Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Трунов Владислав Андреевич

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра электронной техники

Специальность Научные, аналитические и экологические приборы и системы

Обоснование и разработка структурной схемы системы контроля выбросов автомобильного транспорта

Научный руководитель: к. т. н., доцент Хламов Михаил Георгиевич

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• 1. Анализ выхлопов автомобильного транспорта и обоснование необходимости контроля концентрации суммы углеводородов
• 2. Аналитический обзор методов измерения концентрации углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта
• 3. Аналитический обзор современных средств измерения в условиях объекта контроля
• Список использованных источников

1. Анализ выхлопов автомобильного транспорта и обоснование необходимости контроля концентрации суммы углеводородов

Донецк – крупный административный, промышленный и культурный центр Украины. Население города составляет 1007,0 тыс. человек, численность трудоспособного населения достигает 675,7 тыс. человек, плотность населения составляет 1770 человек на 1 км². На рисунке 1 изображено загрязнение воздуха вредными выбросами предприятий.

Рисунок 1 – Загрязнение воздуха в промышленном городе

Загрязнение атмосферного воздуха является одной из самых серьезных экологических проблем многих промышленных городов. Влияние загрязнения воздуха на здоровье человека проявляется через сокращение средней продолжительности жизни, увеличение количества преждевременных смертей, рост заболеваемости и негативное влияние на развитие детей. Хотя последнее время в городе наблюдается тенденция снижения валовых выбросов вредных веществ, однако уровень загрязнения атмосферного воздуха остается еще сравнительно высоким. За последние 17 лет динамика валовых выбросов вредных веществ в атмосферу представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Валовые выбросы вредных веществ в Донецке

Анализ приведенных данных показывает, что за последние 10 лет общие валовые выбросы вредных веществ уменьшились на 15 %. При этом выбросы от промышленных предприятий снизились на 32 %, а выбросы транспорта возросли на 76 %. В случае сохранения существующих тенденций, количество выбросов вредных веществ от передвижных источников к 2020 году превысит соответствующее количество выбросов от стационарных источников. В этом случае валовое количество выбросов по городу возрастет на 30‑40% и может составить от 280 до 300 тыс. тонн в год [1]. Анализ состава выбросов в атмосферу свидетельствует, что в 2007 году по сравнению с 2000 годом снизились выбросы оксида углерода (на 12 %), диоксида серы (на 44 %) и пыли (на 37 %), однако при этом возросли выбросы соединений азота (на 48 %).

В настоящее время можно отметить наличие в процессах загрязнения атмосферного воздуха города Донецка следующих тенденций:

• За последние пять‑шесть лет в Донецке наблюдается монотонная тенденция роста уровня загрязнения атмосферы преимущественно за счет увеличения содержания в атмосфере диоксида азота, формальдегида, аммиака и фенола. В этот период по уровню загрязнения атмосферы наиболее неблагоприятными годами были 2003 и 2007, в свою очередь наиболее благоприятным был 2002 год.
• В течение многих лет в список основных наиболее опасных загрязнителей атмосферного воздуха входили диоксид азота, формальдегид, пыль и бензапирен. По этим веществам наблюдаются концентрации выше допустимых норм (больше ПДК_сс), однако за последние 2 года к этому списку добавились аммиак и фенол.
• Ситуация с загрязнением атмосферы сравнительно благополучная для оксида углерода, диоксида серы и тяжелых металлов.
• Сегодня в Донецке существует тенденция резкого увеличения загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота и формальдегидом (особенно в 2007 году). Содержание фенола за 2007 года выросло в 5 раз и впервые за 10 лет превысило норму. Наблюдается тенденция снижения уровня загрязнения атмосферы, пылью и бензапиреном. Для аммиака прослеживается тенденция роста уровня загрязнения. Уровень загрязнения воздуха оксидом углерода, диоксидом серы, оксидом азота и тяжелыми металлами за несколько последних лет остается без изменений.

