مبانی ذرات معلق

مبانی ذرات معلق سمینار درس مالحظات زیست محیطی و بازیافت

مواد

دانشکده مهندسی مواد و متالورژی

فهرست مطالب1393 آذر 26 مبانی ذرات

2مع&لق

- مقدمه1- مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق 2(particulates)- دینامیک ذره-سیال3- روش های دانه بندی و اندازه گیری ذرات4- توزیع اندازه ذرات5- بازده جمع آوری6

مقدمه -1( ذرات معل&قparticulates :) ذرات بس&یار ری&ز جام&د ی&ا مای&ع ک&ه در ی&ک گاز یافت

می شوند و همچنین ذرات جامد نامحلول بسیار کوچک که در یک مایع وجود دارند.

( هواوی&زaerosol :) ذرات معل&ق موجود در هوا ب&ا قط&ر موث&ر زی&رμm1000 با نام ( دود مثال: می شوند. )smokeهواوی&ز شناخت&ه مه ،)fog & mist( ریزگرد ،)haze غبار ،)

(dust.)

:از هوا شامل ذرات محدوده بررس&ی ذرات برای حذف انجام شده های تالش μm 100-1 از ت&ر ت&ه نشین شده )بدون μm 100 اس&ت. زیرا ذرات درش&ت ب&ه س&رعت

از ریزت&ر ذرات مقاب&ل در و دایم μm 1انتشار( معل&ق ک&ه پایدارن&د هوا در قدر آ&ن (permanent suspension.در نظر گرفته می شوند )

:شیوه نام گذاری

1393 آذر 26 مبانی ذرات 3مع&لق

PM10Particulate matter with a diameter less than or equal to 10 micrometers.

مقدمه -1:تقسیم بندی بر اساس منبع


انسانیطبیع&ی

وزش بادخاکستر و گازهای

آتشفشانیآتش سوزی جنگل ها

گرده ها و آلرژن های هوا

کارخانه ها و نیروگاه ها

وسایل نقلیه

ضایعات انسانی

...

مقدمه -1:تقسیم بندی بر اساس خاستگاه

:تقسیم بندی های علمی

اولیه

ثانویه


انتشار مستقیم از یک فرآیند

(NOx, SOx, VOCsنتیجه ی واکنش های شیمیایی در اتمسفر )

بر اساس اندازه دانه

بر اساس نرخ ته نشینی

مقدمه -1:ویژگی های ذرات معلق

،هنگام&ی که ی&ک ماده جامد ی&ا مای&ع ب&ه صورت ذرات معل&ق در هوا منتشر می شودخواص و اثرات&ش می توان&د دس&تخوش تغیی&ر شود. ذرات کوچ&ک ب&ه خاط&ر سطح زیادشان )ص&رفنظر از ترکی&ب شیمیای&ی( تمای&ل دارن&د ت&ا ب&ه ص&ورت فیزیک&ی یا

شیمیایی با دیگر ذرات و یا گازها ترکیب شوند.

( ری&ز بس&یار و μm 0.1-0.001ذرات ب&ه عنوان جوانه زا عمل کرده می توانن&د )میعان بخار آب را تسهیل و در نتیجه تشکیل مه را ترغیب می کنند.

( 3-2ذرات درشت تر μm که نیمی از ذرات معلق در هوای شهرها را تشکیل- ) را جذب SO2می دهن&د- می توانن&د ب&ه مخاط نفوذ کرده و مواد شیمیای&ی مض&ر مانند

و یا منتقل کنند.

.اندازه دانه ذرات به مکانیسم تشکیل دهنده آن بستگی دارد


مقدمه -1:مکانیسم های تشکیل ذرات معلق در هوا

- سایش فیزیکی / پراکنش 1مکانیکی

- تولید ذرات ناشی از احتراق2

- جوانه زنی همگن3

- جوانه زنی ناهمگن4


- تبخیر قطرات5

مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2 فرآین&د جم&ع آوری/حذف ذرات از ی&ک س&یال شام&ل چهار مرحله

است:


- اعمال نیرو)ها(ی خارجی به 1منظور افزایش سرع&ت ذره و

جابجایی/هدایت آن به بخش جمع آوری/بازیابی

- نگهداری ذره در این بخش با 2نیروهای کافی و جلوگیری از بازگشت آن به جریان سیال

- انتقال ذرات پس از انباشته 3- استقرار نهایی ذرات4شدن

مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2:مکانیسم ها


انباشت گرانشی(Gravity settling)

گریز از مرکز(Centrifugal action)

برخورد و رهگیری اینرسی(Inertial impaction and interception)

جذب الکترواستاتیک(Electrostatic attraction)

ترموفورز و دیفوزیوفورز(Thermophoresis and diffusiophoresis)

حرکت براونی(Brownian motion)

مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Gravity settling-انباشت گرانشی )1

پیمودن مس&یری طوالن&ی برای ت&ه نشی&ن شدن تدریج&ی ذرات تحت نیرویگرانش.


مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Centrifugal action-گریز از مرکز )2

.حرکت دورانی گاز حاوی ذرات معلق در یک سیکلون


مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Inertial impaction and interception-برخورد و رهگیری اینرسی )3

:عدم تمایل به تغییر مسیر حرکت.اینرسی :برخورد ذرات درش&ت ب&ا الیاف فیلت&ر ب&ه خاط&ر اینرسی برخورد اینرس&ی

زیاد.


fiber

inertial impaction

streamlines (air moving trajectory)

مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Inertial impaction and interception-برخورد و رهگیری اینرسی )3

:عدم تمایل به تغییر مسیر حرکت.اینرسی :جذب ذرات ری&ز توس&ط الیاف فیلت&ر ب&ه خاط&ر اینرسی رهگیری اینرس&ی

کم.


fiber


inertial interception

مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Electrostatic attraction-جذب الکترواستاتیک )4

:شامل سه مرحله اساسی-حذف غبار جمع شده3-جمع آوری ذرات 2-باردار کردن ذارت 1


باعث شدی&&د الکتریک&&ی میدان اطراف گازهای شدن یونیزه یون های مثبت در و الکترود شده الکترود ب&ه سمت مس&یر حرک&ت با همراه ذرات ب&ا کننده جم&ع را آن ها و برخورد هوا جریان

باردار می کنند. سپس ذرات باردار شده، توس&ط الکترود جمع کننده

دریافت می شوند.

مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Thermophoresis and diffusiophoresis-ترموفورز و دیفوزیوفورز )5

:نیروی&ی اس&ت ک&ه در ی&ک س&یال بر اث&ر گرادیان دمایی بر نیروی ترموفورزانرژی ذره، ت&ر گرم س&مت در گاز مولکول های می شود. اعمال ذرات جنبش&ی بیشتری دارن&د و در نتیج&ه آ&ن را ب&ه س&مت س&ردتر هدایت می کنند.

( نیز شناخته می شود.Soret effect )اثر سورتاین پدیده به نام


مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Thermophoresis and diffusiophoresis-ترموفورز و دیفوزیوفورز )5

:نیروی&ی اس&ت ک&ه در ی&ک س&یال بر اث&ر گرادیان غلظتی نیروی دیفوزیوفورزذره، تر غلی&&ظ س&&مت در گاز مولکول های می شود. اع&مال ذرات بر تر رقی&ق س&مت ب&ه را آ&ن نتیج&ه در و کرده ایجاد بیشتری برخوردهای

هدایت می کنند.


مکانیسم های جمع آوری ذرات معلق -2(Brownian motion-حرکت براونی )6

به باع&ث معل&ق ذرات ب&ا گاز مولکول های اتفاق&ی و نامنظ&م برخوردهای وجود آمدن حرکت براونی در آن ها می شود.

حرک&ت بروانی احتمال برخورد ذرات معل&ق با الیاف فیلت&ر و یا قطرات آبرا افزایش می دهد.


diffusional deposition


fiber

موثر بر روی ذرات 1-0.1بسیار ریز )

μm)

حرکت نفوذی ذرهمعلق مستقل از

جریان سیال

دینامیک ذره-سیال -3:نیروهای آیرودینامیکی

:جسم پرنده


(Vجهت حرکت )

پیشران(Thrust)

پسا(Drag)

برا(Lift)

وزن(Weight)

دینامیک ذره-سیال -3:نیروهای آیرودینامیکی

:)جسم در حال سقوط )قانون استوکس


( ت

رک ح

تجه

V)

پسا(Drag)

وزن(Weight)

دینامیک ذره-سیال -3( نیروی پساDrag force:)

و ذره یک بی&ن س&رعتی اختالف هرگاه س&یال اطراف آ&ن وجود داشت&ه باش&د، یک ذره روی توس&ط سیال مقاومت&ی نیروی اعمال می شود. ای&ن نیروی مقاومت&ی پسا

نام دارد.

