Осаждение аэрозолей с помощью акустического излучения и дополнительной дисперсной фазы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Антонникова Александра Александровна

ОСАЖДЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

7 АВГ 2014

005551460

Томск-2014

005551460

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук, в лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Кудряшова Ольга Борисовна

Официальные оппоненты:

Борисов Борис Владимирович, доктор физико-математических наук, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», кафедра теоретической и промышленной теплотехники, профессор

Ассовский Игорь Георгиевич, доктор физико-математических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, лаборатория физики горения твердых-топлив, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Бийский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита состоится 26 сентября 2014 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.13, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на официальном сайте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ:

http://vvww.tsu.ru/content/news/announcement_of_the_dissertations_in_the_tsu.php

Автореферат разослан « » июля 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Христенко Юрий Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Окружающий человека атмосферный воздух непрерывно подвергается загрязнению. Воздух производственных помещений загрязняется выбросами технологического оборудования или при проведении технологических процессов без локализации отходящих веществ. Удаляемый из помещения вентиляционный воздух может стать причиной загрязнения атмосферного воздуха промышленных площадок и населенных мест.

Качество воздуха производственных помещений, его воздействие на организм человека, а также, во многих случаях, влияние на оборудование в значительной мере обусловлены содержанием в нем взвешенных частиц, главным образом, пыли. Присутствие пыли непосредственным образом отражается на здоровье человека, находящегося в помещении. В связи с ежегодным ростом уровня профессиональной заболеваемости работников вредных отраслей, где присутствуют аэрозольные загрязнения, особую актуальность приобретает охрана их здоровья и создание безопасных условий труда. Отсюда возникает необходимость проведения исследований по созданию метода эффективной нейтрализации вредных выбросов, в частности, осаждения аэрозолей.

В настоящее время для нейтрализации промышленных аэрозолей используются разнообразные устройства (например, циклоны, фильтры, пылеуловители, осадительные камеры). Однако они обладают значительными недостатками: сложность устройства, невозможность улавливания мелкодисперсных аэрозолей; невозможность использования в агрессивных и взрывоопасных газах; необходимость очистки или замены фильтрующего элемента, что приводит к значительному ограничению области применения подобных средств для очистки газовых сред.

Возможным решением указанной проблемы является укрупнение и последующее осаждение частиц под действием автономных акустических источников (ультразвуковых). С другой стороны, для ликвидации твердофазных аэрозольных и газообразных выбросов эффективным способом может служить дополнительное распыление мелкодисперсного жидкокапельного аэрозоля, что создает условия для коагуляции промышленного аэрозоля и его осаждения.

Предложенный способ осаждения (воздействие ультразвука и дополнительной дисперсной фазы на облако аэрозоля) имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными методами улавливания и осаждения промышленных аэрозолей: простота конструкции, компактность в размещении; применимость к агрессивным и взрывоопасным газам; возможность работы при высоких давлениях и температурах.

При этом, чем выше дисперсность нейтрализующего аэрозоля, тем лучше достигаемый эффект, поскольку высокая удельно-массовая поверхность жидкокапельного аэрозоля дает большую суммарную площадь адсорбции.

Таким образом, большой практический интерес представляет дополнительное введение мелкодисперсного аэрозоля с характерным размером частиц порядка 1-5 мкм.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов эволюции и механизмов осаждения мелкодисперсных аэрозолей с помощью акустического излучения и дополнительной дисперсной фазы; поиск путей и способов ускорения осаждения таких аэрозолей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать наиболее распространенные источники образования промышленных аэрозолей и способы их нейтрализации. Предложить новый эффективный метод осаждения аэрозолей, обосновав его преимущества перед применяемыми на практике методами.

2. Осуществить обоснованный выбор способов экспериментального исследования, учитывая свойства рассматриваемых аэрозольных сред.

3. Создать экспериментальную базу и разработать методики проведения исследований процесса коагуляции взвешенных частиц рассматриваемого аэрозоля в звуковом поле, с предварительным распылением жидкокапельного аэрозоля.

4. Разработать физико-математическую модель эволюции аэрозольного облака, в том числе двухфазного аэрозоля, под действием ультразвукового (УЗ) излучения.

5. Провести серии экспериментов по осаждению различных аэрозолей под ультразвуковым воздействием, в том числе с внесением дополнительной дисперсной фазы с целью установления закономерностей процесса и проверки адекватности физико-математической модели.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются аэрозоли, оказывающие вредное воздействие на людей. При выполнении работы применялись как теоретические; так и экспериментальные методы исследования, направленные на достижение поставленной цели. Теоретические исследования проводились путем построения математических моделей, допускающих аналитические и численные решения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведено детальное теоретическое и экспериментальное исследование механизма взаимодействия ультразвукового излучения с мелкодисперсными аэрозольными средами. Получены новые закономерности, позволяющие определить изменение массы и дисперсности аэрозоля в зависимости от начальных размеров, физико-химических свойств частиц и параметров внешней среды.

2. На основании исследования механизмов ультразвукового осаждения аэрозолей, впервые найдены предельные случаи осаждения мелкодисперсных аэрозолей и возникающие при этом основные процессы: коагуляция или радиационное давление. Установлено, что применение дополнительной

дисперсной фазы с размерами частиц, порядка 2-4 мкм, повышает эффективность коагуляции аэрозолей при ультразвуковом воздействии.

