Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время все большую актуальность приобретают научные исследования по различным вопросам физики аэродисперсных систем. Это обстоятельство не случайно, так как с каждым годом увеличивается использование аэрозолей в практических приложениях, например, промышленности, технике, сельском хозяйстве, медицине. 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 связи с обострением экологической ситуации все большее внимание уделяют вопросам очистки промышленных газов от аэрозольных частиц, природа образования которых может быть произвольной, а сами частицы могут быть неоднородными по своим теплофизическим свойствам. Очистка может быть осуществлена, например, путем пропускания загрязненного газового потока через волокнистые фильтры или различного вида каналы, на стенках которых осаждаются аэрозольные частицы. В природе естественное очищение атмосферы происходит посредством вымывания частиц дождевыми каплями.
Одной из важнейших проблем физики аэродисперсных систем является теоретическое описание процесса переноса аэрозольных частиц в газовых потоках с неоднородным распределением температуры и концентраций газообразных компонентов. При неоднородном распределении концентраций газообразных компонентов и температуры происходит, например, осаждение частиц в каналах тепло- и массообменников, на поверхностях капель в облаках и туманах, в системах, предназначенных для мокрой очистки газов. В неоднородных газовых потоках значительное влияние на процесс переноса и осаждение частиц могут оказывать силы молекулярной природы, такие как термофоретическая, диффузиофоретическая, теплофоретическая, а также массовое движение газообразной среды, обусловленное процессами, протекающими на тепло- и массообменных поверхностях. Термодиффузиофорети-ческий механизм и поперечное массовое движение среды вызывают образование вредных отложений из аэрозольных частиц на поверхностях тепло- и массообмена, оказывают влияние на перенос частиц в зоне протекания гетерогенных химических реакций, могут быть использованы в очистных устройствах и в ряде технологических процессов. Являющееся частным случаем тешгофоретического, фотофоретическое движение частиц может быть использовано при создании установок, предназначенных для селективного разделения частиц по размерам и тонкой очистки газовых потоков. Термодиф-фузиофоретическое и теплофоретическое движение аэрозольных частиц происходит в зоне просветления аэродисперсных систем электромагнитным из-
лучением. Во встречающихся на практике аэрозольных системах в зоне просветления неоднородное распределение температуры и концентраций газообразных компонентов возникает, главным образом, из-за испарения капель, нагрева твердых частиц и сгорания угдеродосодержащих частиц.
Из всего вышеизложенного вытекает, что исследование вопросов, связанных с особенностями переноса как однородных, так и неоднородных по теплофизическим свойствам частиц в неоднородных по температуре и концентрациям газообразных компонентов газовых потоках носит актуальный характер.
Несмотря на то, что теория переноса аэрозольных частиц в неоднородных по температуре и концентрации компонентов газообразных средах в последние годы довольно интенсивно развивается, в рамках, научной школь: ЯламовэЮ.И.,остается еще ряд нерешенных важных вопросов, представляю! значительный интерес; как для теоретических, так и для практических приложі Так, до .настоящей работы,; не проведено целенаправленное исследование влияния на процесс осаждения частиц таких механизмов молекулярной природы, как термофоретического, диффузиофоретического и теплофорети-ческого. В частности, не изучены особенности термодиффузиофоретического осаждения частиц из неоднородных ламинарных потоков со значительными перепадами температуры и концентраций газообразных компонентов. Не исследовалось влияние термодиффузиофоретического механизма на перенос частиц вблизи каталитически активных поверхностей. Не исследована степень влияния радиальной неоднородности теплофизических свойств твердых частиц на их термодиффузиофоретический и теплофоретических перенос как в однокомпонентных, так и многокомпонентных газах.
Цель работы. Основной целью данной диссертационной работы являлось:
-
Количественное исследование процесса термодиффузиофоретического осаждения частиц из ламинарных симметричных двухкомпонентных газовых потоков со значительными продольными, но малыми поперечными перепадами температуры и концентраций газообразных компонентов.
-
Теоретическое изучение закономерностей влияния термодиффузиофоретического, теплофоретического . и броуновского механизмов на осаждение частиц в разнотемпературных каналах с фиксированной и переменной температурой поверхностей как при малых, так и при значительных поперечных перепадах температуры и концентраций компонентов бинарной газовой смеси.
-
Разработка теории термодиффузиофоретического осаждения аэрозольных частиц на поверхности тел конечных размеров, обтекаемых много-
компонентным ламинарным газовым потоком, и применение этой теории к описанию процессов термодиффузиофоретического осаждения частиц в волокнистых фильтрах и термодиффузиофоретического вымывания частиц движущимися каплями.
-
Исследование особенностей термодиффузиофоретического переноса аэрозольных частиц в окрестности капля, испаряющ^-ейся под действием внутренних источников тепла.
-
Изучение закономерностей влияния термодиффузиофоретической силы на движение аэрозольных частиц при протекании гетерогенных химических реакций.
