Повышение эффективности коагуляции в резонансных промежутках за счет формирования акустических течений

Abstract

Актуальность исследования обусловлена острой необходимостью ликвидации загрязнений окружающей среды промышленными выбросами различных твердых частиц. При этом максимальное внимание уделяется очистке отходящих газов от частиц размером 2,5 мкм и менее. Одним из наиболее перспективных способов повышения эффективности существующего газоочистного оборудования при улавливании таких частиц является их коагуляция за счет воздействия на газовый поток высокоинтенсивными акустическими колебаниями ультразвуковой частоты. Однако при низкой концентрации, даже при максимально допустимом уровне звукового давления, эффективность коагуляции частиц размером менее 2,5 мкм недостаточна для увеличения степени улавливания газоочистного оборудования. Поэтому существует настоятельная необходимость поиска новых путей дальнейшего повышения эффективности ультразвуковой коагуляции частиц размером менее 2,5 мкм. Цель: определение условий формирования вихревых потоков в ультразвуковых полях с максимальным по уровню звукового давления ультразвуковым воздействием; проведение сравнительных исследований процесса коагуляции частиц с размером 2,5 мкм при наличии вихревых потоков и без них. Это позволит определить реальные значения повышения эффективности УЗ-коагуляции при турбулизации газодисперсного потока акустическими течениями в сравнении с коагуляцией в равномерном УЗ-поле и без него. Объекты: процесс коагуляции частиц под воздействием однородного и неоднородного ультразвуковых полей. Методы: Компьютерное моделирование формируемого ультразвукового поля методом конечных элементов с помощью гармонического акустического анализа. Моделирование и разработка дисковых излучателей методом конечных элементов в модальном анализе. Рассматривается экспериментальный метод исследования процесса объединения частиц под воздействием ультразвуковых колебаний. Для определения характеристик аэрозоля при проведении экспериментальных исследований использован измеритель ТИПАС-1, основанный на методе малоуглового рассеяния и методе спектральной прозрачности. Результаты. Представлены результаты исследований процесса коагуляции частиц размером 2,5 мкм и менее в ультразвуковом поле, формируемом в резонансных промежутках колеблющимися дисковыми излучателями. Предложен новый путь повышения эффективности коагуляции в резонансных промежутках за счет применения ультразвуковых дисковых излучателей, способных формировать в резонансных промежутках чередующиеся зоны максимальных и минимальных по амплитуде колебаний. Создание таких зон обеспечило формирование акустических течений вихревого типа, способных перемещать частицы в пределах узловых областей стоячей волны и между ними. Вовлечение в формируемые течения мелких частиц позволило повысить вероятность их столкновения. Установлено, что более эффективная УЗкоагуляция обеспечивает повышение степени инерционного улавливания для частиц размером 2,5 мкм на 6 % - от 89 до 95 %, для частиц размером 1,5 мкм на 7 % - от 85 до 92 %, а для частиц размером 0,5 мкм на 9 % - от 76 до 85 %

Relevance. The urgent need to eliminate environmental pollution from industrial emissions of various solid particles. At the same time, maximum attention is paid to cleaning exhaust gases from particles of 2.5 microns in size or less. One of the most promising ways to increase the efficiency of existing gas purification equipment in capturing such particles is their coagulation by exposing the gas flow to high-intensity acoustic vibrations of ultrasonic frequency. However, at low concentrations, even at the maximum permissible sound pressure level, the coagulation efficiency of particles smaller than 2.5 microns is insufficient to increase the recovery rate of gas cleaning equipment. Therefore, there is an urgent need to find new ways to further improve the efficiency of ultrasonic coagulation of particles smaller than 2.5 μm. Aim. To determine the conditions for the formation of vortex flows in ultrasonic fields with the maximum ultrasonic influence in terms of sound pressure level. Conducting comparative studies of the coagulation of particles with a size of 2.5 microns with and without vortex flows. This will make it possible to determine the real values of increasing the efficiency of ultrasonic coagulation during turbulization of a gas-dispersed flow by acoustic flows in comparison with coagulation in a uniform ultrasonic field and without it. Objects. Coagulation of particles under the influence of homogeneous and inhomogeneous ultrasonic fields. Methods. Computer modeling of the formed ultrasonic field by the finite element method using harmonic acoustic analysis. The paper considers the experimental method for studying the process of combining particles under the influence of ultrasonic vibrations. To determine the characteristics of an aerosol during experimental studies, a TIPAS-1 meter based on the small-angle scattering method and the spectral transparency method was used. Results. The paper introduces the results of studies of coagulation of particles with a size of 2.5 microns or less in an ultrasonic field formed in resonant gaps by oscillating disk emitters. The authors proposed to increase the efficiency of coagulation in resonant gaps through the use of ultrasonic disk emitters capable of forming alternating zones of maximum and minimum amplitude oscillations in the resonant gaps. The creation of such zones ensured the formation of vortex-type acoustic flows capable of moving particles within the nodal regions of a standing wave and between them. The involvement of small particles in the formed flows made it possible to increase the probability of their collision. It was established that more effective ultrasonic coagulation provides an increase in the degree of inertial capture for particles of 2.5 microns in size by 6% - from 89 to 95%, for particles of 1.5 microns in size by 7% - from 85 to 92%, and for particles of 0.5 microns by 9% - from 76 to 85%