Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса

Исследованы особенности распределения пылевых частиц и адсорбированных химических элементов, накапливаемых в воздушном фильтре, состоящем из гранул адсорбента, в процессе интенсивного продувания через него аэрозольного потока. В определенных аэродинамических условиях в фильтре возможна генерация аку...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Леденёв, О.П., Неклюдов, И.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2013
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111688
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса / О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 2. — С. 94-99. — Бібліогр.: 33 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111688
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1116882017-01-14T03:03:13Z Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М. Материалы реакторов на тепловых нейтронах Исследованы особенности распределения пылевых частиц и адсорбированных химических элементов, накапливаемых в воздушном фильтре, состоящем из гранул адсорбента, в процессе интенсивного продувания через него аэрозольного потока. В определенных аэродинамических условиях в фильтре возможна генерация акустических колебаний, приводящих к появлению стоячих волн давления (плотности), которые влияют на динамику частиц и приводят к накоплению пылевых масс и к избыточному насыщению гранул адсорбируемыми химическими элементами в областях пучности волн. Проведено сравнение с экспериментальными результатами, полученными аэродинамическим моделированием и гамма-анализом распределения адсорбированных элементов. Досліджено особливості розподілу пилових часток і адсорбованих хімічних елементів, що нагромаджуються в повітряному фільтрі, який складається з гранул адсорбенту, в процесі інтенсивного продування через нього аерозольного потоку. У певних аеродинамічних умовах у фільтрі можлива генерація акустичних коливань, що приводять до появи стоячих хвиль тиску (щільності), який впливає на динаміку часток і приводить до накопичення пилових мас і до надлишкового насичення гранул адсорбованими хімічними елементами в областях пучності хвиль. Проведено порівняння з експериментальними результатами, отриманими в результаті аеродинамічного моделювання і гамма-аналізу розподілу адсорбованих елементів. The features of distributing of dustborne particles and adsorbed chemical elements, accumulated in an air filter, consisting of granules of adsorbent are investigational, in the process of the intensive blowing through it of aerosol stream. In certain aerodynamic terms the generation of acoustic vibrations, bringing to appearance of standings waves pressures (density) over, which influence on the dynamics of particles and result to in accumulation of dustborne the masses and to the surplus satiation of granules adsorbable chemical elements in the areas of anti-nodes of waves, is possible in a filter. Comparing is conducted to the experimental results, got as a result of aerodynamic design and gamma-analysis of distributing of the adsorbed elements. 2013 Article Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса / О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 2. — С. 94-99. — Бібліогр.: 33 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 28.41.Te; 43.20.Ks; 43.25.Uv; 43.28.+h; 83.80.Fg http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111688 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Материалы реакторов на тепловых нейтронах Материалы реакторов на тепловых нейтронах
spellingShingle	Материалы реакторов на тепловых нейтронах Материалы реакторов на тепловых нейтронах Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М. Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса Вопросы атомной науки и техники
description	Исследованы особенности распределения пылевых частиц и адсорбированных химических элементов, накапливаемых в воздушном фильтре, состоящем из гранул адсорбента, в процессе интенсивного продувания через него аэрозольного потока. В определенных аэродинамических условиях в фильтре возможна генерация акустических колебаний, приводящих к появлению стоячих волн давления (плотности), которые влияют на динамику частиц и приводят к накоплению пылевых масс и к избыточному насыщению гранул адсорбируемыми химическими элементами в областях пучности волн. Проведено сравнение с экспериментальными результатами, полученными аэродинамическим моделированием и гамма-анализом распределения адсорбированных элементов.
format	Article
author	Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М.
author_facet	Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М.
author_sort	Леденёв, О.П.
