Теоретические аспекты осаждения пыли электрофильтрами в птицеводческих помещениях

Введение . Требования, предъявляемые к современным средствам пылеудаления в сельскохозяйственных помещениях, следующие:

– обеспечение микроклиматических параметров воздушной среды воздуха рабочей зоны, чтобы оно также позволяло более полно использовать генетический потенциал организма животного по продуктивности и резистентности;

– оптимальное использование тепловой и электрической энергии;

– защита окружающей среды от загрязнений отходами сельскохозяйственного производства.

В практике современного птицеводства для достижения этих задач наибольшее распространение получили различные системы вентиляции, совмещенные с отоплением и химическими способами обработки воздушной среды [1], а также различные типы фильтров.

По способу воздухообмена различают вентиляцию естественную и искусственную. Искусственная вентиляция подразделяется по нескольким признакам на следующие системы:

• –    общеобменную и комбинированную;

• –    вытяжную, приточную, приточно-вытяжную;

• –    по способу забора и подачи воздуха централизованную;

• –    по направлению циркуляции воздушных потоков (приток-вытяжка): сверху вниз, снизу вверх, снизу вниз;

  – по конструктивным признакам: форме, количеству, расположению воздуховодов; по типу регулирования скорости, конструкции вытяжных устройств и каналов.

Все эти системы наряду с достоинствами имеют и существенные недостатки. Даже при работе в оптимальном режиме систем вентиляции в птицеводческих помещениях наблюдается повышенное содержание пыли, углекислого газа, аммиака, сероводорода и микробных тел. Это объясняется тем, что ни одна из исследуемых систем вентиляции не обеспечивает равномерного распределения свежего и удаления загрязненного воздуха по всему помещению.

Цель исследования : снижение концентрации пыли в птицеводческих помещениях способом осаждения пыли посредством электрофильтров.

Задачи исследования :

• 1)    провести анализ методов очистки воздуха от производственной пыли в птицеводческих помещениях;

• 2)    на основе анализа существующих методов и технических средств предложить наиболее эффективный способ очистки воздуха от производственной пыли в птицеводческих помещениях.

Материалы и методы исследования. Исследование проводилось на основе санитарногигиенических требований для птицеводческих помещений [1]. Большое значение в системе пылеудаления из птицеводческих помещений имеют воздушные фильтры, в которых очистка запыленного воздушного потока происходит вследствие соприкосновения пылевых частиц с поверхностями пористых и волокнистых материалов. Воздушные фильтры предназначены для очистки атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции кондиционирования и воздушного отопления производственных зданий. Промышленные фильтры применяются для очистки промышленных газов с высокой концентрацией дисперсной фазы (до 60 мг/м3).

Очистка запыленных воздушных потоков в фильтрах очень эффективна. Она характеризуется высокой степенью улавливания пыли во всем диапазоне ее дисперсности. К преимуществам фильтров можно отнести сравнительную простоту конструкции и, следовательно, эксплуатации [2].

Наиболее распространенными аппаратами пылеулавливания являются циклоны. Достоинством циклона как пылеуловителя является простота конструкции и эксплуатации. Данные аппараты служат для очистки воздуха от сухой неслипающейся пыли в качестве первой ступени очистки. При небольших капитальных затратах и эксплуатационных расходах они очищают воздух от пыли с частицами более 10 мкм до 80–95 %. Циклоны, как правило, не обеспечивают высокой степени очистки, поэтому они применяются в основном для предварительной очистки перед наиболее эффективными аппаратами.

Отделение от воздуха пылевых частиц в этих устройствах основано на том, что в звуковом поле под действием колебательных процессов, происходящих в воздушной среде, эти частицы коагулируются. Крупные частицы хорошо оседают, их легче уловить. Акустический метод целесообразен и наиболее эффективен при улавливании частиц размером менее 10 мкм. Однако исследованиями установлено, что акустические пылеуловители наиболее эффективны при концентрациях пыли от 0,5 до 15 г/м3. При концентрации менее 0,5 г/м3 вероятность столкновения пылинок снижается. При концентрации выше 15 г/м3 поверхностная плотность пылевых частиц становится настолько большой, что происходит резкое падение интенсивности звука.

