CN112014168A - 一种基于cfd模拟的油雾采样系统 - Google Patents

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张宏盛
张思轶
孙静楠
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Abstract

本发明公开了一种基于CFD模拟的油雾采样系统。该系统主要由油雾发生系统、混合区及采样系统三个部分组成。空压机将液态油压出后形成油雾与一定比例的空气混合，在混合区内将低浓度油雾控制均匀，通过经CFD模拟优化后的半挥发性二分采样器，可以精确测量油雾中颗粒相和气相污染物的浓度。本发明通过CFD模拟优化虚拟冲击器的设计参数，可以有效地降低壁损以提高油雾中颗粒物和气态污染物的分离效率。

Description

一种基于CFD模拟的油雾采样系统
技术领域
本发明涉及污染物采样技术领域，具体涉及一种基于CFD模拟的油雾采样系统。
背景技术
半挥发性气溶胶是由半挥发性有机化合物产生的，其蒸气压在10-11-10-4atm之间，由于其蒸汽压较低，所以同时存在于颗粒相和气相两种形态，而油雾是职业场所中典型的半挥发性气溶胶。众所周知，机加工行业由于金属切削液的大量使用会产生很多高浓度油雾，长期接触会极大地影响工人的身心健康，因此，精确的测量油雾浓度意义重大。先前的研究表明，虚拟撞击器可以有效的分离半挥发性气溶胶，自上世纪80年代以来，虚拟冲击器便被广泛用于大气采样，1988年国外学者对圆形喷嘴虚拟冲击器的设计和性能评估研究更是被视为虚拟冲击器设计领域的标准。时至今日，围绕虚拟冲击器的数值模拟和实验研究已经日趋成熟，相关的原型装置陆续开发，但由于原理限制，其性能受到诸多因素的影响，如入射角度、喷嘴间距、喷嘴尺寸、分流比、雷诺数等参数的设计以及广泛存在的交叉轨迹现象均会对截止粒径、分离效率以及壁损产生影响。通常，性能好的虚拟冲击器，应具有较低的截止粒径、较低的壁损以及较好的切割性能曲线以及较高的性价比。此外，油雾采样的相关研究国内还比较少，缺乏成熟的采样系统。因此，提出一种基于CFD模拟的油雾采样系统，在Fluent软件中通过比较三维模拟结果，获取最优化的设计参数，再辅以现在日益广泛的3D打印技术制造半挥发性二分采样器，从而通过采样系统精确的分离油雾中的颗粒相和气相污染物。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有油雾采样技术的不足，提出了一种基于CFD模拟的油雾采样系统。
本发明为解决背景技术中提出的问题，采用的技术方案是：本发明公开了一种基于CFD模拟的油雾采样系统，包括油雾发生系统、混合区及采样系统，所述油雾发生系统包括油雾发生器、空压机、调压阀、油水分离器、玻璃转子流量计、干燥管、质量流量控制计及显示仪，其主要功能是将油雾和空气配比通入油雾混合区以控制油雾浓度限值；所述油雾混合区包括亚克力舱、整流蜂窝网、均流板、HEPA滤网、离心式引风机、变频器，其主要功能是控制舱内油雾浓度稳定；所述油雾采样系统包括虚拟冲击器、粉尘检测仪、温湿度传感器，所述虚拟冲击器主流出口依次连接Tenax吸附管和真空泵，次流出口依次连接圆筒形静电采样器、过滤器、真空泵，所述圆筒形静电采样器中心固定铜丝连接高压电源，外壳接地，内壁贴附铝箔纸。
所述整流蜂窝网为定制的正六边形铝网，可以起到均流的作用。
所述圆筒形静电采样器直径为20mm，高度为100mm，在给定高压下，经Deutsch公式计算所得的收集效率在90％以上。
所述圆筒形静电采样器中心处铜丝采用定制螺丝固定，其材质为绝缘树脂。
所述虚拟冲击器几何模型通过Fluent软件进行了模拟优化。
所述虚拟冲击器由低成本的3D打印技术制造，其材质可为光敏树脂或者不锈钢，精度在±0.1mm左右。
所述过滤器为精密过滤器，型号为015QPS，可除尘、除水、除油。
所述采样系统包括两个粉尘监测仪和一个温湿度传感器，粉尘监测仪型号分别为DustTrak 8533和TSI 3330，前者用于监测采样位置油雾浓度稳定性，后者用于获取精确的粒子浓度和粒径分布；温湿度传感器型号为TH10S-B，用于实时监测采样位置环境参数。
所述采样系统的两个粉尘监测仪和一个温湿度传感器在亚克力舱的末端采样。
有益效果
本发明设计了一种基于CFD模拟的油雾采样系统，是一套完善的均匀发油、精准采样系统，能够准确的分离并定量油雾中颗粒物和气态污染物。该系统搭建成本低，易于部署，可以应用于职业场所半挥发性气溶胶的暴露水平的评估中。
