XIII. Évfolya. szá 018. június LEVEGŐSZŰRŐK HATÉKONYSÁGÁNAK MÉRÉSE II. RÉSZ: EGY SIPETNYI AEROSZOLRÉSZESKE-FIZIKA, NÉHÁNY SZÓ AZ AEROSZOLOK ÉS AZ ÁRAMLÓ KÖZEG KAPSOLATÁRÓL EFFIIENY TEST OF THE AEROSOL FILTERS PART II. A LITTLE BIT OF THE AEROSOL PARTILE PHYSIS, SOME WORDS ABOUT THE RELATIONS BETWEEN THE AEROSOLS AND FLUID FLOW SURGAI József (ORID: 0000-0003-4770-7997) jcsurgai@gail.co Absztrakt Jelen írás egy többrészes cikksorozat ásoik unkája, aely betekintést nyújt az aeroszolrészecskék fizikájába, tárgyalja azon legfontosabb törvényszerűségeket, aelyeket figyelebe kell venni az aeroszol intavételi technikák egvalósításánál a jó intavételi hatásfok elérése érekében. A ublikáció a KÖFOP-.1.-VEKOP-15-016-00001 A jó korányzást egalaozó közszolgálat-fejlesztés rojekt táogatásával, a Luovika Kieelt Kutatóűhely keretében készült. Kulcsszavak: aeroszolrészecske-fizika, Knusen-szá, Stokes-szá, részecskekoncentráció, részecskeéret szerinti eloszlás, egyenérték-átérő Abstract The actual aer is the secon art of series of aers overviewing basics of the aerosolarticle-hysics investigating the ost iortant hysical laws an rincials that ust be taken into account for builing a roer aerosol saling line of high saling efficiency. The work was create in coission of the National University of Public Service uner the riority roject KÖFOP-.1.-VEKOP-15-016-00001 title Public Service Develoent Establishing Goo Governance in the Luovika Worksho. Keywors: aerosol-article hysics, Knusen nuber, Stokes nuber, articleconcentration, article-size-istribution, equivalent iaeter A kézirat benyújtásának átua (Date of the subission): 018.0.1. A kézirat elfogaásának átua (Date of the accetance): 018.06.18. Haérnök (XIII) 1I (018) 138
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika BEVEZETÉS A levegőszennyezés az eberiség létszáának és iarosoottságának sajnos (jelenleg) szükségszerű velejárója, így az ellene való véekezés is ugyanúgy szükségszerű. Terészetesen, valai ellen csak úgy tuunk véekezni, ha látjuk, vagy saját érzékeinkkel, vagy az aott célra készített eszközön, űszeren keresztül. Korunkban, környezetünkben árhuzaosan zajló folyaatok, int a városiasoás, a terészetes környezetünk véelének kényszere, globális klíaváltozás, in-in igényt táasztanak a inél ontosabb, folyaatos egfigyelésre, onitoringra, intavételre. Másrészt, a szenzortechnika és az okos űszerek, eljárások ugrásszerű fejlőése, a költségek folyaatos csökkenése lehetőséget a ennek az igénynek kielégítésére. Ne is olyan régen, a nyolcvanas-kilencvenes években ég a távérő hálózatok regionális szinten keztek kiéülni, valaely költségvetési szervezet kezeényezésével, aj a 000-es években történt eg ezen renszerek haronizálása, országos szintre eelése, a funkciók és alareneltetés egyeztetésével. Ebben az iőben kerültek kifejlesztésre olyan, kionottan reülő eszközre teleíthető érőrenszerek, aelyek kezetben töegüknél fogva ilóta vezette légi eszközzel voltak szállíthatók, e ugyanakkor egkezőött a ilóta nélküli eszközökre való érőrenszerek fejlesztése is. A jelenkor kihívása a ilóta nélküli (UAV unanne aerial vehicle) eszközökkel főként rónokkal történő onitoring. A szálló lebegő eszközökre szerelt szenzorok többnyire vegyi anyagok, vagy elektroágneses sugárzások ultisektrális (IR, látható fény, UV, röntgen és gaa) etektálására és analízisére szolgálnak, e a levegő állaotának, szennyezettségének igen fontos araétere a szálló or és aeroszol koncentráció, és annak területi, illetve vertikális eloszlása is, valójában, ilyen etektort is szükséges lesz légi, obil eszközre teleíteni. Jogosan erül fel a következő kérés: vajon i köze a levegőszűrők hatékonyságának érése az aeroszolok koncentrációjának különböző légrétegekben való eghatározásához? Rövien: egyrészt, az aeroszol koncentráció gravietrikus érése szűrőanyagon visszatartott anyag érésén alaszik, ásrészt, az aeroszol részecskék fizikai tulajonságai határozzák eg a szűrés, a éréshez való intavétel, valaint a etektálás ószereit. Az előző cikkben [1] egy elég száraz téáról esett szó, nevezetesen az aeroszol szűrés alajairól, a különböző reneltetésű aeroszol és orszűrők csoortosításáról és inősítésük szabványosított renszeréről. Ebben a cikkben lényegesen izgalasabb, és ne kevésbé gyakorlatiasabb téát találunk: a keves Olvasóval áttekintjük az aeroszol részecskék viselkeését leíró alavető törvényszerűségeket, aelyek egteretik a fizikai alajait, egyrészt, az aeroszolok szűrésének, ásrészt, a helyes intavételezés eszközeinek, ószereinek szakszerű alkalazásához. Ennek egfelelően a jelen cikkben egvizsgáljuk az aeroszolok néhány olyan fontosabb tulajonságát, aelyek fontosak a viselkeésük, valaint a szűrés és intavételezés sajátosságainak egértéséhez. Ehhez szükségünk van néhány olyan összefüggés iseretére, aelyekkel le tujuk írni ezen folyaatokat. Tesszük ezt a teljesség igénye nélkül, hiszen egy cikk egy fejezete ne foghatja át egy kolloi fizikai-kéiai kurzus teljes anyagát. Minazonáltal ontosan erre teszünk kísérletet, vagyis, jobban onva egróbáljuk összefoglalni a cikkben leírt robléák egértéséhez szükséges legfontosabb fizikai törvényeket és összefüggéseket. Ennek során ne utolsósorban a keves Olvasó egnyugtatására kerülni fogjuk a hosszas és felsőbb ateatikai jártasságot követelő levezetéseket, ivel egyrészt itt úgy sincs rá lehetőség, ásrészt a jelen cikk anyagának egértéséhez viszonylag egyszerű kéletek alkalazása is elegenő. Továbbá a keves Olvasó ne keresse a különböző összefüggések láttán az oa vonatkozó hivatkozásokat, ivel itt csakis és kizárólag a klasszikus áralástan törvényszerűségeiből inulunk ki és az itt található folyaatok, kritériuok jellezésére renre az ezekből erivált levezetéseket Haérnök (XIII) I1 (018) 139