Наиболее перспективный, с точки зрения эффективности пылеудаления, является способ очистки воздуха от пыли при помощи электрофильтра [3].

Способ электрической очистки воздуха от различных частиц является одним из перспективных и позволяет с достаточно высокой эффективностью и низкими энергозатратами очищать воздух производственных помещений.

Изначально мелкодисперсные частицы пыли, находящиеся в воздухе птицеводческих помещений, после начала работы предлагаемого электрофильтра заряжаются электрическим зарядом. В помещении образуется электрическое поле со следующими признаками:

– различный заряд между коронирующими электродами электрофильтра и заземленными частями помещения;

– с пространственным зарядом униполярных ионов;

– пространственным зарядом униполярно заряженных частиц пыли, присутствующей в воздухе производственных помещений.

Соответственно следует различать механизмы осаждения заряженных частиц пыли под действием внешнего и внутреннего электрических полей.

В общем случае в помещении может находиться источник запыленности (производственное помещение с пылевыделением), а система очистки птицеводческого помещения состоять из фильтра приточного воздуха (ФПВ) и фильтра вытяжного воздуха (ФВВ), т. е. оборудования приточно-вытяжной системы вентиляции. Также производственное помещение оборудуется коронно-разрядным электрофильтром.

Вентиляция птицеводческой фермы определяется основными закономерностями изменения во времени среднего значения концентрации пыли n в помещении [3].

Запишем уравнение баланса распределения пыли в помещении для элементарного интервала времени (t; t+dt ):

dq = dq_{ + dq^ + dq₃ + dq^ , (1)

где dq – изменение количества частиц пыли в помещении; dq – количество частиц пыли, поступивших в помещение от распределенного источника запыленности; dq – количество частиц пыли, поступивших в помещение с приточным вентиляционным воздухом; dq – количество частиц пыли, удаленных из помещения с вытяжным вентиляционным воздухом; dq – количество частиц пыли, осажденных электрофильтром.

Представим следующие соотношения:

dq = X - dt;(2)

dq2 = n • N-V • dt;

dq3 = n -N-V-dt.

Получаем выражение для

dq 4 :

dq^ = n - dt J (We+Wg)-ds, где W – скорость движения частицы пыли под e действием электрических сил; W – скорость дви-g жения частицы пыли; ds – элемент поверхности помещения.

( W e + W g ) ⋅ ds >-0.        (6)

С учетом S = 0 запишем dq =n⋅dt∫We ⋅ds.        (7)

Обозначим среднее по всей поверхности значе ние нормальной составляющей вектора W через W , т. е.

e

W =1 ∫∫ W_e ⋅d_s ,(8)

тогда dq =n⋅h ⋅S⋅dt,

4e но

W =W +W , e      e1e2

где W – среднее значение нормальной составля- e 1

ющей скорости движения частицы пыли под дей ствием внешнего электрического поля;     – сред- e2

нее значение нормальной составляющей скорости движения частицы под действием внутреннего электрического поля.

Скорость W можно определить следующим e 1

образом [3]:

W = Е ⋅ Q ⋅ B ,          (11)

e 10

где B – подвижность частицы пыли.

Выражение для     было получено ранее в (5)

e 2

исходя из теории электростатического рассеяния (4) в виде

W = V⋅n⋅Q2⋅B e2

ε0⋅ε где ε =0.85⋅10-12,ф/м.

Обозначим a = V⋅Q2⋅B, тогда из (9), (10), (13), (14) получим dq =n⋅W ⋅S⋅dt+n2⋅a⋅S⋅dt.

4 e 1

Учитывая, что dq =V ⋅dn, подставляя в (1) выражения (2–4), (15), после преобразований получим dn        X W⋅S        a ⋅S(17)

=n ⋅N+   ⋅( e1   + N)⋅n- 1

dt 1     V VV

Выполнив это условие, получим уравнение осаждения пыли:

n=F1-F2⋅P⋅exp(t⋅ D) 1 -P⋅exp(t D где b+ D

^{F 1 =} - 2 ⋅ a ^;

b + D

F ₂ =        ;

- 2 ⋅ a

2 ⋅ a ⋅ n _c + b + D

2 ⋅ a ⋅ n ₀ + b - D

1 + A^l

B =      ^r .

