Динамика зарядки аэрозольных частиц в мощном электрическом поле

26 июля 2010 - Администратор

Физика экстремальных состояний вещества: Сб. ст. ИПХФ  РАН. Черноголовка.2002 С. 175-176

Веремьев К.Н. , Веремьев Н.К., Шеманин В.Г., Юров Ю.Л.

НФ КубГТУ, Новороссийск

vnk@avtec.ru

 

Процессы образования плазмы в потоке аэрозольных частиц имеют не только чисто научный интерес, но и большое значение в различных технологиях, и в частности в электрической очистки газов от твердых и жидких фракций. В теоретических работах [1], [2] рассмотрены электрофизические процессы ионизации газов, использование этих эффектов для очистки газов от твердых и жидких фракций, однако к сожалению не разработано физической и математической модели процессов происходящих при электрической фильтрации газов. Целью настоящей работы является разработка математической модели физических процессов зарядки аэрозольных частиц, их осаждение и удаление их из газового потока. Для решения этой задачи было получено  модифицированное уравнение для определение доли заряженных части, в зависимости от расстояния, пройденного этими частицами в электрическом поле, с учетом механизма зарядки частиц. В этой части работы рассматривается использование ионного тока для зарядки частиц.

Если в некотором объёме газа содержится какая-то масса незаряженных частиц то поглощение этих зарядов  может быть определено на основании кинетической теории газов из следующих соображений.

Предположим, что в некотором объеме газа V содержится N  незаряженных частиц, имеющих массу Q, с удельной массой g . Введем допущение, что частицы имеют сферическую форму со средним радиусом r. Учитывая, что объём частицы  будет равен:

 

Определим число частиц в данном объёме газа, как: ,

Поверхность одной частицы будет равна:        .              

Общая эффективная поверхность будет равна:          .

Введем понятие - количество частиц в единице пространства .

Относительная эффективная поверхность частиц         .

 Считаем, что длина свободного пробега частицы –математически ожидаемое расстояние, на котором частица при движении в электростатическом поле пролетает без соударений с другими частицами. Определим длину свободного пробега частицы, как :                                        (1)

В следствии того, что при соударении частица выбывает из процесса, получаем потерю электрических зарядов из ионного потока :

                    (2)

где                  q – количество электричества находящееся в рассматриваемом  пространстве;

                        х – координата в направлении движения зарядов.

Интегрируя (2) с учетом (1), получим распределение зарядов в ионном потоке в зависимости от координаты x в направлении их движения:                                      

Тогда количество поглощенных зарядов будет равно

,                    (3)

где l расстояние между электродами, м.

Для иллюстрации выражения (3) представлен график (рис.1) коэффициента использования зарядов в зависимости от содержания незаряженных частиц при различных их линейных размерах.

Для расчета приняты следующие величины постоянными - l =0.15 м; g=2*103 кг/м3.

Радиус частиц  изменяется в пределах r =(2-20)*10-6 м.

Выражение (3) приведем к виду:

По последнему выражению построены кривые на рис.1.

Далее подробно рассмотрена зарядка частиц ионным током.

                Процесс зарядки монодисперсной среды отрицательными ионами можно определить, рассмотрев столкновения движущихся частиц с неподвижными зарядами, при этом величина каждого отдельного заряда обеспечивает зарядку частицы до полного потенциала. Зарядившаяся частица выбывает из потока, и считается потерянной.

                Введем условные обозначения:

q1 количество электричества, отдельного заряда;

 диэлектрическая  проницаемость вещества;

e0 = 8.85*10-12  Ф/м  -диэлектрическая постоянная;

e1 - относительная диэлектрическая постоянная вещества;

E – напряженность электрического поля, В/м.

Из вышеприведенных условий очевидно, что величина отдельного заряда будет равна: 

Количество отдельных зарядов в рассматриваемом объеме:           

Эффективное сечение одного разряда:                   

Эффективное сечение всех зарядов в рассматриваемом пространстве                       

Относительное эффективное сечение зарядов, находящихся в 1 м3  пространства: 

Длина свободного пробега частиц в пространстве, заполненном зарядами:                               

Потеря (заряженные частицы после соударения с зарядами считаются выбывшими из процесса) количества частиц определится:        ,            где x- координата вдоль пути следования частицы, м.

Произведя замену переменных: dx=wdt, получим:  -  или:   ,

где             Q0 начальное количество (масса) частиц;

                   t  -    время нахождения дисперсной среды в пространстве заполненном зарядами;

                   wскорость потока частиц.

Показатель степени последнего выражения: ,  может быть преобразован. Учитывая, что объемная плотность зарядов равна  , ( где  J –плотность ионного тока, k – подвижность ионов), окончательно получим содержание незаряженных частиц в потоке ,       (4)

или обозначив                                   получим                                                            (5)

Для иллюстрации выражения (5) определим  необходимую активную длину ионизированного пространства, при котором движущиеся частицы зарядятся до величины  99.9 %, в зависимости от плотности тока.        Преобразуем выражение (4) учитывая, что x=wt получим  

В качестве примера на Рис.2 приведен график зависимости (5)  при следующих условиях:

Q/Q0 =0.001;         k=2*10-4 м2*с;   w=1.5 м/с;             e=2*10-11а*с/В*м; Е =1.5*105 В/м.

Таким образом полученное уравнение (5) позволяет оценить эффективность процесса зарядки частиц в электрическом поле, для случая, когда определяющим является процесс зарядки ионным током

 

 

1. Дж.Мик, Дж.Кретс. Электрический пробой в газах. ИЛ.,М. 1960.

2. Ужов В.Н.  Очистка промышленных газов электрофильтрами. Из. «Химия» М.1967.

 

 

Рейтинг: 0 Голосов: 0 2489 просмотров
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!


© ООО НПФ «АВТЭК» 2001-2017

Ваши вопросы и предложения мы будем рады услышать по адресу: info@avtec.ru
353905, Новороссийск, а/я 1, ООО НПФ "АВТЭК" Тел\факс (8617) 79-58-48

Developed by Webstyling.ru
Яндекс цитирования