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室內(nèi)氣溶膠顆粒物沉積特性的實(shí)驗(yàn)研究_施孝增、吳家正、李曹縣、鄢慶春

氣溶膠(a erosol)是指由固體顆粒、液體顆?;蛞后w及固體混合顆粒懸浮于氣體介質(zhì)中形成的均勻分散體系,如人體的呼吸、噴嚏、咳嗽等生理活動(dòng)產(chǎn)生的大量微米級(jí)的可吸入物質(zhì)。由于氣溶膠中的顆粒物質(zhì)是一類對(duì)
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氣溶膠(a erosol)是指由固體顆粒、液體顆?;蛞后w及固體混合顆粒懸浮于氣體介質(zhì)中形成的均勻分散體系,如人體的呼吸、噴嚏、咳嗽等生理活動(dòng)產(chǎn)生的大量微米級(jí)的可吸入物質(zhì)。由于氣溶膠中的顆粒物質(zhì)是一類對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康有著重要影響的物質(zhì),所以通稱為顆粒物[1 ]。也有文獻(xiàn)稱其為微粒[2]。從一定意義上說,氣溶膠顆粒的沉降對(duì)于減少室內(nèi)空氣顆粒濃度,降低人體顆粒暴露量有積極作用。許多學(xué)者在顆粒沉降特性方面做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Xu等人研究了低通風(fēng)率房間內(nèi)香煙顆粒在壁面上的沉降[3;] Lai等實(shí)驗(yàn)研究了氣溶膠顆粒在多區(qū)域房間內(nèi)的擴(kuò)散與沉積規(guī)律[ 4];Tra cy LThatcher 等人研究了密閉房間內(nèi),不同的裝飾和家具布置,不同擾動(dòng)風(fēng)速對(duì)顆粒沉降的影響[5 ]。JinHanhui等研究了不同粒徑、氣流組織形式下小室的顆粒濃度分布規(guī)律與沉積特性[ 6]??偟膩?lái)說,顆粒在室內(nèi)的沉積取決于顆粒物理性質(zhì)、室內(nèi)氣流特征、表面粗糙度等多種因素[7 ]。為了深入了解氣溶膠顆粒物在室內(nèi)的沉降與擴(kuò)散規(guī)律,有必要通過實(shí)驗(yàn),研究不同粒徑顆粒在不同換氣次數(shù)下的濃度衰減規(guī)律,并且通過對(duì)顆粒沉積衰減系數(shù)的研究,進(jìn)一步揭示顆粒在室內(nèi)的沉積特性。1 實(shí)驗(yàn)方案在顆粒沉積衰減系數(shù)計(jì)算上,C o r n e r 和Pendlebury 導(dǎo)出了適用于矩形盒子的氣溶膠顆粒沉積衰減系數(shù)計(jì)算公式,這一公式同樣適用于管道中顆粒衰減系數(shù)的計(jì)算[8;] Van de Vate采用粒徑分布為0.09 mm ~1.3 mm的單分散聚苯乙烯乳膠顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到擴(kuò)邊界層的厚度并且導(dǎo)出了顆粒沉積損失系數(shù)的計(jì)算公式[9]。Crump 和Seinfeld 通過研究攪拌罐內(nèi)顆粒沉積規(guī)律,推導(dǎo)出了攪拌罐內(nèi)壁面沉積速率公式[ 10],Okuyama et al,Cheng et al,Benes 和Holub 等人,對(duì)該計(jì)算公式進(jìn)行了修正與改進(jìn)[ 11 - 13 ]。本文采用顆粒濃度衰減法進(jìn)行,根據(jù)顆粒的質(zhì)20 10 - -2 4 量平衡得到顆粒沉積衰減系數(shù)的計(jì)算公式:其中:C 為顆粒的濃度(個(gè)/m3); 為換氣次數(shù)h- 1); 為顆粒沉積損失系數(shù)(h -1);Ct 為顆粒在t 時(shí)刻的濃度(個(gè)/m3);C0 為顆粒在t0 時(shí)刻的濃度(個(gè)/m3);t 為時(shí)間(h )。通過測(cè)量C t、C0、t 以及求得顆粒的沉積速率。顆粒濃度衰減法適用于室內(nèi)氣溶膠顆粒均勻混合的情況,因此在實(shí)驗(yàn)過程中,盡可能在室內(nèi)顆粒均勻混合后開始實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1 所示,實(shí)物圖如圖2 所示。圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1- 變頻軸流風(fēng)機(jī);2 - 旁通管流量調(diào)節(jié)閥;3- 旁通管;4 - 送風(fēng)管流量調(diào)節(jié)閥;5 - 高效過濾單元;6-DESH 氣溶膠發(fā)生器;7- 均流板;8-BCJ-1D 型激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器;9- 連接膠皮管;10- 實(shí)驗(yàn)小室;11- 顆粒濃度測(cè)點(diǎn)圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置圖實(shí)驗(yàn)采用顆粒濃度衰減法,測(cè)得實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)一定點(diǎn)的顆粒濃度隨時(shí)間衰減的趨勢(shì),并用公式3計(jì)算顆粒沉積損失系數(shù)研究室內(nèi)顆粒的沉積特性。