Wet purification of air from dust in innovative irrigated nozzle of regular structure for ventilation of cabins of wheeled and tracked vehicles

Full Text

Кабины машин, работающих в запылённых условиях, должны оснащаться различными аппаратами для обработки приточного воздуха в том числе фильтрами для его очистки, по- скольку содержание пыли в наружном воздухе существенно превышает предельно допусти- мую концентрацию в зоне дыхания водителя. При этом в ней присутствуют наряду с крупно- и среднедисперсными фракциями (dч = 140…10 мкм) и мелкодисперсные частицы (dч = 10…1 мкм), представляющие наибольшую опасность для человека. Как показали исследова- ния [1], в нашем случае целесообразна двухступенчатая очистка воздуха: первая ступень - контактный сухой или иной фильтр для отделения крупно- и среднедисперсной пыли; вторая ступень - мокрый фильтр для улавливания мелкодисперсной пыли с эффективностью очист- ки не менее η = 0,89 (т.е. 89%). В этом плане практический интерес представляют аппараты в виде орошаемой насадки регулярной структуры, которые при выполнении функции адиабат- ного увлажнителя-охладителя воздуха обладают возможностью осуществлять и его мокрую очистку от мелкодисперсной пыли. Поскольку же существуют различные конструкции таких насадок [2-9], рассмотрим механизм осаждения пылевых частиц на смоченных поверхностях насадки из пластин пористой пластмассы на примере инновационной насадки, схема которой показана на рисунке 1. Рисунок 1. Формирование воздушного канала в инновационной насадке: а - общая схема (вид сверху); б - фрагмент пластины с треугольным выступом (увеличено); 1 - поток воздуха; 2 и 3 - пластины; 4 - выступы Особенностью здесь является наличие на двух стенках воздушных каналов периодиче- ски расположенных треугольных выступов, обусловливающих искусственную турбулизацию потока. Прежде всего отметим, что частицы пыли размером dч менее 10 мкм и в особенности меньше 5 мкм относятся к несмачиваемым и плохо смачиваемым независимо от их состава [10]. Вследствие этого такие частицы могут быть задержаны водой при одном условии - их кинетическая энергия должна быть достаточной, чтобы пробить плёнку поверхностного натяжения слоя воды на пластинах аппарата. Это условие может быть выполнено только при относительно больших скоростях столкновения частицы пыли с указанной плёнкой. Что же касается возможного отрыва частиц пыли и возвращения их обратно в поток воздуха (вто- ричный унос), то при толщине водяного слоя более dч энергия отрыва частицы значительно превосходит энергию её погружения в этот слой. Поэтому при реальной толщине слоя воды до 0,2…0,3 мм вторичный унос погружённой в него частицы пыли практически невозможен [10]. Однако, частица пыли всё же может возвратиться в поток воздуха, если она столкнётся с уже закрепившейся в слое частицей. Отсюда следует вывод - для исключения вторичного уноса пыли в поток воздуха и снижения вследствие этого эффективности его очистки необходимо обеспечить течение слоя воды по пластинам для удаления с них захваченных ранее частиц. Особенно это необходимо при повышенной концентрации пыли в обрабатываемом воздухе. Показательным в этом плане является выражение [10] для скорости, при которой возможен отрыв частиц с влажной поверхности: �отр = 73,5⁄�ч, м/с . (1) Из представленного выражения видно, что частицы пыли даже при dч = 10 мкм надёжно удерживаются водой при скорости воздушного потока более 7 м/с. Однако, крупнодисперс- ные частицы, например с dч = 100 мкм (хотя размер и меньше указанной выше толщины слоя воды), не могут быть задержаны смоченной пластиной и будут отскакивать от неё даже при скорости потока воздуха порядка 1 м/с. Ясно, что во влажных аппаратах может осуществляться очистка воздуха только от мел- кодисперсных частиц пыли. Вместе с тем, как указывалось, это плохо смачиваемые частицы не могут быть уловлены смоченными пластинами аппарата при соударении с водяным слоем при малых скоростях. Это характерно для насадок с ламинарным течением потока воздуха при Re<1000 [10], поскольку здесь частицы пыли движутся практически касательно по от- ношению к плоскости смоченных пластин, т.