способ забора атмосферных аэрозольных частиц
Классы МПК: | G01N15/00 Исследование свойств частиц; определение проницаемости, пористости или площади поверхности пористых материалов |
Автор(ы): | Аджиев Анатолий Хабасович (RU), Бекулов Мухамед Тутович (RU), Андриевская Виктория Юрьевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Высокогорный геофизический институт (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-03-19 публикация патента:
20.02.2006 |
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.
Формула изобретения
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 - вязкость воздуха, кг/с·м;
2l - характерный размер пластины, м;
Скр - критическое число Стокса, б/размерн.;
- плотность частиц аэрозоля, кг/м3;
- скорость набегающего на пластины воздушного потока, м/с.
Описание изобретения к патенту
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 (Скр), 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];
- вязкость воздуха [кг/с·м];
2l - характерный размер пластины [м];
Скр - критическое число Стокса [б/размерн];
- плотность частиц аэрозоля [кг/м3];
- 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 (Скр ) и поведением потока с аэрозолями вблизи его линии симметрии существует связь. Доказано, что при СС 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 dmin, определяемый формулой
где dmin - минимальный размер осаждаемых аэрозольных частиц на пластинах [м];
- вязкость воздуха [кг/с·м];
2l - характерный размер пластины [м];
Скр - критическое число Стокса [б/размерн];
- плотность частиц аэрозоля [кг/м ];
- скорость набегающего на препятствия воздушного потока [м/с].
Из (1) следует, что при прочих равных условиях, чем больше Скр, тем хуже данное препятствие захватывает мелкие частицы. Установлено, что Скр зависит от формы препятствия. Лучше обтекаемые препятствия характеризуются меньшими значениями Скр. Однако применение хорошо обтекаемых тел ограничено методикой анализа данных, основанной на микрофотографировании. Предлагаемый способ основан на регулировании Скр, а следовательно, значения dmin 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 E 1'E1, длина пластинки Д'Д равна 2l и число кавитации Q=( 0/ )2-1, где 0 и - 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 Скр в передней критической точке «В» в виде
а при t0=k значение Cкр в критической точке k на тыльной стороне в виде
где l - половина длины пластинки Д'Д;
а, k, m, с - постоянные, удовлетворяющие соотношению 0akmc1.
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 Скр.2/Скр.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/Cкр.1=0,42. При этом скорость обдува V должна удовлетворять условию равенства числа Рейнольдса (4,5-5)10 3, определенного нами экспериментально. Тогда учитывая, что для рассматриваемого примера Cкр.2/Cкр.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 Cкр.2/Cкр.1, осаждать на пластинах импактора аэрозольные частицы нужных размеров.
Класс G01N15/00 Исследование свойств частиц; определение проницаемости, пористости или площади поверхности пористых материалов