CN109883772B - 一种呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及呼吸粉尘技术领域，具体涉及呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，包括步骤S1、根据工况要求，确定基本参数及参数关系；步骤S1、根据相关公式确定各参数取值范围；步骤S3、采用4因素3水平的面中心的中心复合设计法确定工况数量及各工况对应的参数值以获取优选值；步骤S5、试验测试及优化，由此，分级效率优化方法简单可靠，按照本申请分级效率优化方法设计制造出来的分离装置相比于现有的呼吸性粉尘预分离器，不需要集尘部件即能够实现呼吸性粉尘的分离，不需要定期清理集尘结构，运行成本低廉且能够连续运行；此外，本申请仅需要一个动力设备以使流体从进气通道进入，不需要在第一出气通道设置抽吸等动力设备，成本更加低廉。

Description

一种呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法

技术领域

本发明涉及呼吸粉尘技术领域，具体涉及呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法。

背景技术

呼吸性粉尘指采集的粉尘空气动力学直径均在7.07微米以下，而且空气动力学直径5微米粉尘的采集效率为50％。一般呼吸性粉尘粒径是5μm以下的能进入人体肺泡区的颗粒物。它是引起尘肺的病因。尘粒在呼吸系统的沉积分为三个区域,即上呼吸道区(包括鼻、口、咽和喉部)；气管、支气管区；肺泡区(包括无纤毛的细支气管、肺泡管、肺泡管入口、肺泡和肺泡囊)。一般认为,空气动力径在10μm以上的尘粒为可见粉尘，大部分沉积在鼻咽部,10μm以下为显微粉尘和超显微粉尘可进入呼吸道深部,沉积在下呼吸道，长时间积累会破坏肺部细胞，不可治愈，危害生命。

呼吸性粉尘预分离器是呼吸性粉尘检测设备的关键部件，承担了分离总尘中呼吸性粉尘组分的任务，其设计性能的好坏直接影响到呼吸性粉尘检测的准确性，切割粒径、分离效能、误差等参数为评价呼吸性粉尘预分离器性能的重要指标。

目前，国内外呼吸性粉尘预分离器主要包括水平陶析器、平板冲击器和旋风分离器，这三种分离器虽分离原理不同，但是结构上均存在集尘部件，无法实现呼吸尘的连续分离。水平陶析器具有多层水平板，平板冲击器需要在集尘的平板上涂抹黏性介质，旋风分离器有集尘灰斗，随着采样时间延长，集尘部件上捕集的颗粒物越来越多，超过其额定容尘量，使得呼吸尘预分离器分离功能失效。

发明内容

本发明的目的在于针对目前呼吸性粉尘分离器长时间使用后失效的问题，提供一种呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，以使得制造出来的呼吸性粉尘连续分离装置能够解决上述问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、根据工况要求，确定基本参数及参数关系，包括流量Q₀、收集腔直径D₂与喷嘴直径D₁的关系、收集腔内圆角R与喷嘴直径D₁的关系，收集腔相对喷嘴的距离S与喷嘴直径D₁的关系，喷嘴长度L与喷嘴直径D₁的关系；步骤S2、确定喷嘴直径D₁，根据喷嘴直径D₁确定收集腔直径D₂、收集腔相对喷嘴的距离S和喷嘴长度L，喷嘴直径D₁通过以下公式获取喷嘴直径：

其中D₀为切割粒径,μ为气体动力粘度,ρ_p为颗粒物密度,d_p为颗粒物空气动力学直径，Q₀为采样流量,D₁为喷嘴直径,C_c为坎宁汉修正因子，S_tk0为切割粒径D₀对应的斯托克斯数；

步骤S3、采用4因素3水平的面中心的中心复合设计法确定工况数量及各工况对应的参数值，并对各工况建立结构三维模型，按照《呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》中关于BMRC曲线的要求，确定粒子直径D_pi，其中i＝1，2，3，4，5，然后采用计算机仿真分析方法对各工况的结构三维模型进行流场分析，使用计算机流体分析的颗粒追踪工具获取进气通道、第二出气通道和第一出气通道的粒子数，分别记为N_i0、N_i1、N_i2，记分离效能为

