СПОСОБ ЗАБОРА АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2006 года по МПК G01N15/00 

Предлагаемое изобретение относится к способам забора аэрозольных частиц в атмосфере с использованием импакторов и может быть использовано в метеорологии, биологии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства для измерения спектра размеров и концентрации взвешенных в атмосфере аэрозольных частиц, загрязняющих окружающую среду.

Известны различные способы забора атмосферных аэрозольных частиц на пластины, обтекаемые потенциальным потоком воздуха без отрыва и с отрывом струй (Левин Л.М. Исследование по физике грубодисперсных аэрозолей. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 257 с.). Данные способы основаны на использовании критического числа Стокса (С_кр), определяющего характер движения воздушных потоков вблизи линии его симметрии и в критической точке. Данные способы могут быть использованы только для забора грубодисперсных аэрозольных частиц из воздушного потока, что является основным их недостатком.

Известен также способ забора атмосферных аэрозольных частиц с использованием импакторов, в основе которого лежит принцип инерционного осаждения аэрозольных частиц из воздушного потока на препятствие (Саркисов С.Л., Степанов Г.В., Хоргуани В.Г. Методика исследования атмосферных аэрозолей при помощи импакторных ловушек. - Труды ВГИ. - 1971, - вып. 19. - С.132-148).

Известный способ в зависимости от характеристик воздушного потока обеспечивает осаждение на препятствие аэрозольных частиц всех размеров, содержащихся в воздухе. В дальнейшем подсчет количества аэрозольных частиц нужного размера в воздухе сводится к трудоемкому подсчету их под микроскопом. Такой способ забора аэрозольных частиц из воздушного потока допускает большие ошибки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ забора атмосферных аэрозольных частиц в двухкаскадном импакторе путем обдува газовым потоком из сопла в режиме ламинарного истечения двух последовательно размещенных в проточной камере пластин с коллодиевым покрытием (Хоргуани В.Г. Микрофизика зарождения и роста града. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 187 с. - прототип).

Недостатком данного способа является невозможность отбора проб аэрозольных частиц в заданном узком диапазоне их размеров, что затрудняет анализ спектрального их распределения.

Кроме того, из-за сложности конструкции двухкаскадного импактора возникают краевые эффекты при обдуве пластин, что делает невозможным его использование для проведения точных измерений.

Техническим результатом от использования заявляемого способа является повышение точности измерения концентрации и спектральных характеристик аэрозольных частиц путем одновременного забора аэрозольных частиц в заданном интервале их размеров. Последнее расширяет функциональные возможности импакторов, а также снижает трудоемкость работы, связанной с анализом полученных результатов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе забора атмосферных аэрозольных частиц в двухкаскадном импакторе путем обдува газовым потоком из сопла в режиме ламинарного истечения двух последовательно размещенных в проточной камере пластин с коллодиевым покрытием коллодиевое покрытие наносят на переднюю сторону первой пластины и на тыльную сторону второй пластины, а осаждение аэрозольных частиц на эти поверхности осуществляют путем обдува пластин изокинетическим потоком при числах Рейнольдса (4,5-5)10³, при этом предварительно устанавливают необходимое расстояние между пластинами для обеспечения забора аэрозольных частиц в заданном интервале их размеров.

Технический результат достигается также и тем, что минимальный размер осаждаемых аэрозольных частиц на пластинах определяют по формуле

где d - минимальный размер осаждаемых аэрозольных частиц на пластинах [м];

η - вязкость воздуха [кг/с·м];

2l - характерный размер пластины [м];

С_кр - критическое число Стокса [б/размерн];

ρ - плотность частиц аэрозоля [кг/м³];

ν_∞ - скорость набегающего на препятствия воздушного потока [м/с].

Предлагаемый способ так же как и прототип основан на осаждении атмосферных аэрозольных частиц из потока на два препятствия, покрытые специальной коллоидной пленкой. Причем в отличие от прототипа на каждую из пластин путем обдува изокинетическим потоком при числах Рейнольдса (4,5-5)10³ (Хромов С.П., Мамонтова Метеорологический словарь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 568 с.) осаждаются атмосферные аэрозольные частицы в заданном диапазоне размеров. Пороговые уровни размеров осаждаемых аэрозольных частиц на пластинах легко регулируются путем изменения расстояния между пластинами, сохраняя при этом все остальные параметры постоянными. Это в значительной степени упрощает процедуру подсчета количества атмосферных аэрозольных частиц и проведение дальнейшего анализа результатов измерения.

В отличие от ранее известных способов поверхности каждой из двух пластин служат поверхностями для одновременного забора из одного и того же воздушного потока атмосферных аэрозольных частиц заданных размеров. При этом, меняя расстояние между поверхностями пластин, можно обеспечить забор аэрозольных частиц в нужном диапазоне их размеров.

В качестве рабочих поверхностей используются передняя сторона первой пластины и тыльная сторона второй пластины. Такое решение предлагается впервые.

Теоретической основой предлагаемого способа забора атмосферных аэрозольных частиц является следующее:

Согласно (Левин Л.М. Исследование по физике грубодисперсных аэрозолей. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 257 с.) между значением критического числа Стокса (С_кр) и поведением потока с аэрозолями вблизи его линии симметрии существует связь. Доказано, что при С≤С_кр аэрозольные частицы не оседают на препятствии и, следовательно, для них коэффициент захвата равен нулю. Это означает, что для данных частиц, осаждающихся из потока, существует минимальный размер d_min, определяемый формулой

где d_min - минимальный размер осаждаемых аэрозольных частиц на пластинах [м];

η - вязкость воздуха [кг/с·м];

2l - характерный размер пластины [м];

С_кр - критическое число Стокса [б/размерн];

ρ - плотность частиц аэрозоля [кг/м ];

ν_∞ - скорость набегающего на препятствия воздушного потока [м/с].

