【正文】 例如表42所示，旋風式預捕集器的結(jié)構(gòu)尺寸如圖47所示。由于其采用了長錐體結(jié)構(gòu)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)多年來旋風除塵器的應用和實踐， 得出了一套除塵器各結(jié)構(gòu)比例尺寸范圍，此外stairmand、Swift等人根據(jù)調(diào)查研究結(jié)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。 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%。設(shè)定與工作環(huán)境相關(guān)的已知條件：氣體密度p1=，顆粒密度p2=2700kg/，氣體粘度u=Pa4　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(shè)計要求，進而得出初步符合設(shè)計要求的旋風式預捕集器。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。上述的幾種計算方法各有優(yōu)缺點，目前國內(nèi)外最常采用的Barth設(shè)計法以及Leith設(shè)計法來設(shè)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。因此將篩分理論、邊界層理論用到旋風式預捕集器的設(shè)計中更為合理。 綜合比較上述三種旋風除塵器的分離機理，轉(zhuǎn)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。這一理論的研究以Barth等為代表。凡粒徑 d 50um，向外推移作用大于向內(nèi)漂移作用，結(jié)果被推移到旋風分離器壁附近，粉塵濃度大到運載介質(zhì)的極限負荷濃度時，則粉塵被分離出來。 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(nèi)漂移的作用。這一理論的研究以Rosin、First等為代表。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。雖然這種流動在器內(nèi)所有的流體旋轉(zhuǎn)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(nèi)外兩層，故“雙螺線流動”亦稱為“雙旋渦流動”。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(zhuǎn)向上，形成上升的內(nèi)渦旋，仍保持同方向的旋入排氣管。流體沿與器壁相切的入口進入筒體，器壁迫使其旋轉(zhuǎn)，向下延伸一定長度后，再迫使流體返轉(zhuǎn)向上。 旋風式采樣頭的預捕集器部分設(shè)計 旋風式預捕集器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖46所示。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。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。旋風式采樣頭的設(shè)計主要集中在預捕集器的設(shè)計上。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(jīng)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(zhì)量的濾膜上。 旋風式采樣頭結(jié)構(gòu)與原理旋風式采樣頭的結(jié)構(gòu)由三部分組成，如圖45所示。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(guān)。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。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。使用低流量適配器進行氣體粉塵采樣之前，應調(diào)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。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。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。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(shè)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。在流體力學中我們不得不考慮在工程的設(shè)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。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。 低流量適配器的設(shè)計原理低流量適配器的理論設(shè)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(guān)系；后者描述風速與壓力之間的關(guān)系。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(shè)計。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。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(shè)計的結(jié)構(gòu)通過對于本采樣器采樣設(shè)計要求的分析，我們可以通過理論的計算和實驗設(shè)計出符合采樣器采樣標準的低流量適配器，\\min進行變化。低流量適配器的主體結(jié)構(gòu)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?nèi)ü艿琅灾Ч軘嗝婷娣e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。4 呼吸性粉塵、氣體粉塵濃度采樣器系統(tǒng)設(shè)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(diào)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(diào)節(jié)氣泵工作電壓，進而改變泵的流量，\min的要求。通過使用低流量適配器，在抽氣泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過低流量適配器的調(diào)節(jié)，\\min。 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(diào)的問題。通過設(shè)計一種低流量適配器，可以讓抽氣泵在工作電壓不改變的情況下，即抽氣泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過低流量適配器的調(diào)節(jié)，\min變化到大約1L\min，這樣就可以對有毒空氣粉塵濃度進行采樣了。對酯類、此外還有一小部分氣體的采樣流量較為特殊。 氣體粉塵濃度采樣器的組成與呼吸性粉塵濃度采樣器不同的是氣體粉塵濃度采樣器不需要特定的呼吸性粉塵預捕集器，為了實現(xiàn)氣體粉塵濃度的采樣，在采樣頭進氣口安裝低流量適配器，這樣就可以完成氣體粉塵濃度采樣，其他部分的設(shè)計和呼吸性粉塵濃度采樣器一樣，具體部分如圖34所示。 流量計在呼吸性粉塵采樣器中的使用一般為玻璃轉(zhuǎn)子流量計、金屬轉(zhuǎn)子流量計，但目前玻璃轉(zhuǎn)子流量計只能顯示瞬時流量，人為的對于抽樣總時間的情況下氣體體積的計算并不標準，所以選擇智能型金屬轉(zhuǎn)子流量計，可顯示采樣瞬時流量值，也可以顯示采樣累計氣體體積值，這樣對于采樣器的精確度就有了很大的提高。3　一般要求抽氣泵的使用壽命在設(shè)計抽氣流量下不低于3000小時，聲功率級在其最大抽氣流量的情況下應小于60dB。2　要求抽氣泵有良好的負載特性。目前多在抽氣泵前增加一個穩(wěn)流盒，或與泵設(shè)計為一體的緩沖裝置。個體呼吸性粉塵采樣頭雖然分離原理不同，但對其的基本要求均為：分離效率符合國家規(guī)定的粉塵采樣標準曲線；氣密性好；質(zhì)量輕，易于固定。也就是當含塵氣流進入旋風式分離器后，即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，由于重力的作用，大顆粒粉塵落在下部的集塵裝置內(nèi)，小顆粒粉塵即呼吸性粉塵隨氣流向上進行最終被阻留在濾膜上。由于氣流方向改變，一部分粗大顆粒粉塵撞擊在涂有硅油的沖擊板并粘附在其上，被沖擊板捕集下來，小顆粒粉塵即呼吸性粉塵隨抽氣氣流行進，被濾膜阻留[9]。采樣頭分離呼吸性粉塵的原理主要分為沖擊分離原理、旋風分離原理和向心沖擊原理三種，其相應的采樣頭類型如圖33所示。圖32 呼吸性粉塵采樣器系統(tǒng)組成 呼吸性粉塵采樣頭 個體呼吸性粉塵采樣頭個體粉塵采樣器配用的采樣頭為呼吸性粉塵采樣頭[8]，由兩級組成。 呼吸性粉塵濃度采樣器的組成 不同型號的呼吸性粉塵采樣器的結(jié)構(gòu)雖然有所不同，但基本上都是由采樣頭、抽氣泵、穩(wěn)流器、流量計、計時控制等幾部分組成。 4　粉塵濃度采樣器能否保持一定的低流量采樣，這對采樣靈敏度也有著極大的影響。 2　在粉塵采樣過程中，需要控制氣體流量的穩(wěn)定，在隨著采樣時間變化，采樣氣體的流量會受動一定的影響，選擇合適的抽氣風泵和穩(wěn)流裝置，這樣在電壓降低和阻力增加情況下還能控制抽氣流量在一定范圍內(nèi)小額變化，這對采樣器的穩(wěn)定性起決定性作用。