步骤S4、获取仿真优选值：采用步骤S3中获取的各工况数据值，以粒子直径D_pi为横坐标，η_i为纵坐标绘制曲线，形成各工况下的分离效能仿真曲线，构成曲线簇a，将所述曲线簇a中的各条曲线分别与标准BMRC曲线比对，在满足绝对误差在5％以内的前提下，若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为仿真优选值；若没有分离效能曲线满足误差要求，则通过插值法求取优选值；

步骤S5、试验测试及优化：根据步骤S4确定的仿真优选值加工实物试验样件，采用步骤S3中确定的五种粒子直径在步骤S1的流量Q₀参数工况下获取分级效率η_i，以粒子直径D_pi为横坐标，η_i为纵坐标绘制曲线，形成该工况下的分离效能真实曲线，将该工况下的分离效能真实曲线分别与标准BMRC曲线比对，在满足绝对误差在5％以内的前提下，若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为目标值，若没有分离效能曲线满足误差要求，则根据结构参数对分级效率的敏感程度，调整结构参数，重新加工样件进行测试，直至获取目标值。

作为优选，在步骤S1中，收集腔直径D₂＝1.2～1.4D₁，收集腔内圆角R＝0.8-1.2D₁，收集腔与喷嘴的距离S＝1.2～1.8D₁，喷嘴长度L＝0.8-1.6D₁。

作为优选，步骤S2中，根据BMRC曲线标准确定切割粒径D₀＝5.0μm，取C_C＝1，S_tk0＝0.36。

作为优选，在步骤S3中，确定的五种粒子直径D_pi分别为2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm和7.1μm，其中i＝1，2，3，4，5。

作为优选，在步骤S4中，通过插值法求取仿真优选值时，采用如下方法进行插值求取：

S4-1、采用中心复合设计法分析喷嘴直径D₁、收集腔直径D₂、收集腔内圆角R、收集腔相对喷嘴的距离S和喷嘴长度L五个结构参数之间的相关性以及对分级效率的敏感性，按照敏感性从大到小排列，找到对分级效率影响最大的结构参数，记为参数A；

S4-2、拟合喷嘴直径D1、收集腔直径D2、收集腔内圆角R、收集腔相对喷嘴的距离S和喷嘴长度L五个结构参数及粒子直径D_pi与分级效率的回归方程；

S4-3、将步骤S4中的所述曲线簇a中的各条曲线分别与BMRC标准曲线相比较，找到决定系数R²最大的两条分级效率曲线，确定其参数A值，分别记为A_1-和A₁₊；

S4-4、求A_1-和A₁₊的平均值，代入步骤S4-2中的所述回归方程，绘制分级效率曲线，记为b₁；

S4-5、将b₁加入步骤S4中的所述曲线簇a中，并求取曲线b₁在粒子直径分别为2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm和7.1μm时与BMRC曲线的绝对误差；若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为优选值；若不满足绝对误差要求，将曲线b₁放入曲线簇a中从而形成新的曲线簇a，采用新的曲线簇a进行步骤S4-3，直到满足为止。

作为优选，在步骤S5中，调整结构参数的方法如下：根据对分级效率影响最明显的结构参数A对分级效率的敏感程度，微调A的结构尺寸；若随A尺寸增大，分级效率增加，则减小A的尺寸值；反之同理。

与现有技术相比，本发明的有益效果：分级效率优化方法简单可靠，按照本申请分级效率优化方法制造出来的分离装置相比于现有的呼吸性粉尘预分离器，不需要集尘部件即能够实现呼吸性粉尘的分离，不需要定期清理集尘结构，运行成本低廉且能够连续运行；此外，本申请仅需要一个动力设备以使流体从进气通道进入，不需要在第一出气通道设置抽吸等动力设备，成本更加低廉。

