Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований. Проблема оздоровления и очистки воздушной среды производственных помещений от тонкодисперсной пыли 13
1.1 Загрязнение воздушной среды тонко дисперсной древесной пылью и ее воздействие на человека 15
1.2 Существующие способы и средства совершенствования процесса очистки воздуха рабочей зоны от тонко дисперсной пыли 20
1.3 Влияние адгезионных свойств пыли на эффективность очистки воздуха 24
1.4 Влияние естественной и искусственной ионизации на организм человека 27
1.5 Физические основы аэронификации и способы искусственной зарядки частиц 31
1.6 Коагуляция под воздействием электрического поля 35
2. Методика проведения исследований 45
2.1 Определение влияния ионизации воздуха на осаждение тонкодисперсной пыли из воздушной среды 46
2.1.1 Система генерации аэрозоля 48
2.1.2 Определение влияния ионизации воздуха на осаждение тонкодисперсной пыли из воздушной среды 50
2.1.3 Регистрация дисперсного состава аэрозоля 53
2.1.4 Методика униполярной и биполярной электризации аэрозольных частиц 53
2.2 Определение сил адгезии тонкодисперсной древесной пыли 54
2.3 Определение морфологических свойств пыли 60
2.4 Определение электрических свойств пыли 60
2.4.1 Электрические характеристики пыли 61
2.5 Определение оптимальных параметров ионизационной установки 62
2.5.1 Определение концентрации легких отрицательных ионов (ЛОИ) при изменении расстояния от коронирующего электрода до точки измерения (рабочего места) при различных потенциалах на коронирующих электродах. 62
2.5.2 Определение концентрации пыли при различных потенциалах на коронирующих электродах :.63
2.5.3 Определение концентрации ЛОИ при различном размере ячеек коронирующего электрода 67
2.5.4 Определение концентрации ЛОИ при разном количестве коронирующих электродов 67
2.6 Определение экономической эффективности 68
3. Очистка воздушной среды промышленных предприятий осаждением тонкодисперсного аэрозоля при воздействии на него электрическими зарядами 69
3.1 Физические процессы, протекающие при зарядке аэрозольных частиц 69
3.1.1 Способ электрической зарядки аэрозольных частиц .69
3.1.2 Силы, действующие на частицу при электрической зарядке 74
3.2 Исследование изменения физико-электрических свойств аэрозоля под воздействием искусственной ионизации 75
3.2.1 Изменение характеристик аэрозоля под влиянием электрического поля 75
3.2.2 Передача заряда частицам ионным потоком 78
3.3 Коагуляция частиц аэрозоля в газовой среде в электрическом поле и без него 82
3.3.1 Коагуляция разноименно заряженных частиц в отсутствии электрического поля 85
3.3.2 Коагуляция разноименно заряженных частиц при наличии внешнего электрического поля 87
3.4 Исследование процессов униполярной и биполярной зарядки в электрическом поле 89
3.5 Механизм осаждения аэрозоля 96
3.5.1 Осаждение частиц аэрозоля из воздушной среды 99
3.6 Модель осаждения частиц в замкнутой системе 102
3.7 Изменение структуры аэрозольных частиц в процессе их агрегации под воздействием ионного потока 107
3.8 Влияние дисперсности на коагуляцию аэрозоля при воздействии на него ионным потоком. 111
4. Исследование зависимости концентрации легких отрицательных ионов (ЛОИ) и концентрации пыли в воздухе рабочей зоны от основных конструкционных параметров ионизационной установки 117
4.1 Теоретическое обоснование применения ионизации для
очистки воздушной среды осаждением древесной пыли 119
4.1.1 Зависимость качества очистки воздушной среды от адгезионных свойств тонкодисперсной древесной пыли 119
4.2 Применение ионизационной установки для осаждения тонкодисперсной пыли 130
4.2.1 Планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных 130
4.2.2 Зависимость концентрации тонкодисперсной пыли от основных конструкционных параметров ионизационной установки 136
4.2.3 Зависимость концентрации ЛОИ от основных конструкционных и технологических параметров ионизационной установки 141
5. Очистка воздушной среды от тонко дисперсной пыли и особенности зарядки осаждаемых частиц 149
5.1 Исследование влияния электрических свойств пыли на качество очистки воздуха рабочей зоны 150
