В теории пылеулавливания очень важно знать размеры частиц промышленной пыли. Условно их разделяют на три группы:
частицы радиусом больше 10 мкм (грубая пыль), которые можно рассмотреть в микроскоп при малом увеличении;
микроскопические частицы радиусом 10--1 мкм, различимые при обычных методах микроскопии;
v ультрамикроскопические частицы радиусом меньше 1 мкм, видимые в ультрамикроскопе или в электронном микроскопе.
Диаметр частицы можно определить по скорости ее витания, или падения, в спокойном воздухе. Ну, а как же узнать, что собой представляет та или иная уловленная пыль? Прежде всего ее нужно суметь поймать. Чем тоньше пыль, тем сложней и дороже приборы, предназначенные для ее улавливания. На большинстве московских заводов созданы службы, следящие за работой пылеулавливающих установок. Чаще всего для взятия проб пыли они используют воздуходувку с присоединенными к ней ротаметрами -- стеклянными трубками, внутри которых находятся легкие алюминиевые колпачки. Резиновые шланги соединяют ротаметры с пылезаборными трубками, к ним же подсоединены расширители с предварительно взвешенными тончайшими фильтрами, сделанными из синтетических волокон.
Заметив время, лаборант устанавливает пылезаборные трубки в помещении, где необходимо отобрать пробу воздуха, и включает прибор. Воздуходувка начинает всасывать воздух по резиновым шлангам через ротаметры и фильтры. Проходя через стеклянные трубочки ротаметров, потоки отсасываемого воздуха поднимают алюминиевые колпачки. Чем больше объем отсасываемого воздуха, тем выше поднимаются колпачки. Лаборант следит, чтобы они находились на заданном уровне, соответствующем определенному расходу воздуха. По истечении заданного времени отсос воздуха прекращают и фильтры взвешивают. Узнав, насколько они потяжелели, лаборант делит полученную величину на количество пропущенного через фильтр воздуха. Например: привес фильтра 2 г, а пропущено через него 10 м3 воздуха. Выходит, запыленность в помещении катастрофически велика -- 200 мг/м3! Данные испытания передается вентбюро с предписанием срочно принять меры по обеспыливанию данного участка.
Несколько сложней отобрать пробу воздуха из газохода, по которому пыль летит с большой скоростью. Главное условие правильности отбора -- это создание в устье пылезаборной трубки, введенной в газоход, точно такой же скорости, как и в сечении газохода. Дело в том, что при более быстром заборе частиц мы будем брать не только те частицы, которые оказываются перед устьем, но и подсосем соседние. В результате количество попавших в фильтр частиц будет больше, чем фактически их было в газоходе. И наоборот, при низкой скорости отбора пробы пыли в устье трубки возникает воздушная пробка, мешающая попасть в фильтр всем частицам, которые оказались перед устьем трубки в момент отбора пробы. В результате проба окажется заниженной по сравнению с фактической запыленностью, которая в данное время была в газоходе.
Сложность, которую приходится преодолевать лаборантам при отборе проб,-выпадение росы в пылезаборной трубке. Конденсат попадает на фильтр и затрудняет просасывание воздуха. Нередко фильтр разрывается, и тогда опыты повторяют. Чтобы избежать этого, иногда приходится делать электроподогреватели для пылезаборных трубок или ставить специальные емкости для выделения конденсата из отсасываемой пробы воздуха.
Еще большие сложности лаборанты испытывают, когда требуется определить размеры пылинок в отобранной пробе. Возьмите ватный шарик и бросьте его с определенной высоты. Сколько времени потребовалось ему, чтобы достичь пола? Секунда? Меньше? Но то же количество ваты, если ее распушить на волокна, проделает этот путь не за одну, а за несколько секунд. Причина этого несовпадения -- сопротивление воздуха. Высота, с которой сбросили частицы, поделенная на время падения, называется скоростью витания. Чем она выше, тем легче поймать пылинки с соответствующим размером в поперечнике.
Но как измерить его? Что считать поперечником пылинки, если сами эти пылевые частицы имеют, как правило, самую разнообразную форму: это и спиральки, и пластиночки, и стержни. Для простоты расчетов ученые условились все пылинки считать шариками, а диаметры их определять в соответствии со скоростью витания. Чем она больше, тем, стало быть, больше диаметр пылинок. Условно пылинка с низкой скоростью витания -- это шарик диаметром 5 мкм, а фактически это может быть чешуйка с поперечником 50 мкм. Только падает она очень медленно из-за того, что парашютирует в воздухе. На практике почти нет монофракционных пылей -- с одинаковыми размерами всех частиц. Инженерам приходится иметь дело с полифракционными пылями, и скорости витания их отдельных частиц разнятся в десятки раз. Особенно заметно это во время "залповых" пылевых выбросов, связанных с падением больших масс земли, когда крупные песчинки сразу падают на землю, а мелкие фракции глины еще долго парят над карьером. На основе сравнения скорости витания пылинок с их диаметрами разработан и метод исследования -- воздушная сепарация в вертикальных цилиндрах. Принцип ее действия заключается в том, что исследуемую пыль вводят в воздушный поток, имеющий постоянную скорость. При этом мелкие частицы выносятся из цилиндра, а остальные падают вниз. Оставшуюся, пыль пропускают через другой цилиндр с более высокой скоростью, и вновь в нем оседает только часть пробы. Пропустив навеску пыли через несколько цилиндров и каждый раз взвесив остаток, можно рассчитать процентное соотношение частиц с различными скоростями витания и, следовательно, с разными условными диаметрами.
ПЫЛЕВОЙ ПОТОК НА ПРОСВЕТ
В июне 1984 г. над Токио появились НЛО (неопознанные летающие объекты). Ярко-зеленые светящиеся диски зависли над городом. Возникла паника. Люди ждали массового десанта инопланетян. Только под утро выяснилось, что это были блики от многократно отраженного луча лазера, которым доктор Сакурао определял уровень запыленности воздуха. Вопреки ожиданиям плотность инверсионного слоя оказалась настолько велика, что луч от него отразился, как от стенки. А сейчас немного истории.
В 1899 г. с помощью филигранной экспериментальной техники П. Н. Лебедеву удалось измерить световое давление. И теперь оно становится привычным инструментом для инженера. Практическое применение лазеров до недавнего времени в основном относилось либо к области чистой оптики, либо было связано с тепловыми воздействиями светового луча. Таковы лазерные микроскопы, лазерные резаки, прошивные и сварочные аппараты, которые сверлят алмазы, лечат сетчатку глаза, выжигают татуировку и раскраивают текстильные ткани.
Остроумные эксперименты, недавно проведенные в научных лабораториях, убедительно говорят о большом изобретательском потенциале этого физического феномена. Применяются лазеры и в цехах заводов.
В производственных условиях многих предприятий, особенно металлургических, необходимы автоматические приборы, надежно следящие за запыленностью помещений. Требуется также неослабный контроль за нарастающей концентрацией пыли силиката кальция и ферросилиция в закрытых трубопроводах и бункерах. Ведь при повышенной концентрации (30--40%) возможны самопроизвольные взрывы.
Поэтому большим достижением явилось создание в Ждановском металлургическом институте универсального пылемера, основанного на лазерном методе определения концентрации любой пыли в воздухе. Появляется возможность вести измерения непрерывно, не разрушая агрегаты частиц, что имеет место при пользовании другими способами.
При анализе загрязнений воздуха необходимо узнать и вес парящих в нем частиц на единицу объема. Иначе не определишь, не превышает ли его запыленность допустимые нормы. Свой способ, как взвесить пылинку, показала на выставке в Москве фирма "Сарториус" из ФРГ. Автоматический пылеуловитель, прокачав заданный объем воздуха (до 25 м3/ч), собирает взвешенные в нем пылинки механическими и электростатическими фильтрами. "Добыча" автоматически заворачивается в салфеточку из стеклоткани и помещается в кассету, точный вес которой известен. Собранные загрязнения взвешиваются затем на электронных весах, пружина или коромысло которых заменены электромагнитным полем. Вибрации и смена температур на точность весов не влияют, а сама точность в 10 раз выше, чем у весов механических. Все показатели обрабатываются встроенной в корпус весов мини-ЭВМ. Она ведет свою "бухгалтерию" пылинок: учитывает вес отдельного сбора или нескольких за определенный период, среднее значение всех взвешиваний, сравнение их между собой. Результат выдается за 2 с на табло.