摘要：高温燃烧产生的纳米级细颗粒物占大气PM2.5的比例超过2/3,是雾霾的主要来源.凝聚核粒子计数器(CPC)是一种纳米级颗粒物检测装置,通过让过饱和蒸汽在冷凝段凝结在纳米级细颗粒物表面,使超细颗粒物长大到微米尺寸,再检测颗粒物的数目.传统测试技术只能在常温下采样,无法获得第一手高温源头纳米细颗粒物测量数据.本文依据开尔文成核理论和异质成核理论,对冷凝段进行理论分析,建立相应的两种纳米级细颗粒物凝结长大理论模型,指导开发出适用宽温度范围(0-250°C)进气采样的CPC.由于四点有限差分法具有良好的稳定性与精确性,本文采用四点有限差分法对冷凝段进行数值模拟,分析其计数效率和切割粒径(D50).计数效率和切割粒径(D50)是评价凝聚核粒子计数器性能最重要的两种指标.研究发现,固定冷凝段温度,调节饱和段温度,温度变化对计数效率曲线影响很大.随着饱和器与冷凝器温差增大,计数效率向小粒径方向移动,D50截止粒径减小.当饱和器温度参数设定为220°C、冷凝器温度设定为170°C时,接触角为28°时,异质成核的预测模型与实际计数曲线模型吻合较高.实验计数效率与理论基本吻合.研究发现,提高冷凝器温度,冷凝器温度170°C比130°C自发成核概率低,过饱和度小,并且自发成核概率下降,有利于HT-CPC在高温下工作,考虑到实验误差,截止粒径在很小范围内变动,最小切割粒径D50可达7nm.高温凝聚核粒子计数器对10nm颗粒物的计数效率可达95％.该系统满足国六机动车排放法规新增的纳米颗粒物排放数目浓度的测试标准,同时进气段毛细管加热功能可以实现宽温度采样,除测试高温样气外,也可作为常温不可挥发性细颗粒物计数检测仪器.
