CC BY
51
- © В.В. Кудряшов, Е.С. Иванов, 2014
УЛК 622.81:621
В.В. Кудряшов, Е.С. Иванов
ГЕНЕРАТОР МОНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ — УСТАНОВКА ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ И ПЫЛЕВОГО КОНТРОЛЯ
Показана необходимость использования монодисперсных частиц в исследованиях по проблеме борьбы с пылью. Рассмотрена теория дробления струи жидкости на капли равного размера. Описана установка для получения монодисперсных капель и твердых частиц. Рассмотрен пример использования установки при разработке циклонов-разделителей пыли.
Ключевые слова: монодисперсные частицы, установка.
Пылевой аэрозоль угольных и рудных шахт и карьеров — это неустойчивая полидесперсная система. Ее поведение зависит от условий образования частиц и условий перемещения их в рудничном воздухе. Изучать поведение полидесперсных частиц, размеры которых изменяются в рудничных пылевых потоках, весьма трудоемкая работа. Поэтому следует прибегать к установлению закономерностей поведения монодисперсных частиц и оценивать влияние их крупности на процессы витания в вентиляционных потоках, на захват частиц каплями распыленной жидкости при орошении источников пылеобразования, на эффективность пылеулавливающих систем и т.д.
В последние годы в пылевом контроле появились новые требования к условиям отбора частиц из воздуха и к разделению отобранных частиц на фракции. Эти требования закреплены в национальном и отраслевом стандартах [1, 2]. Они должны выполняться при создании приборов нового поколения. При разработке приборов, косвенно определяющих концентрацию пыли по какому-либо свойству частиц, например, по рассеянию или поглощению ими света, по поглощению радиоактивного излучения, необходимо оценивать погрешность, связанную с крупностью частиц. Решение упомянутых
476
задач представляет очень сложную проблему. Нет сомнения в том, что она должна решаться экспериментально с использованием монодисперсных частиц. Таким образом, генератор монодисперсных частиц является установкой, необходимой для научных исследований в области борьбы с пылью и пылевого контроля.
1. Теоретические представления об образовании монодисперсных капель
В литературе приведено описание нескольких способов получения монодисперсных капель и частиц [1-6], основанных на разбиении струи жидкости, на вытягивании жидкости из объема проволочкой, на наложении быстро изменяющегося давления на жидкость, вытекающую через отверстие, на отрыве капель с гребней капиллярных волн, на разрыве пленок жидкости и на других явлениях. В большинстве случаев для экспериментов требуются высокопроизводительные генераторы жидких и твердых монодисперсных частиц. Проще всего получить их, периодически воздействуя на струю жидкости, вытекающую из капилляра.
Еще Рэлеем [7], было установлено, что столб жидкости нестабилен. Поэтому малые возмущения его при определенных условиях экспоненциально нарастают и приводят к разрыву на части, которые затем стягиваются в капли. Наиболее вероятный интервал дробления связан с диаметром столба жидкости < и равен 2п<. Интервал, меньший п<, по Рэлею невозможен. Установлена связь частоты / приложения возмущений к струе, приводящих к разрыву, со скоростью ее истечения V {= "
Таким образом, если струю жидкости модулировать каким-либо механическим воздействием, то можно получить монодисперсные капли, а если использовать какие-либо растворы, то после сушки капель можно получать твердый монодисперсный аэрозоль.
Экспериментально было показано, что оптимальные интервалы дробления составляют (4,65-4,69< и даже (3,5-7)<< [4], что диаметр капелек равен приблизительно удвоенному диаметру струи жидкости и что частота приложения возмущений имеет некоторый диапазон.
Для скорости струи V существует предельное значение, ниже которого струя не образуется
477
^1/2
где а — поверхностное натяжение, р — плотность жидкости.
В известных высокопроизводительных генераторах монодисперсных капель используются капилляры в виде трубок, либо в виде отверстий в мембране. В первом случае капилляры закрепляются на мембране с отверстием, с обеих сторон которой приклеивают пьезокерамические шайбы, образующие диморфный элемент [3].
Иногда капилляр скрепляют с электродинамической головкой или другим вибратором.
В другом случае мембрану жестко связывают с пьезокерамикой [4]. Авторы работы [5] поместили пьезокерамичиеский элемент в диспергируемую жидкость за мембраной с отверстием
Для исключения коагуляции капель вблизи места их отрыва используется униполярная зарядка или рассеяние частиц воздушным пульсирующим потоком, направленным перпендикулярно струе. При зарядке капель после того как поток их значительно расширится, требуется разрядка, что производится а-частицами или противо-ионами [3, 6].
Размеры стабильно образующихся монодисперсных капель при вытекании жидкости из капилляра зависят от частоты приложенного к пьезокерамике напряжения и изменяются максимум до 2-х раз.
Состав для получения твердых частиц обычно представляет собой спиртовой раствор метиленового голубого (частицы размером менее 2-х мкм) или водный раствор поваренной соли. При испарении последнего образуются частицы кубической и часто неправильной формы.
Существующие генераторы имеют сложное строение, узкий диапазон размеров частиц, удобно и плавно регулируемых частотой импульсов.
Ниже приводится описание разработанного устройства и состава жидкости, обеспечивающего сферическую форму твердых частиц.
2. Устройство для получения монодисперсных капель
Устройство представлено на рис. 1. Оно выполнено в виде цилиндрического сосуда (4) с дном, на внешней стороне которого эпоксидной смолой приклеен пьезоэлемент (5), имеющий диаметр 10 мм. На противоположной открытой стороне гайкой закреплена мембрана (1) с отверстием. Между мембраной и корпусом размещено
478
Рис. 1. Головка генератора монодисперсных капель
уплотнительное кольцо (3) из силиконовой резины. Сбоку на сосуде укреплен штуцер (6), соединенный с фильтром (7) (см. рис. 2) фторопластовой трубкой.
К достоинствам устройства следует отнести простоту, малые размеры, легкость замены мембраны в случае засорения отверстия и при
необходимости изменения диаметра струи, отсутствие контакта жидкости с пьезокерамикой.
Головка генератора помещается в рабочую, камеру цилиндрической формы (см. рис. 2). Переменное напряжение на керамику подается от генератора звуковой частоты. Для контроля за стабильностью образования капель и их монодисперсностью, а также для установления необходимого режима истечения струи из отверстия в мембране используется стробоскопическое освещение дробящейся струи. Частота вспышек стробоскопа (СТ-5) синхронизирована частотой сигнала, подаваемого на пьезокерамику. Но так как рабочая частота стробоскопа значительно меньше, чем частота модулирующего сигнала, то последняя делилась при помощи стандартных устройств (например, пересчетным прибором).
Стробоскопическое освещение образующихся капель позволило определить скорость истечения струи по временному сдвигу фазы освещения первой капли стробоскопом. Изменение фазы освещения Дt производилось при помощи генератора импульсов Г5-Г4, включенного последовательно в цепь синхронизации стробоскопа, и определялось по шкале этого прибора. Смещение изображения капли Дt измерялось в поле зрения микроскопа МПБ-2 при помощи окулярной линейки. Скорость первой капли, приравненная к скорости истечения струи, вычислялась как V = Дl/Дt.
