Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС

Проведено исследование переноса угольной воздушно-пылевой смеси в гранулярной структуре адсорбционного фильтра при поступлении её из приповерхностного слоя. Выяснены физические причины распределения масс пыли по глубине адсорбера, приводящие к аномальному росту его аэродинамического сопротивления. П...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вопросы атомной науки и техники
Дата:	2005
Автори:	Леденёв, О.П., Неклюдов, И.М., Полтинин, П.Я., Фёдорова, Л.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2005
Теми:	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80398
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:	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС / О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов, П.Я. Полтинин, Л.И. Фёдорова // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 115-121. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859625778714509312
author	Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М. Полтинин, П.Я. Фёдорова, Л.И.
author_facet	Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М. Полтинин, П.Я. Фёдорова, Л.И.
citation_txt	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС / О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов, П.Я. Полтинин, Л.И. Фёдорова // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 115-121. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Вопросы атомной науки и техники
description	Проведено исследование переноса угольной воздушно-пылевой смеси в гранулярной структуре адсорбционного фильтра при поступлении её из приповерхностного слоя. Выяснены физические причины распределения масс пыли по глубине адсорбера, приводящие к аномальному росту его аэродинамического сопротивления. Получены количественные характеристики фильтрующих элементов, необходимые для эффективной очистки воздуха от высокодисперсной пыли. Проведено дослідження переносу вугільної повітряно-пилової суміші в гранулярній структурі адсорбційного фільтра при надходженні її з приповерхнього шару. З'ясовано фізичні причини розподілу мас пилу по глибині адсорбера, що приводять до аномального росту його аеродинамічного опору. Отримано кількісні характеристики фільтруючих елементів, необхідні для ефективного очищення повітря від високодисперсного пилу. The research of carry of a coal air - dust mix in granulation to structure of adsorbent filter is carried out at receipt of a mix from a surface layer. The physical reasons of distribution of weights of a dust on depth of the adsorber, resulting to abnormal growth of his aerodynamic resistance are found out. The quantitative characteristics of filtering elements necessary for effective clearing of air from very disperse dust are received.
first_indexed	2025-11-29T11:41:59Z
format	Article
fulltext	УДК 519 711 ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ С УЧАСТИЕМ ДИСПЕРСНОЙ УГОЛЬНОЙ ФРАКЦИИ В АДСОРБЦИОННЫХ ФИЛЬТРАХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ АЭС О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов, П.Я. Полтинин, Л.И. Фёдорова Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина Проведено исследование переноса угольной воздушно-пылевой смеси в гранулярной структуре адсорб ционного фильтра при поступлении её из приповерхностного слоя. Выяснены физические причины распре деления масс пыли по глубине адсорбера, приводящие к аномальному росту его аэродинамического сопро тивления. Получены количественные характеристики фильтрующих элементов, необходимые для эффектив ной очистки воздуха от высокодисперсной пыли. 1. ВВЕДЕНИЕ В процессе работы угольных адсорбционных фильтров в системах вентиляции АЭС было уста новлено, что наблюдается систематический немоно тонный рост воздушного сопротивления адсорберов, который приводит к снижению их эффективности на порядок величины и более. Причины этого явления выяснялись в работах [1, 2], где было обнаружено, что тонкий слой адсорбента, находящийся в поверх ностной зоне перехода воздуха от течения в режиме свободного потока к протеканию по каналам струк туры фильтра, может разрушаться с образованием пылевидной дисперсной фракции в результате дина мических флуктуаций давления, сопровождаемых микро - и макроперемещениями структурных эле ментов фильтра. Эта угольная фракция в последую щем участвует в двух взаимосвязанных динамиче ских процессах: она переносится в глубь фильтра, и ее проникновение, в определенных условиях, сопро вождается процессом структурообразования из пы левидного материала перемычек, которые приводят к ограничению поперечного сечения адсорбера, до ступного для проникновения воздуха, и ограничива ют его производительность. В настоящей работе, основанной на модельном эксперименте [2], проводится анализ полученных результатов, и выясняются физические причины, приводящие к особенностям в обоих указанных про цессах, в которых участвует пылевая фракция мате риала фильтров. Отметим, что высокодисперсные пылевые среды, несмотря на их многолетнее изуче ние, и в настоящее время являются объектами науч ного интереса и интенсивно исследуются [3,4]. Это связано как с их распространенностью, сложностью и разнородностью процессов, происходящих в них, которые не могут быть охарактеризованы простыми модельными представлениями, так и с тем, что су щественный интерес для различных разделов физи ки и техники представляют системы с максимально измельченной структурой, вплоть до нанометрового диапазона. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. СТРУКТУРА ФИЛЬТРА В работе [2] приведены подробные результаты исследования динамики распределения угольной пыли по глубине адсорбционного слоя при ее по ступлении в фильтр из приповерхностного слоя ад сорбента. Структура фильтра представляла собой насыпную среду, состоящую из цилиндрических гранул угольного адсорбента с диаметром d ≈1,8 мм и длиной h ≈ 3,2 мм. Специального упорядочения структура не имеет. Распределение и взаимная ори ентация гранул устанавливаются случайным об разом в результате засыпания адсорбента в фильтр. Таким же случайным образом распределены и условные каналы между гранулами, по которым происходит протекание продуваемого воздуха. Средняя плотность насыпного слоя адсорбента со ставляет ≈ 77 % от весовой плотности материала гранул. Последние состоят из угольного адсорбента, внутри которого существует некоторая сложная иерархия адсорбционных поровых полостей, разме ры которых существенно меньше (в 103 и более раз), чем характерные размеры условных макроскопиче ских каналов фильтра. Проникновение воздуха и ра дионуклидов из каналов фильтра в эти поры вероят ней всего происходит вследствие диффузионного переноса, и, видимо, не связано с протеканием пото ка воздуха и его скоростью в каналах фильтра. Про никающая способность гранул (величина, обратная характерному сопротивлению потоку воздуха) су щественно меньше, чем таковая для самого фильтра. Это свидетельствует о том, что основной перенос воздуха осуществляется именно по каналам между гранулами, а не путем просачивания через тело гра нул. Параллельное упорядочение цилиндрических тел может привести к плотной упаковке с ромбовид ной элементарной ячейкой в поперечном сечении с одним цилиндрическим элементом на ячейку и дву _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 115 мя пустотами. Пористость насыпной структуры, равная отношению объема, свободного от гранул, к объёму слоя адсорбента, близка к Ω ≈ 18,5%. Суще ственно большее число допустимых конфигураций возможно при упорядочении гранул в структуру с квадратной элементарной ячейкой с одним цилин дрическим элементом на ячейку и одной пустотой. Пористость такой структуры несколько увеличива ется и составляет Ω ≈ 21,5%. В обоих случаях про дувание воздуха по поперечным осям структуры оказывается невозможным, и перенос воздуха осу ществляется лишь вдоль продольной оси. Квадрат ная структура с параллельной ориентацией элемен тов в общем случае неустойчива относительно пере хода в более плотную, ромбическую. Однако в квад ратной структуре допустим поворот верхнего слоя таким образом, что он остается параллельным ниж нему горизонтальному слою, но в нем изменяется ориентация продольной оси элементов слоя. При по вороте на угол ϕ ≥ arc sin (d / h) ≈ 54° эта структура становится устойчивой и не может самопроизвольно перейти в ромбическую. Число допустимых конфи гураций, различающихся углом поворота, в указан ном случае существенно больше, чем в случае при митивной квадратной ячейки. Наиболее устойчивая структура возникает при усредненном повороте на угол близкий к π/2. Повороты слоев не приводят к изменению пористости структуры, она остается рав ной пористости простой квадратной ячейки, но при этом появляется возможность протекания воздуха вдоль еще одной из осей структуры. В этой структу ре возможен также поворот элементов слоев и в вер тикальной плоскости, что приводит к полной прони цаемости структуры по всем трем осям. Именно та кая структура, видимо, и реализуется на практике (рис. 1). Некоторые дополнительные пустоты в ней возникают в местах перехода элементов от одной допустимой ориентации к другой, и это, вероятно, приводит к увеличению пористости на ≈ 1,5%, т.е. до экспериментально наблюдаемой величины, при мерно равной 23%. X Y Z Рис. 1. Предположительная локальная структура фильтра, состоящая из цилиндрических гранул Общая толщина слоя адсорбента составляет L=30 см, и так как допустимы все ориентации эле ментов-гранул в трёхмерном пространстве, то наи более вероятна условная длина пути, равная перехо ду по ребрам последовательно расположенных n- структурных кубов, таких, что L – их общая диаго наль (рис. 2). Усредненная длина ребра элементар ного структурного куба при этом может быть приня та равной геометрическому среднему из размеров гранулы (d ⋅ h)1/2 , и его объем будет V0 = (d ⋅ h)3/2. Условное число структурных слоев равно n = L/(d ⋅ h)1/2 и условная длина канала, по которому происхо дит перенос воздуха и пыли, равна L* = 31/2 ⋅ (d ⋅ h)1/2 ⋅ n = (3)1/2 ⋅ L. Среднее число каналов примерно равно N = S/(d ⋅ h), где S – площадь поперечного сечения адсорбера. Среднее сечение условного цилиндриче ского канала, по которому проходит воздух, можно записать в виде SC = π ⋅ R2, где R – некоторый сред ний радиус канала. Значение радиуса определяется, исходя из равенства свободного объема пористой структуры полному объему каналов. Так как объём единичного канала равен SC ⋅ L, то полный их объем VC = N ⋅ SC ⋅ L = Ω ⋅ Vф, где Vф – объем фильтра. Тогда для радиуса получим R=dh π 3 . Это выражение дает возможность оценить попереч ный размер канала, зная размеры гранулы и пори стость насыпного слоя адсорбента. Рис. 2. Условный перенос воздуха по ребрам кубической структуры 3. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ВОЗДУХА Характер движения воздушного потока в фильтре определяется значением числа Рейнольдса Re ≈ 2 ⋅ R ⋅ V / ν. Расчет показывает, что в указан ных условиях эксперимента, вплоть до максималь ных потоков, Re не превышало характерного крити ческого порога возникновения турбулентного дви жения (Reкр= 2300), и перенос воздуха должен был осуществляться посредством ламинарного течения (V – скорость воздуха; ν – кинематический коэффи циент вязкости воздуха; ν=µ/ρв, где µ – динамиче ский коэффициент вязкости; ρв – плотность воздуха). Отметим, что распределение скорости воз духа по поперечному сечению канала не является однородным. При ламинарном течении оно соответ ствует известному параболическому закону, при ко тором на поверхности стенок (гранул) скорость рав на нулю, а в центре канала достигает максимального значения Vm. Средняя скорость переноса при этом составляет V=Vm/2. При турбулентном движении _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 116 распределение продольной скорости течения по се чению канала более простое. Уже в непосредствен ной близости от стенки канала скорость достигает своего максимального значения и остается постоян ной по всему сечению канала. В случае ламинарного течения аэродинамическое сопротивление канала фильтра, равное перепаду давления воздуха на нем, имеет следующую зависимость от R [5, 6]: ∆P = 8 ⋅ J ⋅ µ ⋅ L* / (π ⋅ R4), где J = Ω ⋅ S ⋅ Vф – объемный расход воздуха в еди ницу времени. Из этого выражения видно, что паде ние давления на фильтре при ламинарном течении должно линейно зависеть от потока воздуха. Одна ко, как показывают результаты работы [2], для всех значений потоков воздуха, начиная с самых малых и до максимально достижимых уровней запыленности фильтра, реализуется универсальная зависимость ∆P ∝ Jκ, где κ ≈ 1,5. Согласно теории протекания по сложным структурам, значение κ > 1 характерно для переходной области от ламинарного к турбулентно му течению, а также для условий турбулентной фильтрации [7]. Развитой турбулентный поток, как известно, хорошо описывается значением κ = 2, при этом показатель степени при R уменьшается до ≈ 2,5. В случае, исследуемом в [2], видимо, основной вклад в рост сопротивления и его отличие от ве личины, характерной для ламинарного потока, вно сят особенности структуры фильтра, так называе мые местные добавочные сопротивления. Наличие сужений (конфузорное течение) и расширений пото ка (диффузорное течение), а также поворотов кана лов приводит к необходимости совершения работы по деформации как самого потока, так и поля его скоростей, и неизбежно в вязкой среде связано с рассеянием энергии. Особенности структуры фильтра могут также приводить к тому, что харак терными для определения числа Рейнольдса стано вятся размеры, связанные не только с протеканием по усредненному каналу структуры (микроразмер), но и с обтеканием воздухом некоторых макрострук тур (например, граней куба на рис. 2). Это приводит к увеличению числа Рейнольдса. В этих случаях удается согласовать малую величину для Re, полу чаемую при расчете течения потока в условном ка нале, с наличием добавочных сопротивлений и из менением вида зависимости ∆P(J) от соответствую щего ламинарному течению к характерному для турбулентного. 4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ВОЗДУШ НО-ПЫЛЕВОЙ СМЕСИ В анализируемом случае через фильтр перено сится воздушно-пылевая смесь. Как выяснилось в [2], степень заполнения угольной пылью пустот в приповерхностном слое может достигать 100% от свободного объема. При этом часть пыли оседает и структурируется, а некоторая её часть переносится дальше в глубь адсорбера. Эксперимент в [2] проводился с возобновляемым источником угольной пыли, который находился перед адсорбером и представлял собой контейнер 2-сантиметровой толщины, заполненный угольными гранулами с введенной в него пылью. При этом пы левой материал, который переносился потоком воз духа в адсорбер, заранее создавался разрушением угольных гранул до размеров пылинок, не превы шавших 10 мкм, что соответствовало пыли, возни кавшей при реальной эксплуатации адсорберов. От носительно фракционного состава пыли можно сде лать следующее замечание. Дробление монолитного объемного материала, как правило, приводит к лога рифмически нормальному распределению размеров частиц [8]. В отличие от этого истирание гранул ад сорбента СКТ-3 в пылевую фракцию, видимо, при водит к появлению некоторого дискретного набора размеров пылинок, который связан с особенностями разрушения адсорбционного материала. Поэтому полученная таким образом пыль имеет неоднород ный состав