Повышение эффективности электрических аппаратов очистки воздуха от частиц аэрозоля

Abstract. This article presents a method of computer aided determination of quality of welded joints on the digital picture cross-section welding, to simplify the process of measuring and reducing the time to process the results.

Keywords: welding, performance, cross-sectional view digital picture, computer program.

УДК 628.1+621.359.4

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ Пономарёв Пётр Тимофеевич, к.т.н., доцент, (e-mail: piter-ponomariov 2012@yandex.ru) Сибирский государственный университет путей сообщения

В статье приводится сравнительный анализ энергетических затрат при очистке воздуха инерционными аппаратами и аппаратами электрической очистки, рассматриваются результаты использования электрического ветра для повышения эффективности электрических аппаратов очистки потока воздуха от частиц аэрозоля.

Ключевые слова: частицы аэрозоля, электрическая очистка, электрический ветер, перенос частиц, эффективность.

Большинство технологических процессов сопровождаются выделением значительного количества вредностей (пыли, дыма, масляного тумана и других аэрозолей). Наибольшее распространение в настоящее время получили два способа борьбы с выделяемыми вредностями:

1. При значительном количестве выделяемых в ограниченном пространстве загрязнителей, последние с помощью аспирационных систем оформляются в организованные (сосредоточенные) выбросы. Воздушные (или газовые) потоки, несущие выделенные вредности, удаляются, либо с последующей очисткой от частиц аэрозолей, либо непосредственно в окружающую воздушную среду (ТЭЦ, цементные заводы, котельные, предприятия по переработке и обогащению полезных ископаемых и т.д.).

2. При рассредоточенном расположении источников выделения вредностей образуются неорганизованные выбросы. В этом случае основным способом поддержания необходимых параметров качества воздушной среды в рабочих пространствах является разбавление приточным воздухом вредностей до предельно допустимых концентраций (ПДК) с последующим удалением с помощью приточно-вытяжной вентиляции.

Наибольшее распространение в настоящее время для очистки газов от частиц аэрозоля (пыли, дыма, тумана...) получили аппараты инерционной и электрической очистки.

В аппаратах инерционной очистки (циклоны, скрубберы, пылеосади-тельные камеры.) используются явления, описываемые вторым законом Ньютона F=m a - при изменении направления движения газового потока

на частицы, обладающие большей массой, действует большая сила инерции. Так, в циклонах осуществляется закручивание, т.е. многократное изменение направления газового потока. При этом частицы аэрозоля, обладающие значительно большей массой по сравнению с молекулами воздуха, силами инерции отбрасываются к стенкам корпуса и под действием сил тяжести перемещаются в бункер. Этот способ выделения частиц из газового потока очень энергозатратный. Действительно, если концентрация частиц аэрозоля в потоке газа (воздуха) са, г/м3, а плотность воздуха рв, г/м3, то для выделения из воздушного потока массой тв= рвУв частиц аэрозоля массой та=саУв приходится затрачивать на изменение направления движения массы воздуха в единицу времени энергию

Wв = рвУв&Ув,

где: Ув - объём очищаемого воздуха, м3; Ув - скорость потока очищаемого воздуха, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Для непосредственного же выведения частиц аэрозоля из потока воздуха необходимо затратить в единицу времени энергию

^а = Са -Ув'^Уа,

где: Уа - скорость перемещения частиц аэрозоля при выведении их из потока воздуха, м/с.

Таким образом, при инерционной очистке газов от частиц аэрозоля энергетические затраты на изменение направления потока воздуха превышают затраты энергии на непосредственное выведение частиц из воздушного потока в

Wв/ Жа= Рв Ув/ Са V

и при условии равенства скоростей Ув= Уа

Wв/ Жа= Рв/ Са . з

Так, при концентрации в газовом потоке частиц аэрозоля са=10 г/м (это очень высокая степень загрязненности газа) и при плотности газа рв=1300 г/м энергетические затраты на изменение направления потока газа превышают затраты энергии на непосредственное выведение частиц аэрозоля из газового потока в рв/ са =1300/10=130 раз.

