УДК 621.359.4

К ВОПРОСУ РАСЧЕТА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА

Возмилов Александр Григорьевич1, Агапов Владимир Николаевич2
1Государственный аграрный университет Северного Зауралья, доктор технических наук, профессор кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства»
2Государственный аграрный университет Северного Зауралья, преподаватель кафедры «Энергообеспечение сельского хозяйства»

Аннотация
В данной статье рассчитано и обосновано минимально допустимое значение межэлектродного расстояния электростатического фильтра, приведена методика расчёта аэродинамического сопротивления электростатического электрофильтра и рассчитано значение аэродинамического сопротивления фильтра при известных конструктивных и режимных параметрах.

Ключевые слова: активная длина фильтра, аэродинамическое сопротивление, межэлектродное расстояние, напряженность поля, уравнение Дейча, электростатический фильтр, эффективность электростатического фильтра


СALCULATING THE DRAG OF AN ELECTROSTATIC PRECIPITATOR

Vozmilov Alexander Grigoryevich1, Agapov Vladimir Nikolaevich2
1State Agrarian University of Northern Zauralye, doctor of technical sciences, professor of "Power supply agriculture"
2State Agrarian University of Northern Zauralye, lecturer in "Power supply of agriculture"

Abstract
This article is designed and justified the minimum acceptable value of the interelectrode distance electrostatic filter, describes a method of calculating the drag electrostatic precipitator and the calculated value of the drag of the filter under certain constructive and regime parameters.

Keywords: aerodynamic drag, efficiency electrostatic filter, electrostatic filter equation Deitch, interelectrode distance, the active length of the filter, the field strength


Рубрика: Физика

Библиографическая ссылка на статью:
Возмилов А.Г., Агапов В.Н. К вопросу расчета аэродинамического сопротивления электростатического фильтра // Исследования в области естественных наук. 2013. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/12/6575 (дата обращения: 02.05.2017).

Правильный выбор основных параметров электростатического фильтра (ЭСФ), к которым относятся межэлектродное расстояние h, активная длина фильтра L и напряженность поля E, в конечном итоге определяют его эффективность. 
В данной статье рассмотрен вопрос, связанный с обоснованием выбора межэлектродного расстояния h при разработке и конструировании ЭСФ.
В [1] введено два понятия: критерий эффективности Эф  и объемный критерий экономичности Δ электрофильтра. Критерий эффективности Эф есть не что иное, как показатель степени в уравнении Дейча [2]:

Эф=,     (1)

где W – скорость дрейфа частиц, м/с; u – скорость воздушного потока, м/с.
Объемный критерий экономичности Δ равен отношению количества газа, очищаемого электрофильтром в единицу времени к рабочему объему электрофильтра.  Объемный критерий экономичности определяется по выражению:

;     (2)                                          

Анализ уравнения (1) и (2) показывает, что улучшить критерий экономичности Δне ухудшая критерия эффективности , можно только за счет увеличения скорости осаждения частиц W или уменьшения расстояния между электродами h.
Наиболее существенным фактором, действующим на увеличение скорости дрейфа частиц к осадительному электроду, является повышение напряженности электрического поля в зоне осаждения.
Напряженность электрического поля можно увеличить за счет:
a)        уменьшения межэлектродного промежутка при неизменном напряжении, приложенном к электродам;
b)        увеличения напряжения при неизменном межэлектродном промежутке;
c)        одновременного уменьшения межэлектродного промежутка и увеличения напряжения на электродах.
Межэлектродное расстояние h в электрофильтрах обычно равно 0,008…0,01 м при напряжении на электродах 6…7 кВ. У лучших зарубежных образцов  h = 0,0055 м при напряжении на электродах 5,3 кВ.
С уменьшением межэлектродного расстояния h, с одной стороны, возрастает поверхность осаждения, что приводит к увеличению эффективности электрофильтра, с другой стороны, уменьшается площадь «рабочего сечения» электрофильтра, что приводит к увеличению его аэродинамического сопротивления. Под площадью «рабочего сечения» электрофильтра мы понимаем величину, равную площади входного сечения электрофильтра без суммарной площади торцевой части осадительных электродов на его входе. Учитывая последнее обстоятельство, уменьшать межэлектродное расстояние h необходимо до определенных разумных пределов. 
Рассмотрим ЭСФ на рис. 1 Суммарная поверхность осаждения электродов Sос будет равна:

     (3)

где - рабочая площадь одного осадительного электрода, м2/шт;
 - число осадительных электродов, шт.
Количество осадительных электродов в ЭСФ согласно рис.1 равно

,           (4)

где D - ширина ЭСФ, м; а – толщина осадительных электродов, м.
Подставляя (4) в (3), получим, что

       (5)

Площадь «рабочего сечения» электрофильтра равна:

,        (6)

где - площадь «рабочего сечения» электрофильтра, м2 - площадь входного сечения электрофильтра, м2- суммарная торцевая площадь осадительных электродов, м2.
Рассмотрим зависимость  и  электрофильтра со следующими размерами: мм; мм; мм. Данные зависимости графически представлены на рис. 2 при толщине осадительных электродов: м.
Анализ зависимостей  и  показал, что при < 0,005 м: во-первых, резко уменьшается площадь «рабочего сечения», что равносильно увеличению аэродинамического сопротивления фильтра; во-вторых, на величины  и  существенное влияние начинает оказывать толщина осадительных электродов. Так, например, при  м площадь «рабочего сечения» уменьшается в зависимости от толщины осадительных электродов на 10…35%, а увеличивается на 37%.