по размерам пылинок. Отметим, что фракционный состав пыли отдельно не исследовал ся, однако распределение массы пыли по длине ад сорбера после окончания эксперимента, обсуждае мое ниже, явно указывает именно на такой характер разрушения материала. Перенос пыли воздухом является достаточно сложным процессом и регулируется соотношением нескольких сил: веса пылинок Fg; сил увлечения, ко торые могут быть обусловлены как силами динами ческого напора FP, так и силой вязкого трения FS; сил адгезии FA частиц пыли друг к другу и к грану лам фильтра, а также центробежных сил FI, которые определяют динамику переноса пыли в местах изло ма траектории. Сила динамического напора FP = ∆P⋅S оказывает основное влияние на адсорбер в целом и относительно мала для отдельных частиц пыли и в дальнейшем ею можно пренебречь. Оцен ки показывают, что при больших ∆P эта сила срав нима с весом материала гранул, находящихся в ад сорбере. Для отдельных частиц пыли важны силы вязкого увлечения, определяемые, в основном, си лой Стокса FS = 3 π µ δ v, где µ – динамический ко эффициент вязкости; δ – диаметр частицы; v = Vp - V – разность скоростей воздуха и частицы. При превышении силой увлечения силы тяжести FS > Fg оказывается возможным перемещение свобод ной пыли воздухом. В общем случае важно, каким образом взаимно ориентированы все эти силы, что должно в общем случае приводить к усложнению зависимости отмечаемых особенностей от ориента ции сил. Чтобы не усложнять рассмотрение, будем в дальнейшем полагать, что указанные силы парал лельны. Это допустимо в рассматриваемом случае, так как в адсорбере поток воздуха направлен вниз и совпадает с направлением силы тяжести. Видно, что условия срыва и последующего увлечения воздухом пыли, находящейся на стенках каналов, при лами нарном потоке оказываются наиболее жесткими, так как именно вблизи стенок канала скорость течения воздуха является минимальной, и ее значение близ ко к нулю. Поэтому для отрыва частиц требуются достаточно большие средние скорости воздуха в ка _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 117 нале V. В каналах же с переменным сечением, каки ми являются каналы рассматриваемого фильтра, в местах расширения скорость еще более падает, и ре ализуются условия, при которых пыль может накап ливаться на стенках. Для частиц пыли с относитель но большой площадью поверхности необходимо учитывать силы, связанные с разностью давления воздуха вблизи стенки канала и в его центре, кото рые могут способствовать отрыву частиц и включе нию их в движение в воздушном потоке. В ламинар ном режиме на начальном этапе пылевая фракция движется, ускоряясь по прямолинейному отрезку ка нала, длина которого составляет около (d⋅h)1/2, и на нее, в основном, действует сила увлечения, направ ленная вдоль канала. Как мы отмечали, ее величина зависит от разницы скоростей воздуха и частицы, поэтому она уменьшается по мере роста скорости последней. Скорость и ускорение частицы связаны интегродифференциальными уравнениями: V  τ = V 0A∫ 0 τ α  t dt ; (1) α  t = F S m = 18 μ V r−V  τ  4δ2 ρ , (2) где V(τ) – вектор скорости частицы в момент τ; А – некоторая константа; α(t) – вектор ускорения части цы, зависящего от времени; m – масса частицы; ρ – плотность частицы; Vr – вектор скорости воздуха в точке r канала. Для упрощения этого выражения можно ввести некоторую феноменологическую дли ну свободного пробега частицы данного сорта ℓi, ко торая будет определяться как радиусом и длиной ка нала, так и размером и плотностью пыли. Тогда τi будет равно времени жизни частицы i-го сорта в данном состоянии, и сила FS может быть представ лена как величина, зависящая лишь от скорости воз духа в канале. Видно, что ускорение возрастает при уменьшении диаметра частицы ∝ 1/ δ2, и поэтому крупные фракции увлекаются воздухом слабее, чем мелкие, и им требуется большая длина пробега для приобретения той же скорости, что и малым части цам. Отметим, что в относительно длинном канале и при бесконечной длине свободного пробега и те и другие приобретут в конечном итоге в рамках этого подхода одну и ту же скорость, равную скорости воздуха. Интересные выводы могут быть получены при учете того обстоятельства, что движение частиц пыли не является бесстолкновительным (видимо, этот случай уже реализуется при относительной концентрации пыли в воздухе > 1%). В этом случае возможна передача энергии и импульса от одной фракции частиц другой фракции, отличающейся размерами и скоростью, а также и длиной свободно го пробега. Используем известное приближение, ко торое реализуется в смеси газов с отличающимися молекулярными массами и заключается в равно распределении энергии по степеням свободы частиц с разными размерами и массами. Характерная общая температура T* такого газа частиц будет связана с их скоростью переноса, которая возникает под дей ствием потока воздуха. В силу турбулентного дви жения последнего, а также столкновений частиц со стенками каналов и между собой их движение ока зывается трехмерным, и частицы термализуются, приобретая некоторую эффективную температуру. В этом случае они могут удовлетворять известному распределению Максвелла, и