【文章內容簡介】 集的粉塵大部分為大顆粒物質，所以使用氣體粉塵采樣頭就可以進行采樣，但本文所設計的旋風式采樣頭設計可滿足呼吸性粉塵、氣體粉塵采樣一體化的實現(xiàn)，所以使用同一款旋風式采樣頭即可。 呼吸性、氣體粉塵采樣一體化的實現(xiàn)在采樣器氣路系統(tǒng)中，為了進行呼吸性粉塵和氣體粉塵的采樣，采樣流量己固定在≥，而呼吸性粉塵采樣流量顯然無法滿足氣體采樣流量的要求，因此要想實現(xiàn)個體呼吸性粉塵、氣體采樣功能的一體化，必須解決采樣流量不可調的問題。如果采樣器所使用的微型抽氣泵采樣流量標準≥\min，首先可以通過改變電路部分抽氣泵電機兩端電壓，\min。通過使用低流量適配器，在抽氣泵轉速不變的情況下，通過低流量適配器的調節(jié)，\\min。這樣做的好處在于可以不調節(jié)低流量抽氣泵的電壓，使得抽氣泵在呼吸性粉塵濃度采樣轉速標準情況下，可以通過低流量適配器來調節(jié)氣體流量的變化，從而達到呼吸性粉塵、氣體粉塵濃度采樣一體化的目的。4 呼吸性粉塵、氣體粉塵濃度采樣器系統(tǒng)設計 低流量適配器的運用 目前主要是通過以下步驟實現(xiàn)個體呼吸性粉塵、氣體采樣功能一體化：1　采用兩個采樣流量可調節(jié)范圍較寬的，采樣流量≥\min的抽氣泵，并通過電路控制系統(tǒng)調節(jié)氣泵工作電壓，進而改變泵的流量，\min的要求。2　使用低流量適配器，\min變化到大約1L\min。低流量適配器的主體結構為一三通管道，低流量適配器能夠在無需改變抽氣泵流量的前提下通過改變三通管道旁支管斷面面積來改變合流進總管的氣體流量，由于管路中的總流量恒定，即改變了支管中的氣體流量，最終滿足個體氣體采樣流量的要求。 當進行呼吸性粉塵濃度采樣時，我們可以使用如下的工作方式，如圖41所示；如果進行氣體粉塵采樣時，可以使用如下工作方式，如圖42所示。圖41 呼吸性粉塵濃度采樣圖42 氣體粉塵濃度采樣 低流量適配器設計的結構通過對于本采樣器采樣設計要求的分析，我們可以通過理論的計算和實驗設計出符合采樣器采樣標準的低流量適配器，\\min進行變化。本采樣器所使用低流量適配器的主要規(guī)格如圖43所示。圖43 低流量適配器的三通管道圖低流量適配器由三通管道、開槽盤頭螺釘、采樣管置放管等幾部分組成。其中三通管道是低流量適配器的主體部分，它是實現(xiàn)低流量采樣的關鍵；開槽盤頭螺釘安裝在三通管道的旁支管3管道中，用于在小范圍內調節(jié)采樣流量；采樣管置放管是指嵌套在2管口能夠方便采樣管的攜帶的管道。低流量適配器的三管道中1管為總管道，2管為支管道，3管為旁支管道，采用3個管道均為圓管道，旁支管與主管道90度夾角的設計。低流量適配器的工作原理是當氣體從1管進入三管道后，通過在一定范圍內利用開槽盤頭螺釘人為的改變三通旁支管斷面面積來改變合流進支管2的氣體流量，由于總管道1管中的總流量恒定，即改變了支管道2管的氣體流量，從而將采樣流量調整到想要的流量范圍，滿足對酯類、腈類等有毒氣體采樣規(guī)范的要求。 低流量適配器的設計原理低流量適配器的理論設計就流體力學觀點而言，可分別以連續(xù)性方程與伯努利方程描述，前者描述風量與風速之間的關系；后者描述風速與壓力之間的關系。流體連續(xù)性即為流體在流動時成連續(xù)不中斷的狀態(tài)，假設在同一管道中有不同橫截面積為S1和S2的兩處斷面，兩斷面氣體平均流速為V1和V2，氣體流量為Q1和Q2，當空氣密度無明顯變化時則Q1=Q2。當導管斷面積縮小時，風速提高；反之當導管斷面積增加時，風速降低。此外沿導管任一點，只要氣體流量Q、風速V與斷面積S中任兩者為己知，即可依據(jù)Q=VS的關系求得第三個數(shù)據(jù)。在流體力學中我們不得不考慮在工程的設計計算中，根據(jù)流體接觸的邊壁沿程是否變化，把能量損失分為兩類：沿程損失和局部損失。伯努利方程只是壓強、速度以及能量損失三部分之間關系的方程式[2],通過任意不同兩斷面都可以列出不同的方程式。所以在三通管道中建立連續(xù)性方程以及伯努利方程后，可通過代入己知的設計參數(shù)求解出滿足流量要求的三通旁支管道3管斷面面積的范圍，從而求解出3管道直徑D3的值。 低流量適配器的檢驗最終確定設計的主要參數(shù)為L1=20mm，L2=20mm，L3=，D1=3mm，D2=3mm，D3=。當通過對低流量適配器進行數(shù)據(jù)檢驗時，在低流量適配器的2管道接入常用的熱解吸型活性炭管，實驗系統(tǒng)連接如圖44所示。 圖44 低流量適配器采樣流量檢驗圖啟動采樣泵，\min。分別測量開槽盤頭螺釘全部旋開以及全部閉合時的采樣流量，實驗數(shù)據(jù)如表41所示。\\min范圍內，因此本文所設計的低流量適配器能夠初步滿足氣體粉塵采樣的流量要求。使用低流量適配器進行氣體粉塵采樣之前，應調整開槽盤頭螺釘旋入程度，并使用流量計校核采樣流量，使其滿足采樣規(guī)范中對采樣流量的要求，方可進行氣體采樣。表41 低流量適配器采樣流量檢驗數(shù)據(jù)開槽盤頭螺釘全部旋開開槽盤頭螺釘全部閉合實驗序號接入低流量適配器后的采樣流量 （L/min）實驗序號接入低流量適配器后的采樣流量（L/min）112233平均值平均值 呼吸性粉塵采樣頭的設計 呼吸性粉塵采樣頭主要有沖擊分離原理、旋風分離原理和向心原理三種。個體呼吸性粉塵采樣頭雖然分離原理不同，但要求其分離特性都符合國家規(guī)定的呼吸性粉塵采樣標準曲線，其目的均是過濾大顆粒的非呼吸性粉塵，捕捉呼吸性粉塵。根據(jù)不同的采樣需要，應選擇相適應的呼吸性粉塵采樣頭。作為個體采樣裝置，選擇旋風式采樣頭或向心式采樣頭更為方便。 本文選擇的是旋風式采樣頭，這是由于旋風式采樣頭具有結構簡單、無運動部件、分離效率高和壓降適中等特點。而沖擊式采樣頭和向心式采樣頭分離效率易變，且與采樣時間長短等因素有關。目前國外大多數(shù)個體呼吸性粉塵采樣器均采用旋風式采樣頭，該種采樣頭的分離特性能夠較好的滿足相應要求。 旋風式采樣頭結構與原理旋風式采樣頭的結構由三部分組成，如圖45所示。第一部分為濾膜捕集器，用于采集呼吸性粉塵；第二部分為旋風式預捕集器[10]，如圖46所示，用于分離呼吸性粉塵和非呼吸性粉塵；第三部分為集塵器，用來收集被旋風式預捕集器捕集的非呼吸性粉塵。旋風式采樣頭的工作原理是：一定體積的含塵空氣在微型氣泵的作用下，進入旋風式采樣頭，粉塵經預捕集器分離后，非呼吸性粉塵由預捕集器的排塵口排出而被捕集到集塵器中，呼吸性粉塵由預捕集器的排氣管進入并被阻留在濾膜捕集器中已知質量的濾膜上。根據(jù)采樣后濾膜的粉塵增量，即可計算出作業(yè)場所空氣中呼吸性粉塵濃度。旋風式采樣頭的設計主要集中在預捕集器的設計上。旋風式采樣頭濾膜捕集器的設計主要參照國家標準GB/T 170611997《作業(yè)場所空氣采樣儀器的技術規(guī)范》以及AQ4204一2008《呼吸性粉塵個體采樣器》。