцией позволяет решить проблему сухой очистки газов от высокодисперсной пыли без замены существующего осадительного оборудования. Разработанный способ очистки и созданные электродинамические излучатели высокоинтенсивного звука позволяют совмещать процесс укрупнения взвешенных частиц в потоке объёмом от тысячи до миллиона метров кубических дымового газа в час с очисткой поверхностей пылеулавливающих и других технологических устройств от слоя пылевых отложений, что повышает эффективность их работы, сроки службы и упрощает обслуживание. Кроме этого, разработанные методы исследований, полученные математические модели, зависимости и закономерности могут быть использованы в смежных областях науки и техники.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе модели, методы, конструктивные решения и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся по постановлениям директивных органов: «Разработка низкочастотного акустического метода глубокой очистки воздуха от мелкодисперсных субмикронных частиц промышленных аэрозолей (№ гос. регистрации 77068431, результаты внедрены на ПО «Лакокраска», г. Ростов-на-Дону); «Разработка физических основ и принципов использования акустической коагуляции и осаждения промышленных дымов и туманов» (№ гос. регистрации 77073118, результаты использованы РЭУ «Ростовэнерго»). Результаты диссертационной работы использовались в ряде научно-исследовательских работ, выполняемых по заказам предприятий и организаций: «Исследования и разработка оптимальных режимов работы элементов мощных динамических сирен» (Донецкий филиал ВНИПИчерметэнергоочистка); «Разработка комплекса программного моделирования

распространения загрязняющих веществ, выделяемых автотранспортом и промышленными предприятиями г. Таганрога» (Администрация г. Таганрога); «Разработка программы неотложных мер по сокращению выбросов в атмосферу» (Таганрогский межрайонный комитет по охране природы). Во всех перечисленных работах автор являлся ответственным исполнителем, либо научным руководителем работы.

Эффективность и целесообразность применения разработанных акустических способов и средств улавливания взвешенных частиц промышленных дымов подтверждены актами внедрения на промышленных предприятиях и в организациях: Новочеркасской ГРЭС, АО «ТАГМЕТ» (г. Таганрог), ООО фирме «РАСВЕТ» (г. Ростов-на-Дону), Таганрогском лакокрасочном заводе, Межрайонном комитете охраны природы (г. Таганрог), Ставропольском заводе технического углерода, фирме HOLMKO Elektroakustik (г. Берлин, Германия).

Техническая и конструкторская документация на мощные излучатели для коагуляционных установок была передана для внедрения на промышленных предприятиях следующим организациям и научным учреждениям: Донецкому филиалу ВНИПИчерметэнергоочистка, Чимкентскому цементному заводу, Косогорскому металлургическому комбинату (г. Тула), Львовскому политехническому институту, Ташкентскому филиалу ЦКБ Главэнергоремонта, Красноярской ГРЭС-2.

Апробация. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов (Москва, 1979 г.); IV региональной конференции «Использование отходов производства в строительной индустрии» (Ростов-на-Дону, 1981 г.); XX международной конференции «Ультразвук» (Прага, 1981 г.); заседании кафедры электроакустики и ультразвуковой техники Одесского политехнического института (Одесса, 1981 г.); XXXIV и XXXIX научно-технических конференциях ТРТУ (Таганрог, 1988 г., 1993 г.); Республиканской конференции «Борьба с загрязнениями в химической промышленности и промышленности строительных материалов» (Литовская ССР, г. Ионава, 1988 г.); XIII Приволжской межзональной конференции (Йошкар-Ола, 1990 г.); международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и наука — третье тысячелетие» (Москва, 1996 г.); IV объединенной научной сессии АЕН РФ, АМТН РФ и СКНЦ ВШ (Ростов-на-Дону, 1999 г.), научной конференции с международным участием «Экология 2000 - море и человек» (Таганрог, 2000 г.); научно-технической конференции «Медицинские информационные системы — МИС-2000» (Таганрог, 2000 г.); второй Всероссийской научной конференции с международным участием «Экология 2002 — море и человек» (Таганрог, 2002 г.); научно-технической конференции «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС - 2003» (Таганрог, 2003 г.).

Публикации. Результаты исследований, проведённые в рамках темы диссертационной работы, опубликованы в 57 научных статьях и материалах международных, всесоюзных и республиканских конференций, а так же в двух монографиях и одном авторском свидетельстве на изобретение. Автор принимал участие в выполнении ряда научно-исследовательских работ по теме диссертации, по которым в ВНИТЦ зарегистрировано 5 научно-исследовательских отчётов. В автореферате приведен список из 30 наиболее значимых работ по теме диссертационной работы.

Личный вклад автора. Автором сформулированы и обоснованы цели работы, определены объекты исследования. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Ряд лабораторных исследований и промышленных испытаний коагуляционных установок проводились совместно с Кипнис И А, Лукиным А.А. и Пекарь ЯЛ. Ценная консультативная помощь оказана Тимошенко В.И. и Беленьким В.А

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка используемой литературы (181 наименование) и приложения. В приложении приведены акты об использовании и внедрении результатов диссертационной работы. Содержание диссертации изложено на 316 страницах и включает 132 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность темы и цель диссертационной работы, обозначены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, приведены результаты работы, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая ценность работы, реализация результатов работы и апробация, а также краткое содержание основных разделов.

В первой главе «Исследование взаимодействия взвешенных частиц в звуковом поле» представлены результаты исследования пространственного гидродинамического взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле как первопричины слияния частиц при акустической коагуляции, показано, что создание рациональной системы подготовки промышленных дымов к очистке путём укрупнения взвешенных частиц в акустическом поле должно основываться на чётком понимании поведения как одной отдельной частицы, так и ансамбля частиц в звуковом поле, построение теории акустической коагуляции базируется на решении нескольких физических задач, первой из них является изучение поведения отдельной частицы, пары и системы мельчайших частиц в мощном звуковом поле, решение этой задачи позволяет выявить закономерности основного физического механизма быстрого слияния частиц в акустическом поле.

На аэрозольные частицы, находящиеся в поле периодических смешений в вязкой среде, действуют внешние силы, силы сопротивления и силы взаимодействия между частицами. К внешним силам обычно относят силы тяжести, электростатические силы и т.д. В результате совместного действия указанных сил возникает относительное движение частицы и среды. Закономерности движения отдельной взвешенной в вязкой среде шарообразной частицы в настоящее время достаточно полно исследованы в работах Дж. Г. Стокса, Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшица и Н.А. Фукса.

В диссертации последовательно разрабатывалась идея и производились исследования гидродинамического взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле как первопричины слияния частиц при акустической коагуляции. В качестве математического аппарата использовали известные приближения метода возмущения полей. Этот метод был применен и развит для решения задач пространственного взаимодействия двух и трёх взвешенных частиц сферической и не сферической формы в звуковом поде при вязких (стоксовском или осееновском) режимах обтекания с учетом изменения расстояния между частицами в процессе взаимодействия.

Промышленные аэрозоли содержат, как правило, частицы либо агрегаты частиц, форма которых далека от сферической. При рассмотрении различных аспектов теории и практики акустической коагуляции, например, при нахождении поля обтекания несферической частицы, выборе оптимальных параметров коагуляционных установок, возникает необходимость учёта формы аэрозольных частиц. В таких случаях необходимо реальные несферические частицы в расчетах заменять физическими моделями. В качестве такой модели в работе выбран эллипсоид вращения, который при достаточно больших отношениях осей может считаться моделью частиц плоской и вытянутой форм, а при сравнительно небольшой разнице осей приобретает форму, близкую к сферической. Для вытянутого и сплюснутого эллипсоидов вращения удается получить сравнительно компактные выражения для силы сопротивления, компонент скорости обтекания в звуковом поле и др.

Движение аэрозольных частиц в газовой среде происходит как в вязкой несжимаемой жидкости. Поэтому при любых относительных перемещениях близкорасположенных частиц взаимное влияние их гидродинамических полей обтекания будет определять картину их движения в вязкой жидкости. Гидродинамическое взаимодействие аэрозольных частиц в акустическом поле имеет место вследствие того, что при колебательном движении какой-либо частицы в вязкой среде ее движение возмущается гидродинамическим полем соседних частиц. Последние, в свою очередь, при движении испытывают влияние этой частицы. В результате такого взаимного влияния меняются силы, действующие со стороны движущейся среды на частицы, вызывая относительное движение близкорасположенных частиц.

Общую систему дифференциальных уравнений движения произвольного числа частиц в многокомпонентном акустическом поле можно записать, базируясь на основном законе динамики, в следующем виде:

_к_ _р__

О)

где F„ — силы, приводящие в колебательное движение среду и частицы; Ff - силы,

возникающие за счет влияния у-той частицы на движение /-той частицы; р - число физических явлений, учитываемых при взаимодействии; i =1,2,3 ...j...k, k - число частиц, участвующих во взаимодействии; Upi - скорость частицы; тр, - масса частицы.

Из этой системы невозможно найти все необходимые параметры для процесса коагуляции частиц, так как при такой постановке задача для аэродисперсной системы, состоящей из огромного числа частиц, решена быть не может. Поэтому необходимо идти по пути рассмотрения поведения локального ансамбля (двух, трех и т.д.) частиц, а затем на базе выявленных закономерностей рассматривать задачу множественного поведения частиц аэродисперсной системы в акустическом поле. Такой подход обоснован не только математическими трудностями при решении системы, но и логичным предположением о превалирующем влиянии на поведение частицы близлежащих частиц, так как речь идет о механизме влияния через вязкость среды.

Сложное многокомпонентное акустическое поле можно представить как суперпозицию трех полей, вектора колебательной скорости которых 11с„, Ь'^, Ь'и взаимно перпендикулярны и направлены по осям х, у, ъ Для выяснения особенностей пространственного взаимодействия частиц в звуковом поле при вязком режиме обтекания с учётом принятых допущений была получена система уравнений, учитывающая добавки в собственное поле обтекания каждой из частиц от близлежащих частиц:

'\Я2У ¡V «1, где о = 2 я/- круговая частота.

Уму> и^г соответствующие компоненты скоростей движения частицы; 11с — скорость движения среды; координаты центров частиц; - расстояние

между частицами; Т] - коэффициент динамической вязкости среды; V = т\/рс коэффициент кинематической вязкости; рс — плотность среды. При колебательном движении среды скорость частицы и скорость обтекания являются

функциями времени. Временные изменения скорости не будут изменять картины вязкого движения частицы при выполнении условия квазистационарности:

дР_ да

Условие квазистационарности при акустической коагуляции взвешенных частиц промышленных дымов выполняется практически во всём частотном диапазоне. Это позволяет использовать величины мгновенных скоростей для описания распределения поля скоростей около частицы в качестве стационарных значений. Кроме того, для аэрозольных частиц с достаточным приближением можно принять условие безинерционности сопротивления, полагая его равным стоксовскому.

Нетрудно видеть, что число уравнений в системе (2) равно Ък, поэтому общем виде аналитическое решение системы не может быть получено.

Система уравнений была решена методом последовательных приближений для

случая к =2 и к = 3. В первом приближении считаем: г — гц= const, где Гц - расстояние между частицами до взаимодействия. Из физических соображений выбираем начальные условия нулевыми, т.е. возмущенные скорости Up,r и Upiy смещения частиц от взаимодействия и &Х>у в момент времейя ра вны нулю. В последующих приближениях учитывалось сближение частиц от предыдущего приближения. Проведенная линеаризация позволяет получить из системы уравнений с нелинейными коэффициентами (2) для двух и трех взаимодействующих в звуковом поле частиц систему неоднородных линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Особый интерес для практики промышленного использования акустической коагуляции представляет изучение закономерностей поведения пары частиц аэрозоля в многокомпонентном акустическом поле. В промышленных коагуляционных установках в силу ряда причин (отражение от стенок газоходов, резонирование газоходов на основной частоте и гармониках) на частицы действует сложное акустическое поле, представляющее собой суперпозицию двух и более полей. Кроме того, промышленные схемы осаждения взвешенных частиц дымов часто не имеют протяженных прямолинейных участков газоходов, где возможна обработка пылегазового потока в течение требуемого времени. Использование двух и более источников мощного звука, расположенных ортогонально друг другу, позволит ускорить процесс коагуляции и сократить время озвучивания дымовых газов.

Решение системы (2) получено для случая близкорасположенных шарообразных частиц, находящихся в звуковом поле, представляющем суперпозицию двух полей, вектора колебательных скоростей которых взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости с линией, соединяющей центры частиц. При этом составляющая скорости U, вдоль оси z принималась равной нулю. Звуковые поля, представляющие собой суперпозицию двух полей, вектора колебательных скоростей которых лежат в одной плоскости под некоторым углом друг к другу, называют скрещенными звуковыми полями [11]. Скрещенные звуковые поля представляют частный случай сложного акустического поля, однако в большинстве случаев сложные звуковые поля могут быть легко преобразованы в скрещенные звуковые поля разложением вектора колебательной скорости на сумму векторов, параллельных соответствующим осям системы координат.

Для выяснения закономерностей макропроцесса акустической коагуляции при наличии двух и более источников звука была решена и проанализирована задача о взаимодействии частиц в скрещенных акустических полях.

На рис. 1 представлена геометрия задачи и показана траектория движения частиц в скрещенных звуковых полях для случая, когда колебательные скорости и

изменяются по законам

В реальных условиях, кроме колебательного движения, частицы среды участвуют в поступательном движении. Траектория движения частицы в скрещенных звуковых полях представляет собой спираль, при этом шаг спирали траектории, движения частицы в диапазоне частот 600 - 10000 Гц имеет тот же порядок величины, что и амплитуда смещения частицы.