е. динамическая скорость их соударения с влажной поверхностью близка к нулю. В нашем случае речь идёт об адиабатной насадке с искусственной турбулизацией воз- душного потока с помощью расположенных поперечно ему треугольных выступов, и про- цессы осаждения пыли в ней обусловлены следующими факторами. Согласно информации [11-13] высокой эффективностью по очистке воздуха от мелко- дисперсной пыли обладают трубчатые и пластинчатые насадки со смоченными каналами, в которых обеспечивается турбулентный характер движения потока воздуха за счёт высокой скорости этого потока. Эффективность очистки воздуха при турбулентном переносе и оса- ждении частиц, в частности в трубе определяется формулой: - 4ò  lòð   1  e  dòð , (2) где: dтр - диаметр трубы, м; υт - скорость турбулентного осаждения частиц, м/с; lтр - длина трубы, м; υ - скорость воздушного потока, м/с. Как указывается [12, 13], турбулентными пульсациями воздушного потока практически полностью увлекаются частицы с размером dч ≤ 60 мкм. В формуле (2) неизвестной для нас составляющей является υт , и задача заключается в изыскании корреляционного параметра, определяющего эту скорость. Указанная задача для насадок с гладкими поверхностями была решена в работе [11], где получена зависимость: -   1 e 0,46  l Re0 ,125 dý . (3) Здесь l - длина воздушного канала в аппарате, м; dэ - эквивалентный диаметр канала, м. В дальнейшем анализе процесса осаждения частиц пыли на влажных пластинах при турбулентном их переносе целесообразно и правомерно ввести понятие - число единиц пе- реноса вещества Nв , что согласуется с аналогичным подходом при оценке зависимости меж- ду степенью очистки воздуха от пыли и затратами на это энергии [14]. Тогда можно записать, что:   1 e- Nâ . (4) Здесь из выражения (3) следует: N  0, 46l (Re 0,125 dý ) . (5) Поскольку в нашем случае речь идёт о плоскощелевой насадке, преобразуем выраже- ние (5), имея в виду, что для таких аппаратов принято считать, что dэ = 2bр . Тогда получим: 0,125 N  0, 23l (Re bð ) . (6) В этом выражении Re = υ dэ / ν, где ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха. Приняв для наших условий [1] значение этого коэффициента ν = 1,5·10-5 м2/с, после соответствующей подстановки в выражение (6) получим: 0,125 1,125 N  0,0528 l ( bð ) . (7) Однако, это выражение учитывает лишь турбулентное осаждение частиц пыли, в то время как инновационной насадке осуществляется их дополнительная сепарация, что пояс- няется при рассмотрении соответствующей схемы на рисунке 2. Рисунок 2. Схема осаждения частиц пыли на пластине (фрагмент): 1 - поток воздуха; 2 - направление динамического воздействия на торец пластины; 3 - направление динамического воздействия на выступ пластины; 4 - направление турбулентного воздействия на поверхность пластины Из этой схемы следует, что единственным местом, где скорость соударения частиц пы- ли с влажной поверхностью пластины равняется скорости входящего воздушного потока 1 (лобовой удар), является фронтальный торец. Поэтому здесь могут оседать даже частицы размером dч = 0,1 мкм [10]. Однако, следует учитывать, что если в указанном месте не организовать достаточное удаление задерживаемой пыли, то она будет накапливаться здесь многорядным слоем, кото- рый может быть сорван воздушным потоком и увлечён им в канал. Это приведёт к забива- нию входной части насадки влажным пылевым конгломератом [10]. Следовательно, для обеспечения надёжности работы насадки путём удаления оседающей на торцах пластин пы- ли необходимо применить фронтальное орошение. Вместе с тем из-за относительно малой площади торцов доля задержания пыли здесь весьма невелика [1] и поэтому в дальнейшем не учитывается. Как показано выше, на гладкой стороне пластин оседание пылевых частиц обусловли- вается турбулентным переносом. При этом по данным [12] вызванная турбулентными пуль- сациями динамическая скорость υд соударения их с пластиной составляет не менее 0,2 м/с, что является достаточным для эффективного улавливания пыли с фракциями 20…30 мкм. Что же касается выступов, то здесь (рисунок 2) при контакте с их поверхностью частиц пыли (удар под углом 45°) скорость соударения равняется υд = υ cos 45°. Тогда при характерных для наших насадок υ = 1,5…3 м/с υд составит не менее 1 м/с, что по данным 12] достаточно для преодоления сопротивления плёнки поверхностного натяжение воды даже частицами пыли размером dч =1 мкм. Таким образом, по сравнению с пластинчатыми насадками с гладкими стенками инно- вационная насадка с треугольными выступами в воздушных каналах должна обладать повы- шенной эффективностью пылеочистки. В связи с этим формула (4) должна быть скорректирована в сторону некоторого увели- чения значения числа единиц переноса вещества: Nâò  Nâ Àî , (8) где: Ао - безразмерный