第四節(jié)顆粒捕集的理論基礎

1、第四節(jié)顆耘捕集的理淪基礎除塵過程，其實質就是氣一固分離過程。使固體顆粒在各種力的作用下，偏離其運載氣流，從氣流中分離出來。該過程發(fā)生的場所一除塵器。顆粒捕集過程考慮的作用力：外力一重力、離心力、慣性力.靜電力、磁力.熱力等流體阻力。顆粒間的作用力（粉塵濃度不離時，一般不考慮）-有關氣體的特性：氣體的連續(xù)性是一種假設，該假設認為氣體是由無數(shù)個質點連續(xù)地組成，這些質點比起空氣分子自由程（0.065UH1）要大得多，足夠多的質點能反映氣體的宏觀的待征量（壓力.密度.溫度、速度等）,質點運動過程的連續(xù)性，決定了氣體具有連續(xù)性質.在空氣非常稀薄或負壓程度很高時，氣體可能不具備連續(xù)介質的性質。氣體的壓縮性

2、是指其密度隨壓力與溫度的改變而發(fā)生變化，這是氣體的通用性質。（在標準狀態(tài)下，氣流速度為50n/s時，密度變化為1%左右）.在大氣污染控制工程計算中.可以將氣體看作為不可壓縮流體。流體阻力：Fd=CAp耳件頓）式中：Cp-阻力系數(shù);AP-顆粒在運動方向上的投影面積，Ap=卩-流體密度.Kg/腫；顆粒、流體間相對運動速度一、流體阻力在分析顆粒在氣體介質中的運動時，通常做如下假設：氣體為連續(xù)介質；塵粒做等速運動；塵粒為剛性球體。因此，討論在不可壓縮的連續(xù)流體中，穩(wěn)定運動的球形顆粒所受到的阻力。流體的阻力包括：形狀阻力一由于顆粒具有一定的形狀，在運動時而產生；摩擦阻力一顆粒與流體間的摩擦而產生。統(tǒng)稱為

3、流體的粘滯阻力。由相似理論有：6T（5）尺“-顆粒的雷諾數(shù)（Reynolds）。rf_dppfdp顆粒直徑；“-流體粘度（P心）。由以上定義可知，流體阻力Fd取決于阻力系數(shù)Cd,而Cd又取決于顆粒的雷諾數(shù)ReP.因此，顆粒在流體介質中運動時的阻力Fd取決于顆粒雷諾數(shù)Re?的大小P157,圖514給出了球形顆粒的阻力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)之間的實驗關系曲線。 根據該曲線的變化關系，將Re?分為三個區(qū)域，在每一個區(qū)域，Cd-Rep都有著不同的關系。1.層流區(qū)（stokes區(qū)）流體阻力計算：在層流區(qū).RepWl,LgCo與LgRep近似于直線關系，阻力系數(shù)Cd與雷諾數(shù)ReP的關系為球形顆粒所受到的阻力；F

4、_24“加；dPpu42=3dp“此為著名的stokes阻力定律。2.紊流過渡區(qū)（Allen區(qū)）lRep500,CdRep為曲線關系計算公式有很多種，其中之一是Bird公式：3.素流區(qū)（Norton區(qū)）500Rep2xl05,Co幾乎不隨Rep變化,取近似值CD044。阻力計算公式為：fd=0.055pdjir # #4高速區(qū)Rep二2xl05左右,塵粒前方的邊界層變得不穩(wěn)定，6大大降低，降為0.10.22o5.對非連續(xù)流體的校正當顆粒尺寸4與氣體分子平均自由程入屬于同一數(shù)量級或更小時，顆粒開始發(fā)生“滑動s顆粒表面氣體速度發(fā)生躍變，氣體不再具有連續(xù)流體介質的特性，顆粒運動時的阻力將大大減小因此

5、，需要對這種滑動“對阻力帶來的影響進行校正.7：當顆粒運動處于層流區(qū)（stokes區(qū)，RepWl）時，要考慮對阻力進行校正。Stokes阻力計算公式的校正:在阻力計算公式中引入Cunningham修正系數(shù)CCunningham修正系數(shù)取決于Kundesen準數(shù)KndpDavis建議:C=1+Kn1.257+0.400 # #氣體分子平均自由程入一分子在兩次連續(xù)碰撮之間所走過的路程.貝=亠一0.499pV氣體分子算術平均速度V:7=嚴九式中:R-通用氣體常數(shù)，/?=8.314J/mp/Af;J-氣體溫度（K）:氣體摩爾質量（Kg/mol）:“-氣體粘度（PadQ-氣體密度（心/。Cunningh

6、am修正系數(shù)取決于氣體的浪度.壓力和顆粒的粒徑大小。溫度升高.壓力減小、粒徑越細.運動時受到的阻力越小、修正系數(shù)越大由表可知，當4j/.n0=xrT的物理意義:吩訥的粒子減速運動的時間。5P：流體阻力使顆粒運動速度u降低到初始運動速度uo的1/e時所需的時間對于發(fā)生篥滑動的微小顆則遷移時間為*z=rCln.u%粒，需引入“Cunningham修遷移距離為：A=r/0C1-r顆粒運動停止時經過的距離:正系數(shù)匚=ro或乙=t-uQC三、重力沉降粒子的沉降速度是其最主要的特征重力沉降是指粒子在直力場中的沉降過程，是設計直力沉降室的主要依據.對于連續(xù)流體體系：Fd探討對象：球型顆粒0流體狀態(tài)：靜止o嘰