title	Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса
title_short	Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса
title_full	Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса
title_fullStr	Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса
title_full_unstemmed	Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса
title_sort	распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре аэс в условиях вынужденного акустического резонанса
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111688
citation_txt	Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса / О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2013. — № 2. — С. 94-99. — Бібліогр.: 33 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT ledenëvop raspredeleniepylevyhčasticiadsorbirovannyhhimičeskihélementovvgranulirovannomvozdušnomfilʹtreaésvusloviâhvynuždennogoakustičeskogorezonansa AT neklûdovim raspredeleniepylevyhčasticiadsorbirovannyhhimičeskihélementovvgranulirovannomvozdušnomfilʹtreaésvusloviâhvynuždennogoakustičeskogorezonansa
first_indexed	2025-07-08T02:32:35Z
last_indexed	2025-07-08T02:32:35Z
_version_	1837044288286883840
fulltext	94 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №2(84) РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ И АДСОРБИРОВАННЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГРАНУЛИРОВАННОМ ВОЗДУШНОМ ФИЛЬТРЕ АЭС В УСЛОВИЯХ ВЫНУЖДЕННОГО АКУСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ, Харьков, Украина Исследованы особенности распределения пылевых частиц и адсорбированных химических элементов, накапливаемых в воздушном фильтре, состоящем из гранул адсорбента, в процессе интенсивного продува- ния через него аэрозольного потока. В определенных аэродинамических условиях в фильтре возможна гене- рация акустических колебаний, приводящих к появлению стоячих волн давления (плотности), которые влияют на динамику частиц и приводят к накоплению пылевых масс и к избыточному насыщению гранул адсорбируемыми химическими элементами в областях пучности волн. Проведено сравнение с эксперимен- тальными результатами, полученными аэродинамическим моделированием и гамма-анализом распределе- ния адсорбированных элементов. PACS: 28.41.Te; 43.20.Ks; 43.25.Uv; 43.28.+h; 83.80.Fg ВВЕДЕНИЕ На атомных электростанциях (АЭС) в системах очистки воздуха от радиоактивных нуклидов, воз- никающих при работе ядерных реакторов, исполь- зуются воздушные фильтры, заполненные гранула- ми угольного адсорбента, которые играют важную роль в соблюдении норм экологии и безопасности станций. Угольные фильтры АУ-1500 рассчитаны на эксплуатацию в течение многих лет и продолжают использоваться на атомных станциях Украины и в настоящее время без существенных изменений. В то же время в них было выявлено наличие ряда осо- бенностей, которые сказываются на работоспособ- ности фильтрующего устройства. Так, на опреде- ленном этапе работы возникает ненормированный рост воздушного сопротивления фильтра, приводя- щий к ограничению срока его службы. Возможны также одиночные непредсказуемые выбросы накоп- ленных нуклидов, возникновение которых не может быть объяснено исходя из конструкции фильтра и не приводит в то же время к каким-либо иным послед- ствиям в его работе. Изначально предусмотреть та- кие долговременные особенности его работы было невозможно, так как они связаны с некоторыми спе- цифическими физическими процессами, происхо- дящими в фильтрах под действием силовых нагру- зок, которым они подвержены в процессе эксплуа- тации и природу которых еще предстоит выяснить и соотнести с наблюдаемыми явлениями. Отметим, что задача исследования особенностей физических процессов в фильтрах, вынужденных работать в условиях пылевой, радиационной и аэро- динамической нагрузок и воздействующих на его сложную рабочую среду, которая состоит из гранул адсорбента, имеющих пористое внутреннее строе- ние, является достаточно сложной. Она стыкуется с физикой пылевых сред, которые интенсивно иссле- дуются во многих областях физики, начиная от фи- зики межзвездного пространства [1, 2], физики плазмы − при исследовании пылевых кристаллов, пылевых ионно-акустических волн, квантовых пы- левых акустических волн [3−8], и в сугубо приклад- ных областях, связанных, например, с физикой аэ- розолей [9−11]. Газы, содержащие гранулированные частицы, образуют отдельный класс гранулирован- ных газов со своими особенностями рассеяния час- тиц, распределением по энергиям, температурой, возможностью нелинейного взаимодействия