Использование природных особенностей систем очистки воздуха человека в конструкции электростатического фильтра

А. Г. Возмилов, И. М. Кирпичникова, А. С. Лаптев

 

Природа создала для живых организмов уникальную систему очистки воздуха, однако с развитием промышленности эта система уже не в состоянии справиться с существующим уровнем загрязненности. В связи с этим, создавая искусственные источники загрязнения, человек вынужден создавать и искусственные очистители воздуха, в которых широко применяются принципы бионики.

Бионика – наука, использующая природные особенности строения и жизнедеятельности живых организмов для создания новых приборов, механизмов, систем и т.д.

Нос и придаточные пазухи человека выполняют не только дыхательную, но и защитную функции, проходя через которые вдыхаемый воздух очищается от пыли. Крупные частицы пыли задерживаются волосками, растущими у входа в нос; большая же часть пылинок и бактерий проходит с потоком воздуха в извилистые носовые проходы и оседает на слизистой оболочке. Безостановочные колебания ресничек мерцательного эпителия способствуют выводу слизи с инородными телами из полости носа в носоглотку, после чего она отхаркивается или проглатывается. Бактерии, попавшие в полость носа, в значительной степени обезвреживаются веществами, содержащимися в носовой слизи.

За один вдох в нос человека поступает около 500 см3 воздуха. За одну минуту совершается 10...12 вдохов, т. е. за это время человек вдыхает порядка 0,006 м3 воздуха; за один час – 0,36 м3, за один день 8,63 м3, а за год эта цифра составит 3110,4 м3. Учитывая, что концентрация пыли в промышленных городах, таких как Челябинск, Магнитогорск и др., составляет 0,5...1,0 мг / м3 , за год в нос поступает около 3 кг пыли! А за всю жизнь?! Ведь легкие человека с их поверхностью в 30...80 м2, представляют собой орган, который прекрасно, без всякого отбора поглощает любые загрязнения, имеющиеся в воздухе.

В помещениях, где человек проводит большую часть своей жизни, преобладают частицы пыли и других аэрозолей размером 0,4...3,2 мкм. Они составляют 80,1...84,6 % всех загрязнений. Нос человека улавливает лишь небольшую часть таких загрязнений, в то время как частицы меньшего размера неизбежно оседают в легких человека, нанося огромный вред его здоровью.

Рассмотрим более подробно процесс осаждения частиц в носовой полости человека (рис. 1).

 

 Первичное осаждение частиц пыли происходит за счет резкого снижения скорости вдыхаемого воздуха. Согласно законам аэродинамики за равные промежутки времени через отверстие протекают одинаковые объемы воздуха, т. е. уравнение непрерывности имеет вид [1]

А1v1=А2v2 (1)

или

Аv=const,

где А1 – площадь входного сечения ноздри;

А2 - площадь сечения придаточных пазух;

v1- скорость потока воздуха в сечении A1;

v2 - скорость потока воздуха в сечении A2.

Скорость вдыхаемого воздуха в сечении A1 определяется по выражению

, (2)

где V- объем вдыхаемого воздуха; t- время.

Скорость v2 определяется

. (3)

Если принять, что А2» 2А1, то получим:

, (4)

т.е. скорость вдыхаемого воздуха при переходе его в сечение А2 снижается примерно в 2 раза.

При объеме вдыхаемого воздуха, равном 0,5 м3 за один вдох (принятый за 1 с.), скорость воздуха снижается с 3,33 м/с на входе А1 до 1,66 м / с в сечении А2.

Снижение скорости способствует снижению и динамического давления, что способствует оседанию частиц пыли в расширенной полости.

Течение потока воздуха носит как ламинарный, так и турбулентный характер. Создание турбулентных потоков вдыхаемого воздуха в полости носа необходимо для более эффективного его согревания и отделения присутствующих в нем инородных частиц за счет сил инерции, а также с помощью волосков и ресничек мерцательного эпителия.

Такие особенности дыхательной системы человека нами использованы при разработке конструкции электростатического фильтра (ЭСФ) для увеличения эффективности осаждения пылевых частиц.

ЭСФ представляет собой плоские осадительные пластины, выполненные из диэлектрического материала. На пластинах, перпендикулярно воздушному потоку, расположены дополнительные электроды, играющие роль ресничек и волосков. На осадительные пластины подается высокое напряжение, причем потенциальные пластины чередуются с заземленными. Принцип работы ЭСФ заключается в следующем. Частица пыли, имеющая естественный заряд, попадая в межэлектродный промежуток с воздушным потоком, оседает на той или иной осадительной пластине за счет сил, действующих в фильтре. Основной силой, действующей на частицу, в данном случае является пондермоторная сила, обусловленная неравномерным распределением напряженности электростатического поля Е [2].

, (5)

где e 0- диэлектрическая проницаемость

воздуха;

e - диэлектрическая проницаемость частицы;

а – размер частиц.

Эта неравномерность будет тем сильнее, чем больше дополнительных электродов будет на пластинах. Однако их количество ограничивается аэродинамическим сопротивлением фильтра. Кроме этого, дополнительные электроды способствуют увеличению турбулизации (завихрения) воздушного потока, что приводит к неизбежности столкновения частиц с осадительными пластинами и, следовательно, к повышению эффективности работы ЭСФ.

Опытный образец разработанной конструкции ЭСФ был испытан в лабораторных условиях. Степень очистки воздуха от бытовой пыли в помещениях проверялась для частиц размером от 0,3 до 1,0 мкм при скорости воздушного потока от 0,1 до 0,3 м / с.

Анализ полученных результатов показывает, что эффективность ЭСФ находится в пределах 99,7...99,75 % для скорости v=0.1м /с и 85...99,8 % при v= 0.3 м/с. Максимальная степень очистки наблюдалась для частиц диапазона от 0,4 до 0,6 мкм, т.е. частиц, представляющих наибольшую опасность здоровью человека.

Отличительной особенностью фильтров данного типа является то, что они могут работать на малых скоростях воздушного потока. Это позволяет использовать конвективные тепловые потоки, источником которых может быть любой нагревательный или электробытовой прибор.

Применение ЭСФ для очистки воздуха помещений в режиме внутренней рециркуляции кроме обеспечения качественного воздуха решает еще и вопросы энергосбережения в холодные периоды года, что в настоящее является очень актуальным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Идельчик И. Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов.-М.: Машиностроение, 1983-351с.

2. Верещагин И. П., Левитов В. И. Основы электрогазодинамики дисперсных систем М.: Энергия, 1974 – 480 с.