-
Построение теории термодиффузиофоретического и теплофорети-ческого движения в многокомпонентных газах умеренно крупных твердых сферических и цилиндрических частиц с коэффициентом теплопроводности, зависящим от радиальной координаты.
Научная новизна работы.
-
Проведено теоретическое описание процесса термодиффузиофоретического осаждения частиц из протекающих через плоскопараллельные и цилиндрические каналы двухкомпонентных ламинарных газовых потоков со значительными продольными перепадами температуры и концентраций газообразных компонентов. При выводе формул, описывающих процесс осаждения, учтена зависимость коэффициентов молекулярного переноса (теплопроводности, диффузии, вязкости) от температуры и концентраций газообразных компонентов. Поиск выражений для распределений температуры, относительных концентраций газообразных компонентов и проекций массовой скорости впервые проводился в виде бесконечных разложений по ортогональным системам функций. Проведен численный анализ процесса термодиффузиофоретического осаждения частиц, который показал , что захват частиц в симметричных неоднородных потоках может быть значительным.
-
Получены формулы, позволяющие при больших скоростях гетерогенных химических реакций оценивать термодиффузиофоретический захват частиц в плоских каналах химических адиабатических реакторов.
-
В ходе решения нелинейной системы уравнений газовой динамики найдены выражения, описывающие распределения температуры, относительных концентраций газообразных компонентов и массовой скорости в установившемся двухкомпонентном газовом потоке, протекающем через раз-нотемпературный плоскопараллельный канал со значительными поперечными перепадами температуры и концентраций газообразных компонентов. С помощью этих выражений найдены формулы, поволяющие оценивать нелинейный процесс термодиффузиофоретического осаждения частиц в канале.
Проведен анализ особенностей термодиффузиофоретического осаждения частиц в канале. При этом, в частности, показано, что с увеличением температуры верхней пластины происходит уменьшение длины той части капала, на которой происходит полный термофоретическнй захват частиц.
-
Выведены формулы, с помощью которых при фиксированной температуре плоскостей плоскопаралельного разнотемпературного канала можно оценивать в установившихся газовых потоках осаждение частиц, обусловленное одновременным действием термодиффузиофоретического и броуновского механизмов захвата. Проведенный при этом анализ, в частности, показал, что процесс осаждения частиц, происходящий при одновременном действии термодиффузиофоретического и броуновского механизмов носит неаддитивный характер. В тех случаях, когда основное влияние на захват частиц оказывает термодиффузиофоретический механизм, броуновский перенос частиц приводит к увеличению длины той части канала, в которой происходит полное осаждение частиц.
-
Найдены формулы, позволяющие оценивать термодиффузиофоре-тическое осаждение частиц в разнотемпературных каналах с переменной температурой поверхностей.
-
При разработке теории термодиффузиофоретического осаждения частиц на поверхности тел с замкнутой поверхностью, обтекаемых многокомпонентным ламинарным газовым потоком, впервые аналитически выведено выражение для термодиффузиофоретического потока частиц, оседающих на поверхности тепло- и массообмена, в соответствии с которым этот поток частиц непосредственно зависит только от потоков тепла и молекул компонентов, протекающих через поверхность.
-
Выражение для термодиффузиофоретического потока частиц, оседающих на замкнутой поверхности, было использовано при выводе формул, поволяющих оценивать термодиффузнофоретическое осаждение частиц в волокнистых фильтрах,и решении задачи о термодиффузиофоретическом вымывании частиц движущейся каплей. Выражения, найденные при решении задачи о термодиффузиофоретическом вымывании частиц движущейся каплей, позволяют оценивать захват частиц при числах Рейнольдса и Пекле капель как меньших, так и больших едиющы, не прибегая к интегрированию уравнения движения аэрозольной частицы.
-
Показано, что при интенсивном испарении капель под действием внутренних источников тепла более мелкие аэрозольные частицы в результате действия термодиффузиофоретического механизма могут быть отнесены от поверхности капель на расстояния, значительно превышающие их исходный радиус.
9. Проведено в квазистационарном приближении теоретическое опи
сание нелинейного процесса гетерогенного горения одиночных неподвижных
твердых частиц, находящихся в газовой смеси с малыми концентрациями,
принимающих участие в химической реакции, молекул. В ходе аналитиче
ского решения уравнений была учтена произвольная зависимость коэффици
ентов молекулярного переноса от температуры. С помощью выведенных
формул впервые показано, что при оценке переноса аэрозольных частиц в
окресности горящей частицы наряду с массовым (стефановским) движением
газообразной среды необходимо учитывать и действие термодиффузиофоре-
тической силы.
10. Построена теория термодиффузиофоретического и теплофорети-
ческого движения крупных и умеренно крупных сферических и цилиндриче
ских частиц в многокомпонентных газах. При решении задач в граничных
условиях были учтены все виды газокинетических скольжений, скачок тем
пературы и растекание тепла и молекул по слою Кнудсена. Полученные
формулы позволяют оценивать термодиффузиофоретическое и теплофорети-
ческое движение многослойных частиц с коэффициентом теплопроводности,
в пределах каждого из слоев, зависящим от радиальной координаты. Прове
ден анализ полученных результатов, который показал, что неоднородность
теплофизических свойств частиц и термодиффузия могут оказать значитель
ное влияние на термофоретическое и теплофоретическое движение частиц.