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika alkalazzuk, aelyeket nehogy egy egyetei oktató, e a hallgatók is kötelesek érteni és alkalazni. Stokes, Knusen, Kárán, unningha és ások neve ára a fizika, a fizikai kéia klasszikusai ellé eelkeett és törvényeiket, összefüggéseiket a ár ugyanolyan általánossággal alkalazzuk, int a Pitagorasz-tételt, Newton törvényeit, Nernst reakciósebesség-eléletét, vagy a teroinaika főtételeit. AZ AEROSZOLOK DEFINÍIÓJA, A IKKBEN ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK Mivel az aeroszolokról van szó az aktuális unkában, tisztázzuk, i is az. Ha aeroszolokról beszélünk, akkor egy olyan kolloi renszerre gonolunk, ai egy gáz halazállaotú közegben iszergált folyaék vagy szilár részecskék halaza. A részecskék halazállaotától függően, a folyaékcse aeroszolokat könek, a szilár szecse aeroszolokat füstnek nevezzük. Ezek jellezésére szükségünk lesz egy sor fizikai ennyiség és ateatikai kifejezés alkalazására, aelyeket alábbi táblázatban találunk eg: vs F F c D A1 A A3 λ n Részecske üleeési sebessége Külső erő Közegellenállási (súrlóási) erő Részecske jellező érete Akaály jellező érete sőátérő (áralási keresztetszetre jellező lineáris ennyiség) Közeg viszkozitása unningha-faktor: csúszási faktor, inél kisebb a részecske, annál inkább el tu csúszni a közeg olekulái között, vagyis egyre jelentősebb lesz a közeg részecskéivel való egyes ütközéseknek a hatása (Brown-ozgás) a közegellenállásból fakaó erők hatásához kéest. Valójában 1 µ részecskeéret alatt lesz jelentősége Taasztalati konstans, értéke: 1,57 (unningha-faktor száításához szükséges) Taasztalati konstans, értéke: 0,4 (unningha-faktor száításához szükséges) Taasztalati konstans, értéke: 0,55 (unningha-faktor száításához szükséges) Részecske alak-faktor A közeg olekulái által egtett átlagos szaba úthossz Molekulasűrűség egységnyi térfogatra eső gázolekulák száa Részecske töege g Gravitációs gyorsulás, értéke a 45 fölrajzi szélességen, tengerszinten: g = 9,80665 /s Részecske sűrűsége Haérnök (XIII) I1 (018) 140
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika Közeg sűrűsége 0 Egységnyi sűrűség, 10 3 kg/ 3 s T T Tg k n N Diff K s σ μ R L MD Megállási távolság (áské relaxációs hossz) Relaxációs iő A közeg inaikai viszkozitása Abszolút hőérséklet A intavevő cső hőérséklete A közeg hőérséklete a intavevő csőben Boltzann-állanó, k = 1,38065*10-3 J/K Molekulasűrűség, n = /(kt) Részecskeszá-koncentráció Diffúziós tényező Koagulációs együttható Stanar eviáció Szórás A lognorális eloszlás sűrűségfüggvényének axiua (ous), itt a leggyakoribb részecskeéret Leggyakoribb részecskeéret egy szórásértékkel növelt értéke Leggyakoribb részecskeéret egy szórásértékkel csökkentett értéke Leggyakoribb részecskeérethez tartozó átérő (ount Meian Diaeter) MMD Leggyakoribb részecsketöeghez tartozó átérő (Mass Meian Diaeter) u0 Q u Re Kn A közeg áralási sebessége a intavételi ont környezetében Mintavételi térfogatára A közeg áralási sebessége a intavevő cső belsejében A közeg áralási kéét eghatározó Reynol-szá, göbszietrikus testre: Re 1 laináris tartoány, Re 600 turbulens, köztes: áteneti Knusen-szá, a közeg olekuláinak közees szaba úthosszának és az aeroszol részecske jellező éretének viszonya, eghatározza az áralás, illetve az aeroszolok viselkeésének terészetét, inél nagyobb, annál könnyebben kikerülik Haérnök (XIII) I1 (018) 141
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika a közeg olekulái a részecskét. A részecskeéret növekeésével a Kn csökken. Stk V S SV A P ST ae iff f(re) Stokes-szá, a relaxációs úthossz és a részecske útjába eső akaály éretének aránya. A relaxációs úthossz egy aott távolság, aely szükséges a részecskének, hogy kövesse az áralási tér anoáliáit. Minél nagyobb, annál könnyebben kilé az aott részecske az áralásból, annak szignifikáns irányváltozása esetén. A részecskeéret növekeésével a Stk nő. A részecske térfogatra vonatkoztatott átérője A részecske felületre vonatkoztatott átérője A részecske fajlagos felületre vonatkoztatott átérője A részecske velületre vonatkoztatott átérője A részecske kerületre vonatkoztatott átérője A részecske Stokes-átérője A részecske aeroinaikai átérője Diffúziós egyenérték átérő Részecskére ható súrlóási (közegellenállási) együttható A szabálytalan alakú részecske göbre vonatkoztatott aeroinaikai alakfaktora, kvarchookra l.: = 1,36 1. táblázat A cikkben alkalazott jelölések és jelentésük (saját szerkesztés) Megjegyzés: az egyszerűség és a könnyebb érthetőség kevéért a táblázat jelölései összhangban vannak az előző cikkben [1] alkalazott jelölésekkel, kiegészítve az aott cikkben bevezetett új ennyiségekkel. Azonban egyes esetekben sajnos eg kellett változtatni az előzőekben használt szibóluokat, int l. a közeg inaikai viszkozitásának esetében, ahol az a jelölést kata, ivel a részecskék éreteloszlás sűrűségfüggvényét jellező egyik nevezetes ennyiség, a ous, kata a jelölést. AEROSZOL RÉSZESKÉK MÉRETELOSZLÁSA Ahhoz, hogy egy aeroszol renszert jelleezni lehessen, iserni kell a renszert alkotó aeroszol részecskék éreteloszlását. A környezet és a zárt terek levegője felfogható nagy ennyiségű aeroszol részecskével terhelt aeroszol renszernek. Az ebben a renszerben előforuló aeroszol részecskék éreteloszlása általában a lognorális eloszlást követi. Lognorális eloszlás jellezője, hogy az abszcissza lineáris értékeinek logaritizálásával a norál eloszlás függvényéhez jutunk, így eg tujuk határozni az olyan nevezetes értékeket, int a ous és eián, közéérték (ean) és szórás (iszkrét értékek esetében stanar eviáció). Haérnök (XIII) I1 (018) 14
