Pliki do pobrania

Proces filtracji powietrza

Ten dokument wyjaśnia pojęcia, takie jak filtracja powietrza proces i mechanizmy filtracji. Są tutaj opisane podstawowe mechanizmy filtracji. Na końcu pokazany jest wykres wpływu mechanizmów filtracji i rozmiaru cząstek na wydajność osadzania pyłu w filtrze dokładnym drobnego pyłu.

PROCES FILTRACJI POWIETRZA (GAZÓW)

Zjawisko lub zespół zjawisk fzycznych, pod wpływem których cząstki aerozolowe są wydzielane ze strumienia powietrza (gazów), w którym są zawieszone, gdy przepływając znajduje się on w pobliżu powierzchni kolektorów (elementów filtracyjnych, np. włókien),

MECHANIZMY FILTRACJI

Zjawiska, z występowania których wynika separacja cząstek pyłu ze strumienia przepływającego powietrza (gazu) oraz zatrzymanie ich na powierzchni lub pomiędzy elementami filtracyjnymi (np. włóknami). Jako podstawowe mechanizmy filtracyjne najczęściej wymienia się:

  • dyfuzję (dyfuzję molekularną),

  • zderzenie bezwładnościowe (inercyjne),

  • zaczepienie,

  • osadzanie grawitacyjne,

  • oddziaływanie elektrostatyczne.

Proces oczyszczania gazu (powietrza) jest zatem wynikiem złożonego układu zjawisk działających w przestrzeni urządzenia filtracyjnego, sprzyjających usunięciu cząstek z gazu i osadzenia ich na powierzchni kolektora (włókna). Pozostając dostatecznie długo w obszarze działania różnorodnych sił i zjawisk, cząstki mogą osadzać się na powierzchni kolektora w wyniku bezpośredniego zderzenia lub mogą być do niego kierowane wskutek działania mechanizmów filtracyjnych. Mechanizmy te mogą oddziaływać pojedynczo lub w odpowiedniej kombinacji, przy czym działanie jednego z nich jest zawsze dominujące.

MECHANIZM DYFUZJI MOLEKULARNEJ

W miarę zmniejszania się średnic cząstek pyłu i ich masy, aż do osiągnięcia wielkości charakteryzujących cząstki gazu, ziarna w coraz większym stopniu będą podlegać prawom rządzącym kinetyką gazów. Cząsteczki gazu znajdując się w nieustannym ruchu będą uderzać w submikronowe ziarna (o średnicy <1 µm), wprawiając je w zygzakowate ruchy zwane ruchami Browna. Tory ruchu bardzo drobnych cząstek pyłu, przemieszczających się wraz ze strugami gazu i poruszających się dodatkowo ruchami Browna, mogą znacznie odbiegać od kształtu linii prądu, także w strefie opływu elementu filtracyjnego. Zderzenia cząsteczek gazu, poruszających się ruchami Browna, z cząstkami pyłu mogą spowodować wytrącanie najmniejszych ziaren pyłu ze strumienia gazu w kierunku elementów filtracyjnych. Poszczególne cząstki pyłu, znajdujące się w strudze gazu napływającego na element filtracyjny, będą miały różne możliwości zderzenia się z powierzchnią tego elementu. Znaczenie mechanizmu dyfuzyjnego jest szczególnie istotne dla cząstek submikronowych. Dla cząstek większych od 1 µm ruchy Browna słabną, przybierają formę drgań, a dla cząstek większych od 20 µm - stają się niezauważalne.

Ruch cząstek pyłu pod wpływem trzech mechanizmów filtracyjnych Proces filtracji powietrza

Mechanizmy filtracyjne: A - zaczepienie, B - zderzenie bezwładnościowe, C - dyfuzja molekularna

MECHANIZM ZDERZENIA BEZWŁADNOŚCIOWEGO

Przy przepływie zapylonego powietrza wokół elementów filtracyjnych, tory cząstek pyłu o większej masie i o dużej średnicy, nie są identyczne z liniami prądu. Cząstki takie opuszczają linie prądu i docierają do powierzchni elementu filtracyjnego (do włókna w warstwie filtracyjnej) poprzez warstwę przyścienną. Taki mechanizm osadzania występuje przy dużych prędkościach przepływu powietrza (1÷3 m/s) oraz dla cząstek o dużych wymiarach. Przy bardzo małej masie cząstek, ich niewielkiej średnicy (<1 µm) i niedużej prędkości przepływu (<1 m/s) prawdopodobieństwo zderzenia bezwładnościowego z powierzchnią włók- na może być niewielkie. Praktycznie dla cząstek o średnicy ≤ 0,2 µm i prędkości mniejszej od 1 m/s wpływ bezwładności na całkowitą skuteczność filtracji może być pominięty. Natomiast dla cząstek ≥1 µm mechanizm bezwładnościowy staje się jednym z najistotniejszych zjawisk w procesie filtracji.