3. Определены новые закономерности процесса осаждения мелкодисперсных аэрозолей, состоящих из двух фаз (жидкокапельной и твердофазной), в широком диапазоне параметров: дисперсность и физико-химический состав частиц, температура и влажность среды, частота акустического воздействия.

4. Исследование ультразвукового осаждения аэрозолей имеет фундаментальное значение с точки зрения выявления механизмов взаимодействия частиц аэрозолей с характерным диаметром, менее 10 мкм, с акустическим излучением. Прикладное значение работы заключается в разработке новых способов осаждения промышленных аэрозолей.

Практическая значимость:

1. Теоретически и экспериментально подтверждена эффективность предварительного введения мелкодисперсного водного аэрозоля и применения УЗ-воздействия для коагуляции и осаждения аэрозолей.

2. Предложены рекомендации по оптимальному размещению в производственном помещении источников акустического излучения и дополнительной дисперсной фазы с целью наиболее эффективного осаждения вредных пылей и дымов.

3. Разработанный способ очистки и полученные данные работы могут быть применены для устранения мелкодисперсного аэрозоля пыли, задымленности, пара в закрытом пространстве.

Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, установлении задач и планировании исследований, выборе теоретических и экспериментальных методов решения поставленных задач. Диссертант принимал непосредственное участие в постановке и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, подготовке публикаций по выполненной работе.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VII Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г.Томск, 2011), XVII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (г.Томск, 2011), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, экономике и образовании» (г. Бийск, 2011), XVIII и XIX Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2011, 2012), International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electronic Devices «EDM2012» (Altai, 2012), XXX Сибирском теплофизическом семинаре X Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г.Новосибирск, 2012), XXIII семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям (с международным участием) (г. Томск, 2012), IV научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (г. Бийск, 2012).

Исследования проводились в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 12-08-90811-мол_рф_нр «Эволюция облака жидко-капельных аэрозолей в поле силы тяжести с учетом взаимных столкновений и процессов динамического взаимодействия частиц с окружающей средой», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» №2012-1.4-12-000-4005-8160 «Повышение эффективности ракет космического назначения (РКН) с маршевыми ЖРД за счёт использования ресурсов отделяющихся частей (ОЧ), в том числе заключённых в невырабатываемых остатках компонентов ракетного топлива (КРТ) и накопленной энергии на участке выведения для реализации программы прикладных и фундаментальных экспериментов». •

На защиту выносятся:

1. Физико-математическая модель коагуляции аэрозольных сред, учитывающая процессы испарения, седиментации, влияния акустического поля, взаимодействия фаз.

2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований эволюции аэрозолей при УЗ-воздействии и введении дополнительной фазы различной дисперсности для различных значений параметров аэрозоля, акустического воздействия, окружающей среды.

Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 21 научной работе, в том числе 9 статей в российских рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 46 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, состояние проблемы, сформулированы цель работы и задачи исследований.

В первой главе описаны источники вредных аэрозолей в разных отраслях промышленности (на примере различных производств). Приведен обзор литературы и выполнен анализ используемых на практике способов улавливания дисперсных примесей из газовых сред.

Выявлено, что присутствие в воздухе промышленных выбросов (текстильной, мучной, угольной пыли и т.д.) непосредственным образом отражается на здоровье человека, находящегося в производственном помещении. Пыль (или туман) оказывает вредное действие на органы дыхания, зрения, кожу, а при проникновении в организм человека - также на пищеварительный тракт. Многие виды пыли, проникая в легкие, усиливают развитие в них патологических процессов (пневмокониоз, хронический бронхит, ларингит и др.). В определенных условиях пыль может создать опасность загорания и взрыва. Воспламенение и взрыв пыли, находящейся во взвешенном состоянии, зависит от концентрации ее в воздухе, размера частиц, влажности, температуры воспламенения и действия теплого источника. Установлено, что большинство промышленных выбросов представляют собой

мелкодисперсные аэрозоли с характерным размером частиц, порядка 10-15 микрометров и менее (как с твердой, так и с жидкой дисперсной фазой), обоснована необходимость их улавливания.

Определено, что среди существующих способов осаждения аэрозолей (гравитационное, мокрое пылеулавливание, электростатическое, сухое инерционное и центробежное осаждение, звуковая и ультразвуковая коагуляция, фильтрация), наиболее перспективными является ультразвуковой и акустический, поскольку они обладают рядом преимуществ: осаждение, в том числе, мелкодисперсных аэрозолей, возможность работы при высоких температурах и давлениях, компактность аппаратуры и т. д.

В заключительной части первой главы, на основании проведенного анализа, для осаждения промышленных аэрозольных образований предлагается способ предварительного распыления нейтрализующего жидкокапельного аэрозоля в дополнение к воздействию акустического поля. Такое распыление создаст дополнительные центры коагуляции, что особенно необходимо, если концентрация аэрозоля мала.

Вторая глава посвящена сравнительному анализу конструкций источников УЗ-колебаний и методов распыления жидкокапельного аэрозоля.

Показано, что из всех акустических излучателей (аэродинамические и электромеханические) чаще всего используются на практике аэродинамические излучатели (динамические сирены, газоструйные свистки). Однако по причинам низкого КПД (в лучших образцах достигающего 39 %), невозможности работы на частотах более 20 кГц, быстрого износа механических узлов, габаритных размеров их использование не результативно для УЗ-коагуляции аэрозолей.

Выявлено, что преимущественным вариантом замены аэродинамических излучателей являются пьезоэлектрические преобразователи с излучающими элементами, выполненными в виде дисков, изгибно-колеблющихся на частотах, кратных основной моде колебаний.

