RU200194U1

RU200194U1 - DEVICE FOR QUICK ANALYSIS OF THE CONTENT OF DROPS IN ATMOSPHERIC HIGHLY CONCENTRATED AEROSOL EMISSIONS AND CLOUDS

Info

Publication number: RU200194U1
Application number: RU2020106155U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Загнитько; Иван Дмитриевич Мацуков; Николай Пантелеевич Зарецкий
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2020-10-12

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для быстрого анализа содержания капель в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах, экологического мониторинга окружающей среды и предупреждения техногенных аварий на объектах топливно-энергетического комплекса. Устройство для быстрого анализа содержания капель в атмосферных высококонцентрированных аэрозольных выбросах и облаках содержит 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 нержавеющей проволоки с одинаковыми квадратными ячейками, установленной поперек сечения прямоугольного канала на его выходе с течением через нее аэрозольного потока в измерительный канал. Техническим результатом является улучшение технических характеристик устройства для быстрого анализа содержания капель в атмосферных аэрозольных выбросах. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to the field of measuring technology and can be used for rapid analysis of the droplet content in atmospheric highly concentrated aerosol emissions, environmental monitoring of the environment and prevention of man-made accidents at the facilities of the fuel and energy complex. A device for rapid analysis of droplet content in atmospheric highly concentrated aerosol emissions and clouds contains a suspension unit, two parallel, rigidly connected rectangular channels with rectangular inlet openings for the simultaneous flow of aerosols through measuring channels for fast droplet analysis containing semiconductor lasers and photodiodes installed coaxially on the inner surface of rectangular channels, an electronic unit for power supply and control with a system for digitizing and transmitting signals of measuring channels to a remote computer, a rectangular channel with a separator of coarse droplets, docked with a rectangular opening for the flow of aerosols into the measuring channel, while the separator of coarse droplets is made in in the form of a woven mesh made of round stainless wire with identical square cells installed across the section of a rectangular channel at its outlet with an aerosol stream flowing through it to the measuring channel. The technical result is to improve the technical characteristics of the device for rapid analysis of the droplet content in atmospheric aerosol emissions. 1 wp f-ly, 1 dwg

Description

Область техникиTechnology area

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.).The utility model relates to the field of measuring technology and can be used for rapid analysis of the droplet content in atmospheric highly concentrated aerosol emissions with the formation of turbulent clouds, environmental monitoring of the environment and prevention of man-made accidents at the facilities of the fuel and energy complex associated with the production of hydrocarbon fuels (kerosene, gasoline , diesel fuel, low-viscosity fuel oil, etc.).

Уровень техникиState of the art

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/м³.Known photoelectric device for measuring the concentration and size of cloud droplets (USSR author's certificate No. 172094), including a sampling tube for collecting drops, oriented towards the incoming analyzed air flow, a light source, a slit, a lens, the central part of which is closed by a diaphragm, a lens for collecting light, scattered by particles by a photomultiplier tube. The disadvantage of this device is the impossibility of rapid analysis of droplets in atmospheric clouds and concentrated pulsed aerosol emissions with a high mass concentration of droplets M≈5-500 g / m ³ within ≈0.01 s.

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.Known device for measuring the content of aerosols in the air flow (RF patent for useful model No. 38837), including a channel for suction of the analyzed air with a filter at the entrance to it, an inducer of the draft of the analyzed air by a centrifugal fan, a flow sensor and a measuring unit for the gas dynamic resistance of the filter. The device is pre-calibrated by measuring the dependence of the aerodynamic resistance of the filter on the mass of the captured filtrate of dispersed impurities at a constant air flow rate. Its disadvantage is the impossibility of performing a simultaneous rapid analysis of the size, mass, counting and surface concentration of dispersed particles in an aerosol emission or turbulent cloud with a speed of τ≈0.01 s.

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.A device is known for measuring the content of dust and droplets in the air (RF patent for utility model No. 182124), containing a capacitive cell with two electrodes connected to the measuring equipment, made gas-permeable with a filter element located between them, while one of the electrodes has the form of a coil with holes, connected to the measuring equipment, and the second electrode is made in the form of a grid installed outside the coil. The disadvantage of this device is the clogging of the filter element with filtrate and the need for its periodic replacement during operation, as well as the impossibility of simultaneous and rapid analysis of the size, mass, surface and counting concentration of droplets in atmospheric aerosol emissions and dynamic clouds within 0.01 s.

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).The closest in technical essence to the claimed utility model is a device for analyzing the content of aerosols in atmospheric air, described in the article "Fast laser analyzer of small and large drops in an aerosol stream", A.V. Zagnitko, N.P. Zaretsky, Kanikevich, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, journal of the Russian Federation "Instruments and Experimental Techniques", 2019, No. 5, p. 150-152 (prototype).

