ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРИИ


Исследовательские работы по проверке теории обычно проводят с таким расчетом, чтобы выделить один из основных механизмов улавливания, хотя добиться этого довольно трудно. Только в последние годы в области экспериментирования были достигнуты большие успехи, так как появилась возможность создавать монодисперс- ные аэрозоли и применять электронную микроскопию для измерения субмикронных частиц.
Поэтому при рассмотрении экспериментов можно отбросить все данные двадцати летней давности, а новейшие эксперименты желательно сгруппировать по их характеру, а не в хронологическом порядке. Мы руководствовались в основном именно этим принципом.
Коэффициент проскока и размер частиц
На форму кривых зависимости коэффициента проскока от размера частиц влияют диаметр волокон, плотность упаковки, скорость потока, удельный вес частиц и другие параметры. Поэтому каждая кривая имеет свои особенности, определяемые характеристиками фильтра и условиями его эксплуатации.

Рис. 3.9. Зависимость коэффициента проскока через асбесто-шерстяной фильтр от размера частиц.


На рис. 3.9 изображена кривая, полученная при исследовании фильтрации частиц хлористого натрия через фильтр с асбесто-шер- стяными волокнами при скорости потока 4 см/сек. Коэффициент проскока метиленовой голубой через этот фильтр составляет около 5% (аэрозоли метиленовой голубой и хлористого натрия, которые обычно используются при стандартных испытаниях, являются полидис- персными; максимальный эквивалентный диаметр их около 1,5жж, медианный весовой диаметр 0,5—0,6 мкм). Эта кривая показывает характер изменения коэффициента проскока частиц различного размера. Экспериментальные и теоретические данные о размере частиц с максимальным проскоком совпадают.