針對于對呼吸性粉塵的采集，需要選擇合適的采樣頭，目前市場上個體呼吸性粉塵采樣器的采樣頭，主要有向心式、沖擊式、旋風式等，選擇合適的采樣頭對采樣器功能的實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。式中：C為粉塵濃度，單位mg/；W1為涂油濾膜和濾膜采塵前的重量，單位g；W2為涂油濾膜和濾膜采塵后重量，單位g；Q為采樣流量，單位/min；T為采樣時間，單位min。圖31 采樣器工作主要組成部分 在第一級和第二級風泵的作用下，附近粉塵氣流可從裝有涂油薄膜和濾膜的采樣頭進入（在采樣器中運用不同的采樣器件可以采集不同類型粉塵），經(jīng)過第一級和第二級抽風泵及流量計，從排氣口排出。4　尺寸小、重量輕，便于作業(yè)工人佩戴而不影響其正常工作。2　具有足夠準確可靠的采樣流量，流量范圍應與采樣頭所需流量匹配。圖21 幾種典型的呼吸性粉塵分離曲線（C曲線為肺泡沉積曲線） 呼吸性粉塵采樣器的氣體采樣要求 呼吸性粉塵采樣器是一種能對作業(yè)場所空氣中粉塵實現(xiàn)呼吸性粉塵分離采樣，并由作業(yè)場所接塵工人直接佩戴的采塵儀器。3　1967年召開的國際衛(wèi)生組織會議通過了BMRC曲線。因此BMRC曲線比ACGIH曲線要求的更嚴格。我國目前塵肺相當嚴重，所以制定呼吸性粉塵標準時，應重點考慮進入肺泡所引起塵肺病的那部分粉塵，這正是BMRC曲線的特點。目前，國際上存在著兩條得到國際標準化組織的推薦和承認的呼吸性粉塵分離標準曲線：BMRC曲線和ACGIH曲線，選取任何一條都是合適的，但是一個國家應該有一個統(tǒng)一的標準，特別是在制定呼吸性粉塵濃度標準時，確定呼吸性粉塵采樣標準曲線是前提條件。美國原子能委員會將呼吸性粉塵標準最大空氣動力學直徑定為10um，%。，5um粉塵沉積效率為50%。將呼吸性粉塵定義為能到達呼吸性細支氣管以下肺泡區(qū)的塵粒。根據(jù)曲線研制的呼吸性粉塵采樣器具有下列粒子分離特性：式中：P是沉積率；D是粉塵空氣動力學直徑；。并于1959年召開的約翰內(nèi)斯堡塵肺國際會議上提出并通過了呼吸性粉塵采樣器的粉塵分離曲線，即BMRC曲線，簡稱B曲線，如圖21所示中B曲線所示。 呼吸性粉塵分離曲線 20世紀中葉，英、美等國開展研究粉塵在肺泡區(qū)的沉降規(guī)律，由此制定出呼吸性粉塵分離曲線[7]。 3　同一空氣動力學直徑的塵粒，在透過濾膜、旋風器和其他除塵裝置時，具有相同幾率?？諝鈩恿W直徑有以下特征： 1　同一空氣動力學直徑的塵粒，在大氣中具有相同的沉降速度和懸浮時間。 呼吸性粉塵檢測的標準 空氣動力學直徑由于作業(yè)場所空氣中的粉塵其幾何形狀和密度各不相同，粉塵在呼吸道沉著與粉塵顆粒的幾何學直徑并無明顯的相關(guān)性，而與其空氣動力學直徑密切相關(guān)。 研究意義研究設(shè)計呼吸性粉塵采樣器，這對于保證采樣器分離效能、保證準確測量作業(yè)場所氣中的呼吸性粉塵、氣體粉塵濃度是十分必要的。10微米直徑的顆粒物通常沉積在上呼吸道，2微米以下的可深入到細支氣管和肺泡。細顆粒物能飄到較遠的地方，因此影響范圍較大。細顆粒物的化學成分主要包括有機碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。與較粗的大氣顆粒物相比，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質(zhì)（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。細顆粒物又稱細粒、細顆粒、。而包括患有慢性肺炎、心臟病、感冒或哮喘病患者的老年人及兒童則是最易受可吸入顆粒物影響的人群。 據(jù)有關(guān)資料顯示，空氣中彌漫著的可吸入顆粒物非常小，能夠直達并沉積于肺部，直接參與血液循環(huán)，對人體的危害相當大。PM10是空氣動力學當量直徑小于等于10微米的可吸入顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小。因此，飄塵是從事環(huán)境科學工作者所注目的研究對象之一。2 呼吸性粉塵研究概述 淺談呼吸性粉塵 PM10的定義和對人體的影響飄塵：能在大氣中長期飄浮的懸浮物質(zhì)，其粒徑主要是小于10微米的微粒。3　個體采樣器采樣頭的設(shè)計：為了使個體采樣器能夠滿足對呼吸性粉塵的采樣要求，設(shè)計滿足我國呼吸性粉塵采樣標準曲線的個體呼吸性粉塵采樣頭，并通過采樣頭的使用保證對呼吸性粉塵的準確采樣。對于個體采樣器的系統(tǒng)設(shè)計，本文著重研究以下內(nèi)容：1　個體采樣器氣路系統(tǒng)抽氣泵的優(yōu)選：根據(jù)相關(guān)標準對抽氣泵的技術(shù)性能指標要求選擇合適的抽氣泵，并對其性能進行檢測。國內(nèi)的個體呼吸性粉塵采樣頭的預捕集器大多為向心式和沖擊式。但目前國產(chǎn)個體呼吸性粉塵采樣器并沒有得到廣