Осаждение пылевых частиц из воздуха на одиночных плоских подвижных коллекторах

Краткая характеристика проблемы и цель исследования
Проблемы загрязнённости воздуха крупных городов частицами механической пыли обсуждается в Западной Германии на различных уровнях, включая политический. Отмечена позитивная корреляция между повышением содержания мелкодисперсной пыли (PM10) и ростом заболеваемости населения тяжёлыми формами лёгочных и сердечно-сосудистых заболеваний. Одним из не требующих дополнительных капиталовложений мероприятий является снижение уровня запылённости методом целевого озеленения городов. Эффективность осаждения частиц пыли из газа единичными растениями, являющихся типичными для городов Германии, была исследована нами в лабораторных и полевых условиях при различных скоростях газа в рамках проекта, профинансированного Немецким Федеральным Управлением по Благоустройству Городских Улиц (BAST) [1..9]. По данным этих предварительных исследований растения способны осаждать до 3…10 % частиц механической пыли размерами в диапазоне от десятков микрометров до сотых долей микрометра, который является опасным для здоровья. Это сравнимо с эффективностью созданных в крупных городах Германии экологических зон. Осаждение пылевых частиц из движущихся воздушных масс остаётся тем не менее в основном не изученным. Это касается прежде всего элементарных процессов на одиночных листьях растений. Исследования этой проблематики проводятся нами с 2011 года в рамках финансируемого Немецким Исследовательским Обществом (DFG) проекта SCHM 810/32-1 и на момент публикации ещё не завершены. Целью данных исследований является определение эффективности осаждения пылевых частиц одиночными листьями, которые рассматриваются как одиночные плоские подвижные коллекторы.

Формулировка задачи
Изучение влияния геометрии, морфологии, подвижности и угла наклона относительно воздушного потока одиночных коллекторов на эффективность осаждения ими пылевых частиц; влияние локальной скорости газовоздушного потока в канале, турбуленции центрального потока и локальных флуктуаций потока, вызванных коллекторами, на эффективность осаждения частиц; влияние материала коллектора и относительной влажности газовоздушного потока на эффективность осаждения частиц; описание эффективности осаждения частиц на одиночных коллекторах с помощью простейшей математической модели, базирующейся на результатах экспериментальных исследований; оценка возможности компьютерной симуляции реальных процессов, имеющих место при осаждении частиц на одиночных коллекторах, с помощью CFD-программ типа FLUENT.
Стратегия и методы исследований
К решению поставленной задачи привлечены известные в технологии фильтрации газов оптические методы исследования, которые впервые применяются к единичным плоским подвижным пылеосаждающим коллекторам. Для определения эффективности осаждения частиц пыли из газовоздушного потока, обтекающего коллекторы, установленные в канале круглого сечения, используется метод светорассеяния на одиночных частицах. В качестве измерительной техники используются оптические анализаторы частиц PCS-2000 и Welas digital фирмы Palas с различной разрешающей способностью. Прибор с повышенным разрешением до 10 мс предназначен для количественной оценки влияния локальных флуктуаций газовоздушного потока в канале, обусловленных наличием коллектора.
Для контроля эффективности осаждения частиц на одиночных коллекторах применена электронная микроскопия осаждённых коллекторами частиц с последующим анализом изображений с помощью свободной компьютерной программы ImageJ. С учётом необходимости позиционного анализа осаждения частиц на коллекторах в качестве репрезентативной пробы исследовался фрагмент, включающий как кромку так и центр коллектора. Для исследований использован сканирующий электронный микроскоп Quanta FEG 450 фирмы FEI.
Для проведения исследований была создана экспериментальная установка, включающая два канала с внутренними диаметрами 60 и 150 мм для создания газовоздушных потоков в диапазоне скоростей 0,1…5 м/с и различной степенью турбуленции (Re = 600…50000). Объектами исследований являются единичные плоские коллекторы диаметром 9…60 мм. Коллекторы позиционируются в специальной камере. Наличие стеклянного окна позволяет регистрацию движений обтекаемого потоком коллектора с помощью высокоскоростной видеокамеры. Это даёт возможность оценки влияния локальных флуктуаций потока на эффективность осаждения частиц путём наложения полученных изображений на кривые изменения концентрации частиц пыли в газовоздушном потоке.
Результаты экспериментов положены в основу количественного описания эффективности осаждения частиц одиночным коллектором как функции релевантных параметров. Модель, разработанная исключительно с учётом инерционного разделения частиц и газа посредством одиночных коллекторов, позволяет описать движение частиц в поле потока вблизи одиночного коллектора. Однако проведённая компьютерная симуляция контакта между частицами и коллектором приводит к частично противоречивым результатам. Здесь представляется необходимой доработка модели с учётом результатов экспериментальных исследований. В частности это касается внедрения в существующую модель параметров, отвечающих за действующие при осаждении частиц из турбулентного газовоздушного потока механизмы, как то захват и диффузия.
Результаты исследований
Определены эффективности осаждения частиц в зависимости от их размера на одиночных коллекторах и сопоставлены с результатами компьютерной симуляции. На рис. 1 видно, что кривая, полученная с помощью мобильного анализатора Welas digital, ниспадает в промежутке от 0,41 до 0,7 мкм. Эта ветвь описывает вклад диффузии в осаждение частиц. Поведение экспериментально полученных кривых в диапазоне 0,7 < x < 10 мкм указывает на тенденцию к возрастанию эффективности осаждения частиц с ростом их размера, что характерно для проявления механизма инерционного разделения. Кривая, полученная методом компьютерной симуляции, проявляет сходную с экспериментально полученными кривыми тенденцию к росту в области больших частиц. Наблюдаемые расхождения в результатах эксперимента и симуляции объясняются тем, что при создании модели не были учтены механизмы захват и диффузия.
Определены статистические распределения размеров частиц по зонам осаждения. На рис. 2 видна тенденция к увеличению среднего эквивалентного диаметра частиц с увеличением расстояния от кромки коллектора. Характер распределения в диапазоне 0 < s < 5 мм позволяет сделать заключение о действующем здесь механизме осаждения захват. Дисперсия результатов в диапазоне 15 < s < 32 мм объясняется совместным проявлением механизмов осаждения инерционное разделение и диффузия.
Методом дисперсионного анализа полученных результатов установлено существенное влияние факторов: размер, угол наклона коллектора к потоку, степень турбуленции центрального потока в канале и относительная влажность воздушного потока в канале на эффективность осаждения частиц на одиночных коллекторах.