и структурообразования [12−14]. В то же время, на- сыпные гранулированные среды существенно отли- чаются от сплошных однородных материалов как своими упругими и деформационными свойствами [15], так и возможными типами колебаний и распре- делением полей напряжений при воздействии внеш- них силовых нагрузок [16]. Перенос и структурооб- разование пылевых масс в таких гранулированных средах характеризуются возможностью возникнове- ния максимумов плотности пыли в глубине фильтра, которые были обнаружены в экспериментальных исследованиях, проведенных на макетах фильт- рующих устройств [17, 18]. При исследовании ад- сорберов АУ-1500 после их эксплуатации на АЭС методом гамма-активационного анализа было пока- зано [19], что распределения ряда адсорбируемых химических элементов характеризуются нескольки- ми явно выраженными чередующимися максиму- мами, расположенными в глубине фильтра в на- правлении распространения потока воздуха. В [20] было показано, что расположения макси- мумов осевшей из аэрозольного потока пыли и мак- симумов в распределении химических элементов коррелируют в фильтрах между собой. Плотность накопления адсорбируемых химических элементов в единице массы пыли превышает аналогичный пока- затель для гранул. В пылевых массах, возникших при частичной деструкции гранул угольного адсор- бента, доступ к наноразмерным порам для химиче- ских элементов, переносимых воздухом, и соответ- ственно их адсорбция существенно увеличены. Это связано с тем, что отношение внешней поверхности, через которую возможно проникновение элементов внутрь гранул и их захват на адсорбирующей по- верхности внутренних пор, к объему гранулы про- порционально 1/dГР, где dГР − усредненный размер ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №2(84) 95 гранулы. В то же время для частиц пыли величина 1/dП в 102…103 раз больше. Время диффузионного переноса химических элементов с поверхности в глубину гранулы равно τ∼dГР2/<D>, где <D> − ус- редненный коэффициент диффузии элемента в воз- духе и по внутренней адсорбирующей поверхности, так как в процессе участвуют оба эти механизма. Учтем, что поток химических элементов, прони- кающих в частицу, пропорционален относительной доступности внутренней адсорбирующей поверхно- сти частицы, рассмотренной выше и деленной на время проникновения J∝ <D>/d3 [21]. Так как ха- рактерные размеры частиц пыли и гранул отличают- ся в 102…103 раз, то процесс адсорбции на пыли во много раз более быстрый, чем в гранулах. Поэтому неоднородное распределение пыли ведет к такому же распределению накопленных химических эле- ментов. Этот вывод позволяет связать местополо- жение максимумов распределения пыли с положе- нием максимумов в распределении адсорбирован- ных химических элементов, но в то же время не по- зволяет сделать достаточно обоснованного вывода о причинах появления таких пылевых максимумов в глубине фильтра. В работе [17] указывалось на воз- можность реализации диффузионного механизма сепарации и разделения частиц пыли по массам ана- логичного процессу, происходящему в хроматогра- фических колонках на молекулярном уровне. Одна- ко этот механизм не позволяет объяснить все осо- бенности распределения пылевых масс в фильтре и описывает, видимо, диффузионные пылевые «хво- сты» вблизи фронтальной области фильтра. В то же время гамма-резонансные исследования показывают [19], что имеются максимумы в распределении на- копленных химических элементов и вблизи выхода из фильтра, где почти отсутствуют пылевые массы и, следовательно, элементы содержатся в гранулах фильтра. Эта работа расширяет рамки проведенных ранее исследований и посвящена выяснению верят- ного влияния возможных в фильтре акустических явлений в воздухе на распределение в нем пылевых масс и адсорбируемых химических элементов. Та- кие вынужденные колебания могут возбуждаться воздушным потоком, который проникает через не- однородную гранулированную среду, и сопровож- даться диссипацией его энергии. Рассмотрение про- ведено в приближении, когда длина возбуждаемых стоячих волн λ существенно больше характерных размеров гранул угольного адсорбента λ dГР, но сравнимых с длиной фильтра λ∼L. 1. АКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ФИЛЬТРЕ Рассмотрим акустические явления в гранулиро- ванном фильтре, через который при разности давле- ний на его входной и выходной поверхностях ∆P прокачивается поток воздуха J, переносящий мелко- дисперсную пыль. Будем полагать, что пылевая на- грузка k, под которой мы понимаем относительное