Рисунок 1 - Устройство осадительных электродов электростатического фильтра


Рис.2. Зависимость "рабочего сечения" электрофильтра   и рабочей поверхности осудительных электродов  от межэлектродного расстояния h и толщины электродов α

Следовательно, толщина осадительных электродов должна быть минимальной и выбираться, исходя из механической жесткости материала. Межэлектродное расстояние  менее 0,005 м выбирать нецелесообразно, так как при м  существенно увеличивается аэродинамическое сопротивление и материалоемкость электрофильтра, повышаются требования к центрированию осадительных электродов и, как следствие, увеличивается его стоимость.
С учетом вышеизложенного рассмотрим вопрос теоретического расчета аэродинамического сопротивления ЭСФ. Расчет аэродинамического сопротивления будем вести с учетом всех потерь напора воздушного потока, проходящего между пластинами ЭСФ [6]. Такими потерями являются: 
Δ Рвх. – потери напора на входе в электрофильтр, связанные с сужением потока;
Δ Ртр. – потери напора, обусловленные трением и отрывом граничного слоя в электрофильтре как от осадительных пластин, так и от стенки корпуса;
Δ Рвых. - потери напора на выходе из электрофильтра, связанные с расширением потока.
Учитывая, что сужение потока на входе в электрофильтр, а также расширение его на входе незначительны, соответствующими потерями напора пренебрегаем.
Для расчета суммарных потерь напора в межэлектродном промежутке воспользуемся принципом суперпозиции. Арифметическая сумма потерь на трение ΔРтр  и местных потерь ΔРм  равна:

ΔРсумм =ΔРтр + ΔРм ,         (7)

если считать, что потери на трение соизмеримы с линейными потерями.
Суммарные потери ΔРсумм еще называют аэродинамическим сопротивлением какого-либо участка. Он определяется через коэффициент аэродинамического сопротивления :

        (8)

где ξсумм = ξтр + ξм   (в соответствии с принципом наложения)
   - коэффициент местного сопротивления данного канала;
  - коэффициент сопротивления трения данного канала;

uр – средняя скорость потока в сечении, м/с;

Pр – плотность воздуха.
Коэффициент местного сопротивления ξм зависит главным образом от геометрических параметров рассчитываемого канала, а также от характера распределения скоростей. Распределения скоростей в свою очередь зависит от режима течения потока, формы входа канала, наличие препятствий на входе и по сечению электрофильтра.
Для ЭСФ характерен ламинарный режим течения воздушного потока при практически неизменной его величине и отсутствие каких-либо препятствий на входе и по сечению фильтра. Поэтому для практических расчетов составляющей местного сопротивления можно пренебречь. 
Коэффициент сопротивления трения рассчитываемого канала выражается через линейный коэффициент сопротивления трения λ:

,      (9)

где L - длина канала электрофильтра, м;
Dэ – эквивалентный диаметр канала, м.
Эквивалентный диаметр канала определяется:

   (10)

где F – площадь канала, м2П – периметр канала, м.
Коэффициент сопротивления λ и соответственно  при постоянном значении  и несжимаемом потоке зависят от числа Рейнольдса Re и степени шероховатости стенок канала. Число  (критерий) Рейнольдса определяет режим движения воздушного потока и зависит от соотношения сил инерции и сил вязкости в потоке:

,     (11)

где φ  - динамическая величина, мПас;
ν - кинематическая вязкость, м2/с.
Шероховатость стенок канала учитывается при расчете коэффициента трения через критерий Эйлера:

       (12)

Решая совместно уравнение (8) и (12) относительно коэффициента аэродинамического сопротивления, получим:

      (13)

Связь между числом Рейнольдса и критерием Эйлера, т. е. между режимом движения воздушного потока и формой и размерами, а также поверхностью канала электрофильтра в общем случае запишется:

Еu = А•R-S,     (14)

где А и S – конструктивные параметры канала электрофильтра, определяемые экспериментальным путем.
В результате теоретического расчета и экспериментальных исследований было установлено, что для электростатического фильтра в диапазоне  значений числа Рейнольдса Re = 200 - 1600 значение коэффициента аэродинамического сопротивления определяется:

ξ = 0.15 Re-0,18                                                             (15)

Тогда величина аэродинамического сопротивления будет:

сумм. = 0,15 Rе-0,18р uр2 / 2    (16)

Как показывают расчеты при скорости конвективного потока 1,0 м/с и межэлектродном расстоянии h = 0,005 м значение аэродинамического сопротивления составляет не более 0,25 Па. Это означает, что предложенная конструкция ЭСФ обладает аэродинамическим сопротивлением, удовлетворяющим требованиям к фильтрам тонкой очистки воздушной среды помещений. 

ВЫВОДЫ
1. Межэлектродное расстояние h принимать менее 0,005 м нецелесообразно, так как при м существенно увеличивается аэродинамическое сопротивление и материалоемкость электрофильтра, повышаются требования к центрированию осадительных электродов и, как следствие, увеличивается его стоимость.
2. Конструкция предложенного ЭСФ удовлетворяет требованиям предъявляемым к фильтрам  при очистки воздушных конвективных потоков.


Библиографический список
  1. Плотинский И. Ш. Вопросы электрической очистки газов: Тр./ Гипцветмет. - М.,1963,  вып.20,с.18-23.
  2. Верещагин И. П.. и др.  Основы электрогазодинамики  дисперсных систем.- М., Энергия,  1974.- 480с.


Все статьи автора «Жеребцов Борис Викторович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: