Осаждение заряженного аэрозоля в закрытом помещении с учетом его воздухообмена

Аэрозольная технология находит широкое применение в сельском хозяйстве, медицине, пищевой, химической и других отраслях производства. Аэрозольный метод обеспечивает экономию средств, улучшает качество обработки и повышает производительность труда.

Однако традиционный аэрозольный метод обработки имеет ряд существенных недостатков. Качество обработки часто не отвечает требованиям современного стандарта, отмечается все еще значительные потери химиката. При обработке помещений с целью их дезинфекции основная часть аэрозоля осаждается на поверхность пола, а потолок остается почти не обработанным. Также установлено, что высокодисперсный аэрозоль может быть более чем на половину удален из помещения с воздушным потоком, если герметизация постройки неудовлетворительная.

Одним из путей существенного улучшения равномерности осаждения и снижения потерь химических средств при обработке закрытых помещений является применение униполярно заряженного аэрозоля. Исследования (1, 2, 3, 4) показали возможность значительного повышения качества обработки объектов за счет улучшения осаждения заряженных частиц под воздействием электрических сил. Снижается утечка униполярно заряженного аэрозоля из помещения в результате быстроты осаждения при его электростатическом рассеянии.

Экспериментальные исследования по испытанию разработанного нами распылителя при электроаэрозольной дезинфекции показали, что попадание раствора на потолок увеличивается в 300 раз, на стены – в 2 раза, осаждение на пол уменьшается в 1,5 раза по сравнению с аэрозольной дезинфекцией без зарядки [3]. Так же экспериментально установлено, что время осаждения электроаэрозолей в закрытом помещении в зависимости от степени его зарядки сокращается в 2-3 раза по сравнению с временем осаждения незаряженного аэрозоля. Это должно способствовать уменьшению утечки высокодисперсной фракции через неплотности строений.

Важно определить теоретическое обоснование электрического осаждения аэрозоля в помещении с учетом его воздухообмена, связанного с его степенью герметизации.

Процесс электроаэрозольной обработки трудно поддается точному математическому описанию. Поэтому можно сделать следующие допущения:

• 1.    Движение частиц аэрозоля подчиняется закону Стокса, так как диапазон исследуемых размеров частиц находится в пределах до 30 мкм (Фукс Н.А. Механика аэрозолей);

• 2.    Аэрозоль монодисперсен и химически однороден;

• 3.    Вследствие конвекционного перемешивания и равномерного электростатического рассеяния счетная конденсация во всех точках внутри помещения одинакова по достижению установившегося режима;

• 4.    Турбулентность при подаче аэрозоля отсутствует (замечено при испытании исследуемого распылителя);

• 5.    Электростатические силы зеркального отображения, действующие на малых расстояниях от поверхности осаждения, не учитываются;

• 6.    Пренебрегаем силами диффузии, инерции и фото-термофореза.

Приняв эти допущения, попытаемся найти аналитическое выражение, для оценки степени равномерности осаждения заряженного аэрозоля с учетом воздухообмена помещения.

При решении поставленной задачи исходим из следующих условий.

В помещении с внутренними размерами V, S, H (соответственно объем, площадь поверхности и высота) и кратностью воздухообмена K работает N электроаэрозольных генераторов производительностью X частиц в секунду каждый. Через некоторый промежуток времени после включения генераторов счетная концентрация аэрозоля в помещении достигает постоянного установившегося значения. Эксперименты показали, что стационарный режим достигается относительно быстро, и весь процесс обработки, можно считать, производится в этом режиме.

Введем следующие обозначения физических величин:

• r – радиус частицы;

• n , n_c – текущая и установившаяся концентрации аэрозоля;

• q – заряд частицы;

nqBV

V_e =       – скорость движения заряженной частицы под действием электростатической силы (Фукс

• ^e     ε 0 S

Н.А. Механика аэрозолей);

B =       – механическая подвижность частицы;

6 πη r

• ε ₀ – электрическая постоянная;

2 g γ r ²

• V = ^ж   – гравитационная скорость осаждения частицы;

g    9 η

• γ _ж – плотность жидкости;

• η – коэффициент динамической вязкости воздуха.

Источником аэрозоля служит генератор электроаэрозолей. Осаждение осуществляется под действием электрического поля пространственных зарядов униполярно заряженных частиц (процесс электростатического рассеяния).