массовое содержание пыли в единице объема возду- ха k=m п /m в , мала k 1. Как показали исследования [17, 18, 20], перенос воздуха сопровождается час- тичным структурообразованием пылевых масс и, учитывая долговременность работы фильтра, отно- сительное массовое количество пыли, накапливае- мой в адсорбере, может достигать в отдельных мес- тах почти 100 % заполнения свободных объемов между гранулами. При достаточно больших инте- гральных пылевых нагрузках это происходит, на- пример, в приповерхностном слое фильтра и имеет явно выраженные максимумы плотности накоплен- ной пыли в глубине адсорбера. Возможный физиче- ский механизм такого поведения пылевых масс ос- тается неизвестным, и в данном исследовании мы рассматриваем влияние вынужденных акустических колебаний, возникающих в гранулированной среде под действием потока воздуха, на распределение пыли и поглощаемых химических элементов в глу- бине фильтра. Как мы отмечали ранее [17], перенос пыли в воз- душном потоке регулируется воздействием на ее частицы нескольких сил, таких как сила вязкого ув- лечения пыли воздухом, сила инерции, проявляю- щаяся в областях, где поток, обтекая гранулы, резко меняет свое направление, и гравитационная сила. В настоящем исследовании мы обращаем внимание на возможное существенное влияние на распределение пыли и адсорбированных химических элементов акустических колебаний, которые могут возбуж- даться в адсорбере потоком воздуха, протекающим между гранулами под действием разности давлений, создаваемой внешним прокачивающим воздух ис- точником. Рассмотрим физические основы процесса гене- рации звуковых колебаний потоком воздуха в гра- нулированном фильтре. На границе фильтра при не- прерывности потока воздуха имеется скачок его скорости V, и внутренний объем фильтра можно рассматривать как потенциальную яму, в которой скорость потока воздуха больше, чем вне ее (рис.1). Рис. 1. Первые две нечетные гармоники стоячих акустических волн в фильтре длиной L Cкорость V существенно меньше, чем скорость звука s в воздухе, но она важна для механизма, вы- зывающего генерацию акустических колебаний в воздухе, который будет рассмотрен ниже. Волновое уравнение для колебаний давления в воздухе может быть представлено в виде 96 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №2(84) ΔP− (1 /s2 )∂ 2P/∂ t 2 , (1) где P(x, y, z, t ) – давление в звуковой волне; Δ=∂ 2 /∂x2+∂2 /∂y2+∂ 2 /∂z2 − оператор Лапласа; t − время. Скорость звука определяется зависимостью плотности воздуха ρ от давления s2=(∂P/∂ρ )S при постоянной энтропии. Видно, что в гранулирован- ной среде скорость звука должна мало отличаться от свободного пространства, если внутренние объемы гранул, доступные для заполнения воздухом, явля- ются малыми по сравнению со свободным объемом полостей. В то же время, внутренняя адсорбционная поверхность гранулы существенно превышает ее геометрическую поверхность [22, 23]. Тогда этот дополнительный внутренний объем не оказывает существенного влияния на колебания при измене- нии давления и соответственно на скорость звука [24]. Важным параметром является колебательная скорость движения υ частиц воздуха, который рас- сматривается как непрерывная среда: (1 )grad Pdtυ ρ= ∫ . (2) На границе свободного пространства и гранули- рованной среды граничные условия приводят к ус- ловиям Р1=Р2 и υ1=υ2. Отметим, что скорость звука для колебаний с длиной волны много больше разме- ра гранул λ d г р внутри гранулированной среды не будет отличаться от свободного пространства. Гармоническое одномерное звуковое поле опи- сывается уравнением Гельмгольца: 2 0P k PΔ + = , (3) где волновой вектор k=ω /s , ω − угловая частота, ω=2π f , f – линейная частота. В общем случае волна имеет вид: P(x, t )∼exp[i(kx-ωt )] , где вектор k яв- ляется комплексным k=k1+ik2, и его мнимая часть описывает поглощение волны в среде P∼exp(−αx) ⋅exp[i(k1x−ω t )] , где α=k2 [25]. Ко- эффициент поглощения звука в гранулированной среде имеет большую величину для колебаний, дли- на волны которых сравнима и меньше, чем харак- терные размеры гранул. Рассеяние волн, имеющих λ dгр, можно в рассматриваемой задаче полагать малым и не влияющим на рассматриваемый вопрос [25]. Для адсорбера, у которого поверхность является свободной для проникновения воздуха, как в фильт- рах, звуковое давление на его границе обращается в нуль: Р=0, и скорость частиц воздуха достигает максимального значения: υ=υmax, т. е. в нем возмож- ны только собственные стоячие колебания воздуха, которые описываются нечетными