3. Исследование генератора монодисперсных капель
Визуальные наблюдения процесса образования капель, измерение частоты модулирующего струю сигнала и определение скорости ис-
ь
479
Рис. 2. Схема генератора монодисперсного твердого аэрозоля: 1 —
баллон с газом; 2 — редуктор высокого давления; 3 — редуктор; 4 — манометр; 5 — сосуд с жидкостью; 6 — мембранные фильтры; 7 — генератор сигналов Г5 — 26; 8 — стробоскоп; 9 — осветитель стробоскопа; 10 — генератор ГП — 24; 11 — осциллограф С1-65; 12 — высоковольтный выпрямитель; 13 — головка генератора; 14 — микроскоп МБС-2; 15 — разрядные электроды; 16 — осушительная труба; 17 — труба; 18 — газовый лазер; 19 — кран; 20 — безконвективная трубка; 21 — микроскоп МБС-2; 22 — мембранный фильтр; 23 — насос; 24 — исследовательская камера; 25 — центробежный вентилятор; 26 — абсолютный фильтр; 27 — анемометр; 28 — нагреватель; 29 — осушитель-холодильник с абсолютным фильтром; 30 — фильтр В-04
течения струи из капилляра позволили установить область частот и скоростей, обеспечивающих стабильное образование монодисперсных капель. Эта область представлена на рис. 3. Она ограничена кривыми, полученными при различных напряжениях сигнала, подаваемого на пьезокерамику. На этом же рисунке помешены графики зависимости оптимальной и максимальной частот модулирующих сигналов от скорости струи, рассчитанные по формулам V = п^!26{опт и V = то#тах. Диаметр струи определялся по линейной (V) и объемной (О) скоростям истечения струи: d = 440 / nv . Измерение величины О как объема жидкости, вытекшей за время 1, не составляло труда.
На рис. 3 горизонтальной линией показана минимальная скорость истечения жидкости из отверстия, ниже которой струя не образуется.
480
2»; м/с
Рис. 3. Характеристика генератора монодисперсных капель: 1 — прямоугольный сигнал при и = 10 В; 2 — 4 синусоидальный сигнал при и = 30, 10 и 3 В соответственно; 5 — оптимальная частота; 6 — минимальная частота; 7 — минимальная скорость струи
Из рассмотрения полученных данных следует, что существует значительная область частот и скоростей струи жидкости, в которой отсутствуют капли-спутники и двойные капли. Она расширяется в сторону низких частот и больших скоростей с увеличением напряжения сигнала (и), подаваемого на пьезокерамику.
При слабом воздействии на струю (и = 3 В) экспериментальные точки укладываются в основном в область между оптимальной и максимальной теоретическими (по Рэлею) частотными зависимостями скорости истечения струи. В этой же области находится нижняя граница максимальных частот, полученных в опытах при различных напряжениях, подаваемых на керамику. Таким образом, при любом воздействии на струю жидкости дробление ее на монодисперсные капли не происходит при частотах выше максимальных, определяемых выражением / = При слабом воздействии дробление струи на монодисперсные капли происходит в соответствии с теорией Рэлея. Значительное повышение воздействия на струю и = (30-10 В) увеличивает интервал дробления с повышением скорости струи. При низких частотах и при высоком напряжении сигнала можно получать монодисперсные капли за счет увеличения скорости истечения жидкости из капилляра.
481
Таблица 1
Сравнение расчетной (1р) и измеренной (1) величины интервалов дробления жидкости при скорости истечения ее V = 12 м/с
/, кГц 37 60 100 230
1р, мм 0,32 0,2 0,12 0,052
1, мм 0,3 0,182 0,126 0,048
Выполненные измерения длины (1) столба жидкости, из которого образуются капли (по расстоянию между центрами капель), совпадают со значениями, рассчитанными по формуле 1р = v/f (табл. 1). Это свидетельствует о том, что монодисперсные капли образуются в результате разрыва струи жидкости под действием колебаний пьезокерамики.
При синусоидальном электрическом сигнале, подаваемом на пьезокерамику, при скорости истечения струи V = 11 м/с интервал дробления струи изменялся в 3 раза счет изменения частоты сигнала (и = 30-10 В), а размер капель = 1,4 раза. Замена формы сигнала на прямоугольную привела к расширению диапазона интервалов дробления не менее чем в 8 раз, а размеров капель в 2 раза. Было обнаружено также, что длина струи жидкости от конца капилляра до отрыва первой капли при синусоидальном сигнале изменялась с частотой: сначала падала, а затем возрастала, имея пилообразную форму (рис. 4). При П-образной форме сигнала эта длина всегда была одной и той же и равнялась минимальному значению, полученному при синусоидальном сигнале. Таким образом, время и путь, необходимые для развития возмущения, приложенного к струе, при П-образном сигнале оставались неизменными, а при синусоидальном — изменяющимися с частотой. Этот эффект нуждается в объяснении. Заметим, что длина струи до отрыва капли всегда много больше интервалов дробления. Это говорит о том, что для развития возмущения требуется время.