Показано, что для повышения эффективности процесса коагуляции аэрозолей акустическими колебаниями необходимо применять УЗ-излучатели, установив и обеспечив оптимальные условия акустического воздействия.

Обзор основных способов непрерывного распыления жидкостей (гидравлическое, механическое, электростатическое, акустическое, пневматическое) показал, что распыливание жидкостей ультразвуком имеет ряд преимуществ перед другими методами - оно позволяет получить аэрозоли с более высокой дисперсностью, также более узкий спектр размеров капель (распределение частиц по размерам, близкое к монодисперсному). Очевидно, для создания максимального количества дополнительных центров коагуляции при одной и той же массе распыляемой жидкости необходимо получить аэрозоль с минимальным размером частиц, а этому требованию отвечает именно ультразвуковой метод распыления, поэтому он является более перспективным для решения поставленной задачи.

Третья глава посвящена теоретическим исследованиям процессов, происходящих в аэрозольных средах, разработке физико-математических моделей коагуляции и осаждения двухфазного аэрозоля под действием акустических полей.

Предложена модель эволюции аэрозоля с учетом процессов испарения (для жидкокапельных аэрозолей) и коагуляции в виде варианта интегрального уравнения Смолуховского, со стоком (испарение) и обрезанием спектра (осаждение):

где Ii описывает убыль частиц с диаметром D за единицу времени в единице объема за счет столкновения капли диаметра D с любой каплей диаметра о,:

/,=-/( АО i K(D, D, )/(£>, J)dDi (2)

о

где KfDJDJ - вероятность столкновений частиц, д = ЛпК, Н - высота

pSPpt

облака; g - ускорение свободного падения, т] - динамический коэффициент вязкости среды, рр - плотность частицы. Все частицы, масса которых превышает максимальное значение Dm3x(t), выпадают из облака и не принимают дальнейшего участия в коагуляции; спектр частиц на каждый момент времени /будет обрезан справа за счет седиментации крупных частиц, причем, постепенно эта граница будет смещаться в сторону все более малых частиц.

Член /2 описывает возникновение частиц диаметра D за счет столкновения капель с диаметрами D{ и D-Di:

¡2 =4 (3)

1 о

Жидкие капли испаряются тем быстрее, чем меньше их размер, за счет кривизны поверхности. Член /3 описывает уменьшение массы частиц за счет их испарения:

Начальные условия для (1): при t=t0 f(D,t0) = f0(D) - начальное распределение частиц по размерам. Для описания функции распределения частиц по размерам обычно применяют гамма-распределение:

/о =aD" exp(-6D), где Ь, а - параметры распределения; а -нормировочный коэффициент.

Предложена модель коагуляции аэрозоля под действием ультразвука. Выражение для вероятности столкновений частиц в модели включает в себя зависимость от частоты и амплитуды звуковых колебаний, концентрации и дисперсного состава исходного аэрозоля, вязкости и температуры среды, физико-химических параметров материала частиц.

K(D,DO

_Knо

(D2 + D,2)

1+kaul

1-

Vl + mV

(5)

где ka, kb - коэффициенты пропорциональности, na - счетная концентрация частиц, v - кинематический коэффициент вязкости среды, U0 - скорость движения частиц в аку стическом поле, со - частота акустического воздействия, т=ррС^Шц - время релаксации частицы.

Асимптотический анализ выражения (5) показывает, что для каждого характерного размера частиц аэрозоля существуют минимальная (неэффективная) со,га„ и оптимальная частоты акустического воздействия aw: при со < сo„„„ ультразвук не оказывает влияния на процессы коагуляции; дальнейшее увеличение со > aw частоты не приводит к ускорению коагуляции (согласуется с известными экспериментальными данными).

Из выражения (5) найдены предельно низкие (неэффективные) и оптимальные частоты ультразвукового воздействия: о(1)

1

Л С=3

1 т^ 1-2,

2о(1)'

о(1)

--1

(6)

Расчет для водного аэрозоля минимальной и оптимальной частот воздействия (6) приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Оптимальная и минимальная частота для водного аэрозоля

Д мкм

COmin, КГЦ 0W, кГц

1

36 132

19 71

52,5

4,5 37

2,8 26

18,1

1,4 13,3

1,2 10,1

1

10 0,4 6,5

Также в главе 3 предложена физико-математическая модель (1-4) в случае двухфазного аэрозоля. Такая задача на практике имеет место, к примеру, в шахтах (угольная пыль и водной туман), при тушении пожаров (дым и вода), при осаждении промышленных пылей с помощью водных аэрозолей и т.п.

Введение в существующий аэрозоль дополнительной фазы повышает концентрацию частиц па, что способствует ускорению коагуляции и осаждения, как видно из выражения (5). В этом случае следует ожидать, что при использовании одной и той же массы вводимого аэрозоля больший эффект будет получен при большей дисперсности последнего: при большем количестве частиц возрастает удельная поверхность, увеличивается число столкновений в единицу времени, возрастает скорость коагуляции и осаждения.

Описанную выше модель коагуляции аэрозоля дополним начальным

условием:

/(£>) = а((1 -й)Оа ехр(-ЬО) + 80а' ехр(-^О)), (7)

где параметры распределения с индексом 1 относятся к дополнительной фазе аэрозоля; 5 - счетная доля частиц дополнительной фазы. При этом необходимо учитывать возможность испарения частиц одной или обеих фаз (в случае трудноиспаряемых жидкостей).

