• Припачкин Дмитрий Александрович
  • 2010
  • 22

Влияние физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения из гидродинамических потоков на препятствиях при определении дисперсного состава автореферат диссертации для написания диплома, курсовой работы, тема для доклада и реферата

Влияние физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения из гидродинамических потоков на препятствиях при определении дисперсного состава - темы дипломов, курсовиков, рефератов и докладов Ознакомиться с текстом работы
Специальность ВАК РФ: 02.00.04 — Физическая химия
  • Реферун рекомендует следующие темы дипломов:
  • Особенности диагностики дисперсного состава потоков распыленного топлива
  • Основные допущения, принимаемые в математическом описании движения струи
  • Описание установки для измерение скорости топливного потока
  • Реферун советует написать курсовую работу на тему:
  • Автоматические измерения и обработка результатов
  • Учет влияния переменного характера подвижности
  • Разряда в устройствах электрографии
  • Реферун советует написать реферат на тему:
  • Условия возникновения обратного коронного
  • Теоретические принципы построения преобразователей
  • Основные механизмы фильтрации
  • Реферун предлагает написать доклад на тему:
  • Лад вероятность адсорбции молекул примеси на аэрозольной частице в единицу времени
  • Характеристика аэрозоля пластификаторов
  • Средняя по поперечному сечению трубы концентрация аэрозоля Ст принята по зависимости
  • Профилированные лопасти конструктивно более сложны и целесообразны только в случае необходимости охлаждения газа путем подачи проточного хладагента через полости лопаток
Поделиться с друзьями:

Выдержки из автореферата диссертации Припачкин Дмитрий Александрович, 2010, 02.00.04 — Физическая химия

Актуальность

Дисперсный состав аэрозолей является важнейшей физико-химической характеристикой, определяющей эволюцию аэродисперсных систем вследствие коагуляции, седиментации, переноса и др.

Среди методов, используемых для определения дисперсного состава, особое место занимают те, которые позволяют определять не только размеры аэрозольных частиц, но и другие их характеристики (например, химический или нуклидный состав, растворимость, плотность, массу и т.д.). К ним относятся методы, в которых разделение на размерные фракции происходит непосредственно в пробоотборном устройстве за счет осаждения частиц на отдельных каскадах (диффузионные батареи, импакторы и пакеты фильтров).

В случаях, когда размер аэрозольных частиц превышают 100 нм, а скорости потоков составляют величины порядка 1 м/с, использование диффузионных батарей для анализа дисперсного состава невозможно. Импакторы представляют собой селективные проотборные устройства, в которых разделение частиц на размерные фракции в диапазоне от долей до десятков мкм происходит за счет инерционного осаждения на препятствиях (коллекторах) при скоростях потоков до нескольких десятков м/с. Метод, основанный на инерционном осаждении аэрозольных частиц на волокнах фильтра при скоростях фильтрации от долей до нескольких м/с, известный как метод многослойных фильтров (ММФ) позволяет определить дисперсность аэрозолей в диапазоне размеров от 100 нм до нескольких мкм. Следовательно, для оперативного определения дисперсного состава аэрозолей наиболее подходящими являются каскадные импакторы и пакеты фильтров.

Импакторы состоят из каскадов, каждый из которых содержит разгонные сопла и коллекторы для осаждения аэрозольных частиц. Осаждение частиц с размерами менее 1 мкм требует значительного увеличения гидродинамического сопротивления этих устройств, что существенно затрудняет его использование. При этом снижается эффективность осаждения аэрозольных частиц и искажаются гидродинамические параметры несущей среды, что приводит к ошибкам в определении дисперсного состава, особенно в диапазоне от долей мкм до 1 мкм.

Пакет фильтров состоит из волокнистых материалов с разным гидродинамическим сопротивлением. Каждый из фильтров можно рассматривать как каскад, на котором осаждаются аэрозольные частицы определенного размерного диапазона. Частицы диаметром более 2 мкм осаждаются преимущественно на первом каскаде пакета, что приводит к большой неопределенности при оценки дисперсного состава методом многослойных фильтров для грубодисперсных аэрозолей (размер частиц более 1 мкм). Для снижения уровня неопределенности необходимо более равномерное распределение частиц по всем каскадам. Суммарное гидродинамическое сопротивление пакета фильтров в условиях высокоскоростной фильтрации существенно ниже, чем у каскадов импактора, используемых для анализа дисперсности частиц в диапазоне от долей до 1 мкм.