排塵管錐體進氣管排氣管筒體 圖45 旋風式采樣頭 圖46 旋風式預捕集器 旋風式采樣頭的濾膜捕集器部分選型 旋風式采樣頭濾膜捕集器用于捕集呼吸性粉塵。旋風式采樣頭濾膜捕集器的設計主要參照濾膜捕集器的設計參照國家標準GB/T 17061一1997《作業(yè)場所空氣采樣儀器的技術規(guī)范》。GB/T 17061一1997中所包括的濾膜捕集器有鋁合金采樣夾、小型塑料采樣夾、粉塵采樣夾。由于AQ4204一2008《呼吸性粉塵個體采樣器》中對濾膜捕集器所使用的濾膜有效直徑規(guī)定為(23士1)mm，因此本文選用小型塑料采樣夾作為旋風式采樣頭的濾膜捕集器，并將其與旋風式預捕集器設計為一整體。 旋風式采樣頭的預捕集器部分設計 旋風式預捕集器的結構與原理一般的旋風式預捕集器由進氣管、排氣管、排塵管、筒體及錐體組成，結構如圖46所示。旋風式預捕集器的結構以及工作原理與旋風除塵器的工作原理一致，其實質為一種特殊的旋風除塵器。流體沿與器壁相切的入口進入筒體，器壁迫使其旋轉，向下延伸一定長度后，再迫使流體返轉向上。這股向下的氣流形成外渦旋，外渦旋逐漸到達器體底部，氣流中的非呼吸性粉塵在離心力的作用下被甩向器壁，由于重力和氣流的帶動作用，塵粒沿器壁進入排塵管而被捕集。呼吸性粉塵隨氣流向下延伸一定長度后，到達器體底部后，沿器體的軸心部位返轉向上，形成上升的內渦旋，仍保持同方向的旋入排氣管。我們稱這種流動為“雙螺線流動”，其模型稱“主流動模型”。雖然這種流動在器內所有的流體旋轉方向一致，但靠外器壁的流體為向下流動，靠近中心的流體為向上流動，這就形成了軸向速度為零的界面，把旋渦流分成內外兩層，故“雙螺線流動”亦稱為“雙旋渦流動”。 旋風式預捕集器的理論依據(jù)由于旋風式預捕集器的工作原理與旋風除塵器一致，都是利用了慣性力和重力的作用，其實質為一種能夠分離細微粉塵的特殊旋風除塵器，因此可將旋風除塵器的相關理論推廣到旋風式預捕集器中，對于旋風式預捕集器的分析理論一般可分為三種：1　轉圈理論是由Rosin等人在1932年提出的，它是在重力沉降室分離理論的基礎上發(fā)展來的。在沉降室中，粉塵受重力作用向下沉降，同時粉塵又以水平方向速度向前移動，只要沉降室有足夠的長度，則粉塵顆粒就能到達沉降室底板而分離。旋風除塵器也有徑向向外的離心沉降速度，也有旋轉切向速度，如果旋轉圈數(shù)足夠多，則粉塵就能從內筒半徑到達外筒邊壁處的分離界面而分離。這一理論的研究以Rosin、First等為代表。但是轉圈理論所做的一些假設過于粗糙，與實際情況往往有一定的差異，這是由于：該理論對分離器內部流場的認識還不夠全面，只考慮離心力對顆粒的作用，而忽略了向心流對顆粒的阻力；顆粒分離只認為是在圓柱段進行的，而實際氣體旋轉將延伸到錐頂附近，圓錐長度對顆粒的分離也有作用；Rosin假設在半自由旋流區(qū)為等速流，但是事實上這是不可能的，而且氣體在分離器內的轉圈數(shù)，也是較難測定的。 2　篩分理論認為每一粉塵顆粒都同時受到方向相反的兩種推移作用， 即由旋渦流場的慣性離心力使顆粒受到向外推移的作用，由于匯流場又使得顆粒受到向內漂移的作用。離心力的大小與粉塵顆粒的大小有關，顆粒越大離心力越大，因而必定有一臨界粒徑d50um， 受離心力向外推移的作用正好與向內漂移的作用相等。凡粒徑 d 50um，向外推移作用大于向內漂移作用，結果被推移到旋風分離器壁附近，粉塵濃度大到運載介質的極限負荷濃度時，則粉塵被分離出來。