5.2 Обоснование выбора конструкционных параметров и технологических режимов ионизационной установки 158
5.2.1 Описание зависимости концентрации ЛОИ от размера ячеек коронирующего электрода 160
5.2.2 Описание зависимости концентрации ЛОИ от количества коронирующих электродов 161
5.2.3 Описание зависимости концентрации ЛОИ от количества игл на коронирующем электроде 162
5.2.4 Описание зависимости концентрации ЛОИ от напряжения на коронирующем электроде 163
5.2.5 Описание зависимости концентрации ЛОИ от расстояния на которое удалено рабочее место от ионизационной установки 164
5.3 Определение оптимальных параметров ионизационной установки 166
5.3.1 Методика исследований .166
5.3.2 Реализация метода определения оптимальных параметров ионизационной установки 170
5.3.2.1 Приведение переменных целевой функции и ограничений математической модели к единым единицам измерения 170
5.3.2.2 Описание математической модели и полученных результатов 175
6. Очистка и оздоровление воздушной средыискусственной ионизацией с применением ионизационной установки и рекомендации по удалению осажденной тонкодисперсной пыли 177
6.1 Обоснование применения предлагаемой ионизационной установки 177
6.2 Устройство ионизационной установки 178
6.3 Обеспечение безопасности при проведении очистки и оздоровления воздуха рабочей зоны методом искусственной ионизации 181
6.4 Расчет параметров ионизации в условиях максимально эффективной очистки воздушной среды 182
6.5 Удаление и утилизация осажденной тонко дисперсной древесной пыли за пределы цеха и территории предприятия 185
7. Расчет экологической и экономической эффективности от применения искусственной ионизации как способа очистки и оздоровления воздушной среды предприятия 187
Выводы 195
Заключение 196
Библиографический список 197
Приложения 215
- Существующие способы и средства совершенствования процесса очистки воздуха рабочей зоны от тонко дисперсной пыли
- Определение влияния ионизации воздуха на осаждение тонкодисперсной пыли из воздушной среды
- Коагуляция разноименно заряженных частиц при наличии внешнего электрического поля
- Зависимость качества очистки воздушной среды от адгезионных свойств тонкодисперсной древесной пыли
Существующие способы и средства совершенствования процесса очистки воздуха рабочей зоны от тонко дисперсной пыли
В последнее время в производственных помещениях предприятий стали применять установки для кондиционирования воздуха. При такой обработке воздуха меняется его электрическое состояние и в большей или меньшей мере - содержание примесных ингредиентов воздуха. В воздухе, проходящем через кондиционер, снижается концентрация положительных и отрицательных первичных лёгких аэроионов (в основном NO+ и О3")[50]. Люди, работающие в этих помещениях, жалуются на усталость и плохое самочувствие. При медицинских осмотрах обнаруживаются функциональные сдвиги в органах дыхания, сердечно-сосудистой и нервной системах [50, 58, 93, 103].
Проведённые Ю. Д. Губернским и Е. И. Кореневской исследования показали, что содержание NO+ после прохождения воздуха через камеру орошения, по воздуховодам и соплам кондиционеров доводчиков снижается в 6,3, а Оз" - в 72 раза. В процессе кондиционирования существенно падает концентрация нейтрального озона в воздухе, по данным этих же авторов, в 30 раз [30]. Таким образом, в кондиционированном воздухе меняется химическая природа ионов. При дополнительной очистке воздуха на фильтрах оседают аэроионы всех электрических подвижностей, в результате чего воздух практически полностью дезионизируется. Такой воздух не отвечает по биологической активности (по содержанию лёгких отрицательных ионов) современным требованиям, что в соответствии с нормативными документами относится к физически вредному и опасному фактору [99]. Кроме того, воздух лишен экологических факторов, которые имеются в природной среде: естественный озонный и фитоорганический фон. Люди, работающие в этих помещениях, жалуются на усталость и плохое самочувствие. При медицинских осмотрах обнаруживаются функциональные сдвиги в ЛОР органах, сердечно-сосудистой и нервной системах [97].
Наши исследования и анализ дисперсного состава воздушной среды, рисунок 1.1 [131, 138, 141] на деревообрабатывающих предприятиях показал, что для достижения ПДК необходимо дальнейшее увеличение эффективности обеспыливания, главным образом, за счет повышения степени очистки пыли тонких фракций. Одним из перспективных способов повышения очистки воздуха от тонкодисперсных аэрозолей является укрупнение аэрозольных частиц путем электрокоагуляции. Ионизацию с целью коагуляции витающей пыли и ее осаждения на поверхности можно проводить как в специальных электрообеспыливающих аппаратах (воздушные фильтры), так и в самом помещении (аэроионизационные пылеосадительные установки). В настоящее время имеется лишь некоторый опыт их эксплуатации по осаждению кварцевой, текстильной и некоторых других видов пыли на отдельных малой площадью производственных участках, а также в медицинских учреждениях [22, 42, 45, 130, 169]. Исследования по использованию искусственной ионизации для осаждения пыли, (по свойствам пыль - диэлектрик), из воздуха производственного помещения до настоящего времени не проводились. Коагуляцию витающей пыли и ее осаждение на поверхности как в специальных электрообеспыливающих аппаратах, так и в самом помещении можно проводить искусственной ионизацией воздуха, используя коронные разряды на электродах. После того, как тонкодисперсная пыль осаждается на поверхности пола, стен и оборудования ее необходимо удалить, чтобы не допустить ее повторного попадания в очищенный производственный воздух. Для этого на предприятиях применяется несколько способов. Опыт использования различных способов пылеудаления в различных отраслях промышленности показал, что наиболее эффективным с санитарно-гигиенической и экономической точки зрения способом уборки производственных помещений является, сухой вакуумный сбор пыли, осуществляемый централизованной вакуумной пылеуборочной установкой, которая обладает большей мощностью и удобством эксплуатации[170]. Собранная пыль направляется для дальнейшего использования в производстве древесной муки, для переработки в формованные изделия или пьезотермопластики, а также использовать в качестве наполнителя, в разного рода материалах (клеи, замазки и др.)[53, 122, 149]. Знание свойств пыли, в частности адгезионных, в процессе осаждения пыли и ее удаления за пределы производственных помещений играет существенную роль. Изучение явления адгезии и прикладных вопросов, в основе которых лежат адгезионные процессы, привлекли внимание многих специалистов [55, 56, 57, 67, 68].
Исследования по адгезии частиц проводились еще в начале двадцатых годов. Так, например, А. Бузаг определял взаимодействие частиц в жидкой среде. У нас в стране первые теоретические представления об адгезии частиц в воздушной среде дал Б.В. Дерягин. Им также изучена адгезия пленок, разработана теория взаимодействия твердых тел. Количественную оценку адгезии частиц, главным образом в жидкой среде, предложил Г.И. Фукс [163, 164, 165].
В развитии теории явления адгезии частиц А.Д. Зимон разработал и усовершенствовал методы определения сил адгезии; проанализировал причины, обуславливающие адгезию; определил зависимости сил адгезии от свойств контактирующих тел и окружающей среды; изучил условия удаления частиц под давлением воздушного и водного потоков [67].
Определение влияния ионизации воздуха на осаждение тонкодисперсной пыли из воздушной среды
Традиционное противопоставление микрогетерогенных (дисперсных) систем молекулярно-дисперсным системам (истинным растворам) не исключает определенного сходства в поведении отдельных молекул в среде растворителя и частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде[156]. Так, истинные растворы и дисперсные системы подчиняются одним и тем же законам молекулярно-кинетической теории. Если частицы дисперсной фазы имеют сравнительно небольшие (коллоидные) размеры, то они, как и отдельные молекулы, совершают интенсивное тепловое (броуновское) движение. Этим обусловлена, в частности, седиментационная устойчивость коллоидных систем, частицы которых могут находиться во взвешенном состоянии подобно молекулам в истинных растворах[35]. В отличие от движения отдельных молекул броуновское движение коллоидных частиц поддается прямому наблюдению, что в свое время послужило доказательством реальности существования молекул.
