Экспериментальное исследование зависимости гидродинамического сопротивления Dр материалов ФП потоку воздуха от линейной скорости u потока при ламинарном течении

Используя ареометр с пределами измерений 0 – 10 л/мин, определите зависимость Dр от u для фильтра АФА-ХА. Данные отобразите в виде таблицы и в виде графика зависимости Dр, Па от u, м/с. Чему равно сопротивление фильтра АФА-ХА при u = 0.01 м/с? Сравните полученную величину с данными, приведенными в приложении 4.

В теории [6], объясняющей зависимость гидродинамического сопротивления волокнистых материалов от их толщины, пористости, радиуса волокон, скорости потока, вязкости воздуха (при ламинарном обтекании волокон, т. е. при малых скоростях фильтрации), приводится следующая формула:

, (1)

где a = 1 – b; b – пористость фильтрующего материала; m – динамическая вязкость воздуха, Па^.с; u – скорость потока, м/с; h – толщина фильтрующего материала, м; а – радиус волокон материала фильтра, м.

Оцените среднюю линейную скорость <u_ф>, м/с газового потока в порах фильтра АФА-ВП-20, зная расход воздуха G = 80 л/мин, площадь рабочей поверхности S_раб и пористость b.

Для найденной величины вычислите безразмерный параметр подобия – критерий Рейнольдса

. (2)

Поскольку в интервале расходов от 0 до 80 л/мин гидродинамическое сопротивление фильтрующей волокнистой ткани потоку воздуха увеличивается с увеличением расхода линейно (а при больших расходах вы эту зависимость не исследовали), то полученное значение критерия Рейнольдса можно считать нижней оценкой критического критерия Rе для ламинарного обтекания воздухом волокон, входящих в состав ткани (не единичного волокна). В (2) символом <а> обозначен средний радиус волокон в фильтрующем материале.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для изучения гидродинамического сопротивления фильтров: 1 – фильтродержатель с фильтром; 2 – реометр для измерения объемного расхода воздуха; 3 – воздуходувка; 4 – ЛАТР (для регулирования расхода воздуха); 5 – U-образный манометр; Dр₁ – гидродинамическое сопротивление фильтра; Dр₂ – гидродинамическое сопротивление капилляра реометра при определении расхода

5. Составление таблицы свойств материалов ФПП и ФПА, включающей в себя следующие пункты:

- маркировка материалов (см. приложение 2);

- химический состав волокон;

- диаметр волокон;

- структура и толщина материалов;

- пористость;

- отношение ацетилцеллюлозы и перхлорвинила к парам воды, кислотам, щелочам, органическим растворителям;

- пылеемкость, г/м² (см. приложение 1);

- удельная масса фильтрующего материала, г/м²;

- эффективность задержки аэрозольных частиц при линейной скорости фильтрации 0.01м/с;

- рабочие температурные диапазоны.

Задача

Для закрепления материала решите следующую задачу.

На АЭС для очистки воздуха обитаемых помещений от радиоактивных аэрозолей используется пакет фильтров Д-23 КЛ ([5], стр. 67–69). Объемный расход очищаемого воздуха G = 7500 м³/ч. Линейная скорость фильтрации через волокнистый материал ФП u = 0.0302 м/с. Через 528 суток (1,46 года – срок службы фильтров Д-23 КЛ в данных условиях) на фильтрующем материале всех фильтров накапливается общая g‑ активность 6^.10⁷ Бк (основной вклад в активность дают долгоживущие радионуклиды ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ¹²⁹I, ¹³¹I, ^110mAg и т. д.).

Дайте ответы на следующие вопросы.

1. Какая марка материалов ФП используется в фильтрах Д-23 КЛ? Укажите толщину материала, пористость, средний диаметр волокон, стандартное гидродинамическое сопротивление, эффективность улавливания стандартного масляного тумана при стандартной линейной скорости фильтрации.

2. Какова требуемая суммарная площадь фильтрующей ткани?

3. Каково количество n фильтров Д-23 КЛ в пакете?

