Сборник авторских физико-технических идей и решений в области фильтрации и разделения потоков и материалов в технических системах - страница 5

Центробежная сепарация является одним из наиболее широко применяемых методов очистки растворов, эмульсий, суспензий и других неоднородных жидких сред. Она основана на различии плотностей частиц и носителя, создающем разграничение компонентов за счёт действия центробежной силы во вращающихся потоках. Однако при переходе к очистке сверхтонких частиц (например, бактерий, вирусов, коллоидов) эффективность таких методов резко снижается из-за ограниченных перегрузок, создаваемых в жидкости.

Целью данной работы является количественная оценка сил, действующих на микроорганизмы в турбулентно-вихревом водяном потоке, и поиск альтернативных подходов к улучшению качества разделения при технологических ограничениях на скорость вращения жидкости.

Теоретическая модель завихрения

В качестве объекта исследования рассмотрен простой вертикальный цилиндрический завихритель, внутри которого вода вращается вокруг вертикальной оси за счёт механического вращения дна – см. рис. 1 (модель завихрителя).

Рис. № 1. Модель завихрителя

Центробежная сила F, действующая на частицу массой m, находящуюся на радиусе R от оси вращения, описывается классической формулой:

F = m × (2пиf)2 × R

Где:

– F – центробежная сила (в ньютонах, Н),

– m – масса частицы (в килограммах, кг),

– f – частота вращения (в оборотах в секунду),

– пи – число Пи = 3,14,

– R – радиус вращения (в метрах, м).

Для частицы биологического происхождения (например, бактерии):

Усреднённый размер бактерий имеет массу 5х10-13 грамма.), радиус завихрителя – 0,035 метра.

Рассчитанные значения центробежной силы F и перегрузки (отношения F к гравитационной силе веса – mg) сведены в таблицу 1.

Результаты расчётов

Таблица 1 – Центробежные силы и перегрузки, действующие на микрочастицу при различных частотах вращения:

Однако максимальные реальные скорости вращения жидкости в подобной конструкции ограничены физическими свойствами – в частности, вязкостью и возникновением кавитации. В режиме близком к турбулентному предельными считаются частоты вращения до 100 об/с, при этом соответствующая перегрузка – лишь 14 g. Это значение схоже с предельно допустимыми перегрузками для подготовленных лётчиков, однако крайне ограничено для целей эффективной фильтрации бактерий или вирусов.

Оценка предельных возможностей механической фильтрации