当尘粒受机械力作用以 v 0 初速度作水平运动时,由于气体的阻力,尘粒呈减速运动,可用下式表达尘粒的运动规律:
尘粒运动的末速度 v 为
尘粒在时间 t 内运动的距离为
式中 τ ——非稳态尘粒在连续流体系运动的弛豫时间(s);
d c ——尘粒的直径(m);
ρ c ——尘粒的密度(kg/m 3 );
μ ——气体的动力黏度(Pa·s)。
在气固两相流动中,引起尘粒碰撞凝聚的作用力分为三类:
1)流体给予的作用力,如分子扩散、湍流扩散、流体曳力等;
2)尘粒间的相互作用力,如库仑力、毛细吸附力等;
3)外力,如静电力、磁场、声力、重力等,尘粒还可以被液滴或液膜粘附聚集而被分离。
单个尘粒通过凝聚趋于形成尘粒聚集体,并最终因重量不断增加而沉降;聚集体成长得越大,沉降得越快。
尘粒沉降速度为
式中 v s ——尘粒沉降速度(m/s);
ρ c ——尘粒密度(kg/m 3 );
ρ g ——气体密度(kg/m 3 );
g ——重力加速度(m/s 2 );
d c ——尘粒直径(m);
C D ——气体阻力系数,其值与尘粒与气流间相对运动Re数有关。
通常在通风除尘工程中,Re≤1时,则 C D =24/Re,代入式(2-10),可得简化式:
非稳态尘粒在连续流体系运动的弛豫时间为
粒径微细的尘粒乘以肯宁汉修正因子,对球形尘粒则为
式中 m c ——粒子质量(kg);
C ——肯宁汉修正因子,见表2—6。
尘粒以一定的初速度 v 0 运动,当气流90°转向后,尘粒仍会沿原运动方向先前运动,因前进气流阻力作用而减速直至停止的距离 X s (单位为m)为:
式中 v 0 ——颗粒运动的初始速度(m/s);
τ ——尘粒的弛豫时间(s),见式(2-12);
C ——肯宁汉修正因子。
表2—6 肯宁汉修正因子(在20℃、101325Pa空气中)
惯性碰撞效应可用惯性参数或斯托克斯数(St)表征:
式中 D c —— d c 尺度的颗粒物向前运动遇到的碰撞体尺寸,圆形为直径,其他形状一般取最短。
对于球形捕集体的惯性碰撞效率,可用下式近似推算:
采用改变气流方向对较粗尘粒实施含尘气体除尘就是利用了惯性碰撞原理。
尘粒处于旋转气流中时,自身将产生离心力作用,脱离旋转流向外部运动,离心力 F 1 (单位为Pa)可表示为
式中 v t ——尘粒的切线速度,可以近似认为等于该点气流的切线速度(m/s);
r ——旋转半径(m)。
离心力与速度的二次方呈正比,因此离心力作用要比重力或惯性碰撞力作用大得多,比较适宜用于对较粗尘粒的预除尘,旋风除尘器就是利用了该分离机理。
在含尘浓度高条件下,可以采用离心力机理的旋风除尘器、惯性除尘器做预除尘,尤其是对于防治含尘烟气的高温尘粒对滤袋产生热破坏作用的效果较佳。
含尘气体中的尘粒在含尘气流中运动,除垂直运动受自身重力作用外,水平运动主要依靠气流的推动力,这个推动力就是气流力 P (单位为Pa),可表示为
式中 μ ——气体动力黏度(Pa·s);
ω ——气流速度(m/s)。
在除尘技术中,一般认为设计的含尘气流速度就是尘粒速度,本质上说,尘粒尺度越小随气流运动的能力越强,粗尘粒由于受到自身重力、离心力作用会脱离水平气流,因此利用该机理在除尘设备中去除大尘粒,该机理同时也提示大尘粒在除尘系统管道中易发生沉积。
尘粒在电场中荷电后,荷电尘粒在电场内将受到静电力 F 作用
式中 q ——尘粒的荷电量(C);
E ——电场强度(V/m)。
尘粒荷电存在两种不同的荷电方式:电场荷电和扩散荷电。尘粒运动过程中与带电离子碰撞而荷电,称为电场荷电;因带电离子扩散现象导致尘粒荷电,称为扩散荷电。对 d c >0.50μm的尘粒,以电场荷电为主;对 d c <0.20μm的尘粒,则以扩散荷电为主; d c 介于0.20~0.50μm的尘粒则两者兼而有之。除尘技术中通常以电场荷电为主,电除尘或电袋除尘设备充分利用荷电尘粒产生的定向运动进行除尘。