При разработке конструкций воздухоохладителей, работающих в условиях инееобразования в электрическом поле,
одной из важных задач является оптимизация параметров, влияющих на процесс инееобразования на теплообменной поверхности.
В целях выявления возможности моделирования процесса осаждения инея (для условий охлаждения или осушения среды)
проведен численный анализ времени осаждения заряженных капель (частиц) водяного пара монодисперсного состава на теплообменную поверхность
в зависимости от их размеров, параметров электрического поля, диаметра проволочных элементов коронирующего электрода, а также от
начальной скорости движения воздушного потока. Исследовано одномерное движение заряженных сферических частиц малого диаметра,
подверженных действию электрического ветра и электрического поля коронного разряда, индуцированного системой электродов типа
ряд проводов-плоскость. Предполагается, что частицы перемещаются в движущемся со скоростью v0 потоке воздуха, обусловленном
одинаково направленными электрическим ветром и воздушным потоком вдоль оси y при стоксовом законе сопротивления. В таком случае,
считая движение частицы безынерционным, пренебрегая действием силы тяжести, пондеромоторной силы и предполагая, что напряженность
Е электрического поля направлена по оси у, уравнение движения частицы в проекции на ось ординат можно записать следующим образом [1]:
Fку - Fсу = 0, (1)
где Fку - удельная сила Кулона, Н/кг; Fсу - сила сопротивления среды Н/кг;
причем
Fку = qуд Еу (2)
где qуд - удельный заряд частицы, Кл/кг; Еу - напряженность электрического поля, В/м;
(3)
где μ - динамическая вязкость воздуха, Па · с; а - радиус частицы, м; ρ1 - плотность частицы, кг/м3; v - скорость движения частицы, м/с; v0 - скорость потока воздуха, м/с;
v = dy/dτ. (4)
тогда из 1...4 получим
dy/dτ = v0 + Еуqуд /С, (5)
где С = 9μ/(2а2ρ1).
Для системы электродов ряд проводов-плоскость на силовой линии напротив провода х = 0 распределение напряженности имеет вид [1]:
(6)
где U - напряжение между проводом и плоскостью; R0 = sh2πHd-1; H и d - соответственно расстояние от провода до плоскости и между проводами, м.
Обозначения размеров d, H, r0 системы электродов ряд проводов-плоскость приведены на рис. 1:
r = sh2πd-1(H-y); (7)
(8)
где U0 - начальное напряжение электрического поля, В.
Зависимость между обобщенными параметрами вольтамперной характеристики I* · (y),
где
в виде графика дана в [2].
Разделив переменные в уравнении (5) и проведя интегрирование с учетом формул (6)...(8), получим время τ, в течение которого частица преодолевает путь Н от провода до плоскости:
(9)
Для ряда значений параметров частицы и воздушного потока (μ= 18 · 10-6 Па · с, ρ1 = 103 кг/м3), а также электрического поля
(E= 5,0 · 105...1,0 · 106 В/м) на основе формулы (9) проведено математическое моделирование процесса перемещения частицы под действием электрического ветра и силы Кулона. Согласно приближенной формуле Маршалла [3]
q = 2 · 10-5a2,
Рис.1. Система электродов ряд проводов - плоскость
где a - радиус частицы,
а удельный заряд
Как показывают эксперименты, скорость электрического ветра увеличивается вместе с ростом напряженности электрического поля и в области значений E = 5,0·105...1,0·106 В/м за теплообменной поверхностью воздухоохладителя составляет 0,5... 1,5 м/с.
Если принять скорость воздушного потока на входе в охлаждающий прибор равной 1 м/с, то результирующая скорость электрического ветра и воздушного потока v0 при средней напряженности поля E, равной 5,0·105 и 1,0·106 В/м, будет составлять соответственно 1,5 и 2,5 м/с. Результаты расчетов приведены на рис. 2.
Рис.2. Зависимость между расстоянием у, которое проходит частица, от времени τ:
1...4 - Е = 5,0·105 В/м; v = 1.5 м/с; 5...8 - Е = 1.0·106 В/м; v = 2.5 м/с; а = 0.05 мкм - 1, 3, 5, 7; a= 0.5 мкм - 2, 4, 6; r0 =0,1 мм - 1, 2, 5, 6; r0= 0.2 мм - 3, 4, 7, 8; qуд = 0.096 Кл/кг - 1, 3, 5, 7; qуд = 0,0096 Кл/кг - 2, 4, 6, 8.
Как показывает анализ полученных зависимостей, время перемещения частиц к теплообменной поверхности прибора охлаждения с увеличением диаметра частиц с 0,05 до 0,5 мкм снижается примерно вдвое. Аналогичная картина наблюдается при увеличении средней напряженности поля с 5,0·105 до 1,0·106 В/м, т. е. время перемещения частиц также уменьшается вдвое.
В то же время увеличение радиуса проволочных элементов с 0,1 до 0,2 мм лишь незначительно снижает время осаждения частиц. Таким образом, в рассматриваемом диапазоне конструктивных и технологических параметров системы электродов ряд проводов-плоскость наиболее значительная зависимость времени перемещения частиц в межэлектродном пространстве (между генерирующим электродом и теплообменной
поверхностью прибора охлаждения) отмечается по напряженности электрического поля (4).
Список использованной литературы:
1. Физические основы электросепарации /А.И. Ангелов, И.П. Верещагин, В.С. Ершов и др./ Под. ред. В.И. Ревнивцева. - Недра, 1983. - 271 с.
2. Контроль и регулирование влажности воздуха в камерах холодильников /В.Ф. Лебедев, Б.С. Тихонов, В.В. Русанов, Б.С. Бабакин: Обзорн. информ. - М.: АгроНИИТЭИММП. 1990. - 28 с.
3. Мучник В.М., Фишман Б.Е. Электризация грубодисперсных аэрозолей в атмосфере. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 42 с.
4. Семенов Е.В., Бабакин Б.С., Еркин М.А. Движение заряженных капель воды в воздушном потоке под действием электрического поля // Электронная обработка материалов. - 1989. - №1 - С. 36-37
