|
|
СТАТЬЯ
|
| 31.03.2014, 08:20 |
Применение физических закономерностей в решении экологических проблем
Алибекова А.О. преподаватель физики и математики
Акмолинская обл., Ерейментауский р-н, Тургайское отделение
КГУ «Агротехнический колледж № 8»
Для развития познавательного интереса учащихся к физике и
физическим закономерностям в предлагаемой статье обосновывается
их значимость и применение при решении экологических проблем.
Экологизация знаний - объективный процесс развития наук в эпоху все возрастающего воздействия человека на природу, она затрагивает все области знаний, что естественным образом должно отражаться и во всех учебных дисциплинах школьной и вузовской программах, и прежде всего, в физике- фундаментальной науке о природе.
Необходимость предотвращения все возрастающих экологических проблем требует повышения эффективности природо-охранительных мер, таких, как сокращение вредных выбросов, развитие и внедрение безотходных технологий, совершенствования методов борьбы с загрязнением окружающей среды и др.
В системе мер, направленных на сокращение вредных выбросов, важное место занимают очистные сооружения, в том числе и различные газоочистки, принцип действия которых основан на тех или иных явлениях и законах физики. Чтобы обосновать это утверждение предлагаем перечень простейших типов –пылеуловителей, основанием для названия которых стали физические процессы , управляющие их действием [1]:
• пылеуловители с использованием сил тяжести (пылеосадительные камеры, бункера предварительного улавливания крупной пыли);
• инерционные пылеуловливатели, использующие силы инерции при повороте газового потока, жалюзийные пылеуловители и др.;
• центробежные пылеуловители, основанные на действии центробежных сил инерции (циклоны одиночные и батарейные);
• рукавные фильтры, основанные на фильтрации запыленного газа через ткани;
• действие мокрых пылеуловителей основано на смачивании пыли водой и ее осаждение в виде шлама (мокрые циклоны, скрубберы и др.);
• электрические пылеуловители, действие которых основано на использовании электрических сил притяжения и др.
Вопрос учащимся: «Почему такое многообразие пылеуловителей?»
Многообразие типов пылеуловителей обусловлено широким спектром их назначения.
Выбор того или иного пылеуловителя зависит от многих факторов: -крупности пыли, - влажности газов, - производительности, - степени очистки газа, - температуры, т.е. от физических параметров рассматриваемых объектов и закономерностей их взаимодействия в данных ситуациях. Например, при использовании мокрых пылеуловителей необходимы водоочистные и обезвоживающие сооружения для шлама, что усложняет и удораживает процесс, а улавливание пыли в рукавных фильтрах ограничивается температурой выпускаемого из фильтра воздуха (на 15-20ْС выше точки росы).
Одним из наиболее эффективных способов пылеулавливания, как установили ученые - практики, является фильтрование газов через пористые перегородки. Почему? Обсуждение «за» и «против» преимуществ и недостатков, развивая критическое мышление, навыки анализа, синтеза идей, гипотез, способствует активизации познавательной деятельности учащихся.
Таким образом, установлены преимущества: высокая степень очистки, возможность улавливания твердых частиц в сухом и мокром воздухе; улавливание крупной и мелкой пыли при малой концентрации; возможность применения автоматизации, простота эксплуатации, а также недостатки: необходимость систематической регенерации, высокий расход энергии из-за большого сопротивления осадка и фильтрующей перегородки, усложнение улавливания аэрозолей, содержащих ядовитые и радиоактивные вещества и др.
Напомним что действие всех перечисленных явлений и процессов связаны с теми или иными физическими закономерностями и явлениями, а именно, при проникновении частиц через фильтрующие перегородки происходят следующие физические процессы:
• броуновское или тепловое движение высокодисперсных частиц, в результате чего мелкие частицы больше смещаются с линии тока и осаждаются на поверхности перегородок;
• гравитационное осаждение под действием силы тяжести при прохождении через фильтр;
• электрическое осаждение, в силу взаимодействия электрически заряженных частиц с перегородкой (фильтром);
• эффект инерции, когда частицы по инерции движутся к препятствию, не огибая его, в потоке газа;
• эффект касания, когда частицы пыли движутся на расстоянии, меньшем собственного радиуса, от пылеулавливающих волокон перегородки и т.д.
Далее, мы предлагаем рассмотреть вопросы влияние этих факторов на процесс осаждения частиц и выяснить в результате, что существенное влияние на процесс осаждения частиц оказывают следующие факторы: размеры частиц и их плотность, пористость фильтрующего слоя, размеры волокон, скорость газового потока, наличие электрических сил и др. И вполне очевидно, что эффективность пылеулавливания должна быть функцией многих параметров:
Д, St, R, G, К, Re)
где Д, St, R, G, К, Re – безразмерные параметры осажденных частиц соответственно за счет диффузии, инерции, касания, седиментации, электрических сил, числа Рейнольдса.