Вероятно, наиболее интересными являются эксперименты по оценке изменения коэффициента проскока в зависимости от размера частиц при определенной скорости потока, особенно в тех случаях, когда диаметр частиц меньше 0,3 мкм. Хотя экспериментально и теоретически было установлено, что частицы большего размера хуже проникают через фильтр, чем частицы меньшего размера диаметром вплоть до 0,3 мкм, было очень много дискуссий о том, увеличивается ли коэффициент проскока частиц значительно меньшего размера вследствие возрастания интенсивности броуновского движения. Этот вопрос имеет большое значение в тех случаях, когда требуется обеспечить защиту от очень токсичных высокодисперсных частиц и мельчайших болезнетворных организмов. Например, размеры вирусов обычно лежат в пределах 0,01—0,2 мкм, и, если они остаются вирулентными в дисперсном состоянии, они могут представлять серьезную опасность. Фрейндлих привел данные о проникании высокодисперсных частиц хлористого дифениларсина через немецкий военный фильтр из тонкой бумаги при объемной скорости 30 л I мин (табл. 3.3).
Результаты Фрейндлиха подтвердил Грин [25] в опытах с фильтрами, состоящими из волокон размером 6 мкм, с использованием высокодисперсных аэрозолей мышьяка при скорости потока 6 см/сек. Для укрупнения частиц, чтобы их лучше было видно, он применял конденсационный метод Вильсона.
Экспериментируя с жидкими и полужидкими аэродисперсными системами на бумажных фильтрах, Ламер [26] не обнаружил частиц с максимальным коэффициентом проскока (минимальная скорость потока составляла 4 см!сек). Аналогичные результаты получили Лейн и др. [27], которые использовали монодисперсные жидкие аэрозоли, полученные в генераторе Синклера — Ламера [28]. Наименьший размер частиц в использованных аэрозолях составлял 0,3 мкм.
Чен [9] проводил свои эксперименты с монодисперсными аэрозолями, минимальный диаметр частиц которых составлял 0,15 мкм, используя стекловолокнистые слои со средним диаметром волокон мкм. При скоростях выше 4 см/сек он не установил размера частиц с максимальным коэффициентом проскока, однако при меньших скоростях такие частицы наблюдались. Чен полагал, что для бумажных фильтров критическая скорость должна быть менее 4 см/сек, тогда как для очень крупных волокон она будет выше.
Разрабатывая теорию диффузии, основанную на концепциях Фридлендера [30] о диффузионном пограничном слое, Торжесон [29] пришел к выводу, что его расчеты хорошо согласуются с ре-
^В. Высокоэффективная очистка воздуха              89
зультатами экспериментов Чена. Джиллеспи [31] в своей теоретической работе также предсказал существование размера частиц с максимальным коэффициентом проскока при потенциальном течении, причем максимум проскока под влиянием заряда на волокнах смещается в область более крупных частиц. Кроме того, он экспериментально установил, что небольшие заряды, имеющиеся в обычных условиях на волокнах, имеют чисто механическое происхождение.
Весьма тщательное экспериментальное исследование было проведено Томасом и Гаррисом [32], которые для определения коэффициента проскока полидисперсного полистиролового аэрозоля использовали электронную микроскопию проб до фильтра и после него. Исходный аэрозоль содержал частицы размером от 0,01 до I мкм, причем некоторая доля частиц была электрически заряженной. После пропускания исходного аэрозоля число нейтральных частиц на выходе из предфильтра значительно возросло. Результаты, полученные при скорости потока 11,6 см!сек, показали, что слоевые фильтры, улавливающая способность которых обусловливалась главным образом наличием в слое тонкодисперсных асбестовых волокон, имеют максимальный коэффициент проскока частиц диаметром 0,15 мкм независимо от того, проводилась или нет предварительная фильтрация исходного аэрозоля; причем коэффициент проскока был больше для аэрозоля, предварительно пропущенного через пред- фильтр. Когда же в качестве фильтрующей среды использовалась бумага из альфа-целлюлозы, то частиц с максимальным коэффициентом проскока при скоростях выше 13 см/сек обнаружить не удалось; однако при скорости 5 см/сек оба вида аэрозолей имели такие частицы. В предварительно отфильтрованном аэрозоле такими оказались частицы диаметром 0,2 мкм, а при пропускании исходного аэрозоля — частицы диаметром ОД мкм. Кроме того, было обнаружено, что на шерстяно-смоляных материалах максимально проникающими являются частицы диаметром 0,25 мкм. Дарлоу [33] показал, что при скорости 12 см!сек частицы диаметром 0,3 мкм легче проникают через бумажные фильтры, чем вирусы диаметром 0,03 мкм.
Дорман [34], используя полученные термическим путем аэрозоли, состоящие из частиц хлористого натрия диаметром менее 0,1 мкм, определил коэффициенты проскока различных материалов с помощью пламенного фотометра. Высокая точность этого метода позволила исследовать высокоэффективные фильтры. Измерения показали, что около 30% частиц в этих аэрозолях несут электрические заряды. Результаты опытов (табл. 3.4—3.6) свидетельствуют
об              уменьшении коэффициентов проскока частиц хлористого натрия по сравнению с коэффициентом проскока полидисперсного аэрозоля метиленовой голубой с медианным весовым диаметром частиц 0,5 мкм. Коэффициенты проскока аэрозолей метиленовой голубой и хлористого натрия при стандартных испытаниях можно ориентировочно сравнивать с коэффициентами проскока по монодисперсному аэрозолю с частицами диаметром 0,3 мкм. Коэффициент проскока





аэрозолей хлористого натрия бумажных фильтров при стандартных испытаниях примерно в два раза больше коэффициента проскока монодисперсного тумана диоктилфталата с частицами диаметром 3 мкм, который равен 0,01% при скорости воздушного потока 10 см!сек. Особенно показательны данные для бумажного фильтра из эспарто, свидетельствующие о быстром повышении коэффициента проскока при увеличении среднего размера частиц.
Даймент и др. [35] измерили коэффициенты проскока частиц хлористого натрия стекловолокнистых матов. Пробоотбор проводи- ли электропреципитатором, подсчет частиц и определение их размеров вели с помощью электронномикроскопических снимков. Они установили, что при скорости 2,5 см/сек максимальным коэффициентом проскока обладают частицы диаметром 0,15 мкм. При скорости 20 см/сек максимальный коэффициент проскока наблюдается для частиц диаметром около 0,13 мкм* Такое уменьшение размера час-

