便携式PM2.5检测仪切割器的设计与验证

便携式PM2.5检测仪切割器的设计与验证
李征真
【摘要】The particles, especially those with aerodynamic diameter less than or equal to a nominal 2. 5 μm (PM2. 5) will cause serious harm to the human health, and its concentration is one of the main indexes for evaluating the environmental air quality, so the particle measurement needs a portable cutter. First, the impact design criteria was used for calculating the Stokes number, then the parameter model was established with Fluent6. 3, and finally, baed on this design, a cutter sample was manufactured and test was made on it according to the national standards. The test proved that the fitting curve of the collection efficiency obtained by this sample met the national standard and design requirements.%颗粒
物特别是空气动力学直径在2．5μm及以下的细颗粒物( PM2．5)对人体健康会造成严重危害，其浓度大小是衡量空气质量好坏的一个重要指标，对其进行检测时需要一种切割器。

首先采用冲击式设计准则计算出斯托克斯数，再用Fluent6．3进行参数建模，然后按此设计加工出切割器样品，并按照国家标准进行测试。

实验证明，该样品得到捕集效率的拟合曲线满足国家标准及设计要求。

【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】4页(P32-34,38)
【关键词】小流量;冲击式;PM2.5切割器;捕集效率
【作者】李征真
【作者单位】中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037
【正文语种】中文
【中图分类】X803.1
大气环境中颗粒物的性质由于其粒径不同往往差别极大,空气动力学直径在2.5μm
及以下的颗粒(PM2.5)能进入人体的下呼吸道,并由此进入人体的血液和各个组织中,这些粒子中包含As、Cd、Cr、Mn、Ni等有毒元素以及致癌的有机物,对人体健康会造成严重危害[1-3]。

美国自1987年实施空气质量监控标准以来,共有2 000多
项研究指出:对人体健康危害最大的是PM2.5。

各发达国家都在2000年左右将
PM2.5作为大气环境标准中一项重要的检测指标。

随着我国大城市雾霾天气的日益严重,国家对于大气环境的治理越来越重视。

煤炭
是我国的主要能源,但其开发和利用过程会对环境、大气造成十分严重的污染[4-5]。

根据GB 30950—2012《环境空气质量》中规定PM2.5在一类地区限定值为年平均浓度不超过15μg/m3,日平均浓度不超过35μg/m3;在二类地区限定值为年平均浓度不超过35μg/m3,日平均浓度不超过75μg/m3。

PM2.5检测设备主要由PM2.5分离设备和采样检测设备组成,其中分离设备将粒径2.5μm以下颗粒从总颗粒物中分离出来。

检测设备的采样流量参考HJ 93—2013《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法》,选用1.05
m3/min,100 L/min,16.67 L/min等3种参考值,目前国内常见的切割器也基本采
用这3种参考值设定,但是这些切割器多为定点测量,设计体积偏大,携带使用不便。

随着人们对生活质量的要求日益提高,接触PM2.5对人体健康的影响已经越来越引起人们的重视,环境污染的治理也需要分析各种组成的颗粒分布情况,同时目前常见
的便携式采样或检测设备流量主要为2 L/min或5 L/min,为此研究一种便携式PM2.5检测仪切割器,对于个体接触环境空气质量进行有效、便捷的检测有非常重要的意义。

对大气颗粒物浓度的检测必须先对颗粒物进行有效的分离。

用于PM2.5检测的分离器主要有惯性冲击器、虚拟冲击器、微粒捕捉器[6]。

1)惯性冲击器采用惯性冲击原理对颗粒物进行分离。

气流经过外盖的孔隙进入后到达涂有硅胶的冲击板上,受到冲击板的阻挡呈曲线运动,由于各种颗粒的粒径不同,所以颗粒惯性存在差异,粒径较大的粒子动量大、惯性大,在曲线运动中有较大的概率被冲击板上的硅胶捕获,粒径小的粒子被捕获的几率小或者直接随气流流出切割器,从而达到分离空气中颗粒物的目的[7]。