Между частицами дисперсной фазы, как и между отдельными молекулами, действуют силы взаимодействия, зависящие от природы частиц и окружающей их дисперсионной среды[144]. Силы притяжения между частицами обусловливают агрегативную неустойчивость дисперсных систем, проявляющуюся в слипании отдельных частиц в агрегаты. С термодинамической точки зрения агрегативная неустойчивость дисперсных систем определяется поверхностным натяжением (избыточной поверхностной энергией) на границе частица/среда[99]. Образование коагуляционных контактов между частицами в ходе агрегирования уменьшает поверхность соприкосновения частиц со средой, и система переходит в состояние с более низкой потенциальной энергией.
Как и в других аэрозолях, частицы древесной пыли непрерывно и самопроизвольно коагулируют. Коагуляция частиц, находящихся в потоке воздуха, зависит от: размера частиц, электрического заряда, температуры, влажности и давления воздуха. Интенсивность коагуляции зависит от формы и структуры частиц, а так же от свойств адсорбированных на их поверхности паров[139].
Процесс коагуляции в электростатическом поле имеет свои особенности. Коагуляция биполярного аэрозоля в электростатическом поле приводит к достаточно быстрой нейтрализации дисперсной системы за счет преимущественной агрегации разноименно заряженных частиц. Это, в свою очередь, приводит к резкому замедлению дальнейшего коагуляционного роста. Биполярный аэрозоль быстро трансформируется в нейтральную агрегатно устойчивую систему, при этом происходит заметное сужение спектра размеров частиц[156].
Эволюция униполярного аэрозоля протекает иначе. В этом случае не происходит нейтрализации электрического заряда. В процессе коагуляции спектр размеров и зарядов частиц постепенно расширяется, сдвигаясь в область больших размеров.
Указанное отличие в характере эволюции аэродисперсных систем в электростатическом поле приводит к выводу о том, что коагуляция униполярного аэрозоля в электростатическом поле оказывается более эффективной для формирования крупных частиц, чем коагуляция биполярного аэрозоля.
Процесс агрегации аэрозолей чувствителен к влиянию электрического поля, причём как за счёт изменения характера взаимодействия частиц между собой, так и за счёт взаимодействия частиц с полем. Изучению данной проблемы, в силу её практической важности, уделялось достаточно серьёзное внимание. Особенно много работ посвящено коагуляции водных капель [17]. В целом экспериментальные исследования указывают, что заряд капель может увеличить коэффициент коагуляции на 1-2 порядка в зависимости от соотношения размеров и зарядов коагулирующих частиц.
Влияние электрического поля на коагуляцию было продемонстрировано в работах Фан Конга и Иордана[185], которые исследовали рассеяние тумана. Лезем и Сондерс [186]рассматривали агрегацию ледяных частиц размером менее 10 мкм при напряжённости поля Е 1,6- 105 В/м и наблюдали увеличение скорости агрегации с ростом напряжённости. При этом они указывали, что это возрастание может быть объяснено как за счёт учащения столкновений, так и за счёт усиления адгезии сталкивающихся частиц. Интересные эксперименты Девира [187], а также Волкова и Крылова [38]посвящены коагуляции нейтральных и заряженных частиц в электрическом поле.
Интенсивность коагуляции частиц древесной пыли различных пород древесины размером 1 мкм можно проследить по изменению счетной концентрации частиц в неподвижном воздухе. Оценка скорости коагуляции произведена по времени, в течение которого число частиц уменьшается вдвое[35]. Несмотря на то, что частицы пыли различной древесины очень близки по форме и характеру поверхности, скорость коагуляции их в равных условиях опыта (температура 20 С. влажность 50 %, распределение частиц по размерам и исходная концентрация приблизительно одинаковы) различна[99]. Подобное явление следует объяснить различием электрических свойств пыли, различиями в их удельной поверхности и способности адсорбировать газы, а также присутствием, в воздухе частиц более крупных размеров. С увеличением концентрации пыли в воздухе скорость коагуляции значительно увеличивается. После длительного пребывания в равных условиях древесная пыль изменяет фракционный состав. Интенсивность коагуляции снижается по мере уменьшения количества мелких частиц. Как показали исследования различных авторов [147, 186], находящиеся во взвешенном состоянии частицы под действием различных факторов (адсорбция ионов, ионизирующее излучение и пр.) приобретают заряд того или иного знака. При соединении разноименно заряженных частиц образуется более крупные частицы, которые легче осаждаются. Однако ввиду того, что заряд, который несут в себе частицы, весьма незначителен, коагуляция возможна лишь тогда, когда частицы сблизятся, ибо силы их притяжения довольно слабы. При этом связь частиц между собой оказывается непрочной: в процессе движения они могут отдавать свои заряды другим частицам и распадаться. Коагуляция является наиболее характерным процессом изменения именно аэродисперсной системы, другие из вышеперечисленных процессов могут рассматриваться и для отдельных частиц. Основное кинетическое уравнение для неё было получено Смолуховским [146] в дискретной форме:
Коагуляция разноименно заряженных частиц при наличии внешнего электрического поля
В целом же электрическое поле повышает эффективность ионной зарядки частиц при прочих равных условиях. Большой цикл экспериментальных работ по сравнительному изучению диффузионного и ударного механизма зарядки аэрозолей был выполнен учёными ТГУ в связи с разработкой зарядных устройств для аэрозольной спектрометрии [122, 127, 153]. Нужно отметить, что роль того или иного механизма, как показано в этих исследованиях, во многом зависит от дисперсности аэрозольных частиц. Крупные частицы эффективно заряжаются в электрическом поле, а при электризации мелких частиц преобладает диффузия ионов.