Кроме высоких энергетических затрат инерционный способ очистки обладает низкой эффективностью, так как из потока удаляются только крупные фракции частиц, на которые действует сила инерции, превышающая силу, с которой действует на частицу несущий её газовый поток. Частицы с малой массой, обладающие недостаточной для выведения из газового потока инерционной силой, выбрасываются в окружающее пространство. По этой причине относительные энергетические затраты увеличатся ещё в несколько раз.

Наиболее эффективными являются аппараты электрической очистки газов от мелкодисперсных примесей, в которых осуществляется непосредственное выведение частиц аэрозоля из газового потока. В их работе используется явление электрической зарядки частиц аэрозолей (пыли, дыма, тумана) и перемещение заряженных частиц в электрическом поле коронного

разряда к осадительным электродам. Коронный разряд в электрофильтрах создаётся между коронирующими электродами, выполненными обычно в виде системы игл, и осадительными, представляющими собой сплошные (воздухонепроницаемые) металлические пластины различной конфигурации. Осевшие на осадительных электродах частицы аэрозоля периодически удаляются в специальный бункер путём встряхивания электродов. При этом отдельные частицы подхватываются и уносятся потоком газа (вторичный унос), в результате снижается эффективность очистки.

В активной зоне электрофильтра имеют место следующие физические процессы (рис.1).

Рис. 1. Схема ионизации, зарядки и перемещения частиц аэрозоля в поле коронного разряда:

1 - коронирующий электрод;

2 - свободный электрон;

3 - отрицательный ион;

4 - частицы аэрозоля;

5 - осадительный электрод;

6 - нейтральные молекулы газов воздуха;

7 - источник питания коронно-разрядного узла.

Вблизи поверхности коронирующего электрода 1 с малым радиусом кривизны при подаче от источника питания 7 отрицательного потенциала возникает электрическое поле высокой напряжённости с зоной ударной ионизации. Свободные электроны 2, находящиеся в этой области, приобретают кинетическую энергию, превышающую энергию ионизации молекул газов воздуха. Образуется лавина электронов и положительных ионов. Положительные ионы нейтрализуются на поверхности коронирующего электрода с отрицательным потенциалом, а лавина электронов под действием сил электрического поля перемещается в направлении осадительного электрода 5 с положительным потенциалом. Во внешней зоне коронного разряда при снижении напряжённости электрического поля энергия электронов недостаточна для совершения актов ударной ионизации и в результате неупругих столкновений с нейтральными молекулами воздуха 6 образуются отрицательные ионы 3. При перемещении в электрическом поле в направлении осадительного электрода 5 отрицательные ионы 3 встречаются с частицами аэрозоля 4, которые, захватывая ионы, приобретают отрицательный заряд и под действием сил электрического поля перемещаются к осадительному электроду.

Особенность современных электрофильтров заключается в том, что они работают эффективно при малых скоростях очищаемого газа: при скорости газового потока уг=1,0...1,2 м/с эффективность очистки достигает ц=97%. По мере увеличения скорости газового потока эффективность работы элек-

трофильтра резко снижается. Так, при повышении скорости потока газа до уг=2,1 м/с эффективность работы электрофильтра уменьшается до ц=87% /1/.

Способность эффективно очищать газы от вредных примесей только при малых скоростях газового потока вынуждает выполнять современные электрофильтры громоздкими и приводит к их высокой металлоёмкости.

В работе /2/ обосновано необходимое условие осаждения частицы в электрофильтре:

h/Va <H/Ve,

где: h - межэлектродное расстояние между коронирующим и осадитель-ным электродами; H - длина активной части электрофильтра;

ve - скорость потока воздуха (газового потока); va - скорость перемещения частиц аэрозоля к осадительному электроду.

При неизменных конструктивных размерах электрофильтра H и h эффективность очистки газа зависит в конечном итоге от отношения скорости переноса частиц электрическим полем va к скорости потока очищаемого газа ve: va / ve. Как видно из неравенства (1), сохранение высокой эффективности работы электрофильтра при увеличении скорости ve потока очищаемых газов возможно посредством повышения скорости va переноса частиц к осадительным электродам.

