Приборы и техника эксперимента, 2019, № 4, стр. 155-157

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИМПАКТОР C УНИПОЛЯРНОЙ ЗАРЯДКОЙ КАПЕЛЬ

А. В. Загнитько, Н. П. Зарецкий, А. В. Каникевич, И. Д. Мацуков

Поступила в редакцию 13.12.2018
После доработки 16.01.2019
Принята к публикации 20.01.2019

Полный текст (PDF)

Разработан быстродействующий импактор для измерения массовой, поверхностной и счетной концентрации грубодисперсных капель, а также для детектирования субмикронных аэрозолей c диаметром d ≥ 0.01 мкм. Анализ фракций капель по размерам осуществляется путем их униполярной зарядки газовыми ионами коронного разряда с последующим измерением токов переноса, возникающих при осаждении заряженных капель на токопроводящие дисковые подложки инерционных каскадов импактора [1]. По величине токов с подложек каскадов можно определить распределение концентрации капель по диаметру и концентрации в режиме текущего времени.

Импактор содержит (рис. 1) устройство для униполярной зарядки капель 1 положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда, соединенное с шаровым пневматическим электроклапаном 2 с временем открывания менее 0.1 с; разборные инерционные каскады 3 в количестве i = 2–6 с круглыми соплами и дисковыми подложками из пористого никеля или стекловолокна. На выходе из импактора установлен электропроводящий фильтр 4 из пористого никеля или стекловолокна с эффективностью улавливания >99.9% заряженных капель с d ≥ 0.01 мкм, а также отсечной электроклапан 5 с временем открывания ~0.05 с, подключенный к аспиратору с расходом Q = 0.5–2.5 л/с. Диаметр сопел инерционных каскадов D = 5–20 мм, а расстояние W от торца сопла до подложки 5–20 мм [1]. Зарядное устройство 1 выполнено в виде коронирующей проволоки с радиусом r = 50–75 мкм, натянутой вдоль оси заземленного цилиндра радиусом R = 1.5–2 см и длиной L = 5–8.5 см.

Рис. 1.

Фотография быстродействующего импактора. 1 – устройство для униполярной зарядки капель в коронном разряде; 2 – пневматический электроклапан; 3 – инерционные каскады; 4 – электропроводящий фильтр; 5 – отсечной электроклапан.

Электронный блок импактора содержит высоковольтный источник напряжения, подключенный к зарядному устройству с ограничителем тока; систему управления термопарой и отсечными электроклапанами; измеритель тока коронного разряда (≤ 50 мкА) и токов переноса униполярно-заряженных капель Ii с подложек каскадов 3 и электропроводящего фильтра 4; преобразователь усиленного токового сигнала в цифровой, а также микропроцессор для формирования сигналов, подключенный к интерфейсу RS-485. Данные передаются каждые 10–20 мс по витой паре к компьютеру, удаленному на безопасное, до 1200 м, расстояние и соединенному с сервером оптоволоконной линией длиной до 10 км с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение позволяет сохранять результаты в компьютере сервера. Для анализа капель в атмосфере используется блок подвески импактора на мачте и/или тросе на высоте ≤50 м.

Известно [1], что эффективность инерционного осаждения капель на дисковую подложку импактора определяется числом Стокса: Stk = = τ(p)V/D, где τ(p) ≈ ρd2C/(18η) – время релаксации капли, для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса; V = 4Q/(πD2) – скорость газа из сопла; ρ – плотность частицы; W = D – расстояние от торца сопла до подложки; С – поправка Каннигема на скольжение газа; η – его динамическая вязкость.

Параметры коронного разряда зависят от химического состава, плотности и температуры газа. Известно [2], что редуцированные таундсеновские характеристики для устройства 1 аппроксимируются выражением: I/U = А(U – U0). Здесь I – ток коронного разряда; U0 начальное напряжение зажигания коронного разряда; U – текущее напряжение; А ≈ 8πε0µ/(R2ln(R/r)), где ε0 = 8.85 ⋅ 10–12 Ф/м, µ подвижность газовых ионов.