их эффективная темпе ратура будет определяться выражением: T* ∼ mi Vi 2 / 3kB, (3) где Vi – средняя скорость частиц i-го сорта; kB – константа Больцмана. Тогда скорость частиц оказы вается равной Vi ∼ (kB T* / πδ3ρ)1/2. (4) Как видно, в этом случае средняя скорость ча стиц зависит от их размеров, и это приводит к ин тересному следствию, которое, видимо, должно про являться в сепарации частиц по размерам при их переносе в исследуемом фильтре, и что, как показа но ниже, действительно наблюдается в эксперимен те. Динамику частиц в области поворота канала определяет центробежная сила FI =(4/3)πδ3ρV2/R, где ρ – плотность материала, из которого состоят части цы пыли; V – скорость частицы; R – радиус канала, который можно приравнять на начальном этапе d/2. Более крупные частицы, для которых FI>FS , испы тывают соударение со стенками канала, что приво дит к появлению поперечной скорости относительно оси канала и к серии последующих столкновений. Учитывая, что стенки канала, построенные из ци линдрических поверхностей, имеют отрицательную кривизну относительно центра канала, возникает эффект, который характерен для биллиарда с такими же стенками и который вызывает существенное "запутывание" траекторий и их хаотизацию, вне за висимости от наличия турбулентного движения воз духа. Отметим, что в общем случае наличие пыли в воздухе, как и в суспензиях, должно приводить к увеличению динамической вязкости смеси в согла сии с формулой Эйнштейна [6]. µсмеси = µ (1+(5/2)β), (5) где β – объемная доля примеси пыли. Кроме того, необходимо учитывать, что при на личии в смеси даже нескольких объемных процен тов пыли происходит существенное изменение сред ней плотности смеси по сравнению с плотностью воздуха. Такая воздушно-пылевая смесь остается средой, для которой верны общие уравнения аэроди намики, что приводит к увеличению числа Рейнольдса пропорционально ее плотности Re ∝ ρ смеси. Это также сказывается на характере движения _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 118 воздушно-пылевых масс и приводит к определен ным особенностям в их переносе. 5. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ Отметим, что в указанной геометрии расположе ния гранул фильтра, отрицательная кривизна прояв ляется не только для поперечного, но и для продоль ного движения. При этом в силу запутывания траек торий всем этим частицам оказываются доступными клиновидные области с близким расположением стенок гранул, где и происходит потеря импульса и начинается эффективное собственное структурооб разование из пылевидной фракции. Последнее об стоятельство характерно для всех дисперсных си стем. Наиболее подвержены этому процессу круп ные частицы пыли, которые имеют наименьшую скорость и режим пролета их близок к молекулярно му, т.е. длина их свободного пробега превышает ха рактерные размеры канала фильтра. Это приводит к быстрому выбыванию этих частиц из процесса пере носа уже на его первых стадиях, что и реализуется в начальной области фильтра. Само же структурооб разование [3] обусловлено наличием большой избы точной свободной энергии в дисперсной пылевид ной фазе раздробленного материала. В исследуемом случае может происходить связывание частиц путем непосредственных (атомных) или фазовых кон тактов (см., например, [9]), что и снижает свобод ную энергию системы. В определенных случаях на начальном этапе могут быть важны и электростати ческие силы (см., например, [4]). Не останавливаясь на особенностях этого процесса, отметим, что непо средственные контакты характеризуются силой до 10-8 Н, фазовые контакты – 10-7 Н на один контакт [9]. Этих сил достаточно для создания относительно прочных структур. Как отмечалось выше, первыми в процессе структурообразования начинают прини- мать участие самые крупные из образующих пыль частиц. На них действуют относительно малые силы, и их скорости в пылегазовой среде также ока зываются самыми малыми. Структура, постро-енная из крупных частиц, является эффективным фильтром для частиц таких же размеров, и через нее возможен перенос воздуха с более мелкими пыле видными фракциями. При этом ввиду уменьшения характерного масштаба структуры центробежные силы оказываются существенно большими, отме ченный критерий выполняется уже для этих более мелких фракций и происходит их включение в структурообразование. По мере роста структуры происходит уменьшение радиуса канала R, по кото рому переносится воздушно-пылевая смесь. Это приводит к росту сопротивления протеканию возду ха. Конкретная зависимость ∆P от R определяется ламинарным или турбулентным характером тече ния, который для обсуждаемой структуры, видимо, является близким к турбулентному. 