Из (1) следует, что при прочих равных условиях, чем больше С_кр, тем хуже данное препятствие захватывает мелкие частицы. Установлено, что С_кр зависит от формы препятствия. Лучше обтекаемые препятствия характеризуются меньшими значениями С_кр. Однако применение хорошо обтекаемых тел ограничено методикой анализа данных, основанной на микрофотографировании. Предлагаемый способ основан на регулировании С_кр, а следовательно, значения d_min при осаждении аэрозолей на плоские поверхности, что очевидно представляет практический интерес.

На фиг.1 представлена схема обтекания параллельных пластин в канале импактора; на фиг.2 представлена схема течения воздушного потока в плоскости Z.

Ограниченным стенками СМ и С'М' потоком воздуха обтекается пластинка Д'Д со срывом струй. На пути, обратной эфросовской струи, стоит пластинка B₁'E₁, на которой в точке К струя разделяется на две равные половины и каждая уходит после схода с пластинки E₁'E₁ на второй лист римановой поверхности и в бесконечность Е' и Е. Заданы: расстояние 2L между стенками СМ и С'М', расстояние h между пластинками Д'Д и E₁'E₁, длина пластинки Д'Д равна 2l и число кавитации Q=(ν₀/ν_∞)²-1, где ν₀ и ν_∞ - модули скорости потока на струе и в бесконечности. Для решения этой задачи верхняя часть области течения в плоскости Z (фиг.1) конформно отображается на верхний правый квадрант параметрической плоскости t (фиг.2).

На фиг.1 и 2 соответствующие точки обозначены одинаковыми буквами. Решение задачи позволяет определить значение С_кр в передней критической точке «В» в виде

а при t₀=k значение C_кр в критической точке k на тыльной стороне в виде

где l - половина длины пластинки Д'Д;

а, k, m, с - постоянные, удовлетворяющие соотношению 0≤a≤k≤m≤c≤1.

Из (2) и (3) получим соотношение

Формулы (2), (3) и (4) дают возможность вычислять при любом режиме обтекания критические числа Стокса и их отношения в критических точках на поверхностях 1 и 2.

Пример выполнения способа

В качестве примера найдем по формуле (4) численное значение отношения С_кр.2/С_кр.1 при одном конкретном режиме обтекания. Пусть пластинка Д'Д обтекается неограниченным потоком (L=∞). Тогда из (4) следует, что m=c, a (4) принимает вид

Для удобства вычисления, как это обычно делают, зададим значения неизвестных параметров k и с, а значения величин Q и h/l вычислим по формулам (6-10):

Положим k=2,28·10^-3; с=2,07·10^-1, тогда из (4) получаем a=2,29·10^-2. Из (9) находим h/l=5,81·10^-3.

Формула (6) дает Q=1,45. По формуле (4) находим C_кр.2/C_кр.1=0,42. При этом скорость обдува V должна удовлетворять условию равенства числа Рейнольдса (4,5-5)10³, определенного нами экспериментально. Тогда учитывая, что для рассматриваемого примера C_кр.2/C_кр.1=0,42, то d₂=0,42d. Это означает, что вторая пластина будет отбирать из потока частицы размерами от 1 до 0,42 мкм.

Последнее можно регулировать изменением расстояния между пластинами.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность измерения спектральных характеристик атмосферных аэрозольных частиц в двухкаскадном импакторе за счет осуществления единовременного забора их из воздушного потока в заданном интервале размеров. Последнее расширяет функциональные возможности способа, а также снижает трудоемкость работы, поскольку позволяет, меняя отношение C_кр.2/C_кр.1, осаждать на пластинах импактора аэрозольные частицы нужных размеров.

Использование: в метеорологии, биологии, химической промышленности, для контроля загрязнений окружающей среды. Сущность: осаждение аэрозольных частиц из ламинарного изокинетического потока осуществляют на две пластины с коллодиевым покрытием. Коллодиевое покрытие нанесено на переднюю сторону первой пластины и на тыльную сторону второй пластины. Регулированием расстояния между пластинами обеспечивают забор аэрозольных частиц в заданном интервале их размеров. Технический результат: повышение точности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ забора атмосферных аэрозольных частиц в двухкаскадном импакторе путем обдува газовым потоком из сопла в режиме ламинарного истечения двух последовательно размещенных в проточной камере пластин с коллодиевым покрытием, отличающийся тем, что коллодиевое покрытие наносят на переднюю сторону первой пластины и на тыльную сторону второй пластины, а осаждение аэрозольных частиц на эти поверхности осуществляют путем обдува пластин изокинетическим потоком при числах Рейнольдса (4,5÷5)10³, при этом предварительно устанавливают необходимое расстояние между пластинами для обеспечения забора аэрозольных частиц, в заданном интервале их размеров.2. Способ забора аэрозольных частиц по п.1, отличающийся тем, что минимальный размер осаждаемых аэрозольных частиц на пластинах определяют по формуле

где η - вязкость воздуха, кг/с·м;

2l - характерный размер пластины, м;

С_кр - критическое число Стокса, б/размерн.;

ρ - плотность частиц аэрозоля, кг/м³;

ν_∞ - скорость набегающего на пластины воздушного потока, м/с.