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika A lognorális eloszlás sűrűségfüggvénye a nevezetes araéterekkel Részecskeszá és logaritikus abszcisszával 7,E+06 6,E+06 f() Mous (Mo) 5,E+06 4,E+06 3,E+06,E+06 1,E+06 s Meian (Me) Mean (M) l=mo-s r=mo+s 0,E+00 L R 0,01 0,1 1 Részecskeéret ( ) 10 A lognorális eloszlás sűrűségfüggvénye a nevezetes araéterekkel Részecskeszá és lineáris abszcisszával 7,E+06 6,E+06 5,E+06 4,E+06 3,E+06 f() Mous (Mo) Meian (Me) Mean (M) l=mo-s,e+06 1,E+06 0,E+00 r=mo+s Részecskeéret () 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 1. ábra A lognorális eloszlást követő ieális aeroszol-részecske éreteloszlás (a szerző szerkesztése) A fenti ábrán, ivel ateatikai érteleben folyaatos függvényről beszélünk, az eloszlásfüggvény jellező araéterének a szórást neveztük eg. Terészetesen, a gyakorlati éréseknél inig iszkrét sektruot fogunk kani, ahol annak jellező araétere a stanar eviáció lesz és csak nagy eleszánál feleltethetjük eg a két araétert egyásnak: s (1) A továbbiakban a szórást, int araétert fogjuk alkalazni, hiszen ebben a részben eléleti síkon írjuk le a részecskék eloszlására vonatkozó összefüggéseket. A lognorális eloszlás sűrűségfüggvénye az alábbi általános kélettel írható le: f ( ln 1 ) e. () A részecske éretsektru tanulányozásánál kieeltük a szórás ellett a ásik nevezetes araétert, a függvény axiuhelyét, ez lesz a ous (μ) és ezt a ennyiséget azonosítjuk a i esetünkben a leggyakoribb részecskeérethez tartozó átérővel (MD). Itt a keves Olvasó észreveszi, hogy a MD (ount Meian Diaeter) kifejezés valójában helytelen, hiszen itt eián helyett a ous felel eg a fizikai tartalonak, e ezt Haérnök (XIII) I1 (018) 143
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika nagylelkűen egbocsájtjuk a szakiroalonak [][3][5][6]. Ez a ennyiség az alábbi viszonyban van a többi, éretsektru analízisénél használt ennyiséggel: L R MD R. MD L (3) A részecskék töegeloszlásának vizsgálatakor figyelebe vesszük, hogy az a térfogattal, végső soron az átérő köbével arányos ennyiség, vagyis, a leggyakoribb részecsketöeghez tartozó átérő és a leggyakoribb részecskeérethez tartozó átérő között az alábbi összefüggés áll fenn: MMD MD ex 3 ln (4) A részecskék gravietrikus érési ószerei során alavetően az aeroszolok töeg (térfogati) eloszlását vizsgáljuk, íg a lézeres szálálók éretsecifikusak, így szükség van a két fajta eloszlás egyásba konvertálásának ószerére, ai a fenti (4) összefüggésen alaszik. AEROSZOL RÉSZESKÉK MÉRETÉNEK, TULAJDONSÁGAINAK ÉS VISELKEDÉSÜKNEK MEGFELELŐ EGYENÉRTÉK ÁTMÉRŐK Az aeroszolok közegben való viselkeése alavetően a éretüktől függ, a közeghez viszonyított sűrűségük és halazállaotuk szeree itt ásolagos. Vizsgálatunk tárgya ez esetben a részecske érete, valaint a közöttük áraló levegőolekulák kölcsönhatása lesz. A folyaék halazállaotú aeroszolokkal könnyű olgunk van, hiszen ezek a közegben lebegve, áraolva a göbszietriára törekenek, vagyis éretük Először is, el kell öntenünk ilyen érettel és geoetriai alakkal jelleezzük az aeroszol részecskéket. A kérés triviálisnak hangzik, e a válasz ne egyszerű, vagyis sok egyástól eltérő, önagában helyes válasz létezik, hiszen szabálytalan alakú és egyástól eltérő testekről van szó. Terészetesen ebben a forában leírni a tulajonságaikat és viselkeésüket nehézkes, ezért göbszietrikus testeknek feleltetjük eg őket és a éretüket egy aott geoetriai araéterrel, vagy fizikai tulajonsággal renelkező göb átérőjével jelleezzük, így valailyen egyenérték átérőt kaunk. A kiválasztás elve egyszerű: az aott egyenérték átérővel és sűrűséggel jellezett göb, az aott folyaatban ugyanolyan fizikai araéterrel, viselkeéssel renelkezzen, int a kéréses részecske. Az alábbi ábrán láthatjuk a leggyakrabban alkalazott és a részecske valailyen tulajonságát, illetve viselkeését jellező éreteket, illetve az alatta levő táblázatban eig az aott éretet efiniáló egyenérték átérő száítási etóusát is. A geoetriai tulajonságra utaló a térfogatra (V), felületre (S), fajlagos felületre (SV), vetületre (A), illetve kerületre (P) vonatkoztatott éreteket az egyenérték göb térfogati, felületi, fajlagos felületi, illetve a vetületi kör területi és kerületi araétereiből kajuk. A Stokes és aeroinaikai átérőt eig a részecske közegellenállásából, üleeéséből és az ezekkel kacsolatos óosító tényezőkből száraztatjuk, ezeket a 4-7. ontban fogjuk tárgyalni. Haérnök (XIII) I1 (018) 144
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika S SV A V P St ae. ábra Egy aott szabálytalan alakú aeroszol részecskét jellező egyenérték átérők (a szerző szerkesztése) Térfogatra vonatkoztatott átérő Annak a göbnek az átérője, aelynek a térfogata egegyezik a kéréses részecske térfogatával V 3 6V Felületre vonatkoztatott átérő Annak a göbnek az átérője, aelynek a felülete egegyezik a kéréses részecske térfogatával S S Fajlagos felületre vonatkoztatott átérő Annak a göbnek az átérője, aelynek a fajlagos felülete egegyezik a kéréses részecske térfogatával sv 3 v / S Vetületre vonatkoztatott átérő Annak a körnek az átérője, aelynek a területe egegyezik a kéréses részecske síkra bocsátott vetületével A 4A Kerületre vonatkoztatott átérő Stokes-átérő Annak a körnek az átérője, aelynek a kerülete egegyezik a kéréses részecske síkra bocsátott vetületének kerületével Annak a göbnek az átérője, aelynek a sűrűsége és az üleeési sebessége egegyezik a kéréses részecskéével P P V ( V ) St( St ) (5) Aeroinaikai átérő Annak az egységnyi sűrűségű (1000 kg/ 3 ) göbnek az átérője, aelynek az üleeési sebessége egegyezik a kéréses részecskéével ae ae ( ( ae ae ) ) V St ( ( V St ) 0 ) 0 (6). táblázat Az aeroszol részecskék éreteinek jellezői (saját szerkesztés) Haérnök (XIII) I1 (018) 145
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika Az utolsó két jellező, ahogy fentebb utaltunk rá, a Stokes- és aeroinaikai átérő efiníciója üleeési és súrlóási (közegellenállási) tulajonságokból vezethető le, ezekkel az alábbi ontokban foglalkozunk. A RÉSZESKÉK SÚRLÓDNAK A részecskékre az aott közegben, valailyen külső erő hatására (nehézségi, centrifugális, stb) történő ozgásuk iatt súrlóási, közegellenállási erő hat. A részecske körüli áralás jellege eghatározó jelleggel függ a részecske éretétől és nyugotan kionhatjuk, hogy az aeroszolok világában, hacsak ne kényszerítjük a részecskéket a közeghez kéest valószínűtlenül nagy sebességre, az áralás jellege alavetően laináris lesz, ezért, innentől kezve, a részecskék viselkeését és az áralás jellegét alavetően laináris tartoányban fogjuk vizsgálni. Erre az esetre alkalazzuk George Gabriel Stokes 1845-ben kionott törvényét, aely egy viszkózus, összenyohatatlan fluiuban u sebességgel ozgó, sugarú, göb alakú tárgyra ható F súrlóási erőt határoz eg. Ezt a törvényt ost i is levezetjük Newton súrlóási törvényéből, aely szerint egy testre ható közegellenállási erő F függ a testnek az áralásra erőleges keresztetszetétől A, az áraló közeg térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségétől Ekin/V, valaint egy együtthatótól f, ai figyelebe veszi a test alakját, éretét, az áralási sebességet és a közeg fizikai tulajonságait. F 1 4 Ekin f (Re) A f (Re) u (7) V Az f együttható laináris tartoányban gyakorlatilag egyenesként közelíthető az alábbi forulával: f (Re) 4 u 4 Re (8) Ezt az összefüggést alkalazzuk a Newton-féle súrlóási törvényre: F 4 1 E f (Re) A kin u (9) V u 4 Elvégezve az egyszerűsítéseket, kajuk a Stokes-egyenlet végleges alakját: F 3u (10) Haérnök (XIII) I1 (018) 146