На рис. 2 приведены измеренные значения I/U и U0 для девяти электроположительных и электроотрицательных газов в устройстве 1, имеющем следующие размеры: r = 0.005 см, R = 1.5 см и L = = 8.5 см. Значения I передавались каждые 10 мс в компьютер, удаленный на расстояние 1200 м. Анализ данных на рис. 2 показал, что изменение U0 от типа газа согласуется с данными Пашена для плоских электродов [2].

Рис. 2.

Редуцированные характеристики коронного разряда I/U в зависимости от величины положительного напряжения U для электроположительных (Ne, He, Ar, CH4, N2, пары сжиженного природного газа (с.п.г.)) и электроотрицательных (воздух с парами с.п.г., SF6) газов при 20°С: 1 – Ne, U0 ≈ 0.84 кВ; 2 – Не, U0 ≈ 0.95 кВ; 3 – Ar, U0 ≈ 2.63 кВ; 4 – смесь 12% об. метана + 88% об. воздуха, U0 ≈ 4.4 кВ; 5 – воздух, U0 ≈ ≈ 4.57 кВ; 6 – смесь 12% об. метана + 88% об. азота, U0 ≈ 5.4 кВ; 7 – пары с.п.г., состоящего из ≈94% об. метана + 6% об. этана, пропана, бутана, пентана и т.п., U0 ≈ 6.4 кВ; 8 – 99.9% об. метана, U0 ≈ 6.6 кВ; 9 – SF6, U0 ≈ 9.53 кВ.

Зарядка капель осуществляется во внешней зоне униполярного коронного разряда с практически постоянным распределением напряженности электрического поля Е и плотности тока J = σE, где σ – электрическая проводимость газа в зоне зарядки [13]. Скорость электризации капель определяется напряженностью Е и параметром зарядки στ, где τ – время их электризации [13]. Средний заряд капель 〈q〉 можно рассчитать как сумму средних зарядов, согласно диффузионному 〈qD и ударному 〈qE механизмам зарядки.

При στ > 5 ⋅ 10–10 (Ом ⋅ м)–1 ⋅ с и Е ≥ (5–10) ⋅ 104 В/м заряд 〈qE ≫ 〈qD для капель с d > 4–5 мкм [13]. В результате, согласно расчетам Потенье, капли заряжаются до заряда насыщения: 〈qmaxE ≈ ≈ ε0π〈d2E[1 + 2(ε – 1)/(ε + 2)], где 〈d2〉 – усредненный квадрат диаметра капель; ε – их диэлектрическая проницаемость [13]. Соответственно ток переноса будет равен IiQNiqi, maxE. Это позволяет определить распределение поверхностной концентрации грубодисперсных капель по каскадам как Si = πNi$d_{i}^{2}$〉, а также их счетную Ni и массовую Мi концентрации в зависимости от диаметра капель di, осевших на подложке i каскада. Величина di определяется из числа Стокса и данных калибровки импактора.

Импактор имеет следующие основные характеристики. Ток коронного разряда в воздухе не превышает 10–15 мкА при напряжении U = 5.5–6 кВ. Измеряемый диапазон токов переноса Ii = 10–5–10 мкА. Время быстродействия импактора зависит от расхода Q и в диапазоне Q = 0.5–2.5 л/с варьируется от 0.3 до 1 с. Конструкция импактора выдерживает избыточное давление во фронте ударной волны до 105 Па и напор воздуха ≤300 м/с. Прибор оснащен термопарой хромель–алюмель с быстродействием 0.15 с для измерения температуры воздуха, устойчив к воздействию магнитного поля с напряженностью до 200 А/м и промышленной частотой 50–60 Гц.

