ИСПАРЕНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ УСЛОВИЯХ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Казаков Александр Алексеевич, ведущий инженер 34 отдела Открытого акционерного общества «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» (ОАО «ФНПЦ «Алтай»), г Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, Е-таН: post@frpc. secna.ru, т. (3854)301437

Тамбиев Петр Геннадьевич, к.т.н., зам. гене-

рального директора ТОО «Научно-производственное предприятие «Интеррин», г Алматы, Республика Казахстан, пр-кт Абая,191, тел.(727)3765301. Е-таН: [email protected]

Франк Александр Александрович, ведущий инженер ТОО «Научно-производственное предприятие «Интеррин», г Алматы, Республика Казахстан,

УДК 544.772.3:519.87

ИСПАРЕНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ УСЛОВИЯХ

О.Б. Кудряшова, А.А. Антонникова, Н.В. Коровина,Б.И. Ворожцов

В работе рассматривается испарение водных аэрозолей с характерными размерами частиц, порядка единиц микрометров и менее в различных внешних условиях (влажности и температуре окружающей среды). Физико-математическая модель испарения учитывает зависимость этого процесса от размера частиц, их физико-химических свойств и параметров окружающей среды. Приводятся экспериментальные результаты, полученные с помощью оптических методов измерений дисперсных параметров и концентрации водных аэрозолей.

Ключевые слова: мелкодисперсный водный аэрозоль, распределение частиц по размерам, испарение.

ВВЕДЕНИЕ

Аэрозоли на основе воды и водных растворов находят широкое применение при пожаротушении, осаждении дымов и пылей, в медицине (ингаляции, дезинфекция) и т.д. Особенно большой интерес вызывают мелкодисперсные аэрозоли. В частности, при ингаляции наибольший терапевтический эффект оказывают аэрозоли с диаметром частиц, меньше микрометра. При этом важным практическим вопросом является время «жизни» таких аэрозолей, поскольку чем меньше размер капли, тем быстрее она испаряется благодаря более развитому тепломассообмену с ее поверхности.

Цель данной работы - экспериментальное исследование испарения водных аэрозолей при различных внешних условиях: влажности и температуре окружающей среды. При этом измерялись дисперсные параметры и концентрация капель аэрозоля в зависимости от времени.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для проведения исследований влияния температуры и влажности дисперсной среды на эволюцию параметров жидко-капельного аэрозоля была использована испытательная климатическая камера (рисунок 1).

Создание положительной избыточной

температуры в камере осуществляется при помощи нагрева и вентиляции. В качестве нагревательного элемента выступает электрический калорифер мощностью 4,5 Вт. Воздухообмен в камере осуществляется системой вентиляции на базе канального вентилятора с производительностью 400 м3/ч, а также при помощи испарителя системы охлаждения. Измерение и регулирование температуры осуществляется блоком управления систем вентиляции и кондиционирования NED ACE222 с контроллером Siemens RLU2xx.

Рисунок 1 - Блок-схема климатической испытательной камеры (размеры на рисунке приведены в мм)

Измерительные датчики расположены в трех точках климатической камеры - на входе и выходе системы вентиляции и на корпусе испарителя системы охлаждения. Повышение влажности до 90 % осуществляется с помощью парового увлажнителя при температуре отплюс 20 до плюс 25 градусов Цельсия.

Для создания жидко-капельного аэрозоля использовался краскопульт КРАТОН R 200 LVLP-02S, настроенный на заданные нами характеристики (средний размер частиц около 9 мкм). Распыляемое вещество для создания жидко-капельного аэрозоля - дистиллированная вода. В ходе проведения экспериментов камера заполнялась аэрозолем в течение 1 минуты (масса распыленной жидкости, таким образом, составила 20 г).

Измерения дисперсных характеристик и концентрации частиц аэрозолей в динамике проводилось с помощью специального измерительного комплекса, основанного на применении оптических методов измерений (метода спектральной прозрачности и малоуглового-рассеяния) [1, 2].

Физико-математическая модель

Физико-математическая модель основана на следующих положениях. Поток влаги с поверхности капли зависит от ее радиуса и парциального давления паров над ее поверхностью (уравнение Максвелла); температуру капли считаем равной температуре окружающей среды; парциальное давление насыщенного пара подчиняется уравнению Клапейро-на-Клаузиуса. Тогда уравнение для скорости изменения диаметра капли [3]:

/(В) = аВа ехр(-ЬВ),

сЮ

<к 2р ЖКГ

2338,8х

_мн( 1

хе

Я \ Т 293

4сД/

еР.х

(1)

где Df - коэффициент диффузии, г - радиус капли, R - газовая постоянная, М - молекулярный вес, Т - температура, Н- теплота фазового перехода, а - поверхностное натяжение, рж - плотность жидкости, V - влажность среды.