Известно, что при коронном разряде возникает электрический ветер, который также участвует в переносе частиц аэрозоля к осадительным электродам /3/. В современных электрофильтрах электрический ветер имеет циркуляционный характер и не используется полезно для переноса частиц, хотя и оказывает значительное влияние на их скорость и траекторию. По осевой линии игл коронирующих электродов электрический ветер действует в одном направлении с действием сил электрического поля и участвует в переносе частиц к осадительному электроду. Скорость переноса частиц при этом определяется:

va= vas+ vae,

где va3 - скорость перемещения частиц под действием сил электрического поля;

vae - скорость перемещения частиц под действием сил электрического ветра.

Но, поскольку осадительный электрод воздухонепроницаем, поток электрического ветра замыкается, перемещаясь в обратном направлении от осадительного электрода к коронирующему через переферийные участки поля между коронирующими иглами. В этой области электрический ветер существенно мешает переносу частиц к осадительному электроду, так как действует в направлении, противоположном действию сил электрического поля:

va vas - vae

Теоретические расчёты, подтверждённые экспериментальными исследованиями, показывают, что скорость дрейфа частиц под действием электри-

ческого ветра в 3.. .4 раза превышает скорость перемещения частиц под действием сил электрического поля (табл.1) /4/.

Таблица 1. Роль электрического поля и электрического ветра

в процессе перемещения частиц

Напряжённость Полная скорость Вклад в скорость дрейфа частиц

электрического дрейфа частиц, электрического электрического

поля Е, кВ/см Уа, м/с поля Уаэ, м/с ветра Уав, м/с

3,0 1,31 0,23 1,08

3,6 1,76 0,33 1,43

3,8 1,83 0,37 1,46

4,2 2,09 0,42 1,67

4,4 2,28 0,5 1.78

Таким образом, полезное использование электрического ветра в процессе перемещения частиц аэрозоля к осадительному электроду позволит в несколько раз повысить скорость переноса частиц аэрозоля к осадитель-ным электродам, а следовательно, и скорость очищаемого газового потока при сохранении высокой эффективности очистки газа. При этом конструкция осадительных электродов электрофильтра должна претерпеть изменения и стать воздухопроницаемой. В этом случае силы электрического поля К, и электрического ветра ¥в будут согласованно действовать на частицу в направлении осаждения и скорость переноса частицы составит Уа = Уаэ+ Уав во всей области активной части электрофильтра.

Дальнейшее повышение эффективности очистки газов от частиц аэрозолей возможно при расположении в газовом тракте электрофильтра последовательно нескольких коронно-разрядных узлов по направлению перемещения частиц аэрозоля. В такой конструкции электрофильтра осади-тельные электроды отсутствуют, частицы ускоряются при прохождении через каждый из последовательно расположенных коронно-разрядных узлов и перемещаются в бункер. Каждый из последовательно расположенных коронно-разрядных узлов вносит свой вклад в создание потока электрического ветра.

Использование явления электрического ветра, возникающего при коронном разряде, позволило создать энергосберегающие технологии вентиляции, очистки и оздоровления воздуха на рабочих местах /5-7/, а также разработать ряд высокоэффективных аппаратов электрической очистки газов для различных областей применения /8-11/.

Промышленные испытания опытного образца аппарата электрической очистки газа, использующего для перемещения частиц электрический ветер, проведённые на Мундыбашской обогатительно-агломерационнй фабрике показали высокую эффективность его работы. При скорости потока очищаемого газа Уг=12...15 м/с и высоте активной зоны аппарата Н=4 м эффективность очистки составила ц=96,7%.

В заключение следует отметить, что электрические аппараты очистки газовых потоков от частиц аэрозоля являются более эффективными по сравнению с инерционными как по энергетическим затратам, так и по степени очистки. Использование электрического ветра для переноса частиц аэрозоля в аппаратах электрической очистки газов позволяет в десятки раз увеличить скорость потока очищаемого газа и снизить габариты и металлоёмкость аппаратов.

Список литературы

1. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. М.: Металлургия, 1986.

2. Пономарёв П.Т. Использование электрического ветра для повышения эффективности работы аппаратов электрогазоочистки //Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технологии», том 3, с. 109-113. г. Курск, 2013г.

3. Пономарёв П.Т., Слайковская В. А. Физические процессы образования электрического ветра при коронном разряде в газах. //Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологий», том 3, с.96-101. г.Курск, 2013г.