Визуальные наблюдения процесса дробления струи показали, что в области низких частот струя дробится на столбики жидкости, которые увеличиваются до определенного размера с уменьшением частоты сигнала (низкочастотная граница монодисперсных капель), а затем начинают дробиться на полидисперсные капли. Наблюдаемая при стробоскопическом освещении картина всегда постоянна, что свидетельствует о постоянстве дисперсного состава образующихся
482
L, мкм
450 430 410 390 370 350 330 310
100 110 120 130 140 150 160 170
f, кГц
Рис. 4. Зависимость длины L струи до разрушения от частоты сообщаемых ей колебаний. Скорость струи v = 6,2 м/с, напряжение на пьезокерамике u = 6 В
капель. В области высоких частот до указанных на рисунке границ образуются монодисперсные капли, которые по мере увеличения частоты (вблизи границы) попарно, по три и т.д. начинают сливаться в одну каплю, и, наконец, стабильность изображения распадающейся струи и сливающихся капель пропадает (высокочастотная граница монодисперсности капель). Между низкочастотной и высокочастотной границами существуют весьма ограниченные интервалы частот, где нарушается монодисперсность капель и появляются спутники — тонкодисперсные капли, размером много меньше основных капель. Спутники появляются также при засорении капилляра. 4. Предотвращение коагуляции капель Капли жидкости, образующиеся при разрыве струи, на некотором расстоянии догоняют друг друга и сливаются. Монодисперсный аэрозоль становится полидисперсным. Для исключения слияния капель использована их зарядка в электрическом поле, для предотвращения оседания на стенках — разрядка в поле короны.
Эти функции оказалось возможным совместить в устройстве, состоящем из электрода, которым служит головка генератора, и остроконечных электродов, располагаемых перпендикулярно потоку капель на некотором расстоянии от головки (см. рис. 2). В результате приложения высокого напряжения к головке генератора
483
и остроконечным электродам создается поле, которым заряжаются капли. Одновременно высокая напряженность поля у остроконечных электродов создает поток ионов, разряжающих пролетающие капли.
5. Получение твердых частиц сферической формы
Для получения твердых частиц применяется сушка капель какого-либо раствора. Обычно это водно-спиртовой раствор метиленового голубого или водный раствор поваренной соли. Первый является сильно красящим и вредным веществом, неудобным в работе. Использование больших концентраций спирта для получения крупных частиц (с целью ускорения испарения капель) приводит к накапливанию твердой фазы на краях капилляра и к срыву нормальной работы прибора. Поваренная соль дает кристаллы кубической или неправильной формы (в зависимости от режима сушки). В то же время поваренная соль удобна в работе: она безвредна, хорошо растворяется и смывается водой, а применение кондуктометрического способа определения концентрации раствора позволяет определить весьма малые (до 1 мкг) количества твердых частиц. Сферическую же форму частиц можно получить из раствора соли №С1 и другой соли, имеющей резко отличную кристаллическую структуру. Такой солью служит мочевина, кристаллы которой имеют удлиненную форму. Мочевина хорошо растворяется в воде и совмещается с №С1. При соотношении №С1 и С^О^, равном 4:1, из водного раствора при сушке капель образовывались частицы сферической формы (см. рис. 5), плотность частиц — 2 г/см3.
В табл. 2 приведены размеры капель бинарных водных растворов поваренной соли и мочевины и получаемые из них размеры твердых
Таблица 2
Размеры твердых частиц, мкм
Диаметр Диаметр Концентрация (%) раствора №С1 и СИ401Ч2
капилля- капли, в соотношении 4:1
ра, мкм мкм 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 5,0 10,0
5 10 1,36 1,71 1,96 2,15 2,32 2,92 3,68
10 20 2,72 3,42 3,92 4,30 4,64 5,84 7,36
15 30 4,08 5,13 5,88 6,45 6,96 7,16 11,04
20 40 5,44 6,84 7,84 8,60 9,28 11,68 14,12
30 60 8,16 10,26 11,76 12,90 13,92 16,32 22,08
40 80 10,88 13,68 15,68 17,40 18,56 23,36 29,44
Примечание. Размеры капель даны при оптимальных скоростях истечения жидкости из капилляра и при оптимальных частотах дробления струи.
