長光程消光在線測量油霧過濾器的過濾效率

尹鵬飛， 陳 軍， 楊薈楠， 劉麗麗， 蔡小舒

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093）

燃?xì)廨啓C(jī)的潤滑系統(tǒng)使用大量油泵，油泵工作 在高溫環(huán)境下，產(chǎn)生的油霧直接排放會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染.為了避免油霧的直接排放，在油泵中廣泛使用油霧過濾器來減少油霧排放，同時(shí)將收集到的機(jī)油回收到油泵，提高機(jī)油的利用率.油霧過濾器的過濾效率可高達(dá)99%以上，只有細(xì)微顆?？梢酝ㄟ^，達(dá)到了減少油霧排放的目的.在使用油霧過濾器前，需要對其過濾效率進(jìn)行測試并評估是否滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在線測量過濾后油霧顆粒的體積分?jǐn)?shù)對過濾器效率測試尤為重要.

工業(yè)應(yīng)用中，在線測量顆粒物相關(guān)特性有助于得到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息，如對高分子聚合過程的測量和監(jiān)控［1］、發(fā)動機(jī)中柴油顆粒粒徑分布特性的研究［2］、大型火力發(fā)電廠和核電廠中蒸汽濕度和水滴直徑的測量［3］以及煙塵排放濃度的監(jiān)測［4－5］等.顆粒物粒徑測量的各種方法中，光散射法具有測量速度快、自動化程度高且測量粒徑范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，常分為衍射法、全散射法、角散射法和動態(tài)光散射法等.目前，基于光散射法可以離線測量油霧顆粒的粒徑［6］，其中消光法（又稱全散射法）適用于粒徑范圍數(shù)十納米～10μm 左右油霧顆粒粒徑的測量.另外，由于消光法使用了寬帶光源，可以充分利用多波長光譜信息，當(dāng)多波長的白光通過氣液兩相流時(shí)，消光特性與顆粒的大小和體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，因此可以同時(shí)測量顆粒體積分?jǐn)?shù)和粒徑［7－8］.此方法相比角散射法具有設(shè)備簡單、成本低和在線測量快速的優(yōu)點(diǎn)［7］.筆者提出了長光程消光法，其特點(diǎn)為在測量區(qū)域光路多次折返以延長光程，適用于低體積分?jǐn)?shù)細(xì)微顆粒的在線測量.

1 消光法

消光法基于朗伯－比耳定律［9］，其原理圖如圖1所示.

圖1 消光法的原理圖Fig.1 Principle of the light extinction method

式中：I和I0分別為有顆粒時(shí)檢測到的光強(qiáng)度和無顆粒時(shí)檢測到的光強(qiáng)度；λ為波長；r為粒徑；L 為測量區(qū)域的寬度，即光程；Cext為吸收截面積；N（r）為粒徑分布.

測量消光光譜后，令光譜儀的隨機(jī)誤差T（λ）＝I／I0，則由式（2）可反演計(jì)算得到粒徑分布［10－12］：

應(yīng)用消光法測量顆粒物體積分?jǐn)?shù)及粒徑時(shí)，透光率需滿足測量要求［13］.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 油霧發(fā)生器模擬裝置

圖2所示為油霧發(fā)生器模擬裝置，用于測試油霧過濾器的過濾效率.該裝置使用水浴隔離加熱，確保油霧發(fā)生器內(nèi)部溫度在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定；壓縮空氣的體積流量為100L／min，在壓縮空氣入口處使 用 在 線 過 濾 器（Parker Balston 100－12－DQ 濾芯）去除空氣中的細(xì)微顆粒物；通過加熱產(chǎn)生油霧，油霧隨氣流排出，經(jīng)過凈化室時(shí)，油霧先通過濾網(wǎng)，再進(jìn)入濾芯，部分油霧顆粒被阻攔下來，細(xì)小的油霧顆粒通過濾芯后被吹出.經(jīng)過凈化室的油霧顆粒體積分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)值低于3.47×10－7，過濾后油霧顆粒體積分?jǐn)?shù)更低，粒徑更小.

圖2 油霧發(fā)生器模擬裝置（帶濾芯）Fig.2 Simulation oil mist generator with filter

2.2 光譜測量

由于油霧過濾器出口處油霧顆粒體積分?jǐn)?shù)低、粒徑小，準(zhǔn)確測量難度較大，因此提出一種新型的多次折返的光路系統(tǒng)，可顯著延長測量光程，降低體積分?jǐn)?shù)測量的下限.設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)包含多個(gè)折返光路，以實(shí)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為1.16×10－9的超細(xì)油霧顆粒粒徑的測量.圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.測量過程中，寬帶光源的光（LekuosSM5－HE）通過光纖和透鏡耦合進(jìn)入測試區(qū)域（由2 片反射率為90%以上的鍍Ag平面鏡組成的規(guī)格為140mm×90mm×50mm的長方體），光路經(jīng)過多次折返，光程增加，對衰減光產(chǎn)生放大作用，光譜儀（OCEAN OPTICS STSVIS）記錄原始光和衰減光的強(qiáng)度，將原始信號和衰減信號輸入計(jì)算機(jī)，最終通過消光光譜的數(shù)據(jù)反演計(jì)算出油霧顆粒的粒徑和體積分?jǐn)?shù).

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置和測量系統(tǒng)圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental setup and measurement system

2.3 測量區(qū)域光程標(biāo)定

由于事先并不確切地知道光在平面鏡之間傳播多少光程，因此為了反演計(jì)算出油霧顆粒的體積分?jǐn)?shù)，需要標(biāo)定光程.筆者提出了新的光程標(biāo)定方法，如式（3）所示.計(jì)算光程L 時(shí)需要一種已知質(zhì)量濃度和吸收截面積的氣體，本實(shí)驗(yàn)使用已知質(zhì)量濃度的NO2進(jìn)行標(biāo)定.NO2在近紫外光到可見光波段有廣泛的吸收度，可以通過測量吸收度獲得光程.

式中：α為NO2的吸收度，可由光譜儀測得；σ（λ）為NO2在測試條件下的吸收截面積；ρ 為標(biāo)準(zhǔn)氣體質(zhì)量濃度.

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用來自標(biāo)準(zhǔn)氣瓶的NO2，質(zhì)量濃度為761.5mg／m3.如圖4所示，虛線為光譜儀測得的450～650nm 波段上NO2的吸收度，實(shí)線為吸收截面、標(biāo)稱質(zhì)量濃度及光程三者的乘積，即計(jì)算吸收度.2條曲線的吻合度較好，經(jīng)計(jì)算可知當(dāng)前光程為2 000mm.

根據(jù)式（3）進(jìn)行光程標(biāo)定時(shí)產(chǎn)生的誤差可由誤差傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，出廠時(shí)給出了ρ 的誤差為1%，σ（λ）的誤差為5%［14］，T（λ）的誤差是光譜儀的隨機(jī)誤差，為1%.由此可計(jì)算得到光程L 的誤差為5.2%.

圖4 NO2 的測量吸收度和計(jì)算吸收度Fig.4 Measured and calculated absorbance of NO2

2.4 測量裝置粒徑測試

由于油霧顆粒的粒徑分布是由消光光譜數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到的，因此需要在實(shí)驗(yàn)前使用已知粒徑的標(biāo)準(zhǔn)粒子（聚苯乙烯微球）進(jìn)行油霧發(fā)生器粒徑的測試.鑒于油霧顆粒的粒徑主要處于亞微米區(qū)，因此實(shí)驗(yàn)中使用粒徑為960nm 的標(biāo)準(zhǔn)顆粒進(jìn)行測試，測試曲線如圖5所示.測試所得的平均粒徑和誤差見表1，其中D32為索太爾平均直徑，D50為中位徑.粒徑測量誤差在5%以內(nèi).

圖5 測量960nm 標(biāo)準(zhǔn)顆粒的原始光強(qiáng)和吸收光強(qiáng)Fig.5 Intensity of original light and emerging beam for 960nm standard particles

表1 960nm 標(biāo)準(zhǔn)顆粒的測量結(jié)果Tab.1 Measurement results for 960nm standard particles

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中，從水浴加熱使油溫達(dá)到53 ℃開始，根據(jù)53 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃5個(gè) 不 同 的 溫度分為5個(gè)工況，每個(gè)工況包括過濾前和過濾后2組測量數(shù)據(jù)，每組10個(gè)測量樣本.過濾前數(shù)據(jù)的測量過程為：油霧發(fā)生器產(chǎn)生的油霧顆?；旌现諝庖来谓?jīng)過清潔室和多次折返光路測量區(qū)域，并在長光程測量區(qū)域記錄光強(qiáng)度信號數(shù)據(jù)，混合氣體最后排出.過濾后數(shù)據(jù)的測量過程為：油霧發(fā)生器產(chǎn)生的油霧顆?；旌现諝庖来谓?jīng)過清潔室、濾芯和長光程測量區(qū)域，并在長光程測量區(qū)域記錄光強(qiáng)度信號數(shù)據(jù)，混合氣體最后排出.測量過程按照53 ℃、60℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃依 次 完 成.整 理 數(shù) 據(jù) 得 到 不同工況下油霧顆粒的平均粒徑和體積分?jǐn)?shù)，如表2所示.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得過濾前油霧顆粒的平均粒徑和體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化，如圖6 所示.由圖6 可知，油溫由53℃升高到75℃時(shí)，油霧顆粒的平均粒徑由1.946 0μm 減小到0.439 4μm，表明油溫越高，油霧顆粒的平均粒徑越小.這是由于油溫升高使得潤滑油的內(nèi)聚力變小，油霧顆粒易霧化成較小粒徑的油滴.油霧顆粒的體積分?jǐn)?shù)由1.434×10－7增大到3.388×10－7，按照32號機(jī)油密度為865kg／m3進(jìn)行折算，其質(zhì)量濃度約從124.041 mg／m3增加到293.062mg／m3.