тиц при увеличении скорости значительно меньше теоретически ожидаемого*
Фицжеральд и Детвейлер [36] сообщили об экспериментах по изучению проскока полидисперсных аэрозолей перманганата калия через фильтровальные бумаги. Пробы, взятые на мембранные фильтры, изучались под электронным микроскопом. Было обнаружено, что при скорости 150 см/сек наибольшим коэффициентом проскока через ватман № 40 и № 41 характеризуются частицы диаметром 0,01—0,04 мкм\ при скорости 2—10 см/сек максимальный коэффициент проскока трех других бумаг принадлежал частицам диаметром 0,01—0,02 мкм. Этот размер частиц намного меньше тех размеров, о которых сообщали другие исследователи. Опубликованные фотоснимки мембранных фильтров показывают, что анализ, вероятно, был весьма трудным. Фицжеральд и Детвейлер [37] определяли также эффективность мембранных фильтров по аэрозолям перманганата калия, пробы в отфильтрованном воздухе отбирались мембранными фильтрами. Они обнаружили, что максимальный коэффициент проскока (не менее 76%) принадлежит частицам диаметром 0,02 мкм.
Meroy и Уиффен [38] подвергали аналогичным испытаниям такие же мембранные фильтры, но максимума проникания не обнаружили, хотя, по утверждению авторов, можно было легко определить коэффициент проскока до 0,1 %. Линдекин и др. [39] также определяли проникание частиц через ватман № 41, используя монодисперсные аэрозоли из частиц полистиролового латекса размером 0,088, 0,188, 264, 0,365 и 0,557 мкм и измеряя коэффициенты проскока методом светорассеяния. При скорости потока \0 см/сек максимальный коэффициент проскока принадлежит частицам диаметром 0,35 мкм, а при скорости 3,2 см/сек — частицам диаметром 0,19 мкм.
Весь этот экспериментальный материал показывает, что существует оптимальный для максимального коэффициента проскока размер частиц, который зависит от типа фильтра, плотности упаковки, диаметра волокон и скорости воздушного потока и, вероятно, в подавляющем большинстве случаев лежит в пределах от 0,1 до 0,3 ж м. Обычно при увеличении скорости воздушного потока и, следовательно, при уменьшении осаждения за счет диффузии максимальный коэффициент проскока смещается по направлению к частицам меньшего размера, а для фильтров с более крупными волокнами он наблюдается при более высоких скоростях.
Фильтрация через волокнистые материалы частиц диаметром I мкм. Очень мало работ посвящено изучению фильтрации частиц диаметром I мкм через обычные волокнистые фильтры, хотя такие размеры типичны для бактерий.
Терьесен и Черри [40] проводили эксперименты, используя в качестве фильтрующего материала слой минеральной ваты (стил- лита), а в качестве взвешенных частиц Bacillus subtilis. Минимальный коэффициент проскока, определенный их методом (по росту колоний спор диаметром I мкм), составил 0,0004% (табл. 3.7).

Данные по фильтрации через слой стиллита
Толщина слоя                            7,62 см
Скорость потока]                            30 см !сек
Плотность упаковки слоя              ...              0,1
Перепад давления               330 мм вод. ст.
Волокна диаметром lt;6 мкм . .              82%
lt;18 мкм . .              99%
Коэффициент проскока              Проскок не
обнаружен
Эти данные можно сравнить с результатами Сергисона [41], полученными на аэрозолях с частицами диоктилфталата диаметром мкм на стекловолокнистых фильтрах (табл. 3.8, 3.9).
Таблица 3.8
Данные по фильтрации через стекловолокно второго типа (см. гл. IV)
Толщина слоя                            4              см
Скорость потока                             11,2              см/сек
Плотность упаковки слоя                            0,07
Волокна диаметром:
lt;3 мкм                            50%
lt;7 мкм                            95%
lt;9 мкм                            99%
Коэффициент проскока (экстраполяция)              ....              0,01%
Коэффициент проскока по              метиленовой              голубой              0,9%
Таблица 3.9
Данные по фильтрации через слой стеклянных волокон третьего типа (см. гл. IV)
Толщина слоя . . .                                                         8              см
Скорость потока               11,2 см I сек
Плотность упаковки слоя                            0,07
Перепад давления              60 мм вод. ст.
Волокна диаметром: 6 мкм                            50% 9 мкм                             90% 11 мкм              *                            99%
Коэффициент проскока                             0,1%
Коэффициент проскока по метиленовой голубой 3%
Экстраполяцией было определено, что коэффициент проскока слоя толщиной 8см будет составлять 10~6% при АР=5мм вод. ст., а коэффициент проскока слоя толщиной 16 см будет 0,0001% при AP = 120 мм вод. ст.
На рис. 3.10 приведены результаты стандартных испытаний фильтров, снаряженных асбесто-целлюлозной и стекловолокнистой бумагой по аэрозолям хлористого натрия и спор (см. табл. 3.8 и 3.9).
Наиболее низкие значения коэффициентов проскока для аэрозоля хлористого натрия (10_3%) и для спор (10~5%) являются сред