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika 1000 100 f(re) Göbszietrikus test közegellenállási tényezőjének függése az áralási Re-szától Re = 1 Re = 600 u Re 10 u Laináris 1 0,1 u Áteneti u Turbulens 0,01 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+0 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 3. ábra A közegellenállási tényező és a részecske körüli áralás jellegét eghatározó Re-szá részecskeéret és relatív áralási sebesség függése (a szerző szerkesztése) Összességében, laináris tartoányban, akroszkoikus testek esetében, részecskékre az 1 μ-nél nagyobb éretűekre értjük, a test körül áraló közeg folyaatosnak tekintenő, így a Stokes-egyenlet ereeti forájában alkalazható. Ezt az áralási forát viszkózus, vagy kontinuu-tartoánynak hívjuk és az áralás ateatikai leírására a Navier-Stokes egyenletek alkalazhatók helyesen felállított határértékekkel. Ebben a tartoányban a közeg olekuláinak a részecske falával történő ütközése egyenletes intenzitású, vagyis az állanó statikus nyoásnak egfelelő jelenséget utat. Re A RÉSZESKÉK MEGSÚSZNAK A MOLEKULÁK KÖZÖTT Aikor 1 μ-nél kisebb részecskéket vizsgálunk, azt taasztaljuk, hogy a éret csökkenéssel együtt a közegellenállási erő egyre kisebb lesz a vártnál, tehát a Stokes-egyenletet ereeti forájában ne tujuk alkalazni. Vizsgáljuk eg a robléát. Azt taasztaljuk, hogy részecskénket a közeg olekulái kezik ne egyenletesen bobázni, iőnként a olekulák, integy elkerülik a testet, vagyis részecskénk a közeg olekulái között integy egcsúszik, ozgása ez által gyorsabb lesz. Ez a fizika nyelvére leforítva azt jelenti, hogy a közeg olekuláinak két ütközés közötti szaba úthossza (λ) kez összeérhetővé válni a részecskénk éretével. Itt a közeg ár egyre kevésbé tekinthető folyaatosnak, vagyis az áralási tartoány egváltozik, tranziens (áteneti, Knusenáralás ), aj a 0,01 μ-es részecskeéret alatt átegy olekuláris jellegűvé, vagyis a részecskefallal történő ütközések intenzitása renszertelenné válik. Ezt a jelenséget Ebenezer unningha brit ateatikus tanulányozta behatóan és sikerült a egcsúszás jelenségét jelleezni egy korrekciós faktorral [,.4.], aely ennyiségileg is ontosan leírja egy aott éretű részecske éretcsökkenése és a közegellenállási erő fajlagos csökkenése közötti összefüggést. Definiáljuk a olekulák ütközése közötti átlagos szaba úthosszat, kiinulva a stanar állaotú levegő olekulasűrűségéből, figyelebe véve a közeg átlagos olekulaéretét, illetve a gázállaotra jellező átlagos olekulasebességet, valaint az ütközések statisztikus Haérnök (XIII) I1 (018) 147
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika voltát, vagyis, azt, hogy az ütközéseket leíró koszinusztétel koszinusztagja a nagyszáú ütközések iatt zérus: kt 1 (11) n Az átlagos szaba úthossz stanar állaotú levegőben kb. λ = 6,5*10-8. unningha bevezetett egy korrekciós csúszási faktort, aelyet a részecskeéret és a közeg átlagos szaba úthossza iseretében száíthatunk: A3 1 A1 A e (1)[] Ezzel a korrekcióval ár jól le tujuk írni a részecskékre ható közegellenállási erőt a óosított Stokes-egyenlettel: F 3u (13) Mivel részecskénk és a közeg olekulái közötti ritkább ütközések nagyobb értékben befolyásolják a test ozgásának irányát is, így a szubikroéteres tartoányban ég egy fontos jelenséggel találkozunk: részecskénk ozgása renszertelenné válik, Brown-ozgásos jelleget kez ölteni és iffúziós tulajonságokat utat, e ezt ár alább fogjuk tárgyalni. A RÉSZESKÉK ÜLEPEDNEK Egy, az aeroszolok érettartoányába tartozó részecske a levegőben gyorsan eléri azt a sebességet, ait i üleeési sebességnek (vs) hívunk, és egyensúlyi állaotba kerül. Ezt az állaotot háro erő egyensúlya okozza, a nehézségi, a felhajtó (arkhieeszi) és a fentebb tárgyalt közegellenállási erő: g F F 0 Behelyette sítve és egolva : 3 3vs g 6 v s A 3 g 0 6 (14) g (15) 18 Az aeroszol részecskék 10 μ alatt oly csekély üleeési sebességgel (vs < 1 /s) renelkeznek, hogy a levegőben ég zárt térben is jelenlévő légáralás iatt gyakorlatilag korlátlan ieig lebegnek, így eltávolításuk alavetően valailyen szűrőszellőztető berenezéssel lehetséges. Haérnök (XIII) I1 (018) 148
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika A RÉSZESKÉK SZABÁLYTALAN ALAKÚAK Mint ár elítettük fentebb, a részecskék szabálytalan voltával kacsolatban, i a fizikai tulajonságokra helyezzük a hangsúlyt, nevezetesen a súrlóási és üleeési jellezőkre, konkrétan, a részecskét azonosítjuk egy olyan göbbel, aelynek az üleeési sebessége egegyezik a kéréses részecskéével. Ehhez a konverzióhoz azonban szükség van egy olyan araéter bevezetésére, aely figyelebe veszi a szabálytalan alakú testnek a göbszietriától való eltérését. Ez lesz a inaikus alaktényező (alakfaktor) (), aellyel a szabálytalan geoetria közegellenállását egfeleltetjük a göbszietrikusénak. Persze jogosan fogalazóik eg a kérés, hogy vajon inen szabálytalan test azonos alaktényezővel bír-e. Terészetesen, ahány test, annyiféle alak- és közegellenállási tényező, azonban érekes, óon, ont a szabálytalanságuk iatt talán, a hasonló éretű és sűrűségű részecskék nevezetes utatói igen közel esnek egyáshoz[1]. Ezt száos gyakorlati érés és eléleti kutatás, sziuláció táasztja alá [11][1][13]. Minenesetre rövien tekintsük át az alakkonverzió fizikai jelentését és a szükséges összefüggéseket. Abból inulunk ki, hogy a inaikus alakfaktor a valói közegellenállási erő és egy ugyanolyan sebességű és térfogatú göb esetén felléő közegellenállási erő aránya: (16) 3vs V Ezt beéítjük a Stokes-törvénybe és az üleeési sebességet kifejezzük a térfogategyenérték, az (5) és (6) összefüggésekkel egaott Stokes és aeroinaikai átérőn keresztül: F V F 3 u V (17) V v s V g St St g V ae ae 0 g (15a) 18 18 18 Ha a közegellenállási erőt ki szeretnénk terjeszteni a turbulens tartoányra is, figyelebe véve a részecskék csúszását és szabálytalan alakját, a Stokes-erő (17) helyett az általános, newtoni alakot kell kiegészíteni: F u V f (Re) (18) 4 V Ezt a kifejezést beírva az üleeési egyensúly kifejezésbe a Stokes-erő helyébe, aj egolva kajuk az üleeési sebességet: v s 4 g (19) 3 f (Re) Az alábbi ábrán láthatók egy hasáb alakú részecskéhez hozzárenelt egyenérték-átérők: Haérnök (XIII) I1 (018) 149
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika l = 4 v St = 1.87E-04 /s a = 1 V = 1,97 St = 1,68 ae = 4,81 4. ábra Egy négyzet alaú hasáb részecske egyenérték átérői, azonos üleeési sebességgel (a szerző szerkesztése) A RÉSZESKÉK DIFFÚZIÓRA HAJLAMOSAK A fentiekben elítettük, hogy szubikroéteres tartoányban a részecskék kezenek a gázolekulákhoz hasonlóan viselkeni, így terészetesen iffúziós tulajonságot is utatnak. Mivel a részecskék érete azért jelentősen eghalaja a olekulák éretét, így ozgékonyságuk essze elara azokétól. Minenesetre a részecskeiffúzió fizikai jelentése azonos a olekulaiffúzióval, csak a részecskeéretből fakaó ennyiségi jellezőkben tér el. A iffúziós együttható száítására az Einstein-Stokes egyenletet alkalazzuk, a részecskék ozgékonyságát óosító unningha csúszási faktorral való súlyozással: Diff kt (0) 3 A részecskéknek a forrástól kialakuló koncentrációjuk változása a norál eloszlás transzforált alakjával írható le, így a forrástól egtett átlagos távolságuk, aely valójában az aott eloszlásfüggvény szórása, az alábbi összefüggéssel aható eg: x Diff t (1) Mivel nagyon fino iszerz aeroszoloknál a nagyon kis éret iatt előtérbe kerülhetnek a iffúziós tulajonságok is, ezért ost a (0) egyenletből kifejezzük a iffúziós állanóhoz tartozó éretet és azt elnevezzük iffúzió egyenérték átérőnek iff: iff kt () 3Diff Terészetesen, ez a folyaat ne csak nyugali állaotban lévő közegben játszóik le, hane ozgásban lévő közegre is, itt figyelebe kell venni az avektív iffúziós folyaatot, vagyis, ha illanatnyi kibocsátásról beszélünk, akkor ozgó forrást feltételezünk és a iffúziós folyaatot ozgó viszonyítási renszerben vizsgáljuk (PUFF-oell) 3D-Gaussoellel való közelítésben, íg folyaatos kibocsátás esetén (PLUME-oell) végtelen sok illanatnyi kibocsátást feltételezünk és D-Gauss-oellel írjuk le. Ez a ószer sok veszélyes iari baleset során kibocsátott vegyi, vagy raioaktív szennyezés oellezésére Haérnök (XIII) I1 (018) 150
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika alkalas [16], viszonylag kevés beenő aattal, igaz eiatt többé-kevésbé iealizált környezeti, terei, atoszferikus viszonyokra. Ezen oellek ellett egyre jobban teret hóítanak a nuerikus (FD outational flui ynaics) eljárások, aelyek végeseleószeren alaulnak és bár hatalas ennyiségű, az áralási térre, a közeg teroinaikai állaotára vonatkozó aattöegre és ne utolsósorban kionottan erős harverre és jelentős géiőre van szükségük, e nagyon jó közelítéssel sziulálnak akár zárt, akár nyílt térben zajló folyaatokat, figyelebe véve az akaályok (fal, oborzat, éresség, stb.) és ás, a turbulenciából, illetve a közeg és a részecskék kölcsönhatásából szárazó effektusokat [17][18][19]. A RÉSZESKÉK KÖVETIK AZ ÁRAMLÁST A óosított Stokes-egyenlet (settling_velocity) alkalazásával jól leírhatunk, a vizsgált részecskénkre jellező ás fontos tulajonságokat is. Egyrészt, ha az egyenletben a gravitációs gyorsulás állanóját egy centrifuga forulatszáából és ályasugarából száítható centrietális gyorsulás értékével helyettesítjük (az üleítő centrifuga elve), ás inerciális üleeési sebességet tuunk elérni. Másrészt, és ez lesz száunkra a fontosabb, a Stokes-egyenletből levezetett gravitációs üleeési sebesség összefüggését a gravitációs gyorsulással osztva, egy iőállanót kaunk, ai független a részecskére ható erőtől és csakis az aott közegben levő aott éretű és sűrűségű részecskére jellező: (3) 18 Ez az iőállanó száunkra igen fontos araéter. Relaxációs iőnek hívjuk és fizikai tartalát egagyarázzuk. Tegyük fel részecskénk nyugaloban van. Ha hirtelen külső és állanó erőhatás éri, egy, a töegéből fakaó a gyorsulással ozul el, aj a közegellenállási erő fékező hatására eléri az aott erőhatásnak egfelelő végsebességet. Ha feltételezzük, hogy álló helyzetből végsebességre t iő alatt gyorsul fel, akkor a két iőennyiség között az alábbi összefüggés áll fenn: 1 t 1 e (4) Vagyis, a relaxációs iő kb. 63 %-a annak az iőnek, ai alatt a részecske eléri egy aott erőhatáshoz hozzárenelt végsebességet. Ha a részecskénk egy áraló közegben van, ahol az áralási sebesség u, a relaxációs iő és az áralási sebesség szorzata az ún. egállási távolság, vagy áské relaxációs hossz, lesz: s u u (5) 18 Ha a részecskénk ár ne a laináris, hane az áteneti tartoányban ozog (1 < Re 400), a egállási távolságot egy eirikus forula segítségével száíthatjuk: s / 3 3 Re u Re 1 / 6 arctan (6)[] 6 Megjegyzés: a Re-száot itt az áralási front sebességéből száítjuk. Haérnök (XIII) I1 (018) 151
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika A egállási távolság és a részecske útjába eső akaály jellező éretének aránya egy, az aeroszol részecske viselkeésének nagyon fontos, ienzióentes araéterét szolgáltatja, az ún. Stokes-száot. Ez a ennyiség jellezi a részecskénk azon tulajonságát, hogy ennyire kées követni az áralási tér anoáliái során az áravonalakat. Az akaály jellező érete szűrőanyag esetén a szálvastagság, íg iaktor esetén a konfúzor belső sugara lesz. Minél nagyobb a Stokes-szá, a részecskénk annál nagyobb valószínűséggel lé ki az áralásból és ütközik, kiüleeik, l. egy könyökcső falán, a szűrőanyagon, vagy egy iaktor felületén. Iaktorra száolva, ahol a konfúzor belső sugara c/ a Stokes-szá az alábbiak szerint száítanó: s u u Stk (7) 9 Az ütközés feltétele itt: Stk 1. Ezt az elvet alkalazzák a környezeti és unkahelyi aeroszolok intavételénél, ahol az egyezényes érettartoányok [8][9][10] intázásánál eghatározott részecskeéretnél integy levágják a nagyobb éretű frakciókat, e erről a következő cikkben lesz szó. A RÉSZESKÉK KOAGULÁIÓRA HAJLAMOSAK Egy kis iőt kell szentelnünk ég egy fontos jelenség leírásának, nevezetesen, a részecskék koagulációjának, vagyis az aeroszol részecskék ütközésének és ennek ereényekéen azok összetaaásának. Ez a folyaat óhatatlanul végbeegy, int áraló, int viszonylag nyugaloban lévő közegben, ivel a részecskék ütköznek egyással, is ne csak a közeg olekuláival. Minazonáltal, kicsit előrefutva, le kell szögeznünk, hogy az aeroszolok világában, ne extré agas koncentrációkban és tegyük fel, néhány erces érési iő alatt ez a folyaat általában egészen lassú és ritkán kell vele száolnunk. Ennek az oka az, hogy a az aeroszol részecskék Brown-ozgása sokkal lassúbb, int a közeg gázolekuláinak, ivel a részecskék iffúziós együtthatója 5-6 nagyságrenel kisebb lesz, int a gázrészecskéké. Terészetesen, ha recízek akarunk lenni, akkor, iserve a vizsgált részecskekoncentrációt, valaint a érésünk araétereit, néhány közelítő száítással eg kell győzőnünk róla, hogy el tujuk-e hanyagolni érésünk során a koagulációt, vagy figyelebe kell-e vennünk, legalábbis a érésünk kuulatív hibája szeontjából. Vajon i várható a koaguláció ereényeként, ha annak valószínűsége az aeroszol részecskék között jelentős? Elsősorban a részecskeszá-koncentráció csökken, íg a részecskék térfogata nő, iközben a részecskék éretének változása igen lassú. Ez abból következik, hogy kétszeres térfogathoz csak integy 6 %-os éretnövekeés járul. Terészetesen a jelenség során a részecskék össztöege változatlan ara. Minazonáltal, ha lassan is, e a koaguláció során a részecskék éreteloszlás-függvényére jellező MD (részecskék átlagérete) érték növekszik, íg a ásik jellező ennyiség, a szórás σ gyakorlatilag állanó ara. A koagulációnak két tíusa van, vagyis két jelenség válthatja ki a részecskék ütközését: A részecskék Brown-ozgásából aóó ún. terális koaguláció, Külső, a közegre gyakorolt hatás, l. lökéshullá által kiváltott ún. kineatikus koaguláció. A ásoik esettel itt ost ne foglalkozunk, ivel ahhoz, hogy a kineatikus koaguláció értéke jelentős legyen, vagyis nagyságrenileg összeérhető a terikus koagulációéval, egyrészt nagy lökéshullára van szükség (akusztikus koaguláció, 10 B-nél nagyobb hulláfront esetén)[, 39. ol.], ásrészt intenzív turbulencia során, ahol a közeg örvényeinek érete összeérhető a részecskék egállási távolságával. Ez a szerző közelítő c Haérnök (XIII) I1 (018) 15
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika száításai szerint Re > 10 6, esetén is csak az 5 μ-nél nagyobb részecskéknél lehet jelentős, így ne extré áralásoknál ezt az effektust elhanyagoljuk. A továbbiakban a terál koaguláció folyaatát fogjuk leírni, egy egyszerűsített, aj egy általános egközelítéssel. Az egyszerűsített elélethez tegyünk egy elég urva feltételezést, nevezetesen, hogy legyen az aeroszolunk nagyjából onoiszerz, tehát közel azonos éretű részecskék ütköznek aj. Ezt az eléletet Soluchowski koagulációnak nevezzük, kiolgozója után (1917). Az elélet alaja a feltevés, hogy a koaguláció az egyes részecskék iffúziója ás részecskék felületére. Így kajuk az alaösszefüggést: N t KN (8) A ifferenciális alaösszefüggésben szétválasszuk a változókat, integráljuk: N0 N( t ) (9) 1 N Kt Ha a részecske érete nagyobb, int a gázolekulák közees szaba úthossza, a koagulációs együtthatót ki tujuk fejezni az alábbi kélettel: 0 K 4kT 4Diff (30)[4] 3 Vajon ilyen összefüggés van a részecskék száának változása és a részecskék éretének változása között? Gonolkozzunk: ieális esetben, ha a részecskék göb alakúak és folyékonyak, akkor ahhoz, hogy kétszer akkora lineáris érethez, nyolcszor akkora térfogat, tartozik, vagyis nyolcszor annyi részecske szükséges. Általánosítva: a részecskeéretváltozás forítottan arányos a részecskeszá-változás köbgyökével: ( t ) (0 ) 1 / 3 N(0 ) (31) N( t ) Ie behelyettesítjük a (9) összefüggést, valaint a (31) összefüggést, renezzük és kajuk a teljes forulát onoiszerz aeroszolra: (t 1 N Kt 1 / 3 0 ) (0 ) (3) Ahhoz, hogy egbecsüljük a koaguláció jelentőségét egy aott koncentráció és a részecskeéret iseretében, száoljuk ki, ennyi iőre van szükség a részecskék száának felezőéséhez t1/, illetve a részecskeéret egulázásához t! t t 1 / 1 N(0 )K 7 N(0 )K (33) Lássuk a kiszáolt értékeket táblázatosan, ha a koagulációs együttható értékét K = 5*10-16 3 /s értéknek vesszük: Haérnök (XIII) I1 (018) 153
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika Kezeti részecskeszákoncentráció (1/ 3 ) Koncentráció felezési ieje (s) Részecskeéret egulázóásának ieje (s) 1,00E+10,00E+05 1,40E+06 1,00E+11,00E+04 1,40E+05 1,00E+1,00E+03 1,40E+04 1,00E+13,00E+0 1,40E+03 1,00E+14,00E+01 1,40E+0 1,00E+15,00E+00 1,40E+01 1,00E+16,00E-01 1,40E+00 1,00E+17,00E-0 1,40E-01 1,00E+18,00E-03 1,40E-0 3. táblázat Az aeroszol koncentráció felezési és a részecskeéret egulázóásának ieje (saját szerkesztés) Látjuk a táblázatból, hogy a koagulációnak csak extré agas koncentrációban van jelentősége, feltételezve, hogy az aeroszol a érési geoetriában csak néhány ásoercig tartózkoik, a N < 10 13 1/ 3 koncentrácónál valójában ár ne kell száolni vele. Megjegyezzük, hogy a szerző által végzett iari aeroszolszűrő-éréseknél a betálált részecskeszá koncentráció N = 1 5*10 9 1/ 3 értéket vesz fel, és ez bőven elég az aeroszol HEPA szűrők hatásfok éréséhez, és ég így is higítót kell alkalazni a beeneti agas koncentráció éréséhez. Az is igaz azonban, hogy a fent elített éréseknél alkalazott aeroszol ne onoiszerz, hane jól