484
частиц. Меняя концентрацию раствора и диаметр капилляра, можно получать сферические частицы в широком диапазоне размеров.
Сушка капель в разработанной установке проводилась в потоке очищенного от пыли воздуха, в котором влага предварительно вымораживалась при помощи холодильного агрегата. 6. Определение истинных размеров частиц Наиболее простым способом определения размеров частиц является визуальный при помощи микроскопа. Однако этот способ не точен, когда измеряются частицы размером менее 5-10 мкм. В самом деле разрешающая способность оптического микроскопа при объективе 40х составляет 0,25 мкм1. Допустимые пределы колебания размеров частиц не должны превышать ±(2-4)%. Поэтому при помощи оптического микроскопа можно контролировать размер частиц, равный (6,25-12,5) мкм.
Меньшие размеры частиц можно измерять, используя электронный микроскоп. Но проще это сделать, определяя скорость оседания частиц в спокойном воздухе. Для этого аэрозоль отсасывается от места пробоотбора в вертикальную безконвективную измерительную трубку, вход в которую перекрывается краном. Вдоль оси трубки направляется лазерный луч, а в нижний части ее в окошке при помощи измерительного микроскопа определяется скорость оседания частиц по времени прохождения ими пути V = 1Д. Размер частиц вычисляется по формуле Стокса
6 = 2$ ^,
'2 рд
где 6 — диаметр частиц; р — плотность частиц; д — ускорение свободного падения; п — вязкость воздуха.
Ошибка измерения размера частиц 6 определяется погрешностью измерения величины V V = >/Т/7 , так как величины п, р и д принимаются постоянными.
В соответствии с теорией ошибок [8]
М = 1 ^ = 1
Т_±2V_±2
т+т
Относительная ошибка измерения размера частицы по ее скорости оседания равна половине суммы относительных ошибок
1 При применении более сильных объективов используются иммерсионные жидкости, которые создают неудобства при микроскопировании частиц пыли.
485
измерения пути прохождения частицеи поля зрения микроскопа и времени прохождения этого пути.
Оценим эти ошибки. Поле зрения измерительного микроскопа составляет приблизительно 1 = 1,7 см. Погрешность определения этого размера не превышает Д1 = 20 мкм. Поэтому относительная ошибка
л1 20.10-4.100 . 0,12%.
1
1,7
Погрешность измерения времени 1 прохождения пятимикрон-ноИ частицеИ пути 1 = 1,7 см при свободном падении определяется следующим образом. Частица размером 5 мкм, имеющая плотность р = 2 г/см3, падает со скоростью V = = 0,14 см/с. Путь 1 = 1,7 см она проходит за время t = 1,7/0,14 = 12 с. Точность отсчета времени секундомером составляет Дt = 0,2 с. Теперь = (0,2/12) 100% = = 1,7%. Относительная погрешность измерения размера пятими-кронноИ частицы будет
Л = 2(0,12 +1,7) = 0,9% .
В табл. 3 представлены ошибки измерения размеров сферических частиц, определяемых по скорости их оседания.
Таблица 3
<, мкм 5 6 7 8 9 10
д<з/<з, % 0,9 1,28 1,73 2,24 2,8 3,5
Сравнение микрометрического метода измерения размеров частиц с использованием микроскопа и метода измерения размеров по скорости оседания частиц показывает, что при контроле крупности частиц размером более 8-10 мкм следует пользоваться микроскопом о 9 • в - ® с объективом 40х. При контроле „ крупности частиц размером менее
* -г'
а " ® ■• 9 в 8-10 мкм следует пользоваться * ■- ®о ' в •
9 определением скорости оседания
в о ° ,, в у ® ** частиц и рассчитывать размер их по
О Г)
т *
Рис. 5. Монодисперсные твердые частицы поваренной соли с добавками мочевины
486
Рис. 6. Общий вид прямоточного циклончика (чертеж)
формуле Стокса. В этом случае ошибка измерения не будет превосходить заданных величин.