ب&ه صورت کرات در شرایط&ی ک&ه ذرات ثاب&ت در جریان آشفته ب&ا س&رعت ص&لب از پسا نیروی شون&د، گرفت&ه نظ&ر در )قانون است محاس&به قاب&ل زی&ر رابط&ه

پسای نیوتن(:


212D p DF A C

(Drag coefficientضریب پسا )


تخمین ضریب پسا: از محاس&بات اس&توکس در شرای&ط جریان آرام، نیروی پس&ا مطاب&ق زی&ر به

دست می آید:

و معادله ای&ن وس&یله ب&ه اس&ت. مشهور اس&توکس قانون ب&ه معادل&ه ای&ن عدد کم مقادی&ر در را پس&ا می توان ضری&ب نیوت&ن قانون ب&ا آ&ن مقایس&ه

( تخمین زد:Re<2رینولدز )


3D pF d

22 22

2 3 62 24 24Re

4

p pD

Dpp p p

d dFCdA A d


تخمین ضریب پسا:


24Re

DC

0.6

18.5Re

DC

0.44DC

برآوردهای تجربی


تخمین ضریب پسا:


24Re

DC

0.6

18.5Re

DC

0.44DC

Re DC



Re DC

3D pF d

2 1( )8

D pF d

24Re

DC

0.6

18.5Re

DC

0.44DC

1.4 0.6 0.42.31 ( ) D pF d

20.055 ( ) D pF d

Stock’s law

Intermediate law

Newton’s law

دینامیک ذره-سیال -3(سرعت حدی انباشتTerminal settling velocity:)


(1 )

0

R B D

f D

f D f D

D

D

F F F Fdm mf m f Fdt

d m F Ff f fdt m m md Ffdt m

Ffm



DFfm

2 1( )8

D pF d

234 ( )

p p

fd d

112

1

4[ ]3

p pfd



2

18

p pfdStock’s law

Intermediate law

Newton’s law

0.71 1.14 0.71

0.43 0.29

0.153

p pf d

0.51.74( )

p pfd

- روش های دانه بندی و اندازه گیری ذرات4 ،هزینه ب&ه توج&ه ب&ا ک&ه دارد وجود ذرات بندی دان&ه برای مختلف&ی روش های

سرعت و هدف و... انتخاب می شوند. توس&ط سرندهای ک&ه روش هاس&ت تری&ن معمول از یک&ی فیزیک&ی بندی دان&ه

استاندارد انجام می شود. برای اندازه گیری واق&ع گرایان&ه ذرات بای&د اندازه، شک&ل و چگال&ی آن ها را در

( م&ی aerodynamic sizingنظ&ر گرفت. ب&ا اس&تفاده از دان&ه بندی آیرودینامیک&ی )توان ب&ه ای&ن مقص&ود رس&ید. تنه&ا ب&ا دانس&تن اندازه آیرودینامیک&ی ذره می توان به چگونگی رفتار آن در جریان سیال و ابزار کنترل الزم برای جمع آوری آن ها پی

برد. ذرات با قطر آیرودینامیکی یکسان رفتار مشابهی دارند.


pa p p cd d C

(Cunningham correction factorضریب تصحیح کانینگهام )

- روش های دانه بندی و اندازه گیری ذرات4:روش های اندازه گیری ذرات عبارتند از

)... ،استفاده از میکروسکوپ )نوری، الکترونیشمارشگرهای نوریآنالیزور الکتریکی هواویزکالسیفایر ذرات ریز باهکوایمپکتورهاطیف بینی همبستگی فوتونی


- روش های دانه بندی و اندازه گیری ذرات4


روش شمارنده کولتر

- روش های دانه بندی و اندازه گیری ذرات4


روش تفرق اشعه لیزر

- توزیع اندازه ذرات5:استفاده از جدول


- توزیع اندازه ذرات5:ویا استفاده از مفاهیم آماری زیر


iXXn

2( )1

iX Xs

n

میانگین حسابی

انحراف معیار

نمودار توزیع فراوانی

Xتوزیع نرمال ss

- بازده جمع آوری6 در ی&ک واح&د جم&ع آوری ذرات معل&ق بازده عبارت اس&ت از تعداد یا جرم ذرات

جمع آوری شده نسبت به جرم ذرات ورودی:


particles collected( ) 100particles enteringNE

inlet loading - outlet loading( ) 100inlet loading

E

بازده عددی

بازده جرمی

- بازده جمع آوری6 میکرونی است و 100 ذره 100 میکرون&ی و 1 ذره 100مثال: یک گاز حاوی

200 می باشد. چون در مجموع 99 و %90بازده جدای&ش آ&ن ه&ا به ترتی&ب % ذره آن جدا شده است پس می نویسیم:99+90ذر ه داریم و


90+99( ) 100 94.5%200NE

6

6

90(1) + 99(10 )( ) 100 99%100(1) + 100(10 )

E


با تشکر از توجه شما

Engineering

مبانی ذرات معلق