4. Учитывая, что массовая концентрация пыли в воздухе обитаемых помеще­ний АЭС не превышает 0.08 мг/м³ ([6], с. 46), оцените удельную пылевую нагрузку ПН, г/м² фильтрующей ткани к концу срока службы фильтров ДК-23 КЛ в данных условиях.

5. Определите среднюю объемную активность долгоживущих радионуклидов А, Бк/м³ в обитаемых помещениях АЭС.

Приложение 1. Методика определения концентрации пыли в воздухе. Выписка из РД 52.04. 186-89

Методика предназначена для определения массовой концентрации пыли в атмосферном воздухе. Используется для измерения разовых (усреднение за 30 минут) и среднесуточных (усреднение за 24 часа) концентраций пыли при удельном расходе воздуха 5 дм³/(мин^.см²) в диапазонах 0.26 - 50 мг/м³ (разовая) и 0.007 – 0.69 мг/м³ (среднесуточная).

Нормы и точность измерений. По экспертным оценкам при определении концентрации пыли в атмосферном воздухе в указанных выше диапазонах относительная погрешность не превышает 25 %. Предельная абсолютная погрешность определения массы пыли на фильтре – 0.2 мг. Предельная относительная погрешность определения объема воздуха, прошедшего через фильтр, – 6 %.

Метод измерения, основан на определении массы взвешенных частиц пыли, задержанных фильтром на ткани ФПП при прохождении через нее определенного объема воздуха.

Средства измерений, вспомогательные устройства и материалы:

весы аналитические ВЛР-200 по ГОСТ 24104-80Е

меры массы по ГОСТ 7328 -82Е

электроаспиратор ЭА-2 по ТУ 25-11, 1413-78

анеморумбограф м-63МР по ТУ 25-11, 1451-78

барометр-анероид М-67 по ТУ 25-04, 1797-75

фильтры АФА-ВП-20 по ТУ 52-01, 367-80

Подготовка к выполнению измерений

1. Используемые для отбора проб фильтры должны быть пронумерованы. Порядковый номер наносят карандашом на бумажное кольцо фильтра АФА.

2. Перед отбором пробы фильтр должен быть взвешен на аналитических весах. Перед этим фильтр не менее одного часа выдерживают в помещении, где производится взвешивание. Чтобы не испортить рабочую поверхность фильтра, при всех операциях его следует брать пинцетом за край.

3. Взвешенные чистые фильтры вкладывают в пакеты из кальки. Эти пакеты помещают в полиэтиленовые пакеты, на которые шариковой ручкой наносят номер фильтра и его исходную массу.

4. Подготовленные фильтры передаются наблюдателям для отбора проб воздуха на соответствующих постах наблюдений.

Выполнение измерений

1. Отбор пробы для определения разовой концентрации пыли проводится в течение 30 минут. Предельная пылеемкость фильтра из ткани ФП составляет 5 мг/см².

Фильтр с отобранной пробой осторожно вынимают из фильтродержателя, складывают пополам запыленной поверхностью внутрь и помещают последовательно в пакет из кальки и в полиэтиленовый пакет. На пакет шариковой ручкой наносят данные: номер поста, дату и время отбора, начальное и конечное показания газового счетчика (или расход воздуха по ротаметру и продолжительность отбора пробы), температуру воздуха, проходящего через ротаметр, и атмосферное давление во время отбора пробы. После этого фильтр передается в лабораторию для определения массы осевшей на нем пыли.

2. Перед взвешиванием фильтры не менее часа выдерживают в помещении, где производится взвешивание.

Вычисление концентрации пыли

Массовую концентрацию С (пыль), мг/м³ взвешенных частиц в воздухе вычисляют по формуле

С = (m₂ - m₁) / V, (3)

где m₁ – масса фильтра без пыли, мг; m₂ – масса фильтра с пылью, мг; V – объем пропущенного через фильтр воздуха, приведенный к нормальным условиям, м³.