При помощи полученных монодисперсных частиц исследованы разделительные характеристики циклончиков, которые могут использоваться в пылемерах, аспираторах и индивидуальных пыле-пробонаборниках для выделения респирабельной фракции.
В рассматриваемом случае производительность аспираторов (насосов) составляла 1,5-3,5 дм3/ мин. Общий вид циклончика представлен на рис. 6.
Параметры циклончика можно было изменять в следующих пределах: Двых = 4-5 мм; Нвх = 2-4 мм; Ввх = 0,65-2 мм; 2ц = 32-40 мм; = 2-6 мм. Диаметр циклона Дц был неизменным и равнялся 8 мм.
о Ь-1-1-1-.--у»
/ 2 3 4 5 6
(/}мкм
Рис. 7. Разделительная характеристика циклона при различных расстояниях дна до всасывающего патрубка. Расстояние дна циклона до всасывающего патрубка: 1 — 35 мм; 2 — 2 мм; 3 — 0 мм
г ч б
(¿, мкм
Рис. 8. Зависимость разделительной характеристики циклонов от расстояния Зц всасывающего патрубка до закручивателя Зц: 1 — 2 мм; 2 — 4 мм; 3 — 6 мм
487
Рис. 9. Влияние ллины закручивателя на разделительную характеристику циклона: длина закручивателя: 1 — 3 мм; 2 — 5 мм; 3 — 8 мм; 4 — 10 мм
Рис. 10. Влияние расхода воздуха на разделительную характеристику циклона: расход воздуха: 1 — 3,5 дм3/мин; 2 — 3 дм3/мин; 3 — 2,7 дм3/мин; 4 — 2,5 дм3/мин; 6 — 1,9-2 дм3/мин; 7 — 1,6 дм3/мин
Полученные в эксперименте характеристики циклончиков представлены на рис. 7-10.
Заключение
В результате экспериментального исследования циклона для концентратомеров пыли можно утверждать, что на разделительную характеристику циклона оказывает весьма существенное влияние расход воздуха; разделительная характеристика чувствительна к размеру частиц, что важно при ее определении с помощью монодисперсных аэрозолей; на характеристику влияет расстояние всасывающего патрубка до закручивателя и длина закручивателя, что позволяет несколько изменять степень деления пыли в циклоне; расстояние от дна циклона до закручивателя (при оптимальном расстоянии всасывающего патрубка до закручивателя, равном 6 мм) практически не влияет на разделение пыли. Установленные зависимости позволяют определять параметры циклонов на расходы воздуха от 2 до 3 дм3/мин и более.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фукс H.A., Сутугин А.Т. Монодисперсные аэрозоли // Успехи химии. — 1965. — Т. 34. — Вып. 2. — С. 276-299.
488
2. ГринX., ЛейнВ.А. Аэрозоли, дымы и туманы. — Ë.: Химия. — 1972. — 426 с.
3. Стрем. Получение монодисперсных аэрозолей путем дробления жидкости // Приборы для научных исследований. — 1969. — № 6. — С. 29-33.
4. Bergund R., Liu B. Generation of Monodisperse Aerosol Standards // J. Aerosol Seience. — 1973. — Nol. 7. — N. 2. P. 147-193.
5. Кобузенко А.Г., НеизвестныйА.И. Высокопроизводительный генератор монодисперсного аэрозоля // Труды Центральной Аэрологической обсерватории. — М.: Гидрометеоиздат, 1980. — Вып. 137. — С. 100-107.
6. Дабора Е.К. Получение монодисперсных капель // Приборы для научных исследований. — 1967. — № 4. — С. 37-41.
7. Lord R. Proc. London Math. Soc. — 1878. — N 10. — P. 34.
8. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерений. — М.: Госуд. изд-во техн.-теор. лит., 1953. — С. 384. ЕНЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кудряшов Валерий Викторович — доктор технических наук, профессор, ведущий научныИ сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, kudr_ipkon@mail.ru
Иванов Евгений Степанович — научныИ сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, es-48@mail.ru
489