表2 不同溫度下油霧顆粒的平均粒徑和體積分?jǐn)?shù)Tab.2 Particle size and volume fraction of oil mist at different temperatures

圖6 過濾前油霧顆粒的平均粒徑和體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化Fig.6 Variation of oil particle size and concentration with temperature（before filtering）

過濾后油霧顆粒的平均粒徑和體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化如圖7所示.由圖7可知，油溫由53 ℃升高到75 ℃時(shí)，油霧顆粒的平均粒徑由0.291 7μm 減小到0.265 0μm，由于濾芯的存在，過濾后油霧顆粒的平均粒徑變化不大.油霧顆粒的體積分?jǐn)?shù)由1.078×10－8增加到1.871×10－8.按照32 號機(jī)油密度為865kg／m3進(jìn)行折算，其質(zhì)量濃度約從9.325 mg／m3增加到16.184mg／m3.

圖7 過濾后油霧顆粒的平均粒徑和體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化Fig.7 Variation of oil particle size and concentration with temperature（after filtering）

表3 油霧過濾器的過濾效率隨溫度的變化Tab.3 Variation of filtration efficiency with temperature

油霧過濾器的過濾效率隨溫度的變化如表3所示.油溫由53 ℃升高到75 ℃時(shí)，過濾效率提高；油溫由60 ℃上升到65 ℃時(shí)，過濾效率提高較快；70℃之后過濾效率逐漸趨于穩(wěn)定.總體來看，升溫過程中，油霧過濾器的過濾效率基本穩(wěn)定，波動很小，可得其平均過濾效率為93.15%.

以53℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例分析過濾前、后油霧顆粒的粒徑分布情況，如圖8所示.由圖8（a）可知，過濾前油霧顆粒的粒徑分布比較分散，D32＝1.946 0μm，經(jīng)過濾后，由圖6 和圖7 可知，D32＝0.291 7μm，即粒徑較大的油霧顆粒大部分被過濾.過濾后油霧顆粒的粒徑分布非常集中，粒徑為0.15 μm、0.2μm、0.25μm、0.3μm 和0.35μm 的顆粒分別 占0.404%、5.27%、32.77%、59.16%和2.39%，其余粒徑的油霧顆粒不足1%.

圖8 過濾前和過濾后油霧顆粒粒徑分布Fig.8 Size distribution of oil mist particles before and after filtering

由表2可知，在5個(gè)不同溫度下，過濾前油霧顆粒的平均粒徑為1.19μm，質(zhì)量濃度為197mg／m3；過濾后油霧顆粒的平均粒徑為0.28μm，質(zhì)量濃度為12.9mg／m3.即過濾后，質(zhì)量濃度極大降低，平均粒徑顯著減小.

當(dāng)前治理空氣中細(xì)微顆粒物PM2.5的形勢日益嚴(yán)峻，對直接排放油霧的新型高效過濾器性能的測試，包括其對溫度的適應(yīng)性能以及在不同溫度下濾芯的穩(wěn)定性測試，都直接關(guān)系到控制污染物排放的效果.

4 結(jié) 論

（1）所提出的長光程消光法測量裝置適用于測量細(xì)微顆粒（如油霧顆粒）的粒徑和體積分?jǐn)?shù)，因此可以用于高效過濾器性能檢測及評估.

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油霧發(fā)生器模擬裝置生成的油霧顆粒粒徑大多小于2μm，質(zhì)量濃度小于300 mg／m3，可用于模擬污染物排放測試的運(yùn)行環(huán)境.

（3）經(jīng)油霧過濾器過濾后油霧顆粒的平均粒徑小于0.5μm，由質(zhì)量濃度可得5個(gè)工況下的平均過濾效率為93.15%.

（4）該新型測量裝置通過延長光程能夠顯著增強(qiáng)顆粒物的消光效應(yīng)，可將該方法用于環(huán)境中顆粒物體積分?jǐn)?shù)的檢測.

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