численный коэффициент, зависящий от характера влияния выступов на процесс очистки воздуха от пыли. Тогда для инновационной насадки имеем: - 0,0528lÀî 0,125 1,125   1 e  âð . (9) При оценке влияния выступов на процесс очистки воздуха от пыли на основе рисунка 2 в первую очередь можно предположить, что с увеличением их количества в канале эффек- тивность аппарата повысится. Однако, следует иметь в виду, что с точки зрения оптимизации тепло - массообмена в адиабатной насадке при искусственной турбулизации потока воздуха количество выступов по длине пластины l ограничивается их рациональным шагом, величи- на которого лежит в довольно узком диапазоне lвопт = (13±1) hв [1]. Это ограничение позволя- ет оценить влияние выступов следующим образом. В формуле (9) поверхность пластин характеризуется их конструктивной длиной l. При постоянных l и высоте пластины h выступы несколько увеличивают рабочую поверхность этой пластины, на которой собственно и происходит оседание частиц пыли. Тогда логично считать, что коэффициент Ао должен увязывать приведённую (рабочую) длину lпр поверхно- сти пластин, снабжённых выступами, с конструктивной длиной l пластин. Чтобы оценить это, обратимся к рисунку 1,б. Полагая, что lбок  hв 2 , отношение приведённой длины насадки lпр к её конструктивной длине l , характеризующейся здесь опт lв  lв 13hв , получим: lï ð / 13hâ  (13hâ  2hâ  2hâ 2) / 13hâ  1,06 . (10) Таким образом, в рамках Ао показатель степени в формуле (9) должен быть увеличен на такую величину. Однако, это не в полной мере отражает влияние выступов на процесс очистки пыли, что поясняется рисунком 3. Рисунок 3. Принципиальная схема взаимодействия струй воздушного потока и частиц пыли в нём с элементами поверхности пластин в канале насадки: 1 - струи входящего потока воздуха; 2 - отраженные выступом струи потока; 3 - течение струй после выступа; 4 - пластина напротив выступа; 5 - пластина с выступом; 6 - выступ Как отмечалось, на передней (фронтальной) части выступов происходит динамическое оседание пыли. При этом, в силу взаимодействия воздушного потока с наклонённой к нему под углом 45° поверхностью фронтальной части выступа он изменяет своё направление, и содержащиеся здесь частицы пыли ударяются под таким же углом о противоположную пла- стину. Считая условно, что входящий в канал шириной вр поток воздуха 1 движется двумя ча- стями (в соответствии с высотой выступов hв), можно предположить следующее. При обте- кании выступа 6 струи 2 воздействуют на поверхность пластины 4 на участке lвоз, площадь и длина которого соизмерима с площадью и длиной lбок фронтальной части выступа 6. Проходя далее по каналу около пластины 4, струи потока будут взаимодействовать со следующим по его ходу выступом, расположенным на пластине 4 (здесь не показан, см. рисунок 1,а). Таким образом, в канале осуществляется зигзагообразное движение потока воздуха. Отсюда следует, что коэффициент Ао в целом должен учитывать и эту функциональную особенность выступов в части влияния на процесс осаждения пыли на поверхности пластин вследствие появления дополнительных участков динамического воздействия частиц пыли. Исходя из предположения, что в пластинах условно увеличивается площадь и длина lусл оса- ждения частиц за счёт указанного участка lвоз = lбок , по аналогии с выводом выражения (10) правомерно получить следующее отношение в рамках Ао: lóñë / 13hâ  (13hâ  hâ 2) / 13hâ  1,11. (11) С учётом (10) в итоге получим Ао=1,18. Тогда, исходя из выражения (9), получим: - 0,0623l 0,125 1,125   1 e  bð В результате получим: . 0,125 1,125 (12) Nâò  0,0623 l ( bð ) . (13) После преобразования этого выражения получим формулу для определения конструк- тивной длины пластины: 0,125 1,125 l  16,05 Nâò  bð . (14) Выражения (13) и (14) справедливы для насадок, в которых процесс осаждения пыли осуществляется при постоянной температуру обрабатываемого воздуха. Однако показано [6], что при наличии в аппаратах температурного градиента возникает так называемый термофо- рез, сущность которого заключается в следующем. В адиабатной насадке, где поверхность пластины имеет температуру ниже температуры обрабатываемого воздуха, взвешенные частицы пыли испытывают силовое (динамическое) воздействие со стороны более тёплого потока воздуха, что вынуждает их перемещаться в направлении более холодной части. Это явление обусловлено более высокой скоростью мо- лекул воздуха с «горячей» стороны потока, которые за счёт своеобразной