舰船舱室环境油雾在金属和织物表面的沉降特性.pdf
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1、本文网址:http:/www.ship- J.中国舰船研究,2024,19(2):9097.WANG Z Y,YU T,JING L M,et al.Deposition characteristics of oil mist on metal and fabric surfaces in ship cabinJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(2):9097(in Chinese).舰船舱室环境油雾在金属和织物表面的沉降特性扫码阅读全文王志远1,余涛2,3,荆雷鸣4,林本成5,周爱民2,冷文军2,刘聪*11 东南大学 能源与环境学院,江苏 南
2、京 2100962 武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 4302053 北京航空航天大学 能源与动力工程学院,北京 1001914 中国人民解放军 92330 部队,山东 青岛 2661025 军事科学院军事医学研究院 环境医学与作业医学研究所,天津 300050摘 要:目的目的旨在研究舰船舱室环境油雾在金属和织物表面的沉降特性。方法方法在试验舱内释油雾,让其在目标表面上沉降,称量表面沉降前后的质量差即为表面上的沉降质量,以此来对比不同朝向、不同材质表面的沉降特性;将水平向下表面的沉降合理假设为气相沉降,估算其贡献大小,并计算颗粒相的沉降速度。结果结果在朝向方面,金属水平向上表面的沉降质量分别
3、是竖直和水平向下表面的 3.98 倍和 4.66 倍,织物水平向上表面的油雾沉降质量是竖直和水平向下表面的 1.08 倍和 1.20 倍;在材质方面,织物水平向上、竖直和水平向下表面的沉降质量分别是同朝向的金属表面的 49.1 倍、169.8 倍和 155.5 倍。估算表明,对于金属水平向上和竖直表面,气相沉积的贡献分别为 21.5%和 79.2%;对于织物的水平向上和竖直表面,则约为90%。结论结论研究表明,舰船舱室环境油雾在织物表面的沉降远强于在金属表面的沉降;在金属水平向上表面的沉降远大于竖直表面和水平向下表面;在 3 种朝向的织物表面的沉降差别并不明显;无论何种材质和朝向,气相沉降都不
4、可忽视。对于舰船舱室环境,气相沉降占据主导作用。关键词:舰船舱室;环境油雾;金属表面;织物表面;沉降速度中图分类号:U664.86文献标志码:ADOI:10.19693/j.issn.1673-3185.03115 Deposition characteristics of oil mist on metal and fabric surfaces in ship cabinWANG Zhiyuan1,YU Tao2,3,JING Leiming4,LIN Bencheng5,ZHOU Aimin2,LENG Wenjun2,LIU Cong*11 School of Energy and E
5、nvironment,Southeast University,Nanjing 210096,China2 Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430205,China3 School of Energy and Power Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China4 The 92330 Unit of PLA,Qingdao 266102,China5 Institute of Environmental and Operational Medicine,Ac
6、ademy of Military Medical Sciences,Academy of Military Sciences,Tianjin 300050,ChinaAbstract:ObjectiveThis study focuses on the deposition characteristics of oil mist on metal and fabricsurfaces in ship cabin.MethodsOil mist is released in an experimental cabin and allowed to deposit onthe target su
7、rfaces.The mass difference before and after deposition on the surfaces is weighed to determine thedeposition mass,and the oil mist deposition characteristics of surfaces with different orientations and materi-als are compared.The deposition on the horizontal downward surface is reasonably assumed to
8、 be gas phasedeposition.Its contribution is then estimated and the particle phase deposition velocity is calculated.ResultsThedeposition mass on the horizontal upward surface of the metal is 3.98 times and 4.66 times greater than that onthe vertical surface and horizontal downward surface.For fabric