Специфическим механизмом электризации для сильных полей является коронный разряд с поверхности дисперсных частиц. Для водяных капель миллиметрового диапазона экспериментальные работы дают эмпирический закон напряжённости зажигания коронного разряда в виде [201]: где С =3,8 104. В общем случае можно сделать вывод о том, что электрическое поле существенно повышает эффективность электризации аэрозольных систем и приводит к накоплению на частицах больших зарядов. Это в свою очередь может существенно изменить кинетику аэрозолей, прежде всего за счёт направленного дрейфа частиц. Такой дрейф может приводить либо к переносу аэрозольного облака как единого целого во внешнем поле, либо к электростатическому рассеянию облака в поле собственного заряда [162]. В любом случае поле приводит к нарушению пространственной однородности дисперсной системы [196].
Естественно, что и процесс агрегации аэрозолей чувствителен к влиянию электрического поля, причём как за счёт изменения характера взаимодействия частиц между собой, так и за счёт взаимодействия частиц с полем. Изучением данной проблемы, в силу её практической важности, уделялось достаточно серьёзное внимание.
В целом данная проблема представляется изученной далеко не полностью. Причём в области от 10 мкм и ниже размеров диэлектрических частиц экспериментальных данных о влиянии электрических сил на агрегатную устойчивость аэрозолей практически нет. Электрические силы в той или иной степени оказывают влияние практически на все физические процессы, протекающие в аэрозолях, что, прежде всего, сказывается на агрегативной устойчивости дисперсных систем.
Распределение зарядов в аэрозоле является важными параметром его состояния, в зависимости от которого может качественно измениться характер развития системы, однако количественная оценка такого эффекта затруднена его сложной зависимостью от механических, электрических и прочих свойств аэрозольных частиц. Поэтому можно ожидать, что ограничение объекта исследования агрегацией аэрозоля с диэлектрическими частицами над действием ионного потока позволит более детально проследить основные особенности такого процесса и дать их приемлемую интерпретацию. В воздушной среде деревообрабатывающих предприятий присутствует аэрозоль древесной пыли. В начальный момент t=0 среда (воздух) ионизируется. Взаимодействие аэрозоля с ионами приводит к заряжению его частиц. Материал частицы - диэлектрик.
Поле иона вызывает поляризацию частицы. Элемент её поверхности становится эквивалентным электрическому диполю с моментом [38], в результате ион и частица аэрозоля взаимодействуют своими полями. В точечном приближении взаимодействие иона с индуцированным диполем можно отнести к типу ион-дипольных. Характер ион-дипольного взаимодействия таков, что ион всегда притягивается частицей.
Полярные фрагменты молекул древесины в поле иона ориентируются так, что на поверхности частицы индуцируется заряд противоположного заряду иона знака. Кроме полярных молекул, в поляризации частицы участвуют и молекулы с равным нулю дипольным моментом (дисперсное взаимодействие). В этом случае поляризуется сама молекула. Её электронная оболочка деформируется полем иона.
Индуцированный дипольный момент р пропорционален напряженности Е поля иона. Поэтому по мере приближения иона к поверхности частицы аэрозоля дипольный момент р возрастает, что приводит к увеличению потенциальной энергии ион-дипольного взаимодействия. При соприкосновении иона с поверхностью частицы потенциальная энергия ион-дипольного взаимодействия достигает максимума. Максимальную величину ион-дипольного взаимодействия по этой причине можно считать равной энергии связи иона с поверхностью частицы.
Материал частицы в общем случае не пассивен по отношению к адсорбированным ионам. При диспергировании в нем появляются свободные радикалы [74], транспорт продуктов жизнеобеспечения связан с переносом неорганических ионов - все это взаимодействует с адсорбированными ионами. При этом химическое взаимодействие компонентами древесины обладает выраженной селекцией по отношению к адсорбированным ионам. Например, если древесина до адсорбции ионов имела щелочной показатель рН, анионы, осевшие на ее поверхности, окажутся нейтрализованными, и заряд частицы определится только адсорбцией катионов. Поэтому адсорбция ионов должна обязательно приводить к зарядке частиц.
Заряд, получаемый частицей в результате адсорбции ионов, активно влияет на скорость самой адсорбции. Пусть, например, в результате адсорбции частица получает положительный заряд. Тогда взаимодействие с ионами среды определяется ион-дипольным электростатическим взаимодействием иона с заряженной частицей. Поскольку частица заряжена положительно, то с увеличением положительного заряда адсорбция катионов будет замедляться со временем. Это означает, что в самом общем случае заряд частицы ограничен. Коагуляция заряженного аэрозоля приводит не только к вариациям дисперсного состава системы, но и к изменению величины заряда аэрозольных частиц, что можно наблюдать в ходе эксперимента.
Результаты соответствующих измерений, проведенных по разработанной нами методике, представлены на рисунке 3.1, 3.2. Из результатов наблюдений за изменением распределения частиц по размерам во времени видно, что поведение спектра размеров частиц типично для коагулирующего аэрозоля, при этом коагуляция при биполярной ионизации проходит быстрее, чем при униполярной.
Зависимость качества очистки воздушной среды от адгезионных свойств тонкодисперсной древесной пыли
Анализ очистки воздушной среды от тонкодисперсных частиц древесной пыли с применением ионизационной установки будет не полным, если не учитывать адгезионные процессы, происходящие на поверхности с осажденными частицами.
Эти процессы могут оказывать существенное влияние на зарядку и движение частиц в объеме и во многом определяют дальнейшую судьбу частиц, попавших на поверхность: остаются ли последние на поверхности или срываются с нее под действием потока воздуха или каких-либо других факторов.
В первой стадии процесса осаждения, когда частицы, попавшие на поверхность, еще не образуют сплошного слоя и располагаются достаточно далеко друг от друга, задача сводится к изучению поведения отдельной частицы на электроде. Частица удерживается на электроде силами, получившими название сил адгезии (прилипания). Частица остается на поверхности и не будет вовлечена обратно в поток, если отрывающие силы, обусловленные действием различных факторов (вибрация оборудования, гидродинамическое воздействие потока воздуха и т. п.), оказываются меньше сил адгезии. Существенную роль при этом играют электрические силы, действующие на частицу и зависящие от значения и знака приобретаемого ею заряда.
Заряд частицы определяется двумя процессами: ионной зарядкой, скорость которой зависит от тока коронного разряда, и процессом разрядки на электроде. Скорость разрядки зависит от проводимости частицы и переходного сопротивления в месте контакта ее с поверхностью. Хорошо проводящие частицы быстро отдают свой заряд и приобретают заряд, совпадающий по знаку с зарядом, наведенным на электроде, т. е. происходит перезарядка частиц. В силу этого электрическая сила, действующая со стороны внешнего поля на частицу, изменяет свое направление и способствует отрыву последней от поверхности. Для плохо проводящих частиц скорость ионной зарядки существенно превышает скорость разрядки, и частицы сохраняют знак своего заряда. Электрическая сила в этом случае направлена к поверхности и увеличивает адгезию частица.