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.The device contains a block of its suspension on a cable or a mast, two parallel rigidly connected rectangular channels with rectangular holes for the simultaneous flow of a two-phase flow of aerosols and gases through the measuring channels for the analysis of small and large drops, containing semiconductor lasers and photodiodes mounted coaxially on the inner surface of rectangular channels, an electronic unit for power supply and control with a system for digitizing and transmitting signals of measuring channels to a remote computer, a rectangular channel of constant cross section with a large droplet separator installed in it in front of a rectangular opening for aerosol flow into the measuring channel.

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(I₀/I) и удельной поверхностной концентрации S₀=π<d²>n=9,2 D/L мелких и грубодисперсных капель, а также их стандартного отклонения, где I₀ и I - соответственно интенсивность лазерного излучения без и в присутствии полидисперсных капель с неизвестным распределением ƒ₀(d) по диаметру,<d²>^0.5 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).The prototype device is designed for rapid analysis of aerosol content in clouds and / or in turbulent emissions in the form of jets in atmospheric air by measuring the optical density of drops D = log (I ₀ / I) and specific surface concentration S ₀ = π <d ² > n = 9.2 D / L of small and coarsely dispersed droplets, as well as their standard deviation, where I ₀ and I are, respectively, the intensity of laser radiation without and in the presence of polydisperse droplets with an unknown distribution ƒ ₀ (d) over the diameter, <d ² > ^0.5 and n is their root-mean-square diameter and counting concentration, respectively, L is the optical length of the measuring channel of the device (Zuev V.E., Kabanov M.V. Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Gidrometeoizdat. 255 pp. 1987; Fast laser analyzer of small and large drops in aerosol flow ", A.V. Zagnitko, N.P. Zaretsky, Kanikevich, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, journal of the Russian Federation" Instruments and Experimental Techniques ", 2019, No. 5, pp. 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.Its disadvantage is the impossibility of simultaneous analysis of the optical density, size, mass, countable and surface concentration of droplets in atmospheric aerosol emission with the formation of dynamic clouds of water or fuel liquids.

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.The technical problem to be solved by the claimed utility model is the unification of the design of the device for the rapid analysis of the content of droplets in atmospheric highly concentrated aerosol emissions and clouds of water or fuel liquids and the expansion of its functionality.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

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.The technical result of the claimed utility model is to improve the technical characteristics of the device for rapid analysis of the droplet content in atmospheric aerosol emissions by simultaneous and rapid analysis of the optical density, size, mass, countable and surface concentration of water droplets or fuel liquids (kerosene, diesel fuel, fuel oil, gasoline, etc. etc.) in atmospheric aerosol emissions with the formation of clouds with intense turbulent mixing.

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.To achieve the technical result, a device for rapid analysis of the droplet content in highly concentrated atmospheric aerosol emissions and clouds is proposed, containing a block of its suspension, two parallel rigidly connected rectangular channels with rectangular inlet openings for the simultaneous flow of aerosols through the measuring channels for rapid analysis of droplets containing semiconductor lasers and photodiodes mounted coaxially on the inner surface of rectangular channels, an electronic unit for power supply and control with a system for digitizing and transmitting signals of measuring channels to a remote computer, a rectangular channel with a separator of coarse droplets, docked with a rectangular hole for the flow of aerosols into the measuring channel, while , the separator of coarse droplets is made in the form of a woven mesh made of round nickel or stainless wire with identical square cells, installed across a rectangular cross-section channel at its outlet with the aerosol flow through it into the measuring channel.

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 мм², а площадь ее живого сечения составляет от 30 до 50% от всей площади тканой сетки.In addition, the size of identical square cells in the light of a woven mesh made of round stainless wire installed across the section of a rectangular channel at its outlet with an aerosol flow through it into the measuring channel varies from 0.0025 to 0.1 mm ² , and the area of its living section is from 30 to 50% of the entire area of the woven mesh.

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.The living section of a woven mesh made of a round stainless wire, installed across the section of a rectangular channel at its outlet with an aerosol flow through it into the measuring channel, is determined by the ratio of the area of the cells in the light to the entire area of the mesh, expressed as a percentage, according to GOST 2715-75 Metal wire mesh ... Types, main parameters and sizes.

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.As a result of installing a separator of coarsely dispersed drops, made in the form of a woven mesh made of round stainless wire with identical square cells, across the section of a rectangular channel at its outlet with an aerosol flow through it into the measuring channel, the technical result of the claimed utility model is achieved, namely, simultaneous and rapid analysis optical density, size, mass and surface concentration of water droplets or fuel liquids (kerosene, diesel fuel, fuel oil, gasoline, etc.) in atmospheric highly concentrated aerosol emissions with the formation of dynamic clouds.

