УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОГО АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ КАПЕЛЬ В АТМОСФЕРНЫХ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫБРОСАХ И ОБЛАКАХ

Область техники
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для быстрого анализа содержания капель в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах с образованием турбулентных облаков, экологического мониторинга окружающей среды и предупреждения техногенных аварий на объектах топливно-энергетического комплекса, связанных с производством углеводородных топлив (керосин, бензин, дизельное топливо, маловязкий мазут и т.п.).
Уровень техники
3
Известно фотоэлектрическое устройство для измерения концентрации и размеров облачных капель (авторское свидетельство СССР №172094), включающее заборную трубку для отбора капель, ориентированную навстречу набегающему анализируемому потоку воздуха, источник света, щель, объектив, центральная часть которого закрыта диафрагмой, линзу для сбора света, рассеянного частицами на фотоэлектронный умножитель. Недостатком данного устройства является невозможность быстрого в течение ≈0,01 с анализа содержания капель в атмосферных облаках и концентрированных импульсных аэрозольных выбросах с высокой массовой концентрацией капель М≈5-500 г/м.
Известно устройство для измерения содержания аэрозолей в воздушном потоке (патент РФ за полезную модель №38837), включающее канал для отсоса анализируемого воздуха с фильтром на входе в него, побудитель тяги анализируемого воздуха центробежным вентилятором, датчик его расхода и измерительный блок газодинамического сопротивления фильтра. Устройство предварительно тарируется путем измерения зависимости аэродинамического сопротивления фильтра от массы уловленного фильтрата дисперсных примесей при постоянном расходе воздуха. Его недостатком является невозможность осуществления одновременного быстрого анализа размеров, массовой, счетной и поверхностной концентрации дисперсных частиц в аэрозольном выбросе или турбулентном облаке с быстродействием τ≈0,01 с.
Известно устройство для измерения содержания пыли и капель в воздухе (патент РФ на полезную модель №182124), содержащее емкостную ячейку с двумя электродами, соединенными с измерительной аппаратурой, выполненными газопроницаемыми с расположенным между ними фильтрующим элементом, при этом один из электродов имеет форму катушки с отверстиями, соединенный с измерительной аппаратурой, а второй электрод выполнен виде сетки, установленной снаружи катушки. Недостатком данного устройства является забивка фильтрующего элемента фильтратом и необходимость его периодической замены в процессе эксплуатации, а также невозможность одновременного и быстрого в течение 0,01 с анализа размеров, массовой, поверхностной и счетной концентрации капель в атмосферных аэрозольных выбросах и динамических облаках.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа содержания аэрозолей в атмосферном воздухе, описанное в статье «Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке», А.В. Загнитько, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150-152 (прототип).
Устройство содержит блок его подвески на тросе или мачте, два параллельных жестко связанных прямоугольных швеллера с прямоугольными отверстиями для одновременного течения двухфазного потока аэрозолей и газов через измерительные каналы анализа мелких и крупных капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок для питания и управления с системой оцифровывания и передачи сигналов измерительных каналов к удаленному компьютеру, прямоугольный канал постоянного сечения с установленным в нем сепаратором крупных капель перед прямоугольным отверстием для течения потока аэрозолей в измерительный канал.
0
0
0
0
2
2
0.5
Устройство по прототипу предназначено для быстрого анализа содержания аэрозолей в облаках и/или в турбулентных выбросах в виде струй в атмосферном воздухе путем измерения оптической плотности капель D=lg(I/I) и удельной поверхностной концентрации S=π<d>n=9,2 D/L мелких и грубодисперсных капель, а также их стандартного отклонения, где I и I - соответственно интенсивность лазерного излучения без и в присутствии полидисперсных капель с неизвестным распределением ƒ(d) по диаметру,<d> и n - их среднеквадратичный диаметр и счетная концентрация соответственно, L - оптическая длина измерительного канала устройства (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке», А.В. Загнитько, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150-152).