гармониками. Так как стоячие волны задаются условиями, при которых на границе имеются пучности скорости воздуха υ и нули давления, то пучности давления P оказываются сдвинутыми на четверть длины волны в глубь фильтра. Спектр допустимых волн описыва- ется выражением: Pn=P0sin[(2n−1)πx/L] ⋅exp[i(2n−1)πst /L] , (4) где L – длина адсорбера, n = 1, 2, 3… Частоты раз- решенных гармоник связаны между собой соотно- шением: f n=(2−1)f1 , где f1 − основная гармоника с λ=2L . Теперь рассмотрим физические механизмы, ко- торые собственно и могут приводить к возникнове-нию в фильтре акустических колебаний. Для этого оценим основные величины, характеризующие пе- ренос воздушных масс и возможные колебательные процессы, − число Рейнольдса Re и число Струхаля Sh для гранулированной среды [26]. Угольные гра- нулы адсорбента, которыми заполнен фильтр, мож- но условно заменить равными по объему гранулами шаровидной формы диаметром D. Тогда Re=ρVD/μ=VD/ν , где ν=μ/ρ − кинематическая вязкость воздуха. Подставляя характерный диаметр гранулы D ≈ 2,5 10−3 м, плотность воздуха, равную при комнатной температуре ρ ≈ 1,2 кг/м3, и μ = 1,78⋅10−5 Па⋅с, скорость потока воздуха V = 2 м/с, получим, что Re ≈ 3 ,4 ⋅10 2 . Этот аэроди- намический режим соответствует возникновению турбулентных возмущений в потоке, протекающем между гранулами сорбента в фильтре. Число Струхаля связывает частоту колебаний потока воздуха с диаметром образца, обтекаемого воздухом, и ее скоростью Sh=d/ fV , где f − частота колебаний; d – диаметр цилиндрического тела (гра- нулы); V – скорость потока воздуха. Число Sh ≈0.2 при Re >102 [26], и отрыв вихрей приводит к появ- лению колебаний потока воздуха. Такие механизмы генерирования акустических волн хорошо известны [27]. Они подразделяются на колебания, связанные с обтеканием воздухом тел конечных размеров (эолов тон) [28], и возбуждение волн в резонаторных объемах, существующих в ис- следованном случае в виде полостей между грану- лами в фильтре. В первом случае характерная часто- та определяется как f=d/V ⋅Sh . Во втором случае резонансная частота равна V/d r e s , где dr e s − харак- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №2(84) 97 терный линейный размер свободного объема между гранулами, и ее величина близка к частоте колеба- ний Струхаля. Таким образом, воздушный поток в фильтре дис- сипирует часть своей энергии в вынужденные аку- стические колебания и возбуждает в фильтре стоя- чие волны. Колебания, возникающие вблизи раз- личных гранул, в общем случае могут синхронизо- ваться [29, 30]. Отметим, что длины акустических волн на указанных частотах существенно превыша- ют размеры излучателя. Поэтому излучение квази- точечного источника почти изотропно, и интенсив- ность его мала, но так как излучателями в этих ус- ловиях являются все гранулы, расположенные в фильтре, то для описания излучения необходим учет граничных условий, в которых находятся излучате- ли. Как известно [25, 31], стоячие акустические вол- ны могут при достаточной мощности звука оказы- вать взвешивающее воздействие в гравитационном поле даже на достаточно крупные частицы. Это яв- ление основано на вязком увлечении пылевых час- тиц воздушными потоками, колеблющимися с ха- рактерной скоростью υ (2). Такое увлечение суще- ственно для частиц малых размеров. Могут также проявляться и другие пондеромоторные эффекты [25], которые обусловлены градиентами давления, и плотности кинетической энергии Wk≈ρυ 2 в волне. Возникающая сила F п∼Wk4d 6 , где W − средняя плотность звуковой энергии, d − диаметр частицы, преимущественно влияет на более крупные частицы пыли. Между частицами, расположенными недалеко друг от друга в поле колебаний, могут возникнуть силы притяжения, которые будут приводить к их структурированию в более крупные комплексы. Та- ким образом, частицы пыли собираются в области пучности волн и, учитывая первые две нечетные гармоники, их распределение равно их сумме, на которую будет наложено влияние постоянного по- тока воздуха, протекающего через фильтр со скоро- стью V. Вынуждающей силой, создающей поток воздуха в фильтре, является разность давлений на его кон- цах ΔP. Излучение генерируемых потоком воздуха акустических колебаний должно приводить к тому, что только часть ΔP идет на поддержание потока I(ΔP) и некоторая часть приводит к турбулентным и сопутствующим акустическим явлениям. Известно, что, например, для теплопроводности и электропро- водности, где механизмы рассеяния связаны лишь с рассеянием квазичастиц на