Уравнений (2) для случая гидродинамического взаимодействия двух сферических частиц в скрещенных звуковых полях имеет вид:

Система уравнений (3) неоднородная с постоянными коэффициентами и может быть решена методом Эйлера и неопределённых коэффициентов. Конечные выражения для взаимного смещения частиц друг относительно друга за счёт взаимодействия полей обтекания имеют вид:

Первые два члена в выражениях (4) описывают быстро убывающие во времени -переходные процессы в звуковых полях. Члены с синусом и косинусом — периодическое смещение частиц в звуковых полях с частотами а>\ и са^. Остальные члены в выражениях описывают стационарные составляющие взаимного смещения частиц в звуковых полях. Полученные выражения (4) позволяют вести расчет динамических составляющих взаимного смещения частиц в скрещенных звуковых полях и в поле одного источника звука (!/у= 0) для различных соотношений параметров звукового поля, размеров частиц и их взаимного углового расположения.

Исследование пространственных характеристик взаимодействия показало, что частицы в скрещенных звуковых полях, как и в едином звуковом поле, могут сближаться или расходиться в зависимости от их взаимного положения, определяемого углом в. Составляющие смещений И А%у принимают как

отрицательное, так и положительное значение, при этом, отрицательному значению соответствует сближение частиц, а положительному — их расхождение. Области, в которых частицы сходятся, будем называть «пространством эффективного взаимодействия». Учитывая, что' составляющие смещений Ь-Хх И Д^, в скрещенных звуковых полях имеют одинаковый порядок величины, при описании пространственных и других характеристик взаимодействия будем пользоваться модулем смещения а направление смещения будем выбирать, исходя

из знака составляющих смещений имеют отрицательные

знаки одновременно, то частицы сближаются, во всех остальных случаях - расходятся. Такой способ описания позволит сравнивать пространственные характеристики взаимодействия в скрещенных и едином звуковых полях.

Кривые на рис. 2 приведены ддя_различных значений амплитуды колебательных скоростей: 1 и 7 при - (/«,= = 55 см/с; 2 и 8 при иоу = 55 см/с; 3 и 5 при ит = 25

см/с, ит =25 см/с; 4 и 6 для = 55 см/с для частиц различного размера 1 -4 для Л] = Л2 = 1 мкм; 5-8 для = 1 мкм и /?2 =6 мкм с плотностью р„ = 2,4 г/см} и расстоянием между ними г0 = 150 мкм в скрещенных и единичном звуковых полях на частоте = 1000 Гц. Как видно из графиков, взаимное смещение частиц в едином и скрещенных звуковых полях существенно зависит от соотношения размеров и взаимного положения частиц, определяемого углом в. Для скрещенных полей при равенстве размеров частиц Ш = Я2 = 1 мкм кривые смещения 1 и 3 симметричны относительно угла в 45°, при этом частицы расходятся в интервале изменения угла от 15° до 75°. Сближение частиц близких размеров наблюдается в двух достаточно узких пространственных областях (в » 10 - 15°) около направлений колебательного смещения среды вдоль осей х и у. В едином звуковом поле (кривые 2, 4) сближение частиц наблюдается только около одной из осей х или у в зависимости от направления вектора колебательной скорости. В остальной гамме углов наблюдается расхождение частиц. Характер взаимодействия частиц близких размеров для единого и скрещенных звуковых полей сохраняется в диапазоне частот 80 - 3000 Гц (см. рис. 4). С увеличением амплитуды колебательной скорости среды растет величина взаимного смещения частиц. При этом угловые зависимости взаимодействия частиц практически не меняются во всем интервале изменения колебательной скорости.

Характер взаимодействия частиц различных размеров (Л| = 1 мкм и =6 мкм, кривые 5-8) значительно отличается от взаимодействия частиц близких размеров. На частоте 1000 Гц и выше до 3000 Гц наблюдается сближение частиц во всем

диапазоне изменения угла 0. В скрещенных звуковых полях при всех прочих равных условиях величина взаимного смещения частиц в 1,4 раза больше, чем в едином поле. Частотная зависимость смещения частиц различных радиусов (Я1 = 1 мкм и К2 = 6 мкм) представлена на рис. 3. Кривые: 1 - 1/ох = 5 см/с, и„г = 0 см/с; 2 - иох = 1!оу = 5 см/с; 3 - им = ипу = 25 см/с; 4, 5 - С/„ = С/оу = 55 см/с; 1, 2, 3, 5 -/, =/2> 4 -/: = 2/,. Эффективное взаимодействие частиц наблюдается в широком диапазоне частот, причем в низкочастотной его части наблюдается расхождение, а в высокочастотной — сближение частиц независимо от амплитуды колебательной скорости. Характер зависимости смещения от чзстоты в скрещенных звуковых полях аналогичен зависимости смещения от частоты для единых полей

Для пары частиц разных размеров, как и для частиц близких размеров, наличие второй гармоники в скрещенных звуковых полях вызывает незначительное перемещение частотной зависимости смещения в область более низких частот (кривая 4, иоу= 1/оу = 55 см/с,/2 = Ъ]).

В спектре излучения мощных сирен, используемых в промышленных коагуляционных установках, наряду с основной частотой присутствует вторая гармоника, величина которой на низких частотах достигает 30 - 40 %. Поэтому представляет интерес изучение взаимодействия частиц в скрещенных полях, когда частота колебаний одного поля ^ кратна частоте колебаний другого поля На рис. 4 представлена частотная зависимость взаимного смещения частиц близких размеров (Я, = Л2 - 2 мкм) в скрещенных звуковых полях. Кривые: 1,2, 3, 4 - ит = иоу = 55 см/с; 5,

6, 7, 8 - иох = иоу = 5 см/с; 1, 2, 5, 6 - в = 0°; 3, 4, 7, 8 - в = 45°.Четные кривые

описывают частотные зависимости смещения частиц при равенстве частоты колебаний /1 = /г Двух полей, нечетные кривые (изображены пунктиром) для кратных частот= 2/г (на оси абсцисс обозначена частота/!).

Как следует из рис. 4, амплитуда взаимного смещения частиц в широком диапазоне частот 80 - 3000 Гц для частиц равных радиусов постоянна и не зависит от соотношения кратных частот^ н/г. На частотах ниже 80 Гц амплитуда смещения Д^ уменьшается с частотой, причем в случае присутствия второй гармоники спад амплитуды смещения частиц от частоты идёт медленнее.

Начиная с 3 кГц и выше взаимное смещение частиц уменьшается при всех значениях угла в и амплитуды колебательных скоростей. Присутствие второй гармоники смещает частотную характеристику в область более низких частот, не изменяя основной закономерности взаимодействия частиц.

В сложных звуковых полях, частным случаем которых являются скрещенные поля, для получения наибольшего эффекта коагуляции необходимо учитывать фазовые соотношения колебательных скоростей различных источников звука. Для скрещенных звуковых полей был проведен расчет величены взаимного смещения частиц в зависимости от угла скрещения векторов колебательной скорости у и разности начальных фаз колебаний двух, изначально ортогональных, источников звука. На рис. 5 представлены угловые зависимости величены взаимного смещения двух частиц радиусом мкм в скрещенных звуковых полях с частотой

Гц, отнесённой к величине взаимного смещения этих частиц в едином поле с аналогичными параметрами.

Амплитуда колебательной скорости первого поля менялась по закону

Uг (/) = Ula sin (с;,/ + <р{), второго поля по закону U} = Ut4 sin{o},t + <p2), разность

начальных фаз колебаний Ар = ^ — <pi и угол скрещения векторов колебательной скорости ^изменялись от 90°до 0°. Расчёт зависимости взаимного смещения частиц от угла скрещения у проводился для двух граничных значений разности начальной фазы колебаний Др= 90° и Др = 0ои <У] = а^..

Как показали расчёты, величина смещения частиц в скрещенных звуковых полях слабо зависит от угла скрещения у,; если разность начальных фаз двух колебаний составляет 90° (кривая 1) и уменьшается с уменьшением угла скрещения у при Др = 0° (кривая 2). При угле скрещения у =90° величина смещения частиц не зависит от разности начальных фаз колебаний Д(р, а с уменьшением угла у наблюдается появление и усиление зависимости смешения от разности фаз колебаний Д (р. Полученные результаты были экспериментально подтверждены при проведении лабораторных исследований эффективности акустической коагуляции в едином и скрещенных звуковых полях. Основываясь на результатах исследований, можно сделать важный, с точки зрения промышленного использования метода акустической коагуляции, вывод об отсутствии необходимости «фазирования» источников звука, используемых при коагуляции в скрещенных звуковых полях, что достаточно сложно, особенно при использовании статических сирен.

Расчетная величина взаимного смещения частиц в звуковом поле двух источников, вектора колебательной скорости которых ортогональны больше, чем в поле одного источника при прочих одинаковых условиях в 1.4—1.9 раза в зависимости от разности начальных фаз колебаний (кривая 1). Экспериментально полученное отношение эффективности укрупнения частиц в скрещенных и едином звуковых полях равно и не зависит от разности начальных фаз

колебаний (кривая 3), что можно объяснить различием по коагуляционному пространству разности фаз двух колебательных скоростей и усреднением значения относительной эффективности акустической коагуляции.

Общей характерной чертой проведенных исследований пространственного взаимодействия частиц в едином и скрещенных звуковых полях является наличие сближения частиц как равных, так и различных размеров, зависящее от соотношения их размеров, взаимного положения и параметров звукового поля. Область сближения частиц близких размеров в скрещенных звуковых полях в два раза больше, чем в едином. Для частиц различных размеров величина смещения в скрещенных звуковых полях в 1,4 раза больше, чем в едином звуковом поле.

Основываясь на результатах пространственного взаимодействия, можно сделать вывод о превалирующем влиянии на движение частиц соседних, близко расположенных частиц. В связи с этим была поставлена задача о взаимодействии трёх близкорасположенных частиц в звуковом поле и оценки их влияния на поля обтекания друг друга. Используя систему уравнений (1), эта задача была решена для случая пространственного взаимодействия трёх сферических частиц, когда линии, соединяющие центры частиц, лежат в одной плоскости с вектором колебательной скорости среды (рис. 6).

Рис. 6. Схема взаимодействия трёх частиц.

Система уравнений, описывающая взаимодействие трех шаровых частиц при вязком режиме обтекания Re<l, имеет следующий вид:

где: а, — г„ — расстояние между рассматриваемыми частицами.

Метод решения задачи о взаимодействии в звуковом поле трех частиц и общая структура конечного выражения аналогичны решению задачи для случая двух взаимодействующих частиц. Был проведен расчет стационарной составляющей взаимного смещения частиц относительно друг друга в широком диапазоне изменения размеров частиц и параметров звукового поля. На рис. 7 а, б, приведены результаты расчета величины стационарных составляющих взаимных смещений частиц &Хп (кривые 1, 2, 3 соответственно) относительно друг друга в зависимости от частоты при амплитуде колебательной скорости среды 25 см/с для случая когда в\ — &1 ~ 0°.

Расчеты показали, что, как и в случае взаимодействия двух частиц, величина взаимного смещения частиц относительно друг друга существенно меняется в зависимости от соотношения размеров частиц, исходного расстояния между ними и частоты колебаний. Из графиков на рис. 7 а следует, что для одинаковых частиц ^ = Я2 = Я = I мкм при равенстве расстояний между ними гхг " Гц — 100 мкм абсолютные величины их смещений относительно друг друга незначительны. Две крайние частицы практически не влияют на движение друг друга (кривая 2). Средняя же частица как бы дрейфует между ними, приближаясь к частице 3 в диапазоне частот до 2 кГц (кривая 3) и удаляется от неё, приближаясь к частице 1 при дальнейшем повышении частоты. Если исходные расстояния между частицами и их радиусы не одинаковы (г12 =100 мкм, /*2з =150 мкм, = Я3 = 1 мкм, Я2 - 6 мкм, см. рис. 7 б), то близкорасположенные частицы расходятся, т.е. г12 увеличивается, аги и Г|} уменьшается, при этом величины стационарных смещений увеличиваются.

Приведённые выше результаты получены при исследовании взаимодействия частиц сферической формы. Однако, форма частиц реального аэрозоля далека от шарообразной и это может влиять на процесс взаимодействия частиц в звуковом поле. В связи с этим была предложена физическая модель частиц реальных аэрозолей в виде произвольного трёхосного эллипсоида вращения. Это позволило учесть при рассмотрении макропроцесса коагуляции влияние формы несферических частиц на пространственное взаимодействие и оценить величину зоны их эффективного взаимодействия в звуковом поле.

На примере пространственного взаимодействия было рассмотрено влияние формы на процесс гидродинамического сближения в звуковом поле двух частиц, имеющих форму вытянутых эллипсоидов вращения, ориентированных полярными

осями в направлении колебаний/ Подобная ориентация и форма наиболее характерна для частиц реальных аэрозолей и малых (из, 4 — 6 частиц) агрегатов частиц.

При выполнении условия квазистационарности обтекания средой для частиц в форме вытянутого и сплюснутого эллипсоидов вращения, которое имеет соответственно вид: «I и соС1 ¡V«1, где С - большая полуось

эллипсоида, можно найти распределение скорости обтекания в данный момент времени около частиц в звуковом поле. Решение задачи о взаимодействии несферических частиц при вязком режиме обтекания показало, что направление их дрейфа зависит от параметров и взаимного расположения частиц.

На рис. 8 и 9 представлены графики зависимости скорости взаимного дрейфа эллипсоидальных частиц от частоты /. Кривые на рисунках построены при значениях [/<> = 15 см/с, г0 = 50 мкм, 9 = 0", рр = 5 г/см3, г) = 1,8 • 10"4 г/см с. Установлено, когда две частицы имеют одинаковые соотношения большой оси к малой оси IVI = 1Уг и по величине первая частица больше в т о Ф у о частицы дрейфуют в направлении отрицательных значений оси х Ц^ < 0, V¿р2 < 0, но > \1!др Если вторая частица по величине превосходит первую (С| < С2), частицы дрейфуют в положительном направлении оси х и^ > 0, и^р2 > 0, причем > Эллипсоидальные частицы, отличающиеся только размерами (С| Ф С2, Щ - Щ) сближаются в звуковом поле за счет того, что меньшая частица "догоняет" большую.