7、在重力場中，顆粒沉降時受到的力有：盧力FG.浮力FB和流體阻力fdFbFg三力平衡時：倫=倫-心認Pp_P)go 對于球型顆粒，阻力：-cdUi/1=令d；（Qp-P）gU,三力平衡時，顆粒的勻速沉降速度,又稱終末沉降速度4（Pp-P）航V3%當流體為氣體介質時.PrP:18/-一Stokes沉降宜徑：處于“滑動“區(qū)域的粒子:根據空氣動力學宜徑的定義:則二者之間的關系:P161例題5-5己知石灰石顆粒的密度為2.67g/em試計算粒徑為10和400妙r的球形顆粒在293K空氣中的重力沉降速度。要點：（1）在未知沉降速度時，阻力計算公式的選用.（2）在重力場中，粒徑直接影響到沉降速度.由于在不同

8、的Rep區(qū)域，流體阻力計算公式不同，因此可得到不同Rep區(qū)域的終末沉降速度的計算公式.Stokes區(qū)域，4（pp-p）Mp3x24“dp列匕（Qp-Q）gd；18/Stokes沉降速度終末沉降速度:（mIs）心（血-必18“素流過渡區(qū),lReP500阻力系數(shù)計算公式:終末沉降速度：0.153d；“Sp-p）g?！?4pO：%（】fs）紊流區(qū)，500RPR*h2ar#IW.3,R“10.c叭90.2i4.u：3.ftK98X901034052玄、哲余幻E顆粒運動軌跡顆粒的運動軌跡取決于顆粒的質AL氣流阻力、捕集體尺寸和形狀、氣流流速等因素.通常用慣性碰撞參數(shù)（Stokes準數(shù)）來表征顆粒的運動。

9、Stokes準數(shù)定義為顆粒的停止距離Xs與捕集體直徑之比。XC=ii-C=dpPpitC丸瓦18/zDrP164圖516表示不同形狀的捕集體在不同ReD下的慣性碰撞效率與圧的關系。 # #用無因次特性參數(shù)直接攔截比R來表示攔截效率。R=慣性大的顆粒，St-oo顆粒對捕集體的附著通常假定為100%2攔截直接攔截一般剛好發(fā)生在顆粒距捕集體表面dP/2距離內業(yè)攔截引起的捕集效率増量De對于圓柱型捕集體：=R對于球型捕集體：血此2R七、擴散沉降非常小的粒子受氣體分子撞擊，做無規(guī)則的布朗擴散運動而被捕集的過程。（顆粒從高濃度向低濃度方向擴散）1.擴散系數(shù)和均方根位移顆粒的擴散過程用微分方程表示：擴散系數(shù)

10、D取決于氣體種類、溫度及顆粒粒徑dp.式中，n-顆粒的個數(shù)（或質最）濃度，個（或g/巧:t-時間.3；x、y.z空間位置坐標；D顆粒擴散系數(shù)，n7s #攔截效率與捕集體形狀和笛諾數(shù)有關 # #CIcT3珥ide(m2/s)粒徑如伽Kn擴散系數(shù)D!nr愛因斯坦公式明格繆爾公式100.01312.41X101；10.1312.76X10-110.11.316.78X10創(chuàng)7.84X10100.0113.15.25X1087.84X10“0.0011317.84X101）當4入，即粒徑大于或等于氣體分子平均自由程時。愛因斯坦推薦的擴散系數(shù)的計算公式：式中:k-波爾茲曼常數(shù)，Jl=1.38xlO3J/

11、當4X,即粒徑小于氣體分子平均自由程時。朗格繆爾推薦的擴散系數(shù)的計算公式：式中：R-一氣體常敷.尺=8.314Jmolk）：戶一氣體的壓力.體的摩爾質量kg九叔*顆粒的擴散系數(shù)（293K,101325Pa） 擴散沉降效率加的計算：對于粘性流，顆粒在孤立的單個圓柱形捕集體上的擴散沉降效率：1.71P”明格繆爾公式：怙=（2亠心對于勢流，捕集體的高R情況：那塔森公式對于孤立的球形捕集體，約翰斯坦和羅伯特推薦的效率計算公式：由于布朗擴散使得顆粒在t秒鐘內的均方根位移愛因斯坦研究的結果：7=顧即擴散沉降的效果取決于擴散系數(shù)的大小.而粒徑越小的顆粒，擴散系數(shù)越大，擴散沉降的效果越明顯擴散沉降效率婕萸壬垂

12、垂二|擴幀降效率尬“4產_取決于捕集體的Pr=Pe泅準數(shù)和雷諾數(shù)飛適亜Pe值越小，擴散沉降影響越大。 # #擴散沉降機制說明：對于大顆粒的捕集，主要靠慣性碰攢沉降為主；對于小顆粒的捕集，主要靠擴散沉降為主.氣體介質中的顆粒在各種外力的作用之下脫離氣體介質的過程，實際上就是各種形式的除塵設備的運行機理，因此，對這些過程及其影響因素的機理研究，其實質是探討如何提高各種除塵器的除塵效率。P168例題5-6試比較靠慣性碰撞、宜接攔截和布朗擴散捕集粒徑為0.001/-20/的單位密度球形顆粒的相對直要性集體是粒徑100“的圓柱形纖維，在293X和101325PU下的氣流速度為0皿/$要點：（1）捕集體的宙諾數(shù)和形狀影響捕集效率；（2）慣性碰撞、攔截和擴散沉降效率計算；（3）大粒子