Вероятность столкновений частиц повышается при введении дополнительной фазы

Как показывают рассчеты, введение мелкодисперсного (диаметр частиц 1-5 мкм) аэрозоля даже в количестве 5 % от массы исходного существенно, в несколько раз, повышает скорость осаждения аэрозоля; 'ультразвуковое воздействие еще более ускоряет этот процесс. Введение аэрозоля с более крупным диаметром частиц (30-40 мкм) не оказывает заметного влияния на скорость осаждения исходного аэрозоля.

Помимо коагуляции частиц на скорость их движения в акустическом поле влияет радиационное давление («звуковой ветер»), причем, чем меньше размер частицы, тем, очевидно, больше это влияние. Скорость коагуляции, при этом, может не отличаться от броуновской - осаждение будет обусловлено именно звуковым ветром, а не укрупнением частиц и их движением в гравитационном поле.

Получим выражение для скорости дрейфа частицы, складывающейся из скорости стоксовой седиментации V, и скорости звукового ветра Ук:

° » 18п 12ц' (8)

где II- скорость дрейфа частицы, Р - давление звукового излучения.

Ведущим механизмом осаждения при этом будет тот, скорость которого будет выше для данного размера частиц. Таким образом, критерием перехода от одного к другому ведущему механизму ультразвукового осаждения мелкодисперсных аэрозолей следует считать отношение скоростей стоксовой и радиационной седиментации:

К _2°сгРр8 .

К 3 р

Чем выше уровень громкости (звуковое давление), тем больше критический диаметр. Так, ультразвук с уровнем громкости 140 дБ увлекает частицу диаметром 50 мкм и более за счет радиационного давления быстрее, чем в аэрозоле могут пройти процессы коагуляции и гравитационного осаждения, а для уровня громкости 110 дБ диаметр такой частицы только 1,5 мкм.

Уравнение (1) описывает изменение функции распределения частиц аэрозоля по размерам во времени, на которое влияют процессы осаждения и испарения.

Изменение массы аэрозоля определяется испарением частиц (для жидких капель) и осаждением:

с1т Л

Г

2п0/Мр,0

ЙГ

( 4ш Л Л

+ ит{ Г)

Н

ЯО,1)сЮ, (9)

где О/- коэффициент диффузии паров, М-молекулярная масса, р,-2338,8 Па, Д - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, -коэффициент поверхностного натяжения, Тк - температура капли, \р -влажность, т - масса аэрозоля, Я - высота облака. Скорость дрейфа частицы [/определяется выражением (8), а функция распределения частиц по размерам ДД0 - выражением (1). Диаметр частиц Д™^)- это такая величина, что частицы с диаметром О > Отах на момент времени I выпадут в осадок. Учитывая, что # = М, из уравнения (8) получим:

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных в подтверждение теоретических расчетов с использованием численного моделирования.

В первой части главы описаны способы и устройства для выполнения экспериментов. Исследования проводились с использованием специальной экспериментальной установки с аэрозольной камерой объемом 1 м . Воздействующее на аэрозоль акустическое поле создавалось с помощью двух ультразвуковых дисковых излучателей с рабочими частотами 22 кГц и 28 кГц (уровень звукового давления - не менее 144 дБ) и сирены РМА 121с частотой колебаний 2,4 кГц (уровень звукового давления - не менее 121 дБ). Отверстие для присоединения акустического источника расположено в верхней части камеры; излучающая поверхность расположена на расстоянии 0,3 м от верхней стенки камеры.

Модельные среды были выбраны исходя из цели работы - осаждение мелкодисперсных аэрозолей. Среды с жидкой дисперсной фазой выбирались с разными физико-химическими свойствами веществ для создания туманов. В качестве распыляемой жидкости использовались дистиллированная вода, подсолнечное масло, 18% и 70 %-ные водные растворы глицерина. Подсолнечное масло моделирует конкретную ситуацию с возможными промышленными выбросами. Дисперсность жидкокапельных аэрозолей задается настройкой распылительного устройства. Для экспериментов с твердофазными аэрозолями, был выбран дым, содержащий частицы сажи с диаметром 2-4 мкм, просеянная угольная и мучная пыль (достаточно типичные промышленные аэрозоли) с размером частиц 20-30 мкм.

Для создания жидкокапельного аэрозоля использовался краскопульт КРАТОН LVLP-02S, настроенный на заданные характеристики (средний размер частиц около 9 мкм). Твердофазный аэрозоль создавался с помощью пескоструйного пистолета КРАТОН SBG-01 3 01 02 033. Подача и поддержание необходимого давления осуществлялась при помощи азотного баллона с регулируемым давлением. Введение дополнительной фазы в полученное облако аэрозоля осуществляли с помощью ультразвукового ингалятора «Муссон-2» (производительность ингалятора 1,2 мл/мин, средний размер частиц не более

(Ю)

1-5 мкм).

Измерения дисперсных характеристик и концентрации частиц аэрозолей в динамике проводились с помощью лазерного измерительного комплекса ЛИД-2М, основанного на применении метода малоуглового рассеяния. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.

1

ш

в

а»-*

7

ТГ

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки: 1 - аэрозольная камера, 2 - УЗ-излучатель, 3 - распылитель основного аэрозоля, 4 - распылитель' дополнительной жидкокапельной фазы, 5 - лазер, 6 - фотоприемник, 7 - многоканальный усилитель, 8 - система сбора и обработки данных

Во второй части главы описаны результаты исследований эволюции жидкокапельных аэрозолей под влиянием ультразвука с разными частотами и введением дополнительной фазы.