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.The woven mesh is made of stainless wire and therefore is not wetted by water or fuel fluids with a dynamic viscosity of less than 10-20 mPa.s at a positive temperature T = (5-50) ° C.

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 мм² и с площадь ее живого сечения более 90% от всей площади сварной сетки.To impart rigidity and mechanical strength, a woven mesh made of round stainless wire, installed across the section of a rectangular channel at its outlet with an aerosol flow through it into the measuring channel, is reinforced on both sides with a welded mesh with a square mesh size of more than 10 mm ² and the area of its living sections of more than 90% of the entire area of the welded mesh.

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 мм² мкм, а площадь ее живого сечения составляет от 30 до 50% от всей площади сетки.For a quick analysis of droplet content in a wide range of d ≈ 20-1000 μm and submicron droplets with d <3-5 μm, the size of identical square cells in the light of a woven mesh made of round stainless wire varies from 0.0025 to 0.1 mm ² μm, and the area of its free cross-section is from 30 to 50% of the entire area of the mesh.

Быстродействие заявляемой полезной модели для анализа содержания капель в высококонцентрированном аэрозольном выбросе составляет около 1 мс.The speed of the claimed utility model for analyzing the content of droplets in a highly concentrated aerosol discharge is about 1 ms.

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 см² 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/см².Installed across the section of the rectangular channel 11 at its outlet, a rectangular-shaped metal woven mesh 12 represents a highly porous medium with the following parameters: mesh thickness h (c) ≈ 100-500 μm; the linear size of its square cells in the light d (i) × d (n) varies from 50x50 to 300x300 microns; wire diameter d (n) = 50-300 μm and open porosity P (c)> 50%. The filtration capacity of 1 cm ^{2 of} woven metal in relation to the liquid filtrate with a density ρ is t ≈ h (c) fl (c) p and for the selected parameters of the meshes varies from 0.005-0.05 g / cm 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/м³ их массовый поток MV на поверхность 1 см² 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).When the aerosol flow of droplets flows through the mesh 12, they are filtered by inertia, engagement, sieve and diffusion capture. For the analyzed, highly concentrated and polydisperse droplets with M> 5-10 g / m ^3, their mass flow MV to the surface of 1 cm ^{2 of the} mesh significantly exceeds their mass filtration capacity in relation to the liquid filtrate and MV >> t, where V> 1-5 m / s - flow rate of aerosol ejection droplets through the grid. Large polydispersed droplets with a diameter of more than 30-40 μm with an initial distribution over the diameter fo (d) are captured by the grid with an efficiency of more than 95% due to inertia, engagement and sieve capture in the mode of their clogging with filtrate. As a result, the square cells of the woven mesh are continuously flooded with filtrate with the formation of a liquid film on its surface, followed by its continuous spraying under the action of the aerodynamic pressure of the air flow (Sinaisky E.G., Lapiga E.A., Zaitsev Yu.V. Separation of multiphase multicomponent systems. Moscow. Nedra. 621 S. 2002). It was experimentally shown that the secondary spectrum of droplets in the process of dispersing a liquid film of water filtrate or fuel liquids with a dynamic viscosity of less than 20 mPa.s at V = 3-40 m / s consists of moderately monodisperse droplets f (d1), the average size of which practically coincides with the size of the square cells of the grid d (i) without the effect of secondary aerodynamic fragmentation of droplets after the grid with given parameters by the air flow (Raist P. Aerosols, introduction to theory. Moscow. Mir. 280 S. 1987).

Определение удельной поверхности капель до сетки S₀ с неизвестным распределением по размерам ƒ₀(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)/πd²(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)]/ρS₀ и n(t) ≈ S₀/πd(t)².Determination of the specific surface area of droplets before the grid S ₀ with an unknown size distribution ƒ ₀ (d) in the measuring channel without a grid and analysis of the specific surface area of secondary drops after the grid S (1) with a moderately monodisperse distribution ƒ (d1) in the measuring channel with a grid versus time and the estimation of their diameter after the grid makes it possible to calculate the countable n (1) and mass M (1) concentrations of secondary droplets each ≈0.01 s according to the formulas n (1) ≈ S (1) / πd ² (i) and M (1) = S (1) d (i) ρ / 6. Since the values of the mass concentration of droplets before M and after M (1) of the woven mesh practically coincide over the time interval of the analysis of drops of about 0.01 s, this makes it possible to determine the change in the diameter d (t) and the counting concentration n (t) of the primary drops to the woven mesh from time t by the formulas d {t) ≈ 6 [(М (1)] / ρS ₀ and n (t) ≈ S ₀ / πd (t) ² .

