Теоретическое обоснование эффективности работы цилиндрического многосекционного электрофильтра

УДК 658.382.2 Н.И. Чепелев, Д.А. Едимичев

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО МНОГОСЕКЦИОННОГО ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА

Приводятся оптимальные значения параметров электрофильтра для очистки воздуха рабочих мест от пыли операторов технологических линий мукомольных и зерноперерабатывающих предприятий.

Ключевые слова: пыль, очистка, электрофильтр, параметры, эффективность, оператор, предприятие.

N.I.Chepelev, D.A.Edimichev THEORETICAL SUBSTANTIATION OF THE CYLINDRICAL MULTISECTION ELECTROFILTER OPERATIONAL EFFICIENCY

Optimum values of the electrofilter parameters for workplace air clearing from dust of the technological line operators at the flour-grinding and grain processing enterprises are given.

Key words: dust, clearing, electrofilter, parameters, efficiency, operator, enterprise.

В настоящее время способ электрической очистки газов от различных частиц является одним из перспективных и позволяет с достаточно высокой эффективностью и низкими энергозатратами улавливать и осаждать пыль. Наиболее совершенными и эффективными аппаратами электрической очистки газов являются электрофильтры, основанные на действии коронного разряда. В России электрофильтры применяются в основном для очистки газов в таких отраслях, как металлургия, энергетика, цементная и химическая промышленность. Также проводились исследования по вопросам внедрения электрофильтров в различных помещениях сельскохозяйственных предприятий. Этим исследованиям посвящены работы таких ученых, как В.И. Зобнина, О.В. Звездаковой, С.А. Ивановой, Р.Ю. Илимбетова, Л.Н. Андреева и др. Однако разработанные и запатентованные в настоящий момент конструкции электрофильтров, содержащие в себе плоские осадительные и коронирующие электроды, имеют ограниченную область применения. Это связано прежде всего с тем, что электрофильтры обеспечивают высокое качество очистки воздуха при условии достаточной площади осаждения, т.е. воздушной нагрузки, приходящейся на 1м2 площади осадительных и коронирующих электродов. Таким образом, в помещениях, где по условиям производства необходимо осуществлять значительный объемный расход воздуха на нужды вентиляции (элеваторы, комбикормовые заводы, крупяные заводы, мукомольные предприятия), применение электрофильтров с плоскими электродами весьма затруднительно ввиду значительных габаритных размеров. Техническим решением указанной проблемы является применение цилиндрических многосекционных электрофильтров [4], у которых все коронирующие и осадительные электроды имеют форму цилиндра, расположены при этом радиально, поочередно, следуя один за другим. Как показали практические [1] исследования, данная конструкция позволяет с высокой эффективностью очищать значительные объемы потока воздуха, при этом не требуется реконструкции и перемещения технологического оборудования для высвобождения дополнительного пространства.

Для подтверждения эффективности работы электрофильтра были введены следующие допущения:

- частицы пыли равномерно распределены по всему сечению электрофильтра;

- пыль не срывается повторно с осадительных электродов и не уносится газовым потоком;

- влияние электрического ветра не учитывается;

- частицы пыли движутся в направлении осадительных электродов с постоянной скоростью 17чд;

- скорость газового потока 17г в электрофильтре постоянна.

Зависимость, по которой будем определять эффективность улавливания пыли, представлена следующим образом: масса пыли m, содержащаяся в объеме межэлектродного пространства длиной Н (рис. 1), отстоящем на расстоянии х от входа газа в электрическом поле, равна

т — ах12Нйх,

где m - масса пыли, содержащейся в объеме межэлектродного пространства, г;

а!х - запыленность газа в поперечном сечении электрофильтра с площадью 1_2Н, отстоящего на расстоянии х от входа, г/м3;

L - высота осадительного электрода, м;

H - расстояние между осадительными и коронирующими электродами, м.

Количество пыли dm, осажденное из данного объема на поверхности осадительных электродов, за время dт будет равно

Ат = —ах 2Ьс1хучас1т,

где Лт - количество пыли, осевшее на осадительных электродах, г; т - время осаждения пыли, с.

В уравнении (2) знак минус указывает на уменьшение содержания пыли в воздухе, находящемся в межэ-лектродном пространстве.

Разделив выражение (2) на (1), получим

йт _ т

--- — ---7}---

171 Н

Принимая запыленность воздуха на входе в электрофильтр равной ах, можно записать

ах Тх

[ _ Г ГЧД^Т

] ш" ; н ’

ах О

где тх - время, за которое запыленность газа снизилось от ах до а!х , при прохождении газом расстояния х. После интегрирования уравнения (4) получим

м*

Рис. 1. Схема расположения электродов в цилиндрическом многосекционном электрофильтре: 1 - коронирующие электроды с разрядными точками; 2 - осадительные электроды

Запыленность воздуха а!х по выражению (5) равна

. -УцрТХ

ах ~ а1е н

Так как запыленный поток воздуха проходит через поле 1_, которое в цилиндрическом вертикальном электрофильтре равно высоте электродов, за время т, определяемое по следующей формуле:

1п

т = V'

где т - время прохождения запыленного потока воздуха через активное сечение, с; г?г - скорость воздушного потока, м/с.