9、 surfaces,the deposition mass on the horizont-al upward surface is 1.08 times and 1.20 times greater than that of the vertical surface and horizontal down-ward surface.For material comparison,the deposition mass on the horizontal upward,vertical and horizontaldownward surfaces of the fabric is 49.1
10、times,169.8 times and 155.5 times greater than that of the metal sur-face facing in the same direction respectively.Estimates show that the contribution of phase deposition to themetal horizontal and vertical surfaces are 21.5%and 79.2%respectively.The contribution of phase depositionto the fabric s
11、urfaces is about 90%.ConclusionsThe oil mist deposition on fabric surfaces is muchstronger than that on metal surfaces.The deposition on the metal horizontal upward surface is much greaterthan that on the vertical surface and horizontal downward surface.The deposition differences between the fab-ric
12、 surfaces in the three orientations are not significant.Regardless of orientation or material,gas phase depos-ition cannot be ignored as it plays a dominant role in ship cabin environments.Key words:ship cabin;oil mist;metal surface;fabric surface;deposition velocity收稿日期:20220929 修回日期:20230227 网络首发时
13、间:20230522 11:21基金项目:国家部委基金资助项目作者简介:王志远,男,1999 年生,硕士生。研究方向:室内空气品质。E-mail:刘聪,男,1986 年生,博士,副教授。研究方向:健康空气环境。E-mail:*通信作者:刘聪 第 19 卷 第 2 期中 国 舰 船 研 究Vol.19 No.22024 年 4 月Chinese Journal of Ship ResearchApr.2024 0 引言润滑油料广泛应用于舰船发电机、齿轮箱、空压机等设备的润滑、冷却和调速等。相关设备及系统在工作过程中,旋转离心、高温冷却等会释放大量颗粒态油雾和气态油雾,造成舱室油雾污染1。舰船舱室
14、空间相对封闭,油雾逐渐积累,影响舱内空气质量。油雾已经成为舰船舱室的重要污染物之一2-3,严重危害人员身体健康。人体长期暴露于含有油雾的空气中,可能导致慢性支气管炎4、皮肤过敏5、哮喘6、肺部损伤7等疾病,甚至诱发癌症8。油雾还会在舱室壁面、设备表面、人体表面,以及设备内部电子元器件表面沉降,使人员生活环境恶化,造成人员身体不适,工作效率降低,影响设备运行安全。目前,国内外关于颗粒物沉降的研究主要针对固态颗粒(如大气尘、NaCl 颗粒等)或难易挥发的液态颗粒(如癸二甲酸二正辛酯等)。研究人员通过试验方法测定了固态颗粒物在各类表面上的沉降速度,评估了颗粒物的沉降强度9-11;一些学者利用理论方法
15、建立了固态颗粒物的沉降模型,用于预测颗粒物的沉降速度12-14。但因液/气相油雾的液态易挥发、气态易凝结沉降的属性,其沉降特性与传统的固态颗粒物和难挥发的液体颗粒存在差异,故这些研究结果并不直接适用于舰船等领域的易挥发/凝结油雾。国内外针对油雾沉降的研究较少,且主要针对难挥发的液态颗粒在过滤材料中的过滤沉积15-16,而非易挥发液态颗粒,故较少针对室内环境、舰船舱室表面和衣物表面进行研究。此外,在舱室环境中,气相和颗粒相成分对表面沉降的相对贡献也缺乏研究。本文将在亚克力试验舱中搭建试验装置,采用表面称重方法测量液态油滴和机油挥发产生的气态污染物在不同朝向的金属和织物表面上的沉降特性,旨在了解油
16、雾沉降对舰艇舱室环境的影响,丰富舰艇舱室空气污染物控制理论,进而指导舰舱内污染物控制和保障舱内人员健康。1 方 法 1.1 试验装置试验在一个密闭的试验舱内进行,其内部尺寸为 1.2 m1.2 m1.6 m。试验装置如图 1 所示。在试验舱内放置若干目标表面用于沉降油雾,表面放置于支架平台上,距地面 1.0 m。试验舱内放置伯虎空气检测仪(伯虎物联 BH1-B1,温度检测精度2,相对湿度检测精度5%,颗粒物质量浓度检测精度15%),用于检测试验舱内的温度、相对湿度和颗粒物质量浓度。检测仪每 1 min 记录 1 次数据,并保存在存储卡中,以便后续读取。油雾(颗粒相+气相)油雾(颗粒相+气相)油
17、雾(颗粒相+气相)空气检测仪沉降沉降沉降竖直表面平台水平向下表面水平向上表面支架1.0 m1.6 m1.2 m(a)试验装置示意图(b)试验装置实物图亚克力试验舱图 1试验装置图Fig.1 Test device 1.2 沉降表面的制作为了研究油雾在不同材质表面上的沉降特性,选用了国内舰船舱室常见的铝合金、T 恤和床单作为沉降表面的材质(图 2(a)图 2(c)。各种材质的表面尺寸均为 15 cm10 cm。为了让表面在沉降时单面接收油雾,试验前将表面插入背板内,仅暴露出尺寸为 10.7 cm10.0 cm 的表面用于油雾沉降。T 恤和床单材质柔软,因此先用双面胶将布料平整地粘贴在卡纸上,再插