ними величинами по результатам 30 опытов в каждом случае. Пето также проводил сравнение коэффициентов проскока для аэрозолей хлористого натрия и спор и установил определенную связь между ними. Эта взаимосвязь четко проявляется только при скоростях порядка см!сек.
Коэффициент проскока и скорость
Из теории фильтрации следует, что коэффициент проскока монодисперсных аэрозолей с увеличением скорости вначале должен увеличиваться, достигая максимума, а затем при дальнейшем росте скорости уменьшаться, так как возрастает влияние инерции. Чем меньше размер частиц, тем больше скорость, при которой коэффициент проскока достигает своего максимального значения.
Рамскилл и Андерсон [2] провели такие эксперименты на монодисперсных аэрозолях серной кислоты и диоктилфталата с частицами размером от 0,2 до 0,8 мкм, определяя коэффициенты проскока методом светорассеяния. Они отмечали сопротивление фильтра, средний диаметр волокон и изменение коэффициентов проскока при скоростях вплоть до 285 см/сек. Некоторые из полученных зависимостей коэффициентов проскока от скорости потока свидетельствуют о росте проникания и последующем неуклонном снижении, хотя другие кривые показывают только снижение коэффициента проскока.
При анализе полученных результатов авторы исходили из наблюдений Альбрехта [13] по образованию инея на проводах, в которых он установил, что величина смещения частицы в сторону от линии тока определяется выражением
X = I 230 г2р рр V.              (3.65)
Рамскилл и Андерсон показали, что X можно заменить расстоянием Kre, где ге — эффективный радиус волокна, а К определяется экспериментальным путем. По результатам анализа максимальное значение К составляет 0,56, в то время как Лэнгмюр установил, что инерционное осаждение частиц не происходит, когда К lt;С 0,54 при вязком течении. Вероятно, доводы Рамскилла и Андерсона чрезвычайно упрощены.

Джиллеспи [31] в своей рецензии на их работу высказал мнение, что в их уравнения необходимо ввести коэффициент срыва частиц. Он полагал, что при столкновении с волокном частицы не всегда остаются на нем. Это зависит от размера и скорости частиц, а также от их природы.
Дорман [42] попытался оценить относительное значение инерции, диффузии и зацепления в тех экспериментах Рамскилла и Андерсона, в которых в качестве аэрозоля использовались частицы диоктил- фталата диаметром 0,3 мкм. Исходя из основного уравнения фильт* рации [уравнение (3.26)], он предположил, что ут можно считать суммой трех компонентов, в которой эффект зацепления не зависит от скорости, диффузия зависит от у-1/*, а инерция — от Vz. Хотя изменение скорости должно влиять на характер обтекания волокон, предположение о том, что зацепление не зависит от скорости, приемлемо, по-видимому, для весьма широкого диапазона скоростей. Дорман считал, что
n = n0e-(G'vZ + D'v~U2+r\              (3.66)
где G', D' и /' — члены, учитывающие эффекты инерции, диффузии и зацепления. Введя в это уравнение коэффициент проскока К в процентах и убрав штрихи, получим
Ig К = 2 — Gvz — Dv-xI2 — I.              (3.67)
Было установлено, что это уравнение соответствует результатам Рамскилла и Андерсона в том случае, если Z = 2. Продифференцировав уравнение, получим
I dK              ,              Dv-V2
^3l^ = -2Gv + ~^--              (3-68)
При скорости Vp9 при которой коэффициент проскока достигает dK л
максимума, = 0, следовательно,
D = AGvbf2.              (3.69)
Подставив это значение D в уравнение (3.67), получим — IgAT = G(oa + 4i?/2iT1/2) + /.              (3.7t))
Если построить кривую зависимости 2 — Ig TC от многочлена, стоящего в скобках, то должна получиться прямая линия.
Значение устанавливают по отрезку, отсекаемому на координатной оси, a G и D рассчитывают по тангенсу угла наклона прямой. Затем определяют ут для каждого механизма фильтрации: инерционного — 2,36 Gu2, диффузионного — 2,3 Dv-1/* и зацепления — 2,3/.
На рис. 3.11 и 3.12 показана кривая зависимости коэффициентов проскока от скорости, полученная Рамскиллом и Андерсоном для фильтра марки Ji и прямая, построенная на основе этой кривой, с использованием уравнения (3.70). Результаты этих исследований

можно проанализировать также с помощью уравнения, в котором диффузия зависит от у~2/з. При этом полученные значения ут для каждого механизма не очень сильно отличались бы от тех значений, которые были вычислены при допущении зависимости диффузии от V-V2.
Последняя работа Дор- мана и Сергисона [43], посвященная прониканию частиц диоктилфталата через стекловолокнистые фильтры с волокнами диаметром I—10 мкм (содержание волокон диаметром lt;2,8 мкм составляет 50%), с плотностью упаковки от 0,01 до 0,07, показала, что диффузия оказывает влияние на осаждение частиц диаметром I мкм. Коэффициент проскока, измеренный фотометрическим методом по интенсивности рассеянного вперед света, увеличивается при более низких скоростях потока и начинает уменьшаться при скоростях порядка 10 см/сек.



Томас и Леппл [44] выполнили эксперименты на стеклянных волокнах различного размера (диаметры волокон, рассчитанные по величине средней удельной поверхности, лежали в пределах от 2 до 30 мкм) у используя аэрозоли с переохлажденными частицами диаметром около 3 мкм. Плотность упаковки находилась в пределах от 0,006 до 0,06, а скорость изменялась от I до 600 см!сек. Они построили графики зависимости ys для инерционного параметра К и параметра диффузии А/2vrf для волокон различного диаметра. Полу-