Его недостатком является невозможность одновременного анализа оптической плотности, размеров, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель в атмосферном аэрозольном выбросе с образованием динамических облаков воды или топливных жидкостей.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства для быстрого анализа содержания капель в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах и облаках воды или топливных жидкостей и расширение его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для быстрого анализа содержания капель в атмосферных аэрозольных выбросах путем одновременного и быстрого анализа оптической плотности, размеров, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель воды или топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, бензин и т.п.) в атмосферных аэрозольных выбросах с образованием облаков с интенсивным турбулентным перемешиванием.
Для достижения технического результата предложено устройство для быстрого анализа содержания капель в высококонцентрированных атмосферных аэрозольных выбросах и облаках, содержащее блок его подвески, два параллельных жестко связанных прямоугольных швеллера с входными прямоугольными отверстиями для одновременного течения потока аэрозолей через измерительные каналы для быстрого анализа капель, содержащие полупроводниковые лазеры и фотодиоды, установленные соосно на внутренней поверхности прямоугольных швеллеров, электронный блок для питания и управления с системой оцифровывания и передачи сигналов измерительных каналов к удаленному компьютеру, прямоугольный канал с сепаратором грубодисперсных капель, состыкованный с прямоугольным отверстием для течения потока аэрозолей в измерительный канал, при этом, сепаратор грубодисперсных капель выполнен в виде тканой сетки из круглой никелевой или нержавеющей проволоки с одинаковыми квадратными ячейками, установленной поперек сечения прямоугольного канала на его выходе с течением через нее аэрозольного потока в измерительный канал.
2
Кроме того, размер одинаковых квадратных ячеек в свету тканой сетки из круглой нержавеющей проволоки, установленной поперек сечения прямоугольного канала на его выходе с течением через нее аэрозольного потока в измерительный канал, варьируется от 0,0025 до 0,1 мм, а площадь ее живого сечения составляет от 30 до 50% от всей площади тканой сетки.
Живое сечение тканой сетки из круглой нержавеющей проволоки, установленной поперек сечения прямоугольного канала на его выходе с течением через нее аэрозольного потока в измерительный канал, определяется отношением площади ячеек в свету ко всей площади сетки, выраженным в процентах, согласно ГОСТ 2715-75 Сетки металлические проволочные. Типы, основные параметры и размеры.
В результате установки сепаратора грубодисперсных капель, выполненного в виде тканой сетки из круглой нержавеющей проволоки с одинаковыми квадратными ячейками, поперек сечения прямоугольного канала на его выходе с течением через нее аэрозольного потока в измерительный канал достигается технический результат заявленной полезной модели, а именно одновременный и быстрый анализ оптической плотности, размеров, массовой и поверхностной концентрации капель воды или топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, бензин и т.п.) в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах с образованием динамических облаков.
Тканая сетка выполнена из нержавеющей проволоки и поэтому не смачивается водой или топливными жидкостями с динамической вязкостью менее 10-20 мПа.с при положительной температуре Т= (5-50)°С.
2
Для придания жесткости и механической прочности тканая сетка из круглой нержавеющей проволоки, установленной поперек сечения прямоугольного канала на его выходе с течением через нее аэрозольного потока в измерительный канал, армирована с двух сторон сварной сеткой с размером квадратных ячеек более 10 мм и с площадь ее живого сечения более 90% от всей площади сварной сетки.
2
Для быстрого анализа содержания капель в широком диапазоне d ≈ 20-1000 мкм и субмикронных капель с d < 3-5 мкм размер одинаковых квадратных ячеек в свету тканой сетки из круглой нержавеющей проволоки варьируется от 0,0025 до 0,1 мм мкм, а площадь ее живого сечения составляет от 30 до 50% от всей площади сетки.
Быстродействие заявляемой полезной модели для анализа содержания капель в высококонцентрированном аэрозольном выбросе составляет около 1 мс.
2
2
Установленная поперек сечения прямоугольного канала 11 на его выходе прямоугольная по форме металлическая тканая сетка 12 представляет высокопористую среду со следующими параметрами: толщина сетки h(с) ≈ 100-500 мкм; линейный размер ее квадратных ячеек в свету d(я) × d(n) варьируется от 50x50 до 300x300 мкм; диаметр проволоки d(n) = 50-300 мкм и открытая пористость П(c) > 50 %. Фильтрационная емкость 1 см тканой металлической по отношению к жидкому фильтрату с плотностью ρ составляет величину т ≈ h(c)fl(c)p и для выбранных параметров сеток варьируется от 0,005-0,05 г/см.
