CN105510089A - 一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器 - Google Patents

一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器 Download PDF

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叶勇军
代鑫涛
丁德馨
肖德涛
张宇轩
张运锋
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Abstract

本发明涉及一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器。在进气管及出气管的管壁沿长度方向均匀间距位置开螺旋式分布气孔的方法，合理设计各个气孔的尺寸确保气体流量大小相等，使得采样得到的氡浓度值能够代表整个集氡罩内氡浓度的平均值。进气管和出气管上的各个气孔的高度和气体流出角度不同，气体流出进气管的气孔（或流进出气管的气孔）时，对氡收集器内的气体产生搅拌混合的作用，增加了气体的扰动的范围和强度，加速了氡气的混合，减少了使用传统氡收集器时机械搅拌方式产生的能源浪费，简化了传统氡收集器的制作复杂程度，使得该新型氡收集器更加方便在野外环境中使用。

Description

一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器
技术领域
本发明涉及一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器。
背景技术
氡是由镭、钍衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，易溶于水、血液和油脂中。氡的吸附能力很强，可以被松散多孔介质吸收。环境中氡主要来源于以下三个方面：一是含有铀、镭、钍的土壤和岩石中高浓度氡的释放；二是含镭建筑材料中释放的氡，如花岗岩、砖沙、水泥及石膏之类，特别是含有放射性元素的天然石材，极易释放出氡；此外地下水及用于取暖和厨房设备的天然气中也会释放少量的氡。
常温下氡及其子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气，很容易被呼吸***截留，并在局部区域不断累积。上世纪80年代，美国***宣布，氡是肺癌的第二大诱因。我国也存在着严重的氡污染问题。据不完全统计，我国每年因氡致肺癌为50000例以上。因此，氡已被国际癌症研究机构列入室内重要致癌物质，排在世界卫生组织所确认的三类人类致癌物中的第一类物质当中。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所工作人员在经过长达9年的调查研究之后，得出氡污染所造成的肺癌危险度指数：0.19。它意味着当室内空气中氡浓度每增加100Bq/m3时，在这种环境里居住的人患肺癌的几率就会增加19％。为此，如何准确地测量环境中氡浓度和介质表面的氡析出率，对科学开展氡防护设计显得非常重要。
介质表面氡析出率的测量方法主要有静态法、动态法以及吸附法等三大类。在静态法和动态法这两类氡析出率的测量方法中，氡收集器得到了广泛应用。在常温下，氡在空气中的扩散速度仅为1.05×10-5m2/s。对于静态法，高氡析出率介质的累积时间一般为5min～15min左右。在如此短的累积时间内，从介质表面析出的氡未能在收集器内得到充分扩散混合，导致氡收集器内的氡混合不均匀，在收集器内出现氡浓度分布分层的现象，靠近介质表面的氡浓度值很高，靠近氡收集器顶部的氡浓度值较低；由于收集器的进（出）气口只布置在氡收集器内某一高度位置，使得采样得到的氡浓度并不能代表整个氡收集器内氡浓度值的平均水平，从而影响了氡析出率测量结果的准确性。对于动态法，容易在进出气口之间形成贯穿气流，也存在析出的氡气难以收集器内得到有效均匀混合的问题。同时，现有的氡收集器采用单一进出气孔，且采样孔的孔径较小，流进和流出的气流速度较大，出气口的射流容易造成介质表层孔隙气体的扰动，造成氡析出率测量值与实际状态值存在偏差。
现有技术CN104614753A等的技术方案，在氡收集器中使用了风扇搅拌的方式。虽然这种方法能够解决集氡罩内氡浓度分布不均的问题，但在实际应用中，存在以下问题：1）风扇搅拌气流作用下，不仅增强了介质表层孔隙气体的扰动，而且也增大了罩内外气体的静压差，导致孔隙渗透效果好的介质内存在明显的气体渗流，增大了氡析出率测量值与实际状态值的偏差；2）增加了设备成本以及电能供应等运行成本。
因此，有必要提供一种新型氡收集器，以解决传统氡收集器所存在的问题。
发明内容
本发明所要解决的问题在于提供一种依据通风工程空气流动理论，在进气管（2）和出气管（3）管壁沿壳体（1）内的空间净高度方向上均匀位置开螺旋式分布气孔的方法，解决使用传统氡收集器采样得到的氡浓度值与氡收集器内氡浓度平均值两者相差较大的难题。采用密封进气管（2）和出气管（3）底部、在进气管（2）和出气管（3）的管壁沿壳体（1）内的空间净高度方向上均匀位置开螺旋式分布气孔的方法，避免在采样时介质表面受到较大扰动，以及避免在进气孔和出气孔之间形成贯穿气流。
采用如下技术方案：
一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器，包括壳体（1）、进气管（2）以及出气管（3），其中进气管（2）和出气管（3）位于壳体（1）内部；
所述的进气管及出气管管壁上分别开有（=3~5）个气孔，依据通风工程空气流动理论中关于等截面均匀送风管道的设计理论，设计（=3~5）个气孔的尺寸以满足各个孔口的进气量或出气量相等的要求；
所述进气管（2）和出气管（3）管壁上的气孔成螺旋式分布，且沿壳体（1）内的空间净高度方向上气孔间距均匀。
所述进气管（2）和出气管（3）底部采用密封的方式，避免气体进出时直接对介质表面造成扰动，以及避免在进气孔和出气孔之间形成贯穿气流。
所述进气管（2）和出气管（3）管壁有一定厚度，在管的横截面上，各个气孔均匀分布在管的圆周上，且开凿方向与管径方向成一角度。