На рис. 8 кривые 1 - IV, = УУ2 =1.01 ;2 - 1У, = Щ = 2; 3 - Г, = \Уг = 5; 4-IV, = 1У2 =

10; С2 - 1 мкм; С| = 4 мкм. Из анализа зависимостей видно, что при ^ = =1,01, когда эллипсоидальные частицы близки по форме к сфере, кривая 1 совпадают с полученной ранее аналогичной кривой при взаимодействии сферических частиц. С ростом отношения осей величина скорости взаимного гидродинамического дрейфа у частиц в форме вытянутых эллипсоидов вращения уменьшается: На рис. 9 кривые 1 -Сх = 2, = 2; 2 — С( = 4, Щ = 4; 3 - С^ ~ 6, = б. Выбранные параметры частиц позволяют в определенной степени судить о частотной зависимости скорости взаимного дрейфа одиночной сферической частицы и вытянутого цепочкообразного агрегата, состоящего из двух (кривые 1), четырех (кривые 2) и шести (кривые 3) равновеликих сферических частиц. Анализ кривых, представленных на рис. 9 показывает, что увеличение агрегатов при неизменном размере одиночной частицы приводит к росту идр.

С ростом интенсивности звукового поля, когда кроме вязких сил

заметное влияние начинают оказывать силы инерции, гидродинамическое поле обтекания частицы становится несимметричным и для его описания необходимо использовать осееновское приближение. Для оценки влияния сил инерции среды в

мощном звуковом поле, была рассмотрена задача о взаимодействии частиц в звуковом поле при осееиовском режиме обтекания с учетом изменения расстояния между частицами. Решение задачи о взаимодействии двух частиц радиусом и Я2 с учетом сил инерции было получено для случая, когда линия, соединяющая их центры, и направление колебаний находятся в одной плоскости и параллельны.

При осееновском режиме обтекания величины возмущений скоростей частиц могут быть вычислены из следующей нормированной системы уравнений движения с учетом асимметрии обтекания частицы полем:

' Л " Ле2гг 2 Яе2г2 >2'

(6)

Л р 2 г 1 2 г

Для оценки величины взаимодействия аэрозольных частиц было сделано несколько упрощающих предположений. Полагали, что осееновский режим обтекания наступает в момент времени I = I/, когда скорость обтекания У2 достигает некоторого значения Ущ при к о Фео- р^о м 1Д о момента времени имеет место стоксовское взаимодействие. Четкой границы между режимами обтекания нет, но верхней границей применимости стоксовского приближения принято считать значения чисел Рейнольдса в районе 1. С учетом принятого предположения начальным условием для системы уравнений (6) будет равенство скоростей частиц от взаимодействия при стоксовском и осееновском обтекании в момент времени / =

^Ц^.'Ь (7)

Для решения задачи о взаимодействии аэрозольных частиц в звуковом поле при осееновском режиме обтекания в первом приближении с указанными выше начальными условиями (7) полагаем, что расстояние^ между частицами есть:

где г0 - расстояние между частицами до взаимодействия; - взаимное смещение

частиц друг относительно друга в установившемся режиме вследствие колебательного движения среды при отсутствии взаимодействия полей обтекания; - взаимное

смещение частиц друг относительно друга вследствие возмущения полей обтекания при осееновском режиме, получаемое в результате решения уравнений (6) в нулевом приближении, т.е. при г = r0 const.

Решение уравнений (6) с учетом (8) для разности скоростей частиц вследствие эффекта взаимодействия полей обтекания содержит независимый от времени член, определяющий скорость взаимного гидродинамического дрейфа аэрозольных частиц в звуковом поле при осееновском режиме обтекания. Для оценки влияния сил инерции среды в мощном звуковом поле на условия взаимодействия частиц, полученное решение для скорости взаимного гидродинамического дрейфа аэрозольных частиц

в звуковом поле при осееновском режиме обтекания было просчитано для различных параметров звукового поля и аэрозоля. На рис. 10 и 11 представлены результаты расчета основных закономерностей взаимодействия частиц с учетом сил инерции. Расчёты проводились для частиц с плотностью pf = 2,5 г/см3 при начальном расстоянии г0 = 150 мкм. Амплитуда колебательной скорости для кривых на рис. 10

Из графиков видно, что с ростом различия между размерами частиц расширяется область частот максимального взаимодействия и растет максимальная величина При увеличении амплитуды ио колебательной скорости величина

скорости взаимного гидродинамического дрейфа аэрозольных частиц при

осееновском обтекании возрастает. Анализируя в целом результаты расчетов скорости взаимного гидродинамического дрейфа частиц при осееновском режиме

обтекания, можно сделать вывод, что эффективное взаимодействие аэрозольных частиц в мощном звуковом поле происходит в широком диапазоне частот, начиная от десятков герц до нескольких килогерц. Скорость взаимного гидродинамического дрейфа частиц при осееновском обтекании зависит от дисперсного состава аэрозоля, начальной его концентрации, плотности вещества частиц, а также частоты и интенсивности акустического поля. Значение скоростей взаимного дрейфа частиц при осееновском обтекании больше, чем при стоксовском.

Величины скоростей сближения частиц при стоксовском и осееновском режимах обтекания показывают, что гидродинамическое взаимодействие аэрозольных частиц в звуковом поле является основной причиной сближения частиц при акустической коагуляции аэрозолей. Эффективность механизма гидродинамического взаимодействия велика по той причине, что этот эффект является накапливающимся.

В мощном акустическом поле на характер движения мельчайших частиц помимо периодического движения среды оказывают влияние еще целый ряд факторов. В результате их действия помимо колебательного движения, появляется направленное движение частиц (дрейф). Все дрейфовые гипотезы акустической коагуляции абсолютизировали роль какого-либо частного фактора и обычно не рассматривали механизма взаимного движения аэрозольных частиц в акустическом поле. В силу этих обстоятельств их нельзя рассматривать в качестве основной гипотезы акустической коагуляции. Направленный дрейф частиц в некоторых специфических условиях акустического поля может способствовать проникновению аэрозольных частиц в "пространство эффективного взаимодействия". Эту способность можно использовать в ряде технических устройств, например при разработке источников мощного звука с заданной несинусоидальной формой излучаемого звука для коагуляционных установок.

При любой асимметрии тела или воздействия появляется действующая на частицу сила, и, как следствие, направленный дрейф частиц в акустическом поле. В случае, когда смещение среды есть функция периодическая но не гармоническая, решение дифференциального уравнения движения (3) может быть найдено известными методами. В силу линейности неоднородного уравнения для случая сложной формы периодических смещений среды решение может быть найдено суперпозицией отдельных решений для гармонических составляющих, получающихся из разложения в ряд Фурье исходного возмущения. Был проведен расчёт и сравнение смещения частицы в поле скоростей с гармонической и импульсной пилообразной формами смещений сплошной среды при вязком режиме обтекания.

Пусть частица находится в гармоническом поле скорости

и в импульсном поле скорости, изменяющейся за период по закону (см. рис. 12):

Рассмотрим случай, когда

кинетическая энергия колебания

сплошной среды удовлетворяет

следующему условию:

т т

(г) Л = (/) сИ. Для этого

о о

случая будем иметь следующую связь между амплитудами

колебательных скоростей среды гармонического и импульсного

(9)

Из анализа (9) видно, что для уменьшения эквивалентной амплитуды скорости при импульсном возбуждении необходимо выполнение условия Т}~*Т. Такому условию генерации звука удовлетворяют, например, двухрядные динамические сирены.

Решение уравнения движения дает следующее выражение для скорости частицы в импульсном поле:

Т' ^ 1

[ 2якТ, 2лкТ,

ССЙ-!- + СС8

т

, 2т1

С05--ЯАГБШ-

Т Т I

а смещение частицы за период импульсного сигнала имеет вид:

где:

, 2ят

Я =-= а г

Г

Определим разницу смещений частицы за период в гармоническом и импульсном поле скоростей при условии Т; = Т, различных значениях Д и отношения а

т,/т.

-А= /з 1

На рис. 13 прв^ставлей'а за^Ясим! различном отношении времени нараста

лчг(1 -а) —

•А_I

(10)

сть разницы см^Дений Д^ &т(1&йг)ины Я при шя и спада импульса Т/Ту Из полученных графиков следует, что при импульсном возбуждении поля скоростей наибольшее смещение частица получает при величине Л=0.4. Это может быть полезным при расчёте динамических сирен для коагуляционных установок. Подобным образом может быть рассчитан дрейф аэрозольных частиц при других формах импульсов: прямоугольных, трапецеидальных, колокообразных и т.д. Рассмотренный дрейф аэрозольных частиц может играть определенную роль в процессе увеличения локальной концентрации частиц и способствовать коагуляции при импульсном озвучивании.

Модель макропроцесса

акустической коагуляции была построена на основе определения пространственных зон эффективного взаимодействия частиц, форма и величина которых получена из расчета гидродинамического

взаимодействия частиц в звуковом поле.

Вторая глава «Исследование макропроцесса акустической

коагуляции в аэродисперсной среде» посвящена получению уравнения макропроцесса акустической коагуляции, позволяющего найти изменение счетной концентрации при варьировании параметров звукового поля и пылегазового потока, что необходимо не только для исследования физики явления, но и для расчета и выбора основных элементов промышленных акустических коагуляционных установок. Получение расчетного уравнения кинетики базируется на исследовании закономерностей пространственного взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле. Исследование динамики процесса акустической коагуляции показало, что эффективное сближение аэрозольных частиц происходит в узкой пространственной. зоне, вытянутой в обе стороны от центра частицы в направлении колебаний. Проникновению частиц в эту пространственную зону способствуют диффузия частиц, рассмотренный и другие виды взаимных дрейфов частиц, вторичные движения среды и др.

Теоретическое рассмотрение макропроцесса акустической коагуляции проводили по пути изучения изменения характеристик аэродисперсной среды в целом

при воздействии мощного звука. Теоретическое решение вопросов кинетики акустической коагуляции необходимо, так как проведение лабораторных и, особенно, натурных исследований с каждым типом промышленных аэрозолей связано со значительными затратами средств и времени.

В уравнение кинетики входит коэффициент диффузии аэрозольных частиц. Вследствие того, что подвижность аэрозольных частиц в звуковом поле меняется (для крупных частиц из-за изменения силы сопротивления при осееновском обтекании, для малых - из-за влияния прерывистости среды), расчетное значение коэффициента диффузии мельчайших частиц может значительно отличаться от эйнштейновского значения. Это обстоятельство было исследовано по полученным ранее в [1] выражениям и произведен расчет коэффициента диффузии в функции от параметров звукового поля и аэрозоля.

Для получения расчетного уравнения кинетики воспользуемся формализованной моделью макропроцесса акустической коагуляции, которая должна учитывать два основных фактора:

- между аэрозольными частицами при воздействии мощным звуком существует силовое поле гидродинамического взаимодействия;

- в звуковом поле имеется специфическое движение аэродисперсной среды, приводящее к изменению процессов переноса.

Гидродинамическое взаимодействие значительно уменьшается по мере увеличения расстояния между частицами. Поэтому для учета непрерывно убывающего силового поля гидродинамического взаимодействия около отдельной частицы заменим его ограниченной областью «эффективного взаимодействия», где аэрозольные частицы в результате сближения обязательно коагулируют, т.е. сближаются до столкновения за время много меньшее характерного времени процесса, например, времени озвучивания аэрозоля. В остальном пространстве аэродисперсной среды действие акустического поля сводится к интенсификации процессов переноса (диффузии) частиц к области пространства эффективного взаимодействия.

Согласно модели, коагуляция частиц в звуковом поле произойдет, если какая-либо частица под действием диффузионного механизма попадет в пространство эффективного взаимодействия. Оценка времени сближения частиц за счет сил гидродинамического взаимодействия показывает, что сближение происходит практически мгновенно, иногда за часть периода. Экспериментальные данные микроскопических исследований структуры и процесса роста агрегатов подтверждают образование в звуковом поле за 1 - 2 секунды агрегатов из нескольких сотен и даже тысяч первоначальных частиц.

Форма пространства эффективного взаимодействия может быть найдена из анализа пространственного взаимодействия частиц в звуковых полях. Для большинства исследованных случаев сближение частиц наблюдается в узком секторе углов в (порядка 10 - 15°) около направления, параллельного вектору колебательной скорости, уменьшаясь по мере роста угла (см. рис. 14). Границы каждого сектора описываются вектором смещения /15. Сектор пространства эффективного взаимодействия частиц сферической формы имеет угол д— 15°, а для эллипсоидальных частиц угол в = 20°. Угол в образован линией центров частиц и направлением колебаний. На рис 14 пунктиром показаны зоны, в которых происходит сближение частиц при их пространственном взаимодействии в скрещенных звуковых полях.

Для поля с одним источником сближение частиц наблюдается в секторе углов в около направления, параллельного вектору колебательной скорости среды. Анализ пространственного взаимодействия показывает, что скорость сближения частиц в интервале углов в < 15° мало меняется и практически равна скорости сближения частиц при 0— 0°, а при углах 0> 15° скорость сближения уменьшается до нуля.

Таким образом, пространство эффективного взаимодействия аэрозольных частиц имеет вид шаровых секторов с углом в- 0 + 15° и радиусом ДХ

Такими свойствами в значительной степени обладает вытянутый эллипсоид вращения, малая ось которого равна 211, а большая <1. Для пространства эффективного взаимодействия в форме вытянутого эллипсоида вращения можно решить поставленную задачу о нахождении диффузионного потока частиц в звуковом поле через поверхности в удобном для

практического использования виде. В принятой расчетной модели кинетики процесса акустической коагуляции основной параметр й должен зависеть от параметров звукового поля и аэродисперсной среды. Поэтому в расчетах дальнейших примем й равным по величине взаимному смещению частиц 4!? за период колебания. В этом случае в получаемом уравнении кинетики сохраняется зависимость от основных параметров звукового поля и аэродисперсной среды.

Величина Д5 определяется из расчёта взаимного смещения частиц по осям координат в звуковом поле:

Я 1\У Л,

XV

ч.