2)虚拟冲击器是依靠气流流动时带动微粒产生惯性,使微粒按照切割粒径的大小流入不同的通道中,达到粒径分级的目的[8]。

3)微粒捕捉器是在惯性冲击器的基础上改进得来的。

在高的斯托克斯准数下,收集效率可达85%以上,没有微粒超负荷现象,同时有效解决了微粒反弹的问题[9]。

惯性冲击器因其结构简单、便宜和性能特性容易被了解和模拟,已被广泛应用于微粒粒径分布、质量浓度和化学组成成分等方面的研究中。

虚拟冲击器的结构相对复杂,体积越小加工精度要求越高,难以满足小体积切割器的环境使用要求。

微粒捕捉器对PM2.5的微粒是收集在捕捉介质中,难以提取和测量其具体质量。

故笔者采用惯性冲击器原理设计PM2.5切割器。

2.1 设计要求
要求切割器适用于现有个体采样器,采样流量为2 L/min,要求捕集效率为50%时的精度Da50= (2.5±0.1)μm,捕集效率几何标准差σg=1.2±0.1。

2.2 设计思路
拟设计一种采样流量Q=2 L/min的惯性冲击式切割器,为使气流均匀,同时减少需
要设计的切割器尺寸参数,采用5进气口圆形冲击器。

需要设计的参数为碰撞距离s(进气口出口端与冲击板直接的距离)和圆孔直径D。

2.3 尺寸计算
小型惯性冲击器设计准则[10-12]:
Re为进气口雷诺数,由式(3)算出:
式中:ρ为粒子密度,取1.0×103kg/m3;v为进气口平均气流速度,根据设计的5个圆形孔隙计算,v= 20Q/πD2;μ为空气黏滞系数,取1.8×10-5Pa·s。

冲击式切割器的捕集效率是斯托克斯数(St)的函数:
上述公式中dp为切割粒径,取2.5×10-6m;Cc为修正系数,由式(5)、(6)算出;Kn为努生数;λ为空气分子平均自由行程,取7×10-8m。

由上述公式可以算出:
取St=0.5,D=2.617×10-3m,设计中分别取s= 1.2D、s=1.5D、s=1.8D,采用Fluent6.3进行模拟,并设定不同的冲击板宽度,分析其影响。

由模拟结果得出在满足设计要求的前提下s=1.5D为最优结构参数[13、14],加工成样品如图1所示,并进行实验。

3.1 实验条件
基于冲击式原理的切割器在使用时,普遍存在粒子反弹及长时间连续使用后的沉积问题,导致切割器的捕集效率改变,每次实验均重新涂抹约0.5 g的硅脂,控制采样时间为40 min,气溶胶发生器的发尘气流量为15 L/min。

实验过程如图2所示。

3.2 实验原理及结果
实验参照HJ 93—2013标准要求,使用单分散气溶胶发生器产生空气动力学直径在特定值的单分散亚甲基蓝气溶胶,经串联式干燥器干燥,再通过孔径为0.3μm的微孔滤膜过滤后的空气吹入隔离密封的收尘容器中,将切割器出口处接上采样盒并连接采样泵,调整采样流量为2.0 L/m3,持续采样30 min,取出采样盒中的滤膜,通过显微
镜观察滤膜上亚甲基蓝颗粒的粒径确保实验有效性后,将滤膜放入装有纯酒精的试管中并完全浸没在酒精里。

用棉签吸出切割器冲击板表面捕获到气溶胶粒子的部分,放入装有等量酒精的试管中并浸没。

2只试管静置10 h以上并保证亚甲基蓝溶解在酒精中,将酒精分别取样并放入可见光分光光度计中,通过读数计算出切割器的捕集效率。

实验选取空气动力学直径为1.7,2.0,2.2,2.5, 2.8,3.0,3.5,3.8μm作为分离器捕集效率的采样点。

每一采样点按照HJ 93—2013的要求重复实验3次。

实验结果见表1。

考虑捕集效率的曲线形状,将实验数据使用二次函数拟合,得到捕集效率曲线(见图3),从而得到Da50=2.402,σg=1.26。

满足设计要求。

1)通过理论计算及软件仿真,设计了惯性冲击式个体小流量PM2.5切割器并进行实验验证。

样品实验结果满足HJ 93—2013标准要求。

2)采用理论计算及Fluent仿真相结合的方式,对惯性冲击器进行设计可以有效提高设计速度及准确度。

3)提出了一种PM2.5切割器的设计方法,即采用冲击式设计准则计算出斯托克斯数,再用Fluent6.3进行参数建模,然后按此即可设计加工出切割器。

实验证明这种方法是有效可行的。

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