СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ АЭРОЗОЛЕЙ ИЗ ФАКЕЛА И СТРУИ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВ И ПИРОСОСТАВОВ Российский патент 1995 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к отбору проб аэрозолей из продуктов сгорания при работе двигателей внутреннего сгорания, авиационных двигателей, ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и пиротехнических устройств для исследования дисперсных систем.

Известен способ отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлива и пиросоставов, при котором осуществляют вакуумирование изолированного от анализируемой среды объема, отсос аэрозоля через жаропрочную капиллярную трубку и осаждение в изолированном объеме аэрозольных частиц на подложку при давлении у поверхности подложки 10^-1-10^-3 мм рт.ст. (авторское свидетельство СССР N 1186994, кл. G 01 N 1/22, 1985).

Однако известный способ имеет низкую точность анализа пробы из-за искажения достоверности отобранных проб осредненной пробой в одном сечении или осреднения за время отбора (при неподвижном положении отборника).

Технический результат изобретения состоит в повышении точности анализа пробы и ускорении процесса отбора из факела и струи РДТТ или пиротехнических устройств путем разрешения по времени, концентрациям и размерам частиц для последующего определения распределения частиц по размерам, массовой концентрации, химического состава конденсированных продуктов сгорания.

Для достижения указанного технического результата в способе отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов, при котором осуществляют вакуумирование изолированного от анализируемой среды объема, отсос аэрозоля через жаропрочную капиллярную трубку и осаждение в изолированном объеме аэрозольных частиц на подложку при давлении у поверхности подложки 10^-1-10^-3 мм рт.ст. согласно изобретению перед отсосом аэрозоля жаропрочную капиллярную трубку устанавливают неподвижно в исследуемой точке факела или струи и обеспечивают при отсосе аэрозоля через трубку объемный расход 1-50 см³/с, а при осаждении аэрозольных частиц подложке сообщают осуществляемое в одном направления прерывистое движение, причем время нахождения подложки в неподвижном состоянии не менее чем на порядок превышает время движения подложки.

Выбранные выше параметры определяются в первую очередь следующими физическими соображениями, экспериментально подтвержденными ниже примерами. При расходе двухфазной среды через капилляр меньше 1 см³/с число частиц будет слишком мало для получения достаточной величины осадка на передвигающейся подложке. При расходе более 50 см³/с трудно поддерживать давление разрежения у подложки в необходимом для достоверности осаждения частиц на подложку диапазоне 10^-1-10^-3 мм рт.ст. Это приводит к повышению давления и снижению эффективности осаждения частиц на подложку. Необходимость передвижения рывками обусловлена следующим: при набегании остаточного газового потока с частицами из капилляра на движущуюся подложку обтекающий газовый поток перестает быть симметричным, это приводит к искажению формы осадка, к сложному распределению аэрозолей на подложке, не отвечающему их расположению в потоке, что, в конечном счете, искажает количественные характеристики дисперсного состава аэрозолей. Поэтому необходимо формировать осадок в основном на неподвижную подложку. Из этих соображений, а также из необходимости иметь плотность почернения между основными осадками на уровне 0,1 от основного сигнала (фиг. 1) выбирается указанный прерывистый режим движения подложки. Частота рывков может варьироваться от 1 до 1000 Гц из следующих соображений для малодымной атмосферы, близкой к атмосфере среднего города, частота рывков должна быть около 1 Гц, т.к. при большей частоте лишь относительно незначительное количество аэрозолей распределяется в большое количество точек осадка, и полезный сигнал исчезнет на уровне флуктуаций прозрачности подложки, которые всегда присутствуют в реальном эксперименте. Для дымов, образующихся при горении специальных составов (пиротехнических составов и смесевых твердых ракетных топлив), количество аэрозоля достаточно, даже если частота смены подложки достигает 1000 Гц. В ряде случаев аэрозоля хватило бы для формирования точек осадка и при больших частотах, но технически сложно превысить этот уровень в конкретных устройствах, представленных на фиг. 2, 3.

На фиг. 1 представлена фотометрическая кривая 1 и вид пробы, осаждающейся на поступательно прерывисто перемешающейся подложке. Соотношение плотностей почернения между основным осадком f₁ 2 и следом f₂ 3, образующимся во время передвижения подложки, f₁≥10t₂, приводит к соотношению плотностей почернения ΔН₁ ≥ 10 Δ Н₂, где Δ Н₁ полезный сигнал 4, Δ Н₂ нулевой фон 5.

На фиг. 2 и 3 изображены возможные схемы устройства вакуумного пробоотбора с прерывисто передвигающимися подложками: с поступательным движением подложек (фиг. 2),
с вращательным движением подложек (фиг. 3).

Причем подложки могут представлять собой непрерывную ленту, сплошной диск или отдельные подложки, располагающиеся с определенным шагом, обусловленным работой механизма, передвигающего подложки.

Способ осуществляют следующим образом.

Вакуумируют изолированный от анализируемой среды объем корпус 6. Перед отсосом аэрозоля через жаропрочную капиллярную трубку 7 последнюю устанавливают неподвижно в исследуемой точке факела или струи 8. Исследуемая среда набегает на капиллярную трубку 7, происходят отсос аэрозоля 9 через трубку 7 с обеспечением объемного расхода 1-50 см³/с и осаждение в изолированном объеме аэрозольных частиц на подложку 10 при давлении у поверхности подложки 10^-1-10^-3 мм рт.ст. Осаждение аэрозоля происходит в виде осадка 11 пробы с вероятностью, близкой к единице. Осаждение осуществляют на подложку 10, которой сообщают осуществляемое в одном направлении прерывистое движение, причем время нахождения подложки в неподвижном состоянии не менее чем на порядок превышает время движения подложки. Газ 12 из анализируемой среды, в значительной степени освобожденный от аэрозоля, просасывается через газовод 13.

П р и м е р 1. Когда в качестве дымообразующего состава было взято пиротехническое твердое топливо с 15% алюминия, создающее концентрацию n 10⁸ см^-3 частиц с дисперсностью Д 1000 с расходом через капилляр 0,2 см³/с (меньше 1 см³/c), то не удалось за время 1 с получить необходимое количество осадка на подложке для проведения фотометрических измерений.

П р и м е р 2. При осуществлении отбора продуктов сгорания того же топлива, но с расходом через капилляр 60 см³/с (более 50 см³/с) осадок потерял круговую форму, появились выбросы в виде рукавов, осадок перестал быть однородным, стал похож на "кляксу". Все эти явления были вызваны большим остаточным давлением у подложки.

П р и м е р 3. При отборе продуктов сгорания того же топлива, но с расходом через капилляр 2,10 и 45 см³/с с частотой перемещения подложки 10, 50, 150 Гц получены хорошие симметричные осадки, позволяющие провести количественное фотометрирование.

П р и м е р 4. При передвижении подложки рывками, когда время остановки и время передвижения были равны, получился осадок со слабовыраженным максимумом, что существенно затруднило количественное фотометрирование осадка.

П р и м е р 5. Для аэрозоля с характеристиками по примеру 1 с условиями отбора по примеру 4, но с соотношением времени t_отб 12 t_пер, где t_пер время перемещения подложки при смене позиции, t_отб время отбора; удалось получить количественную фотометрическую кривую с Δ Н₁ > 15 Δ Н₂ (фиг. 1).

Описанный способ отбора дает возможность за один эксперимент произвести развертку во времени представительных достоверных отборов высокодисперсного аэрозоля в диапазонах размеров от 0,01 мкм до нескольких, в т.ч. до десятков, микрометров с высоким разрешением по времени. Становится возможным обеспечение точного измерения дисперсного состава аэрозолей, когда размеры, форма, состав и концентрация произвольны, и когда отсутствует какая-либо априорная информация об аэрозоле; элементного состава аэрозоля; эффективность рассеяния неоднородных, имеющих различные структурные особенности частиц.

Использование: для отбора проб аэрозолей из факела и струи авиационного, ракетного двигателя, пиротехнического устройства и двигателя внутреннего сгорания для последующего их исследования. Сущность изобретения: в способе отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов перед отсосом аэрозоля жаропрочную капиллярную трубку устанавливают неподвижно в исследуемой точке факела или струи. Обеспечивают при отсосе аэрозоля через трубку объемный расход 1-50 см³/с При осаждении аэрозольных частиц подложке сообщают осуществляемое в одном направлении прерывистое движение. Время нахождения подложки в неподвижном состоянии не менее чем на порядок превышает время движения подложки. 3 ил.

СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ АЭРОЗОЛЕЙ ИЗ ФАКЕЛА И СТРУИ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВ И ПИРОСОСТАВОВ, при котором осуществляют вакуумирование изолированного от анализируемой среды объема, отсос аэрозоля через жаропрочную капиллярную трубку и осаждение в изолированном объеме аэрозольных частиц на подложку при давлении у поверхности подложки 10^-1 10^-3 мм рт. ст. отличающийся тем, что перед отсосом аэрозоля жаропрочную капиллярную трубку устанавливают неподвижно в исследуемой точке факела или струи и обеспечивают при отсосе аэрозоля через трубку объемный расход 1 50 см³/с, а при осаждении аэрозольных частиц подложке сообщают в одном направлении прерывистое движение, причем время нахождения подложки в неподвижном состоянии не менее чем на порядок превышает время движения подложки.