Aerosoly (FSI-IAE)

Akademický rok 2022/2023
Garant: doc. Ing. František Lízal, Ph.D.  
Garantující pracoviště: EÚ všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem studia je seznámit se s aerosoly a technologiemi s nimi spojenými, osvojit si matematicko-fyzikální aparát vytvořený k popisu jejich vlastností a chování, a pochopit základy měřicí techniky v oblasti aerosolů.
Výstupy studia a kompetence:
Znalosti v oblasti generování či dispergování částic pro technické účely, měření a charakterizace aerosolů. Studenti by měli být schopni na základě matematických výpočtů stanovit usazovací rychlosti různých typů částic a předpovědět chování aerosolů v daném prostředí. Budou také znát zdravotní a environmentální rizika a bezpečnostní zásady nakládání s aerosoly.
Prerekvizity:
Matematika, Fyzika, Termomechanika
Obsah předmětu (anotace):
Aerosol je definován jako směs plynu a pevných nebo kapalných částic. Aerosoly bývají stabilní v rozsahu několika sekund až několika let. Rozsah velikostí částic je od 2 nm do více než 100 µm. Bez aerosolů, které slouží jako nukleační jádra, by nebylo deště, aerosoly jsou produktem trysek a mnoha dalších technologických procesů. S každým nádechem vstupují do plic miliony částic.
Předmět aerosoly se zabývá popisem chování aerosolů, jejich vznikem a měřením. Studenti jsou seznámeni s fyzikálními mechanismy, které působí při transportu částic jak atmosféře, tak ve vnitřním prostředí a s principy filtrace částic. V neposlední řadě je věnována pozornost zdravotním důsledkům působení aerosolů.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení má charakter kontrolovaného výpočtu jednotlivých praktických příkladů, jejichž cílem je prohloubit porozumění teoretickým principům předloženým během přednášek.
Způsob a kritéria hodnocení:
Písemná a ústní zkouška s důrazem na teorii i řešení praktických příkladů.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Kontrolovaná účast na cvičeních, v případě omluvené absence výpočet náhradních příkladů. Vypracovat test během semestru.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 1 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 1 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška Úvod do studia aerosolů (definice, matematický popis charakteristik aerosolů), vlastnosti plynů a částic (kinetická teorie plynů, střední molekulová rychlost, střední volná dráha, Reynoldsovo číslo, měření rychlosti, průtoku a tlaku).
Fyzikální zákony pohybu částic ve vznosu (Newtonův zákon odporu, Stokesův zákon, usazovací rychlost, korekce na skluz, nesférické částice, aerodynamický průměr, usazování v podmínkách turbulentního a promíchávaného proudění, relaxační čas, brzdná dráha částic, pohyb po zakřivené dráze, impaktory, time-of-flight přístroje).
Statistický popis velikostní distribuce částic (velikostní rozdělení, momenty, lognormální rozdělení, Hatch-Choateovy vzorce).
Přitažlivé síly mezi částicemi (přitažlivé síly a odtrhávání částic, resuspenze, odraz částic), Brownův pohyb a difúze (difúzní koeficient, střední volná dráha částic, Fickův zákon a difúzní tok difúzní baterie), termoforéza.
Filtrace (makroskopické vlastnosti filtrů, účinnost jednoho vlákna, depoziční mechanismy, účinnost filtru, tlaková ztráta filtru, membránové filtry).
Vzorkování a měření koncentrace částic (izokinetické vzorkování, vzorkování z klidného vzduchu, transportní ztráty, měření hmotnostní koncentrace, přístroje s okamžitým odečítáním hodnoty, měření početní koncentrace).
Koagulace (monodisperzní, polydisperzní a kinematická koagulace), kondenzace a evaporace (Kelvinův efekt, homogenní a heterogenní nukleace, kondenzační růst, kondenzační čítače částic).
Atmosférické aerosoly (přirozeně vznikající aerosoly, pozaďová koncentrace, antropogenické aerosoly, globální účinky).
Elektrické vlastnosti aerosolů (elektrické pole a mobilita, nabíjení částic, koronový výboj, rovnovážné rozdělení náboje, precipitátory, měření pomocí elektrických účinků).
Optické vlastnosti aerosolů (absorpce a odraz záření, viditelnost, optické měření aerosolů), bioaerosoly a vláknité aerosoly; výbušnost aerosolů.
Měření pomocí mikroskopů, příprava testovacích aerosolů (atomizace kapalin, disperze pevných částic, kondenzační metody).
Aerosoly ve vnitřním prostředí (zdroje a resuspenze, průběh koncentrace v čase), depozice částic v dýchacích cestách (mechanismy transportu a depozice aerosolů, účinky na lidské zdraví).
    Cvičení s počítačovou podporou Výpočty v oblastech:
Úvod (matematický popis charakteristik aerosolů), vlastnosti plynů a částic (střední molekulová rychlost, střední volná dráha, Reynoldsovo číslo, rychlost, průtok a tlak).
Fyzikální zákony pohybu částic ve vznosu (Newtonův zákon odporu, Stokesův zákon, usazovací rychlost, korekce na skluz, aerodynamický průměr, usazování v podmínkách turbulentního a promíchávaného proudění, relaxační čas, brzdná dráha částic).
Statistický popis velikostní distribuce částic (velikostní rozdělení, momenty, lognormální rozdělení, Hatch-Choateovy vzorce).
Přitažlivé síly mezi částicemi (resuspenze, odraz částic), Brownův pohyb a difúze (difúzní koeficient, střední volná dráha částic, Fickův zákon a difúzní tok difúzní baterie).
Filtrace (účinnost jednoho vlákna, účinnost filtru, tlaková ztráta filtru).
Vzorkování a měření koncentrace částic (transportní ztráty, hmotnostní koncentrace, početní koncentrace).
Koagulace (monodisperzní, polydisperzní a kinematická koagulace), kondenzace a evaporace (Kelvinův efekt, homogenní a heterogenní nukleace, kondenzační růst).
Atmosférické aerosoly (pozaďová koncentrace, antropogenické aerosoly, globální účinky).
Elektrické vlastnosti aerosolů (elektrické pole a mobilita, nabíjení částic, koronový výboj, rovnovážné rozdělení náboje, precipitátory).
Optické vlastnosti aerosolů (absorpce a odraz záření, viditelnost, optické měření aerosolů).
Měření pomocí mikroskopů, příprava testovacích aerosolů (atomizace kapalin, disperze pevných částic, kondenzační metody).
Aerosoly ve vnitřním prostředí (zdroje a resuspenze, průběh koncentrace v čase), depozice částic v dýchacích cestách (mechanismy transportu a depozice aerosolů).
Literatura - základní:
1. HINDS, W. C. Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. New York: Wiley, 1999, 483 p., ISBN 0-471-19410-7.
Literatura - doporučená:
2. KULKARNI, P., BARON P. A., WILLEKE, K. Aerosol measurement: principles, techniques, and applications. Hoboken, N.J.: Wiley, 2011, 883 p, ISBN 978-0-470-38741-2.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 3 Povinný 1 1 L
N-ETI-P prezenční studium TEP Technika prostředí -- zá,zk 3 Povinný 2 2 L