Таким образом, целесообразно соединить в одно устройство для определения дисперсного состава каскады импактора и пакет фильтров. При этом будет достигнута оптимальная эффективность осаждения частиц в диапазоне от 100 нм до десятков мкм при уменьшении суммарного гидродинамического сопротивления, В таком устройстве каскады импактора будут играть роль предосадителей

грубодисперсных аэрозолей. К тому же с увеличением количества каскадов повысится точность определения дисперсного состава аэрозолей. Для этого необходимо установить закономерности осаждения аэрозольных частиц на препятствиях в условиях высокоскоростной фильтрации. Иначе говоря, необходимо на основе теоретических и экспериментальных исследований инерционного осаждения аэрозольных частиц и методов вычислительной гидродинамики показать, что условия осаждения частиц в описанном выше каскадном устройстве позволяют использовать его для определения дисперсного состава в широком размерном диапазоне.

Цель работы. Установление закономерностей влияния физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения из гидродинамических потоков на препятствиях при определении дисперсного состава на основе совместного использования каскадов импактора и пакета фильтров. Для достижения этой цели решается ряд задач, среди которых:

1. исследование полей течений в модельных фильтрах в режиме высокоскоростной фильтрации. Оценка силы гидродинамического сопротивления волокон, коэффициента инерционного захвата и влияния неоднородности расположения волокон в ряду на перепад давления для переходных чисел Рейнольдса;

2. численное моделирование полей течения и осаждения аэрозольных частиц на волокнах модельных фильтров и инерционных каскадах, валидация численной модели устройства на основе экспериментальных данных;

3. разработка численной модели и конструкции устройства, выбор оптимального количества каскадов импактора и их сопряжение с пакетом фильтров;

4. экспериментальные исследования осаждения аэрозольных частиц произвольной физико-химической природы в волокнистых фильтрах в режиме высокоскоростной фильтрации;

5. разработка алгоритма для расчета характеристик логарифмически нормального распределения (ЛНР) аэрозолей по размерам на основе долей осажденного вещества на каскадах импактора и фильтрах пакета и экспериментальная проверка работоспособности многокаскадного устройства с использованием тестовых полидисперсных аэрозолей различного происхождения.

Научная новизна работы

1. Показано что, при числах Рейнольдса (Ле) меньше 1 и при постоянстве параметра зацепления, число Стокса (Б0 однозначно характеризует коэффициент инерционного захвата частиц с различной плотностью, в то время как в области Яе больше и равном 1 коэффициент захвата зависит как от так и от Яе.

2. Теоретически и экспериментально исследовано влияние параметров структуры модельного волокнистого фильтра на перепад давления и коэффициент захвата. Установлено, что неоднородность расположения параллельных волокон в ряду ведет к росту отношения перепада давления к линейной скорости при меньших значениях Бе и к более резкой зависимости коэффициента захвата от Б!, чем в упорядоченных системах волокон.

3. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что для расчета эффективности осаждения частиц на инерционных каскадах устройства, в том числе при скоростных режимах, близких к реальной

скорости дыхания человека и режимах течений при Re>1000, может использоваться код вычислительной гидродинамики STAR-CD.

4. Разработана конструкция каскадного устройства для отбора аэрозолей. Экспериментально получена зависимость эффективности осаждения аэрозольных частиц на инерционных каскадах от скорости потока в разгонных соплах, плотности и размеров частиц.

5. Показано, что метод расчетно-эксперименталыюй калибровки с помощью кода вычислительной гидродинамики STAR-CD может использоваться при создании или модернизации конструкций средств для отбора аэрозолей различного назначения.

Практическая ценность работы.

1. Полученные в работе закономерности влияния физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения на препятствиях позволяют рассчитывать и создавать трехмерные модели и конструкции средств отбора аэрозолей с оптимальными параметрами гидродинамических потоков для оценки дисперсного состава аэрозолей.

2. Разработанные на основе предложенных закономерностей устройства могут использоваться в химической и атомной отраслях промышленности для оценки распределений количества, массы и активности аэрозольных частиц по размерам.

3. Использование средств отбора аэрозолей в качестве измерителей характеристик дисперсного состава позволяет создать представительную систему контроля радиологической значимости аэрозоля, поступающего в организм человека при дыхании.

4. Полученные в процессе исследований результаты существешю снижают неопределенность при определении дисперсного состава искусственных промышленных радиоактивных аэрозолей в случае их ингаляционного поступления в организм человека. Снижение уровня неопределенности при использовании специальной модели для расчета индивидуальных доз облучения персонала повышает качество контроля радиационной обстановки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод расчета коэффициента инерционного захвата на волокнах модельного фильтра в широком диапазоне чисел Стокса и параметров зацепления для чисел Рейнольдса более 1.

2. Модель каскадов импактора и конструкция устройства для отбора аэрозолей.

3. Экспериментально-расчетный метод калибровки инерционных каскадов устройства для определения дисперсности аэрозолей с помощью кода вычислительной гидродинамики и экспериментально полученных аэрозольных частиц селена.