követi a terészetes aeroszol éret-eloszlást, ait az előző cikk 7. ábráján[revious_article] láthatunk, bár a lényegen ne változtat, reális koncentrációknál a koagulációs effektustól a éréseink során általában ne kell tartanunk. Poliiszerz koaguláció során a folyaat egy kicsit (e ne nagyságrenileg!) gyorsabb, int onoiszerz aeroszol esetében, ez a jelenség összetettebb, hiszen a folyaat ozgatórugója itt az, hogy a kis részecskék viszonylag nagy iffúziós kéességgel kiüleenek a nagyobb részecskék viszonylag nagy felületére. Ebben az esetben, figyelebe véve az eloszlás araétereit, a részecskeéret-közéértéket MD és az eloszlásfüggvény szórását σ, a koagulációs együttható száítására egy ásik összefüggést vezettek le [], aely tartalazza az eloszlás nevezetes araétereit: kt K 1 e 3 ln,49 e MD 0,5ln e,5ln (34)[] Ezzel a ne kicsit bonyolult összefüggéssel száolva a koagulációs együtthatóra kb. 50-60 %-kal nagyobb ennyiséget kaunk, ai azonos iőintervalluokra integy 30-40 %-kal nagyobb koncentrációesést és 10-0 %-kal nagyobb részecskeéret-növekeést jelent, e látjuk, azok a száítások, aelyeket onoiszerz aeroszolra végeztünk, azért hogy eg tujuk becsülni a koaguláció jelentőségét, továbbra is használhatóak, reális kéet nyújtanak. Haérnök (XIII) I1 (018) 154
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika A RÉSZESKE KÖRÜLI ÁRAMLÁS JELLEGE Néhány szót szólnunk kell arról, hogy hogyan befolyásolja az aeroszol részecskék viselkeését a közeg áralásának jellege. A akroszkoikus tárgyak környezetében a közeg folyaatos, kontinuuként viselkeik, egyáltalán ne érzőik iszkrét terészete, hiszen a akroszkoikus felületeken a olekulák ütközése teljes értékben kiegyenlíti egyást. Azonban aikor a részecskék érete csökken, változást taasztalunk, airől ár szót ejtettünk a részecskék csúszási faktorának tárgyalása során is. Az előzőekben egvizsgáltuk a teljesség igénye nélkül a részecskék tulajonságait, viselkeését az aott közegben, ost beszéljünk arról, hogy ilyen kéet utat a részecskék körül a közeg áralása, figyelebe véve azok éretét. Ehhez szükségünk lesz egy olyan ienzióentes jellezőre, aelynek segítségével jól le tujuk írni a részecske közeg viszonyt a vizsgált részecskénk szeontjából. Ez a viszony visszavezethető inösszesen két jellező araéterre, a közegre nézve, a közees szaba úthosszra λ, ásrészt, a részecske éretére. A két ennyiség arányának kétszerese lesz az ún. Knusen-szá. Fizikai értele a Knusenszának egyszerű: ennyire viselkeik részecskénk akroszkoikus testként, vagy ennyire kerülnek előtérbe a kis éretéből aóóan azok a tulajonságok, aelyek kvázi gázrészecskévé teszik hasonlatossá: Kn (35) Háro tartoányt különböztetünk eg a részecske körüli áralás szeontjából: Viszkózus (kontinuu) tartoány: jellezője a Knusen-szá kis értéke: Kn << 1. Ebben a tartoányban a részecskénk akroszkoikus testekre jellező tulajonságokat utat. Körülötte az áralás jellegét az üleeési Reynols-szá határozza eg. A közegben a részecskénk az áralásnak egfelelően soróik, viszonylag kis csúszási faktorral renelkezik, üleeését nagyértékben befolyásolja a közegellenállás, felületén egyenletesen ütköznek a közeg gázolekulái, iffúziós tulajonságai elhanyagolhatóak, könnyen kilé az áralásból és ütköztetéssel leválasztható. A súrlóási erőt a Navier-Stokes egyenletekből vezetjük le, így a tartoányt egyébként Stokes-tartoánynak is nevezzük. Molekuláris tartoány: Kn >> 1, vagyis részecskénk aró, ozgása közelít a gázrészecskék Brown-ozgásához, ivel azokkal történő ütközése renszertelen és ozgása során eghatározó. Száottevő iffúziós tulajonságokat utat, csúszási faktora nagy, >> 1, jól követi az áravonalakat. A olekuláris iszerziós hatások (Van er Vaals) is, igaz csekély értékben, e befolyásolják viselkeését. Áteneti (Knusen-) áralás tartoánya: a két előző tíus közötti, Kn ~ 1. Részecskénk viselkeését ég alavetően a közeg súrlóása befolyásolja, e ár száottevő csúszási faktorral renelkezik, az ütközések ár ne egyenlítik ki egyást, a közeg ár ne teljesen viszkózus. Megjelennek a iffúziós tulajonságok, ég ki lehet létetni az áralásból, ütköztetéssel leválasztani. Ha az előzőek alaján rövien össze akarjuk foglalni az aeroszolok azon főbb tulajonságait, aelyek száunkra, és főleg éréstechnika szeontjából fontosak, valahogy úgy tunánk ezt egközelíteni, ahogy az alábbi ábrán látjuk: Haérnök (XIII) I1 (018) 155
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika Áralási tartoány Részecske viselkeése Meghatározó törvényszerűségek Molekuláris Áteneti Viszkózus Diffúzió/ Koaguláció Einstein/Van er Vaals Üleeés/Ütközés Stokes/unning ha Stokes Kn () 10 3 10 10 1 10-10 10-9 10-8 10-7 Diffúzió egyenérték átérő 10-1 10-10 -3 10-6 10-5 10-4 Aeroinaikai egyenérték átérő 5. ábra Összefoglaló ábra az aeroszol részecskék közegben való viselkeéséről (a szerző szerkesztése) Terészetesen a különböző tartoányok közötti átenet elosóik, inkább arról van szó, hogy a részecskék éretének (esetleg a közeg teroinaikai állaotának) változásakor fokozatosan egyes tulajonságok erősönek, ások háttérbe szorulnak. A tisztaterek légterének állaotára vonatkozó érések alavetően a 10-7 5*10-6 -es éret intervalluot fogják át, és ellesleg, ez az a érettartoány, aelybe tartozó részecskék, ha nagy ennyiségben kerülnek az atoszférába, akár globális, több fölrészt agába foglaló területeken terjehetnek szét és ennyiségüknek egfelelő effektusokat okozva [0][1][][3]. A HEPA szűrőket tartalazó szűrő-szellőztető berenezések vizsgálata [6][7] a 3*10-7 alatti kuulatív csatornától a 10-5 -es nagyságig terje, íg az előző cikkben [6] tárgyalt HEPA és fino részecskeszűrők vizsgálata a 3*10-7 -es, illetve a 4*10-7 -es érettartoány érésén alaszik. Ez a 10-7 10-5 -es érettartoány integy határterülete az áteneti és a viszkózus tartoánynak, ahol a részecskék körüli áraló közeg kontinuuként viselkeik, száottevő csúszási kéességgel, erősen korlátozott iffúziós tulajonságokkal. Ebben a tartoányban a részecskék echanikai araétereiknél fogva, *10-7 3*10-7 -es egyenátérőig ég tehetetlenségi