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.As a result, a simultaneous and rapid analysis is carried out for ≈ 0.01 s optical density, diameter, mass, countable and surface concentration of water droplets or fuel liquids (kerosene, diesel fuel, fuel oil, gasoline, etc.) in atmospheric highly concentrated aerosol emissions with the formation of dynamic clouds.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для быстрого анализа содержания капель в высококонцентрированных атмосферных аэрозольных выбросах и облаках, где:The figure shows a schematic diagram of the claimed device for rapid analysis of the droplet content in highly concentrated atmospheric aerosol emissions and clouds, where:

1 и 2 - два одинаковых параллельных и жестко состыкованных прямоугольных швеллера;1 and 2 - two identical parallel and rigidly joined rectangular channels;

3 и 4 - прямоугольные входные одинаковые отверстия на поверхности швеллеров 1 и 2;3 and 4 - rectangular inlet identical holes on the surface of channels 1 and 2;

5 - блок подвески устройства;5 - device suspension unit;

6 и 7 - два параллельных полупроводниковых лазера с коллиматорами;6 and 7 - two parallel semiconductor lasers with collimators;

8 и 9 - два параллельных фотодиода с коллиматорами;8 and 9 - two parallel photodiodes with collimators;

10 - электронный блок;10 - electronic unit;

11 - прямоугольный канал сепаратора грубодисперсных аэрозолей;11 - rectangular channel of the coarse aerosol separator;

12 - тканая сетка из никелевой или нержавеющей проволоки, установленная в канале 11 на его выходе с течением потока аэрозолей в измерительный канал 13;12 - woven mesh of nickel or stainless wire, installed in channel 11 at its outlet with the flow of aerosols into the measuring channel 13;

13 - измерительный канал содержания аэрозолей с сеткой 12;13 - measuring channel of aerosol content with a grid 12;

14 - измерительный канал содержания аэрозолей без сетки 12;14 - measuring channel of aerosol content without grid 12;

15 - армирующая сварная сетка с квадратными ячейками более 8-10 мм² и с площадь ее живого сечения не менее 90% от всей площади сварной сетки.15 - reinforcing welded mesh with square cells of more than 8-10 mm ² and with an area of its free section of at least 90% of the entire area of the welded mesh.

L - длина входных отверстий 3 или 4;L is the length of the inlet holes 3 or 4;

Q - объемный расход воздуха в измерительные каналы 13 и 14.Q - volumetric air flow rate into measuring channels 13 and 14.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

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.The figure shows a schematic diagram of the claimed device for rapid analysis of droplet content in highly concentrated atmospheric aerosol emissions and clouds. The device contains a suspension block 5 on a cable or mast, two identical rigidly and parallel docked rectangular channels 1 and 2 with rectangular inlet identical holes 3 and 4 of length L for the simultaneous flow of two aerosol streams through two measuring parallel channels 13 and 14, consisting of coaxial located semiconductor lasers 6 and 7 and two photodiodes 8 and 9 for recording their radiation, electronic unit 10 for power supply and control of measuring channels 13 and 14 with a system for digitizing and transmitting their signals to a remote computer using twisted pair wires. A rectangular channel 11 is installed in front of the inlet 4 of the aerosol measuring channel 13, in which a woven mesh 12 is located for a two-phase flow of aerosols and gases in a transverse flow with inertial capture of coarse particles. Rectangular channels 1 and 2 are made of plastic, composite hydrocarbon materials or metal.

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 мм², а площадь ее живого сечения П(c) составляет от 30 до 50% от всей площади сетки.For a quick analysis of the content of large droplets in a wide range of d ≈ 20-1000 μm and submicron droplets with d <3 μm, the size of identical square cells in the light of a woven mesh made of round nickel or stainless wire varies from 0.0025 to 0.1 mm ² , and the area of its free cross-section P (c) is from 30 to 50% of the entire mesh area.

Уменьшение величины Я(с) приводит к увеличению аэродинамического сопротивления сетки 72 и к замедлению скорости потока капель через сетку, что влияет на точность измерений.A decrease in the value of R (c) leads to an increase in the aerodynamic resistance of the mesh 72 and to a slowdown in the flow rate of drops through the mesh, which affects the measurement accuracy.

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.An increase in P (c) values above 50% is technically difficult to implement for woven nets with a linear mesh size from 100 to 300 μm and a wire diameter of about 100 μm.

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.The living section of a woven mesh made of a round nickel or stainless wire installed across the section of a rectangular channel at its outlet with an aerosol flow through it into the measuring channel is determined by the ratio of the area of the cells in the light to the entire area of the mesh, expressed as a percentage, according to GOST 2715-75 Grids metal wire. Types, main parameters and sizes.