Реальные аэрозоли практически никогда не бывают монодисперсными. Для природных аэрозолей, так же как и полученных в лабораторных условиях, распределение частиц по размерам можно описывать с помощью функции гамма-распределения:

где параметры а, ь , а - положительные вещественные числа. В качестве одной из важнейших статистических характеристик распределения (2) можно считать объемно-поверхностный диаметр частиц D32, равный отношению (а+1)/Ь. Задавая начальное распределение из эксперимента, с помощью уравнения (1) для каждой фракции можно рассчитать изменение диаметра во времени, а значит, уменьшение общей массы аэрозоля и новый вид функции распределения и ее характеристик (в частности, D32).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рисунках 2-4 приведены зависимо-стисреднего объемно-поверхностного диаметра частиц D32(а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при различных значениях влажности и температуры окружающей среды. В таблице 1 сведены значения времени испарения аэрозоля, посчитанные теоретически согласно приведенной выше модели и определенные экспериментально. Для сравнения отметим, что для испарения 20 г воды в недиспергированном состоянии при тех же условиях требуется время, измеряемое десятками часов.

Как следует из полученных результатов, с понижением температуры и ростом влажности, даже в небольших пределах, время испарения мелкодисперсного аэрозоля уменьшается в несколько раз. Дисперсный состав аэрозоля в опытах и в расчетах менялся незначительно. При увеличении скорости испарения (в экспериментах с более высокой температурой и пониженной влажностью) расчетная концентрация уменьшается практически по линейному закону. В опытах с повышенной влажностью и низкой температурой наблюдается больший разброс экспериментальных значений, что можно объяснить влиянием влажности на точность измерений (запотевание оптических элементов). В целом можно говорить об удовлетворительном согласии теоретических результатов с экспериментальными.

Рисунок 2 - Динамика среднего объемно-поверхностного диаметра (а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при влажности 90 % и температуре 15°С

Рисунок 3 - Динамика среднего объемно-поверхностного диаметра (а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при влажности 70 % и температуре 45°С

Рисунок 4 - Динамика среднего объемно-поверхностного диаметра (а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при влажности 60 % и температуре 22°С

Таблица 1 - Время полного испарения аэрозоля в зависимости от влажности и температуры среды

Влажность, % Температура, ° С Время испарения,с

эксперимент расчет

70 45 60 75

60 22 170 150

90 15 190 190

Таким образом, в работе проведено исследование испарения мелкодисперсных водных аэрозолей, с характерным диаметром частиц, порядка единиц микрометров. Показано, что с ростом влажности и понижением температуры время испарения капель аэрозоля увеличивается в несколько раз. Предложенная физико-математическая модель испарения полидисперсного водного аэрозоля, учитывающая ускорение тепломассопереноса с более развитой поверхности капель, удовлетворительно описывает экспериментальные данные.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Pavlenko A., Kudryashova O., Vorozhtsov B., Titov S., Akhmadeev I., Muravlev E. Modified Method of Optical Diagnostics of Aerosol Media // http://www. pim-journal.org/paperInfo.aspx?ID=12. - Precision Instrument and Mechanology. - 2012. - Vol. 1, No. 1. - ID12.

2. Пат. 2441218 RU, МКИ G01N 15/02. Способ определения дисперсности и концентрации частиц в аэрозольном облаке / В.А. Архипов, А.А. Павленко, С.С. Титов, О.Б. Кудряшова, С.С. Бондарчук. - № 2010143653; заявлено 25.10.2010; опубл. 27.01.2012, Бюл. № 3. - 10 с.

3. А.А. Антонникова, Н.В. Коровина, О.Б. Кудряшова, И.М. Васенин. Физико-математическая

УДК 544.772.3:519.87

модель испарения капель мелкодисперсных аэрозолей // Ползуновский вестник. - 2013. - № 1. - С. 129-132.

Антонникова Александра Александровна,

младший научный сотрудник лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН). E-mail: [email protected]. Ул. Социалистическая, 1, г Бийск, Россия. Тел. (3854) 30-18-69.

Коровина Наталья Владимировна, младший научный сотрудник лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), E-mail: [email protected]. Ул. Социалистическая, 1, г. Бийск, Россия. Тел. (3854) 30-18-69.

Кудряшова Ольга Борисовна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), E-mail: olgakudr@ inbox.ru. Ул. Социалистическая, 1, г. Бийск, Россия. Тел. (3854) 30-18-69.

Ворожцов Борис Иванович, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН). E-mail: [email protected] Ул. Социалистическая, 1, г. Бийск, Россия. Тел. (3854) 30-58-65.

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСПЫЛЯЕМОГО ВЕЩЕСТВА НА ЭВОЛЮЦИЮ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО АЭРОЗОЛЯ

О.Б. Кудряшова, Н.В. Коровина, А.А. Антонникова, Б.И. Ворожцов

Работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию эволюции дисперсных параметров и концентрации аэрозолей с характерными размерами частиц (порядка единиц, десятков микрометров и менее) и влиянию физико-химических свойств вещества на процессы испарения и осаждения частиц. Физико-математическая модель учитывает процессы седиментации, испарения, коагуляции частиц (на основе балансовых уравнений Смолу-ховского). Приводятся экспериментальные результаты, полученные с помощью оптических методов измерений дисперсных и концентрационных характеристик аэрозолей.

Ключевые слова: мелкодисперсный аэрозоль, гамма-распределение, модель Смолуховского.