Рис. 14. Форма пространства эффективного взаимодействия

(12)

(И)

Значения величин А5Х и определяются путем расчета стационарных во времени составляющих взаимного смещения частиц. Радиус Я шарового пространства эффективного взаимодействия одной частицы аэрозоля определится из выражения:

_ _ А:ЭЛ53 (1 - сое +8Л,1

/? — — — " .....,

2 2

где Я} - радиус шара, объем которого равен объему пространства эффективного взаимодействия двух частиц в звуковом поле в виде шаровых сегментов; К -коэффициент для полей с несколькими источниками, численно равный отношению объема пространства эффективного взаимодействия в этих полях к объему пространства взаимодействия в звуковом поле одного источника, пропорционален отношению амплитуд колебательных скоростей {]„ и принимает значения от 1 до 2; - радиус аэрозольных частиц рассматриваемого аэрозоля; в - угол раскрыва шаровых секторов.

Экспериментальное исследование макропроцесса акустической коагуляции обычно проводят по оценке величины отношения текущей счетной концентрации к

начальной N/N0 в функции от параметров звукового поля и пылегазового потока. Поэтому расчеты кинетики процесса коагуляции производились по оценке величины N/Nq, которая характеризует эффективность процесса акустической коагуляции и называется степенью акустической коагуляции.

Для выполнения расчетов достаточно знать дисперсный состав аэрозоля, закон распределения частиц по размерам, медианный диаметр частиц, содержание фракций частиц по счету и плотность исходного материала частиц, а также динамическую вязкость среды и температуру пылегазового потока. Среднее расстояние между частицами для реальных начальных концентраций промышленного аэрозоля 2 — 20 г/м3 будет равно 80 мкм с пределами варьирования от 30 до 150 мкм. Пределы изменения значения амплитуды колебательной скорости Uo в расчетах и экспериментах были от 25 см/с до 300 см/с, среднее значение амплитуды колебательной скорости i/0 принималось равным 55с/см, значение частоты менялось от 80 Гц до 5000 Гц.

Оценка роли инерции среды при вязком обтекании частиц промышленных аэрозолей при больших значениях частоты и амплитуды колебательной скорости показывает необходимость использования осееновского приближения для расчета взаимного сближения частиц в звуковом поле. Подробный расчет скорости сближения различных пар частиц аэрозоля с учётом инерционности среды при различных параметрах звукового поля и аэрозоля был проведен ранее.

Вследствие того, что кривые распределения частиц промышленных аэрозолей имеет сравнительно узкую ширину, следует ожидать наибольшую вероятность взаимодействия частиц медианного размера с частицами, имеющими некоторое отличие в диаметре в пределах кривой распределения. Поэтому при расчетах макропроцесса коагуляции вычисления проводили для различных вариантов сочетаний радиусов взаимодействующих частиц. Такой метод позволяет, не усложняя расчетных соотношений, достаточно просто рассчитывать степень акустической коагуляции, используя результаты расчетов гидродинамического взаимодействия тех же пар частиц.

Все основные параметры для расчета акустической коагуляции по разработанной модели макропроцесса определяются условиями проведения процесса. Оценив их, возможно теоретически рассчитать макропроцесс акустической коагуляции для конкретного промышленного аэрозоля.

Расчет изменения счетной концентрации аэрозольных частиц в акустическом поле был проведён для п бесконечно малых промежутков времени. При этом для каждого промежутка времени Дt = tjn, где t„ — время коагуляции, полученная накануне счетная концентрация A^j служила исходной:

На рис. 15 приведена зависимость относительной счетной концентрации частиц N/N(1 от амплитуды колебательной скорости в едином (кривые 1, 2) и скрещенных (кривые 3, 4) звуковых полях при ит = 1}0у для двух значений весовой концентрации 10 г/нм3 (кривые 1 и 3) и 20 г/нм3 (кривые 2 и 4), времени озвучивания / с, частоты звука /) —/г — 600 ГШ и температуры среды 350°С.

Увеличение амплитуды звукового давления повышает степень укрупнения частиц, однако при амплитуде колебательной скорости более 80 см/с рост степени

укрупнения частиц замедляется. При этом в скрещенных звуковых полях, отношение Л'/Л'о в среднем в 1,4 раза больше, чем в едином поле независимо от исходной концентрации и амплитуды колебательной скорости. Возрастание степени укрупнения в 1,4 раза в едином звуковом поле происходит при увеличении в 2 раза амплитуды колебательной скорости. • Полученные результаты позволяют отметить, что скрещенные звуковые поля по эффективности коагулирующего воздействия на аэрозоли близки к единому полю с удвоенной амплитудой колебательной скорости.

Оценку влияния интенсивности звука на процесс акустической коагуляции при выработке промышленных рекомендаций по использованию метода необходимо проводить параллельно с оценкой влияния времени озвучивания пылегазового потока звуковым полем при данной интенсивности. На рис. 16 приведена зависимость относительной счетной концентрации от времени озвучивания в едином

(кривые 1, 3) и скрещенных (кривые 2, 4) звуковых полях для двух значений колебательных скоростей 50 см/с (кривые 1, 2.) и 80 см/с (кривые 3, 4) и исходной весовой концентрации 24 г/нм3 при частоте звука = = 600 Гц. Анализ зависимостей, представленных на рис. 16, показывает, что за первую секунду частицы в скрещенных полях укрупнились соответственно амплитудам колебательных скоростей в 5,5 и 9 раз, а в едином поле в 3,8 и 6,6 раза. В течение последующей секунды частицы укрупнились соответственно в скрещенных полях в 1,5 и 1,7 раза, в едином поле в 1,8 и 1,9 раза.

Для частиц несферической формы результаты расчета макропроцесса акустической коагуляции представлены на рис. 17 в виде зависимости относительной счетной концентрации эллипсоидальных частиц с различным соотношением

большой и малой осей \¥ от размера большой полуоси С. Кривые построены при значениях амплитуды колебательной скорости V,о = 80 см/с, частоты / = 1000 Гц, концентрации С — 20 г/нм3, плотности частиц р — 5 г/см3, температуры Т — 50°С и времени озвучивания = 2 с. Степень акустической коагуляции имеет минимум (максимальное значение Л/УЛ/о) в зависимости от С, что можно объяснить более быстрым уменьшением коэффициента диффузии с ростом размеров частиц по сравнению с размером пространства эффективного взаимодействия. Таким образом, слева от максимума кривой процесс коагуляции, в основном, определяется

диффузионными свойствами частиц, справа - величиной пространства эффективного

взаимодействия. Соотношение осей частиц влияет на величину и положение максимума N/N0. При увеличении соотношения осей частиц максимум N/N0 возрастает по величине и смещается в область более крупных частиц. Тот факт, что максимумы Ы/Ы0 смещены относительно друг друга показывает, что в ансамбле эллипсоидальных частиц в зависимости от соотношения осей тепловая коагуляция может превалировать над акустической. Более крупные частицы, начиная с С = 0,6 мкм и выше, независимо от соотношения осей в звуковом поле укрупняются благодаря акустической коагуляции. В озвучиваемом ансамбле субмикронных частиц тепловая коагуляция преобладает над акустической только в первый момент времени. В дальнейшем эффективность тепловой коагуляции спадает, так как коэффициент диффузии аэрозольных частиц обратно пропорционален размеру частиц и укрупнение частиц происходит за счет акустической коагуляции.

Л,«,.

0,6 0,8 I С, мкм

Рис. 17. Влияние величины С на Л'/Л'о при различных значениях соотношений осей \У эллипсоидальных частиц.

«00 1000 Р Па 150 Р дБ 150 ¿Л см'с

Рис. 18. Зависимость степени укрупнения частиц от уровня звукового давления.

Теоретические исследования гидродинамического взаимодействия отдельных пар частиц в звуковом поле и макропроцесса акустической коагуляции были подтверждены экспериментально в лабораторных условиях на специально разработанной экспериментальной базе.

Третья глава «Экспериментальные исследования процесса акустической коагуляции промышленных дымов» посвящена экспериментальному исследованию макропроцесса акустической коагуляции в широком диапазоне варьирования основных параметров аэродисперсной среды и акустического поля, с целью выяснения условий и пределов применимости метода, а также изучения значительной части типичных ситуаций, встречающихся в промышленности.

Для экспериментального изучения макропроцесса акустической коагуляции промышленных дымов была разработана и создана лабораторная установка, подробное описание которой приведено в [2, 15, 16] вместе с методикой проведения исследований. Она состояла из коагуляционной камеры, трех источников мощных звуковых колебаний, систем регулировки и контроля акустических параметров коагуляционной камеры, обеспечения движения пылегазового потока, приборов контроля начальной и конечной запыленности, устройств для взятия проб для дисперсного анализа. Экспериментальные исследования были проведены с различными типами промышленных аэрозолей: техническим углеродом (сажей),

пылевыми частицами, образующимися при сгорании угля в котлоагрегатах теплоэлектростанций (дымами теплоэлектростанций) и возгонными частицами дымов сталеплавильного производства.

Дисперсный состав, а также структура и плотность агрегатов исследовались методом микроскопического анализа, отличающегося наглядностью и быстротой отбора проб с сохранением структуры агрегатов. Для получения микрофотографий использовали общепринятые методы взятия проб для электронных и оптических микроскопов.

Одним из объектов для исследования кинетики процесса акустической коагуляции была выбрана летучая зола, образующаяся при сжигании твёрдого пылевидного топлива в котлоагрегатах теплоэнергетических установок. Исследовалось влияние на степень укрупнения частиц летучей золы следующих параметров аэрозоля и акустического поля: начальной концентрации, уровня звукового давления в коагуляционной камере Р, частоты и звука, генерируемого излучателями, расположенными соответственно в торце и с боку коагуляционной камеры, разности фазы колебаний торцевого и бокового излучателей и времени озвучивания дымовых газов. На рис. 18 представлена зависимость степени укрупнения частиц от амплитуды звукового давления для частоты = /г = 105 Гц, весовой концентрации 24 г/нм3 и времени озвучивания т^ = 1 С. Кривые 1 и 2 - для скрещенных полей, кривые 3 и 4 -для единого поля, при этом кривые 1 и 3 - экспериментальные, а кривые 2 и 4 -расчётные.

Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований показало, что характер изменения степени укрупнения для экспериментальных и теоретических кривых один и тот же, расхождение по абсолютной величине не превышает 20 %, что служит подтверждением справедливости принятой теоретической модели взаимодействия частиц в скрещенных и едином звуковых полях за счет взаимного возмущения полей обтекания.

При экспериментальных исследованиях в большинстве случаев ставилась задача получения математического описания процесса. Наличие случайных факторов при исследовании макропроцесса акустической коагуляции вызвало необходимость использования методов математической статистики при планировании и обработке результатов экспериментов. Экспериментальные результаты в большинстве случаев обрабатывались методом регрессионного анализа с нахождением средних значений аргументов, среднеквадратичных отклонений экспериментальных данных от найденной функции, коэффициентов парной, парциальной и множественной корреляции. Число уравнений т определялось из условия, чтобы погрешность аппроксимации в доверительном интервале 90 % была не более заданной величины ошибки 15 %.

При построении схемы математического описания процесса учитывались конкретные условия образования аэрозоля. В промышленных условиях образование пыли зависит от многих факторов, часть из которых является управляемой и для неё можно прогнозировать влияние на процесс акустической коагуляции аэрозоля. Другая часть факторов носит случайный характер и её влияние невозможно предсказать. При акустической коагуляции частиц летучей золы, сажи и сталеплавильной пыли к числу управляемых факторов были отнесены: технологию ведения процесса образования взвешенных частиц, тепловой режим, параметры пылегазового потока и акустического поля. К случайным факторам можно отнести влажность, гранулометрический состав добавок, содержание основных компонентов и др. Наличие случайных факторов

учитывалось при планировании и обработке результатов экспериментов с помощью методов математической статистики.

На основании теоретического анализа кинетики акустической коагуляции аэрозолей главными переменными были выбраны следующие параметры пылегазового потока и звукового поля: концентрация пыли в потоке с, — 2—20 г/м3; температура пылегазового потока Т = 50 - 250°С; интенсивность звукового поля J — 0,05 - 0,2 Вт/см; временя озвучивания г„м = 0,5 - 2,5 с и частота звуковых колебаний / = 80 -5000 Гц. При этом делалось допущение о малом влиянии остальных факторов, таких как размеры коагуляционной камеры, пространственное и спектральное распределение звукового поля, изменение дисперсного состава аэрозоля в процессе генерации и др.

Для получения общей математической зависимости в каждом опыте проводился дисперсный анализ путем отбора проб из потока на холодное стекло. По микрофотографиям определяли счетную концентрацию. Общее число частиц суммировалось по фракциям.

Расчет степени акустической коагуляции N/N0 проводили в виде экспоненциальной зависимости процесса акустической коагуляции от перечисленных параметров, экспериментальное уравнение кинетики процесса акустической коагуляции получено в виде:

— = ехр(-1,043-0,0975с, + 0,0074с,2 +0,0047с,/-

К . (14)

-0,05710.^3, -0,007771/ - 0,0258/гом + 0,098г„гя)

Из полученного уравнения регрессии (14) видно, что процесс акустической коагуляции зависит от основных параметров звукового поля и пылегазового потока: интенсивности и частоты звука, концентрации и температуры аэрозоля, а также времени озвучивания. Влияние оказывает не только тот или иной параметр, но и их совокупность. В уравнении (14) учтены все основные параметры, влияющие на изменение степени акустической коагуляции. На это указывает высокое значение рассчитанного коэффициента множественной корреляции, равного 0,84 с достоверностью 99%. Полученное уравнение может быть использовано для расчета эффективности газоочистки, с его помощью можно получить данные для проектирования промышленных установок.

В четвертой главе «Структура и физические параметры агрегатов образующихся при акустической коагуляции» на базе теории взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле и кинетики акустической коагуляции, а также экспериментальных данных представлены результаты исследования структуры и динамики роста агрегатов, образующихся в звуковом поле, а также их физических параметров: размеров, формы, плотности, распределения по фракциям, прочности и устойчивости пылевых отложений. Эти данные необходимы для оценки поведения образованных при акустической коагуляции агрегатов в осадительных аппаратах, расчета их эффективности и изучения возможности очистка рабочих поверхностей пылеулавливающего и другого технологического оборудования от обрастания пылевыми отложениями.