4. Разработка и оптимизация алгоритмов оценки характеристик логнормального распределения аэрозольных частиц по размерам с помощью устройства для отбора аэрозолей на основе измеренных долей осажденного вещества на каскадах импактора и фильтрах пакета.

Апробация работы:

Основные результаты работы, доложены на следующих научных конференциях и

семинарах: 10th World Filtration Congress, Leipzig, Germany, 14-18 April 2008;

Всероссийская конференции по физической химии и нанотехнологиям "НИФХИ-

90", Москва, 10-14 ноября 2008 г. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010, Москва,

25-31 января 2010 г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 опубликованы в журналах из списка ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденных ВАК РФ, 3 патента, тезисы 4 докладов на российских и международных конференциях. Структура и объем диссертации:

Основные выводы

1. На основе выявленных закономерностей влияния физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения из гидродинамических потоков на каскадах импактора и фильтрах разработан и реализован расчетно-экспериментальный метод создания средства для отбора аэрозолей.

2. Выполнены расчеты гидродинамических и фильтрующих характеристик упорядоченных структур для моделирования реальных фильтров. Показано, что неоднородность расположения волокон в ряду ведет к росту отношения перепада давления к линейной скорости при меньших значениях чисел Рейнольдса и к более резкой зависимости коэффициента захвата от числа Стокса, чем в упорядоченных системах волокон. Установлено, что влияние инерционности среды (числа Рейнольдса) на коэффициент инерционного захвата усиливается с уменьшением параметра зацепления.

3. Экспериментально подтверждены теоретически установленные эффективности осаждения частиц на каскадах импактора для оптимальных параметров гидродинамических потоков, полученные с помощью кода вычислительной гидродинамики STAR-CD. Экспериментально подтверждены результаты моделирования, для скоростных режимов, близких к реальной скорости дыхания человека и течений при числах Рейнольдса больше 1000.

4. Разработана модель, конструкция и процедура калибровки устройства для отбора аэрозолей. Получены зависимости эффективности осаждения частиц от параметра VSt, которые использовали для оценки эффективности каждого каскада импактора независимо от скоростного режима в разгонных соплах, плотности и размеров аэрозольных частиц.

5. Показано, что рассчитанные характеристики логарифмически нормального распределения дают хорошее приближение реальных спектров аэрозольных частиц. Получены функции массового распределения исследованных аэрозолей по аэродинамическим диаметрам.

6. Предложены условия использования разработанного на основе расчетно-экспериментального метода каскадного устройства для оценки дисперсного состава радиоактивных аэрозолей в атомной промышленности.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Кирш В.А., Припачкин Д.А., Будыка А.К. Инерционное осаждение аэрозольных частиц из ламинарного потока в волокнистых фильтрах// Коллоидный журнал Т. 72, № 2, с.206-210.

2. Будыка А.К., Припачкин Д.А., Цовьянов А.Г. Моделирование и экспериментальное исследование осаждения аэрозольных частиц в персональном импакгоре// АНРИ- 2009, № 3, с.27-37.

3. Budyka А.К., Pripachkin D.A., Tsovyanov A.G. Personal impactor to measurements aerosol inhalation dose //10th World Filtration Congress, Leipzig, Germany, 14-18 April 2008, Vol. Ill, p.456-462.

4. Припачкин Д.А. Моделирование полей течений в близи волокон и оценка силы сопротивления при инерционном осаждении аэрозольных частиц на волокнах фильтра и в импакторах//Сборник тезисов «Всероссийская конференции по физической химии и нанотехнологиям "НИФХИ-90"», Москва, 10 - 14 ноября 2008 г.

5. Budyka А.К., Kirsch V.A., Pripachkin D.A. Inertial deposition of aerosol particles in fibrous filters at low and intermediate Reynolds numbers//FILTECH 2009, Wiesbaden, Germany, 13-15 October 2009.

6. Припачкин Д.А., Будыка A.K., Цовьянов А.Г. Расчетно-экспериментальный подход к созданию средств отбора аэрозолей для оценки дисперсного состава// Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010. Аннотации докладов, Том. 1, с.82.

7. Будыка А.К., Припачкин Д.А, Цовьянов А.Г. и др. //Патент на изобретение РФ RU 2290624 С1 24.06.2005.

8. Припачкин Д.А., Ризин А.И., Цовьянов А.Г. и др. //Патент на изобретение РФ RU 2239815 С1,11.02.2003г.

9. Будыка А.К., Припачкин Д.А, Цовьянов А.Г. и др. //Патент на полезную модель RU 63535 U1,30.06.2006г.

Поделиться с друзьями: