Измерение температуры

Основными средствами измерения температуры являются ртутные термометры, термометры сопротивления и термопары.

Температуру воздуха измеряют термометрами расширения, манометрическими термометрами и термопарами. В практике периодических измерений температуры вентиляционного воздуха наиболее распространены ртутные или спиртовые (химические и технические) термометры. При высоких температурах можно применять термопары. При снятии показаний стеклянные термометры не следует вынимать из воздухоходов. Прибор для измерения температуры подбирают таким образом, чтобы максимально ожидаемая температура газа была хотя бы на 20% ниже предела шкалы прибора.

Методика измерения температуры. Метод рекомендуется для измерения температуры газов не выше 1000 °С. В качестве средств измерений используются термометры или термоэлектрические преобразователи температуры (термопары).

Температуру газов следует измерять в тех же точках, где измеряют скорость, давление, влажность, запылённость и другие характеристики потока, либо в плоскости, находящейся на расстоянии не более 0,5 диаметра газохода от измерительного сечения. Число измерительных точек n для измерения температуры определяют в зависимости от эквивалентного диаметра газохода D_э:

Среднюю термодинамическую температуру газового потока, определяемую по измеренным значениям температуры в измерительных точках сечения газохода, рассчитывают по соотношению:

(3)

Определение дисперсного состава пылей

Дисперсный состав промышленной пыли определяют в целях выбора оптимального метода и аппарата очистки аспирационного воздуха или отходящих газов, а также при оценке эффективности действующих установок пылеулавливания. В следствии многообразия технологических процессов и выделения пыли с различным дисперсным составом разработано множество методов дисперсного анализа. Большинство из них требует предварительного отбора пыли с последующим анализом в разных пробоотборных устройствах и приборах, что приводит к несоответствиям дисперсных составов осажденной пыли и пыли, движущейся в потоке воздуха. Это несоответствие обусловлено тем, что в первом случае для дисперсного анализа берут пробу осажденной пыли, фракционный состав которой претерпевает изменения в процессе отбора, осаждения и последующего разделения на фракции при анализе. Соответственно наибольший интерес представляют данные, полученные разделением пыли на фракции непосредственно в газовом потоке. Для такого разделения удобнее всего применять инерционный или центробежный сепаратор, принцип действия которого основан на избирательной сепарации частиц по размерам либо пропусканием их через ряд последовательно установленных сопел уменьшающегося диаметра, под которыми расположены осаждающие подложки, либо на основании действия центробежных сил в средних и малых циклонах, через которые последователъно проходит воздушный поток. При этом на верхних по ходу воздуха ступенях устройства осаждаются крупные частицы, а на нижних-мелкие. После проведения сепарации определяют массу осевших фракции пыли и определяют долю частиц, осевших на каждой отделъной ступени Далее с помощью номограмм или других методов калибровки находят средний геометрический диаметр частиц.

Определение химического состава выбросов

Исследования вентиляционного воздуха связаны с определением микроколичеств веществ, поэтому при анализе вентиляционных выбросов необходимо применятъ высокочувствительные методы, а сам анализ следует выполнять в строгом соответствии с правилами, предъявляемыми к аналитической химии малых концентраций. При применении таких методов необходимо учитывать, что если определяемая величина близка к чувствительности метода, то, погрешность определения может быть весьма ощутимой.

При определении микроколичеств следует учитывать также наличие сопутствующих веществ, масса которых может превышать массу искомого вещества, а также фон, который может образоваться постоянными или случайными загрязнениями из применяемых реактивов, посуды и т. п. Повыситъ чувствительность метода можно различными способами, например концентрированием исследуемого вещества в процессе отбора проб, для чего увеличивают объемный расход воздуха в единицу времени или время отбора пробы. В процессе анализа для концентрирования пробы применяют отгонку, экстрагирование, упаривание, хроматографирование. Некоторые методы достаточно чувствительны и не требуют концентрирования веществ, что позволяет получать весьма точные результаты при малом объеме пробы (до 1 л).

Определение химического состава вентиляционного воздуха проводят в два этапа—отбор проб и анализ. Эти этапы имеют самостоятельное значение, а качество отбора проб влияет на результаты анализа.

Отбор проб вентиляционного воздуха при определении содержания в нем вредных веществ в газо- и парообразном состоянии

Перед отбором пробы знакомятся с технологическим процессом и устанавливают, в каком агрегатном состоянии может находиться вещество в воздухе (газ, пар, аэрозоли), какие вещества сопутствуют ему, кратковременно или непрерывно поступает это вещество в анализируемый воздух.

Для отбора проб используют прямые и изогнутые под прямым углом газозаборные трубки из стекла, легированной стали, меди, тефлона, полихлорвинила, полипропилена и других материалов в зависимости от агрессивности анализируемых веществ.

Отбор проб воздуха для определения содержания весьма малых концентраций вредных веществ проводят чаще всего аспирационным способом, основанным на пропускании известного объема воздуха через какой-либо поглотительный раствор. Вещества в газо- и парообразном состоянии поглощаются из воздуха жидкими средами, в которых они растворяются или химически связываются. Объемный расход воздуха через поглотительные приборы устанавливают заранее экспериментально для каждого метода отдельно. Для аспирации анализируемого воздуха через поглотительные приборы используют электрические или водяные аспираторы, подробное описание которых дано в различных методических руководствах. Там же даны рекомендации по применению поглотительных приборов для отбора представительных проб воздуха в зависимости от условий. Наиболее широкое применение для исследования состава промышленных вентиляционных выбросов нашли поглотители, где используются твердые сорбенты-силикагель и активные угли. Поглощенные вредные вещества извлекают из твердых сорбентов чаще всего путем экстрагирования соответствующими растворителями или растворами. Для улавливания из воздуха и последующего определения содержания высоко-дисперсных аэрозолей (дымов, туманов) применяют различные фильтрующие материалы (бумажные, волокнистые фильтры).

В процессе длительного отбора проб растворитель (поглотительный раствор) часто испаряется и объем поглотительной среды уменьшается. Для поддержания постоянного объема пробы в процессе отбора растворителъ периодически добавляют (до начального объема). Уменьшить испарение растворителя можно, поместив поглотительные приборы в охладительную смесь.

Лекция № 5

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПЕРЕНОСА

И РАССЕИВАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ

Атмосфера, как и вся природная среда в целом, обладает способ­ностью к самоочищению. Вредные вещества, поступающие в атмо­сферу от антропогенных источников, оседают на поверхности до­мов, растений, почвы, вымываются атмосферными осадками или переносятся на значительные расстояния от места выброса. Все эти процессы происходят с помощью ветра и зависят от темпера­туры воздуха, солнечной радиации, атмосферных осадков и других метеорологических факторов.

В зависимости от вида источников и характера их размещения по территории города изменчивость концентрации примеси, обуслов­ленная изменениями метеорологических условий, может быть, весьма значительной. Роль метеорологических условий в формиро­вании среднего уровня загрязнения иногда может превышать роль количества и состава выбросов.

Перенос примесей в верхние слои атмосферы определяется характером рас­пределения температуры в атмосфере с высотой - устойчивостью атмосферы, степенью изменения температуры с высотой, т. е. вер­тикальным градиентом температуры на единицу расстояния, обычно на 100 м. Состояние атмосферы бывает равновесным, устойчивым и неустойчивым. Степень устойчивости атмосферы определяет поведение воздушной частицы, выведенной из перво­начального положения в выше- или нижележащий слой атмосферы. Частица теплого воздуха поднимается вверх, холодного - опуска­ется вниз. Обычно в атмосфере происходит падение температуры с высотой. Если градиент температуры в сухой атмосфере равен 1 °С на 100 м, то воздух на любой высоте будет находиться в равновесии. Каждая воздушная частица, перемещающаяся вверх или вниз, принимает температуру окружающего воздуха и ее плот­ность становится равной плотности окружающих ее частиц, следо­вательно, нет причин к ее подъему или опусканию. В таком случае говорят, что атмосфера находится в состоянии безразличного равновесия, или что наблюдается равновесная стратификация. В естественных условиях влажного воздуха равновесное состояние наблюдается при меньшем градиенте температуры (примерно 0,6°С/100 м).

Если вертикальный градиент температуры в атмосфере меньше, чем при равновесии, то частица, перемещающаяся вверх, охлажда­ется и скоро станет холоднее, чем окружающий воздух, и тяжелее его. Поэтому она опустится и снова займет свое первоначальное положение. В этом случае атмосфера находится в состоянии устой­чивого равновесия, т. е. наблюдается устойчивая стратификация атмосферы.

Если вертикальный градиент температуры больше равновесного, то воздушная частица, начав двигаться вверх или вниз, будет про­должать свое движение со все возрастающим ускорением. Чем дальше она уходит от первоначального положения, тем больше ее температура отклоняется от температуры окружающего воздуха. В таком случае говорят о неустойчивой стратификации.

При вертикальном градиенте температуры, значительно боль­шем 1 °С/100 м, в приземном слое атмосферы создаются не­упорядоченные движения воздуха - атмосферная турбулентность.

Возрастание температуры с высотой называется инверсией температуры. Инверсия температуры может наблюдаться как у по­верхности земли (приземная инверсия), так и на некоторой высоте (высотная инверсия). Если инверсия встречается на небольшой вы­соте от земли, ее называют приподнятой. Инверсия характеризу­ется вертикальной протяженностью (мощностью) (т. е. разностью высот от верхней до нижней границы инверсии) и интенсивностью (т. е. разностью значений температуры на верхней и нижней грани­цах инверсии).

Приземные инверсии возникают в результате выхолаживания воздуха над почвой. Инверсии свободной атмосферы развиваются и в результате атмосферных циркуляционных процессов (циклонов, и антициклонов, холодных и теплых атмосферных фронтов).

Приземные и приподнятые инверсии температуры, имеющие устойчивую стратификацию, являются задерживающими слоями, так как препятствуют распространению примесей в атмосфере. Если слой приподнятой инверсии располагается непосредственно над трубой источника выбросов, то в приземном слое атмосферы могут создаваться опасные условия загрязнения, так как инверсионный слой ограничивает подъем выбросов, способствует их опусканию и накоплению в приземном слое. Если слой приподнятой инверсии располагается на достаточно большой высоте от труб промышлен­ных предприятий, то концентрация примеси не будет cильнo увеличиваться. Примеси несколько разбавляются в атмосфере. Слой инверсии, расположенный ниже уровня выбросов, препят­ствует их переносу к земной поверхности. В этом случае слой инверсии оказывает благоприятное действие. В городских условиях при наличии большого числа низких источников выбросов, особенно если температура выбросов ниже температуры окружающего воз­духа, при приподнятых и при приземных инверсиях создаются условия накопления примесей.

Еще одним фактором, оказывающим прямое влияние на само­очищение атмосферы, является направление ветра. Учитывается повторяемость различных направлений ветра. Когда говорят о направлении ветра, то имеют в виду ту сторону горизонта, откуда он дует. В практике выделяют 8 или 16 румбов, указывающих направление ветра. Каждому румбу соответствует определенный угол его с меридианом. Наблюдениями установлено, что в одной и той же местности ветры имеют разную повторяемость, в то время как в других районах отмечена более или менее постоянная повторяемость ветров определенных румбов. По данным метеорологических наблюдений повторяемости ветра по основным румбам строят так называемую "розу ветров" (рис.1), в которой от начала координат откладывают отрезки, пропорциональные повторяемости ветров по каждому румбу. Концы этих отрезков соединяют ломаной линией. Повторяемость штилей обозначается в центре "розы ветров" или выделяется иначе (рис.1).

Рис.1 . Роза ветров.

На изменение направления и скорости ветра влияет также сила трения. Сила трения в приземном слое вызывается прохождением воздуха над шероховатой земной поверхностью. За счет шероховатости скорость ветра замедляется. С удалением от поверхности земли скорость ветра возрастает. Это обстоятельство сказывается на характере распространения дымовых газов в атмосфере (рис.2).

В городах скорость ветра уменьшается, но одновременно увеличивается турбулентность за счет неровности подстилающей поверхности. Поэтому ветер более порывист даже при устойчивой стратификации. Кроме того в условиях городской застройки за счет зданий и иных построек ветер часто меняет направление и скорость.

Рис. 2- Схема распространения промышленных выбросов в атмосфере при малых скоростях ветра, возрастающих с высотой.

Необходимо принимать во внимание не только направление, но и скорость ветра. Выбросы низких и неорганизованных источников скапливаются в приземном слое при слабых ветрах. Наибольшие концентрации примесей в городах часто наблюдаются при скоро­сти ветра 0—1 м/с. При выбросах от промышленных предприятий с высотными трубами значительные концентрации примесей у земли создаются при так называемой опасной скорости ветра. Из высоких труб воздушная смесь (факел) выходит с определен­ной скоростью. Если эта смесь имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух, она поднимается вверх, и вредные при­меси уносятся в верхние слои атмосферы. При слабых ветрах подъем факела увеличивается, и примеси почти не достигают земли. При сильных ветрах наблюдается перенос примесей на зна­чительные расстояния от места выброса. Но имеется некоторая промежуточная скорость ветра, при которой факел опускается к земле (наблюдается эффект «задымления») и в приземном слое формируется наибольший уровень загрязнения. Эта скорость к является «опасной». Ее значение зависит от высоты, скорости и температуры выбросов из источника; например, для тепловых электростанций она равна 4-6 м/с. При ослаблении ветра до штиля происходит подъем перегретых выбросов от отдельных высоких источников в верхние слои атмосферы, где они рассеиваются. Однако если при этих условиях наблюдается инверсия, то она образует «потолок», препятствующий подъему выбросов. Тогда концентрация примеси в приземном слое будет резко возрастать.

Большую опасность представляют так называемые застои воз­духа, т. е. ситуации, когда приземные инверсии температуры на­блюдаются при скорости ветра 0-1 м/с. При этой ситуации вы­бросы вредных веществ не могут подниматься в верхние слои атмосферы и уноситься от источника выбросов. При застоях воз­духа все вредные вещества скапливаются у источника выбросов.

Теперь рассмотрим влияние на формирование уровня загрязне­ния атмосферы других факторов, таких как туманы, осадки и солнечная радиация. При туманах загрязнение воздуха усили­вается. Капли тумана поглощают вредные вещества как вблизи поверхности, так и из вышележащих загрязненных слоев воздуха, концентрация примеси в тумане возрастает. Это связано с опре­деленными процессами, например, при растворении в каплях тумана двуокиси серы образуются капли более токсичной серной кислоты. При этом происходит возрастание массовой концентрации примеси, поскольку из 1 г двуокиси серы образуется 1,5 г серной кислоты. Аналогичным образом происходит переход двуокиси серы в серную кислоту в атмосферных осадках, что является одной из причин кислотных дождей.

При низкой температуре воздуха (—35 °С и ниже) выбросы тепловых электростанций и котельных способствуют образованию тумана, состоящего из замерзшей влаги с высоким содержанием серной кислоты. Такие туманы могут возникать в северных райо­нах. Туманы, содержащие частицы дыма и вредных веществ, по­лучили название смогов. С наличием смогов связывают периоды особо высокого загрязнения воздуха, сопровождающегося ростом заболеваемости и даже смертности населения.

Важную роль в процессе самоочищения атмосферы играют атмосферные осадки. Капли дождя либо снежинки захватывают частицы пыли и несут их к поверхности земли. Процесс само­очищения происходит в облаках, где облачные капли захватывают пылинки, частицы сажи и дыма, а также при прохождении дожде­вых капель и снежинок через слой атмосферы. Повышение кон­центрации примесей редко наблюдается после дождя. Чем больше количество выпавших осадков, тем чище атмосфера. Однако осадки становятся источником загрязнения почвы, водоемов вредными веществами.

Важную роль в формировании уровня загрязнения атмосферы играет солнечная радиация. При высокой интенсивности солнеч­ного сияния, особенно в южных районах, в атмосфере происходят фотохимические реакции: окисление двуокиси серы с образованием сульфитных аэрозолей. При наличии в атмосфере окислов азота и органических веществ в ясные солнечные дни возможны фото­химические процессы с образованием фотохимического смога, при которое в атмосфере образуются озон и наиболее вредный продукт фотохимической реакции— пероксиацетилнитрат (ПАН). Смог раздражающе действует на слизистую оболочку органов обоняния и зрения человека и животных и неблагоприятно влияет на рас­тения.

Одним из наиболее характерных признаков климата города является так называемый остров тепла. Температура воздуха в городе в зависимости от погодных условий и времени суток может быть на 1—10 °С выше, чем в пригороде. Это объясняется большой теплоемкостью городских сооружений (зданий, мостов, тротуаров), которые сравнительно быстро нагре­ваются днем и медленно остывают ночью. Важным фактором образования острова тепла является наличие в городском воздухе большого количества примесей, которые изменяют радиационный режим. Частицы дыма, сажи, пыли и другие вещества, скапливающиеся. в «дымовой шапке» над городом, поглощают часть солнечной радиации и способствуют дополнительному нагреванию воздуха. Более теплый воздух (остров тепла) в центре города особенно хорошо ощущается ночью и в ранние утренние часы. После восхода солнца и днем разность значений температуры город - окраина минимальна и может быть даже отрицательной . Остров тепла вызывает поток воздуха, направленный от окраин к центру, и вос­ходящие движения воздуха над ним. В этих условиях в районах, расположенных ближе к окраинам, наблюдается приток чистого воздуха, а в центр, в район острова, поступает загрязненный воздух.

При разработке мероприятий по охране атмосферы с особым вниманием следует отнестись к метеорологическим условиям района, в котором расположен город. Большое значение имеет про­гноз метеорологических условий и вероятности повышения загряз­нения воздуха в отдельные периоды, который может составляться в одном из прогностических подразделений управления по гидро­метеорологии. Если прогнозируются неблагоприятные условия рас­сеивания, а в воздухе города содержание примесей велико, на про­мышленные предприятия передается предупреждение о возмож­ном повышении уровня загрязнения. В такие периоды некоторые предприятия сокращают выбросы в атмосферу вредных веществ или приостанавливают запланированные ранее залповые выбросы: не проводят профилактические работы на пылеочистных сооруже­ниях, не отключают пылеочистные аппараты. В настоящее время прогнозирование условий рассеивания примесей осуществляется практически во всех крупных городах. Однако не всегда предприя­тия откликаются на эти предупреждения регулированием или снижением выбросов.

В реальной атмосфере выбросы промышленных предприятий подвергаются действию всего комплекса метеорологических факто­ров, который и определяет тот или иной уровень загрязнения. Сочетание метеорологических условий, обусловливающих накопле­ние в атмосфере примесей, обычно называют метеорологическим потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА), а обусловливающих рассеяние - рассеивающей способностью атмосферы (РСА). Влия­ние различных составляющих ПЗА зависит от расположения источ­ников, параметров выбросов, а также от повторяемости составля­ющих ПЗА. Чем больше повторяемость неблагоприятных условий,

Атмосферные процессы, определяющие скорость самоочищения атмосферы, в различных климатических зонах протекают неодина­ково. В одних районах часто наблюдаются сильные ветры, воз­душные массы из этих районов переносят загрязненный воздух Далеко от места выбросов. Такие условия характерны для по­бережья северных морей в западных районах европейской части СССР. В других районах, например в Восточной Сибири, анти­циклон зимой сохраняется длительное время, что определяет вы­сокую повторяемость слабых ветров, мощных приземных инверсий (табл.1).

Таблица № 1