межатомном уровне, эта зависимость между вынуждающей силой и созда- ваемым потоком I является линейной. Также и для цилиндрической трубки диаметром d, не имеющей особенностей формы и в которой нет турбулентных возмущений потока, I=σΔP/L , где σ=πd 4/128ν [26]. Появления нового канала рассеяния в экспери- менте с фильтром приводит к зависимости I=σS(ΔP)2 / 3 /L , где σ − условная проводимость среды; S − площадь сечения; L − длина устройства. Такое отклонение от линейности свидетельствует о существенной роли нелинейных явлений, связанных с неоднородностью гранулированной среды и соот- ветствующей потерей потоком свойств ламинарного течения. Наличие вынужденных стоячих акустических колебаний приводит к тому, что в областях пучно- стей волн происходят максимальное по величине периодическое изменение давления воздуха, что должно сказываться на насыщении пылевых частиц и гранул химическими элементами, находящимися в воздухе. Отметим, что такое колебательное воздействие может приводить (см., например, [32, 33]) к сущест- венному усилению диффузионного переноса, изме- няя эффективный коэффициент диффузии на не- сколько порядков. Мы не можем однозначно утвер- ждать, что этот механизм в данном случае реализу- ется в полной мере, но его проявление вполне воз- можно, учитывая, что именно в местах, где распо- ложены пучности волн в исследованиях гамма- резонансным методом [2], отмечается максимальное накопление адсорбируемых химических элементов. Особенно сильно этот эффект должен проявляться в малых частицах, т. е. в пылевых массах, из-за их бо- лее малых размеров по сравнению с гранулами, так как характерное время заполнения таких частиц при диффузии в (lгр./lпыли)2 раз меньше, чем гранул. Как показано в [3], удельная массовая насыщен- ность пылевых масс адсорбированными элементами существенно (в несколько раз) превышает насы- щенность гранул, что подтверждает высказанные предположения о роли акустических колебаний. Также необходимо учитывать в распределении пыли и адсорбированных элементов воздействие непрерывного потока воздуха, который может ска- зываться, приводя к смещению максимумов внутри адсорбера, а также возможность вытеснения одних адсорбированных элементов другими, имеющими отличную энергию адсорбции. 2. СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ В качестве конструкционных материалов, из ко- торых создавались фильтры, использовалась нержа- веющая сталь, срок эксплуатации которой можно считать не ограниченным и которая не подвержена износу при продувке через фильтр воздушных пото- ков с нормированной величиной ~ 1500 м3/ч. В ка- честве функционального фильтрующего материала в йодных фильтрах АУ-1500 используется насыпной слой гранул угольного адсорбента СКТ-3, который обладает хорошими сорбционными характеристи- ками по отношению ко всем изотопам йода, в том числе и к 131I − основной примеси, поглощаемой из воздуха и имеющей период полураспада ~ 8,14 сут. Гранулы представляют собой тела цилиндрической формы со средним диаметром d, близким к 1,8…2 мм, и средней длиной l ≈ 3,2 мм. Толщина насыпного слоя гранул, сквозь который фильтруется воздух, составляет L ~ 0,3 м, и диаметр устройства равен ~ 1 м. Внутренняя структура гранул угольного адсорбента представляет собой сложную, квази- фрактальную среду, имеющую поры различного диаметра от мезоскопических до наноразмерных, соединенных каналами различного сечения. Внут- 98 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №2(84) ренняя эффективная адсорбирующая поверхность такой структуры достаточно велика и составляет не- сколько сотен м2/грамм, что приводит к большой адсорбционной активности угольных гранул по от- ношению к широкому спектру химических элемен- тов. В нашем случае для усредненного размера гра- нулы и свободного объема частоты вынужденных акустических колебаний лежат в пределах от 500 до 1500 Гц и совпадают с возможными частотами пер- вой и второй нечетных гармоник. Ранее были отмечены особенности в работе фильтров в виде упорядоченного распределения пы- левых масс [17] и сходного коррелированного рас- пределения адсорбируемых химических элементов в виде максимумов плотности [19]. Наблюдался также ненормированный рост воздушного сопротивления и резкие выбросы радионуклидов. Все эти особен- ности могут быть объяснены при учете влияния стоячих звуковых волн, генерируемых в фильтре при рассеянии воздушного потока на неоднородно- стях гранулированной среды, на процессы переноса пыли и химических элементов. Отметим, что вид, близкий