Разработанный импактор использовался для измерения эффективности улавливания капель масляного тумана диаметром ≈0.2–0.5 мкм фильтрами тонкой и высокой очистки, а также для анализа грубодисперсных капель турбинного масла c d ≤ 100 мкм при испытании грубых фильтров, согласно ГОСТ P 51251-1999. Субмикронные капли получали с помощью туманообразователя, работающего по принципу барботажа, согласно ГОСТ 12.4.157-75, а грубодисперсные – пневматическим распылителем “Wagner”. Данные в компьютер, удаленный на расстояние 1200 м, передавались каждые 10 мс. Результаты измерения эффективности фильтров удовлетворительно согласуются с данными их нефелометрического анализа, согласно ГОСТ 12.4.157-75.

При анализе двухфазных выбросов и облаков капель их униполярный объемный заряд создает электрическое поле, вектор которого направлен встречно электрическому полю коронного разряда. Если его величина соизмерима с величиной объемного заряда газовых ионов, то наблюдается “запирание” коронного разряда [2]. На рис. 3 приведены измеренные значения тока короны от времени в устройстве 1 с размерами r = 0.005 см, R = 1.5 см и L = 6.5 см при U = 5.7 кВ. Резкое снижение тока I обусловлено аспирацией потоков субмикронных (пик А) и грубодисперсных (пик Б) капель авиационного керосина ТС-1 в зону коронного разряда. Их объемный заряд был близок к величине заряда газовых ионов еni, где ni ≈ 1015 ионов/м3 – характерная концентрация ионов в зоне коронного разряда, е = 1.6 ⋅ 10–19 Кл – заряд электрона [1, 2]. Отметим, что измеренная концентрация ненасыщенных паров керосина составляла менее 10–15 г/м3 при Т = 16–18°С. Наличие этих паров несущественно влияло на величину I по сравнению с влиянием объемного заряда капель.

Рис. 3.

Измеренные значения тока короны I от времени t при аспирации воздуха в зону коронного разряда с расходом Q = 500 cм3/с: пик А – аспирация субмикронных капель керосина с d ≈ 0.2–1 мкм и М ≈ 2–3 г/м3; пик Б – аспирация грубодисперсных капель керосина с d ≈ 20–100 мкм и М ≈ 400–600 г/м3. Скорость движения в зоне коронного разряда около 0.7 м/с, время зарядки капель τ ≈ 0.1 с, величина параметра зарядки στ ≈ (2–3) ⋅ 10–9 (Ом · м)–1 · с.

Эффект “запирания” короны затрудняет использование быстродействующего импактора, тем не менее, позволяет каждые ≈100 мс оценивать массовую концентрацию капель известного размера в аэрозольных выбросах. Отметим, что в процессе распыления топливных жидкостей капли приобретали биполярный заряд, величина которого была существенно меньше значений 〈q〉 капель в коронном разряде.

Разработана сеть быстродействующих импакторов с визуализацией на местности системой ГЛОНАСС-GPS для проведения масштабных экспериментов, связанных с моделированием аварий в системах хранения топливных жидкостей массой более нескольких сотен тонн. При импульсном распылении топливных жидкостей в атмосферу c образованием двухфазных турбулентных выбросов была измерена концентрация капель диаметром менее 100–120 мкм, а также массовая доля субмикронных капель с d < 3 мкм. Исследованы их флуктуации в процессе развития и распада затопленных двухфазных струй с начальной скоростью >100 м/c, длиной 100–150 м и объемом 104 м3.

Сеть быстродействующих импакторов с их визуализацией на местности может быть использована для дистанционного мониторинга двухфазных выбросов и облаков в атмосфере и экологического контроля промышленных объектов.

Список литературы

  1. Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. М.: Мир, 1987.

  2. Капцов Н.А. Электрические явления в газах. М., Л.: Гостехиздат, 1947.

  3. Загнитько А.В., Кирш А.А., Стечкина И.Б. // Журнал физической химии. 1988. Т. 62. № 11. С. 3058.

Дополнительные материалы отсутствуют.