6 ⋅ π ⋅ µ ⋅ r

D = b ² + 4 ⋅ a ⋅ d ;             (19)

a1⋅S  Q2⋅B a==  .

V ε ₀

l=We1⋅S+N=ε0⋅Q⋅B⋅S+N .(20)

VV d=n ⋅N+

1V b- D 2d n =limn=F =      ==

∞ t→∞    2   -2⋅a   b+ D(21)

2 ⋅ ( n 1 ⋅ N + ^X )

E ⋅ Q ⋅ B ⋅ S       E ⋅ Q ⋅ B ⋅ S               X Q ² ⋅ B ^.

0      +N+ ( c      +N)2+4(n ⋅N+

V              V             1 V

Среднее значение напряженности внешнего                         n-n электрического поля Е0 можно оценить следующим                  η∞ = образом:

∫ E ^_ ⋅ d ^_ s = ^Ω ,              ⁽²²⁾

ε ₀

где Ω – суммарное значение свободного заряда, заключенного внутри птичника.

Учитывая, что

Ω= n ⋅ e ⋅ V + C ⋅ U ,

c получим следующее соотношение:

Е = ¹ ∫ E ^_ ⋅ d ^_ S = ^{n 0 ⋅ e ⋅ V} + ^{C / U} .      ⁽²³⁾

2          ε ₀ ⋅ S   ε ₀ S

В электрофильтрах применяется начальная стадия коронного разряда, и уменьшение емкости здесь несущественно, можно использовать и геометрическую емкость, делая при этом небольшую ошибку в сторону завышения Е 0 .

Качество очистки воздуха птицеводческих помещений от частиц пыли при электрической фильтрации характеризуется:

эффективностью

_{η =} n 0 - n             (24)

n ₀

Первый показатель отражает степень очистки воздуха за любое время, второй – за время равное или большее длительности процесса. При увеличении временного интервала, разделяющего измерения концентрации пыли n 0 и n ∞ , величина η растет от 0 до ∞. Подставляя в (25) n ∞ из (21), получим формулу

η = 1 - ^{2 ⋅ d} - ^{(26) ∞} ( b + D ) ⋅ n 0

эффективность очистки воздуха рабочей зоны птицеводческого помещения от пыли за счет совместного действия системы вентиляции и электрофильтра.

Чтобы получить формулу предельной эффективности электрофильтра n ∞ , надо заменить в (26) n 0 на n^/ ∞ .

В свою очередь, установившуюся концентрацию пыли в отсутствие электрической фильтрации n ^/ ∞ найдем из (21), приняв там Е 0 = 0; Q = 0.

n ⋅N⋅V+X =1

∞     N⋅V

Или, учитывая (20), n/

∞

d

. N

и высокой эффективностью

Подставляя (28) в (26), получим

2 N

П =1--F да

Сравнение различных эксплуатационных режимов и типов электрофильтров только по их предельной эффективности п является неполным. Боль-2

шое значение имеет также скорость процесса очистки воздуха от пыли, которую можно характеризовать некоторым временным параметром.

Скорость очистки воздуха можно оценить оста- точной концентрацией пыли в производственном помещении в процентном отношении от предельного содержания. Применяя параметр T95 – время до- стижения эффективности, равной 95 % предельной (п = 0 95п ). В дальнейшем будем называть да , да параметр T95 временем 95 % осаждения пыли.

При использовании в (29) времени осаждения только за счет электрической фильтрации концен-    _5.

трация пыли равна n . После преобразований пода лучим

T

.   b + 39 JD +—

4= '^ta--T N

D> b +V D + 2^ad

N

.

Выводы . Таким образом, рассматривая достоин-   2.

ства и недостатки существующих основных способов борьбы с запыленностью воздуха в птицеводческих помещениях при помощи электрического осаждения пыли можно сделать заключение о том, что необхо-  3.

димо искать новые технические решения и способы, позволяющие устранить вышеизложенные недостатки.                                                      4.

Одним из возможных решений данной проблемы является осуществление способа снижения концентрации пыли в птицеводческих помещениях электрофильтрами на основе явления коронного разряда.