к сумме этих колеба- ний, имеют распределения пылевых масс, накапли- ваемых фильтром [17], и распределения плотности ряда поглощенных фильтром химических элемен- тов, измеренных методом гамма-активационного анализа [19], одно из которых представлено на рис. 2 для Sr. Рис. 2. Относительное распределение 88Sr в глубине фильтра по данным гамма-анализа [19] Распределения [19] хорошо коррелируют между собой, если полагать, что все три максимума появ- ляются из-за воздействия вынужденных стоячих акустических колебаний. Силы, которые действуют на пылевые частицы, помещенные в колеблющуюся воздушную среду, могут взвешивать их в поле силы тяжести в вертикальном фильтре в областях, где расположены пучности стоячих волн. Именно это приводит к появлению максимумов в распределении пылевых масс в области пучности давления стоячих звуковых волн. В этих же областях из-за колебаний давления воздуха осуществляется более интенсивное его про- никновение и замена в объемах внутренних пор в гранулах угольного адсорбента СКТ-3. Этот же цик- лический процесс реализуется и в порах пылевых частиц адсорбента, структурирующихся в этих же областях в пылевые сгустки. В настоящей работе впервые проведен анализ влияния вынужденных стоячих акустических коле- баний, возбуждаемых потоком воздуха в гранулиро- ванной среде внутри адсорбера, на распределение структурируемых пылевых масс и адсорбированных химических элементов в процессе долговременной работы фильтра на АЭС. Это позволяет объяснить наблюдаемые особенности в работе фильтра и на их основе представляется возможным сделать предло- жения по усовершенствованию и модификации фильтрующих устройств, используемых на АЭС. ВЫВОДЫ Показано, что особенности распределения пыле- вых частиц и адсорбированных химических элемен- тов, накапливаемых в гранулированном воздушном фильтре в процессе интенсивного продувания через него аэрозольного потока, связаны с акустическими колебаниями воздуха. В определенных аэродинами- ческих условиях в фильтре возможна генерация аку- стических колебаний и появление в воздухе стоячих волн давления (плотности), которые влияют на ди- намику частиц и приводят к накопление пылевых масс и избыточному насыщению гранул адсорби- руемыми химическими элементами в областях пуч- ности волн. Проведено сравнение с эксперимен- тальными результатами, полученными при аэроди- намическом моделировании и гамма-анализе рас- пределения адсорбированных элементов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. E. Krugel. The physics of interstellar dust. IOP Publ. Ltd, 2003, 559 p. 2. R.D. Cadle. Particles in the atmosphere and space. Reinhold Publ. Corp, 1966, 284 p. 3. S.I. Popel. Dust ion-acoustic nonlinear wave structures under conditions of near-earth and laboratory plasmas // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика плазмы». 2012, №6(82), с. 72-76. 4. S.K. El-Labany, N.M. El-Siragy, W.F. El- Taibany, et al. The effect of dust size distribution on quantum dust acoustic wave // Physics of Plasmas. 2009, v. 16, р. 093701. 5. Dusty and Dirty Plasmas, Noise, and Chaos in Space and in the Laboratory / Ed. H Kikuchi. N. Y: «Plenum Press», 1994. 6. В.Н. Цытович. Плазменно-пылевые кристал- лы, капли и облака // УФН. 1997, т. 167, с. 57-99. 7. А.П. Нефедов, О.Ф. Петров, В.Е. Фортов. Кри- сталлические структуры в плазме с сильным взаи- модействием макрочастиц // УФН. 1997, т. 167, с. 1215-1226. 8. Е.В. Фортов, А.Г. Храпак, В.И. Храпак и др. Пылевая плазма // УФН. 2004, т. 174, №5, с. 495-544. 9. H. Green, W. Lane. Particulate clouds: dusts, smokes and mists. London, 1964, 427 p. 10. Л.С. Ивлев. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1982, 366 с. 11. P.С. Reist. Aerosol Science and Technology // Second Edition, McGraw-Hill, Inc. 1993, 379 p. 12. N.V. Brilliantov, T. Poschel. Kinetic theory of granular gases. Oxford Univ. Press, 2004, 329 p. С од ер ж ан ие , о тн .е д. ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2013. №2(84) 99 13. В. Эбелинг. Образование структур при необ- ратимых процессах // Введение в теорию диссипа- тивных структур. М: «Мир», 1979, 279 c. 14. Н.Б. Урьев. Физико-химическая динамика дисперсных систем // Успехи химии. 2004, т. 79, №1, с. 39-62. 15. H.M. Jaeger, S.R. Nagel, R.P. Behringer. Granu- lar solids, liquids, and gases // Reviews of Modern Phys- ics. 1996, v. 68, N4, p. 1259-1273. 16. S.A. Galindo-Torres. Force distribution in gra- nular media studied by an energy method based on sta- tistical mechanics. ArXiv:1003.5958v1. 