3
2
При течении аэрозольного потока капель через сетку 12 осуществляется их фильтрация счет инерции, зацепления, ситового и диффузионного захвата. Для анализируемых, высококонцентрированных и полидисперсных капель с М > 5-10 г/м их массовый поток MV на поверхность 1 см сетки существенно превышает их массовую фильтрационную емкость по отношению к жидкому фильтрату и MV >> т, где V>1-5 м/с - скорость потока капель аэрозольного выброса через сетку. Полидисперсные крупные капли диаметром более 30-40 мкм с начальным распределением по диаметру fo(d) улавливаются сеткой с эффективностью более 95% за счет инерции, зацепления и ситового захвата в режиме их забивки фильтратом. В результате квадратные ячейки тканой сетки непрерывно заливаются фильтратом с образованием жидкой пленки на ее поверхности с последующим ее непрерывным распылением под действием аэродинамического давления потока воздуха (Синайский Э.Г., Лапига Е.А., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. Москва. Недра. 621 С. 2002). Экспериментально было показано, что вторичный спектр капель в процессе диспергирования жидкой пленки  фильтрата воды или топливных жидкостей с динамической вязкостью менее 20 мПа.с при V=3-40 м/с состоит из умеренно монодисперсных капель f(d1), средний размер которых практически совпадает с размером квадратных ячеек сетки d(я) без эффекта вторичного аэродинамического дробления капель после сетки с заданными параметрами воздушным потоком (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
0
0
0
0
2
2
Определение удельной поверхности капель до сетки S с неизвестным распределением по размерам ƒ(d) в измерительном канале без сетки и анализ удельной поверхности вторичных капель после сетки S(1) с умеренно монодисперсным распределением ƒ(d1) в измерительном канале с сеткой от времени и оценка их диаметра после сетки позволяет рассчитывать счетную n(1) и массовую М(1) концентрации вторичных капель каждую ≈0,01 с по формулам n(1) ≈ S(1)/πd(я) и М(1)=S(1)d(я)ρ/6. Поскольку значения массовой концентрация капель до Ми после М(1) тканой сетки практически совпадают за временной интервал анализа капель около 0,01 с, то это позволяет определить изменение диаметра d(t) и счетной концентрацию n(t) первичных капель до тканой сетки от времени t по формулам d{t) ≈ 6[(М(1)]/ρS и n(t) ≈ S/πd(t).
В результате осуществляется одновременный и быстрый анализ в течение ≈ 0,01 с оптической плотности, диаметра, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель воды или топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, бензин и т.п.) в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах с образованием динамических облаков.
Краткое описание чертежей
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для быстрого анализа содержания капель в высококонцентрированных атмосферных аэрозольных выбросах и облаках, где:
1 и 2 - два одинаковых параллельных и жестко состыкованных прямоугольных швеллера;
3 и 4 - прямоугольные входные одинаковые отверстия на поверхности швеллеров 1 и 2;
5 - блок подвески устройства;
6 и 7 - два параллельных полупроводниковых лазера с коллиматорами;
8 и 9 - два параллельных фотодиода с коллиматорами;
10 - электронный блок;
11 - прямоугольный канал сепаратора грубодисперсных аэрозолей;
12 - тканая сетка из никелевой или нержавеющей проволоки, установленная в канале 11 на его выходе с течением потока аэрозолей в измерительный канал 13;
13 - измерительный канал содержания аэрозолей с сеткой 12;
14 - измерительный канал содержания аэрозолей без сетки 12;
2
15 - армирующая сварная сетка с квадратными ячейками более 8-10 мм и с площадь ее живого сечения не менее 90% от всей площади сварной сетки.
L - длина входных отверстий 3 или 4;
Q - объемный расход воздуха в измерительные каналы 13 и 14.