附图说明
图1本发明的实验系统结构图；
图2为本发明中不同形式采样器模拟对比图；
图3为本发明中采样器标准三视图：a-主视图，b-左视图,c-俯视图；
图4为本发明中采样器A-A方向剖视图。
其中：1、油雾发生器，2、空压机，3、调压阀，4、油水分离器，5、质量流量控制器，6、流量显示仪，7、亚克力舱，8、玻璃转子流量计，9、干燥管、10、整流蜂窝网，11、均流板，12、真空泵、13、BGG负高压电源，14、QPS过滤器，15、圆筒形静电采样器，16、虚拟冲击器，17、离心式引风机，18、变频器，19、HEPA滤网，20、粉尘检测仪，21、温湿度传感器，22、Tenax吸附管，23、绝缘树脂螺丝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明的实验系统结构图，本发明提供了一种基于CFD模拟的油雾采样系统，包括油雾发生系统、混合区及采样系统，所述油雾发生系统包括油雾发生器1、空压机2、调压阀3、油水分离器4、玻璃转子流量计8、干燥管9、质量流量控制计5及显示仪6，其主要功能是将油雾和空气以一定比例通入油雾混合区以控制油雾浓度限值；所述油雾混合区包括亚克力舱7、整流蜂窝网10、均流板11、HEPA滤网19、离心式引风机17、变频器18，其主要功能是控制舱内油雾浓度稳定；所述油雾采样系统包括虚拟冲击器16、粉尘检测仪20、温湿度传感器21，所述虚拟冲击器16主流出口依次连接Tenax吸附管22和真空泵12，次流出口依次连接圆筒形静电采样器15、过滤器14、真空泵12，所述圆筒形静电采样器15中心固定铜丝连接高压电源13，外壳接地，内壁贴附铝箔纸。所述整流蜂窝网10为定制的正六边形铝网，可以起到均流的作用。所述圆筒形静电采样器15直径为20mm，高度为100mm，在给定高压下，经Deutsch公式计算所得的收集效率在90％以上。所述圆筒形静电采样器15采样器中心处铜丝采用定制螺丝23固定，其材质为绝缘树脂。所述虚拟冲击器16几何模型通过Fluent软件进行了模拟优化。所述虚拟冲击器16由低成本的3D打印技术制造，其材质可为光敏树脂或者不锈钢，精度在±0.1mm左右。所述过滤器14为精密过滤器，型号为015QPS，可除尘、除水、除油。所述采样系统包括两个粉尘监测仪20和一个温湿度传感器21，粉尘监测仪20型号分别为DustTrak 8533和TSI 3330，前者用于监测采样位置油雾浓度稳定性，后者用于获取精确的粒子浓度和粒径分布；温湿度传感器21型号为TH10S-B，用于实时监测采样位置环境参数。所述采样系统的两个粉尘监测仪20和一个温湿度传感器21在亚克力舱7的末端采样。
图2为本发明中不同形式采样器模拟对比图，通过Ansys公司的Fluent18.2软件对虚拟冲击器的三维模型进行模拟优化，此处着重分析了虚拟冲击器接收喷嘴的形式对其分离效率和壁损的影响，结果表明圆角和发散形式的接收喷嘴切割性能曲线要好于直角形式的喷嘴，即有更高的分离效率。圆角形式的接收喷嘴在采样器内部的壁损远小于直角和发散形式的喷嘴，且后两者壁损曲线相差不大，均有较高壁损。因此本发明设计时采取了圆角形式的喷嘴，其余参数的设计则基于业界普遍公认的经验数值。
图3和图4分别为本发明中采样器标准三视图和A-A方向剖视图，单位均为毫米。
本发明在使用时，首先开启油雾发生系统以及引风机17，通过调压阀3、质量流量控制器5及玻璃转子流量计8的调节使真空泵12压缩出的油雾与空气以一定比例混合，通过变频器18控制混合区内污染物流速，当粉尘检测仪20检测到均匀的低浓度油雾，且5分钟内维持稳定可认为此时发油均匀。开启油雾采样系统，在将虚拟冲击器16接入采样位置前完成以下两个步骤：1、用电子天平称重已贴附铝箔纸的圆筒形静电采样器15；2、调节玻璃转子流量计8和真空泵12将虚拟冲击器16主流和次流两个出口的流量比控制在9:1。此时开启油雾采样系统，等待20min后关闭系统，取下圆筒形静电采样器15对其进行称重，并将Tenax吸附管22冷藏保存。圆筒型静电采样器15前后质量差与粉尘检测仪所测油雾浓度的之比即为分离效率，进一步可以利用气相色谱法对热解吸后的Tenax吸附管15进行分析，以研究油雾中的挥发性成分。
本发明公开和提出的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (9)