Выявление параметров, от которых зависит эффективность улавливания пыли, часто производится экспериментально в виде аналитических или графических зависимостей. Полагаем интересным привести данные о степени значимости различных параметров [1]:
1. Определяющим в общей эффективности очистки является эффект касания. Коэффициент захвата частиц при действии фактора касания не зависит от скорости потока.
2. Захват частиц за счет диффузии увеличивается с уменьшением их размеров и скорости течения потока.
3. Эффективность пылеулавливания за счет инерции возрастает с увеличением скорости потока и размеров частиц, а также с уменьшением размеров волокон (нитей).
Отметим, что вероятность столкновения частиц пыли с волокнами (в пределах действия закона Стокса) определяется величиной [2]:
где – радиус частицы, м; плотность газа; скорость газа; вязкость, ; а –размер нитей, м; – поправка на скольжение, равна 90 при 2r=0,003 мкм, при 2r=1 мкм, с=1.
Учеными установлены и другие физические факторы, влияющие на эффективность пылеулавливания, например:
- захват частиц гравитационным осаждением усиливается при горизонтальном расположении нитей и движении потока перпендикулярно к нити. размер волокон;
- с повышением температуры газа увеличивается эффективность улавливания мелких частиц, но уменьшается улавливание крупных частиц, повышается сопротивление фильтра;
- скорость газов различно влияет на эффективность осаждения: с увеличением скорости хуже улавливаются мелкие частицы (2r<0,3 мкм), но лучше улавливаются крупные;
- с уменьшением давления скорость диффузного осаждения увеличивается и эффективность пылеулавливания возрастает.
Приведенные факторы обусловлены тем, что протекание газа через пористую перегородку подчиняется закону Пуазейля:
где - объем газа,
- радиус капилляра,
коэффициент пропорциональности ( ),
разность давления на концах капилляра ( ),
время фильтрации,
вязкость газа
длина капилляра
Как известно, наиболее распространенными пылеуловителями являются циклоны. Рассмотрим принцип их действия.
Пылеулавливание в циклонах
Циклоны относятся к инерционным пылеуловителям которые используются для улавливания пыли в поле центробежных сил (рис.3).
Выделение частиц пыли в циклонах происходит под действием центробежной силы в процессе вращения газового потока в корпусе аппарата. Запыленный газ входит в циклон через тангенциальный патрубок и, приобретая вращательное движение, опускается винтообразно вниз вдоль стенок цилиндра и конуса.
Наибольшая часть этого потока, в котором сконцентрированы пылевые частицы, движется в непосредственной близости от стенок циклона и поступает через пылеотделяющее отверстие в пылесборочный бункер, где происходит осаждение и накопление пыли. Из центральной зоны циклона газовый поток, освобожденный от пыли, поднимается вверх и удаляется через выхлопную трубу.
Эффективность очистки в циклоне в значительной степени зависит от его размеров, так например, центробежная сила, отбрасывающая частицы к стенкам обратно пропорциональна радиусу R циклона:
Здесь масса частицы, скорость ее движения.
С целью увеличения пропускной способности аппарата часто циклоны устанавливаются параллельно группами. Число циклонов ограничено из-за трудности равномерного распределения газа между
ними. Опытным путем установлено, что число циклонов в группе не должно превышать 8.
При необходимости обеспыливания значительных объемов газа, более 5500 для достижения высокой степени улавливания пыли устанавливают группу циклонов небольшого диаметра- так называемые батарейные циклоны. Они состоят из больших параллельно установленных циклоновых элементов, объединенных в одном корпусе для подвода и отвода газов, и общего бункера для сбора пыли. Различные типы циклонов широко применяются для сухой и мокрой очистки газов, в основном как первая ступень очистки, на тепловых электростанциях, асфальтобетонных заводах, на различных металлургических предприятиях и т.д.
Как нам представляется подробная экологизация курса физики, обогащение ее содержания за счет акцента значимости физических закономерностей в решении важных для каждого человека задач, должно способствовать развитию познавательного интереса к физике в целом.
Литература.
1. Лигай М.А. Формирование экологических знаний в курсе физики. Екатеринбург, УГПУ., 1993, 129 с.
2. Савельев И.В. Курс физики том 1., М. АСТ, 2003.
|
|
Категория: Физика и математика | Добавил: Arai
|
| Просмотров: 1005 | Загрузок: 0
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
|