Осуществление полезной модели
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для быстрого анализа содержания капель в высококонцентрированных атмосферных аэрозольных выбросах и облаках. Устройство содержит блок подвески 5 на тросе или мачте, два одинаковых жестко и параллельно состыкованных, прямоугольных швеллера 1 и 2 с прямоугольными входными одинаковыми отверстиями 3 и 4 длиной L для одновременного течения двух потоков аэрозолей через два измерительных параллельных канала 13 и 14, состоящие из соосно расположенных полупроводниковых лазеров 6 и 7 и двух фотодиодов 8 и 9 для регистрации их излучения, электронный блок 10 для питания и управления измерительными каналами 13 и 14 с системой оцифровывания и передачи их сигналов к удаленному компьютеру с использованием проводов витой пары. Перед входным отверстием 4 измерительного канала аэрозолей 13 установлен прямоугольный канал 11, в котором расположена тканая сетка 12 для поперечного обтекания двухфазным потоком аэрозолей и газов с инерционным улавливанием грубодисперсных частиц. Прямоугольные швеллера 1 и 2 выполнены из пластика, композитных углеводородных материалов или металла.
2
Для быстрого анализа содержания крупных капель в широком диапазоне d ≈ 20-1000 мкм и субмикронных капель с d<3 мкм размер одинаковых квадратных ячеек в свету тканой сетки из круглой никелевой или нержавеющей проволоки варьируется от 0,0025 до 0,1 мм, а площадь ее живого сечения П(c) составляет от 30 до 50% от всей площади сетки.
Уменьшение величины Я(с) приводит к увеличению аэродинамического сопротивления сетки 72 и к замедлению скорости потока капель через сетку, что влияет на точность измерений.
Увеличение значений П(c) выше 50% технически труднореализуемо для тканых сеток с линейным размером ячеек от 100 до 300 мкм и диаметром проволоки около 100 мкм.
Живое сечение тканой сетки из круглой никелевой или нержавеющей проволоки, установленной поперек сечения прямоугольного канала на его выходе с течением через нее аэрозольного потока в измерительный канал, определяется отношением площади ячеек в свету ко всей площади сетки, выраженным в процентах, согласно ГОСТ 2715-75 Сетки металлические проволочные. Типы, основные параметры и размеры.
2
Для придания жесткости и механической прочности тканая сетка 12 из круглой никелевой или нержавеющей проволоки, армирована с двух сторон сварной сеткой 15 с размером квадратных ячеек более 8-10 мм и с площадью ее живого сечения не менее 90% от всей площади сварной сетки.
Для длительной эксплуатации и устранения возможного осаждения капель на поверхность линз объективов лазеров и фотодиодов предусмотрена система их обдува чистым воздухом (на фигуре не показана).
Тканая сетка 12 выполнена из никелевой или нержавеющей проволоки и поэтому не смачивается водой или топливными жидкостями с динамической вязкостью менее 20 мПа.с при Т=(5-50)°С.
2
2
2
Установленная поперек сечения прямоугольного канала на его выходе прямоугольная по форме металлическая тканая сетка представляет высокопористую среду со следующими параметрами: толщина сетки h(c) ≈ 100-300 мкм; размер ее квадратных ячеек в свету d(я) х d(я) варьируется от 50×50 до 300×300 мкм или от 0,0025 до ≈0,1 мм с площадью живого сечения П(c) = (30-50)%), а диаметр круглой проволоки d(п) ≈ 50-200 мкм. Фильтрационная емкость 1 см тканой металлической по отношению к жидкому фильтрату с плотностью ρ составляет величину m ≈ h(с)П(с)ρ и для выбранных параметров тканых сеток варьируется от 0,001-0,02 г/см.
3
2
Для высококонцентрированных и полидисперсных капель с М>5-10 г/м их массовый поток MVt на поверхность 1 см тканой сетки существенно превышает их массовую фильтрационную емкость m по отношению к жидкому фильтрату и MVt >> m при t > 0,01-0,1 с, где V > 3-5 м/с - скорость потока капель аэрозольного выброса через сетку.