Выше было сказано, что наибольшую опасность для атмосферного воздуха представляют выбросы автомобильного транспорта, так как прослеживается тенденция роста доли вредных выбросов, производимых автомобильным транспортом. Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NО_x), углеводороды (С_nH_m), а в случае применения этилированного бензина – свинец. Состав выбросов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид. Как же эти вредные компоненты воздействуют на человека и окружающую среду? В обычных условиях СО – бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Оксид азота NO – бесцветный газ, диоксид азота NO₂ – газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO₂ cпособствует развитию заболеваний легких. Некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами, переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах. В скопившихся над асфальтом облаках, СН и NO_x под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона. Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) – они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NО_х участвуют в формировании кислотных дождей. В случае применения этилированных бензинов около 50 % свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером 1‑5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2‑20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.

Химические соединения, поступающие в воздух рабочей зоны, могут стать причиной острых, подострых, хронических отравлений, а также различных отклонений в состоянии здоровья работающих, обнаруживаемых современными методами исследований, как в течение трудового стажа, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. ПДК в воздухе рабочей зоны должны быть установлены для тех соединений, содержание которых в воздушной среде может обладать вредным для здоровья действием.

В зависимости от величины ПДК_р.з., а также других показателей токсического действия все химические соединения могут быть разделены на 4 класса опасности (табл. 1). Учет класса опасности позволяет дифференцированно подходить к обоснованию необходимости контроля содержания тех или иных химических соединений в атмосфере.

Таблица 1 – Классы опасности химических соединений

В таблице 2 приведен состав выхлопных газов автомобильного транспорта [2].

Таблица 2 – Состав выхлопных газов автомобильного транспорта

Углеводороды, выбрасываемые автомобильными двигателями, под действием солнечного света вступают в реакцию с оксидами азота, выбрасываемые двигателями, котельными установками и промышленными печами. В результате протекают фотохимические реакции с образованием озона, радикалов и различных перекисей, вызывающих раздражение глаз, повреждение растительности, разрушение резины.

Профессор А. Дж. Хааген‑Смит, исследовавший фотохимические реакции в атмосфере в связи с проблемой лос‑анджелесских туманов (смогов), а впоследствии и другие исследователи, объясняют причину быстрого окисления находящихся в атмосфере углеводородов и связанное с этим снижение видимости и наращивание концентрации кислот и альдегидов влиянием NO_x (в период смога концентрация углеводородов составляла около 0,0003 %) на образование атомарного азота и озона под воздействием солнечных лучей (рис. 3) [3].

Рисунок 3 – Схема образования атомарного азота и озона под воздействием солнечных лучей

(Анимация состоит из 6 кадров с задержкой в 100 мс между кадрами и имеет 7 повторных воспроизведений. Сделана в Easy Gif Animator.)

Углеводороды С_xН_y – это многочисленная группа соединений, представляющих следующие гомологические ряды: парафины, олефины, нафтены, ароматические углеводороды (в том числе – полициклические ароматические углеводороды – ПАУ). Наиболее значимыми из них являются легкие газообразные углеводороды (метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, этилен С₂Н₄, ацетилен С₂Н₂ и ряд других) и ПАУ. На долю метана приходится лишь 2‑6 %. Другие легкие углеводороды присутствуют в отработавших газах дизелей и котлов в значительно меньших количествах [4]. Наиболее представительными из них являются неканцерогенные пирен, флуоррантен и слаботоксичный хризен, а наиболее опасным – фенантрен С₁₄Н₁₀ и, особенно, бензапирен С₂₀Н₁₂.

2. Аналитический обзор методов измерения концентрации углеводородов в выхлопах автомобильного транспорта

Пламенно‑ионизационный метод. Проводимость газа‑носителя, являющегося электрополяризатором, существенно возрастает благодаря ионам, образующимся при горении органических соединений в водородном пламени. Отклик ПИД пропорционален числу атомов углерода в молекуле, изменяется при переходе от одного класса органического соединений к другому незначительно. На рисунке 4 изображен пламенно-ионизационный газоанализатор.

Рисунок 4 – Пламенно-ионизационный газоанализатор

Достоинства: простота в обращении, быстрый отклик, широкий линейный динамический диапазон, универсальность.

Недостатки: при проведении анализа определенного соединения в сложной матрице требуется более селективный детектор для уменьшения числа пиков мешающих компонентов. ПИД дает слабый отклик на вещества с малым содержанием углерода. Основной недостаток пламенно-ионизационных газоанализаторов состоит в их низкой избирательности к отдельным органическим компонентам при их совместном присутствии. С помощью пламенно‑ионизационного газоанализатора определяют либо их сумму, либо концентрацию компонентов с превалирующими ионизационными эффективностями.