На рисунке 2 представлены графики зависимости дисперсности и концентрации частиц водного аэрозоля от времени.

,1

I

4* *

А

50 100 150 200 250 300 350

а)

I

* ** *

■ ■

50 '00 150 200 250 300 б)

Рисунок 2 - Зависимости среднего объемно-поверхностного диаметра Оп (а) и концентрации частиц (б) водного аэрозоля от времени без УЗ-воздействия (1) и при воздействии ультразвука с частотой 28 кГц (2); температура среды 25 °С

Из анализа представленных зависимостей следует, что под воздействием ультразвука с частотой 28 кГц время осаждения жидкокапельного аэрозоля

сокращается в ~ 2 раза. При этом средний объемно-поверхностный диаметр увеличивается по сравнению с исходным (в течение ~ 2 мин.), а затем уменьшается, такой эффект объясняется протеканием процессов коагуляции и испарения при осаждении жидкокапельного аэрозоля под УЗ-воздействием.

На рисунке 3 показаны зависимости относительной массы (а) и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц (б) аэрозоля подсолнечного масла от времени при УЗ-воздействии с использованием дополнительной фазы (водного аэрозоля) и без нее. Экспериментальные исследования показывают, что введение в аэрозоль дополнительной фазы ускоряет осаждение аэрозоля, способствуя коагуляции, что подтверждается результатами расчетов (сплошные линии на графиках).

мкм

9 ■

¿4=4

}

200 100 600 800 1000 1200 1400 /, с

а) б)

Рисунок 3 - Динамика относительной массы (а) и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц (б) аэрозоля подсолнечного масла при УЗ-воздействии с дополнительной фазой водного аэрозоля (2) и без дополнительной фазы (1): точки - эксперимент, кривые - расчет

В таблице 2 приведено расчетное время осаждения масляного аэрозоля для четырех случаев.

Вид воздействия Время осаждения, ч

Без воздействия 4,41

Ультразвуковое воздействие, 28 кГц, 140 дБ 1,07

Введение дополнительно водного аэрозоля (1Э32~ 5 мкм) 4,38

УЗ-воздействие + дополнительный водный аэрозоль 0,69

Как видно из таблицы 2, совместное использование УЗ-воздействия и дополнительной высокодисперсной фазы (водного аэрозоля) более чем в 6 раз, ускоряет осаждение масляного тумана.

Эффект интенсификации осаждения мелкодисперсного аэрозоля объясняется тем, что при введении дополнительной фазы с мелким размером капель существенно увеличивается счетная концентрация частиц. Вероятность столкновения частиц А^(Д£>,) пропорциональна их счетной концентрации,

следовательно, скорость коагуляции и осаждения аэрозоля повышается при увеличении числа частиц в единице объема. «Орошение» исходного масляного аэрозоля с помощью дополнительного водного приводит к увеличению числа частиц, что и способствует интенсификации процесса коагуляции.

На рисунке 4 показана зависимость относительной массы (а) и среднего объемно-поверхностного диаметра (б) аэрозоля 70 %-ного водного раствора глицерина от времени при аналогичных воздействиях. В таблице 3 приведено расчетное время осаждения раствора.

а) б)

Рисунок 4 - Динамика относительной массы (а) и среднего объемно-поверхностного диаметра частиц (б) аэрозоля 70 %-ного водного раствора глицерина без воздействия (1), при УЗ-воздействии (2) и при УЗ-воздействии с дополнительной фазой водного аэрозоля (3): точки - эксперимент, кривые - расчет

Как видно из проведенных расчетов (таблица 3), УЗ-воздействие и введение дополнительного мелкодисперсного водного аэрозоля позволяет существенно снизить время осаждения исходного (слабоиспаряемого) аэрозоля. Эксперименты подтверждают этот вывод.

Таблица 3 - Время полного осаждения аэрозоля 70 % раствора глицерина

Вид воздействия Время осаждения, ч

Без воздействия 3,97

Ультразвуковое воздействие, 28 кГц, 140 дБ 1,98

УЗ-воздействие + дополнительный водный аэрозоль 0,65

Экспериментальные исследования эволюции аэрозоля при воздействии излучения с частотой 22 кГц показали, что воздействие ультразвука практически не меняет зависимость среднего диаметра от времени (рисунок 5), следовательно, если УЗ-воздействие и играет роль, то не за счет ускорения коагуляции (что для таких размеров частиц справедливо), а за счет механизма радиационного давления. Ультразвук с частотой 28 кГц способствует коагуляции частиц (рисунок 5, А).

- £>32, мкм

7 •

5 ! 4 ■ 3 ■ 2 ■ 1 • О ■

360 2700 3300 3900 4230

♦

4 4

{ <

i

\ \

4

4

5400 6000'»с

Экспериментальные точки: ♦ - без воздействия; • —/ = 2,4 кГц; ■ - УЗ/= 22 кГц; А - УЗ/= 28 кГц Рисунок 5 - Зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра частиц аэрозоля 18 %-ного водного раствора глицерина от времени при воздействии акустического излучения различной частоты

Расчетные кривые: 1 - без воздействия; 2 - УЗ/= 22 кГц; 3 - УЗ/= 28 кГц.