Аэрозольные частицы, для которых целесообразно использовать акустическую коагуляцию, имеют размеры десятые доли микрона. Поэтому при исследовании структуры агрегатов и динамики их роста использовали электронно-

микроскопические методы в сочетании с оптическими. Анализ большого числа микроснимков, подученный при различных значениях параметров звукового поля, показал, что за 1 — 2 с за счет акустической коагуляции образуются разветвленные, рыхлые агрегаты, содержащие несколько сотен и даже тысяч первоначальных частиц. Наблюдения позволили классифицировать агрегаты и описать закономерности роста каждого из наблюдаемых типов агрегатов. Обнаружено два основных типа агрегатов, образующихся при акустической коагуляции: первый тип - состоящих только из мелких ветвящихся субмикронных частиц (рис. 19 а) и второй тип - сравнительно крупная микронная частица, на которую присоединяются и ветвятся мелкие частицы

Микроскопические исследования позволили количественно оценить изменение содержания отдельных фракций и действительную плотность рыхлых агрегатов, образующихся в процессе акустической коагуляции. Содержание мелких фракций существенно уменьшается при сохранении общего нормально-логарифмического закона распределения частиц и дисперсии распределения. Отсутствует какое-либо селективное воздействие звуковых колебаний на коагуляцию отдельных фракций. Исследования показали, что несмотря на разнообразие размеров, структуры и форм агрегатов, четко просматривается закономерность уменьшения истинной плотности агрегата с ростом его размера.

Экспериментальные данные показывают, что агрегаты с максимальным размером в районе пяти микрон имеют плотность в 10 - 20 раз меньше истинной плотности материала исходных частиц, а для десятимикронных агрегатов отличие достигает двух порядков. Столь значительное изменение плотности агрегатов должно сильно менять подвижность частиц, а, следовательно, и коэффициенты увлечения и обтекания в звуковом поле. Поэтому при выполнении любых расчетов, связанных с акустической коагуляцией и движением частиц, следует учитывать не только укрупнение, но и изменение их плотности. При изменении плотности агрегатов в процессе акустической коагуляции характер весового распределения агрегатов меняется по нормально-логарифмическому закону, как и счетное распределение с той же дисперсией.

Полученные закономерности изменения плотности агрегатов с ростом их размеров были учтены при расчете взаимодействия частиц реального аэрозоля в звуковом поле, при расчете кинетики процесса акустической коагуляции и при расчетах осадительных характеристик промышленных аппаратов с предварительной

(19 6).

б)

а)

Рис. 19. Микрофотографии образующихся в звуковом поле агрегатов.

коагуляцией аэрозоля в звуковом поле. Образующиеся при акустической коагуляции агрегаты обладают разветвленной рыхлой, структурой и поэтому могут быть недостаточно прочными. Для эффективного использования акустической коагуляции в существующих схемах осаждения необходимо знать устойчивость к разрушению образующихся в звуковом поле агрегатов в реально существующих условиях движения в современных осадительных аппаратах.

Образовавшиеся агрегаты и отдельные крупные частицы за счёт сил гравитации, а также при столкновении с металлическими поверхностями газоходов и осадительных аппаратов образуют слои осевшей пыли, повышающие аэродинамическое сопротивление газоходов и очистных аппаратов и препятствующие процессу эффективной очистки газа от пылей. Обрастание поверхностей пылью особенно отрицательно сказывается на работе электроосадительных аппаратов, имеющих высокую чувствительность процесса очистки к отклонениям от заданного технологического режима. В ряде производств, таких как теплоэнергетика, тепловая энергия отходящих газов используется в производственном цикле для подогрева воздуха, поступающего в топку котла. Очистка поверхностей нагрева теплообменных аппаратов от слоя пыли является актуальной задачей, решение которой, без остановки котлоагрегата, пока не найдено. Поэтому использование мощных акустических полей для разрушения слоя пыли и очистки поверхностей может быть полезным.

В диссертации разработан и осуществлен теоретический расчет необходимой акустической энергии для очистки металлических поверхностей нагрева котлоагрегата, проведены промышленные испытания созданной установки, которые показали технико — экономические возможности совмещения коагуляции промышленных дымов и очистки технологических поверхностей от пылевых отложений в одной установке.

В пятой главе «Схемы осаждения с использованием акустической коагуляции» на основании выявленных закономерностей поведения аэрозольных частиц и изменения их физических параметров при акустической коагуляции проведен расчет эффективности пылеулавливания в действующих промышленных схемах осаждения с использованием наиболее распространенных осадительных аппаратов типа циклон, труба Вентури и электрофильтр. Целесообразность выполнения подобных исследований диктовалась необходимостью изыскания и обоснования оптимальной схемы осаждения при создании промышленных пылеосадительных установок с использованием акустической коагуляции. Расчет эффективности осаждения укрупненных в звуковом поле частиц проведен по существующим полуэмпирическим выражениям для каждого из перечисленных типов аппаратов с учетом выявленных изменений размеров частиц, их плотности и дисперсного распределения при коагуляции. Расчеты показали, что предварительная акустическая коагуляция частиц позволяет улучшить работу центробежных осадителей (циклонов), значительно повысить пылеулавливание в инерционных осадителях (трубах Вентури), но особенно значительные преимущества акустического метода проявляются при электростатическом методе осаждения.

На основе полученных данных была разработана конструкция акустического циклонного пылеуловителя [14], а так же способы расчета эффективности осаждения пыли в циклонах с предварительным укрупнением пылевых частиц. На рис. 20 схематично показано устройство акустического пылеуловителя, подробное описание которого можно найти в [20].

Пылеуловитель состоит из цилиндрического корпуса 2, в нижней части которого находится коническое днище 6 и потенциальный входной патрубок 1. В верхней части корпуса расположены патрубок 4, служащий для удаления очищенного воздуха, и акустический излучатель 3. Внутри корпуса находится цилиндрический стержень 7, заканчивающийся коническим наконечником. В нижней части конического днища 6 расположен пылевыпускyой патрубок 5. Запыленный газ поступает через входной патрубок в корпус, где совершает винтообразное движение снизу вверх. При этом взвешенные частицы отбрасываются центробежной силой к внутренней цилиндрической стенке корпуса, за счёт чего происходит очистка запылённого газа. Рис. 20. Схема Поток газа постоянно находится в звуковом

поле акустического излучателя, типа пылегазового потока. сирены. Сирена озвучивает только

кольцевой зазор, образованный корпусом 2 и стержнем 7. Внутри осадителя создается стоячая звуковая волна, в которой частицы пыли эффективно коагулируют при малых затратах акустической энергии. Промышленные испытания циклонного осадителя с акустической коагуляцией показали [20] эффективность улавливания серной пыли со среднемедианным размером частиц равным 10 мкм более 96 % с обработкой пылегазового потока в звуковом поле и 86 % без озвучивания.

На рис. 21 приведена расчетная осадительная характеристика циклона. Из графика видно, что при укрупнении частиц летучей золы в 10 раз, коэффициент остаточной запыленности снижается со значения 0,7 до величины порядка 0,35, т.е. в два раза. Полученные значения говорят о существенном влиянии акустической коагуляции на осаждение взвешенных частиц летучей золы.

Создание высокоэффективных

осадительных аппаратов на основе традиционных схем осаждения с использованием предварительной обработки пылегазового потока акустическим полем осложняется из-за отсутствия мощных источников дешевой акустической энергии. Для целей акустической коагуляции промышленных аэрозолей в условиях больших объемов обрабатываемого потока, повышенных температур и й пылей наиболее

ГОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ К И БЛ ЦОТ (ДА

С. 33

1.5 0,2

4.5

0.6

75 1.0

105 1.4

» N.

13.5 2И. (по икм 1.1 2Я* (по счёту). ики

Рис. 21. Зависимость коэффициента остаточной запылённости от укрупнения частиг/ в звуковом поле

целесообразно применение низкочастотных динамических или статических сирен, как наиболее простых, дешевых в изготовлении и надежных в эксплуатации мощных акустических излучателей.

В шестой главе «Источники высокоинтенсивного звука для

акустической коагуляции» представлены результаты исследований рабочих характеристик и конструктивных особенностей электродинамических сирен большой мощности, на основе которых разработаны конструкторские документы на три типа мощных низкочастотных электродинамических сирен для коагуляционных установок различной производительности, изготовлены промышленные образцы сирен и проведено их испытание в условиях промышленных коагуляционных установок.

Для изучения путей повышения эффективности излучения динамических сирен была разработана установка для исследования работы узла генерации звука, взаимного влияния единичных источников звука узла генерации и формы согласующего диффузора. Подробное описание установки и выполненных на ней исследований, приведено в [21, 30]. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что для экспоненциального диффузора эффективность излучения оптимальна при числе единичных генераторов звука, равном 16. Наиболее технологичной конструкцией согласующего диффузора, имеющего минимальные потери по сравнению с экспоненциальным, является конструкция конического диффузора с вставкой в виде усечённого конуса с отношением площадей оснований равным 5. Полученные результаты были учтены при разработке конструкций электродинамических сирен различной мощности, основные характеристики которых представлены ниже.

Параметр сирены СДН 0.5 С 200 С 450

—диапазон рабочих частот, Гц 300-3000 400 -1000 300-1100

- акустическая мощность, кВт 0,5 3,5-5 8-12

- рабочее тело сирены воздух воздух, пар

- давление рабочего тела, МПа 0,3-0,4 0,4-0,8 0,6

- расход рабочего тела через

сирену, м3/час 70 1000 0,8т/ч

- мощность электропривода

сирены, кВт 0,25 1,0 2,0

-габаритные размеры, мм 0280x300 0950x1300 01200x2830

- масса, кг 20 565 1280

- выходной диаметр диффузора, мм 200-250 1200 3000

В седьмой главе «Исследование промышленных схем осаждения с использованием акустической коагуляции дымов» рассматривается устройство созданных под руководством или с участием автора промышленных акустических коагуляционных установок, их параметры и результаты испытаний. Установки разработаны и изготовлены для различных предприятий в городах Красноярске, Чимкенте, Туле, Ставрополе, Ростове-на-Дону, Новочеркасске и Таганроге. Все они были низкочастотными и имели производительность от тысячи до миллиона кубометров в час обрабатываемого пылегазового потока. Они не меняли уже имеющуюся на предприятии систему очистки и значительно повышали ее эффективность. Такой подход существенно снижал затраты на внедрение акустического метода осаждения промышленных дымов.

Схема промышленной установки для осаждения частиц летучей золы ТЭС и очистки поверхностей РВВ в звуковом поле показана на рис. 22. Дымовые газы из котлоагрегата 1 поступают на регенеративные воздухонагреватели (РВВ) 2 и 3, имея температуру порядка 450 С. Одновременно в РВВ нагнетается холодный воздух для подогрева и подачи в топку котла. Далее дымовые газы поступают на очистку в электрофильтры 8 и, с помощью дымососа 9, попадают в дымовую трубу. Обработка дымовых газов и РВВ низкочастотным акустическим полем осуществляется двумя мощными сиренами 4 и 5, установленными на участке газохода, идущего от котлоагрегата. Описание установки и результаты её испытаний приведены в [24,25].

Исследования степени очистки дымовых газов от частиц летучей золы в электрофильтре проводились в диапазоне частот 800 - 1200 Гц, при давлении звука в газоходах 1000-800 Па. Во время обработки дымовых газов звуковыми полями уменьшение выбросов летучей золы в атмосферу изменялось от 8 до 48 % в зависимости от режима работы котлоагрегата. Колличество выбросов летучей золы в атмосферу из одного корпуса котлоагрегата за сутки сократилось, в среднем, на 8,5т.

Средник медианный размер по счету частиц летучей золы увеличился во время озвучивания с 1,8 мкм до 3,8 мкм, число частиц размером менее 5 мкм сократилось с 80 % до 60 %, а счетная концентрация частиц уменьшилась 10 раз (см. рис. 23).

График изменения аэродинамического сопротивления РВВ от времени озвучивания на частоте 700 Гц при давлении 800 Па представлен на рисунке 24. Первые 0,5 часа происходит интенсивное разрушение слоя отложений и отрыв частиц от верхней рыхлой части осадка. Это приводит к увеличению запыленности дымовых газов и к повышению аэродинамического сопротивления РВВ. Последующие 1,5 часа наблюдается процесс разрушения более плотных структур слоя пыли, что приводит к уменьшению сопротивления РВВ на 20 мм вод. ст. Далее разрушение слоя замедляется, аэродинамическое сопротивление слабо уменьшается и наступает равенство удерживающей остаток слоя пыли силы и акустической силы отрыва.

Проведенные промышленные испытания дают количественную оценку возможности совмещения при разработке промышленных осадительных установок двух процессов: коагуляции частиц аэрозоля и очистки рабочих поверхностей с использованием одних и тех же источников акустической энергии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретически и экспериментально исследованы основные физические закономерности поведения единичных и ансамбля частиц в процессе коагуляции при широком варьировании параметров акустического поля и аэродисперсной среды.

2. Установлена взаимосвязь и разработаны схемы расчета основных параметров микро-и макропроцессов акустической коагуляции.

3. Определены закономерности между процессами акустической коагуляции и осаждением взвешенных частиц промышленных дымов в осадительных аппаратах различного типа.

4. Сформулированы и апробированы рекомендации для оптимального ведения процесса укрупнения частиц в звуковом поле.

5. Проведено исследование процесса агрегатообразования и разрушения агрегатов в мощном звуковом поле.

6. Разработаны высокоинтенсивные низкочастотные излучатели звука типа электродинамических сирен различной мощности.

7. Показана эффективность промышленного использования низкочастотной акустической коагуляции пылевых частиц.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тимошенко В.И., Чернов Н.Н. Взаимодействие и диффузия частиц в звуковом поле. / Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2003 г. - 304 с.

2.Тимошенко В.И., Чернов Н.Н. Осаждение и осадконакопление промышленных дымов. / Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004 г. - 224с.