1.一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，包括油雾发生系统、混合区及采样系统，所述油雾发生系统包括油雾发生器、空压机、调压阀、油水分离器、玻璃转子流量计、干燥管、质量流量控制计及显示仪，其主要功能是将油雾和空气配比通入油雾混合区以控制油雾浓度限值；所述油雾混合区包括亚克力舱、整流蜂窝网、均流板、HEPA滤网、离心式引风机、变频器，其主要功能是控制舱内油雾浓度稳定；所述油雾采样系统包括虚拟冲击器、粉尘检测仪、温湿度传感器，所述虚拟冲击器主流出口依次连接Tenax吸附管和真空泵，次流出口依次连接圆筒形静电采样器、过滤器、真空泵，所述圆筒形静电采样器中心固定铜丝连接高压电源，外壳接地，内壁贴附铝箔纸。
2.如权利要求1所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述整流蜂窝网为定制的正六边形铝网，可以起到均流的作用。
3.如权利要求1所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述圆筒形静电采样器直径为20mm，高度为100mm，在给定高压下，经Deutsch公式计算所得的收集效率在90％以上。
4.如权利要求1所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述圆筒形静电采样器中心处铜丝采用定制螺丝固定，其材质为绝缘树脂。
5.如权利要求1所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述虚拟冲击器几何模型通过Fluent软件进行了模拟优化。
6.如权利要求1所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述虚拟冲击器由低成本的3D打印技术制造，其材质可为光敏树脂或者不锈钢，精度在±0.1mm左右。
7.如权利要求1所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述过滤器为精密过滤器，型号为015QPS，可除尘、除水、除油。
8.如权利要求1所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述采样系统包括两个粉尘监测仪和一个温湿度传感器，粉尘监测仪型号分别为DustTrak 8533和TSI3330，前者用于监测采样位置油雾浓度稳定性，后者用于获取精确的粒子浓度和粒径分布；温湿度传感器型号为TH10S-B，用于实时监测采样位置环境参数。
9.如权利要求8所述的一种基于CFD模拟的油雾采样系统，其特征在于，所述采样系统的两个粉尘监测仪和一个温湿度传感器在亚克力舱的末端采样。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112683600A (zh) * 2020-12-17 2021-04-20 山东大学 一种基于传感器控制的全自动雾水采样器及其使用方法
CN112903553A (zh) * 2021-02-09 2021-06-04 太原理工大学 一种自动化可视多因素耦合的除尘实验系统
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