ченные кривые сближались при высоких значениях инерционного или диффузионного параметров, т. е. тогда, когда один из механизмов осаждения становился преобладающим.
Затем Томас и Леппл построили кривую, которая являлась асимптотой для целого ряда экспериментальных результатов, полученных при высоких значениях К и при rplrf = 0. Эта кривая начиналась с инерционного параметра К = 0,54, так как при меньших значениях K1 согласно Лэнгмюру, при отсутствии осаждения вследствие диффузии и зацепления улавливания частиц не происходит. Величина угла наклона указывает на то, что показатель фильтрации за счет инерции уе почти пропорционален V2y хотя Томас и Леппл на это не указывают. Рассматривая области диффузионного осаждения и полагая, что показатель фильтрации вследствие диффузии
f A Y
можно представить в виде уе = a I , они провели линию асимптоту к их экспериментальным кривым, для которой а = 0,87 и п = = 1/2. Однако они считали, что для этой ограничивающей кривой можно использовать п = 2/3, если значение коэффициента а будет находиться между 2 и 3. Было установлено определенное соответствие полученных результатов диффузионной теории Лэнгмюра, хотя величины уе почти в три раза превышали значения, предложенные Лэнгмюром.
Уонг и др. [45] оценивали проникание монодисперсных аэрозолей с частицами диаметром от 0,4 до 1,3 мкм через стекловолокнистые фильтры с плотностью упаковки от 0,045 до 0,098 при средних размерах волокон 3,51, 6,24 и 9,51 мкм. Коэффициенты проскока определялись весовым методом. Авторы работали при числах Рейнольдса от 0,038 до 1,39 и считали, что в этом случае диффузионным осаждением можно пренебречь. Их экспериментальные данные позволили установить критическое значение Ki ниже которого влияние инерции становится незначительным. Точное значение К определить было трудно, но вероятнее всего оно равно ~ 0,32. В то время как Рамскилл и Андерсон считали, что при К = 0,56 влияние инерции становится незначительным, Уонг и др. полагали, что при таком значении К инерционный эффект уже начинает становиться преобладающим фактором в осаждении. Кривые Уонга и др. для уе при Re = 0 были намного ниже, чем кривые, рассчитанные по уравнениям Девиса при Re = 0,2. Уонг и др. пришли к выводу, что Девис переоценил взаимодействие волокон. Их предположение, что влияние диффузии было незначительным и что его можно не принимать в расчет, оправдано только для высоких значений Re. Для более низких значений Re и мелких частиц оно, вероятно, ошибочно и ведет к завышению уе.
Коэффициент проскока и плотность упаковки
Исследование влияния плотности упаковки на эффективность улавливания было проведено Ченом [9]. Он определял коэффициенты проскока через слои стеклянных волокон с одинаковым диаметром
с плотностью упаковки от 0,015 до 0,08, используя монодисперсные аэрозоли и определенную скорость. Эффективность осаждения на одиночном волокне уе при плотности упаковки P определялась из уравнения, аналогичного уравнению (3.27). Затем строились кривые зависимости эффективности от соответствующих значений р. Чен ставил опыты с таким расчетом, чтобы в каждой серии опытов один из механизмов фильтрации можно было считать преобладающим.
Полученные данные характеризовались довольно значительным разбросом, Чен объяснял это неоднородностью волокнистых слоев и аэрозольных частиц. Ho на основе даже таких данных Чену все же удалось вывести следующее уравнение:
Y«3 = Y«o(l+/(P).              (3.71)
Он установил, что при любом преобладающем механизме осаждения значение К = 4,5 почти не изменяется.
Дорман и Сергисон [43] провели сравнение эффективностей осаждения частиц для трех механизмов улавливания при различных плотностях упаковки и при постоянной скорости 20,5 см/сек. Исходя из коэффициентов проскока стекловолокнистых слоев с плотностью упаковки от 0,01 до 0,07, определенных по частицам диоктил- фталата диаметром I мкм, они оценили влияние каждого механизма, использовав уравнения, аналогичные уравнению (3.67), причем для диффузионного осаждения принималось и~2/з; эффективность осаждения отдельными волокнами не определяли, а рассчитывали ут для фильтров с различными значениями р. Полученные результаты позволили вывести следующие уравнения:
Для эффектов инерции              Ym? = Ymo (I + ПОР),              (3.72)
диффузии              Ymp = YmO (I — 4р),              (3.73)
зацепления              у^ = ym0(l + ЗОР).              (3.74)
Изменение ут              для              эффекта зацепления с изменением р,              установ
ленное экспериментально, довольно хорошо совпадает с данными, рассчитанными по уравнению Лэнгмюра.
По теории Лэнгмюра ут для эффекта зацепления изменяется пропорционально APlvy где AP — сопротивление фильтра, v — средняя скорость воздуха внутри фильтра. По этой же теории для фильтров отношение ут при P = 0,01 к ут при P = 0,07 равно 0,46, а эксперименты показали, что это отношение равно 0,41.
Эффективность осаждения и концентрация пыли
Теория фильтрации не учитывает изменения эффективности улавливания частиц с изменением их концентрации. Действительно, изменение коэффициента проскока нельзя установить до тех пор, пока количество частиц в единице объема не станет настолько значительным, что произойдет заметная коагуляция еще до поступления аэрозоля в фильтр. Однако такие большие концентрации наблюдаются крайне редко при практическом применении высокоэффективных волокнистых фильтров. Наличие коагуляции в аэрозолях обычно ведет к повышению эффективности улавливания вследствие укрупнения частиц. Однако в аэродисперсных системах с высокой счетной концентрацией субмикронных частиц (размером порядка 0,2 мкм и меньше) в результате коагуляции могут образовываться более крупные частицы, обладающие максимальным проскоком. Поэтому целесообразно рассмотреть некоторые вопросы кинетики коагуляции.
В теории коагуляции Смолуховского [46, 47] принято допущение, что каждая частица имеет эффективный радиус коагуляции S (сфера поглощения). Допустим, что в единице объема дисперсной системы содержится п одинаковых частиц радиусом г и что слияние или слипание частиц происходит при соприкосновении поверхностей сфер радиусом 5. Тогда, согласно теории Смолуховского, можно написать ^ = 4лД5«2.              (3.75)
Коэффициент диффузии частиц А определяется уравнением
a = lt;4?v(1 + t)’              (3.76)
где R — газовая постоянная; T — абсолютная температура; rj —
вязкость газа; N—число Авогадро; + -г) — поправка Кен-
нингема, в которой А — константа, для малых частиц по расчетам Милликена [48] равная примерно 0,9; К — средняя длина пути свободного пробега молекул. Если учесть, что радиус 5 фактически равен радиусу частицы, то после интегрирования получим
Я— i = w (¦+?)'•              lt;3'77gt;
Взяв за основу это уравнение, Ламер и др. [49] определили продолжительность периода снижения первоначальной счетной концентрации вдвое (табл. 3.10).
Таблица 3.10 Время снижения счетной концентрации вдвое