iaktorokkal szearálhatóak, ai létfontosságú az egyezényes aeroszol frakciók [9] intázása szeontjából. ÖSSZEGZÉS, KÖVETKEZTETÉSEK A jelen cikkben ahogy a bevezetőben is történt rá utalás a keves Olvasóval egiserketünk az aeroszolok legfontosabb fizikai tulajonságaival, az áraló renszerekben való viselkeésükkel, aelyek eghatározzák az áraló renszer falaival és a különböző akaályokkal (szűrő, iaktor, stb.) való kölcsönhatásaikat. Ezek jól leírják azokat a sajátosságokat, aelyekről a cikksorozat következő részeiben szót ejtünk. Lássuk, i az, ai ost kiarat (ersze, szintén a teljesség igénye nélkül). Ne esett szó élául a teroiffúzióról, ait Soret-effektusnak is hívnak, valaint a részecskék oulob-töltéséről és a fal közötti elektrosztatikus hatásról, aelyek a részecskék lerakóásához vezethetnek. Ezek olyan jelenségek, aelyek segíthetik a szűrés hatásfokának javulását, vagy l. a intavételezés során veszteséget is okozhatnak, és bizonyos esetekben száolnunk kell velük. Minazonáltal, eléggé egalaoztuk az aeroszolokkal kacsolatos tuásunkat ahhoz, hogy a továbbiakban folytathassuk barangolásunkat az aeroszolokkal való űveletek világában. Haérnök (XIII) I1 (018) 156
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika FELHASZNÁLT IRODALOM [1] J. SURGAI, M. SOLYMOSI: Levegőszűrők hatékonyságának érése, I. rész: az aeroszol szűrés alajai, a or- és részecskeszűrők inősítésének renszere, Haérnök, X. évfolya, 1. szá, 015. árcius [] P., KULKARNI, P. A., BARON, K., WILLEKE: Aerosol easureent: Princiles, Techniques, an Alications, Thir Eition, John Wiley & Sons, 011, ISBN 978047038741, DOI: 10.100/9781118001684 [3] W. HINDS: Aerosol Technology: Proerties, Behavior, an Measureent of Airborne Particles, John Wiley & Sons, 01, ISBN 1118591976, 9781118591970 [4] K. W. LEE & H. HEN: oagulation Rate of Polyiserse Particles, Aerosol Science an Technology, 3:37-334, 1984, DOI: 10.1080/07868840895900 [5] J. H. VINENT: Aerosol Science for Inustrial Hygienists, Elsevier Science, 1995, ISBN 008 0409X [6] J. H. VINENT: Aerosol Saling: Science, Stanars, Instruentation an Alications, 007, John Wiley & Sons, ISBN 04700600, 97804700603 [7] Á. VINZE, G. EIGEMANN, J. SOLYMOSI: Filtration of raioaerosols in Nuclear Power Plant Paks, Hungary. AARMS, Vol. 5, No. 3. (006) 335-344 [8] MSZ EN 481:1994: Munkahelyi levegő. A szállóor-érés szecseéret-frakciónak eghatározása [9] ISO Stanar 7708:1995: Air quality - Particle size fraction efinitions for healthrelate saling [10] J. S BROWN, T. GORDON, O. PRIE, B. ASGHARIAN: Thoracic an resirable article efinitions for huan health risk assessent, 013, URL: htts://www.ncbi.nl.nih.gov/c/articles/pm3640939/, PM US National Library of Meicine [11] J. STRNADEL, B. ŠIŠKA, I. MAHAČ: Dynaic shae an wall correction factors of cylinrical articles falling vertically in a Newtonian liqui, heical Paers 67 (9) 145 149 (013), DOI: 10.478/s11696-01-085-5 [1] P. F. DEARLO, J. G. SLOWIK, D. R. WORSNOP, P. DAVIDOVITS, AND J. L. JIMENEZ: Particle Morhology an Density haracterization by obine Mobility an Aeroynaic Diaeter Measureents. Part 1: Theory, Aerosol Science an Technology, 38:1185 105, 004, ISSN: 078-686 rint / 151-7388 online, DOI: 10.1080/0786890903907 [13] G. SHEUH & J. HEYDER: Dynaic Shae Factor of Nonsherical Aerosol Particles in the Diffusion Regie, Aerosol Science an Technology, 1990, 1:, 70-77, DOI: 10.1080/078689008959345 [14] SURGAI J., ZELENÁK J., NAGY G., MOLNÁR L., PINTÉR I., BÄUMLER E., SOLYMOSI J.: A légi sugárfelerítés kéességei alkalazhatóságának vizsgálata elveszett, vagy elloott sugárforrások felkutatása, illetve szennyezett tereszakaszok felerítése során, Reüléstuoányi Konferencia 009: 50 év hangsebesség felett a agyar légtérben, Szolnok, Magyarország, 009.04.4 Buaest: Zrínyi Miklós Nezetvéeli Egyete Bolyai János Katonai Műszaki Főiskolai Kar,. 14. Haérnök (XIII) I1 (018) 157
SURGAI: Levegőszűrők hatékonyságának érése II. rész: Egy csietnyi aeroszolrészecske-fizika [15] MANGA L.: Drónok és alkalazási területeik, avagy szóba jöhetnek-e egy esetleges nukleáris baleset esetén, Műszaki Katonai Közlöny, ISSN: 119-4166, eissn: 063-4986, 6: (). 183-196. (016) [16] SURGAI J.: A Magyar Honvéségben alkalazott sugárhelyzet rognosztizálási és értékelési eljárások továbbfejlesztése száítógées egvalósítással, Haitechnika 34:(1). 6-1. (000) [17] SURGAI J, ZELENÁK J, LAJOS T, GORISÁN I, HALÁSZ L, VINZE Á, SOLYMOSI J: Nuerical siulation of transission of NB aterials, Acaeic An Alie Research In Military Science 5:(3). 417-434. (006) [18] Á SÉS, J SURGAI, J M SUDA, G KRISTÓF, I PINTÉR, J ZELENÁK: ABV (NB) anyagok éületen belül történő terjeésének nuerikus sziulációja és oellkísérlete, Bolyai Szele 13:(3). 1416-1443. (004) [19] ÁS B., SÓK L., SURGAI J., GORISÁN I., HALÁSZ L., LAJOS T., PINTÉR I., SOLYMOSI J., VINZE Á., ZELENÁK J.: ABV-anyagok terjeésének nuerikus, száítógées sziulációja, Haitechnika 39:(1). 13-19. (005) [0] PADÁNYI J., FÖLDI L.: Environental resonsibilities of the ilitary, soliers have to be "Greener Berets". Econoics an Manageent, Publishe by the University of Defence in Brno, VIII. évf.. szá 48-56. o. 014. ISSN 180-3975 URL cí: htt://www.unob.cz/en/ea/docuents/eam%0-014.f, (letöltve: 017. 1. 06.) [1] JÓZSEF P.; LÁSZLÓ F.: Security Research in the Fiel of liate hange. In: László Náai; József Paányi (szerk.) ritical Infrastructure Protection Research: Results of the First ritical Infrastructure Protection Research Project in Hungary. (Toics in Intelligent Engineering an Inforatics; 1.) 184. Zürich: Sringer International Publishing, 016.. 79-90. ISBN:978-3-319-8090-5 [] DOBOR J.; KOSSA GY.; PÁTZAY GY.: Atoerőűvi balesetek és üzezavarok tanulságai., Haérnök, XII. évfolya, 4. szá, 015. eceber [3] L., HALÁSZ: Facts of cliate change; theories an scenarios, In: Föli László, Paányi József (szerk.), Effects of cliate change on security an alication of ilitary force. 70., Buaest: Nezeti Közszolgálati Egyete, 014.. 11-7., ISBN:978-615-5305-5- Haérnök (XIII) I1 (018) 158