Термодиффузиофоретическое осаждение аэрозольных частиц из неоднородных ламинарных газовых потоков Аладинская, Людмила Ивановна

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В современной технике и технологии невозможно обойтись без процессов, связанных с осаждением аэрозольных частиц. Образующиеся в результате производственной деятельности человека аэрозоли могут, с одной стороны, содержать ценные вещества, с другой, - оказывать вредное влияние на людей и окружающую среду. В последние годы в связи с обострением экологической ситуапии приобретает большое значение проблема очистки промышленных газов от аэрозольных частиц. Такая очистка может быть осуществлена, например, путем пропускания загрязненного газового потока через волокнистые фильтры или различного вида каналы, на стенках которых освящаются аэрозольные частицы. В естественных условиях очищение атмосферы от частиц аэрозоля может происходить, например, посредством вымывания частиц дождевыми каплями.

Важное теоретическое и практическое значение имеет изучение процессов осаждения аэрозольных частиц из неоднородных по температуре и концентрации газовых потоков на поверхностях тепло-- и масеообмена. Такое осаждение частиц происходит, например, в каналах тепло- и массообменников, на поверхности капель в облаках и туманах, в системах, предназначенных для мокрой очистки газов. В неоднородных по температуре и концентрации газовых потоках значительное влияние на процесс переноса и осаждения частиц может оказать термодиффузиофоретический механизм, включающий в себя действие термофоретической и диффуэиофорети-ческой сил и массовое (стефановское) движение газообразной среды. Следует отметить, что в неоднородных газовых потоках на процесс переноса и осаждения частиц, сравнимых по размерам с длиной свободного пробега молекул газа, термодиффузиофоретичес-кий механизм может оказать значительно большее влияние, чем инерционный механизм, электрические силы и броуновская диффузия, Термодиффузиофоретический механизм вызывает образование вредных отложений из аэрозольных частиц по поверхностях тепло- и масеообмена, оказывает влияние на перенос частиц в зоне протекания гетерогенных химических реакций, может быть использован в очистных устройствах и в ряде технологических процессов. В связи с этим изучение закономерностей термодиффузиофоретического переноса и осаждения частиц в неоднородных газовых потоках представляется актуальным. Наибольшее влияние термодиффузиофоретический механизм оказывает на движение и захват частиц в ламинарных

газових потоках. Теория термодифшузиофоретического осаждения частиц из ламинарных газових потоков наиболее полно развита в работах Ю.И.Яламова и Е.Р.Щукина, а такте в работах, выполненных под их руководством.К вопросам термодифгоузиоФоретического оса-бдения обращались также другие отечественные и зарубежные ученые /Амелин А.Г. Кабанов А.Н., -МєіієпА. и др./.З опубликованных до настоящего времени работах термодиффузяофоретическое осаждение частиц из ламинарных потоков рассматривалось при малых перепадах температури и концентрации газообразных компонентов, когда можно пренебречь зависимостью коэффициентов молекулярного переноса и плотности газообразной среды от температуры и концентрации компонентов. Осаждение частиц в каналах рассматривалось при пуазейлевском профиле распределения массовой скорости. Решение задачи о термодиффузио-форетическом осаздении частиц в газовых потоках со значительными перепадами температуры и концентрации 'имеет значительно более сложный характер, так как в этом случае при решении уравнений газовой динамики и тепломассопереноса необходимо учитывать влияние нелинейных характеристик среды на перенос аэрозольных частиц.

Данная работа представляет собой теоретическое исследование некоторых случаев термодиффузиофоретического осаждения аэрозольных частиц из двухкомпонентных ламинарных газовых потоков при произвольной зависимости коэффициентов молекулярного переноса от температуры и концентрации газообразных компонентов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной диссертационной работы являлось: 1/построение теории термодиффузиофоретического осаждения аэрозольных частиц из ламинарных симметричных двухкомпонентных газовых потоков со значительными продольными, но малыми поперечными перепадами температуры и концентрации газообразных компонентов при протекании этих потоков через плоскопараллельный и цилиндрический каналы;

Z/ теоретическое описание процессов термофоретического и термодиффузиофоретического осаждения частиц в -плосколараллельнсы резкотэк-пературном канале о фиксированными температурами поверхностей при больших поперечных перепадах температуры и концентрации компонентов газовой смеси;

3/ разработка теории термодиффузиофоретического осазденяя аэрозольных частиц на поверхности тел конечных размеров, обтекаемых двух-комлонентним газовым потоком, и применение этой теории к описанию процессов осаждения частиц в волокнистых фильтрах и термодиффузиофоретического вымывания частиц движущимися каплями.

1. При описании процесса термодиффузиофоретического осаждения частиц из симметричных потоков в плоскопараллельном и цилиндрическом каналах впервые учтена зависимость коэффициентов молекулярного переноса (диффузии, теплопроводности, вязкости) и плотности газовой смеси от температуры и концентраций компонентов. Выражения для проекций массовой скорости впервые были найдены в виде бесконечных разложений по ортогональным системам функций.

2. Впервые решена задача о термодиффузиофоретическом осаждении частиц в плоскопараллеяьном разнотемпературном канале со значительными поперечными перепадами температуры и концентрации газообразных компонентов и найдены формулы, позволяющие оценивать длину полного захвата частиц.

3. При разработке теории термодиффузиофоретаческого осаждения частиц на телах с замкнутой поверхностью, обтекаемых двухком-понентным ламинарным газовым потоком впервые аналитически выведена формула для термодиффузиофоретического потока частиц, оседаюцих на поверхности тепло- и массообмена, в соответствии с которой этот поток частиц непосредственно зависит только от потоков тепла и молекул компонентов, протекающих через поверхность.

4. Выражение для термодиффузиофоретического потока частиц, оседающих на замкнутой поверхности, было использовано, при выводе формулы для термодиффузиофоретического потока частиц, вымываемых движущейся каплей, что впервые позволило при числах Рейно-льдса и Пекле капетль, как меньших, так и болыяях единицы, находить значения потока частиц, не прибегая к интегрированию уравнения движения аэрозольной частицы.

Построенная в диссертационной работе теория термодиффузиофоретического осаждения аэрозольных частиц из ламинарных газовых потоков при произвольной зависимости коэффициентов молекулярного переноса и плотности газовой смеси от температуры и концентрации газообразных компонентов является составной частью общей теории переноса аэрозольных частиц в газообразных средах. Разработанные новые методы аналитического решения уравнений газовой динамики и уравнений тепло- и массопереноса могут быть использованы при теоретическом описании процессов переноса и осаждения частиц в задачах с более сложной геометрией теппоиас-

сообменнъгх поверхностей.

Результаты диссертации могут быть непосредственно использованы в инженерной практике, например, при

1. оценке захвата частиц из симметричных потоков в плоскопараллельных и цилиндрических каналах тепло- и массообменников;

2. создании установок для нанесения тонких покрытий из аэрозольных частиц;

3. разработке методов тонкой очистки от аэрозольных частиц небольших объемов газа;

4. создании волокнистых фильтров для очистки охлаждаемых газовых потоков;

5. оценке термодиффузиофоретического вымывания аэрозольных частиц каплями с произвольной формой поверхности в облаках и туманах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры теоретической физики и конференциях преподавателей и сотрудников Московского педагогического университета, на Всесоюзной конференции "Химреактор-П" (Харьков, 1992 г.),

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 7 работ в виде научных статей и тезисов докладов.

ОВЬЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав (каждая глава содержит результаты и выводы) и списка литературы из 321 наименования. Материал изложен на 174 страницах машинописного текста, включая 24 рисунка, б таблиц.