2
2
-4
При описании тканых сеток их рассматривают в виде состыкованных двух рамок с натянутыми на них параллельными струнами, расположенными перпендикулярно. В процессе течения аэрозольного потока капель через сетку с размером ячеек от 0,0025 до 0,1 мм и площадь живого сечения от 30 до 50% осуществляется их фильтрация счет инерции, зацепления, ситового и диффузионного захвата (Синайский Э.Г., Лапига Е.А., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. Москва. Недра. 621 С. 2002). При обтекании аэрозольным потоком проволок сетки 12 траектории движения капель за счет их инерции отклоняются от линий тока и осаждаются на его поверхность. Для сравнительно крупных капель их траектории близки к прямолинейным и эффективность инерционного захвата капель Е ≈ 100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких капель, является число Стокса Stk = τ(p)V/d(п), где τ(р) ≈ pd(18η) - время релаксации капли диаметром d < 150 мкм для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса, V - скорость газа вдали от цилиндра, ρ - плотность частицы, η ≈ 1,8×10 пуаз - динамическая вязкость воздуха при 20°С (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). Критическое число Стокса составляет ≈ 0,25 ,и при меньших значениях числа Стокса капли не осаждаются на круглую проволоку (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
В результате субмикронные капли с d < 1-2 мкм практически не осаждаются на выбранных типах тканых сеток, так как их число Стокса меньше критического значения 0,25 при диаметре проволоки около 100 мкм и скорости аэрозольного потока V ≈ 10 м/с.В этом случае, значения поверхности капель, измеренные одновременно в двух каналах 13 и 14 практически совпадают. Это означает, что в процессе аэрозольного выброса воды или топливных жидкостей образовались субмикронные капли диаметром менее 1-2 мкм.
0
Дисперсные крупные капли диаметром более 30-40 мкм с начальным распределением по диаметру ƒ(d) улавливаются сеткой с эффективностью более 95% за счет инерции, зацепления и ситового захвата в режиме их забивки фильтратом. Если размер капли больше линейного размера ячейки в свету d ≥ d(я), то эффективность их фильтрации составляет Е = 100%. В результате квадратные ячейки тканой сетки непрерывно заливаются фильтратом с образованием жидкой пленки на ее поверхности с последующим ее непрерывным распылением под действием аэродинамического давления потока воздуха (Синайский Э.Г., Лапига Е.А., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. Москва. Недра. 621 С. 2002). Экспериментально было показано, что для вторичный спектр капель в процессе диспергирования жидкой пленки фильтрата воды или топливных жидкостей с динамической вязкостью менее 20 мПа.с при V = 3-40 м/с состоит из умеренно монодисперсных капель f(d1), средний размер которых практически совпадает с размером квадратных ячеек сетки d(n) без эффекта вторичного аэродинамического дробления капель после сетки с заданными параметрами воздушным потоком (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987).
0
0
Согласно теории рассеивания плоской электромагнитной волны (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат.255 С. 1987) половина ослабления падающего на однородную крупную сферу диаметром d > 2-3 мкм потока энергии обуславливается дифракцией волн на ее контуре, а другая - рассеиванием за счет отражения и поглощения. Согласно закону Ламберта-Бугера-Беера ослабление излучения в дисперсных средах можно рассчитывать по формуле I=Iexp(-KL), где К - объемный коэффициент ослабления (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке», А.В. Загнитъко, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150-152). В результате, выраженное через поверхностную S или массовую М концентрацию полидисперсных капель ослабление света составляет I ≈ Iexp(-SL/4). Величина S=9,2 D/L, a M=Sρd(t)/6 (Зуев B.E., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат.255 С. 1987; Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке», А.В. Загнитько, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150-152).
0
Величины I и I от лазеров 6 и 7 регистрируются фотодиодами 8 и 9 в измерительных каналах 13 и 14, соответственно.
