Введение к работе
Настоящая работа, выполненная автором в 1985 - 2004 годах, посвящена разработке методов оптического зондирования аэрозольных частиц в воздушном потоке, которые необходимы для контроля параметров таких потоков, как в различных аэрозольных технологиях, так и в охране окружающей среды. Выполнено численное моделирование замкнутого аэродисперсного потока, позволившее создать специальный пылевой стенд и выполнить на нем экспериментальное моделирование потоков с параметрами, адекватными промышленным потокам. Проведенные исследования аэродисперсного потока реального цементного аэрозоля методом интегрального светорассеяния (МИСР) позволили получить оценки предельных возможностей этого метода и оптимальные методы его реализации в промышленных условиях.
Актуальность темы. Течение газа или жидкости с взвешенными в них дисперсными частицами находит или уже нашло практическое применение в деятельности человека. Аэродисперсные потоки широко используются как в различных технологиях, так и играют важную роль в науках о жизни и экологии. Для описания поведения таких потоков широко используются законы динамики гетерофазных сред. Физика таких потоков очень сложна и их описание включает большое число экспериментальных зависимостей и параметров. Поэтому только экспериментальные методы могут дать необходимые сведения о таких средах.
Все экспериментальные методы можно разделить на два больших класса - бесконтактные и зондовые методы. Бесконтактные методы сегодня являются наиболее перспективными, так как их основное преимущество перед зондовыми - отсутствие возмущений исследуемого потока. Применимость зондовых методов для диагностики высокотемпературных потоков вообще представляется проблематичной.
Бесконтактные методы объединяют три группы, различающиеся по
длине волны и с п излучения - оптические, рентгеновские И
г*
I БИБЛИОТЕКА ] 3
СП Oft Я»
радиоактивные. Мощным импульсом для широкого внедрения оптических бесконтактных методов и разработки новой измерительной техники стало создание новой оптической и электронной элементной базы и широкое использование компьютерной техники.
Из всего многообразия методов и систем для исследования аэрозольных потоков для решения проблемы измерения массовых концентраций частиц реального цементного аэрозоля в воздушном потоке в технологических условиях или условиях рассеяния в атмосфере были выбраны два оптических метода - МИСР и метод спектральной прозрачности (МСП).
Проведенный анализ состояния этой проблемы показывает, что применяемые для измерения концентраций аэрозольных частиц в потоках устройства и методы требуют детального исследования их метрологических характеристик и влияния на них условий эксплуатации. Проведение таких исследований позволит уменьшить погрешность измерений и повысить их достоверность, а применение непрерывных автоматизированных МИСР-измерителей увеличить производительность при контроле воздушных потоков цементных частиц и найти новое применение в диагностировании состояний пылегазоочистного оборудования (ПГО) на предприятиях цементной отрасли.
Цель работы. Общей целью настоящей работы было определение предельных возможностей МИСР и выбор путей его оптимальной реализации.
Для этого необходимо решение следующих задач:
выполнить теоретический анализ проблемы измерения концентрации частиц в аэрозольных потоках оптическими методами,
провести численное моделирование аэродисперсного потока и создать на его основе специальный пылевой стенд для проведения на нем исследования модельных объектов и потоков реального цементного аэрозоля,
- провести теоретические и экспериментальные исследования для
создания экспериментальной установки на основе пылевого стенда и МИСР-
измертителя для измерения индикатрисы рассеяния в аэродисперсных
потоках,
разработать и реализовать оптимальные алгоритмы процесса измерения,
- выполнить анализ полученных результатов и их оценку,
-провести анализ возможности применения МИСР-измерителя для
диагностирования ПГО в промышленных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. МИСР может быть выбран как наиболее оптимальный метод
измерения массовой концентрации полидисперсных цементных частиц в
воздушных потоках, благодаря своей высокой чувствительности и
возможности работы в реальных промышленных условиях.
2. Широкий диапазон размеров частиц реального цементного аэрозоля,
их концентраций в промышленных потоках, неправильная форма частиц и
их геометрическая неоднородность, склонность к агрегированию не
позволяют выполнить корректные теоретические расчеты индикатрисы
рассеяния, а исчерпывающих результатов экспериментальных исследований
недостаточно. Поэтому необходимо провести экспериментальные
исследования предельных возможностей МИСР для измерения массовой
концентрации цементных аэрозолей в промышленных потоках.
3. Моделирование промышленных аэрозольных потоков в пылевом
стенде, построенном по замкнутой схеме, является оптимальным по
сравнению с другими методами.
4. Непрерывное дозирование не позволяет обеспечить в таком стенде с
замкнутым газоходом управление концентрацией и размерами
полидисперсного аэрозоля. Поэтому оптимальным решением такой задачи
является импульсная генерация аэрозольного материала в воздушный поток
и проведение измерений на участке релаксационного спада концентрации.
Полученные на разработанном стенде результаты измерений концентрации гравиметрическим методом согласуется с расчетными значениями в течение 700 с после импульса генерации аэрозоля в поток, или, что то же самое, в пределах спада концентрации от 104 до 102 мг/м3, что подтверждает корректность модели.
-
МИСР позволяют регистрировать концентрации цементного аэрозоля до нескольких десятков тысяч мг/м3. Причем оптимальные углы рассеяния для реального цементного аэрозоля лежат в диапазоне 85-150 градусов.
-
Обосновано применение МИСР-измерителей для технического диагностирования ПГО в реальном времени, что значительно повышает эксплуатационную надежность и эффективность ПГО.
-
Выполненные расчеты показали, что оснащение ПГО такими измерителями может позволить в несколько раз сократить выбросы аэрозолей в атмосферу и тем самым улучшить экологическую обстановку.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:
1. Численное и экспериментальное моделирование показало, что
процесс релаксационного спада концентрации частиц полидисперсного
аэрозоля размером от 1 до 100 мкм после их импульсной генерации в
замкнутый воздушный поток может быть использован для создания
аэродисперсных потоков необходимых для их исследования с помощью
МИСР.
2. Развитый в диссертации оригинальный подход к использованию
импульсной модуляции и двойного синхронного детектирования
обеспечивает повышение отношения сигнал/шум более, чем в 2-Ю5 раз по
сравнению с традиционным методом амплитудного детектирования.
3. Анализ и экспериментальные исследования индикатрисы рассеяния
полидисперсными частицами реального цементного аэрозоля на
специальной установке, состоящей из пылевого стенда и измерителя на
основе МИСР, показали, что концентрации частиц могут быть измерены в
реальных промышленных условиях по амплитудным параметрам индикатрисы в области углов рассеяния 85 - 150 градусов на длине волны 950 нм зондирующего излучения.
Приоритет результатов. Основные результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Конференции «Очистка воздуха и обезвреживание отходящих газов». (Пенза, 1991);
Международном Аэрозольном Симпозиуме IAS-3 (Москва, 1996 г.);
Международной Конференции «Оптика в экологии» (Санкт-Петербург, 1997 г.);
Научно-технической Конференции «Лазерная технология и средства ее реализации-97» (Санкт-Петербург, 1997 г.);
Конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, в 2000,2002 и 2004 гг.);
Конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, в2000,2001,2002 и 2004 гг.);
Второй научно-технической Конференции «Проблемы технической коммерческой эксплуатации транспорта» (Новороссийск, 14-16 июня, 2001 г.);
Международных Конференциях «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, в 2002,2004 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения, 14 статей, 21 доклад и тезис на конференциях, 5 отраслевых руководящих документов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка цитируемой литературы. Объем