Экспериментальные точки: ♦ - без воздействия; • -/= 2,4 кГц;

■ - УЗ/= 22 кГц; ▲ - УЗ/= 28 кГц Рисунок 6 - Зависимость относительной концентрации аэрозоля 18 %-ного водного раствора глицерина от времени при воздействии акустического излучения различной частоты: а)I = (0 100) мин.; б) / = (40 100) мин.

Концентрация частиц при УЗ-воздействии падает быстрее, чем без него (рисунок 6): для частоты ультразвука 28 кГц время полного исчезновения аэрозоля уменьшается в 1,7 раза (96 минут вместо 162 минут); для частоты 22 кГц (основной эффект — радиационное давление) - время полного исчезновения меньше в 1,13 раз (143 минуты вместо 162).Звуковая частота (2,4 кГц) не оказывает никакого влияния на скорость осаждение аэрозоля.

В третьей и четвертой частях главы описаны результаты исследований эволюции твердофазных аэрозолей под влиянием ультразвука с разными частотами и введением дополнительной фазы.

На рисунке 7 приведены аналогичные зависимости для процесса коагуляции распыленной муки. Из зависимости на рисунке 7 а видно, что на начальном этапе УЗ-воздействия происходит значительное увеличение (в

0.16 -.»"»¡о

60 70 80 90 МИН

2,5 раза) среднего диаметра частиц, что сопровождается быстрым (в два раза с 0,8 г/м3 до 0,4 г/м3) уменьшением концентрации аэрозоля за время 150 с (рисунок 7 б). Для сравнения, в контрольном опыте без УЗ-воздействия изменение концентрации происходит всего на 0,1 г/м3 с 0,5 г/м3 до 0,4 г/м3. После 150 с эффект от УЗ-воздействия заметно уменьшается (увеличение размеров частиц вследствие УЗ-коагуляции составляет только 10-30 %), что, по видимому, связано с малой концентрацией аэрозоля (менее 0,4 г/м3).

« «

t ^ ф

í i

..-Т **-*

О 100 200 300 -100 500 600 700 SOO с 0 100 200 .400 100 500 б00 700 S00 900 с

а) б)

Рисунок 7 - Зависимости среднего объемно-поверхностного диаметра D32 (а) и концентрации частиц (б) распыленной муки от времени без ультразвукового воздействия (■) и с УЗ-воздействием (♦)

Полное осаждение аэрозоля при УЗ-воздействии происходит через 10,5 минут, в контрольном опыте (без УЗ-воздействия) - через 15 минут. В результате проведенных экспериментов установлено, что воздействие УЗ-колебаниями на твердофазные аэрозоли наиболее эффективно при концентрациях более 0,4 г/м3.

Аналогичные эксперименты были проведены с угольной пылью и имели подобный результат.

Экспериментальные исследования с частицами сажи (дымом) показали, что скорость осаждения микронного аэрозоля (£>31 =(2 -s- 4) мкм) при УЗ-воздействии увеличивается незначительно. Средний объемно-поверхностный диаметр под действием ультразвука имеет тенденцию к увеличению, но для дыма этот эффект выражен не так явно, как для более крупнодисперсных аэрозолей воды и муки в аналогичных опытах. Поэтому для увеличения скорости осаждения дымов необходимо применять другие способы, в том числе в сочетании с УЗ-воздействием. Одним из способов интенсификации осаждения является введение дополнительной жидкой фазы в твердофазный аэрозоль. Анализ указанного способа и выбор оптимальной дисперсности дополнительной фазы осуществлен по результатам серии экспериментов.

Выявлено, что крупнодисперсные водные капли (диаметр частиц 30-40 мкм) не интенсифицируют процесс осаждения дыма. Мелкодисперсные капли (2-4 мкм), напротив, сильно (в 5-6 раз) ускоряют осаждение. Наибольший эффект интенсификации осаждения смеси аэрозолей отмечен при воздействии ультразвуком.

В заключительной части главы предложены рекомендации по оптимальному размещению в помещении УЗ-излучателей и распылителей дополнительной дисперсной фазы в целях эффективного осаждения аэрозоля.

Как было показано в главе 3, ведущим механизмом при осаждении мелкодисперсных аэрозолей, особенно при невысоких концентрациях, является радиационное давление (а не коагуляция), поэтому располагаться излучатели должны по направлению вниз, либо под углом, но так, чтобы одна из проекций вектора УЗ-воздействия совпадала с вектором силы тяжести.

Поскольку особенностью конструкции используемых в работе дисковых излучателей является двухстороннее излучение УЗ-колебаний, зона над диском также подвергается воздействию. При расположении диска близко к потолку помещения верхняя часть акустического поля будет отражаться и перенаправляться вниз. Процессы отражения и переотражения неизбежно будут присутствовать в помещении, но для целей осаждения аэрозолей это положительное явление: формируемое в результате акустическое поле будет более равномерное по амплитуде. Следует учитывать, что при этом часть аэрозоля будет осаждаться не на полу, а на стенах помещения (за счет радиационного давления, которое в случае переотражения будут частично направлено не вниз, а к стенкам).

При осаждении аэрозолей с характерным диаметром частиц, менее 10 мкм следует отдать предпочтение УЗ-излучателям с частотой 32 кГц (максимальная частота из серии используемых излучателей). Излучатели, работающие на более низких частотах, в том числе, на звуковых, также производят эффект за счет радиационного давления, но эффектов ускорения коагуляции в этом случае не будет наблюдаться, кроме того, их использование (интентенсивность звукового давления 120 дБ и выше) небезопасно для людей и животных, в отличие от ультразвука, неслышимого ухом.