бомбардировки пе- ремещают частицы пыли в сторону «холодной» стороны потока. Как указывается в работе [11], величина силы термофореза прямо пропорциональна градиенту температуры и обратно пропорциональна абсолютному значению температуры поверхности. Поскольку термофорез осуществляется под действием молекул воздуха, то та- кому переносу могут быть подвержены лишь мелкодисперсные частицы пыли с размером dч = 0,1…3 мкм [11]. Так как в нашем случае вопрос очистки воздуха с указанными фракциями является чрезвычайно важным, а насадки адиабатного охлаждения (увлажнения) обладают потенци- альной возможностью осаждения пыли в результате термофореза, рассмотрим это явление с точки зрения его количественной оценки применительно к рассматриваемой насадке. На рисунке 4 показан характер изменения температурного напора в канале насадки при контакте потока воздуха с поверхностью влажной пластины при его адиабатном охлаждении [15]. Рисунок 4 . Изменение по длине влажной поверхности температурного напора между воздухом и водой при его адиабатной охлаждении: Т - абсолютная начальная температура обрабатываемого воздуха по сухому термометру; Та - абсолютная температура охлаждённого воздуха по сухому термометру; Тм - абсолютная температура воздуха по мокрому термометру Из рисунка 4 следует, что изменение температуры обрабатываемого воздуха от Т до Та носит асимптотический характер (в пределе - до Тм ), и если начальный температурный напор относительно велик (ΔТнач = Т - Тм ), то в конце поверхности он изменяется незначи- тельно. Отметим, что в идеальном случае, когда l = ∞ и конечная температура обрабатывае- мого воздуха равна его температуре по мокрому термометру (Та = Тм ), термофореза нет. Поскольку осаждение пыли на поверхности пластин за счёт термофореза происходит на фоне её турбулентного и инерционного (динамического) осаждения, то здесь речь идёт, по существу, о дополнительной очистке воздуха с эффективностью Δηt , и величина добавки максимальна при перепаде температуры ΔТнач . Затем она будет уменьшаться по ходу потока воздуха. Очевидно, что существует какой-то участок поверхности длиной lрац с перепадом ΔТ, оценивающимся соответствующим температурным коэффициентом эффективности адиабатного охлаждения Ea [15], где влияние термофореза достаточно значимо, и его следует учитывать в расчётах степени пылеочистки. При дальнейшем исследовании необходимо выявить функциональную связь между эф- фективностью осаждения пыли при термофорезе и температурно-влажностными параметра- ми обрабатываемого воздуха с установлением границ их влияния на термофорез при адиа- батном увлажнении. Однако, прежде всего необходимо отметить следующее. При термофорезе осуществляется перенос частиц пыли, и здесь возникает определён- ное подобие между ним и процессами тепло- и массопереноса при адиабатном увлажнении. В частности, как при термофорезе, так и при адиабатном увлажнении осуществляется пере- нос массы вещества. Учитывая, что в нашем случае поток массы водяных паров направлен от влажной поверхности в поток воздуха [14], правомерен вопрос, не будет ли это блокировать перемещение частиц пыли к указанной поверхности при термофорезе. Если предположить, что явление термофореза должно влиять на перемещение водяных паров, то в нашем случае их поток должен быть направлен в сторону влажной поверхности. Однако, этого при адиабатном увлажнении не происходит, как и не нарушается в каналах перемещающимися водяными парами процесс теплообмена между ядром потока воздуха и холодной влажной поверхностью. Указанное обусловлено тем, что перенос в ядро потока массы лёгких молекул водяных паров вызывается действием разности парциальных давле- ний [15], в то время как при теплообмене перенос более тяжёлых (по сравнению с молекула- ми водяных паров) молекул воздуха из ядра потока является следствием температурного напора (как и термофореза). Таким образом, механизм переноса лёгких молекул водяных паров при адиабатном увлажнении отличается от механизма перемещения более тяжёлых частиц пыли при термо- форезе под действием температурного напора. Поэтому можно полагать, что массоперенос водяных паров в нашем случае не будет осложнять термофорез даже частиц размером менее 0,1 мкм. Итак, при наличии температурного градиента Та - Тм в адиабатной насадке может быть осуществлён термофорез мелкодисперсной пыли. Поскольку это, как отмечалось, происхо- дит на фоне турбулентного и динамического осаждения на