УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРОБ АЭРОЗОЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01N15/02 

Устройство относится к контрольно-измерительной технике, в частности к приборам, предназначенным для отбора проб аэрозоля с малыми концентрациями из воздуха, и может быть использовано для исследования состава аэрозоля совместно с любым анализатором аэрозолей. Устройство может быть применено для охраны окружающей среды, в микробиологической промышленности, метеорологии и сельском хозяйстве.

В исследованиях, связанных с охраной окружающей среды, необходимо измерять параметры аэрозоля с очень малыми концентрациями (например, порядка 1 частица/литр). Для того, чтобы набрать достаточное для изучения число частиц нужно отсасывать большой объем воздуха, а для того, чтобы сделать эти частицы доступными изучению, их нужно концентрировать, то есть перемещать в меньший объем воздуха. Кроме того, во многих случаях частицы необходимо разделять на фракции в зависимости от их размера, причем желательно, чтобы пороговый размер разделения частиц можно было менять при постоянном расходе аэрозольного потока. При этом эффективность отбора проб аэрозоля не должна зависеть от направления и скорости ветра, которые в атмосфере постоянно меняются.

Известен концентратор (пат. США N 3731464, МКИ G 01 N 15/02, опубл. 1977 г.), состоящий из цилиндрического корпуса с входным патрубком, приемным патрубком крупной фракции аэрозоля и патрубком для отсоса воздуха. Входной патрубок снабжен коническим ускоряющим соплом и установлен соосно корпусу и приемному патрубку крупной фракции аэрозоля. Аэрозольный поток, поступающий во входной патрубок, ускоряется в коническом сопле и разделяется на два выходящих потока, и благодаря инерции частицы с размером большим некоторого порогового размера попадают в приемный патрубок крупной фракции. Более мелкие частицы выводятся через патрубок для отсоса воздуха. При этом крупная фракция частиц концентрируется, поскольку расход воздуха через приемный патрубок крупной фракции составляет небольшую часть (5 -10%) от полного потока.

Недостатком описанного устройства является малая производительность по аэрозольному потоку, поскольку увеличить поток через сопло с круглым сечением возможно только за счет повышения скорости воздуха или диаметра трубки, что приводит к увеличению числа Рейнольдса и турбулизации потока. Другим недостатком прибора является низкая эффективность разделения частиц, поскольку мелкие частицы, содержащиеся в части потока, отсасываемой в приемный патрубок крупной фракции загрязняют последнюю, значительное количество крупных частиц осаждается в приемном патрубке и на внутренних поверхностях устройства. Кроме того, пороговый размер разделения частиц нельзя изменить при постоянном расходе воздуха через устройство.

Известен также виртуальный импактор (Chein Н. and Lundgren D.A. Virtual Impactor with Clean Air Core. -Aerosol Science and Technology, 18, p.376-388 (1993)), содержащий цилиндрический корпус с соосно установленными коническим ускоряющим соплом, патрубком ввода фильтрованного воздуха и приемной трубкой с патрубком вывода крупной фракции. Кроме того, корпус снабжен патрубками ввода аэрозольного потока и вывода мелкой фракции. Разделение частиц по размеру с одновременным концентрированием крупной фракции происходит так же как и в вышеописанном концентраторе. Однако поскольку соосно ускоряющему соплу и приемной трубке введен поток фильтрованного воздуха, загрязнение крупной фракции мелкими частицами уменьшается. Следовательно, повышается эффективность разделения частиц на фракции.

Недостатком описанного устройства также является малая производительность по аэрозольному потоку и невозможность регулирования порогового размера разделения частиц.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для отбора и концентрирования проб аэрозоля (Патент РФ N 1591642, МПК G 01 N 15/02, опубл. 1993 г.). Устройство содержит цилиндрический корпус с патрубком отсоса воздуха, входной канал, ускоряющее сопло, образованные диском, соосно установленным перед корпусом с зазором относительно его торцевой части, выполненной в виде усеченного конуса с сужением в сторону диска. Внутри корпуса соосно расположена приемная трубка с патрубком для вывода аэрозоля.

Торец приемной трубки расположен на большем расстоянии от диска, чем торец корпуса. Устройство работает следующим образом. Аэрозольный поток засасывается через входной канал, ускоряется и проходит через кольцевой зазор между стенкой корпуса и диском. В процессе пробоотбора 90% от общего потока воздуха отсасывается через кольцевой зазор между внешней поверхностью приемной трубки и внутренней поверхностью корпуса, а остальная часть воздуха отводится через приемную трубку. При этом в приемную трубку попадают частицы, аэродинамический диаметр которых больше некоторого порогового значения, причем их концентрация повышается для указанного соотношения потоков в 10 раз. Кольцевая геометрия входного канала и ускоряющего сопла позволяет масштабировать устройство для повышения расхода аэрозольного потока без турбулизации потока.

Недостатком устройства являются значительные потери частиц вследствие их осаждения на внутренней поверхности стенки трубки и диске. Поскольку основной поток отсасывается не в приемную трубку, а в кольцевой зазор между приемной трубкой и корпусом, течение отрывается от диска, а вблизи центра диска образуется зона возвратного течения, имеющая форму тороидального вихря. Частицы, диаметр которых значительно превышает пороговое значение, не успевают повернуть вместе с потоком воздуха, попадают в вихревое течение вблизи центра диска, после чего оседают на внутренних поверхностях приемной трубки, корпуса или на диске. Другим недостатком прибора является низкая эффективность разделения частиц, поскольку мелкие частицы, содержащиеся в части потока, отсасываемой в приемную трубку, попадают в крупную фракцию. Кроме того, в устройстве не предусмотрена возможность регулирования порогового размера разделения частиц. При пробоотборе биологических частиц может возникнуть необходимость управления составом газовой среды, в которой будет находиться концентрированная фракция аэрозольных частиц. Например, это может быть стерилизованный воздушный поток, поток с контролируемыми физическими характеристиками (температурой, влажностью и т. д.), поток инертного газа для консервации биочастиц. Поскольку в указанном устройстве в приемную трубку отсасывается часть основного аэрозольного потока, возможность изменения газовой среды концентрированного аэрозоля отсутствует.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого устройства для отбора и концентрирования проб аэрозоля, которое обеспечило бы возможность изменять пороговый размер разделения частиц при постоянном расходе аэрозольного потока через устройство и изменять газовую среду концентрированного аэрозоля, а также повышать качество разделения частиц за счет уменьшения потерь частиц на внутренних поверхностях устройства и повышения остроты сепарации частиц.

Указанная задача решается предложенным техническим решением. В устройстве для отбора и концентрирования проб аэрозоля, содержащем цилиндрический корпус с патрубком отсоса воздуха, входной канал, представляющий собой ускоряющее сопло, образованное диском, соосно установленным перед корпусом с зазором относительно его торцевой части, выполненной в виде усеченного конуса с сужением в сторону диска, и приемную трубку с патрубком для вывода аэрозоля, размещенную в корпусе соосно последнему, причем торец приемной трубки расположен на большем расстоянии от диска, чем торец корпуса, согласно изобретению диск соединен с корпусом с помощью механизма для его осевого перемещения. Устройство снабжено узлом формирования газового потока для приема аэрозольных частиц, выходной патрубок которого подсоединен соосно к диску, в котором выполнено осевое отверстие. Внутренний диаметр выходного патрубка узла формирования газового потока больше, чем внутренний диаметр приемной трубки. Торец приемной трубки имеет в сечении аэродинамически обтекаемый профиль.

При сравнении новых признаков предлагаемого устройства с признаками известных технических решений установлено, что в отличие от последних они обладают не известными ранее техническими свойствами, а именно, обеспечивают возможность изменения порогового размера разделения частиц путем изменения ширины входного кольцевого сопла с помощью механизма осевого перемещения, уменьшение потерь частиц на внутренних поверхностях устройства за счет того, что осевой газовый поток для приема аэрозольных частиц устраняет зону возвратного течения между входом в приемную трубку и диском, а также улучшает качество разделения частиц, так как присутствие газового потока для приема аэрозольных частиц уменьшает степень загрязнения концентрированной фракции мелкими частицами и повышает остроту сепарации. Поскольку в приемную трубку всасывается только газовый поток для приема аэрозольных частиц, то в концентрированную фракцию будут попадать только частицы, имеющие достаточную инерцию. При этом частицы концентрированной фракции перейдут из первоначальной газовой среды в специально сформированный газовый поток.

На фиг. 1 представлено в разрезе устройство для отбора и концентрирования проб аэрозолей.

На фиг. 2 приведены результаты расчета поля потока в устройстве-прототипе (без введения в устройство центрального потока для приема аэрозольных частиц).

На фиг. 3 приведены результаты расчета поля потока в предлагаемом устройстве с центральным потоком для приема аэрозольных частиц (фильтрованный воздух).

На фиг. 4 приведены теоретические кривые эффективности концентрирования аэрозоля в устройстве с центральным потоком для приема аэрозольных частиц и без него.

Устройство для отбора и концентрирования проб аэрозолей, содержит цилиндрический корпус 1 с патрубком 2 отсоса воздуха, входной канал 3, представляющий собой ускоряющее сопло, образованное диском 4, соосно установленным перед корпусом с зазором относительно его торцевой части, выполненной в виде полого усеченного конуса с сужением в сторону диска 4. В корпусе 1 соосно последнему размещена приемная трубка 5 с патрубком 6 для вывода аэрозоля. Торец приемной трубки 5 в сечении имеет аэродинамически обтекаемый профиль и расположен на большем расстоянии от диска 4, чем торец корпуса 1. Диск 4 кинематически связан с корпусом 1 посредством механизма 7 его осевого перемещения. Механизм 7 может быть выполнен в виде винтовой пары "винт-гайка".

Кроме того, устройство снабжено узлом 8 формирования газового потока для приема аэрозольных частиц, выходной патрубок 9 которого подсоединен соосно к диску 4, в котором выполнено осевое отверстие 10. Внутренний диаметр выходного патрубка 9 больше, чем внутренний диаметр приемной трубки
Устройство работает следующим образом. Аэрозольный поток засасывается через входной канал 3, ускоряется и проходит через кольцевой зазор между стенкой корпуса 1 и диском 4. Затем аэрозольный поток отсасывается через кольцевой зазор между внешней поверхностью приемной трубки 5 и внутренней поверхностью корпуса 1.

Газовый поток для приема аэрозольных частиц подается в корпус 1 через выходной патрубок 9 узла 8 его формирования и выводится через приемную трубку 5. В приемную трубку 5 попадают частицы, аэродинамический диаметр которых больше некоторого порогового значения, причем их концентрация повышается в соответствии с отношением расходов аэрозольного потока и потока в приемной трубке. С помощью механизма 7 осевого перемещения диска 4 можно регулировать ширину кольцевого входного канала 3, что приводит к изменению скорости потока и порогового размера разделения частиц при постоянном значении расхода аэрозольного потока через устройство. Кольцевая геометрия входного канала 3 позволяет масштабировать устройство для повышения расхода аэрозольного потока без его турбулизации. Газовый поток для приема аэрозольных частиц предотвращает образование застойной зоны и вихря между диском 4 и приемной трубкой 5 и, таким образом, уменьшает осаждение частиц внутри устройства. Введение в корпус 1 осевого газового потока предотвращает попадание в приемную трубку 5 мелких частиц, диаметр которых значительно меньше порогового размера разделения. Таким образом повышается качество разделения частиц на фракции. Узел 8 формирования газового потока для приема аэрозольных частиц в простейшем случае может состоять из патрубка 9, в котором установлен воздушный фильтр 11. В более сложных случаях (например, биологические пробоотборники) узел 8 может выполнять функции подготовки газового состава и контроля его физических параметров.

Для детального исследования процесса функционирования предлагаемого устройства и устройства-прототипа были проведены теоретические расчеты. При этом путем численного решения уравнений Навье-Стокса рассчитывалось поле потока воздуха, а затем вычислялись траектории движения частиц и эффективность разделения. Аналогичные расчеты были проведены для устройства без центрального потока для приема аэрозольных частиц.

Рассчитанное поле потока воздуха в устройстве-прототипе приведено на фиг. 2, а на фиг. 3 представлено рассчитанное поле потока воздуха в предлагаемом устройстве.

