CN105334143A - 一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于空气净化领域的气溶胶亚微米微粒超声波增强凝并效应的测试系统和分析方法。所述的装置主要包括气溶胶发生器、K-85中性器、超声波发射器、凝并发生箱、HEPA过滤器、粒径谱测试仪、电脑、真空泵、环境温湿度及压力测试仪。所述的方法是通过将测试数据代入Bernouli方程分别求解出有无超声波效应的平均凝并系数。本发明试验系统清晰完整，计算分析方法正确合理，对于设计新型空气净化器具有重要价值。

Description

一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种空气污染物测试装置和方法，具体涉及一种气溶胶亚微米微粒超声波增强凝并效应的测试系统和分析方法。

背景技术

随着我国工业化和城市化进程的加快，环境污染日益严重，加上室内装修和装饰材料的污染，空气源已成为影响人体健康的隐形杀手。人类68％的疾病与空气污染有关；世界卫生组织把室内空气污染列为18类致癌物质之首。全球污染最严重的20个城市，有16个在中国。随着人们环境意识的增强和生活水平的提高，越发认识到清洁空气对人身健康的重要性。

目前在我国，气溶胶颗粒物污染是绝大部分城市的首要污染物。颗粒物质(PM)是由酸类、有机化学、金属、和土壤或尘埃粒子组成的颗粒和液滴。人们根据颗粒的产生及在人体呼吸道沉积位置将颗粒分为3类：超细微粒(颗粒直径＜＝0.1μm)，亚微米颗粒PM1(0.1μm＜＝颗粒直径＜1μm)，粗颗粒(颗粒直径＞＝1μm)。大多燃烧源PM2.5并非直接生成，而是由超细微粒经过凝并以及一系列大气化学反应转化而成。

亚微米颗粒物通常并非直接生成，而是由纳米级和超细微粒经过凝并以及一系列大气化学反应转化而成。亚微米颗粒物的扩散性能不如超细微粒，重力沉降速度又不如微米级颗粒物。对于任何净化除尘装置来说，亚微米颗粒物都是除尘的难点。又由于其粒径覆盖可见光波长范围(0.4～0.8μm)，亚微米颗粒物能够吸收太阳光中的可见光，是影响大气能见度的主要因素，高浓度的亚微米会直接导致雾霾天气的形成。因此，研究亚微米的净化机理，对分析雾霾天气的形成以及设计新型空气净化装置具有重要意义。

亚微米颗粒物由于粒径比较超细微粒大，在空气里的传输过程中，会同时发生扩散沉积、重力沉降与凝并的现象，这里沉降与沉积的不同点仅在于沉降是在重力作用下，颗粒物附着到物体朝上的表面或壁面，也可以笼统称为沉积。亚微米颗粒物的沉积是在布朗运动、重力、热泳力、以及静电力作用下撞击到壁面的现象，很难直接测量；凝并是细微颗粒物之间相互碰撞而团聚形成新的颗粒物的现象。从目前的研究来看，要想有效清除亚微米颗粒物，传统的除尘技术如惯性碰撞、拦截、过滤以及静电作用效果都不大，其除尘效率在0.1～1μm的粒径范围往往呈现一个倒V型。因为，相对超细微粒的扩散沉积，亚微米颗粒物的扩散系数偏小，相对微米级颗粒物的重力沉降速度同样偏小。可以考虑采取的一个有效思路是通过引入超声波对空气的震荡作用，增加亚微米颗粒物的碰撞，以致发生凝并作用，其粒径增加至微米级，常规的除尘技术就可以发挥作用。在引入超声波改变其粒径谱的过程中，需要评估凝并作用的大小，主要指标就是平均粒径大小，这是超声波发射器的安装、数量的设计依据，并对设计新型空气净化器非常重要。

发明内容

本发明的目的设计一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及分析方法，具体技术方案如下：

一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统，主要包括气溶胶发生器、Kr-85中和器、超声波发射器、凝并发生箱、真空泵、粒径谱测试仪、电脑、通讯电缆、环境温湿度及压力测试仪、各种连接管道及阀门。真空泵通过一个阀门连接到凝并发生箱，产生整个系统的流动压力。气溶胶发生器产生亚微米级的气溶胶微粒，通过管道进入Kr-85中和器进行电荷中和化处理；处理后的气流进入凝并发生箱，上部安装了超声波发射器，产生超声波促凝并效应。粒径谱测试仪通过阀门切换可以测量超声波效应前后的颗粒物粒径分布，所测得数据通过通讯电缆传输到电脑；环境温湿度及压力测试仪放置在箱体内检测箱体内的温度、湿度及压力。

本发明通过气溶胶发生器生成多分散的气溶胶微粒，气溶胶微粒生成数量的多少可由气溶胶发生器控制。

所述的气溶胶发生器产生的微粒数浓度范围在0～10⁸个/cm³，

所述的粒径谱测试仪测量的细微颗粒物浓度范围在0～10⁸个/cm³，测量的颗粒物粒径范围在5nm～1μm，粒径谱分段数在32个以上。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：1)凝并发生箱体洁净：关闭气溶胶发生器及通道阀门，打开HEPA阀门，启动真空泵，并启动粒径谱测试仪监测凝并箱体内颗粒物数浓度的同时，从外部进入的空气经过HEPA净化后进入箱体内，当粒径谱测试仪监测到箱体内数浓度接近于零的时候，可以认为密闭箱体已经被净空，这时关闭真空泵以及连接阀门，关闭HEPA通道阀门，关闭粒径谱测试仪。

2)无超声波效应凝并效率测试：启动气溶胶发生器，打开阀门，同时启动粒径谱测试仪，当发现凝并发生箱上部细微粒数浓度值达到10⁶个/cm³级别时，开始记录数据，每间隔5秒切换监测凝并发生箱上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平均直径)，按照下面公式计算平均凝并率k₀。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dN}{dt}=-\mathrm{\α}N-k_0{N}^2\\ \⇒k_0=\mathrm{\α}\frac{\frac{1}{N_0}{e}^{-\mathrm{\α}t}-\frac{1}{N}}{1-e^{-\mathrm{\α}t}}\end{array}\right.$

上面公式中，第一行是超细微粒同时发生通风和凝并的微分方程，是一个典型的Bernouli方程，第二行的为求解结果。其中，N为超细微粒总数浓度，单位个/cm³；k为平均凝并系数，无量纲。

重复步骤1，洁净凝并箱体发生器

超声波促进凝并效率测试：启动气溶胶发生器，打开阀门，同时启动粒径谱测试仪，当发现凝并发生箱上部细微粒数浓度值达到10⁶个/cm³级别时，启动超声波发射器，开始记录数据，每间隔5秒切换监测凝并发生箱上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平均直径)，同样按照下面公式计算平均凝并率k_c。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dN}{dt}=-\mathrm{\α}N-k_c{N}^2\\ \⇒k_c=\mathrm{\α}\frac{\frac{1}{N_0}{e}^{-\mathrm{\α}t}-\frac{1}{N}}{1-e^{-\mathrm{\α}t}}\end{array}\right.$

让气溶胶发生器产生不同浓度和不同分布的气溶胶，或者改变超声波发射器参数，比如安装个数和位置，超声波发射功率，发射频率等，可以测试得到各种情况的凝并效率。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种亚微米微粒超声波促凝并效应的测试装置和计算方法，由伯努利公式计算出有、无超声波效应的平均凝并系数，并通过测试仪器得到经过超声波效应后GMD的变化。本发明的所提供的测试系统和方法可用于设计超声波除尘设计以及新型空气净化器洁净效率分析。

附图说明

图1是测试系统结构示意图。

图中1气溶胶发生器、2阀门a、3K-85中性器、4阀门b、5超声波发射器、6凝并发生箱、7阀门c、8HEPA过滤器、9三通阀门、10粒粒径谱测试仪、11电脑、12真空泵、13阀门d、14环境温湿度及压力测试仪。

具体实施方式

下面结合附图，用实施例来进一步说明本发明。但这个实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这个实施例的限制。

如图1所示，一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及分析方法主要包括1气溶胶发生器、2阀门a、3K-85中性器、4阀门b、5超声波发射器、6凝并发生箱、7阀门c、8HEPA过滤器、9三通阀门、10粒径谱测试仪、11电脑、12真空泵、13阀门d、14环境温湿度及压力测试仪。真空泵12通过阀门d连接到凝并发生箱6，产生整个系统的流动压力。气溶胶发生器1产生亚微米级的气溶胶微粒，通过管道进入Kr-85中和器3进行电荷中和化处理；处理后的气流进入凝并发生箱6，上部安装了超声波发射器5，产生超声波促凝并效应。粒径谱测试仪10通过三通阀门9切换可以测量超声波效应前后的颗粒物粒径分布，所测得数据通过通讯电缆传输到电脑11；环境温湿度及压力测试仪14接入凝并发生箱箱6检测箱体内的温度、湿度及压力。

本发明的技术原理是：根据亚微米微粒由凝并带来的衰减率与超细微粒数浓度有二次方的关系，而与沉积率的关系是一次方线性关系。在浓度较高而且沉积时间较短时，可以忽略沉积效应的影响。因此，本发明通过简化的Bernouli方程可以独立求解出平均凝并系数。

本发明在对凝并发生箱5的测试过程中，考虑了两个因素对测试结果准确度的影响，第一个是气溶胶发生器1产生的颗粒物带有静电，会对凝并效率的计算带来干扰；第二个因素是粒径谱测试仪10本身的采样抽气会带来凝并发生箱6内微粒的减少。对第一个因素通过增加Kr-85中和器3进行电荷中和化处理，将气溶胶初始电荷分布中和到一个单峰的正态分布；对第二个因素是将粒径谱测试仪10的抽气量加上真空泵12抽气量，作为换气率引α入到公式(1)。