Предлагаемые схемы размещения излучателей будут зависеть от размеров помещения. Основной принцип - размещение на расстоянии не более 9 м, направление - вниз (или под углом вниз) под потолком. Для небольшого помещения достаточно одного излучателя. В большом помещении (длина/ширина > 9 м) излучатели целесообразно поставить под углом (~ 45 °) в ребрах на потолке. При этом серия переотражений приведет к созданию более равномерного акустического поля внутри помещения с рабочей амплитудой, не менее 120 дБ. Если высота помещения превышает 4,5 метра, амплитуда поля на расстоянии, превышающем эту высоту, будет ниже 120 дБ и эффективность воздействия снижается. Тем не менее, при размещении излучателей на потолке радиационное давление достаточно быстро прижмет аэрозоль к полу, способствуя гравитационному осаждению. В любом случае, излучение с максимально высокой частотой (оптимальная частота для осаждения частиц с диаметром, менее 10 мкм, порядка 30 кГц и более) будет способствовать коагуляции частиц аэрозоля (при любом размещении излучателя).

При низких концентрациях и малых размерах частиц (£)з2<10 мкм) аэрозоля, который требуется осадить, использование мелкодисперсной

дополнительной фазы способствует более быстрому осаждению. При этом, чем выше дисперсность дополнительной фазы и чем выше расположен распылитель, тем лучше эффект. Главная идея заключается в увеличении количества центров коагуляции, а их (при одной и той же массе распыляемого вещества) тем больше, чем выше дисперсность. Второе достоинство малых размеров 'частиц дополнительной фазы - легкость их распространения в пространстве за счет эффектов конвективной диффузии. Крупные частицы быстро увлекаются гравитационным полем вниз, но мелкие (10 мкм и меньше) могут распространяться, в том числе, и вверх. В любом случае, следует размещать распылитель выше, ближе к потолку помещения. Если распылитель помещен рядом с ультразвуковым излучателем, то совместное действие второй фазы и акустического поля наиболее эффективно. Поэтому при проектировании размещения распылителей можно следовать тем же рекомендациям, которые были сделаны для размещения излучателей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена физико-математическая модель эволюции аэрозольного облака, в том числе, состоящего из двух фаз, с учетом испарения мелких капель, коагуляции и осаждения; выявлены ведущие механизмы уменьшения массы аэрозоля под действием акустического излучения.

2. Рассмотрены механизмы осаждения мелкодисперсных аэрозолей под действием ультразвука: за счет коагуляции и за счет радиационного давления. Определен критерий смены ведущего механизма осаждения. Показано, что для аэрозолей с характерным диаметром частиц, менее 10 мкм, ведущим механизмом ультразвукового осаждения является радиационное давление.

3. Определены оптимальная и минимальная (неэффективная) частоты воздействия звукового поля в зависимости от характерного диаметра частиц аэрозоля с точки зрения повышения скорости коагуляции и осаждения. Показано, что звуковые частоты неэффективны при осаждении аэрозолей с характерным диаметром частиц, менее 10 мкм (оптимальная частота воздействия, порядка 30 кГц и более).

4. Теоретически установлена и экспериментально подтверждена эффективность предварительного введения мелкодисперсного (с диаметром частиц около 2-4 мкм) водного аэрозоля и применения УЗ-воздействия для коагуляции аэрозолей.

5. Предложены рекомендации по оптимальному размещению в помещении источников акустического излучения и мелкодисперсного водного аэрозоля с целью эффективного осаждения вредных пылей и дымов.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных результатов диссертаций:

1. Антонникова A.A., Коровина H.B., Кудряшова О.Б., Ахмадеев И.Р., Шалунова К.В., Хмелев В.Н. Экспериментальное исследование динамики дисперсных характеристик аэрозоля при ультразвуковом воздействии // Ползуновский вестник. -2011.-№4-1.-С. 176-179.-0,46/0,08 п.л.

2. Антонникова A.A., Кудряшова О.Б., Хмелев М.В., Шалунов A.B. Исследование эффективности применения ультразвуковых колебаний для осаждения мелкодисперсных аэрозолей // Научно-технический вестник Поволжья. — 2011. — № 6. -С. 96-99.-0,46/0,12 п.л.

3. Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И., Антонникова A.A. Физико-математическая модель динамики функции распределения частиц по размерам с учетом процессов коагуляции, испарения и осаждения // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. - 2012. - № 1(17). - С. 81-90. - 0,58 / 0,19 п.л.

4. Антонникова A.A., Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Ахмадеев И.Р. Экспериментальное исследование процессов трансформации аэрозолей при ультразвуковом воздействии // Оптика атмосферы и океана. — 2012. - Т. 25, №7. -С. 650-652.-0,35/0,09 п.л.

5. Кудряшова О.Б., Антонникова A.A. Физико-математическая модель эволюции двухфазных аэрозолей при ультразвуковом воздействии // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. - 2012. - № 4(20). -С. 94-106.-0,76/0,38 п.л.

6. Антонникова A.A., Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Васенин И.М. Физико-математическая модель испарения капель мелкодисперсных аэрозолей // Ползуновский вестник.-2013. -№ 1.-С. 123-126.-0,46/ 0,12 п.л.

7. Кудряшова О.Б., Антонникова A.A., Титов С.С. Физико-математическая модель коагуляции субмикронных аэрозолей с учетом испарения и осаждения при ультразвуковом воздействии // Теплофизика и аэромеханика. - 2013. - Т. 20, №3. -С. 389-392.-0,46/0,15 п.л.