Адгезия частиц вызывается целым рядом факторов - это молекулярное взаимодействие, капиллярные силы при влажности воздуха свыше 65%, электрические силы. Существенное влияние на эти силы оказывают такие случайные факторы, как площадь контакта частиц с электродом, переходное сопротивление в месте контакта и т.п
Обычно силы адгезии характеризуют числом адгезии yF, равным отношению числа частиц N данного размера, оставшихся на подложке после воздействия отрывающей силы F, к первоначальному числу частиц No, т.е. Рассмотрим составляющие сил адгезии и меры, позволяющие изменить их значение. Молекулярное взаимодействие характеризуется силами, проявляющимися на расстояниях между молекулами в несколько сотен их диаметров, и зависит от свойств соприкасающихся тел и площади истинного контакта. Поскольку последняя неизвестна, рассчитать молекулярную компоненту сил адгезии не представляется возможным. Молекулярные силы могут быть изменены путем модификации поверхности. Известно эмпирическое правило Дебройна [58], согласно которому, чем больше разница в способности контактирующих поверхностей смачиваться, тем меньше адгезия. Площадь истинного контакта растет с размером частицы, и потому молекулярная компонента сил адгезии «в среднем» пропорциональна радиусу частицы. При отличии формы частицы от сферической площадь истинного контакта возрастает и эксперимент показывает, что при изменении коэффициента сферичности от 1 для сферы до 0,4 для пластинчатых частиц силы адгезии возрастают в 2—3 раза.
На адгезию влияет степень шероховатости поверхности. Из экспериментальных данных следует, что в кривой зависимости силы адгезии от степени шероховатости имеется минимум, который может быть объяснен следующим образом. Для идеально гладкой поверхности площадь контакта определяется размером частицы и упругими свойствами частицы и подложки. При наличии микрошероховатостей, когда высота выступов значительно меньше размеров частицы, площадь контакта, определяемая этими микровыступами, уменьшается, а значит, уменьшается и сила адгезии. При увеличении степени шероховатости подложки, когда размер выступов соизмерим с размерами частицы, последние «проваливаются» во впадины и площадь истинного контакта, а значит, и силы адгезии увеличиваются. По опытным данным [58] минимум силы адгезии частиц радиусом 30— 40 мкм имеет место для поверхностей, обработанных по 8— 10-му классу чистоты.
Капиллярные силы адгезии возникают при наличии мениска жидкости в зазоре между частицей и поверхностью и проявляются при относительной влажности воздуха, превышающей 65%. Электрические силы, обусловленные контактной разностью потенциалов, зависят от акцепторно-донорных свойств материала частицы и подложки и пропорциональны площади контакта. Наличие влаги в зазоре между частицей и подложкой препятствует возникновению контактной разности потенциалов и поэтому в условиях, когда проявляются капиллярные силы, электрической компонентной сил можно пренебречь. При осаждении частиц в поле коронного разряда на частицу действуют силы зеркального отображения и силы, обусловленные избыточным зарядом частицы.
Для решения многих современных технологических проблем очистки воздушной среды, промышленных газовых выбросов, удаления воздушным потоком полидисперсной пыли с поверхностей должны использоваться математические модели, учитывающие комплекс физических явлений и специфику конкретных процессов. Однако взаимодействие воздушного потока с полидисперсной пылью сложное, отсутствует строгая теория, учитывающая взаимодействие частиц между собой и с элементами конструкций, полидисперсный состав, турбулентные пульсации среды и т.д. При этом возникают трудности как физического, так и математического характера. Детальное исследование взаимодействия частицы с воздушным потоком из-за явлений, процессов происходящих внутри ее и на поверхности потребовало бы привлечения большинства известных методов газодинамики и физико-химической кинетики [112]. Противоречие между необходимостью описания процессов, происходящих с отдельной частицей и требованием их учета в общей динамике в аэродисперсной смеси, требует принятия компромиссных решений и упрощающих допущений в построении моделей динамики отдельной частицы, слоя частиц или газодинамики смеси в целом.
Похожие диссертации на Улучшение качества очистки и оздоровление воздушной среды искусственной ионизацией
![Комплексная гигиеническая оценка ионизации воздушной среды закрытых помещений [Электронный ресурс]](/i/i/4503/200199.png "Комплексная гигиеническая оценка ионизации воздушной среды закрытых помещений [Электронный ресурс] Гуськов Андрей Сергеевич")