本发明的操作步骤如下：

1)凝并发生箱体6洁净：关闭气溶胶发生器1及通道阀门2，打开HEPA阀门7，打开真空泵通道阀门13，启动真空泵12，并启动粒径谱测试仪10监测凝并发生箱6内颗粒物数浓度的同时，从外部进入的空气经过HEPA8净化后进入凝并发生箱6内，当粒径谱测试仪10监测到箱体内数浓度接近于零的时候，可以认为箱体内已经被净空，这时关闭真空泵通道阀门13及真空泵12，关闭HEPA通道阀门7，关闭粒径谱测试仪10。

2)无超声波效应凝并效率测试：启动气溶胶发生器1，打开阀门2，同时启动粒径谱测试仪10，当发现凝并发生箱6上部细微粒数浓度值达到10⁶个/cm³级别时，开始记录数据，每间隔5秒切换监测凝并发生箱6上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平均直径)，按照下面公式计算平均凝并率k₀。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dN}{dt}=-\mathrm{\α}N-k_0{N}^2\\ \⇒k_0=\mathrm{\α}\frac{\frac{1}{N_0}{e}^{-\mathrm{\α}t}-\frac{1}{N}}{1-e^{-\mathrm{\α}t}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

上面公式中，第一行是超细微粒同时发生通风和凝并的微分方程，是一个典型的Bernouli方程，第二行的为求解结果。其中，N为超细微粒总数浓度，单位个/cm³；k₀为平均凝并系数，无量纲。

重复步骤1，洁净凝并箱体发生器6。

超声波促进凝并效率测试：启动气溶胶发生器1，打开阀门2，同时启动粒径谱测试仪10，当发现凝并发生箱6上部细微粒数浓度值达到10⁶个/cm³级别时，启动超声波发射器5，开始记录数据，每间隔5秒切换监测凝并发生箱上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平均直径)，同样按照下面公式计算增强平均凝并率k_c。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dN}{dt}=-\mathrm{\α}N-k_c{N}^2\\ \⇒k_c=\mathrm{\α}\frac{\frac{1}{N_0}{e}^{-\mathrm{\α}t}-\frac{1}{N}}{1-e^{-\mathrm{\α}t}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

让气溶胶发生器1产生不同浓度和不同分布的气溶胶，或者改变超声波发射器5参数，比如安装个数和位置，超声波发射功率，发射频率等，可以测试得到各种情况的凝并效率。

Claims (3)

1.一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及分析方法，主要包括1气溶胶发生器、2阀门a、3K-85中性器、4阀门b、5超声波发射器、6凝并发生箱、7阀门c、8HEPA过滤器、9三通阀门、10粒径谱测试仪、11电脑、12真空泵、13阀门d、14环境温湿度及压力测试仪。真空泵12通过阀门d连接到凝并发生箱6，产生整个系统的流动压力。气溶胶发生器1产生亚微米级的气溶胶微粒，通过管道进入Kr-85中和器3进行电荷中和化处理；处理后的气流进入凝并发生箱6，上部安装了超声波发射器5，产生超声波促凝并效应。粒径谱测试仪10通过三通阀门9切换可以测量超声波效应前后的颗粒物粒径分布，所测得数据通过通讯电缆传输到电脑11；环境温湿度及压力测试仪14接入凝并发生箱箱6检测箱体内的温度、湿度及压力。

2.根据权利要求1所述本发明的测试装置，其特征在于：通过气溶胶发生器1生成亚微米颗粒物，经过K-85中性器中和后，在超声波发射器5作用下，流过凝并发生箱6，由粒径谱测试仪5记录实验数据，根据方程(1)计算超声波增强效应凝并系数。

3.一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及分析方法，其特征在于，包括下述步骤，本发明的操作步骤如下：

1)凝并发生箱体6洁净：关闭气溶胶发生器1及通道阀门2，打开HEPA阀门7，打开真空泵通道阀门13，启动真空泵12，并启动粒径谱测试仪10监测凝并发生箱6内颗粒物数浓度的同时，从外部进入的空气经过HEPA8净化后进入凝并发生箱6内，当粒径谱测试仪10监测到箱体内数浓度接近于零的时候，可以认为箱体内已经被净空，这时关闭真空泵通道阀门13及真空泵12，关闭HEPA通道阀门7，关闭粒径谱测试仪10。

2)无超声波效应凝并效率测试：启动气溶胶发生器1，打开阀门2，同时启动粒径谱测试仪10，当发现凝并发生箱6上部细微粒数浓度值达到10⁶个/cm³级别时，开始记录数据，每间隔5秒切换监测凝并发生箱6上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平均直径)，按照公式(1)计算平均凝并率k₀；

3)重复步骤1，洁净凝并箱体发生器6

4)超声波促进凝并效率测试：启动气溶胶发生器1，打开阀门2，同时启动粒径谱测试仪10，当发现凝并发生箱6上部细微粒数浓度值达到10⁶个/cm³级别时，启动超声波发射器5，开始记录数据，每间隔5秒切换监测凝并发生箱上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平均直径)，按照公式(2)计算增强平均凝并率k_c。