Оптико‑абсорбционный метод (рис. 5) выгодно отличается от других методов следующими особенностями:

• высокое спектральное разрешение, определяющееся шириной линии лазерного излучения;
• высокая чувствительность по показателю поглощения. Принципиальное ограничение предельной чувствительности определяется тепловыми флуктуациями в исследуемой среде;
• отсутствие сигнала, если спектральная линия излучения лазерного источника находится вне линий поглощения газа (однако следует иметь в виду наличие фонового сигнала, связанного с поглощением излучения окнами и стенками кюветы с исследуемой газовой смесью);
• отношение сигнал/шум увеличивается пропорционально мощности источника. Принципиальное ограничение на мощность налагается лишь явлением насыщения поглощения на исследуемой линии;
• ОА‑сигнал пропорционален показателю поглощения газа, что существенно упрощает обработку данных измерения;
• концентрационная характеристика (зависимость амплитуды регистрируемого оптико‑акустического сигнала от концентрации газа) линейна при изменении концентрации в пределах 4‑5 порядков;
• измеряемая величина (амплитуда колебания давления) является интенсивным параметром образца, т. е. не зависит от его размеров. В силу этой особенности ОА‑измерения проводят при малых объеме и длине измерительной камеры;
• шумы приемников из-за высокой спектральной плотности мощности лазерных источников, как правило, не имеют значения. Стабилизация интенсивности лазерного излучения (или нормировка на опорный сигнал) еще более увеличивает чувствительность аппаратуры;
• область, используемых в ОА‑газоанализаторах лазерных источников, охватывает спектральный диапазон от УФ‑ до ИК‑области;
• возможность быстрой перестройки длины волны излучения, что позволяет проводить оперативный количественный анализ многокомпонентных газовых смесей;
• малый объем и длина измерительной камеры представляют большие преимущества при исследовании нелинейных эффектов (спектроскопический эффект насыщения, многофотонное поглощение), требующих высокой плотности мощности по сечению лазерного пучка, поддержание постоянного высокого значения мощности на длинной оптической трассе невозможно, а в короткой ячейке ОА‑детектора сравнительно легко можно получить интенсивности вплоть до оптического пробоя газа.

Рисунок 5 – Оптико-абсорбционный газоанализатор

Основными недостатками газоанализаторов являются: чувствительность к вибрациям и акустическим помехам, а также зависимость чувствительности ОА‑детектора от давления и типа исследуемого газа. Избирательность зависит от наложения полос поглощения, неопределяемых и определяемого компонентов, изменения спектра поглощения определяемого компонента при изменении содержания даже непоглощающих ИК‑излучение компонентов (например, водорода или гелия), присутствия в ОА‑приемннке следов мешающих компонентов. К числу принципиальных особенностей газоанализаторов следует отнести необходимость его калибровки для измерений абсолютных значений показателей поглощения (а значит, и концентраций) газов.

Оптико‑акустический метод. В основу ОАМ анализа газов (рис. 6) положен эффект теплового расширения газа при поглощении им зондирующего излучения. При модуляции с акустической частотой (от нескольких Гц до десятков кГц) мощности излучения в поглощающей газовой среде будут распространяться с той же частотой в виде волн зоны повышенного давления. Эти акустические колебания в газе регистрируются мембранными датчиками.

Рисунок 6 – Оптико-акустический газоанализатор

В оптико‑акустическом газоанализаторе недостатками являются большие дополнительные погрешности, возникающие вследствие влияния атмосферного давления и температуры, повышенная чувствительность к промышленным вибрациям.

3. Аналитический обзор современных средств измерения в условиях объекта контроля

В наше время без газа сложно представить жизнь человека. Газ, самого разнообразного состава находится вокруг нас в различных устройствах, давая возможность им функционировать. Сегодня для различных целей применяются так называемые газовые смеси. И автомобиль является одной областей их использования. Иногда бывает важно провести анализ газовой смеси (рис. 7).