4. Пономарёв П.Т., Зайцев И.С. Влияние электрического ветра на скорость переноса частиц аэрозоля в электрических аппаратах пылегазоочистки: Ж. «Монтажные и специальные строительные работы», вып. 6, 1989. с. 4-7.

5. Пономарёв П.Т. Физические процессы в энергосберегающих технологиях вентиляции и оздоровления воздуха //Сборник научных трудов 4-й Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и технике», том 3, с. 326332. г. Курск, 2014г.

6. Пономарёв П.Т., Попов Н.А. Направленные ионизированные потоки воздуха в энергосберегающих технологиях вентиляции производственных помещений: Ж. «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых» № 4, 2014. с. 123-135.

7. Пономарёв П.Т. Энергосберегающие технологии вентиляции и оздоровления воздуха в производственных помещениях. //Материалы Международной научно-практической конференции «Безопасность и проектирование конструкций в машиностроении и строительстве», с.365-367. г.Курск, 2013г.

8. Пономарёв П.Т. и др. Электрофильтр: Авторское свидетельство СССР № 912218/Авторы: Пономарёв П.Т., Мелиди Г.Е., Ереметов В.А., Воробьёв К.А., Кипер-вассер В.М./Бюллетень изобретений и открытий № 10, 1982г.

9. Пономарёв П.Т. и др. Электрофильтр: Авторское свидетельство СССР №1031463/Авторы: Пономарёв П.Т., Мелиди Г.Е., Ереметов В. А., Скворцов Ю.М./Бюллетень изобретений и открытий № 28, 1983г.

10. Пономарёв П.Т. и др. Устройство для удаления и очистки вредностей: Авторское свидетельство СССР № 1353539/Авторы: Зайцев И.С., Пономарёв П.Т., Ушаков А.К./ Бюллетень изобретений и открытий № 43, 1987г.

11. Пономарёв П. Т. и др. Бортовой отсос для удаления вредностей: Авторское свидетельство СССР № 1489864/Авторы: Зайцев И.С., Пономарёв П.Т., Ушаков А.К./ Бюллетень изобретений и открытий № 24, 1989г.

PonomarevPetr Timofeevich, Cand.Tech.Sci., associateprofessor,

Sibirsky state transport University, Novosibirsk, Russia

IMPROVING THE EFFICIENCY OF ELECTRIC APPARATUS FOR AIR PURIFICATION AEROSOL PARTICLES

Abstract. This article contains a comparative analysis of energy consumption in air purification apparatus electrical apparatus and inertia of purification are considered the results of the use of electric wind to increase the efficiency of electric apparatus cleaning aerosol particles from the air flow.

Keywords: aerosol particles, electric cleaning, electric wind, particle transfer, efficiency.

УДК 620.179.82

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ

НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ «МАССИВНЫХ»

И «ТОНКИХ» ТЕЛ Селезнев Николай Прохорович, к.т.н., профессор, (e-mail: vvchernov@mail.ru) Московский государственный машиностроительный университет

(МАМИ), г. Москва, Россия Чернов Владимир Викторович, к.т.н., доцент, (e-mail: vvchernov@mail.ru) Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана (МГТУ им.Н.Э.Баумана), г. Москва, Россия

Данная статья посвящена описанию устройства и некоторых особенностей работы установки для изучения нагрева и охлаждения термически «тонких» и «массивных» тел.

Ключевые слова: лабораторная установка, термически «массивное» тело, термически «тонкое» тело, муфельная колпаковая печь, электрический нагреватель, термопара, измеритель - регулятор, автоматический преобразователь интерфейсов, персональный компьютер.

Современные образовательные стандарты высшего профессионального образования, учебные планы и рабочие программы большинства дисциплин содержат обязательные требования - проведение лабораторных работ, для выполнения которых необходимо использование лабораторных установок.

В настоящее время очень сложно приобрести учебные лабораторные установки для многих дисциплин, изучаемых в университетах, так как их почти никто не производит. Изготовление новых установок «под ключ» по индивидуальным заказам учебных учреждений требует значительных финансовых затрат. Следовательно, в большинстве случаев, при проведении лабораторных занятий либо используется устаревшее оборудование, давно выработавшее свой ресурс (которое постоянно ремонтируется теми, кто на нем работает), либо работы представляют собой вычислительные экспе-