17. О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов, П.Я. Полти- нин и др. Особенности процессов переноса и струк- турообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем венти- ляции АЭС // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и ра- диационное материаловедение». 2005, №3, с. 115- 121. 18. И.М. Неклюдов, О.П. Леденёв, Л.И. Фёдоро- ва и др. Влияние фракционного состава на перенос пылевых масс в воздушных фильтрах АЭС и их ха- рактеристики // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и ра- диационное материаловедение». 2009, №2, с. 104- 107. 19. N.P. Dikiy, А.N. Dovbnya, N.A. Skakun, et al. Use of accelerators in geology, medicine, isotopes pro- duction and atomic power energetic // Problems of Аtomic Science and Technology. Series “Nuclear Phys- ics Investigations”. 2001, N 1, p. 26-35. 20. О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов, П.Я. Полти- нин и др. Особенности пространственного распре- деления пылевых масс и адсорбированных химиче- ских элементов в фильтрах АЭС // Вопросы атом- ной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 2006, №4, с. 164-168. 21. R. Jackson. Transport in porous catalysts. Elsevier, N.Y., 1977, 197 p. 22. А.В. Еленский. Сорбционные свойства угле- родных наноструктур // УФН. 2004, т. 174, №11, р. 1191-1231. 23. Ю.С. Нечаев. О природе, кинетике и пре- дельных значениях сорбции водорода углеродными наноструктурами // УФН. 2006, т. 176, №6, с. 582- 610. 24. В.Е. Накоряков, Б.Г. Покусаев, И.Р. Шрейбер. Волновая динамика газо- и парожидкостных сред. М.: «Энергоатомиздат», 1990, 246 с. 25. Ультразвук: Малая энциклопедия/ Гл. ред. И.П. Голямина. М: Изд-во Советская энциклопедия, 1979, 400 с. 26. Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и га- за. М.: «Наука», 1987, 840 с. 27. Д.И. Блохинцев. Акустика неоднородной движущейся среды. М: «Наука», 1981, 208 с. 28. Л.К. Зарембо, В.А. Красильников. Введение в нелинейную акустику. М: «Наука», 1966, 519 с. 29. Э.Н. Руманов. Критические явления вдали от равновесия // УФН. 2013, т. 183, №1, с. 103-112. 30. А.Ю. Вараксин. Турбулентные течения газа с твердыми частицами. М.: «Физматлит», 2003,192 с. 31. F. Alton Everest. Master handbook of acoustics. 4-th.ed., Mc Graw-Hill, N.Y., 2001, 615 p. 32. M. Mailman, M. Girvan, W. Losert. Arxiv: Cond-mat: 1207.0022. 33. И.Г. Марченко, И.И. Марченко // Письма ЖЭТФ. 2012, т. 95, в. 3, с. 153-158. Статья поступила в редакцию 27.03.2013 г. РОЗПОДІЛ ПИЛОВИХ ЧАСТОК І АДСОРБОВАНИХ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ГРАНУЛЬОВАНОМУ ПОВІТРЯНОМУ ФІЛЬТРІ АЕС В УМОВАХ ВИМУШЕНОГО АКУСТИЧНОГО РЕЗОНАНСУ О.П. Леденьов, І.М. Неклюдов Досліджено особливості розподілу пилових часток і адсорбованих хімічних елементів, що нагромаджу- ються в повітряному фільтрі, який складається з гранул адсорбенту, в процесі інтенсивного продування че- рез нього аерозольного потоку. У певних аеродинамічних умовах у фільтрі можлива генерація акустичних коливань, що приводять до появи стоячих хвиль тиску (щільності), який впливає на динаміку часток і при- водить до накопичення пилових мас і до надлишкового насичення гранул адсорбованими хімічними елемен- тами в областях пучності хвиль. Проведено порівняння з експериментальними результатами, отриманими в результаті аеродинамічного моделювання і гамма-аналізу розподілу адсорбованих елементів. DISTRIBUTING OF DUSTBORNE PARTICLES AND ADSORBED CHEMICAL ELEMENTS IN GRANULAR AIR FILTER OF AES IN THE CONDITIONS OF THE FORCED ACOUSTIC RESONANCE O.P. Ledenyov, I.M. Neklyudov The features of distributing of dustborne particles and adsorbed chemical elements, accumulated in an air filter, consisting of granules of adsorbent are investigational, in the process of the intensive blowing through it of aerosol stream. In certain aerodynamic terms the generation of acoustic vibrations, bringing to appearance of standings waves pressures (density) over, which influence on the dynamics of particles and result to in accumulation of dust- borne the masses and to the surplus satiation of granules adsorbable chemical elements in the areas of anti-nodes of waves, is possible in a filter. Comparing is conducted to the experimental results, got as a result of aerodynamic de- sign and gamma-analysis of distributing of the adsorbed elements.

Распределение пылевых частиц и адсорбированных химических элементов в гранулированном воздушном фильтре АЭС в условиях вынужденного акустического резонанса

Репозитарії

Схожі ресурси