Рисунок 7 – Выхлопы автомобильного транспорта

Смеси газов анализируют с целью выявления качественного и количественного состава. Такая процедура носит название газового анализа. Автомобильные газоанализаторы – это приборы, с помощью которых и выполняется газовый анализ. По типу действия приборы делятся на: ручные и автоматические. Если говорить и газоанализаторах ручного принципа действия, то нельзя не упомянуть о химических абсорбированных. Их принцип действия основан на том, что различные составляющие смеси газа создают реакцию с разными реагентами.

Изменить любую физическую характеристику смеси газа вы сможете, применив автоматический газоанализатор. Они то и являются в наше время самыми распространенными. Автоматические автомобильные газоанализаторы имеют различных принцип действия, по которому они делятся на три группы. Об этих группах расскажем подробнее.

К первой группе относятся приборы, которые в своей работе основываются на физических методах анализа с использованием вспомогательных химических реакций. Благодаря химической реакции отдельных компонентов смеси, можно определить изменение ее объема или давления.

Ко второй группе относятся приборы, которые в своей основе имеют е методы анализа и дополнительные физико‑химические процессы. К последним можно отнести термохимические, электрохимические и многие другие. Суть протекания термохимического процесса основывается на измерении теплового эффекта, который является результатом горения газа. Электрохимические процессы дают возможность выявить процент концентрации газа в смеси. На это указывает электрическая проводимость электролита, меняющаяся после того, как он поглотил газ.

К третьей группе относятся приборы, действие которых базируется исключительно на физических методах анализа. Самые распространенные их них это оптические и термомагнитные. Газоанализаторы, в основе которых лежит оптический метод анализа, измеряют спектры поглощения и испускания смеси газа, а также оптическую плотность [5]. Термомагнитный метод анализа используется для того, чтобы определить концентрацию кислорода, который имеют большую магнитную восприимчивость.

Какой бы автомобильный газоанализатор не выбрали, в нем непременно найдется большое количество, как достоинств, так и недостатков. Говорить о них можно часами, поэтому, я опущу этот момент в своей статье. Сегодняшние производители данных устройств не отдают свои предпочтения какому‑то одному типу. Они стараются в равной мере осуществлять и поддерживать выпуск газоанализаторов, которые работают на различных методах анализа газа. Однако, не всё зависит от производителя. И если есть предложение, не факт, что будет спрос. Конечно, слово всегда будет за потребителем. И лучшим доказательством этого является тот факт, что самыми распространёнными среди всех автомобильных газоанализаторов, являются электрохимические. Залогом их успеха являются три фактора: дешевизна, универсальность и простота. Поскольку это устройство самое распространённое, не лишним будет назвать и его негативные стороны. К главной из них относится невысокая точность измерения. Также стоит отметить, что поскольку газоанализатор работает в среде агрессивных смесей, это негативно сказывается на его чувствительных элементах. Срок их службы невелик.

Приборы, которые осуществляют газовый анализ, могут классифицироваться по пяти признакам: функциональная возможность, конструктивное исполнение, количество измеряемых компонентов, количество каналов измерения и согласно назначению. Согласно возможностей своего функционала, приборы, анализирующие газовые смеси, делятся на: газоанализаторы, сигнализаторы, течеискатели, индикаторы. По конструкции они бывают переносные, портативные и стационарные. Приборы, занимающиеся анализом газа, могут изменять как несколько компонентов, так и один. Измерение может проходить несколькими или одним каналом.

Назначение данных приборов также бывает разным. Некоторые из них используются для обеспечения безопасной работы, другие контролируют технологические процессы, третья группа осуществляет контроль промышленного выброса, четвёртая – выхлопных газов, а пятая следит за экологическим контролем.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение – декабрь 2014 года.

Список используемых источников

1. Сигал, И. А. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива / И. Я. Сигал. – Л.: Недра, Ленинградское отделение, 1985.
2. Беспамятнов, Г. П. Предельно допустимые концентрации веществ в воздухе и воде / Г. П. Беспамятнов. – Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1975.
3. Немец, В. М. Спектральный анализ неорганических газов / В. М. Немец. – Л.: Химия, 1988.
4. Берлянд, М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии загрязнения атмосферы / М. Е. Берлянд. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
5. Бреслер, П. И. Оптико-акустическое явление в видимой и ультрафиолетовой областях спектра и его связь с фотохимическим процессами в газах. Оптика и спектроскопия. / П. И. Бреслер, Б. Н. Рузин, 1960.