Радиус частиц, мкм

Количество частиц
B I CMi

Время, сек

0,05

IO7

100

0,05

IO8

10

0,01

IO8

3


Из уравнений следует, что с увеличением степени монодисперсности аэрозолей скорость коагуляции уменьшается, а увеличение температуры вызывает рост скорости коагуляции. Экспериментальные данные по определению скорости коагуляции дают завышенные значения по сравнению с теоретическими. Это связано, по-видимому, с тем, что силы Ван дер Ваальса как бы увеличивают радиус частиц, эффективный для коагуляции.
Влияние процессов коагуляции на тонкодисперсные аэрозоли иллюстрируется данными табл. 3.6, из которых следует, что выдержка аэрозолей привела к увеличению размера частиц и последующему заметному росту коэффициента проскока частиц через фильтр.
Влияние пылевой нагрузки на коэффициент проскока и сопротивление фильтра
По мере накопления в фильтре осадка из твердых частиц эффективность фильтра возрастает, так как расстояния между волокнами уменьшаются и площадь поверхности фильтрующих элементов (волокон и уловленных частиц) становится больше.
Этот процесс протекает значительно интенсивнее в фильтрах, снаряженных подобными бумаге материалами, и медленнее при использовании толстых объемных или полуобъемных слабо уплотненных волокнистых слоев. Уловленные частицы вызывают увеличение сопротивления фильтра, хотя для некоторых фильтров характерно значительное улучшение эффективности улавливания еще до начала резкого возрастания сопротивления. Существенное значение имеет природа аэрозолей; аэрозоли с мельчайшими частицами вызывают значительно больший рост сопротивления, чем аэрозоли с более крупными частицами при одинаковом весе осадка. Следовательно, сравнительные результаты испытаний по забиваемости будут правильными только для определенных фильтров и аэрозолей.
Томас [50] на основании исследований забиваемости фильтра сажей предложил следующее уравнение:
t = A°-4n              (3.78)
где t — время увеличения сопротивления от AP0 до АР; А — площадь фильтра; К—коэффициент забивания; M — концентрация сажевого аэрозоля; Q — скорость потока. Коэффициент К зависит от характера распределения частиц сажи по размерам и природы материала.
Значительное количество экспериментов по исследованию забиваемости фильтров было выполнено в научно-исследовательском центре химической защиты с использованием полидисперсных аэрозолей твердых частиц с эквивалентным диаметром от 0,01 до 1,5 мкм на различных типах волокнистых фильтров. Полученные результаты показывают, что отношение АР/AP0 зависит от объема
уловленных фильтрами частиц и не зависит от скорости потока, по крайней мере при изменении-скорости в 4 раза. Аналогичная картина наблюдалась и в опытах на полидисперсных аэрозолях с медианным весовым диаметром частиц 2 мкм. Отдельные эксперименты с полидисперсными аэрозолями частиц метиленовой голубой и хлористого натрия при одинаковом распределении частиц по размерам показали, что возрастание сопротивления фильтра зависит от объема уловленных частиц, а различия в удельном весе (удельный вес метиленовой голубой примерно I г/см3, хлористого натрия примерно 2,2 г!см3) и в форме частиц, по-видимому, не оказывают влияния на скорость повышения сопротивления. Возможно, что все это верно для частиц, имеющих форму шара или куба, но не следует полагать, что это справедливо для частиц с иглообразной формой. В последнем случае сопротивление и эффективность фильтра растут быстрее при данном объеме уловленных в фильтре частиц.
Обычно в начальный период таких испытаний как с тонкими плотными, так и с глубокими рыхлыми слоями высокоэффективных материалов повышение сопротивления приблизительно пропорционально увеличению объема уловленных частиц, а кривая зависимости логарифма коэффициента проскока от объема уловленных частиц представляет собой почти прямую линию. Однако к концу срока службы материалов наблюдается быстрое повышение сопротивления при небольшом увеличении объема уловленных фильтром частиц.
Данные по сопротивлению, эффективности и забиванию фильтров из различных материалов приведены в гл. IV.
Аэрозоли, применяемые для испытания фильтров