相反，凡d50um的粉塵顆粒，向內漂移的作用力大于向外推移的作用而被帶到上升的強制渦核心部分，隨著外排氣流而排離旋風分離器。這一理論的研究以Barth等為代表。 3　邊界層理論認為在旋風分離器任一截面上固相顆粒的濃度分布是均勻的，但流體在靠近壁面處的邊界層內是層流流動，只要顆粒在離心效應下進入邊界層內，顆粒的運動由旋轉轉變?yōu)樽杂沙两禂U散運動即視為被捕集分離。 綜合比較上述三種旋風除塵器的分離機理，轉圈理論一方面由于考慮的因素不夠全面，另一方面這種理論往往是基于某一特定的旋風式分離器理論模型，在應用上具有很大的局限性。篩分理論以及邊界層理論則考慮了幾何尺寸、湍流擴散等方面的影響，考慮因素較為全面，更接近實際情況。因此將篩分理論、邊界層理論用到旋風式預捕集器的設計中更為合理。 旋風式預捕集器的設計步驟　　旋風式預捕集器結構尺寸設計方法選擇的原則是:計算簡便、適用范圍廣、理論設計值與實際值較為符合。上述的幾種計算方法各有優(yōu)缺點，目前國內外最常采用的Barth設計法以及Leith設計法來設計旋風除塵器，這是由于這兩種方法的計算公式對流場、幾何參數(shù)等進行了較為全面的考慮，與實際測量值比較符合，理論性較強。旋風式預捕集器設計的四個步驟： 1　根據(jù)相關標準，確定旋風分離器處理氣量，明確設計要求，設定與工作環(huán)境相關的已知條件。2　根據(jù)對影響旋風式預捕集器分離效率因素的分析，確定旋風式預捕集器的型式，從而確定各主要各尺寸比。3　使用Barth計算公式，根據(jù)要求的處理氣量、切割粒徑及相關數(shù)據(jù)，計算出筒體直徑，按所選型式尺寸比，計算其他尺寸。4　確定旋風式預捕集器最終尺寸，并校驗其分離效率是否符合設計要求，進而得出初步符合設計要求的旋風式預捕集器。 旋風式預捕集器的基本參數(shù)和參考依據(jù)根據(jù)GBZ160一2007《工作場所有毒物質的測定》，對其中各種粉塵的采樣規(guī)范進行統(tǒng)計，即旋風式預捕集器的處理氣量Q=kg/s。設定與工作環(huán)境相關的已知條件：氣體密度p1=，顆粒密度p2=2700kg/，氣體粘度u=Pas，t=20℃，kg/氣體。 由于我國采用B曲線作為呼吸性粉塵分離曲線，即采樣標準曲線，因此要求旋風分離器對于5um粉塵的分離效率為50%，且各檢驗點粉塵透過旋風式預捕集器的效率，即旋風式采樣頭的捕集效率與BMRC曲線各對應點的標準差小于士5%。在旋風除塵器結構尺寸中， 以旋風除塵器的筒體直徑D、入口尺寸以及排氣管尺寸對其性能影響最為明顯。根據(jù)多年來旋風除塵器的應用和實踐， 得出了一套除塵器各結構比例尺寸范圍，此外stairmand、Swift等人根據(jù)調查研究結果，還提出了一般旋風除塵器各部件的尺寸比例，如表42所示。stairmand型旋風分離器是一種效率較高的旋風除塵器， 其筒體較短、錐體較長。由于其采用了長錐體結構和比較合理的尺寸比，因而除塵效率有較大提高，且能夠用于細微粉塵的分離。根據(jù)旋風式預捕集器的結構、工作原理與旋風除塵器的相似性，將旋風除塵器各結構尺寸比例應用到旋風式預捕集器的設計中。根據(jù)對影響預捕集器分離效率主要因素的分析，初步確定選用stairmand型旋風分離器的結構比例，其各部分的結構尺寸比例如表42所示，旋風式預捕集器的結構尺寸如圖47所示。表42 常用旋風除塵器各結構比例范圍一覽表項目stairmand型除塵器比例常用旋風除塵器比例范圍入口高度==→入口寬度==→排氣管插入深度==→