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ПЫЛИ Перенос дисперсной фракции в указанном выше смысле на определенной стадии подобен диффу зионному процессу, которому, однако, не может быть приписана зависимость от обычной температу ры. Роль эффективной температуры в этом случае, как отмечалось выше, играет кинетическая энергия, деленная на постоянную Больцмана кB. Коэффици ент диффузии в этом процессе имеет некоторый рас четный смысл. Выпишем формальным образом диф фузионные уравнения для зависимости концентра ции пыли вблизи границы фильтра и для диффу зионного потока J: ∂C ∂ t =D ∂2 C ∂ x2 , (6) J i=−D i ∂C i ∂ x C i V Fi , (7) где C – общая концентрация пыли, которая в общем случае возрастает со временем; Ci – концентрация пыли i-го сорта; координата x направлена внутрь фильтра; D – общий коэффициент диффузии; Di – коэффициент диффузии частиц пыли i-го сорта; VFi– скорость переноса частиц пыли i-го сорта под дей ствием обобщенной силы Fi. Скорость переноса мо жет быть иметь вид (см., например, [10]): VFi = Fi Di/ kBT*, (8) где Fi – сила увлечения частиц данного сорта, вве денная выше. Решение первого уравнения вблизи границы фильтра может быть записано как C  z =CZ =0 [1 −erfz ]=C Z=0 erfcz , (9) где erfz – "интеграл ошибок" Гаусса; z = (3)1/2 (x–1) / 2 (Dt)1/2 для рассматриваемого слу чая. Решение второго уравнения можно записать в виде распределения Гаусса для концентрации пыли: C(x) ∝ {Q0 / (π Di t)1/2} exp((x–x0)2/4Dit), (10) где Q0 = ∫ C(x,t)dx . При этом распределение смеща ется с указанной скоростью в глубь фильтра, т.е. x0 ∼ VFi t. Зависимость относительного распределения мас сы пыли, полученная в эксперименте в работе [2], приведена на рис. 3. Она построена по точкам изме рения суммарной массы пыли, оказавшейся в контейнерах и секциях адсорбера после окончания эксперимента, с применением метода кубических сплайнов и учетом градиентов распределения массы пыли при переходе между контейнерами и секция ми. Общее время продувания воздуха составило около 3,6 . 104 с. _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 119 Рис. 3. Распределение относительной пылевой мас сы в зависимости от расстояния от поверхности адсорбера (1 - экспериментальные данные в процен тах от полной массы пыли, введенной в адсорбер; 2 - расчет начального участка по уравнению (7)) Из данных (см. рис. 3) видно, что вблизи поверх ности адсорбера распределение пылевой массы хо рошо описывается диффузионным приближением (уравнение (7)) с некоторым общим коэффициентом диффузии D. В этой области, видимо, основной вклад в массовый состав дают частицы максималь ных размеров. Они заполняют структурные пустоты фильтра, и развивающийся затем структурообразую щий процесс приводит к участию в нем частиц меньших размеров и существенному уменьшению эффективного радиуса R каналов фильтра. Видимо, именно этот процесс оказывается главной причиной увеличения сопротивления потоку воздуха, который должен проявляться как в ламинарном, так и в тур булентном пределах. Как следует из рис. 3, в глубине адсорбера име ются два дополнительных максимума масс, которые могут быть связаны с переносом определенных фракций пыли, имеющих меньшие размеры частиц, чем в начальной области. Частицы, которые имеют малые размеры и для которых FI<FS, оказываются вынесенными в глубь адсорбера, и их перенос регу лируется сложным соотношением относительно сво бодного перемещения с возможностью агрегации на поверхности гранул фильтра и с последующим по вторным увлечением потоком воздуха. Такое движе ние в некотором смысле аналогично переносу газо вых фракций с различающимися молярными масса ми через газовую хроматографическую колонку [11]. В этом случае легкие фракции обладают большей скоростью переноса и проходят через нее быстрее. Именно такой характер переноса и де монстрирует экспериментальный результат [2]. Эти максимумы были промоделированы гауссовыми распределениями. Рис. 4. Распределение массы пыли вблизи первого пика: 1 – экспериментальные данные; 2 – моделирование На рис. 4 изображен вид первого пика относи тельного распределения массы пыли, полученного по экспериментальным данным, и расчетная кривая, которая хорошо аппроксимируется решением диф фузионного уравнения со следующими коэффициен тами: C1  x =C01 A1 w1π 2 exp−2  x−x01 w1  2 , (11) где С01 = 1,17 %; A1 = 24,12 % см; x01 = 4,91 cм; w1 = 3,0725 см. На рис. 5 представлен вид второго пика относи тельного распределения массы пыли, полученного по экспериментальным данным, и расчетная кривая, которая описывается следующим выражением: C2  x =C 02 A2 w2π 2 exp−2  x−x02 w2  2 , (12) где С02=0,9579 %; A2=18,422 % см; x02=16,341 cм; w2 = 6,8875 см. _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 120 Рис. 5. Распределение массы пыли вблизи второго пика: 1 – экспериментальные данные; 2 – моделирование Распределения имеют отличающиеся скорости переноса, а также эффективные температуры и сме щаются под действием сил увлечения воздухом. Из формул, приведенных в данной работе, можно найти взаимосвязь между относительными размера ми частиц, формирующих первый и второй пылевые максимумы, однако при этом необходимо сделать дополнительные предположения о характере рас пределения скоростей и приближений для механиз мов переноса, которые будут при этих оценках ис пользованы. В рамках диффузионного приближения получены значения коэффициента диффузии для на чального участка D ≈3,8⋅ 10–5см2/с. Для первого мак симума распределения пыли коэффициент диффу зии оказался равным D1 ≈ 3,29⋅ 10 –5 см2/с и для вто рого – D2 ≈ 1,647⋅ 10–4 см2/с. Видно, что эти коэффи циенты имеют значения существенно более мень шие – на 3-4 порядка, чем коэффициент диффузии атомов кислорода в воздухе при нормальных усло виях, и соответствуют диффузионному процессу в воздушно-пылевой смеси. 