由于出气管（3）管壁上的气孔沿壳体（1）内的净空间高度方向上气孔间距均匀，各个孔口的气流量大小相等，使氡收集器内不同高度的气体通过气孔进入出气管（3）中，确保了取气的均匀性。
由于进气管（2）（出气管（3））上的各个气孔高度和气体流出角度不同，气体流出进气管（2）的气孔（或流进出气管（3）的气孔）时，对氡收集器内的气体产生搅拌混合的作用，增加了气体的扰动的范围和强度，加速了氡气的混合。
所述气孔开孔间距具体计算如下：如附图1和附图2所示，对各个开孔依次编号为①、②、③、④等。各个开孔在进气管（2）和出气管（3）上沿壳体（1）内的空间净高度方向上呈均匀分布。
各个开孔中心之间的间距可按照下式计算：
（1）
式中，L为各个开孔中心之间的距离，单位m；n为开孔数目；H为壳体（1）内的净空间高度，单位m。
进气管（2）和出气管（3）上部开孔①的中心到壳体（1）顶部的距离为L/2，底部开孔④的中心到介质表面的距离也为L/2，确保了取气或进气的均匀性。
所述气孔开孔面积（或半径）具体计算如下：
其中①号孔面积的计算公式为：
（2）
其中，为第①号开孔的面积，单位m2；为进气管或出气管管道断面的风量，单位m3/s；为管壁开孔的数量；是各个开孔的最大出流速度，单位m/s。
考虑到个开孔空气流量的一致性，第i（≥i≥2）号开孔面积可由公式（2）计算
，≥i≥2（3）
其中，μ为孔口的流量系数，对于内壁光滑的塑料管材，一般取0.63；为管道的沿程阻力系数，查莫迪图可得一般取0.02；为进气管（2）和出气管（3）管道的断面面积，单位m2，可按照计算；为进气管（2）和出气管（3）管道直径，单位m；为进气管（2）和出气管（3）的管道长度，单位m。
本发明的优点在于：
1.该氡收集器整体结构简单，利用通风工程空气流动理论，合理设置各个进气管或出气管管壁所开气孔的尺寸，保证各个气孔的气体流量大小相等；同时如附图1和2所示，各气孔沿壳体（1）内的空间净高度方向上呈均匀布置，氡收集器内不同高度的气体通过气孔进入出气管（3）中，确保了取气或进气的均匀性，使得采样得到的氡浓度值能够代表整个集氡罩内氡浓度的平均值，解决了使用传统氡收集器时，氡收集器内氡浓度混合不均以及浓度分层导致的采样气体的不可靠性，有效提高氡浓度测量结果的准确性。
2.由于进气管（2）（出气管（3））上的各个气孔高度和气体流出角度不同，气体流出进气管（2）的气孔（或流进出气管（3）的气孔）时，对氡收集器内的气体产生搅拌混合的作用，增加了气体的扰动的范围和强度，加速了氡气的混合，减少了使用传统氡收集器时机械搅拌方式产生的能源浪费，简化了传统氡收集器的制作复杂程度，使得该新型氡收集器更加方便在野外环境中使用。
3.进气管和出气管底部密封，解决了传统氡收集器存在的采样气管气体进出时直接对介质表面造成的扰动，以及避免在进气孔和出气孔之间形成贯穿气流的缺陷，减小了实验误差。
附图说明
图1为本发明的结构示意图1；
图中，1-壳体；2-进气管；3-出气管。
图2为本发明的结构示意图2；
图中，1-壳体；2-进气管；3-出气管。
图3为本发明进气管开孔的管道横截面示意图。
具体实施方式
通过具体实施实例对本发明作进一步的说明。
如附图1和2所示，一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器，其包括壳体（1），位于壳体中的进气管（2）和出气管（3）。
在本设计实例中，氡收集器设计尺寸为0.40m×0.20m×0.13m。进气管（2）和出气管（3）在氡收集器内的长度l=0.12m。进气管（2）和出气管（3）管道断面直径d=1×10-2m。进气管（2）和出气管（3）在氡收集器中对称布置。
考虑到该收集器的制作复杂程度和实际使用效果的准确性，若开孔过多会使得制作工艺太过复杂，开孔过少难以保证氡收集器各个高度的气体均能得到采集。因此在保证采样结果准确度的条件下，对于该设计尺寸来说，此处选择在进气管（2）和出气管（3）上开4个孔。从进气管（2）和出气管（3）底部开始，对这4个孔依次编号为④、③、②、①，如附图3所示。
这4个孔在进气管（2）和出气管（3）沿壳体（1）内的空间净高度方向上呈均匀分布。
各个开孔中心之间的间距可按照下式计算：
（1）
式中，L为各个开孔中心之间的距离，单位m；n为开孔数目；H为图1和图2所示的壳体（1）内的净空间高度，单位m。
如附图1所示，此实例设计中，壳体（1）内的净空间高度H为0.12m，开孔数目为4个，因此，各个开孔中心之间的距离L为0.03m。进气管（2）和出气管（3）④号孔中心位置到介质表面的距离为L/2，即0.015m；进气管（2）和出气管（3）①号孔中心位置到壳体（1）顶部的距离为L/2，即0.015m，确保了取气的均匀性。
依据通风工程理论，对于等截面的均匀送风管道来说，①号孔面积的计算公式为
（2）
式中，为第①号开孔的面积，单位m2；为进气管（2）和出气管（3）管道断面的风量，单位m3/s；为管壁开孔的数量；是各个开孔的最大出流速度，单位m/s。
设计中使用RAD7对氡收集器内的气体进行采样测量。RAD7空气流量为1L/min，因此，断面的送风量=1.67×10-5m3/s。考虑到4个开孔空气流量的一致性，各个开孔的最大风流量为4.17×10-6m3/s，假设开孔的最大出流速度=1.67×10-1m/s。
第i（i≥2）号开孔面积可由公式（2）计算。
（i≥2）（3）
其中，μ为孔口的流量系数，对于内壁光滑的塑料管材，一般取0.63；为管道的沿程阻力系数，查莫迪图可得一般取0.02；为进气管（2）和出气管（3）管道的断面面积，可按照计算，单位m2；为进气管（2）和出气管（3）管道直径，单位m；为进气管（2）和出气管（3）管道长度，单位m。
按照式（2）和式（3），可得四个孔口的面积和开孔半径r如下表所示。
开孔编号 ① ② ③ ④
开孔面积（m2） 2.50×10-5 2.50×10-5 2.50×10-5 2.50×10-5
开孔半径r（m） 2.83×10-3 2.83×10-3 2.83×10-3 2.83×10-3
由此可得，对于测氡仪器的空气流量来说，由于其空气流量很小，因此开孔半径保持一致即可满足各个开孔的空气流量大小一致的要求。在此取r为3mm，从而实现采样时氡收集器内各个高度的气体能得到同等量的采集，使得采样得到的氡浓度值能够代表整个集氡罩内氡浓度值的平均水平。