18、入背板内。沉降表面的主要参数见表 1,表中铝合金表面的粗糙度取自文献 17,T 恤和床单的粗糙度为实测数据。为了研究油雾在不同朝向表面上的沉降情况,制作了水平向上、水平向下和竖直表面。水平向上表面直接放置在水平平台上(图 2(d),水第 2 期王志远等:舰船舱室环境油雾在金属和织物表面的沉降特性91平向下表面用长尾夹固定在平台的下表面(图2(e),竖直表面将背板固定在底座上(图 2(f)。表 1 沉降表面主要参数Table 1 Main parameters of deposition surfaces表面类型材质厚度/mm暴露尺寸/cm粗糙度/m铝合金铝合金0.510.710.01.617T
19、恤100%棉0.410.710.015.0床单100%棉0.410.710.06.3 1.3 试验过程试验过程如下:1)表面培养和称重。试验开始前,将制作好的表面放入恒温恒湿培养箱(型号 LHS-150SC)中培养 12 h,目的是减小沉降前后因环境温、湿度波动造成的称重误差。培养箱温度(251),相对湿度 17%5%。培养后,采用精度为 0.000 01 g的高精度电子天平(型号 Mettler Toledo MS105)对沉降表面进行称重,每个表面称量 3 次,取平均值作为表面沉降前的质量 m1i,其中 i 表示不同类型的表面。2)油雾释放。采用的污染源主要是舰船常用的 TSA-68#汽轮
20、机油(GB 111202011)。释放油雾时,将 100 mL 机油加入烧杯中,将烧杯置于电子圆盘加热炉(型号力辰 FL-2YA 数显)上,炉温设置为 250,机油挥发向试验舱内释放油雾。开启空气检测仪记录试验舱空气中油雾颗粒物浓度,当 PM2.5 质量浓度为 2 0002 500 g/m3时,将污染源移出试验舱。为将机油与室内常见的其他污染源进行对比,本文还采用了檀香、香烟、蚊香作为污染源,以燃烧的方式释放污染物。3)油雾沉降。将称重后的表面放入试验舱内,开始沉降,并且从此刻监测记录舱内 PM1.0,PM2.5 和 PM10 质量浓度的变化。试验中各个表面相互紧挨着放置于边长为 40 cm
21、的方形平台上,因此可以认为各个表面附近空气中的油雾浓度相同。静置 45 d 后,将表面从试验舱内取出,放入特制的盒子内,避免受到环境影响。4)表面培养和称重。将装有沉降表面的盒子用保鲜膜密封,放入恒温恒湿培养箱内培养 12 h。前期试验结果表明,恒温恒湿培养并不会使表面上的油雾出现明显的再挥发现象而影响试验结果。培养后再次对表面进行称重,每个表面称量3 次,取平均值作为各表面沉降后的质量 m2i。1.4 数据分析方法 1.4.1 不同表面的对比m1im2i试验得到表面沉降前、后的质量和,则表面 i 上的沉降质量为mi=m2im1i(1)mi通过沉降质量来对比油雾在不同材质、不同朝向表面上的沉降
22、特性。1.4.2 气相和颗粒相沉降采用加热使机油挥发的方法释放油雾,在产生油雾颗粒的同时,大量的气相污染物也随之释放出来,并在表面上沉降(檀香、香烟、蚊香亦同)。为了估算气相和颗粒相污染物对表面沉降的贡献,本研究假设如下:1)气相污染物的沉降与表面朝向无关。由于气相污染物在表面上的沉降其本质是污染物从高浓度空气向表面附近低浓度空气扩散的过程,且与方向无关,因此该假设是合理的。2)水平向下表面近似认为只有气相沉降,而没有颗粒相沉降。严格来说,水平向下表面的沉降包括小颗粒的扩散沉降和气相沉降。粒径为0.011.00 m 的小颗粒以扩散沉降为主,其在不同朝向表面的沉降速度无差异,而粒径大于 1 m(
23、a)金属(b)T 恤(c)床单15 cm10 cm10 cm背板表面(d)水平向上表面(金属)(f)竖直表面(金属)(e)水平向下表面(金属)图 2沉降材质及沉降试验表面Fig.2 Material specimens and surface arrangement for deposition test92中 国 舰 船 研 究第 19 卷的大颗粒物以重力沉降为主18。本文 PM10 质量浓度为 PM1.0 的 510 倍,因此与水平向上和竖直表面的大颗粒重力沉降相比,小颗粒扩散沉降可以忽略。另外,Abadie 等19的研究也表明水平向上表面的颗粒沉降速率比水平向下表面的大1 个数量级以上,
24、竖直表面的也比水平向下表面的大 35 倍,因此在计算水平向上和竖直表面颗粒相沉降质量时,可忽略小颗粒的扩散沉降。基于上述假设,本研究将水平向下表面的沉降质量直接作为各朝向表面的气相污染物沉降质量,将水平向上表面的沉降质量与气相沉降质量之差作为水平向上表面的颗粒相污染物沉降质量,将竖直表面的沉降质量与气相沉降质量之差作为竖直表面的颗粒相污染物沉降质量。即mg=mx(2)mls=msmg(3)mlz=mzmg(4)mgmxmlsmsmlzmz式中:为气相污染物沉降质量;为水平向下表面的沉降质量;为水平向上表面的颗粒相污染物沉降质量;为水平向上表面的沉降质量;为竖直表面的颗粒相污染物沉降质量;为竖直
25、表面的沉降质量。通过对比气相与颗粒相的沉降质量来研究气相沉降的贡献。利用颗粒相沉降质量、沉降面积、沉降时间、颗粒物浓度计算得到了水平向上表面和竖直表面的颗粒相沉降速度,即vdl,i=ml,iCtA(5)vdl,iml,i式中:为表面 i 的颗粒相沉降速度;为表面 i 的颗粒相沉降质量;C 为试验舱内颗粒物的平均浓度,本研究采用 PM10 质量浓度;t 为沉降时间;A 为表面面积,本研究中为 0.1070.10=0.010 7 m2。前人测量了实际舱室环境中的气相和颗粒相污染物浓度2-3,20-21。若已知气相、颗粒相的沉降速度,可估算实际舱室环境中气相和颗粒相对表面沉降的贡献,即mg,i=h(
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