Испытания фильтров желательно проводить по монодисперсным аэрозолям, чтобы, зная точные размеры частиц, можно было рассчитать эффективность. Однако в большинстве случаев при испытании фильтров используются полидисперсные аэрозоли и степень электрической заряженности этих частиц неизвестна. Вследствие этого очень часто бывает трудно сопоставлять результаты разных исследователей. При сравнительной оценке эффективностей фильтров необходимо эти данные рассматривать с учетом выбранного метода ис п ыта н и й.
Из зависимости эффективности от размера частиц, которая достаточно подробно обсуждалась в этой главе, следует, что в случае применения полидисперсных аэрозолей кривая распределения частиц по размерам для аэрозоля за фильтрами имеет более резко выраженный максимум, чем соответствующая кривая для исходного аэрозоля, причем форма кривой зависит от величины коэффициента проскока, степени однородности фильтрующего материала и степени полидисперсности исходного аэрозоля. Если за испытуемым фильтром установить такой же фильтр, то он будет иметь более низкую эффективность по частицам, выходящим из первого фильтра, так как в него будут поступать частицы, имеющие максимальный коэффициент проскока через подобные фильтрующие материалы.
При монодисперсном аэрозоле этого наблюдаться не будет, коэффициент проскока фильтров будет такой же, как у первого фильтра (при условии, что частицы не заряжены, в противном случае первый фильтр уловит сравнительно больше заряженных частиц).
Примеры испытаний. I. Аэрозоль для испытаний содержит частицы диаметром от 0,01 до 1,5 мкм. Фильтрующий материал — неплотная асбестовая бумага. Коэффициент проскока по весу при D — 4,5 см!сек через два листа равен 0,3%, при тех же условиях, но через четыре листа — 0,0025% При использовании монодисперс- ного аэрозоля с незаряженными частицами коэффициент проскока через два листа — 0,3%, через четыре листа — 0,0009%. Такой же аэрозоль, как и в первом примере. Фильтрующий материал — тонкая стекловолокнистая бумага. Коэффициент проскока по весу при V = 13 см!сек через один лист 0,1%, через два листа — 0,0005%.
Природа аэрозоля также оказывает влияние на величину коэффициента проскока. Частицы с большим удельным весом испытывают эффекты инерции при меньших диаметрах, чем частицы с малым удельным весом. В сажевом аэрозоле, хотя и содержатся в основном очень мелкие частицы, образуются агрегаты в виде цепочек, которые сравнительно легко отфильтровываются. Частицы игольчатой формы легче осаждаются в фильтре, чем сферические частицы с такой же массой. Поэтому при сообщении данных об эффективности необходимо указывать размер и природу частиц, скорость, при которой проводились испытания, степень электрической заряженности частиц и другие сведения.
В настоящее время значительный интерес представляет проблема высокотемпературной фильтрации. Кроме обычных экспериментальных трудностей для проведения испытаний при повышенных температурах требуется аэрозоль с минимальным давлением паров материала частиц при температуре испытаний. Например, при температуре выше 300° С упругость паров хлористого натрия такова, что определять коэффициент проскока методом пламенной фотометрии невозможно, хотя эта соль начинает плавиться при 800° С. В этом случае незначительное проникание пара эквивалентно коэффициенту проскока частиц в 1%.
<< | >>
Источник: Уайт П., Смит С.. Высокоэффективная очистка воздуха. 1967

Еще по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРИИ:

  1. Проверка теории
  2. 1#x2011;а (дополнительная). Несколько слов о методологии науки. Принцип актуализма, «Бритва Оккама» и презумпции. Проверка теории: верификации и фальсификации.
  3. 3. Типы квазиэкспериментальных и экспериментальных планов
  4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОРАНЖЕРЕЯ
  5. Экспериментальное нарушение популяци
  6. 3. Социология как логико-экспериментальная наука
  7. Колб и экспериментальное обучение
  8. 3. Некоторые экспериментальные исследования в школе К. Левина.
  9. Экспериментальное подтверждение межвидовой конкуренции
  10. Глава 111 РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПСИХОЛОГИИ И ЕЕ ПРИКЛАДНЫХ ОБЛАСТЕЙ
  11. В. Экспериментальная статика Архимеда
  12. 4. В поисках социальной солидарности: от теории разделения труда к теории религии
  13. Глава 6.Экспериментальный метод в социологии
  14. Экспериментальные исследования причин катастрофы