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 мм² и с площадью ее живого сечения не менее 90% от всей площади сварной сетки.To give rigidity and mechanical strength, the woven mesh 12 made of round nickel or stainless wire is reinforced on both sides with a welded mesh 15 with a square mesh size of more than 8-10 mm ² and an area of its free section of at least 90% of the entire area of the welded mesh.

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).For long-term operation and elimination of possible deposition of drops on the surface of the lenses of laser objectives and photodiodes, a system is provided for blowing them with clean air (not shown in the figure).

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.The woven mesh 12 is made of nickel or stainless wire and therefore is not wetted by water or fuel fluids with a dynamic viscosity of less than 20 mPa.s at T = (5-50) ° C.

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 мм² с площадью живого сечения П(c) = (30-50)%), а диаметр круглой проволоки d(п) ≈ 50-200 мкм. Фильтрационная емкость 1 см² 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/см².Installed across the section of a rectangular channel at its outlet, a rectangular-shaped metal woven mesh represents a highly porous medium with the following parameters: mesh thickness h (c) ≈ 100-300 μm; the size of its square cells in the light d (i) x d (i) varies from 50 × 50 to 300 × 300 μm or from 0.0025 to ≈0.1 mm ² with a free cross-sectional area P (c) = (30-50 )%), and the diameter of the round wire d (n) ≈ 50-200 μm. The filtration capacity of 1 cm ^{2 of} woven metal in relation to the liquid filtrate with a density ρ is m ≈ h (s) P (s) ρ and for the selected parameters of woven nets varies from 0.001-0.02 g / cm ² .

Для высококонцентрированных и полидисперсных капель с М>5-10 г/м³ их массовый поток MVt на поверхность 1 см² 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.For highly concentrated and polydisperse droplets with M> 5-10 g / m ^3, their mass flow MVt on the surface of 1 cm ^{2 of} woven mesh significantly exceeds their mass filtration capacity m in relation to the liquid filtrate and MVt >> m at t> 0.01- 0.1 s, where V> 3-5 m / s is the flow velocity of aerosol ejection droplets through the grid.

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 мм² 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) ≈ pd²(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^-4 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).When describing woven nets, they are considered in the form of joined two frames with parallel strings stretched on them, arranged perpendicularly. In the process of the aerosol flow of droplets through a mesh with a mesh size of 0.0025 to 0.1 mm ² and a free cross-sectional area of 30 to 50%, they are filtered due to inertia, engagement, sieve and diffusion capture (Sinaisky E.G., Lapiga E.A., Zaitsev Yu.V. Separation of multiphase multicomponent systems. Moscow. Nedra. 621 S. 2002). When the aerosol stream flows around the wires of the mesh 12, the trajectories of the droplets due to their inertia deviate from the streamlines and are deposited on its surface. For relatively large droplets, their trajectories are close to rectilinear and the efficiency of inertial capture of droplets is Е ≈ 100%. The main parameter that determines the inertial deposition of smaller droplets is the Stokes number Stk = τ (p) V / d (n), where τ (p) ≈ pd ² (18η) is the relaxation time of a drop with a diameter d <150 μm for which the drag force medium is determined by the Stokes formula, V is the gas velocity far from the cylinder, ρ is the particle density, η ≈ 1.8 × 10 ^-4 poise is the dynamic viscosity of air at 20 ° C (Raist P. Aerosols, introduction to theory. Moscow. Mir. 280 S. 1987). The critical Stokes number is ≈ 0.25, and at lower values of the Stokes number, the droplets are not deposited on a round wire (Raist P. Aerosols, introduction to the theory. Moscow. Mir. 280 S. 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.As a result, submicron droplets with d <1–2 μm practically do not deposit on the selected types of woven nets, since their Stokes number is less than the critical value of 0.25 with a wire diameter of about 100 μm and an aerosol flow velocity V ≈ 10 m / s. In this case, the values of the droplet surface measured simultaneously in two channels 13 and 14 practically coincide. This means that in the process of aerosol release of water or fuel liquids, submicron droplets with a diameter of less than 1-2 microns were formed.

Дисперсные крупные капли диаметром более 30-40 мкм с начальным распределением по диаметру ƒ₀(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).Dispersed large droplets with a diameter of more than 30-40 microns with an initial distribution over the diameter ( ₀ (d) are captured by the mesh with an efficiency of more than 95% due to inertia, engagement and sieve capture in the mode of their clogging with filtrate. If the droplet size is larger than the linear cell size in the light d ≥ d (i), then their filtration efficiency is E = 100%. As a result, the square cells of the woven mesh are continuously flooded with filtrate with the formation of a liquid film on its surface, followed by its continuous spraying under the action of the aerodynamic pressure of the air flow (Sinaisky E.G., Lapiga E.A., Zaitsev Yu.V. Separation of multiphase multicomponent systems. Moscow. Nedra. 621 S. 2002). It was experimentally shown that for the secondary spectrum of droplets in the process of dispersing a liquid film of water filtrate or fuel liquids with a dynamic viscosity of less than 20 mPa.s at V = 3-40 m / s consists of moderately monodisperse droplets f (d1), the average size of which is practically coincides with the size of the square cells of the grid d (n) without the effect of secondary aerodynamic fragmentation of droplets after the grid with given parameters by the air flow (Raist P. Aerosols, introduction to the theory. Moscow. Mir. 280 S. 1987).

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=I₀exp(-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 ≈ I₀exp(-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).According to the theory of scattering of a plane electromagnetic wave (Zuev V.E., Kabanov M.V. Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Gidrometeoizdat.255 S. 1987) half of the attenuation of the energy flux incident on a homogeneous large sphere with a diameter of d> 2-3 microns is caused by wave diffraction on its contour, and the other by scattering due to reflection and absorption. According to the Lambert-Bouguer-Beer law, the attenuation of radiation in dispersed media can be calculated by the formula I = I ₀ exp (-KL), where K is the volumetric attenuation coefficient (Zuev V.E., Kabanov M.V. Atmospheric aerosol optics. Leningrad. Gidrometeoizdat. 255 p. 1987; Fast laser analyzer of small and large droplets in an aerosol flow ", A.V. Zagnitko, N.P. Zaretskiy, Kanikevich, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, RF journal" Devices and experimental technique ", 2019, No. 5, pp. 150-152). As a result, the attenuation of light expressed in terms of the surface S or mass M concentration of polydisperse drops is I ≈ I ₀ exp (-SL / 4). The value S = 9.2 D / L, a M = Sρd (t) / 6 (Zuev BE, Kabanov MV Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Gidrometeoizdat. 255 p. 1987; Fast laser analyzer of small and large droplets in aerosol stream ", A.V. Zagnitko, N.P. Zaretsky, Kanikevich, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedin, the journal of the Russian Federation" Instruments and Experiment Techniques ", 2019, No. 5, pp. 150-152).

Величины I и I₀ от лазеров 6 и 7 регистрируются фотодиодами 8 и 9 в измерительных каналах 13 и 14, соответственно.The values of I and I ₀ from lasers 6 and 7 are recorded by photodiodes 8 and 9 in measuring channels 13 and 14, respectively.

Измерение удельной поверхности капель до сетки So с неизвестным распределением по размерам ƒ₀(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):Measurement of the specific surface area of droplets up to a grid So with an unknown size distribution ƒ ₀ (d) in a channel without a grid and an analysis of the specific surface area of secondary droplets after a grid S (1) with a moderately monodisperse distribution ƒ (d1) in a channel with a grid versus time and their estimation diameter after the grid allows you to calculate the counting n (1) and mass M (1) concentration of secondary droplets each ≈0.01 s according to the formula (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:This makes it possible to determine the change in the diameter d (t) and the counting concentration n (t) of the primary droplets to the woven mesh from time t according to formula (2), since the values of the mass concentration of droplets before M and after M (1) of the woven mesh practically coincide over the time interval analysis of drops about 0.01 s:

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.As a result, a simultaneous and rapid analysis is carried out for ≈ 0.01 s optical density, diameter, mass and surface concentration of water droplets or fuel liquids (kerosene, diesel fuel, fuel oil, gasoline, etc.) in atmospheric highly concentrated aerosol emissions with the formation dynamic clouds.

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.The device works as follows. It is suspended on a mast or cable using block 5 at a height of up to 50 m in the atmosphere. The analyzed convective flow of droplets and air in the atmospheric aerosol release enters the measuring channels 13 and 14. As a result, the values of the optical density D are simultaneously measured from the measured values of I and 1o in channel 13 after the mesh 12, and in channel 14 without mesh 12. This allows at the same time, determine the surface concentration of droplets from the measured values of D according to the Lambert-Bouguer-Beer law, which describes the attenuation of radiation in dispersed media, taking into account the geometric dimensions of the device (Zuev V.E., Kabanov M.V. Optics of atmospheric aerosol. Leningrad. Gidrometeoizdat. 255 S. 1987; Fast laser analyzer of small and large droplets in aerosol flow ", A.V. Zagnitko, N.P. Zaretsky, Kanikevich, I.D. Matsukov, D.Yu. Fedsh, Russian Federation journal" Instruments and Experimental Techniques " , 2019, No. 5, pp. 150-152). Further, according to formulas (1) and (2), the sizes of drops, their mass, countable and surface concentrations are calculated every millisecond.

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).The results of measuring the aerosol content are transmitted with a period of 10 μs by the unit 10 via twisted pair to a remote computer (not shown in the figure), where the program processes and stores the obtained data. The collected information is continuously transmitted to the analysis point via a fiber-optic line up to 5-10 km long with a 100 Mbit Ethernet network interface. The software allows data to be stored and displayed on the host computer screen in real time in the form of tables and graphs (not shown in Fig. 1).

ПримерExample

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 мм² и площадью живого сечения 36%.In the experiments, we used a grid 12 with a round wire diameter of 0.08 mm and with identical square cells with a linear dimension d (i) × d (x) = 0.12 × 0.12 mm, an area in the light of about 0.0144 mm ² and free area 36%.

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 d₁ ≈ 1,6 см и S₁ ≈ 2 см²; диаметр приемного объектива фотодиода 8 или 9 совпадал с величиной d\, диапазон измерения оптической плотности аэрозолей D ≈ 0,03-3,5; измеряемая поверхностная концентрация S₀=0,5-150 м²/м³; анализируемый объем аэрозолей до 100 см³; диапазон рабочей температуры Т=(5-50)°С; временное разрешение при регистрации температуры облаков или двухфазных атмосферных выбросов термопарами хромель-алюмель составлял около 150 мс.Rectangular channels 1 and 2 were made of duralumin 100 cm long and 8 cm wide. The dimensions of holes 3 and 4 were 27 (length L) and 4 (width) cm. Supply voltage 24 V; the radiation power of lasers 6 and 7 and their wavelength is about 5 mW and 0.68 microns; time resolution ≈ 1 ms; the length of the scattering layer of drops in measuring channels 13 or 14 was equal to L = 27 cm; the diameter and cross-sectional area of the optical beam in the measuring channels 13 or 14 were d ₁ ≈ 1.6 cm and S ₁ ≈ 2 cm ² ; the diameter of the receiving lens of the photodiode 8 or 9 coincided with the value of d \, the measurement range of the optical density of aerosols was D ≈ 0.03-3.5; measured surface concentration S ₀ = 0.5-150 m ² / m ³ ; analyzed volume of aerosols up to 100 cm ³ ; operating temperature range Т = (5-50) ° С; the time resolution for recording the temperature of clouds or two-phase atmospheric emissions with chromel-alumel thermocouples was about 150 ms.

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.The speed of the electronic control unit 10, as well as the synchronous detection of signals from the radiation receivers 8 and 9, digitization and their transmission via twisted pair to a remote computer was about 1 ms.

Массовый поток капель MVt за 0,01 секунду на 1 см² 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.The mass flow of drops MVt in 0.01 second per 1 cm ^{2 of the} geometric surface of the mesh 12 significantly exceeded its filtration capacity. As a result, its square cells were continuously filled with filtrate with the formation of a liquid film on their surface, which was continuously sprayed under the action of the aerodynamic pressure of the air flow.

При осаждении капель диаметром более 30 мкм для сетки с линейным размером квадратной ячейки 0,12 мм, площадью ячейки в свету 0,0144 мм² 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 ƒ₀(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.In the deposition of drops with a diameter of more than 30 μm for a grid with a linear square cell size of 0.12 mm, a cell area in the light of 0.0144 mm ^2, and a wire diameter of 0.08 mm, the Stokes number was Stk> 100, which significantly exceeds the critical Stokes number ≈ 0 , 25 for the cylinder. The net area was more than 36%. As a result, polydisperse droplets of dispersed kerosene with an initial size distribution of ƒ ₀ (d) were captured with an efficiency of more than 98% due to inertia, engagement, and sieve capture in the mode of fast clogging or filling with liquid filtrate. In the process of dispersing the accumulated filtrate, a kerosene film was continuously sprayed from the surface of the grid cells by a convective flow of incoming air with the formation of a secondary spectrum of moderately monodisperse drops ƒ (d1). It was experimentally established that the size of kerosene droplets was determined primarily by the size of the square cells of the grid and practically coincided with the value of d (i) at a velocity of V = 3-50 m / s.