Соответственно запыленность воздуха на выходе из электрофильтра по формуле (6) равна

ах = ахе нъ ,

где аг- запыленность воздушного потока на выходе из электрофильтра, г/м3.

Известно, что эффективность очитки воздуха в пылеулавливающем устройстве может быть определена по формуле

йу—ал

V = ——1 • 100%,

ах

где г] - эффективность работы пылеуловителя, %;

% - концентрация пылевидных частиц, поступающих с приточным воздухом в помещение (на выходе из пылеуловителя), г/м3;

ах - концентрация пылевидных частиц, поступающих с приточным воздухом в пылеуловитель, г/м3. Используя выражения (8) и (9), получим

а-> ахе»*г ~*чд£

л = 1- — =1-—---------------= 1-ея*.

ах ах v '

Поскольку электрофильтр имеет несколько поочередно расположенных осадительных и коронирующих электродов и п секций, то выражение (10) примет следующий вид:

-21Лщ ПЬ

Г] = 1 - е Н”Г ,

где п - число активных слоев электродов в цилиндрическом электрофильтре, шт.

Для цилиндрического электрофильтра выражение (11) примет вид

-21ЛщПЬ

7? = 1 — е «24 ,

где Я2 - радиус осадительного электрода, м;

Скорость дрейфа частиц в межэлектродном пространстве, может быть определена [2,3] как

е°е2(1+2£х1+а!^

-----------з*------------

где Vчд - скорость дрейфа частиц, м/с;

Е - напряженность электрического поля, В/м; с1ч - диаметр пылевидной частицы, мкм;

е - относительная диэлектрическая проницаемость вещества частицы;

- динамическая вязкость воздуха, Н^с/м2 (при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха, равной 200С, составляет |^= 1,85^10-5Н^с/м2);

А - безразмерный параметр (для атмосферного воздуха составляет А=86);

А - средняя длина пробега молекул окружающего газа, м (Л=10“7 м);

Напряженность электрического поля для цилиндрического электрофильтра определяется выражением

и

Е “ Л^пСЛа/ЯО' где U - напряжение, прикладываемое к коронирующим электродам, В;

- радиус коронирующего электрода, м.

Цилиндрические коронирующие и осадительные электроды будут располагаться в электрофильтре послойно, с увеличением диаметра к корпусу, причем расстояние межэлектродного промежутка остается неизменно. Для того чтобы учесть общую площадь осаждения в окончательной формуле, необходимо сложить радиус каждого электрода п-й секции (см. рис. 1).

Подставляя выражения (12) и (13) в выражение (11), после преобразования получим окончательную формулу, характеризующую работу электрофильтра и определяющую эффективность очистки запыленного воздуха с учетом принятых допущений, в зависимости от конструктивных параметров и режимов работы.

где г] - эффективность работы электрофильтра;

Д1п - радиус коронирующего электрода п-й секции, с учетом длины коронирующих игл, м;

Я2п - радиус осадительного электрода п-й секции, м; е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м.

На основе полученного выражения (14) рассчитаем эффективность работы электрофильтра. Для этого зададимся следующими данными:

1) радиус коронирующих электродов Рц = 0,1м, ^2 = 0,2м, Р13 = 0,3м;

2) радиус осадительных электродов Р21 = 0,15м, R22 = 0,25м, R23 = 0,35м;

3) активная длина (высота) электродов L = 1м;

4) пыль мелкодисперсная растительного происхождения.

Рис. 2. Результат моделирования работы электрофильтра

Как показали результаты моделирования (рис. 2), эффективность очистки запыленного потока воздуха в цилиндрическом многосекционном электрофильтре может достигать 98 % уже при скорости воздушного потока 2 м/с, что при указанных размерах электродов будет соответствовать воздушной нагрузке на один электрофильтр О = 700м3/ч. Таким образом по результатам исследований можно рекомендовать применение цилиндрических многосекционных электрофильтров во всех помещениях зерноперерабатывающих предприятий со значительным объемным расходом воздуха без увеличения габаритных размеров самих электрофильтров.

Литература

1. Результаты экспериментальных исследований эффективности работы электрофильтра на зерноперерабатывающих предприятиях / Н.И. Чепелев [и др.]// Вестн. КрасГАУ. - 2010. - №10. - С. 155-159.

2. Верещагин И.П., Левитов В.И. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. - М.: Энергия, 1974. - 480 с.

3. Бабашкин В.И., Верещагин И.П., Пашин М.М. Исследование движения сферических частиц в поле коронного разряда и электрического ветра. - М.: Энергия, 1971. - 187 с.

4. Пат № 2333041. Российская Федерация, МПК БОЗС 3/06. Электрофильтр / Д.А. Едимичев, Н.И.Чепелев; заявитель и патентообладатель ФгОу КрасГАУ. № 2000131736/09; заявл. 21.12.2006; опубл. 10.09.2008, Бюл. 25. - 5 с.

---------♦'----------