8. Кудряшова О.Б., Антонникова A.A. Математическая модель эволюции аэрозолей при ультразвуковом воздействии // Известия Томского политехнического университета.-2013.-Т. 322, №2.-С. 160-163.-0,46/0,23 п.л.

9. Кудряшова О.Б., Антонникова A.A., Коровина Н.В., Ахмадеев И.Р., Титов С.С. Экспериментальные исследования эволюции мелкодисперсного аэрозоля растворов глицерина // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56, №9/3.-С. 181-184.-0,46/0,09 п.л.

Статьи в других научных изданиях:

10. Антонникова A.A., Кудряшова О.Б., Павленко A.A., Ворожцов Б.И. Об одной модели эволюции высокодисперсного жидкокапельного аэрозоля // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: материалы VII Всероссийской конференции, г.Томск, ТГУ, 12-14 апреля 2011 г. - Томск: Изд-во Том. гос. ун-та, 2011. - С. 64-65. - 0,23 / 0,06 п.л.

11. Антонникова A.A., Кудряшова О.Б., Павленко A.A., Ворожцов Б.И. Об одной модели трансформации субмикронного аэрозоля // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: сборник трудов XVII Международного симпозиума [Электронный ресурс], г. Томск, ИОА СО РАН, 28 июня-1 июля 2011 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2011.- 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Доклад №С19. -С. 69-72.-0,46/0,12 п.л.

12. Антонникова A.A., Коровина Н.В., Кудряшова О.Б. Математические модели коагуляции и осаждения аэрозольных систем // Информационные технологии в науке,

экономике и образовании: материалы Всероссийской научной конференции, г. Бийск, БТИ АлтГГУ, 22-23 сентября 2011 г. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. -С. 10-13.-0,23/0,08 пл.

13. Антонникова А.А., Кудряшова О.Б., АхмадеевИ.Р. Исследование процессов трансформации аэрозолей при ультразвуковом воздействии // Аэрозоли Сибири: тезисы докладов XVIII Рабочей группы, г. Томск, ИОА СО РАН, 29 ноября-2 декабря 2011 г. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2011. -С. 35.-0,12/0,04 пл.

14. Antonnikova А.А., Kudryashova О.В., Shalunova K.V. Application of Ultrasound to Settle submicron Aerosols // International Conference and Seminar on Micro/Nano techno log ies and Electronic Devices «EDM 2012»: Conference Proceeding, Altai, 2-6 July 2012.Novosibirsk: NTSU publishing office, 2012. - P. 87-89. - 0,35 / 0,12 п.л.

15. Khmelev V.N., Shalunov A.V., Shalunova K.V., Shalunova A. V., Antonnikova A.A. Study of Possibility of Ultrasonic Coagulation in Air Flow // International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electronic Devices «EDM 2012»: Conference Proceeding, Altai, 2-6 July 2012. - Novosibirsk: NTSU publishing office, 2012. - P.183-187. - 0,58 / 0,12 п.л.

16. Антонникова A.A. Физико-математическая модель коагуляции субмикронных аэрозолей с учетом испарения и осаждения при ультразвуковом воздействии // XXX Сибирский теплофизический семинар. Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: тезисы докладов X Международной конференции молодых ученых, г. Новосибирск, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе, 13-16 июня 2012 г. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе, 2012. - С. 11. - 0,12 / 0,12 п.л.

17. Антонникова А.А., Кудряшова О.Б., Васенин И.М. Об одной модели коагуляции аэрозоля И XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (с международным участием): сборник трудов, г. Томск, ЭНИН ТПУ, 26-29 июня 2012 г. - Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2012. - С. 21-25. 0,29 / 0,1 п.л.

18. Антонникова А.А., Кудряшова'О.Б. Исследование процессов эволюции двухфазных аэрозолей при ультразвуковом воздействии // Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов: материалы докладов IV научно-технической конференции молодых ученых, г. Бийск, ИПХЭТ СО РАН, 27-28 сентября 2012 г. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2012. -С. 154-165. -0,7/ 0,35 п.л.

19. Кудряшова О.Б., Антонникова А.А., Коровина Н.В. Осаждение двухфазных аэрозолей под действием ультразвука // Аэрозоли Сибири: тезисы докладов XIX Рабочей группы, г.Томск, ИОА СО РАН, 27-30 ноября 2012 г. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2012. - С. 39. - 0,12 / 0,04 п.л.

20. Кудряшова О.Б., Антонникова А.А., Козлов Е.А. Математическое моделирование эволюции аэрозольного облака с учетом испарения и осаждения // Южно-Сибирский научный вестник. - 2012. - № 2(2). - С. 58-61. - 0,46 / 0,15 пл.

21. Antonnikova A.A., Korovina N.V., Kudryashova О.В. Sedimentation of Superfine Aerosol by Means of Ultrasound // Open Journal of Acoustics. - 2013. - Vol. 3, № ЗА. - P. 16-20. - http://wwv.scirp.org/iounia1/wia/. - DOI:10.4236/oia.2013.33A004. -0,58/ 0,19 п.л.

Подписано в печать ¿£07.2014. Формат 60.84 1/16. Печать - ризография. Усл. печ. л. — 1. Тираж 120 экз. Заказ № 767. Отпечатано в типографии ОАО «ФНПЦ «Алтай» 659322, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1.