Совокупность перечисленных теоретических результатов можно квалифицировать как новое крупное достижение в рамках перспективного направления в физике аэродисперсных систем - общей теории переноса аэрозольных частиц в газообразных средах.
Практическая ценность. Полученные результаты исследования имеют напосредственный выход в практику и могут найти применение при:
создании установок, предназначенных для нанесения тонких покрытий из аэрозольных частиц и селективного разделения частиц по размерам;
разработке методов тонкой очистки газов от аэрозольных частиц;
анатазе процесса переноса аэрозольных частиц в зоне протекания химических реакций;
оценке величины зоны просветления, образующейся при зондировании облаков и туманов лазерным излучением;
математическом моделировании процесса вымывания аэрозольных частиц каплями в облаках и туманах;
определении времени сгорания частиц, температура поверхности которых значительно отличается от температуры газообразной среды.
Математические методы, использованные при решении уравнений газовой динамики и уравнений тепло - и массопереноса могут быть применены в дальнейшем при теоретическом описании процессов переноса и осаждения частиц в каналах с более сложной геометрией тепло - и массо-обменных поверхностей и решении задач механики аэрозолей.
Материалы п.2.3 были использованы при оценке термофоретиче-ского осаждения умеренно крупных и крупных аэрозольных частиц в пластинчатом каталитическом реакторе, в котором в опытно-промышленных условиях происходило окисление запылённого сернистого газа. Испытания пластинчатого реактора происходили в Воскресенском ПО "Минудобрение".
Основные положения, выносимые на защиту:
Аналитическое решение задач о переносе частиц с учётом влияния на движение частиц термо- и диффузиофоретической сил в симметричных и несимметричных ламинарных потоках как с малыми , так и значительными перепадами температуры и концентраций газообразных компонентов. Установленные в ходе проведения численных оценок количественные закономерности процесса осаждения частиц.
Математическое моделирование процесса осаждения частиц из неоднородных газовых потоков в разнотемпературных плоскопараллельных каналах с учётом термодиффузиофоретического механизма и броуновской диффузии. Результаты анализа влияния, оказываемого на процесс захвата частиц броуновской диффузией.
Теоретическое описание процесса термодиффузиофоретического захвата частиц конечными поверхностями тепло- и массообмена при их внешнем обтекании ламинарными потоками. Решение, на основании полученных при этом формул, задач о термодиффузиофоретическом вымывании частиц движущимися каплями и осаждении частиц в волокнистых фильтрах. Сравнение величины коэффициентов захвата частиц поверхностями конечных размеров при осаждении на них частиц в результате действия механизмов переноса, различной природы. Количественные закономерности термодиффузиофоретического вымывания аэрозольных частиц движущимися каплями и захвата частиц в волокнистых фильтрах.
Результаты анализа влияния термо- и диффузиофоретической сил на процесс движения частиц вблизи поверхностей тепло- и массообмена при протекании на них гетерогенных химических реакций.
Количественные закономерности переноса в результате действия термодиффузиофоретического механизма аэрозольных частиц в окрестности
капель, интенсивно испаряющихся под действием внутренних источников тепла.
Аналитическое решение нелинейной задачи о гетерогенном горении при больших перепадах температуры неподвижной твёрдой частицы в газообразных средах с малыми концентрациями химически активных компонентов. Особенности влияния термофоретической и диффузиофоретической сил на движение аэрозольных частиц в окрестности гетерогенно горящей более крупной частицы.
Решение задач о термодиффузиофоретическом и теплофоретическом движении в многокомпонентных газах умеренно крупных твёрдых сферических и цилиндрических частиц с коэффициентом теплопроводности, зависящим от радиальной координаты. Анализ влияния, оказываемого на скорость переноса частиц всеми видами газокинетических скольжений, скачком температуры, растеканием тепла и молекул по слою Кнудсена, термодиффузией и зависимостью коэффициентов теплопроводности частиц от радиальной координаты.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на: VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженного газа ( г. Москва, 1985 г. ); Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (г. Одесса, 1986 г.); Всесоюзной конференции "Каталитические и химические реакции" (г. Харьков, 1992г.); "Российской аэрозольной конференции" (г. Москва, 1993 г.); "International aerosol sumposium Theory of aerosol. Russian aerosol society (Moscow, 1994 г. ); Международной научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики и управления в конденсированных системах и других средах", (Тверь, июль, 1996 г.); ХП конференции стран СНГ "Дисперсные системы" (г. Одесса, сентябрь, 1996 г.); на семинарах кафедры теоретической физики Московского педагогического университета; на семинарах кафедры общей физики Шадринского государственного педагогического института.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ.
Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 362 страницах машинописного текста. Работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, приложения и содержит 52 рисунка, 7 таблиц, библиографию из 370 наименований.