Для получения сравнимых результатов определения концентраций примесей объем пробы воздуха, взятого для анализа, приводят к нормальным условиям: температура Т₀ = 0 ⁰С (273 К) и давление Р₀ = 760 мм рт.ст. (1013 гПа). Расчет проводят по формуле

, (4)

где T – температура воздуха на входе в ротаметр или газовый счетчик, К; P – атмосферное давление во время отбора пробы воздуха, мм рт.ст. или Па; G – расход воздуха при отборе пробы, м³/мин.

Приложение 2.Расшифровка маркировки фильтров

АФА-ВП-20 – аналитический фильтр аэрозольный для весового анализа из перхлорвинила с рабочей поверхностью 20 см².

ФПП-15-1.5 – нетканый тонковолокнистый полимерный материал из перхлорвинила (фильтр Петрянова из перхлорвинила) со средним диаметром волокон 1.5 мкм (первое число 15 в маркировке – это увеличенный в 10 раз диаметр волокон в мкм) и гидродинамическим сопротивлением материала потоку воздуха 1.5 мм вод.ст. при линейной скорости потока 0.01 м/с.

АФА-ХА-20 – аналитический фильтр аэрозольный для химического анализа из ацетилцеллюлозы с рабочей поверхностью 20 см².

ФПА –15-1.5 – нетканый тонковолокнистый полимерный материал из ацетилцеллюлозы.

Приложение 3.Пример составления таблицы величин ПДК, мг/м³

Источник	№ в источнике	Вещество	ПДКрз	ПДКмр	ПДКсс	Класс опасности вещества
Табл.5 из [2]		Пыль растительного и животного происхождения (лубяная, хлопковая, хлопчатобумажная, шерстяная, пуховая) + SiO2 > 10% Мучная, хлопчатобумажная, древесная
[3, с.610]		Пыль неорганическая с содержанием SiO2 20 – 70 %		0.3	0.1

См. в [1] №279–281 на с.11; в [2] №40–43 на с.116, в [3] №281–283 на с.610.

Приложение 4. Технические характеристики фильтров АФА-ВП (выписка из [6])

Аналитические фильтры аэрозольные весовые из перхлорвинила (АФА-ВП) изготавливаются из фильтрующих материалов ФПП –15-1.5 на основе перхлорвиниловых волокон и предназначены для определения весовой (массовой) концентрации аэрозолей. Основные технические характеристики этих фильтров приведены в нижерасположенной таблице.

Параметр	Величина параметра
Масса единицы площади фильтра, мг/см2	3.0 ± 0.5
Гидродинамическое сопротивление фильтра Dр потоку воздуха при скорости 0.01 м/с, мм вод. ст.	+0.3 1.5 -0.1
Допустимая температура воздуха (газа) в процессе отбора пробы, 0С	от –200 до +60
Допустимые нагрузки по воздуху (газу), л/(мин.см2)
Коэффициент проскока К по стандартному масляному туману (для наиболее проникающих через фильтр частиц) при линейной скорости фильтрации 0.01 м/с	0.001
Отношение к кислотам и щелочам	стоек
Отношение к влаге	гидрофобен
Масса фильтрующего элемента, г	от 0.089 до 0.129

Приложение 5. Уран. Радон и радиоактивные продукты его распада, присутствующие в атмосферном воздухе и в воздухе помещений

Уран – рассеянный элемент. Атомы урана содержатся во всех породах земной коры со средней концентрацией 2^.10^-7 мольных долей. В результате последовательных a- и b- радиоактивных распадов уран-238 превращается в радий-226, который, в свою очередь, в результате a-распада образует радиоактивный газ радон (²²²Rn), выделяющийся за счет диффузии из породы в атмосферу. Выделение радона через поверхность земли в атмосферу (эксхаляция радона) происходит со средней скоростью 16^.10^-10 Бк/(м^2.ч). В атмосфере радон в результате цепочки a- и b- распадов образует короткоживущие дочерние продукты – радиоактивные изотопы полония, висмута и свинца. В конце этой цепочки расположен стабильный изотоп свинца (²⁰⁶Pb). Средняя концентрация (объемная активность) радона с продуктами его распада в атмосфере составляет приблизительно 5 Бк/м³. Концентрация радона в помещениях в 4 – 6 раз больше, чем в атмосферном воздухе.

3.82 сут 3.05 мин 26.8 мин 19.8 мин 1.6^.10^-4 с

­ a ­ a ­ b ­ b ­ a

²²²Rn ® ²¹⁸Po ® ²¹⁴Pb ® ²¹⁴Bi ® ²¹⁴Po ® …

­ воздух

/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

­ диффузия земля или

²²⁶Ra . . . ²³⁸U строительный

¯a ¯a материал

1622 года 4.5^.10⁹ лет

Рис. 4. Схема радиоактивных превращений ядер урана-238

Радиоактивные атомы полония, висмута и свинца адсорбируются частицами пыли, а пыль можно улавливать на волокнистых фильтрах ФП при прокачке через них воздуха. Газообразный радон на пылинках не сорбируется и фильтрами ФП не улавливается. О содержании радона в воздухе можно судить, например, по содержанию дочерних продуктов его радиоактивного распада.

Приложение 6.Просветление материалов ФПА

Материалы ФПА просветляются под действием органических растворителей (ацетон, дихлорэтан, ксилол и другие). Это свойство используется для анализа собранных на фильтр осадков пыли с помощью оптического микроскопа (изучение формы и размеров частиц). Просветление достигается либо с помощью жидкого растворителя, либо в парах дихлорэтана (работу обязательно проводить в вытяжном шкафу).

Фильтр с отобранной пробой аэрозоля кладут на предметное стекло лобовым слоем к стеклу и на поверхность фильтра наносят каплю растворителя (94% ксилола и 6% трикрезилфосфата). В зоне жидкости волокна смачиваются и постепенно растворяются с образованием студенистого слоя, который после высушивания превращается в тонкую прозрачную пленку. В такой пленке уловленные нерастворимые частицы хорошо различимы под микроскопом (если их размеры превышают длины волн видимого света).

При втором способе уложенный на предметное стекло фильтр помещают в эксикатор, на дно которого наливают дихлорэтан, и выдерживают в нем до полного просветления, а затем высушивают. При этом фильтр тоже превращается в прозрачную пленку, включающую в свое тело аэрозольные частицы.

Задание. Отобрать на фильтр пробу аэрозольных частиц из комнатного воздуха в течение 5 минут при объемной скорости фильтрации 10 л/мин. Просветлить фильтр. Под микроскопом оценить размеры частиц и их форму.

Литература

1. Список допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Список №3066-87 от 27.08.94 с дополнениями и изменениями. Утвержден Минздравом СССР.

2. ГОСТ 12.1.005-76. Воздух рабочей зоны. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

3. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. – М., 1991.

4. Охрана окружающей среды на предприятиях атомной промышленности./ Под ред. академика Б.Н.Ласкорина. – М.: Энергоиздат, 1987.

5. Всесоюзное объединение «Изотоп». Фильтры АФА. Каталог. – М.: ЦНИИатоминформ, 1987.

6. Двухименный В.А., Столяров Б.М., Черный С.С. Системы очистки воздуха от аэрозольных частиц на АЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Дозиметр-радиометр бытовой ИРД-02Б1. Руководство по эксплуатации.1990.

Лабораторная работа №2. Изучение процесса образования и оседания в воде суспензии кристалликов сульфита кальция СаSO₃

Цель работы.Знакомство с методиками измерения скорости оседания суспензий, а также объемных долей твердой и жидкой фаз в суспензии. Использование полученных результатов для расчета отстойников.

Приборы, материалы, реактивы: микроскоп с измерительным окуляром и с объект-микрометром, предметное стекло, 0.2М раствор Na₂SO₃, 0.2М раствор CaCl₂, стаканчик на 50 мл, линейка, мерный цилиндр с V = 100 мл, коническая мерная пробирка с V = 10 мл и с ценой деления 0,1 мл.