7. ОБСУЖДЕНИЯ И ВЫВОДЫ Как показано в данной работе, перенос пылевых масс в адсорбере регулируется достаточно сложны ми физическими процессами, которые включают в себя особенности, связанные с динамикой воздуш ного потока, воздушно-пылевых смесей и взаимо действий пылевых частиц между собой и с элемен тами структуры фильтра. Введенные в работе физи ческие критерии оценки для характерных механиз мов переноса пылевых фракций в зависимости от их размеров, скорости движения и размеров каналов, позволяют получить количественные характеристи ки фильтрующих элементов для эффективной очистки газов от высокодисперсной пыли опреде ленного размера. Показаны физические механизмы, приводящие к особенностям распределения пылевой массы при ее проникновении в адсорбер. Интересно, что в случае динамического удара воздуха возможен процесс разрушения указанной пылевой структуры, когда силы динамического на пора превышают силы, определяющие ее прочность. Это еще один из критериев стабильности системы. При этом возникает увлечение в движение крупных фрагментов пылевой структуры, и они, сталкиваясь со стенками, оказывают иной, так называемый «пес коструйный», эффект, когда кинетическая энергия частиц оказывается больше работы, необходимой для преодоления сил адгезии. Фильтр очищается от пылевых отложений, которые там накопились. В ре зультате этот процесс может приводить к резким выбросам пыли из адсорбера. Этот вид саморазру шения структур может также ограничивать умень шение каналов фильтра при эксплуатации в режиме постоянного потока воздуха, когда при мере суже ния каналов возникает большой градиент давления воздуха и существенно вырастает его скорость. Это приводит к достижению указанного критерия ста бильности системы, и дальнейшее «зарастание» ка налов прекращается. Работа выполнена в рамках Программы проведе ния фундаментальних исследований по атомной науке и технике ННЦ ХФТИ. ЛИТЕРАТУРА 1.Л.И. Федорова, П.Я. Полтинин, Л.В. Карнацевич, М.А. Хажмурадов, С.О. Лысцов, В.В. Тесленко, Ю.Л. Коврижкин. Влияние усадки и механического износа адсорбента на аэродинамические параметры угольных адсорберов типа АУ-1500 систем вентиля ции АЭС //Атомная энергия. 1999, т.82, в. 4, с. 279–283. 2.И.М. Неклюдов, Л.И. Федорова, П.Я. Полтинин, Л.В. Карнацевич. Влияние особенностей накопления пылевой угольной фракции в слое адсорбента на рост аэродинамического сопротивления угольных йодных фильтров систем вентиляции АЭС //Вопро сы атомной науки и техники. Серия «Физика радиа ционных повреждений и радиационное материало ведение (84)». 2003, №6, с. 65–70. 3.Н.Б. Урьев. Физико-химическая динамика дис персных систем //Успехи химии. 2004, т. 79, №1, с. 39–62. 4.Е.В. Фортов, А.Г. Храпак, В.И. Храпак и др. Пыле вая плазма //УФН. 2004, т. 174, №5, с. 495–544. 5.Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. М.: «Наука», 1987, 840 с. 6.Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика сплошных сред. М.: ГИТТЛ, 1953, 788 с. 7.Н.З. Френкель. Гидравлика. М.: «Госэнергоиздат», 1956, 456 с. 8.А.М. Колмогоров. О логарифмически нормальном распределении размеров частиц при дроблении //ДАН СССР. 1941, т. 31, №2, с. 99–101. 9.П.А. Ребиндер. Избранные труды. Поверхност ные явления в дисперсных системах. Физико-хими ческая механика. М.: «Наука», 1979, 244 с. 10.Дж.П. Старк, Диффузия в твердых телах. М.: «Энергия», 1980, с. 240. 11.А. Кейлеманс Хроматография газов. М.: ИЛ, 1959, 320 с. _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 121 ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСІВ ПЕРЕНОСУ І СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ ЗА УЧАСТЮ ДИСПЕРСНОЇ ВУГІЛЬНОЇ ФРАКЦІЇ В АДСОРБЦІЙНИХ ФІЛЬТРАХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦІЇ АЕС О.П. Леденьов, І.М. Неклюдов, П.Я. Полтінін, Л.І. Федорова Проведено дослідження переносу вугільної повітряно-пилової суміші в гранулярній структурі адсорбційного фільтра при надходженні її з приповерхнього шару. З'ясовано фізичні причини розподілу мас пилу по глибині адсорбера, що приводять до аномального росту його аеродинамічного опору. Отримано кількісні характеристики фільтруючих елемен тів, необхідні для ефективного очищення повітря від високодисперсного пилу. FEATURES OF PROCESSES OF CARRY AND STRUCTURIZATION WITH PARTICIPATION OF DIS PERSE COAL FRACTION IN ADSORBENT FILTERS OF NPP’s VENTILATION SYSTEMS O.P.Ledenev, I.M. Neklyudov, P.Ya. Poltinin, L.I. Fedorova The research of carry of a coal air - dust mix in granulation to structure of adsorbent filter is carried out at receipt of a mix from a surface layer. The physical reasons of distribution of weights of a dust on depth of the adsorber, resulting to abnormal growth of his aerodynamic resis tance are found out. The quantitative characteristics of filtering elements necessary for effective clearing of air from very disperse dust are re ceived. _________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 115-121. 122