Отметим, что в проведенных экспериментах определяющее процесс дробления вторичных капель керосина после сетки 12 воздушным потоком число Вебера We = ρ(в)dV²/σ < 1, где

- коэффициент поверхностного натяжения равный для керосина 23-25 дин/см, а ρ(в) ≈ 0,0013 г/см³ - 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.Note that in the experiments carried out, the Weber number We = ρ (c) dV ² / σ <1, which determines the process of fragmentation of secondary kerosene droplets after grid 12 by air flow, is

- coefficient of surface tension equal for kerosene 23-25 dyne / cm, and ρ (s) ≈ 0.0013 g / cm ³ - air density (Raist P. Aerosols, introduction to theory. Moscow. Mir. 280 S. 1987). As a result, practically no changes in the secondary droplet spectrum ƒ (d1) after grid 12 due to possible aerodynamic fragmentation of secondary droplets by the air flow were observed.

Разработанное устройство было использовано при анализе выбросов капельного аэрозоля керосина объемом до 5×10⁵ м³ 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/м³ йот 10⁶ до 10⁰ частиц/м³, их размер изменялся от 30 до 3000 мкм, средний арифметический диаметр составлял <d> = 200-300 мкм, а удельная поверхность капель S₀ стохастически изменялась от 1 до 150 м²/м³. 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.The developed device was used to analyze emissions of droplet aerosol of kerosene with a volume of up to 5 × 10 ⁵ m ³ and a length of up to 100 m in the atmosphere at an ambient temperature of (18-20) ° C. The height of its suspension on a cable was about 25 m.Drops were obtained by pulsed pneumatic atomization of liquid. The measured velocity of the convective motion of droplets in the air flow through the grid 12 was V = 15-25 m / s. The kerosene drops did not wet the wire of the nickel mesh 12. As a result, every 0.01 s, the optical density D = 0.1-2.5 of the aerosol release was measured, and the diameter, mass, surface and countable concentration of droplets in the submerged jet of aerosol release was also estimated using formulas (1) and (2) from time to time ... It was shown that the mass and counting concentration of droplets varied significantly with time from 10 to 250 g / m ³ i from 10 ⁶ to 10 ⁰ particles / m ³ , their size varied from 30 to 3000 μm, the arithmetic mean diameter was <d> = 200- 300 μm, and the specific surface area of the drops S ₀ stochastically varied from 1 to 150 m ² / m ³ . In addition, the kinetics of the formation and decay of the ejection in the form of a submerged jet, and in the process of formation, sedimentation and turbulent coagulation of droplets with their fragmentation by air currents and dispersal by the atmospheric wind, was investigated.

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.The results of a simultaneous rapid analysis within 5 ms of the optical density, diameter, mass, countable and surface concentration of kerosene droplets in an atmospheric highly concentrated aerosol release with the formation of a turbulent cloud with intensive mixing of air and droplets were transmitted by electronic unit 10 with a period of 10 μs via twisted pair to a remote 600 m computer, where the program processed and saved the received data. The collected information was continuously transmitted from a remote computer to the headquarters of the analysis via a 4000 m long fiber optic line with a 100 Mbit Ethernet network interface. The software continuously displayed data on the host screen.

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.Thus, a comparison of the characteristics of the claimed device for rapid analysis of the droplet content in atmospheric highly concentrated aerosol emissions and clouds with the prototype shows that due to the use of a woven mesh with specified parameters, set across the section of a rectangular channel at its outlet, a simultaneous and rapid analysis is carried out for ≈ 0.01 s optical density, diameter, mass, countable and surface concentration of water droplets or fuel liquids (kerosene, diesel fuel, fuel oil, gasoline, etc.) in atmospheric highly concentrated aerosol emissions with the formation of turbulent clouds. The prototype device does not allow simultaneous rapid analysis of optical density, diameter, mass, counting and surface concentration of water droplets or fuel liquids in atmospheric highly concentrated aerosol emissions with the formation of dynamic clouds.

Claims

1. A device for rapid analysis of droplet content in atmospheric highly concentrated aerosol emissions and clouds, containing a suspension unit, two parallel, rigidly connected rectangular channels with rectangular inlet openings for simultaneous flow of aerosols through measuring channels for rapid droplet analysis containing semiconductor lasers and photodiodes , installed coaxially on the inner surface of rectangular channels, an electronic unit for power supply and control with a system for digitizing and transmitting signals of measuring channels to a remote computer, a rectangular channel with a separator of coarse droplets, docked with a rectangular opening for the flow of aerosols into the measuring channel, characterized in that the separator of coarsely dispersed drops is made in the form of a woven mesh made of round stainless wire with identical square cells installed across the section of a rectangular channel at its outlet with aerosity flowing through it low flow into the measuring channel.

2. The device according to claim 1, characterized in that the size of identical square cells in the light of a woven mesh made of round stainless wire installed across the section of a rectangular channel at its outlet, with an aerosol flow through it into the measuring channel, varies from 0.0025 mm ² to 0.5 mm ² , and the area of its living section is from 30% to 50% of the entire area of the woven mesh.