MECHANIZM ZACZEPIENIA

Cząstka pyłu może zderzyć się z elementem filtracyjnym poruszając się także wzdłuż linii prądu gazu, a więc bez wpływu mechanizmu bezwładnościowego. Takie zjawisko, zwane mechanizmem zaczepienia, może zaistnieć w przypadku bardzo małych cząstek pyłu o niewielkiej gęstości, poruszających się z niewielkimi prędkościami, a więc wtedy, gdy zjawisko osadzania inercyjnego (bezwładnościowego) jest pomijalnie małe. W skrajnym przypadku mechanizmowi zaczepienia może podlegać cząstka, które zetknie się stycznie z powierzchnią elementu filtracyjnego. Skuteczność zatrzymania ziaren w wyniku zaczepienia wzrasta również wraz ze zwiększaniem się wymiarów cząstek. Na zwiększenie efektywności filtracji w przypadku, gdy dominującym zjawiskiem jest zaczepienie, najbardziej wpływa jednoczesne występowanie w materiale włókien o różnej grubości i wynikający stąd efekt przesłaniania.

MECHANIZM OSADZANIA GRAWITACYJNEGO

Zjawisko grawitacji ma znaczący wpływ na tory ruchu i prędkość poruszania się cząstki pyłu wówczas, gdy zapylony gaz przepływa przez warstwę filtracyjną z bardzo małą prędkością, a cząstki charakteryzują się dużymi średnicami. Grawitacyjne osadzanie na powierzchni elementu filtracyjnego może być zauważalne dla cząstek o wielkości 1 mm, jeśli będą one przepływały z prędkością mniejszą od 0,5 mm/s przez warstwę utworzoną z włókien o średnicy 10 µm.

MECHANIZM ODDZIAŁYWANIA ELEKTROSTATYCZNEGO

Na charakter ruchu cząstki pyłu w pobliżu elementu filtracyjnego, a więc także na prawdopodobieństwo zderzenia, wpływać mogą również siły elektrostatycznego oddziaływania zarówno pomiędzy samymi cząstkami, jak i między cząstkami a elementami filtracyjnymi. Gdy na układ cząstka-kolektor (włókno) nie działa zewnętrzne pole elektryczne, można rozróżnić następujące przypadki oddziaływania elektrostatycznego:

  • naładowany kolektor - naładowana cząstka,

  • naładowany kolektor - cząstka obojętna,

  • naładowana cząstka - obojętny kolektor.

Każda cząstka pyłu i kropla cieczy poruszająca się wraz z gazem może posiadać ładunki elektryczne. Ładunki te powstają zarówno w trakcie tworzenia się pyłów i mgieł, jak i w trakcie ich przenoszenia przez gaz oraz uderzeń o powierzchnię ciał stałych. W naturalnie naelektryzowanych aerozolach (pyłowo - gazowych i kroplowo - gazowych) istnieje na ogół równowaga ładunków dodatnich i ujemnych. Przewaga sumy ładunków jednego znaku nad sumą ładunków drugiego znaku nie przekracza 20%. O przewadze jednego z ładunków decyduje rodzaj materiału fazy rozproszonej, sposób jej powstawania i transportu. Natomiast na pojawianie się ładunku elektrostatycznego w materiale może mieć wpływ elektryczne ładowanie włókien filtru w wyniku:

  • tarcia przy przepływie gazu przez filtr (tryboelektryzacja),

  • styczności elektrycznie naładowanych cząstek z powierzchnią włókien,

  • zderzenia cząstek lub ich oderwania z powierzchni włókna,

  • elektrycznego naładowania włókien związanego z ich produkcją,

Wpływ mechanizmów filtracyjnych i wielkości cząstek pyłu na skuteczność osadzania pyłu w filtrze dokładnym wykonanym z włókien szklanych.Proces filtracji powietrza

Czytaj więcej