Исследования процесса коагуляции аэрозольных частиц проводили в турбулентных аэрозольных потоках при их течении через слой регулярно размещенных турбулизирующих цилиндрических элементов (диаметром dц), установленных в плоскопараллельном канале (с шагом tв). Т.е. в потоках, где реализовывался синфазный режим вихреобразования, предопределяющий экстремальные значения гидродинамических и тепломассообменных характеристик потока.
Интенсивность процесса коагуляционного роста частиц аэрозоля, осложненного процессом их параллельного конденсационного укрупнения, по своему значению превышает интенсивность "чистой" коагуляции. При этом увлажнение пылей при конденсации пара на частицах значительно повышает эффективность межчастичных столкновений за счет увеличения слипаемости пылей. Даже для гидрофобных пылей, плохо впитывающих влагу, эффективность межчастичных столкновений увеличивается за счет образования конденсатной пленки на частицах.
Изменение дисперсности частиц жидкостных аэрозолей (рисунок 1) в зависимости от характера распределения по размерам происходит неравномерно. Так, при скорости парогазового потока WГ = 15 м/с мелкие фракции (нижний предел распределения) увеличиваются: фосфорной кислоты (рисунок 1 «а») в 1,7 раза; глицерина (рисунок 1 «б») в 1,6 раза.
Для крупных же фракций (верхний предел распределения) кратность увеличения снижается и составляет соответственно: 1,25; 1,35. Такой характер изменения дисперсности капель туманов объясняется вихревым течением парогазового потока.
Коагуляция смещает линии дисперсного состава вправо за счет убыли счетной концентрации капель мелких фракций. Вихревое же течение потока, а точнее его скорость определяет фракционное содержание капель в каждом единичном вихре и степень снижения локальной температуры газа в ядре и поле вихря.
Увеличение скорости потока ведет к росту циркуляционной скорости вихря. Это приводит к падению локальной температуры и уменьшению численной концентрации крупных фракций в вихре, которые за счет центробежных сил уносятся в сплошной поток. Снижение температуры способствует интенсификации процесса конденсационного роста капель, находящихся в вихревом потоке.
Таким образом, вышеописанный механизм способствует эффективному росту размеров частиц (капель) мелких фракций. Положительным аспектом этого явления является целенаправленное использование пара при укрупнении частиц аэрозоля с широкими пределами распределения размеров, и аэрозолей с высоким процентным содержанием высокодисперсных фракций. Этот факт может значительно повысить технико-экономические показатели очистного аппарата в целом.
Характер изменения дисперсности частиц исследованных пылей идентичен характеру изменения дисперсности жидкостных аэрозолей.
Как отмечалось в работе [4], процесс коагуляции плохо – и средне-смачиваемых пылей в исследованных диапазонах скорости газового потока отсутствует. Хотя однозначно можно утверждать, что столкновения частиц происходят, но эффективность их слипания ничтожно мала.
Совсем другая картина происходит при подаче водяного пара в зону коагуляции. Скорость агломерации для хорошосмачиваемой пыли известняка в исследованных диапазонах скорости газа даже превышает скорость коагуляции туманов за счет большей полидисперсности и плотности материала. Скорость агломерации частиц пылей кварца и кокса так же повышается за счет частичного увлажнения и образования конденсатной пленки на поверхности частиц. На рисунке 2, на примере пыли кварца представлен ее дисперсный состав до и после укрупнения. Как видно из рисунка коагуляция смещает, как и в случае с жидкостными аэрозолями, линии дисперсного состава вправо за счет убыли счетной концентрации частиц мелких фракций с кратность увеличения среднемедианного диаметра частиц 1,66. Характер изменения дисперсного состава хорошосмачиваемой (известняк) и плохосмачиваемой (кокс) пылей аналогичен вышерассмотренному случаю, с кратностью увеличения среднемедианного размера частиц 1,75 и 1,3 соответственно.
В зависимости от скорости парогазового потока относительно быстрый рост медианного радиуса частиц происходит вплоть до скоростей 10¸15 м/с. Затем увеличение размеров частиц замедляется. Такая закономерность объясняется тем, что интенсивный рост размеров капель приводит к уменьшению степени полидисперсности, т.е. аэрозольная система стремится к моноструктуре. Последнее обстоятельство резко замедляет скорость турбулентной коагуляции, а значить и весь процесс укрупнения в совокупности.
Повышение концентрации водяного пара в парогазовом потоке ведет к увеличению медианного радиуса частиц. Однако, при достижении концентрации пара свыше 30 мг/м3 эффективность роста размеров частиц значительно падает.
а)
б)
WГ = 15 м/с , tв=2d, TГ = 3130К, Tп = 3780К;
а) H3PO4;1– до укрупнения, α= 0,36; 2 – после укрупнения, α= 0,20;
Св=1,2×10-2 кг/м3, Сп = 0,056 кг/м3;
б) C3H8O3; 1– до укрупнения, α= 0,62; 2 – после укрупнения, α=0,18;
Св=0,87×10-2 кг/м3, Сп = 0,044 кг/м3;
Рисунок 1 - Дисперсный состав жидкостных аэрозолей до и после коагуляционно-конденсационного укрупнения.
1 – до укрупнения, α= 0,72; 2 – после укрупнения, α=0,65.
Сr =1,2×10-2 кг/м3, Сп = 0,056 кг/м3, WГ = 15 м/с, tв=2dц, TГ = 3130К, Tп = 3780К;
Рисунок 2 – Дисперсный состав пыли кварца до и после коагуляционно-конденсационного укрупнения.
Объяснением такой зависимости является то, что с повышением концентрации пара температура парогазового потока увеличивается и, следовательно, снижается величина пересыщения пара. Это в свою очередь ведет к гомогенной конденсации пара, т.е. пар расходуется бесполезно, т.к. в укрупнении частиц аэрозоля не участвует. Предпочтительные значения концентрации пара составляли в диапазоне 30¸60 г/нм3 при изменении весовой концентрации аэрозоля 2¸10 г/нм3.
Известно [5], что аэрозольные частицы в турбулентном потоке увлекаются турбулентными пульсациями. Однако, скорости пульсаций газового (парогазового) потока и частиц аэрозоля различны, вследствие чего к поверхности частиц дополнительно переносится пар с помощью турбулентной диффузии. Из этого следует, что общий коэффициент диффузии имеет более высокое значение, чем в спокойной среде.
Для достаточно мелких частиц, полностью увлекающихся пульсациями турбулентного потока, влияние пульсаций на общий коэффициент диффузии незначительно. Однако, согласно [6,7] для частиц с диаметром 
>1 мкм в интенсивных турбулентных потоках фактор турбулентного переноса пара приобретает существенное значение.