0
Измерение удельной поверхности капель до сетки So с неизвестным распределением по размерам ƒ(d) в канале без сетки и анализ удельной поверхности вторичных капель после сетки S(1) с умеренно монодисперсным распределением ƒ(d1) в канале с сеткой от времени и оценка их диаметра после сетки позволяет рассчитать счетную n(1) и массовую М(1) концентрации вторичных капель каждую ≈0,01 с по формуле (1):
Это позволяет определить изменение диаметра d(t) и счетной концентрацию n(t) первичных капель до тканой сетки от времени t по формуле (2), поскольку значения массовой концентрация капель до М и после М(1) тканой сетки практически совпадают за временной интервал анализа капель около 0,01 с:
В результате осуществляется одновременный и быстрый анализ в течение ≈ 0,01 с оптической плотности, диаметра, массовой и поверхностной концентрации капель воды или топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, бензин и т.п.) в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах с образованием динамических облаков.
Устройство работает следующим образом. Его подвешивают на мачте или тросе с помощью блока 5 на высоте до 50 м в атмосфере. Анализируемый конвективный поток капель и воздуха в атмосферном аэрозольном выбросе поступает в измерительные каналы 13 и 14. В результате одновременно измеряются значения оптической плотности D по измеренным значениям I и 1о в канале 13 после сетки 12, а в канале 14 без сетки 12. Это позволяет, одновременно, определять поверхностную концентрацию капель по измеренным значениям D согласно закону Ламберта-Бугера-Беера, описывающего ослабление излучения в дисперсных средах с учетом геометрических размеров устройства (Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Ленинград. Гидрометеоиздат. 255 С. 1987; Быстродействующий лазерный анализатор мелких и крупных капель в аэрозольном потоке», А.В. Загнитъко, Н.П. Зарецкий, Каникевич, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федш, журнал РФ «Приборы и техника эксперимента», 2019, №5, с. 150-152). Далее, по формулам (1) и (2) рассчитываются размеры капель, их массовая, счетная и поверхностная конценрации каждую миллисекунду.
Результаты измерения содержания аэрозолей передаются с периодом 10 мкс блоком 10 по витой паре в удаленный компьютер (на фигуре не показан), где программа обрабатывает и сохраняет полученные данные. Собранная информация непрерывно транслируется на пункт анализа по оптоволоконной линии длиной до 5-10 км с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение позволяет сохранять данные и отображать их на экране головного компьютера в реальном масштабе времени в виде таблиц и графиков (на фиг. 1 не показан).
Пример
2
В экспериментах использовалась сетка 12 с диаметром круглой проволоки 0,08 мм и с одинаковыми квадратными ячейками с линейным размером d(я) × d(x) = 0,12 × 0,12 мм, площадью в свету около 0,0144 мм и площадью живого сечения 36%.
1
1
0
2
2
3
3
Прямоугольные швеллера 1 и 2 были изготовлены из дюраля длиной 100 см и шириной 8 см. Размер отверстий 3 и 4 составлял 27 (длина L) и 4 (ширина) см. Напряжение питания 24 В; мощность излучения лазеров 6 и 7 и длина их волны около 5 мВт и 0,68 мкм; временное разрешение ≈ 1 мс; длина рассеивающего слоя капель в измерительных каналах 13 или 14 была равна L=27 см; диаметр и площадь поперечного сечения оптического пучка в измерительных каналах 13 или 14 составляли d ≈ 1,6 см и S ≈ 2 см; диаметр приемного объектива фотодиода 8 или 9 совпадал с величиной d\, диапазон измерения оптической плотности аэрозолей D ≈ 0,03-3,5; измеряемая поверхностная концентрация S=0,5-150 м/м; анализируемый объем аэрозолей до 100 см; диапазон рабочей температуры Т=(5-50)°С; временное разрешение при регистрации температуры облаков или двухфазных атмосферных выбросов термопарами хромель-алюмель составлял около 150 мс.
Быстродействие электронного блока управления 10, а также синхронного детектирования сигналов приемников излучения 8 и 9, оцифровывания и передачи их по витой паре к удаленному компьютеру составляло около 1 мс.
2
Массовый поток капель MVt за 0,01 секунду на 1 см геометрической поверхности сетки 12 существенно превышал ее фильтрационную емкость. В результате, ее квадратные ячейки непрерывно заливались фильтратом с образованием жидкой пленки на их поверхности, которая непрерывно распылялась под действием аэродинамического давления потока воздуха.