3. Чернов Н.Н. К вопросу исследования макропроцесса акустической коагуляции аэродисперсной среды. Известия ТРТУ №5 (40). Материалы третьей Всероссийской научной конференции с международным участием. Таганрог, 2004 г., стр. 92 - 97.

4. Чернов Н.Н. О сближении аэрозольных частиц за счёт сил гидродинамического взаимодействия в акустических полях. Известия ТРТУ № 6 (29). Тематический выпуск «Экология 2002 - море и человек». Материалы второй Всероссийской научной конференции с международным участием. Таганрог, 2002 г., стр. 154 - 155.

5. Чернов Н.Н. Гидродинамическое взаимодействие ансамбля взвешенных частиц в звуковом поле. Известия ТРТУ №5 (40). Материалы третьей Всероссийской научной

конференции с международным участием. Таганрог, 2004 г., стр. 115 - 117.

6. Чернов Н.Н. Об оптимизации процесса акустической коагуляции промышленных аэрозолей. Известия ТРТУ №6 (29). Тематический выпуск «Экология 2002 - море и человек». Материалы второй Всероссийской научной конференции с международным участием. Таганрог, 2002 г., стр. 153 - 154.

7. Чернов Н.Н. Почва как индикатор загрязнённости природной среды. / В журн. «Региональная экология», РАН №6, 2003 г., СПб: ИСЭП РАН.

8. Чернов Н.Н. Повышение эффективности осаждения пылеулавливающих устройств методом акустической коагуляции. Известия ТРТУ №5 (40). Материалы третьей Всероссийской научной конференции с международным участием. Таганрог, 2004 г., стр. 112-116.

9. Чернов Н.Н. Особенности мониторинга состояния загрязнения атмосферного воздуха приморских городов. Известия ТРТУ, №4. Тематический выпуск "Экология 2000 - море и человек". Таганрог, 2000 г., с. 154 - 155.

10. Чернов Н.Н. Пространственное взаимодействие аэрозольных частиц в сложных акустических полях. / Известия ТРТУ. Тематический выпуск «НЕЛАКС - 2003». Материалы научно-технической конференции. Таганрог. Изд-во ТРТУ, 2003 г., №6 (35), стр. 127-129.

11. Чернов Н.Н. Устойчивость агрегатов частиц и разрушение пылевых отложений в акустическом поле. Известия ТРТУ №5 (40). Материалы третьей Всероссийской научной конференции с международным участием. Таганрог, 2004 г., стр. 212-216.

12. Чернов Н.Н. Коагуляция гидроакустическая. Гидроакустическая энциклопедия под ред. Тимошенко В.И. Таганрог, ТРТУ, 1999 г с. 292

13. Чернов Н.Н. К вопросу о разработке низкочастотных акустических установок для улавливания промышленных пылей. Деп. ВИНИТИ № 5569-В90,1991 г.

14. А. с. № 1699532 СССР. Акустический пылеуловитель / Чернов Н.Н., Тимошенко В.И., Батлук В.А., Кулик А.П. -1991 г. Б.и. № 47.

15. Чернов Н.Н., Таганова К.В. Лабораторная установка для исследования акустической коагуляции туманов. / Сб. тезисов VI всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. Таганрог, 2002 г., с. 58 - 61.

16. Чернов Н.Н Таганова К.В Экспериментальное исследование процесса акустической коагуляции туманов на низких частотах. Известия ТРТУ №6 (35). Тематический выпуск «НЕЛАКС - 2003». Материалы научно-технической конференции. Таганрог. ТРТУ, 2003 г., с. 105-107

17. Chernov N.N., Timochenko V.I. Smok akoustik coagulation at central HEATING-and-POWER plant in CROSSED acoustic fields. XX Internationale akustische Konferenz ULTRASCHALL, Praha, CSSR, 1981, p. 20.

18. Чернов Н.Н Степанов П.А Метод быстрого анализа атмосферного воздуха. Известил ТРТУ №4, Тематический выпуск «Экология 2000 - море и человек», 2000 г., с. 216

19. Чернов Н.Н., Пекарь Я.А., Прокш А.С., Мясищев С.А. Исследование мощного низкочастотного излучателя для осаждения дымов и очистки теплообменных аппаратов теплоэлектроцентралей. / Прикладная акустика. Таганрог, 1979 г. Вып. 7, с. 80-87.

20. Чернов Н.Н., Беленький В.А. и др. Мощные источники звука для осаждения промышленных дымов. / Тезисы доклада на Всесоюзной научно-технической конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов. М.: МИСиС, 1979 г.

21. Чернов Н.Н., Пекарь ЯЛ. и др. Экспериментальное исследование режимов работы мощных динамических сирен. /Сб. "Прикладная акустика", вып. 7, Таганрог, 1,979 г. с. 88-91.

22. Чернов Н.Н. Расчет гидродинамического сближения аэрозольных частиц в сложном акустическом поле при вязком режиме обтекания. /Обеспыливание воздуха и микроклимат. Ростов-на-Дону, 1980 г., с. 32 - 36.

23. Чернов Н.Н. О взаимодействии сферических частиц в скрещенных звуковых полях. /Прикладная акустика, вып. УШ, Таганрог, 1981 г., с. 77 - 81.

24. Тимошенко В.И., Чернов Н.Н., Прокш А.С. Акустическая коагуляция дымов теплоэлектроцентралей. / Труды IV региональной конференции "Использование отходов производства в строительной индустрии". Ростов-на-Дону, 1981 г., с. 161

25. Чернов Н.Н., Прокш А.С. Промышленная установка для низкочастотной акустической очистки дымовых газов ТЭЦ. /Прикладная акустика. Вып. 8, Таганрог, 1981 г., стр. 82-85.

26. Чернов Н.Н., Лукин А.А. Некоторые аспекты теории низкочастотной акустической коагуляции/ Системы обеспыливания в строительстве. Ростов-на-Дону, 1985, стр. 5-7.

27. Чернов Н.Н., Лукин А.А. Акустическая коагуляция и осаждение промышленных дымов и научно-техническое обеспечение метода. М: ВИНИТИ № 8775- В88,1988 г.

28. Чернов Н.Н., ШуральскиИ Ю.П. О механизме гидродинамического дрейфа частиц в гармоническом и импульсном звуковых полях при вязком режиме обтекания. М.: ВИНИТИ № 8776 - В88, 1988 г.

29. Чернов Н.Н., Ковалёва Р.С. и др. О состоянии окружающей среды г. Таганрога. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997 г., 76 с.

30. Чернов Н.Н Чернов М.Н Определение коэффициентов неравномерности вращения и динамичности валов в механизмах приборов. В сб.: Проблемы надежности и качества изделий машино - и приборостроения, Таганрог, ТРТУ, 2000 г., Деп. В ВИНИТИ № 767 - В 00, с 38 - 39

Личный вклад соискателя по перечисленным работам может быть охарактеризован следующим образом:

в монографии [1] главы 1 и 4 написаны лично, 3 и 5 совместно; в монографии [2] главы 1,4 и 5 написаны лично, 3 и 6 совместно; работы [3-13] - выполнены без соавторов;

в [12, 13, 15] предложено устройство экспериментальной установки, методика проведения и обработки результатов исследований;

в [17, 18. 19] проведен расчет узла генерации звука, разработана установка для исследования его режимов работы, разработана конструкция и предложена методика натурных испытаний мощного излучателя звука;

в [22, 23] разработана схема промышленной коагуляционной установки для осаждения летучей золы ТЭС, предложена методика и проведены стендовые испытания;

в [24, 25] предложена модель и выполнены расчеты макропроцесса акустической коагуляции взвешенных частиц несферической формы;

в [26, 30] предложена модель, выполнены расчеты и разработаны рекомендации по созданию мощных излучателей звука;

в [29] предложено и обосновано применение метода акустической коагуляции для повышения эффективности существующего пылеосадительного оборудования.

ЧЕРНОВ Николай Николаевич

АКУСТИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ОСАЖДЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДЫМОВ.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Издательство Таганрогского государственного

радиотехнического университета Зак. № 277. Тираж 150 экз.

* 16689

ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ

1.1. Физическая модель поведения взвешенных частиц в акустическом поле

1.2. Пространственное взаимодействие взвешенных частиц в звуковом поле

1.3. Взаимодействие взвешенных частиц в сложных акустических полях

1.4. Дрейф взвешенных частиц в гармоническом и импульсном звуковых полях

1.5. Взаимодействие ансамбля частиц в звуковом поле

1.6. Исследование влияния формы частиц на процесс гидродинамического взаимодействия

1.7. Исследование влияния инерционности среды на взаимодействие частиц в звуковом поле

Загрязнение атмосферы является составной частью всей нашей жизни и особенно ощутимо для больших городов и промышленных центров. Оно формируется как за счёт природных процессов, таких как лесные пожары, извержения вулканов, пыльные бури, так и за счёт деятельности человека. По мере развития промышленности, энергетики и средств транспорта происходит концентрация населения и промышленных предприятий в больших городах и промышленных зонах и, как следствие, значительное локальное загрязнение атмосферы. По оценке министерство природных ресурсов, на 15% территории страны, где проживает около 60% населения России и сосредоточены основные производственные мощности, экологическая обстановка уже не соответствует нормативам, определяющим уровень экологической безопасности людей [46].

Исследование влияния различных антропогенных нагрузок на человека в городских условиях [9, 10] показали, что наибольшую экологическую опасность представляют загрязнения воздушного бассейна стационарными источниками, такими как тепловые электростанции, транспорт, металлургические, машиностроительные и химические заводы, выбрасывающие в атмосферу широкий спектр токсичных веществ, способных накапливаться в приземном слое атмосферы и почве.

Вопросам уменьшения промышленных выбросов в атмосферу в настоящее время уделяется значительное внимание. Однако, создание высокоэффективных схем осаждения пылевых частиц со степенью улавливания 99 — 99,9% затруднено из-за ограничений физического плана: резко снижается эффективность пылеулавливания мельчайших микронных и субмикронных частиц, доля которых в связи с интенсификацией производства постоянно возрастает. Возникает необходимость использования новых принципов построения пылеулавливающих схем, использующих, например, предварительное изменение физических параметров пыли. Одним из путей решения этой задачи является использование схем осаждения с предварительным укрупнением микронных и субмикронных частиц в агрегаты частиц, легко улавливаемые существующими осадительными аппаратами. В этом смысле акустическая коагуляция является одним из прогрессивных методов (и часто единственно возможным) быстрого укрупнения микронных и субмикронных частиц промышленных аэрозолей с целью их дальнейшего улавливания в существующих или специально создаваемых схемах осаждения.

Несмотря на то, что в исследовании физики процесса и в вопросах промышленного использования акустической коагуляции аэрозолей сделано много (первые исследования были начаты еще на заре 30-х годов 20 века C.B. Горбачевым и А. Б. Северным, Н.С. Паттерсоном, О. Брандтом, X. Фройндом и Е. Гидеманном, Х.В. Сэн-Клером и др. [15, 25, 32, 69]) вряд ли и в настоящее время исследования в этой области можно считать завершенными. Связано это с тем обстоятельством, что акустическая коагуляция аэрозольных частиц исключительно многофакторное явление. При его исследовании и практическом использовании приходится решать вопросы из различных областей физической науки — не только "типичные" акустические задачи (движение ансамбля частиц в звуковом поле, проблемы генерирования мощных звуковых колебаний, измерение основных характеристик акустического поля и др.), но и вопросы физической кинетики, прикладной гидродинамики, механики аэрозолей и др.

Экспериментальные исследования и работы по практическому использованию акустической коагуляции в промышленности, всегда опережали теоретическое осмысливание отдельных аспектов и всего явления в целом.

В середине 20-го века в основном в США и Франции были проведены исследования и начаты работы по промышленному использованию акустического метода осаждения промышленных дымов и естественных туманов. Этому в значительной степени содействовало появление в этот период целой серии сравнительно мощных источников звука [167, 168]. Немного позже Б.Ф. Подошевниковым, Е.П. Медниковым, Р.Ш. Школьниковой, М.Ж. Пальмэ, Р.М.Ж. Буше, Е. Брюном, Р. Левавасэром, И. Ояма, Б. Мончевски-Ровинским, Ю.А. Борисовым, В.И. Тимошенко и др. [1, 45, 122] было проведено много работ по использованию акустической коагуляции в металлургической, химической, горной, цементной и других отраслях промышленности.

При положительном физическом эффекте акустической коагуляции общим недостатком этих работ являлось наличие слишком больших энергетических затрат: от 2 до 7 кВтч на 1000 м3 газа, обусловленных в основном эмпирическим подходом при выборе основных параметров акустических коагуляционных установок (например, использование повышенных частот) и газоочистных схем улавливания (к примеру, использование циклонов). В условиях необходимости обработки сотен тысяч кубических метров газа в час (как например, в теплоэнергетике) при малой стоимости улавливаемого продукта такие энергозатраты делали акустические методы экономически нецелесообразными. Требовалось снизить эти цифры в несколько раз.

Целью диссертационной работы является: решение научной и прикладной проблемы создания экологически и экономически рациональной системы подготовки промышленных дымов в акустическом поле к очистке от взвешенных частиц в штатных осадительных устройствах, теоретически обоснованной и учитывающей индивидуальные свойства аэродисперсной среды, а так же разработка новых конструктивных схем акустических коагуляционных осадительных устройств, обеспечивающих интенсивное улавливание микронных и субмикронных взвешенных частиц.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретическое исследование пространственного гидродинамического взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в многокомпонентном звуковом поле при широком варьировании параметрами акустического поля и аэродисперсной среды;

- создание модели и разработка методов расчёта макропроцесса акустической коагуляции на основе исследования единичного взаимодействия частиц;

- создание экспериментальной базы и методики проведения исследований макропроцесса коагуляции в акустическом поле взвешенных частиц различных промышленных дымов, наносящих наибольший вред природе и человеку;

- получение на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований расчётного уравнения, описывающего макропроцесс акустической коагуляции произвольного аэрозоля.

- проведение теоретического и экспериментального анализа процесса агрегатообразования, плотности, формы и устойчивости агрегатов частиц, а также разрушение дисперсной структуры слоя пылевых отложений в мощном звуковом поле;

- разработка теоретических и экспериментальных аспектов создания конструкций низкочастотных акустических излучателей для промышленных коагуляционных установок;

- внедрение в промышленность акустических способов и средств интенсификации очистки дымовых газов, обеспечивающих повышение эффективности улавливания взвешенных частиц и снижение вредных выбросов в атмосферу.

На защиту выносятся следующие теоретически и экспериментально полученные научные результаты и положения:

1. Теоретические методы исследования пространственного взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в многокомпонентном звуковом поле при широком варьировании параметрами акустического поля и аэродисперсной среды.

2. Закономерности влияния физических параметров аэрозолей (концентрации, дисперсности, температуры и формы частиц дисперсной фазы) и характеристик акустического поля (частоты, уровня звукового давления, времени озвучивания, параметров компонентов и формы поля колебательной скорости) на макропроцесс акустической коагуляции.

3. Экспериментальные методы и средства исследования макропроцесса коагуляции взвешенных частиц промышленных дымов.

4. Принципы и методы инженерных расчётов осадительных характеристик пылеулавливающих устройств с предварительной обработкой пылегазового потока мощным акустическим полем с учётом физических характеристик потока и поля.

5. Физическая модель агрегатообразования и разрушения слоя дисперсной фазы пылевых отложений в мощном акустическом поле.

6. Рекомендации по расчету, проектированию и результаты практической реализации мощных излучателей звука — низкочастотных электродинамических сирен.

7. Принципы построения, рекомендации и результаты практической реализации в промышленности низкочастотных акустических установок для повышения эффективности улавливания взвешенных частиц промышленных дымов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- впервые проблема повышения эффективности улавливания взвешенных частиц промышленных дымов за счёт коагуляции в акустическом поле решается на основе комплексных исследований процесса на микро- и макроуровнях с подтверждением теоретических расчетов лабораторными и промышленными исследованиями; установлены закономерности пространственного единичного и множественного взаимодействия взвешенных частиц произвольной формы в сложных гармонических и негармонических акустических полях; на основе полученных закономерностей разработаны схемы модернизации штатных осадительных систем с использованием акустической коагуляции промышленных дымов;

- впервые на созданной промышленной коагуляционной установке исследован разработанный теоретически способ очистки поверхностей пылеулавливающих и других технологических устройств от слоя пылевых отложений;

- предложены и экспериментально подтверждены принципиально новые критерии выбора параметров акустических коагуляционных установок для различного типа осадителей и очищаемых дымов.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в разработке технологии и техники эффективного осаждения высокодисперсной пыли в штатных осадительных устройствах путём предварительного укрупнения взвешенных частиц дымовых газов в мощном акустическом поле. На основе комплекса исследований единичного и множественного взаимодействия взвешенных частиц аэродисперсной среды предложены инженерные методики расчёта основных параметров акустических коагуляционных установок для различных типов осадительных аппаратов и промышленных дымов. Применение разработанных схем очистки с акустической коагуляцией позволяет решить проблему сухой очистки газов от высокодисперсной пыли без замены существующего осадительного оборудования. Разработанный способ очистки и созданные электродинамические излучатели высокоинтенсивного звука позволяют совмещать процесс укрупнения взвешенных частиц в потоке объёмом от тысячи до миллиона метров кубических дымового газа в час с очисткой поверхностей пылеулавливающих и других технологических устройств от слоя пылевых отложений, что повышает эффективность их работы, сроки службы и упрощает обслуживание. Кроме этого, разработанные методы исследований, полученные математические модели, зависимости и закономерности могут быть использованы в смежных областях науки и техники.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе модели, методы, конструктивные решения и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся по постановлениям директивных органов: «Разработка низкочастотного акустического метода глубокой очистки воздуха от мелкодисперсных субмикронных частиц промышленных аэрозолей (№ гос. регистрации 77068431, результаты внедрены на ПО «Лакокраска», г. Ростов-на-Дону); «Разработка физических основ и принципов использования акустической коагуляции и осаждения промышленных дымов и туманов» (№ гос. регистрации 77073118, результаты использованы РЭУ «Ростовэнерго»). Результаты диссертационной работы использовались в ряде научно-исследовательских работ, выполняемых по заказам предприятий и организаций: «Исследования и разработка оптимальных режимов работы элементов мощных динамических сирен» (Донецкий филиал ВНИПИчерметэнергоочистка); «Разработка комплекса программного моделирования распространения загрязняющих веществ, выделяемых автотранспортом и промышленными предприятиями г. Таганрога» (Администрация г. Таганрога); «Разработка программы неотложных мер по сокращению выбросов в атмосферу» (Таганрогский межрайонный комитет по охране природы). Во всех перечисленных работах автор являлся ответственным исполнителем, либо научным руководителем работы.

Эффективность и целесообразность применения разработанных акустических способов и средств улавливания взвешенных частиц промышленных дымов подтверждены актами внедрения на промышленных предприятиях и в организациях: Новочеркасской ГРЭС, АО «ТАГМЕТ» (г. Таганрог), ООО фирме «РАСВЕТ» (г. Ростов-на-Дону), Таганрогском лакокрасочном заводе, Межрайонном комитете охраны природы (г. Таганрог), Ставропольском заводе технического углерода, фирме HOLMKO Elektroakustik (г. Берлин, Германия).

Техническая и конструкторская документация на мощные излучатели для коагуляционных установок была передана для внедрения на промышленных предприятиях следующим организациям и научным учреждениям: Донецкому филиалу ВНИПИчерметэнергоочистка, Чимкентскому цементному заводу, Косогорскому металлургическому комбинату (г. Тула), Львовскому политехническому институту, Ташкентскому филиалу ЦКБ Главэнергоремонта, Красноярской ГРЭС-2.

В первой главе приведены результаты исследования пространственного гидродинамического взаимодействия аэрозольных частиц в вязкой среде обтекания в многокомпонентных звуковых полях. Они показали, что эффективное сближение частиц происходит в широкой области частот, в том числе и на низких звуковых частотах. Было установлено, что оптимальной формой для моделирования процесса взаимодействия частиц практически любого промышленного аэрозоля является эллипсоид вращения. При теоретических расчётах гидродинамического взаимодействия аэрозольных частиц пределы варьирования основных параметров звукового поля (частоты, амплитуды, колебательной скорости, конфигурации поля), аэрозоля (расстояния между частицами, их размеры, ориентация, удельный вес вещества) и вмещающей среды (плотности, вязкости, температуры) существенно превышали встречающиеся на практике и в экспериментах.

Разработанный путь решения задач (см. раздел 1.2) позволяет в принципе рассчитывать множественное взаимодействие частиц с учетом различных сил, действующих на частицу, но пока не удастся на основе совместного решения уравнений движений всех частиц с учетом их взаимодействия (такая система уравнений составлена), выявить закономерности изменения параметров аэродисперсной системы в целом при облучении ее мощным звуком, хотя бы потому, что в реальных случаях в одном кубическом сантиметре бывает порядка десятков и даже сотен миллионов частиц.

Поэтому были решены уравнения, описывающие пространственное движение двух и ансамбля из трех частиц в едином и многокомпанентном звуковом поле, представляющем суперпозицию трёх взаимно ортогональных колебаний, с учетом взаимного влияния гидродинамических полей обтекания частиц при вязком (Яе < 1) режиме обтекания с учетом изменения расстояния между частицами. Результаты исследования пространственного взаимодействия частиц позволяют сделать предположение о превалирующем влиянии на движение частиц соседних, близкорасположенных частиц. Решение задачи взаимодействия трёх близкорасположенных частиц в звуковом поле подтверждает сделанный вывод.

При высоких интенсивностях звукового поля и среднедисперсном аэрозоле (осееновский режим при Яе>\) на обтекание частицы начинают оказывать существенное влияние инерционные свойства среды, что приводит к интенсификации, по сравнению со стоксовским режимом, взаимного сближения частиц. При этом основные закономерности процесса не меняются.

Так же рассмотрены общие особенности появления направленного дрейфа частиц в акустическом поле и, в частности, дрейф частиц при несинусоидальной форме колебаний среды, который играет определенную роль в процессе увеличения локальной концентрации частиц и способствует их сближению, что дает дополнительные объяснения эффекту акустической коагуляции при несинусоидальной форме озвучивании. При этом наибольшее смещение частица получает при определённой форме импульса акустического воздействия, что может быть полезным при расчёте узлов генерации динамических сирен для коагуляционных установок.

Модель макропроцесса акустической коагуляции может быть построена на основе определения пространственных зон эффективного взаимодействия частиц, форма и величина которых может быть получена из расчета гидродинамического взаимодействия двух частиц в звуковом поле.

Вторая глава посвящена получению уравнения макропроцесса акустической коагуляции, позволяющего найти, например, изменение счетной концентрации при варьировании параметров звукового поля и пылегазового потока, что необходимо не только для исследования физики явления, но и для расчета и выбора основных элементов промышленных акустических коагуляционных установок. Получение расчетного уравнения кинетики базируется на исследовании закономерностей пространственного взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле. Исследование динамики процесса акустической коагуляции показало, что эффективное сближение аэрозольных частиц происходит в узкой пространственной зоне, вытянутой в обе стороны от центра частицы в направлении колебаний. Проникновению частиц в эту пространственную зону способствуют рассмотренные виды диффузии частиц, некоторые виды взаимных дрейфов частиц, вторичные движения среды и др.

В уравнение кинетики входит коэффициент диффузии аэрозольных частиц. Вследствие того, что подвижность аэрозольных частиц в звуковом поле меняется (для крупных частиц из-за изменения силы сопротивления при осееновском обтекании, для малых - из-за влияния прерывистости среды), расчетное значение коэффициента диффузии мельчайших частиц может значительно отличаться (иногда в два раза) от эйнштейновского значения. Это обстоятельство было исследовано в разделе 2.2 и по полученным ранее в [2] аналитическим выражениям, произведен расчет коэффициента диффузии в функции от параметров звукового поля и аэрозоля.

При наличии уравнения кинетики возникает возможность теоретически проанализировать процесс акустической коагуляции в функции от параметров звукового поля и аэрозоля. В качестве варьируемых параметров были выбраны значения для реальных промышленных дымов. Расчеты показали, что частота звуковых колебаний и вязкость среды практически не влияют на процесс изменения концентрации частиц при акустической коагуляции. Основное влияние оказывает амплитуда колебательной скорости и концентрация аэрозоля (начальное расстояние между частицами).

Аналитическое уравнение кинетики учитывает практически все основные факторы, влияющие на процесс акустической коагуляции. Однако подучено оно было при определенных допущениях, правильность которых необходимо было проверить экспериментальным путем.

Теоретические исследования гидродинамического взаимодействия отдельных пар частиц в звуковом поле и макропроцесса акустической коагуляции были подтверждены экспериментально в лабораторных условиях на специально разработанной экспериментальной базе.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию макропроцесса акустической коагуляции в возможно более широком диапазоне варьирования основных параметров аэродисперсной среды и акустического поля, чтобы выяснить условия и пределы применимости метода, а также охватить значительную часть типичных ситуаций, встречаемых в промышленности.

Экспериментальные исследования в динамических условиях проводились (см. раздел 3.2) на лабораторной установке с мощными электродинамическими излучателями. Экспериментально исследована акустическая коагуляция промышленных аэрозолей с различными физико-химическими свойствами (плотностью, конфигурацией, сжимаемостью, концентрацией, дисперсностью и др.). Исследования метода акустической коагуляции проведены с различными промышленными аэрозолями: оксидами железа, дымами ТЭС, сажей и фталиевым ангидридом. Свойства перечисленных аэрозолей и параметры сред учитывались при задании пределов изменения характеристики в расчётных соотношениях пространственного гидродинамического взаимодействия частиц и расчете макропроцесса коагуляции в мощном акустическом поле.

На основании теоретического анализа уравнения кинетики и проведенных предварительных экспериментов было выяснено, что основными факторами, влияющими на процесс акустической коагуляции являются: интенсивность звука, время озвучивания, частота звуковых колебаний, концентрация пыли в потоке и температура пылегазового потока. Эти факторы в основных экспериментах варьировали в широких пределах. Высокие значения коэффициентов множественной корреляции указывают на полный учет всех основных факторов. В экспериментах оценивали изменение дисперсного состава и относительное изменение счетной концентрации при акустической коагуляции. Общее число частиц в единице объема подсчитывалось из дисперсного распределения, полученного методом микроскопического анализа.

Исследование картины изменения дисперсного распределения субмикронных частиц при акустической коагуляции позволило выявить количественные характеристики роста размеров частиц отдельных фракций в функции от основных параметров. Эти исследования показали, что степень укрупнения микронных частиц аэрозолей при приемлемых энергозатратах вполне достаточна для резкого повышения эффективности пылеулавливания традиционных аппаратов, особенно электрофильтров.

Выявленная закономерность слабого влияния частоты на процесс коагуляции указывает, что выбор этого параметра для акустической коагуляции промышленных аэрозолей должен определяться технико-экономическими показателями используемых излучателей и создаваемых установок. При обработке больших объемов запыленного газа и повышенных концентрациях пыли в потоке следует рекомендовать использование низких звуковых частот порядка 300 — 800 Гц. Затухание в этом случае невелико, а генерирование мощных колебаний, например, с помощью низкочастотных сирен (см. главу 6) весьма просто и дешево. Размеры коагуляционных колонн или озвучиваемых участков газопроводов следует выбирать из условия обеспечения минимально необходимого времени озвучивания.

В четвертой главе на базе теории взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле и кинетики акустической коагуляции, а также экспериментальных данных (в основном электронной и оптической микроскопии) представлены результаты исследования структуры и динамики роста агрегатов, образующихся в звуковом поле, а также их физических параметров: размеров, формы, плотности, распределения по фракциям, прочности и устойчивости пылевых отложений. Эти данные необходимы для оценки поведения образованных при акустической коагуляции агрегатов в осадительных аппаратах, расчета их эффективности и изучения возможности очистки рабочих поверхностей пылеулавливающего и другого технологического оборудования от обрастания пылевыми отложениями (в частности, осадительных электродов электрофильтров).

Аэрозольные частицы, например, сталеплавильного производства, для которых целесообразно использовать акустическую коагуляцию, имеют размеры десятые и даже сотые доли микрона. Поэтому при исследовании структуры агрегатов и динамики их роста использовались электронно-микроскопические методы в сочетании с оптическими. Анализ большого числа микроснимков, подученный при различных значениях параметров звукового поля, показал, что за 1 — 2 с за счет акустической коагуляции образуются разветвленные, рыхлые агрегаты, содержащие несколько сотен и даже тысяч первоначальных частиц. Наблюдения позволили классифицировать агрегаты и описать закономерности роста каждого из наблюдаемых типов агрегатов. Обнаружено два основных типа агрегатов, образующихся при акустической коагуляции: первый тип - состоящих только из мелких ветвящихся субмикронных частиц и второй тип - сравнительно крупная микронная частица, на которую присоединяются и ветвятся мелкие частицы.

Электронно-микроскопические исследования структуры и динамики роста агрегатов проводили в широком диапазоне варьирования основных параметров звукового поля и, в частности, частоты звука. Общая структура и конфигурация агрегатов были одинаковыми, что еще раз подтверждает сделанный ранее вывод о незначительном влиянии частоты на процесс акустической коагуляции и возможности его проведения на низких звуковых частотах.

Микроскопические исследования позволили количественно оценить изменение содержания отдельных фракций и действительную плотность рыхлых агрегатов, образующихся в процессе акустической коагуляции. Содержание мелких фракций существенно уменьшается при сохранении общего нормально-логарифмического закона распределения частиц и дисперсии распределения. Отсутствует какое-либо селективное воздействие звуковых колебаний на коагуляцию отдельных фракций.

Образовавшиеся агрегаты и отдельные крупные частицы за счёт сил гравитации, а также при столкновении с металлическими поверхностями газоходов и осадительных аппаратов образуют слои осевшей пыли, повышающие аэродинамическое сопротивление газоходов и очистных аппаратов и препятствующие процессу эффективной очистки газа от пылей.

Обрастание поверхностей пылью особенно отрицательно сказывается на работе электроосадительных аппаратов, имеющих высокую чувствительность процесса очистки к отклонениям от заданного технологического режима. В ряде производств, таких как теплоэнергетика, тепловая энергия отходящих газов используется в производственном цикле для подогрева воздуха, поступающего в топку котла. Очистка поверхностей нагрева теплообменных аппаратов от слоя пыли является актуальной задачей, решение которой, без остановки котлоагрегата, пока не найдено. В связи с этим, использование мощных акустических полей для разрушения слоя пыли может быть полезным.

В пятой главе на основании выявленных закономерностей поведения аэрозольных частиц и изменения их физических параметров при акустической коагуляции проведен расчет эффективности пылеулавливания в действующих промышленных схемах осаждения с использованием наиболее распространенных осадительных аппаратов типа циклон, труба Вентури и электрофильтр. Целесообразность выполнения подобных исследований диктовалась необходимостью изыскания и обоснования оптимальной схемы осаждения при создании промышленных пылеосадительных установок с использованием акустической коагуляции частиц.

Расчет эффективности осаждения укрупненных в звуковом поле частиц проведен по существующим эмпирическим и полуэмпирическим выражениям для каждого из перечисленных типов аппаратов с учетом выявленных изменений размеров частиц, их плотности и дисперсного распределения при коагуляции. Расчеты показали, что предварительная акустическая коагуляция частиц позволяет улучшить работу центробежных осадителей (циклонов), значительно повысить пылеулавливание в инерционных осадителях (трубах Вентури), но особенно преимущества акустического метода проявляются при электростатическом методе осаждения.

Создание высокоэффективных осадительных аппаратов на основе традиционных схем осаждения с использованием предварительной обработки пылегазового потока акустическим полем осложняется из-за отсутствия мощных источников дешевой акустической энергии. Для целей акустической коагуляции промышленных аэрозолей в условиях больших объемов обрабатываемого потока, повышенных температур и концентраций пылей наиболее целесообразно применение низкочастотных динамических или статических сирен, как наиболее простых, дешевых в изготовлении и надежных в эксплуатации мощных акустических излучателей.

В шестой главе представлены результаты исследований рабочих характеристик и конструктивных особенностей электродинамических сирен большой мощности, на основе которых разработаны конструкторские документы на три типа мощных низкочастотных электродинамических сирен для коагуляционных установок различной производительности, изготовлены промышленные образцы сирен и успешно проведено их испытание в условиях промышленных коагуляционных установок.

В седьмой главе рассматриваются устройство, параметры и результаты испытаний созданных под руководством или с участием автора промышленных акустических коагуляционных установок (они разработаны и изготовлены для различных предприятий в городах Красноярске, Чимкенте, Туле, Ставрополе, Ростове-на-Дону, Новочеркасске и Таганроге) были низкочастотными и имели производительность от тысячи до миллиона кубометров в час обрабатываемого пылегазового потока. Каждая из смонтированных коагуляционных установок была уникальной. Однако их всех объединяло одно: они не меняли уже имеющуюся на предприятии систему очистки и значительно повышали её эффективность. Такой подход существенно снижает затраты на внедрение акустического метода осаждения промышленных дымов.

Разработанные и созданные экспериментальные установки и методика аэрозольных и акустических измерений позволяют изучать процесс акустической коагуляции различных типов аэрозолей и рассчитывать оптимальные параметры промышленных коагуляционных установок.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Приложение содержит акты внедрения и использования результатов диссертационной работы.

5.5. Основные результаты и выводы

Заканчивая раздел, можно сделать следующие выводы и заключения:

1. Установленные закономерности укрупнения частиц и изменения их характеристик дисперсного распределения и физических параметров при акустической коагуляции позволяют рассчитать эффективность осаждения в действующих промышленных схемах пылеулавливания с использованием традиционных осадительных аппаратов при предварительном укрупнении частиц в звуковом поле.

2. Проведены исследования влияния параметров акустической коагуляции на характеристики различных типов осадителей: электрофильтров, циклонов и скрубберов. Установлено, что при приемлемых затратах акустической энергии достигается значительное уменьшение остаточной запыленности дымовых газов.

3. Рассчитана осадительная характеристика циклона с предварительной акустической коагуляцией пылегазового потока. Показано, что при укрупнении в 10 раз в звуковом поле взвешенных частиц летучей золы ТЭС величина остаточной запыленности уменьшается в 2 раза (до величины ¡Лц = 0,7), т.е. акустическая коагуляция улучшает работу центробежных осадителей.

4. С учетом изменения плотности и дисперсного состава аэрозоля при акустической коагуляции рассчитана осадительная характеристика инерционного осадителя при предварительном укрупнении частиц в звуковом поле. Полученные результаты говорят о перспективности использования данной схемы.

5. Результаты экспериментального исследования осаждения аэрозоля фталиевого ангидрида в трубе Вентури при акустической коагуляции, полученные на опытной заводской установке показали, что расхождение расчетной и экспериментальной осадительных характеристик связано с разрушением агрегатов, образованных при акустический коагуляции, в условиях больших градиентов скоростей и ускорений пылегазового потока в трубе Вентури.

6. Экспериментальное исследование электростатического осаждения аэрозоля при предварительном укрупнении частиц в звуковом поле показало, что при 10-ти кратном укрупнения частиц за счет акустической коагуляции остаточная запыленность после электрофильтра уменьшается в 15 - 17 раз (до значений ¡лэл = 0.02 - 0,018). При электростатическом осаждении агрегаты, образованные в звуковом поле, не разрушаются.

1.1. Высокоинтенсивные акустические генераторы

2. Несмотря на широкое распространение сирен, некоторые вопросы их конструирования не получили достаточного освещения в литературе. Большинство работ 3, 116. посвящено описанию теоретических расчетов по выбору частоты, формы рабочих отверстий и т. д.

3. При отсутствии экспоненциального рупора акустический к.п.д. сирен резко понижается, в особенности на низких частотах, не превышает 1 — 2%, что объясняется отсутствием согласованности между источником звука и озвучиваемой средой.

4. Каждый экспоненциальный рупор имеет свою критическую частоту, ниже которой звук не проходит; величина ее зависит от коэффициента расширения рупора

5. Рис.6.1. Зависимость звукового давления и расхода воздуха от величины зазора. Кривые 1 и 2 для расхода воздуха; 3 и 4 - для звукового давления; 1 и 3 — для дозвуковой, 2 и 4 — сверхзвуковой скорости истечения воздуха.

6. Рис. 6.2. Зависимость эффективности излучения от числа генераторов звука для различной формы диффузоров.

7. Кривые: 1 экспоненциальной, 2 - конической, 3 и 4 конической с вставкой и с отношением площадей оснований 5ниж/5верх равным 4 и 5.

8. Низкочастотная электродинамическая сирена малой мощности

9. Рис. 6.3. Низкочастотная электродинамическая сирена малой мощности.

10. Рис.6.4. Низкочастотная электродинамическая сирена СДН 0.5.

11. Диффузор сирены рассчитан на согласование с закрытым пространством (газоходом) диаметром (или квадратом) 200 250 мм.

12. Низкочастотная электродинамическая сирена средней мощности

13. Рис. 6.5. Низкочастотная электродинамическая сирена средней мощности С-200.

14. Устройство узла генерации сирены показано на рис. 6.6.

15. Рис. 6.6. Общий вид электродинамической сирены.

16. Сирена в сборе без согласующего диффузора показана на фотографии рис.6.7.

17. Рис. 6.7. Сирена в сборе с электродвигателем.

18. Рис. 6.8. Общий вид диффузора.

19. Сирена с электродвигателем и диффузором показана на фотографии рис.

20. Рис. 6.9. Общий вид сирены с диффузором на экспериментальной установке.

21. Низкочастотная электродинамическая сирена большой мощности

22. Для озвучивания больших объёмов пылегазовых потоков была разработана сирена большой мощности: аксиальная сирена с экспоненциальным согласующим диффузором.

23. Чертёж общего вида мощной аксиальной сирены С-450, поясняющий её конструкцию, показан на рис. 6.11.

24. Рис. 6.11. Конструкция мощной аксиальной электродинамической сирены С-450.

25. На рис. 6.12 представлена фотография рупора и внутренней вставки диффузора для согласования излучения от узла генерации звука в газоход сечением 3x5 м от котлоагрегата типа ТПП-210А энергоблока мощностью 300 МВт Новочеркасской ГРЭС.

26. Рис. 6.12. Рупор и внутренняя вставка диффузора сирены С-450.

27. Для определения и оптимизации технических характеристик мощная низкочастотная сирена была испытана на специальном стенде. На рис. 6.13. представлена фотография сирены С-450, установленной на испытательном стенде Новочеркасской ГРЭС.

28. Рис. 6.13. Испытательный стенд сирены большой мощности.

29. Основные результаты и выводы

30. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СХЕМ ОСАЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКОЙ КОАГУЛЯЦИИ ДЫМОВ

31. Промышленная установка для осаждения летучей золы с предварительной акустической коагуляцией дымов ТЭЦ71.1. Общая схема и основные параметры установки

32. Рис. 7.1. Общий вид промышленной коагуляционной установки на Новочеркасской ГРЭС.

33. Рис. 7.2. План расположения основных узлов и газоходов промышленной установки для осаждения летучей золы.

34. Схема установки с системой контрольно-измерительных приборов представлена на рис. 7.3.

35. Рис. 7.3. Схема промышленной установки для коагуляции частиц летучей золы в мощном низкочастотном акустическом поле.

36. Степень загрязнения регенеративных воздухонагревателей 3 и 4 определялась по их аэродинамическому сопротивлению дымовым газам, величина которого определялась по перепаду давления с помощью и-образных манометров 17 и 18.

37. Основные параметры промышленной установки для низкочастотной акустической коагуляции дымовых газов в скрещенных звуковых поляхприведены ниже.

38. Производительность, м3/ч 750000.

39. Диапазон рабочих частот, Гц 100-1000.

40. Звуковое давление в газоходах и РВВ, Па, (дБ) 630 (150).

41. Уровень шума на расстоянии 1 м от сирен, Па (дБ) 0,8 (92).

42. Потребление рабочего пара давлением 106 Па, т/ч 1,6-2.

43. Потребление электроэнергии, кВт/ч 4.

44. Датчиком звукового давления служил пьезокерамический шарик диаметром 10 мм. Так как размеры датчика намного меньше длины звуковой волны, он не вносил искажений в звуковое поле. Точность измерения датчиком звукового давления составляла 20 %.

45. Аэродинамическое сопротивление воздухонагревателей измерялось по перепаду полных напоров на входе и выходе аппарата:

46. МЛ,.« +к,ин) (РвЬ1ХСт + кых.дин), (7.1)где Рвхст и Рвыхст статические давления на входе и выходе РВВ; Кхст и Кыхст " динамические напоры в тех же точках замера.

47. Испытания проводились на энергоблоке мощностью 300 мВт при различных режимах работы котлоагрегата типа 11И1-210А, что позволило определить пределы изменения параметров пылегазового потока и осадите льных электрофильтров.

48. В топках котлоагрегата сжигалось пылевидное топливо, получаемое после размола донецкого угля АШ в шаровых барабанных мельницах до тонины помола 7 8% остатка на сите 80 мкм и 2% остатка на сите в 200 мкм.

49. На рис. 7.4 показано дисперсное распределение по счету (кривая 1) и весу (кривая 2) частиц летучей золы перед осадителем при сжигании в топках котлоагрегата донецкого угля АШ.

50. Средний медианный размер частиц по счету равен 1.8 мкм, по весу 9,5 мкм, частицы размером менее 5 мкм составляют 70% по счету и 30% по весу.Жа-а11. Э* §99.999,5 99 9895 90 80 70 60 50 40 30§■ 20 В Ша 5