Рис 1. Эффективность осаждения частиц


Рис 2. Средний эквивалентный диаметр частиц
Выводы
Проводимые на созданной в рамках проекта установке экспериментальные исследования с привлечением методов, применяемых в технологии фильтрации и впервые перенесённых на одиночные плоские подвижные коллекторы, позволяют получить в установленных для исследуемых параметров интервалах устойчиво воспроизводимые результаты.
В ходе исследований методом светорассеяния количественно охарактеризована эффективность осаждения частиц от их размера и идентифицированы механизмы их осаждения на одиночных коллекторах. Полученные результаты подтверждены статистическим распределением частиц на одиночных коллекторах. Компьютерная симуляция показала необходимость доработки существующей модели, описывающей эффективность осаждения частиц на одиночных коллекторах.

Список литературы

  • D. Bracke, G. Reznik, H. Mölleken, E. Schmidt: Investigations into the collection of fine dust by plants, 10th World Filtration Congress, 14-18 April 2008, Leipzig (III-413 – III-417).
  • G. Reznik, E. Schmidt: Abscheidung von Feinstaub an Pflanzen bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, Chem.-Ing.-Tech. 80 (2008) 12, 1849-1853.
  • G. Reznik, E. Schmidt: Immissionsminderung durch Pflanzen – Abscheidung und Abwaschung von Feinstaub an Efeu, GRdL 69 (2009) 10, 434-438.
  • D. Bracke, G. Reznik, E. Schmidt: Abscheidung von feinen Partikeln an Straßenbegleitgrün, Filtrieren und Separieren 24 (2010) 6, 317-319.
  • D. Bracke, G. Reznik, H. Mölleken, W. Berteit, E. Schmidt: Einfluss von Straßenrandbegrünung auf die PM10-Belastung, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft V 204, 2010.
  • W. Berteit, E. Schmidt: Modellierung der Abscheidung von Staub an einer luftdurchströmten Hecke, Chem.-Ing.-Tech. 82 (2010) 7, 1085-1090.
  • D. Bracke, G. Reznik, E. Schmidt: Investigations into the collection of fine dust by facade greenery, Filtech, 22-24 March 2011, Wiesbaden (II-302 – II-309).
  • D. Bracke: Untersuchung der Abscheidung verkehrsgenerierter Partikeln an pflanzlichen und abiotischen Oberflächen, Shaker Verlag, Aachen 2011.
  • G. Reznik: Experimentelle Untersuchungen zur Partikelabscheidung an pflanzlichen und künstlichen Blattoberflächen, Shaker Verlag, Aachen 2012.

 

Осаждение пылевых частиц из воздуха на одиночных плоских подвижных коллекторах [Електронний ресурс]  / [Резник А., Шмидт Э.] // Режим доступу: http://eco.com.ua/content/osazhdenye-pylevyh-chastyc-yz-vozduha-na-odynochnyh-ploskyh-podvyzhnyh-kollektorah

Topics: 
Оцінка: 
0
No votes yet