влажной поверхности и более крупных частиц, увеличение степени очистки пыли вследствие термофореза будем рассмат- ривать как некоторую добавочную величину: î áù t      . (15) Как указывалось ранее, величина термофорезтической силы, а следовательно и степени осаждения частиц пыли при этом, прямо пропорциональна градиенту температуры ΔТ и об- ратно пропорциональна её абсолютному значению Тм . Тогда можно записать: t à ì ì   Ò  Ò  / Ò . (16) При адиабатном увлажнении согласно [15] зависимость Та от температурно- влажностных параметров обрабатываемого воздуха выражают через коэффициент эффек- тивности Еа: или Òà  Ò  Åà Òà  Òì  . (17) Подставляя (17) в (16), получим: Ò à ì à ì   Ò  Ò 1 Å  / Ò , (18) где: t и tм - в °С. Ò ì à ì   t  t 1 Å  / Ò , (19) Из этого следует, что в случае предельно высокой степени адиабатного увлажнения (Еа близок к 1) Т практически равен нулю, т. е. явление термофореза прекращается. Если же температурный напор отсутствует (tм - t), то термофорез не наступает. В общем виде выражение для суммарной эффективности улавливания пыли в адиабат- ной насадке имеет вид:  î áù    t  tì 1 Åà  / Òì . (20) Однако, в таком виде эта формула не может быть реализована из-за неясности корреля- ционной связи между η и Еа . Для решения этого вопроса используем общность метода чисел единиц переноса при теплообмене и перемещении вещества (пыли) в адиабатной насадке [1], рассмотрев задачу с позиции её длины l. Как показано выше, конструктивная длина насадки l с позиции очистки воздуха от пы- ли определяется выражением (14). В то же время этот же геометрический параметр должен быть привязан к охлаждению воздуха в ней [1]. Отметим, что на основе проведенного иссле- дования инновационной насадки (здесь не рассматривается) нами получено в этом плане для l соответствующее выражение: ð a l  32,68 0,2b 1,2 ln (1 Å ) . (21) Приравнивая правые части выражения (14) и формулы (21), получим: 0,125 1,125 0,2 1,2 16,05Nâò bð  32,68  bð ln (1 Åa ) . (22) Полагая, что Nвт  ln (1 ) и преобразуя выражение (22), найдём: ð a ln (1 )  2,0360,075b 0,075 ln (1 E ) . (23) После преобразования этого выражения получим:   1 å2,036 0,075 0 ,075 ln1   bð Ea . (24) Приняв, что υ = 1,5…3 м/с и bр = (2…3)·10-3, при осреднении их значений в степени 0,075, найдём следующую функциональную связь между η и Еа:   1 å2,32ln (1Ea ) . (25) Проверим правомерность использования полученного выражения, имея в виду, что по данным [1] насадка должна иметь Еа = 0,7…0,75. Тогда для среднего его значения Еа = 0,725 по формуле (25) найдём, что η будет равен 0,95. Для сравнения по данным [1] у интенсифи- цированной насадки, имеющей на одной стенке каналов вертикальные выступы, а на проти- воположной наклонённые навстречу потока выступы, степень очистки от пыли определяется по формуле:   1 å1,89ln (1Ea ) . (26) Тогда подсчёт по этой формуле даёт значение η = 0,914. Таким образом, инновационная насадка обладает несколько большей эффективностью очистки воздуха от пыли, что и долж- но быть в виду рационального расположения выступов а её каналах с движением в них пото- ка воздуха «змейкой». Что же касается Δηt, то это проявляет себя более выражено при начальных температу- рах обрабатываемого воздуха t более 30°С [1]. Поэтому для демонстрации значимости этой прибавки примем, что в условиях жаркого сухого климата, например, в Средней Азии, t = 40°С и tм = 19,4°С. Тогда по формуле (19) будем иметь для указанного Еа = 0,725 величину Δηt = 0,02, а по выражению (20) суммарный коэффициент очистки воздуха от пыли в этих климатических условиях составит ηобщ = 0,97. В заключение отметим, что продемонстрированное функциональное качество иннова- ционной орошаемой насадки регулярной структуры, выполненной из пластин пористой пластмассы с вертикальными треугольными выступами на стенках каналов, ставит её на один уровень с лучшими современными аппаратами мокрой и сухой очистки воздуха от мел- кодисперсной пыли [16].

About the authors

V. A Mikhailov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trakvc@mami.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 495 223-05-23, доб. 1587

N. N Sharipova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trakvc@mami.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, доб. 1587

M. Y Esenovskiy-Lashkov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trakvc@mami.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, доб. 1587

References

Supplementary files