附图说明：

图1为本申请分离器的结构示意图；

图2为本申请分离器的半剖示意图；

图3为本申请分离器的原理图；

图中标记：100-喷嘴，110-进气通道，200-弱流管，210-第一出气通道，300-分离管，310-第二出气通道。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本申请欲优化的呼吸性粉尘连续分离装置参见图1所示，包括分离管300和设置在分离管300上的喷嘴100，喷嘴100内设置有进气通道110，分离管300内设置有圆柱形的分离腔，进气通道110与分离腔的一端相通，分离腔内设置有弱流管200，弱流管200的官腔形成第一出气通道210，分离腔中除弱流管200占用的空间外形成第二出气通道310。弱流管200包括头部和管部，头部上设置有至少两个支板，支板使头部撑住分离腔的内壁从而使头部悬置在分离腔中，相邻支板之间的通道为第二通道的一部分。头部接近喷嘴100的一端为椎体形。

本申请的呼吸性粉尘连续分离装置原理图参见图3，欲使制造出来的分离装置的第一出气通道210中没有预设颗粒直径的粒子，此处说的没有，并不是绝对没有，而是概率事件。具体的，2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm和7.1μm等不同粒径对应的分级效率组成BMRC曲线，针对同一粒径的粒子，按照曲线对应的概率被分离(比如，当粒径接近0微米时，可以认为粒子全部通过第二出气通道310排出；当粒子增到2.2微米时，认为有90％的粒子通过第二通道排出，剩余10％通过第一通道排出；当粒子增到3.9微米时，认为有70％的粒子通过第二通道排出，剩余30％通过第一通道排出；当粒子增到5.0微米时，认为有50％的粒子通过第二通道排出，剩余50％通过第一通道排出；当粒子增到5.9微米时，认为有30％的粒子通过第二通道排出，剩余70％通过第一通道排出；当粒子增到7.1微米时，可以认为没有粒子通过第二通道排出，全部通过第一通道排出)。

为了研发出符合要求的呼吸性粉尘连续分离装置，按照以下步骤：

一种呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据工况要求，确定基本参数流量Q₀及参数关系：收集腔直径D₂＝1.2～1.4D₁，收集腔内圆角R＝0.8-1.2D₁，收集腔与喷嘴100的距离S＝1.2～1.8D₁，喷嘴100长度L＝0.8-1.6D₁；

步骤S2、确定喷嘴100直径D₁，根据喷嘴100直径D₁确定收集腔直径D₂、收集腔相对喷嘴100的距离S和喷嘴100长度L，喷嘴100直径D₁通过以下公式获取喷嘴100直径：

其中D₀为切割粒径,μ为气体动力粘度,ρ_p为颗粒物密度,d_p为颗粒物空气动力学直径，Q₀为采样流量,D₁为喷嘴100直径,C_c为坎宁汉修正因子，S_tk0为切割粒径D₀对应的斯托克斯数,根据BMRC曲线标准确定切割粒径D₀＝5.0μm，取C_C＝1，S_tk0＝0.36；

步骤S3、采用4因素3水平的面中心的中心复合设计法确定工况数量及各工况对应的参数值，并对各工况建立结构三维模型，按照《呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》中关于BMRC曲线的要求，确定五种粒子直径D_pi分别为2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm和7.1μm，其中i＝1，2，3，4，5，然后采用计算机仿真分析方法对各工况的结构三维模型进行流场分析，使用计算机流体分析的颗粒追踪工具获取进气通道110、第二出气通道310和第一出气通道210的粒子数，分别记为N_i0、N_i1、N_i2，记分离效能为

具体的，计算机流体分析的颗粒追踪工具可以采用流体分析软件Fluent，使用该软件的DPM模型进行分析处理；

步骤S4、获取仿真优选值：采用步骤S3中获取的各工况数据值，以粒子直径D_pi为横坐标，η_i为纵坐标绘制曲线，形成各工况下的分离效能仿真曲线，构成曲线簇a，将曲线簇a中的各条曲线分别与标准BMRC曲线比对，在满足绝对误差在5％以内的前提下，若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为仿真优选值；若没有分离效能曲线满足误差要求，则通过插值法求取优选值，，采用如下方法进行插值求取：

S4-1、采用中心复合设计法分析喷嘴100直径D₁、收集腔直径D₂、收集腔内圆角R、收集腔相对喷嘴100的距离S和喷嘴100长度L五个结构参数之间的相关性以及对分级效率的敏感性，按照敏感性从大到小排列，找到对分级效率影响最大的结构参数，记为参数A；

S4-2、拟合喷嘴100直径D1、收集腔直径D2、收集腔内圆角R、收集腔相对喷嘴100的距离S和喷嘴100长度L五个结构参数及粒子直径D_pi与分级效率的回归方程；

S4-3、将步骤S4中的曲线簇a中的各条曲线分别与BMRC标准曲线相比较，找到决定系数R²最大的两条分级效率曲线，确定其参数A值，分别记为A_1-和A₁₊；

S4-4、求A_1-和A₁₊的平均值，代入步骤S4-2中的回归方程，绘制分级效率曲线，记为b₁；

S4-5、将b₁加入步骤S4中的曲线簇a中，并求取曲线b₁在粒子直径分别为2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm和7.1μm时与BMRC曲线的绝对误差；若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为优选值；若不满足绝对误差要求，将曲线b₁放入曲线簇a中从而形成新的曲线簇a，采用新的曲线簇a进行步骤S4-3，直到满足为止；

步骤S5、试验测试及优化：根据步骤S4确定的仿真优选值加工实物试验样件，采用步骤S3中确定的五种粒子直径在步骤S1的流量Q₀参数工况下获取分级效率η_i，以粒子直径D_pi为横坐标，η_i为纵坐标绘制曲线，形成该工况下的分离效能真实曲线，将该工况下的分离效能真实曲线分别与标准BMRC曲线比对，在满足绝对误差在5％以内的前提下，若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为目标值，若没有分离效能曲线满足误差要求，则根据结构参数对分级效率的敏感程度，调整结构参数，重新加工样件进行测试，直至获取目标值，具体的，调整结构参数的方法如下：根据对分级效率影响最明显的结构参数A对分级效率的敏感程度，微调A的结构尺寸；若随A尺寸增大，分级效率增加，则减小A的尺寸值；反之同理。

Claims (6)

1.一种呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、根据工况要求，确定基本参数及参数关系，包括流量Q₀、收集腔直径D₂与喷嘴(100)直径D₁的关系、收集腔内圆角R与喷嘴(100)直径D₁的关系，收集腔相对喷嘴(100)的距离S与喷嘴(100)直径D₁的关系，喷嘴(100)长度L与喷嘴(100)直径D₁的关系；

步骤S2、确定喷嘴(100)直径D₁，根据喷嘴(100)直径D₁确定收集腔直径D₂、收集腔相对喷嘴(100)的距离S和喷嘴(100)长度L，喷嘴(100)直径D₁通过以下公式获取喷嘴(100)直径：

其中D₀为切割粒径,μ为气体动力粘度,ρ_p为颗粒物密度,d_p为颗粒物空气动力学直径，Q₀为采样流量,D₁为喷嘴(100)直径,C_c为坎宁汉修正因子，S_tk0为切割粒径D₀对应的斯托克斯数；

步骤S3、采用4因素3水平的面中心的中心复合设计法确定工况数量及各工况对应的参数值，并对各工况建立结构三维模型，按照《呼吸性粉尘测量仪采样效能测定方法》中关于BMRC曲线的要求，确定粒子直径D_pi，其中i＝1，2，3，4，5，然后采用计算机仿真分析方法对各工况的结构三维模型进行流场分析，使用计算机流体分析的颗粒追踪工具获取进气通道(110)、第二出气通道(310)和第一出气通道(210)的粒子数，分别记为N_i0、N_i1、N_i2，记分离效能为