В расчетах были использованы следующие параметры:
диаметр приемной трубки - 1 см;
расход аэрозольного потока - 100 л/мин;
расход центрального потока фильтрованного воздуха - 10 л/мин;
расход воздуха через приемную трубку - 10 л/мин;
зазор между диском и торцом корпуса - 0.125 см;
диаметр кольцевой щели - 2 см;
зазор между диском и торцом приемной трубки - 0.375 см;
В отсутствие центрального потока фильтрованного воздуха 10% аэрозольного потока (так же как и в прототипе) выводится в приемную трубку. При этом, как видно на фиг. 2, между диском и входом в приемную трубку образуется тороидальный вихрь (зона возвратного течения). Центральный поток фильтрованного воздуха ликвидирует зону возвратного течения (см. фиг. 3) и, таким образом, уменьшает осаждение частиц на внутренних поверхностях устройства. Внутренний диаметр выходного патрубка узла формирования газового потока для приема аэрозольных частиц выполнен большим, чем внутренний диаметр приемной трубки, а торец приемной трубки в сечении имеет аэродинамически обтекаемый профиль. Это приводит к тому, что основной аэрозольный поток и дополнительный газовый поток для приема аэрозольных частиц стыкуются без образования застойной зоны и вихря в области соприкосновения. Расчеты показали, что если начальный диаметр дополнительного газового потока меньше или равен внутреннему диаметру приемной трубки, основной аэрозольный поток, засасываемый в кольцевую щель, поворачивает в щель между приемной трубкой и корпусом раньше, чем достигнет области соприкосновения с дополнительным газовым потоком и между указанными потоками образуется застойная зона и вихрь, который ухудшает качество разделения частиц.

На фиг. 4 показаны рассчитанные эффективности проскока частиц в приемную трубку в зависимости от их диаметра для устройства с центральным потоком фильтрованного воздуха (кривая 1) и без него (кривая 2). Видно, что наличие центрального потока фильтрованного воздуха предотвращает проскок мелких частиц в приемную трубку крупной фракции и, следовательно, улучшает качество разделения и концентрирования частиц. Кроме того, крутизна кривой 1 выше, чем кривой 2. То есть, острота разделения частиц при введении центрального потока фильтрованного воздуха улучшается. Это является результатом того, что аэрозольный поток не разделяется, а полностью круто поворачивает в зазор между приемной трубкой и стенкой корпуса.

Экспериментальные исследования были проведены на макете устройства при указанных выше геометрических и расходных параметрах с использованием монодисперсных жидких частиц с флюоресцентной меткой, полученных с помощью генератора с вибрирующей диафрагмой. Анализ смывов с различных внутренних поверхностей устройства и фильтров, подсоединенных к выходным патрубкам крупной и мелкой фракций, на спектрофлюориметре позволил определить эффективности разделения частиц и их осаждения внутри устройства. Результаты экспериментов подтверждают повышение качества разделения частиц и уменьшение их осаждения внутри устройства.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к приборам, предназначенным для отбора проб аэрозоля с малыми концентрациями из воздуха и может быть использовано для исследования состава аэрозолей совместно с любым анализатором аэрозолей. Устройство обеспечивает возможность изменения порогового размера разделения частиц при постоянном расходе аэрозольного потока через устройство, повышает качество разделения частиц за счет уменьшения потерь частиц на внутренних поверхностях устройства и повышения остроты сепарации. Устройство содержит цилиндрический корпус с патрубком отсоса воздуха, входной канал, представляющий собой ускоряющее сопло, образованное диском, соосно установленным перед корпусом с зазором относительно его торцевой части, выполненной в виде усеченного конуса с сужением в сторону диска. В корпусе соосно с ним размещена приемная трубка с патрубком для вывода аэрозоля. Торец приемной трубки расположен на большем расстоянии, чем торец корпуса. Диск кинематически связан с корпусом посредством механизма его осевого перемещения. Устройство снабжено узлом формирования газового потока, выходной патрубок которого подсоединен соосно к диску, в котором выполнено осевое отверстие. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для отбора и концентрирования проб аэрозолей, содержащее цилиндрический корпус с патрубком отсоса воздуха, входной канал, представляющий собой ускоряющее сопло, образованное диском, соосно установленным перед корпусом с зазором относительно его торцевой части, выполненной в виде усеченного конуса с сужением в сторону диска, и приемную трубу с патрубками для вывода аэрозоля, размещенную в корпусе соосно с последним, причем торец приемной трубки расположен на большем расстоянии от диска, чем торец корпуса, отличающееся тем, что диск кинематически связан с корпусом посредством механизма осевого перемещения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено узлом формирования газового потока, выходной патрубок которого подсоединен соосно к диску, в котором выполнено осевое отверстие. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренний диаметр выходного патрубка узла формирования газового потока больше, чем внутренний диаметр приемной трубки. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что торец приемной трубки в сечении имеет аэродинамический обтекаемый профиль.