實(shí)驗(yàn)小室大小為1.2 m×0.8 m×0.8 m,用透明的有機(jī)玻璃制成,圖中箭頭表示氣流流動(dòng)方向;送風(fēng)管截面為100 mm×100 mm,長(zhǎng)度1 m,送風(fēng)管內(nèi)氣流速度為3 m3/h~10m3/h;排風(fēng)管截面為10mm×100 mm,長(zhǎng)度0. 5 m。實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖中所有尺寸標(biāo)注均不計(jì)有機(jī)玻璃壁厚。本實(shí)驗(yàn)采用QR 型氣溶膠顆粒發(fā)生器,如圖3 所示,該發(fā)生器采用Laskin 噴嘴結(jié)構(gòu),在一定供氣壓力下,通過閥門控制來(lái)得不同的氣溶膠噴霧量。該發(fā)生器供氣氣源:壓縮空氣(無(wú)油、無(wú)水);供氣壓力:0.1 MPa ~0.18 MPa;氣溶膠顆粒種類:D ES H(葵二酸二正辛酯)。圖3 QRJ-1 型氣溶膠顆粒發(fā)生器圖圖4 BCJ-1D 型激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)中采用BCJ-1D 型激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器,如圖4 所示,對(duì)實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行濃度計(jì)量。該計(jì)數(shù)器是測(cè)量潔凈環(huán)境中單位體積空氣內(nèi)所含塵埃粒子數(shù)的測(cè)試儀器,空氣采樣流量為2.83 L/min,最小檢測(cè)粒徑為0.3 mm。表1 各工況參數(shù)設(shè)置表實(shí)驗(yàn)中,通過一膠皮管連接計(jì)數(shù)器采樣口,該膠皮管另一端與一鋼制細(xì)管相連,細(xì)鋼管測(cè)量口固定于測(cè)點(diǎn)12(如圖1 所示)。在測(cè)量范圍內(nèi)(粒徑通道測(cè)量范圍:0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm、2.0 mm、5.0 mm;溫度測(cè)量范圍:-5℃~+80℃,誤差±1℃;濕度測(cè)量范圍:0%~100%,誤差± 5%)以及允許工作環(huán)境下(溫度: ℃第3期室內(nèi)氣溶膠顆粒物沉積特性的實(shí)驗(yàn)研究. 11 .J-1 10圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)俯視圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分析與討論本實(shí)驗(yàn)的測(cè)點(diǎn),即粒子計(jì)數(shù)器的空氣采樣口設(shè)置在距離實(shí)驗(yàn)小室排風(fēng)口350 mm 的中軸線處,測(cè)點(diǎn)距離小室頂板約750 mm。測(cè)點(diǎn)俯視圖和實(shí)物圖見圖5 、圖6 所示。 12 . 潔凈與空調(diào)技術(shù)CC&AC 2010年7 .91 h-1 11 8.98 h-1圖13 換氣次數(shù)11.72 h-1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖14 換氣次數(shù)12.93 h-1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖15 顆粒沉積衰減系數(shù)、換氣次數(shù)與粒徑關(guān)系在實(shí)驗(yàn)工況中,5 mm 以上顆粒計(jì)數(shù)量少某些甚至為0,通過公式得到的顆粒沉積衰減系數(shù)不存在,因此這些點(diǎn)未在圖中標(biāo)示;對(duì)于衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果為負(fù)值的數(shù)據(jù)亦沒有標(biāo)示。從圖中可以看出對(duì)于粒徑在0.3mm以上的顆粒,隨著粒徑的增加,顆粒沉積衰減系數(shù)值總體上呈上升趨勢(shì),這與Xu 等人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果大致符合,但是在Xu 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,0.3 mm以下的顆粒,隨著粒徑的增加,顆粒沉積衰減系數(shù)反而減小[3 ]。分析認(rèn)為,對(duì)于0. 3mm以下的超細(xì)顆粒慣性較小,顆粒在室內(nèi)表面的積主要依靠布朗作用以及湍流擴(kuò)散作用完成,而對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)工況的顆粒,受重力作用較擴(kuò)散作用明顯,因此顆粒沉積衰減系數(shù)逐漸增加。但是在本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,由于實(shí)驗(yàn)條件所限,僅對(duì)0.3

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