Claims (2)

1.一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器，包括进气管（2）、出气管（3）以及壳体（1），其中进气管（2）及出气管（3）位于壳体（1）内部，其特征在于，
所述进气管（2）和出气管（3）管壁上分别开有个气孔，=3～5，
所述气孔在管壁上成螺旋式分布，且沿壳体（1）内的空间净高度方向上气孔间距均匀
所述进气管（2）及出气管（3）底部采用密封的方式，避免气体进出时直接对介质表面造成的扰动，以及避免在进气孔和出气孔之间形成贯穿气流，
所述进气管（2）及出气管（3）管壁有厚度，在管的横截面上，各个气孔均匀分布在管的圆周上，且开凿方向与管径方向成一角度。
2.根据权利要求1所述的一种带自搅拌和均匀取气功能的氡收集器，其特征在于，所述气孔开孔面积及半径具体计算如下：
①号孔面积的计算公式为
（1）
其中，为第①号开孔的面积，单位m2；为进气管或出气管管道断面的风量，单位m3/s；为管壁开孔的数量；是各个开孔的最大出流速度，单位m/s，
考虑到个开孔空气流量的一致性，第号气孔面积由公式（2）计算，≥≥2，
，≥≥2（2）
其中，μ为孔口的流量系数，对于内壁光滑的塑料管材，一般取0.63；为管道的沿程阻力系数，取0.02；为进气管或出气管管道的断面面积，单位为m2，按照计算；为进气管或出气管管道直径，单位m；为进气管或出气管管道长度，单位m。
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