步骤S4、获取仿真优选值：采用步骤S3中获取的各工况数据值，以粒子直径D_pi为横坐标，η_i为纵坐标绘制曲线，形成各工况下的分离效能仿真曲线，构成曲线簇a，将所述曲线簇a中的各条曲线分别与标准BMRC曲线比对，在满足绝对误差在5％以内的前提下，若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为仿真优选值；若没有分离效能曲线满足误差要求，则通过插值法求取优选值；

步骤S5、试验测试及优化：根据步骤S4确定的仿真优选值加工实物试验样件，采用步骤S3中确定的五种粒子直径在步骤S1的流量Q₀参数工况下获取分级效率η_i，以粒子直径D_pi为横坐标，η_i为纵坐标绘制曲线，形成该工况下的分离效能真实曲线，将该工况下的分离效能真实曲线分别与标准BMRC曲线比对，在满足绝对误差在5％以内的前提下，若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为目标值，若没有分离效能曲线满足误差要求，则根据结构参数对分级效率的敏感程度，调整结构参数，重新加工样件进行测试，直至获取目标值。

2.根据权利要求1所述的呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，其特征在于，在步骤S1中，收集腔直径D₂＝1.2～1.4D₁，收集腔内圆角R＝0.8-1.2D₁，收集腔与喷嘴(100)的距离S＝1.2～1.8D₁，喷嘴(100)长度L＝0.8-1.6D₁。

3.根据权利要求1所述的呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，其特征在于，步骤S2中，根据BMRC曲线标准确定切割粒径D₀＝5.0μm，取C_C＝1，S_tk0＝0.36。

4.根据权利要求1所述的呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，其特征在于，在步骤S3中，确定的五种粒子直径D_pi分别为2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm和7.1μm，其中i＝1，2，3，4，5。

5.根据权利要求1所述的呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，其特征在于，在步骤S4中，通过插值法求取仿真优选值时，采用如下方法进行插值求取：

S4-1、采用中心复合设计法分析喷嘴(100)直径D₁、收集腔直径D₂、收集腔内圆角R、收集腔相对喷嘴(100)的距离S和喷嘴(100)长度L五个结构参数之间的相关性以及对分级效率的敏感性，按照敏感性从大到小排列，找到对分级效率影响最大的结构参数，记为参数A；

S4-2、拟合喷嘴(100)直径D1、收集腔直径D2、收集腔内圆角R、收集腔相对喷嘴(100)的距离S和喷嘴(100)长度L五个结构参数及粒子直径D_pi与分级效率的回归方程；

S4-3、将步骤S4中的所述曲线簇a中的各条曲线分别与BMRC标准曲线相比较，找到决定系数R²最大的两条分级效率曲线，确定其参数A值，分别记为A_1-和A₁₊；

S4-4、求A_1-和A₁₊的平均值，代入步骤S4-2中的所述回归方程，绘制分级效率曲线，记为b₁；

S4-5、将b₁加入步骤S4中的所述曲线簇a中，并求取曲线b₁在粒子直径分别为2.2μm、3.9μm、5.0μm、5.9μm和7.1μm时与BMRC曲线的绝对误差；若有满足误差要求的曲线，则该曲线对应工况的结构参数值即为优选值；若不满足绝对误差要求，将曲线b₁放入曲线簇a中从而形成新的曲线簇a，采用新的曲线簇a进行步骤S4-3，直到满足为止。

6.根据权利要求5所述的呼吸性粉尘连续分离装置分级效率优化方法，其特征在于，在步骤S5中，调整结构参数的方法如下：根据对分级效率影响最明显的结构参数A对分级效率的敏感程度，微调A的结构尺寸；若随A尺寸增大，分级效率增加，则减小A的尺寸值；反之同理。

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