Процесс осаждения аэрозоля связан с изменением его счетной концентрации. Тогда выражение, описывающее это изменение, определяет процесс осаждения. Учитывая, что концентрация увеличивается за счет работы N генераторов производительностью X каждый, а её убыль происходит при воздухообмене помещения кратностью K, и электроосаждения частиц получим уравнение осаждения электроаэрозоля в помещении с учетом его воздухообмена в виде:

dn NX       n ² q ² B

=   - nK - dt   V

Уравнение (1) описывает процесс осаждения при условии Ve > Vg , а при    Ve ≤ Vg уравнение осаждения запишется:

dn NX       n2qBS′ 2gγж r2nS′′ поэтому

=   - nK -- dt V        ε0S9

где S ′ – площадь поверхности пола и стен;

S ′′ - площадь поверхности пола.

Процесс электрической зарядки аэрозоля наиболее полно реализуется при Ve > Vg , рассмотрим решение уравнения (1), соответствующее этому режиму. Если обозначим q2B a=      ;

b = K ; d =

NX V

ε ₀

то dn dt

— an ² — bn — d .

dn

Из уравнения (3) при = 0 найдем счетную концентрацию аэрозоля при стационарном режиме: dt или

nC

— b ± V b ² — 4 ad

2 a

^^^^^^^»

nC =

2   4 NXq ² B

• K ± , K +--

\ eV

2 q ² B

^E 0

Качество обработки можно характеризовать через количественный показатель равномерности. Равномерность обработки помещения при стационарном режиме можно оценивать через отношения:

о Q пот             ст

^E i               , ^ 7              ,

1Q 2Q пол              пол где Qпот , Qст , Qпол    количество жидкости, осевшей соответственно на единицу площади поверхности потолка, стен и пола.

Если учесть, что величина электростатической скорости является основным критерием осаждения аэрозоля на потолок и стены, то, отметив пропорциональность между величинами

(Ve — Vg ) c ~ Qnom ; Vec ~ Qcm ; (V + Vg ) c ~ Qпол , имеем

Ei =

f Ve — Vg )

V +v

e ⁺ g ),

E2 =

f^ l Ve + Vg j

c

где E 1 , E 2

соответственно показатели равномерности осаждения аэрозоля на потолок и стену

помещения.

Считаем, что электростатическая скорость заряженных

частиц при стационарном режиме   V_e

остается постоянной и её можно выразить через счетную концентрацию n_c в случае этого же режима:

V e c

ncqBV=V — K+A K - + 4NX32B e S   2 S     V      E V

0            l *            0 j

Используя выражение (7) и формулы (6), можно рассчитать изменение равномерности осаждения в зависимости от степени зарядки аэрозоля с учетом воздухообмена помещения в функции от размеров частиц. При расчете взяты значения параметров, использованные при проведении эксперимента (табл. 1).

Таблица 1

K , c-1	N	X , шт / с	q , Кл	d , м	Y , кг/м3
0,0010,03	1	1,3 1010	1,6 10-14- 1,6 10-6	(4-10) 10-6	0,9 103

На рис. 1 даны результаты этих расчетов в виде графиков равномерности осаждения в зависимости от степени зарядки частиц аэрозоля в функции от их размеров.

стена

потолок

Рис. 1. Изменение степени равномерности осаждения ε в зависимости от диаметра частиц d при их различных зарядах q (q 1 <  q₂ <  q₃)

Видно, что заряженные частицы аэрозоля диаметром примерно до 2 мкм, полностью подверженные электрическим силам, могут в одинаковой мере осаждаться независимо от ориентации обрабатываемых поверхностей. Нетрудно заметить, что степень зарядки частиц является определяющим фактором в улучшении равномерности осаждения. На рис. 2 показано влияние воздухообмена помещения на качество обработки потолка и стен.

Рис. 2. Изменение степени равномерности осаждения ε в зависимости от диаметра частиц d при их различных зарядах и коэффициенте воздухообмена помещения K (а – для потолка, б – для стен)

Расчеты показали, что при заряде частиц порядка 10-16 Кл на потолок и стены могут осаждаться частицы размером 4-5 мкм, а при заряде порядка 10-14 Кл на эти поверхности возможно попадание частиц размером до 18-20 мкм. При этом на стены осаждаются частицы, которые крупнее в 1,1-1,3 раза тех, что попадают на потолок.

Улучшение герметизации помещения увеличивает равномерность осаждения аэрозоля. При значении заряда частиц (5-10) х 10^-16 Кл потери из-за негерметичности незначительны, если кратность воздухообмена помещения не превышает 0,005 1/с.