Aerosol particle filtration in the fibrous filters at the presence of external electric field. I. Theoretical model

• Autorzy: Podgórski A. , Luckner H.J. , Gradoń L. , Wertejuk Z.

Warianty tytułu

PL

Filtracja cząstek aerozolowych w filtrach włókninowych w obecności zewnętrznego pola elektrycznego. I.Model teoretyczny

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents theoretical analysis of aerosol particles filtration in a dielectric fibrous filter placed in a external electric film. The real complex geometrical structure of the filter is approximated by a staggered model consisting of sequence of several elementary layers. Each layer is then considered as parallel connection of unit cells with the cylindrical collector in the centre. Relative arrangement of the subsequent layers is such that collectors form a hexagonal array, that is the distance from a chosen fibre to each of six closet neighbours in the same. The gas flow pattern in the porous space of the filter was described using an approximate analytical solution of the Stokes problem of transverse flow past the row of equal, parallel circular cylinders (corresponding to the elementary filtrating layer of our geometrical model). Such a method accounts to same extent for the effect of neighbouring fibres on the flow field and pressure drop but it is limited to the viscous regime (fluid inertia negligible) which is typically obeyed for air filtration in fibrous filters. Unit cell deposition efficiency for deterministic mechanism (i.e., inertial impaction, sedimentation, electrostatic attraction) was calculated by integration of particles equation of motion and then by iterative searching for the limiting trajectories. For the stochastic mechanism of Brownian diffusion a semi-empirical dimensionless correlation was used to compute a single cell deposition efficiency. The combined efficiency of elementary layer due to both - deterministic and stochastic - kinds of mechanisms was calculated assuming that they operate independently. Additionally, the deposition efficiency was corrected by the particle adhesion probability term being dependent on the particle kinetic energy at the moment of collision with a collector. Finally, the total filter efficiency of the multilayer structure was determined numerically as a function of various process parameters.

PL

Przedstawiono analizę teoretyczną filtracji aerozoli w dielektrycznym filtrze włókninowym umieszczonym w zewnętrznym polu elektrycznym. Złożona struktura geometryczna filtru została aproksymowana modelem przestawnym, składającym się z sekwencji elementarnych warstw. Każda z warstw stanowi równoległe połączenie komórek elementarnych z cylindrycznym kolektorem w środku. Względne rozmieszczenie sąsiednich warstw jest takie, że włókna tworzą siatkę heksagonalną, tzn. że odległości od wybranego włókna do każdego z sześciu najbliższych mu kolektorów są takie same. Pole przepływu gazu w porowatej strukturze filtru opisano opierając się na przybliżonym rozwiązaniu analitycznym zagadnienia Stokesa przepływu przez rząd równoległych, cylindrycznych włókien (co odpowiada elementarnej warstwie modelu geometrycznego filtru). Metoda ta uwzględnia w pewnym stopniu wpływ sąsiednich kolektorów na pole przepływu i spadek ciśnienia, choć jej zastosowanie ogranicza się do zakresu przepływu pełzającego (pomijalna jest bezwładność płynu). Takie warunki są zwykle spełnione podczas filtracji powietrza w filtrach włókninowych. Sprawność depozycji w komórce elementarnej dla mechanizmów deterministycznych (tj.zderzenia bezwładnościowego, sedymentacji i przyciągania elektrostatycznego) została wyznaczona poprzez całkowanie równań ruchu cząstki i iteracyjne poszukiwanie trajektorii granicznych. Dla stochastycznego mechanizmu dyfuzji brownowskiej wykorzystano półempiryczną korelację do wyznaczenia sprawności komórki elementarnej. Łączną sprawność dla elementarnej warstwy obejmującą deterministyczne i stochastyczne mechanizmy depozycji, obliczono przy założeniu, że mechanizmy te działają niezależnie. Ponadto sprawność depozycji była korygowana o czynnik prawdopodobieństwa adhezji, zależny od energii kinetycznej cząstki w momencie zderzenia z włóknem. Ostatecznie całkowitą sprawność filtracji w filtrze złożonym z wielu elementarnych warstw obliczano numerycznie dla różnych wartości parametrów procesowych.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Chemicznej i Procesowej Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Inżynieria Chemiczna i Procesowa
• Rocznik: 1998
• Tom: T. 19, z. 4
• Strony: 865--889
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Podgórski A.

• Department of Chemical and Process Engineering, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland

autor

Luckner H.J.

• Military Institute of Chemistry and Radiometry, Warsaw, Poland

autor

Gradoń L.

• Department of Chemical and Process Engineering, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland

autor

Wertejuk Z.

• Military Institute of Chemistry and Radiometry, Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] KREAMERH.F., JOHNSTONE H.F., Ind. Eng. Chem., 1955, 47, 2426.
• [2] NATANSON G.L., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1957, 112, 100.
• [3] NATANSON G.L., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1957, 112, 696.
• [4] HAVLICEK V., Int. J. Air Water Poll. 1961, 4, 225.
• [5] ZEBEL G., J. Colloid Sci., 1965, 20, 522.
• [6] KIRSCH A.A., J. Aerosol Sci., 1972, 3, 25.
• [7] STENHOUSE T., Filtration and Separation, 1974, 11, 25.
• [8] NIELSEN K. A., HILL J.C., Ind. Chem. Eng. Fundam., 1976, 15, 149.
• [9] HENRY F., ARIMANH., J. Aerosol Sci., 1981, 12, 91.
• [10] HENRYF., ARIMANH., J. Aerosol Sci., 1981, 12, 137.
• [11] BANKS D.O., HALL M.S., KUROWSKI G. J., J.Aerosol Sci., 1983, 14, 87.
• [12] BANKS D.O., KUROWSKI G. J., Aerosol Sci. Technol., 1990, 12, 256.
• [13] BROWN R.C., Air Filtration. An Integrated Approach to the Theory and Applications of Fibrous Filters, 1993, Pergamon Press, Oxford.
• [14] TAMADAK., FUJIKAWA H., Quart. J. Mech., 1957, 10, 423.
• [15] MIYAGI T., J. Phys. Soc. Japan, 1958, 13, 493.
• [16] KIRSCH A.A., STECHKINA I.B., [in:] Fundamentals of Aerosol Science, D.T.Shaw (Ed.), 1978, New York, Wiley.
• [17] PODGORSKI A., GRADONL., J. Aerosol Sci., 1992, 23, 753.
• [18] TIEN C, Grannular Filtration of Aerosols and Hydrosols, 1989, London, Butterworths.
• [19] GOLDSTEIN S., Proc. Roy. Soc. A, 1929, 123, 216.
• [20] KLYACHKO L., Otopl. i Ventil., 1934, 4, 3.
• [21] POHL H.A., [in:] Electrostatics and its Applications, 1973, New York, Willey.
• [22] GENTRY J.W, LIU N.C, [in:] Aerosol Inhalation: Recent Research Frontiers, J.C.M. Marijnissen, L. Gradon (Eds.), Dordrecht, Kluwer, 1995, 205.
• [23] GENTRY J.W, GEBHART J., SCHEUCH, J.Aerosol Sci., 1994.