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80398
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-11-29T11:41:59Z
publishDate	2005
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М. Полтинин, П.Я. Фёдорова, Л.И. 2015-04-17T16:35:24Z 2015-04-17T16:35:24Z 2005 Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС / О.П. Леденёв, И.М. Неклюдов, П.Я. Полтинин, Л.И. Фёдорова // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 115-121. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80398 519 711 Проведено исследование переноса угольной воздушно-пылевой смеси в гранулярной структуре адсорбционного фильтра при поступлении её из приповерхностного слоя. Выяснены физические причины распределения масс пыли по глубине адсорбера, приводящие к аномальному росту его аэродинамического сопротивления. Получены количественные характеристики фильтрующих элементов, необходимые для эффективной очистки воздуха от высокодисперсной пыли. Проведено дослідження переносу вугільної повітряно-пилової суміші в гранулярній структурі адсорбційного фільтра при надходженні її з приповерхнього шару. З'ясовано фізичні причини розподілу мас пилу по глибині адсорбера, що приводять до аномального росту його аеродинамічного опору. Отримано кількісні характеристики фільтруючих елементів, необхідні для ефективного очищення повітря від високодисперсного пилу. The research of carry of a coal air - dust mix in granulation to structure of adsorbent filter is carried out at receipt of a mix from a surface layer. The physical reasons of distribution of weights of a dust on depth of the adsorber, resulting to abnormal growth of his aerodynamic resistance are found out. The quantitative characteristics of filtering elements necessary for effective clearing of air from very disperse dust are received. Работа выполнена в рамках Программы проведения фундаментальных исследований по атомной науке и технике ННЦ ХФТИ. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС Особливості процесів переносу і структуроутворення за участю дисперсної вугільної фракції в адсорбційних фільтрах систем вентиляції АЕС Features of processes of carry and structurization with participation of disperse coal fraction in adsorbent filters of NPP’s ventilation systems Article published earlier
spellingShingle	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС Леденёв, О.П. Неклюдов, И.М. Полтинин, П.Я. Фёдорова, Л.И. Материалы реакторов на тепловых нейтронах
title	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС
title_alt	Особливості процесів переносу і структуроутворення за участю дисперсної вугільної фракції в адсорбційних фільтрах систем вентиляції АЕС Features of processes of carry and structurization with participation of disperse coal fraction in adsorbent filters of NPP’s ventilation systems
title_full	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС
title_fullStr	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС
title_full_unstemmed	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС
title_short	Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС
title_sort	особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции аэс
topic	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
topic_facet	Материалы реакторов на тепловых нейтронах
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80398
work_keys_str_mv	AT ledenevop osobennostiprocessovistrukturoobrazovaniâsučastiemdispersnoiugolʹnoifrakciivadsorbcionnyhfilʹtrahsistemventilâciiaés AT neklûdovim osobennostiprocessovistrukturoobrazovaniâsučastiemdispersnoiugolʹnoifrakciivadsorbcionnyhfilʹtrahsistemventilâciiaés AT poltininpâ osobennostiprocessovistrukturoobrazovaniâsučastiemdispersnoiugolʹnoifrakciivadsorbcionnyhfilʹtrahsistemventilâciiaés AT fedorovali osobennostiprocessovistrukturoobrazovaniâsučastiemdispersnoiugolʹnoifrakciivadsorbcionnyhfilʹtrahsistemventilâciiaés AT ledenevop osoblivostíprocesívperenosuístrukturoutvorennâzaučastûdispersnoívugílʹnoífrakcíívadsorbcíinihfílʹtrahsistemventilâcííaes AT neklûdovim osoblivostíprocesívperenosuístrukturoutvorennâzaučastûdispersnoívugílʹnoífrakcíívadsorbcíinihfílʹtrahsistemventilâcííaes AT poltininpâ osoblivostíprocesívperenosuístrukturoutvorennâzaučastûdispersnoívugílʹnoífrakcíívadsorbcíinihfílʹtrahsistemventilâcííaes AT fedorovali osoblivostíprocesívperenosuístrukturoutvorennâzaučastûdispersnoívugílʹnoífrakcíívadsorbcíinihfílʹtrahsistemventilâcííaes AT ledenevop featuresofprocessesofcarryandstructurizationwithparticipationofdispersecoalfractioninadsorbentfiltersofnppsventilationsystems AT neklûdovim featuresofprocessesofcarryandstructurizationwithparticipationofdispersecoalfractioninadsorbentfiltersofnppsventilationsystems AT poltininpâ featuresofprocessesofcarryandstructurizationwithparticipationofdispersecoalfractioninadsorbentfiltersofnppsventilationsystems AT fedorovali featuresofprocessesofcarryandstructurizationwithparticipationofdispersecoalfractioninadsorbentfiltersofnppsventilationsystems

Особенности процессов и структурообразования с участием дисперсной угольной фракции в адсорбционных фильтрах систем вентиляции АЭС

Репозитарії

Схожі ресурси