2
0
При осаждении капель диаметром более 30 мкм для сетки с линейным размером квадратной ячейки 0,12 мм, площадью ячейки в свету 0,0144 мм и диаметром проволоки 0,08 мм число Стокса составляло Stk > 100, что существенно превышает критическое число Стокса ≈ 0,25 для цилиндра. Значение живого сечения сетки превышало 36%. В результате полидисперсные капли диспергированного керосина с первоначальным распределением по размерам ƒ(d) улавливались с эффективностью более 98% за счет инерции, зацепления и ситового захвата в режиме их быстрой забивки или заливки жидким фильтратом. В процессе диспергирования накопленного фильтрата пленки керосина непрерывно распылялась с поверхности ячеек сетки конвективным потоком набегающего воздуха с образованием вторичного спектра умеренно монодисперсных капель ƒ(d1). Экспериментально было установлено, что размер капель керосин определялся в первую очередь размером квадратных ячеек сетки и практически совпадал с величиной d(я) при скорости V = 3-50 м/с.
2
3
Отметим, что в проведенных экспериментах определяющее процесс дробления вторичных капель керосина после сетки 12 воздушным потоком число Вебера We = ρ(в)dV/σ < 1, где  - коэффициент поверхностного натяжения равный для керосина 23-25 дин/см, а ρ(в) ≈ 0,0013 г/см - плотность воздуха (Райст П. Аэрозоли, введение в теорию. Москва. Мир. 280 С. 1987). В результате, изменения вторичного спектра капель ƒ(d1) после сетки 12 из-за возможного аэродинамического дробления вторичных капель воздушным потоком практически не наблюдалось.
5
3
3
6
0
3
2
3
0
Разработанное устройство было использовано при анализе выбросов капельного аэрозоля керосина объемом до 5×10 м и длиной до 100 м в атмосфере при температуре атмосферного воздуха (18-20)°С. Высота его подвески на тросе составляла около 25 м. Капли получали импульсным пневмораспылением жидкости. Измеренная скорость конвективного движения капель в потоке воздуха через сетку 12 была равна V = 15-25 м/с. Капли керосина не смачивали проволоку сетки 12 из никеля. В результате каждую 0,01 с измерялась оптическая плотность D = 0,1-2,5 аэрозольного выброса, а также оценивался по формулам (1) и (2) диаметр, массовая, поверхностная и счетная конценрации капель в затопленной струе аэрозольного выброса от времени. Показано, что массовая и счетная концентрация капель существенно варьировались со временем от 10 до 250 г/м йот 10 до 10 частиц/м, их размер изменялся от 30 до 3000 мкм, средний арифметический диаметр составлял <d> = 200-300 мкм, а удельная поверхность капель S стохастически изменялась от 1 до 150 м/м. Кроме того, была исследована кинетика становления и распада выброса в виде затопленной струи, и в процессе образования, седиментации и турбулентной коагуляции капель с их дроблением воздушными потоками и рассеиванием атмосферным ветром.
Результаты одновременного быстрого анализа в течение 5 мс оптической плотности, диаметра, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель керосина в атмосферном высококонцентрированном аэрозольном выбросе с образованием турбулентного облака с интенсивным перемешиванием воздуха и капель передавались электронным блоком 10 с периодом 10 мкс по витой паре в удаленный на 600 м компьютер, где программа обрабатывала и сохраняла полученные данные. Собранная информация непрерывно поступала с удаленного компьютера на головной пункт анализа по оптоволоконной линии длиной 4000 м с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение непрерывно отображала данные на экране головного компьютера.
Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для быстрого анализа содержания капель в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах и облаках с прототипом показывает, что за счет использования тканой сетки с заданными параметрами, уставленной поперек сечения прямоугольного канала на его выходе, осуществляется одновременный и быстрый анализ в течение ≈ 0,01 с оптической плотности, диаметра, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель воды или топливных жидкостей (керосин, дизельное топливо, мазут, бензин и т.п.) в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах с образованием турбулентных облаков. Устройство по прототипу не позволяет одновременно осуществлять быстрый анализ оптической плотности, диаметра, массовой, счетной и поверхностной концентрации капель воды или топливных жидкостей в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах с образованием динамических облаков.