КАСКАДНЫЙ ИМПАКТОР Российский патент 2004 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к устройствам для дисперсного анализа аэрозолей и может быть использовано в промышленности, для санитарно-гигиенической оценки воздушной среды, для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Известен многоступенчатый односопельный импактор (Авторское свидетельство СССР №781664), обеспечивающий возможность многоцикловой работы без разборки импактора при полной фильтрации воздуха в каждом цикле пробоотбора. К недостаткам этой конструкции следует отнести высокую сложность. Кроме того, наличие только одного разгонного сопла в конструкции ступени приводит к низкой пылеемкости импактора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является импактор (WO №02/21104), имеющий более простую и дешевую конструкцию. В данном случае за счет увеличения количества разгонных сопел достигается высокая пылеемкость, равномерное распределение пробы по поверхности коллектора, что дает возможность минимизировать погрешность определения активности. Однако к недостаткам этого устройства следует отнести сложную форму сопельных пластин и неудачное расположение отверстий в сопельной части каскада, т.к. при таком расположении скорость потока на выходе из отверстий различна и частицы аэрозоля с одинаковыми аэродинамическими диаметрами будут двигаться с различными скоростями, что приведет к ошибке в определении дисперсного состава аэрозоля. В устройстве предусмотрено использование специальных пленок, но требования, предъявляемые к качеству пленок, существенно сужают круг материалов, которые могут быть применены для их изготовления. К технологическим недостаткам устройства можно отнести необходимость сборки-разборки импактора для изъятия пленок, поскольку при частой смене пленок временные затраты на сборку-разборку станут сопоставимы со временем отбора проб.

Целью изобретения является создание эффективного, компактного и дешевого каскадного импактора, позволяющего оперативно проводить анализ активности фракций аэрозоля с использованием стандартных радиометрических приборов. Для достижения поставленной цели предлагается каскадный импактор, каскадные элементы которого размещены в пробоотборной корзине, что позволяет производить оперативную замену каскадных элементов без изъятия импактора из технологических пространств, герметичных боксов и пробоотборных линий и практически ликвидировать время технологического простоя. Пробоотборная корзина представляет собой полый цилиндр, открытый сверху и имеющий крестовину для фиксации фильтра и каскадных элементов снизу. Пробоотборная корзина имеет две выемками по боковым стенкам для удобства установки каскадных элементов. Использование в конструкции коллекторных пластин специальной формы позволяет проводить анализ активности фракций аэрозоля с применением стандартных радиометрических приборов. Коллекторные пластины имеют форму тонких плоских дисков, в центре которых имеется круглое отверстие для прохождения воздушного потока на следующий каскадный элемент или фильтр. Геометрические размеры коллекторных пластин позволяют устанавливать их в держатели стандартных радиометрических приборов. Сопельные пластины представляют собой плоские диски с сопельными отверстиями, расположенными радиально по нескольким концентрическим окружностям. Многосопельность способствует равномерному распределению осажденных аэрозольных частиц по поверхности коллекторных пластин всех каскадных элементов. Кроме того, диаметр сопельного отверстия на сопельной пластине не превышает толщины сопельной пластины, что повышает избирательность каждого каскадного элемента к размеру осаждаемых аэрозольных частиц. При этом повышается точность определения АМАД (активностный медианный аэродинамический диаметр).

Импактор позволяет также проводить измерение дисперсного состава аэрозоля, который предварительно был пропущен через средство индивидуальной защиты органов дыхания. Оценивая изменение дисперсного состава и общее количество аэрозолей при прохождении воздушного потока через СИЗ, можно оценить эффективность СИЗ по отношению к радиоактивным аэрозолям в зависимости от их размеров.

На фиг.1 изображен каскадный импактор в разрезе, общий вид; на фиг.2 -принцип инерционного осаждения частиц (фрагмент ступени каскадного импактора); на фиг.3 - схема компоновки пробоотборной корзины; на фиг.4 - схема стенда для проверки работоспособности импактора; на фиг.5 - функция распределения активности по аэродинамическим диаметрам; на фиг.6 - пробоотборная корзина.

Предлагаемый каскадный импактор состоит из следующих элементов: нижней части корпуса 1, верхней части корпуса 2, пробоотборной корзины 3 и каскадных элементов, особенностью первого каскадного элемента является использование верхней части корпуса 2 в качестве сопла первого каскадного элемента. Коллектором первого каскадного элемента является сопельная пластина 4 второго каскадного элемента. Последующие каскадные элементы импактора состоят из 3-х основных частей: сопельной пластины 5, коллекторной пластины 6 и разделительного кольца 7. Последний каскадный элемент представляет собой фильтр 8 (АФА-РМП-20, ОСТ 95.10052-84). К верхней части корпуса 2 посредством резьбового соединения может присоединяется штуцер 9, обе части корпуса соединяются при помощи крепежных винтов 10, для уплотнения используются прокладки 11, 12 и 13.

Устройство работает следующим образом: воздух, содержащий аэрозольные частицы, поступает в импактор через штуцер 9, в случае отбора проб из замкнутых технологических пространств, герметичных боксов, или сразу через сопло первого каскадного элемента верхней части корпуса 2 и формируется в поток с заданными пространственно-скоростными параметрами. Попадая внутрь импактора, частицы аэрозоля движутся вместе с воздушным потоком с линейной скоростью, задаваемой размерами и количеством сопельных отверстий. Резкое изменение направления движения потока после прохождения потоком сопельных отверстий приводит к тому, что в силу своей инерции более массивные частицы не успевают изменить направление своего движения и осаждаются в вязком веществе, покрывающем коллекторную пластину. Аэродинамический диаметр для частиц, вероятность осесть которых на коллекторной пластине равна 50%, называется эффективным диаметром разделения (1).

где D₅₀ - эффективный диаметр разделения, см;

μ - кинематическая вязкость, г/см·с;

а - диаметр сопла, см;

ρ_ч - плотность частиц аэрозоля, г/см³;

V - линейная скорость движения частиц в сопле, см/с;

С_с - поправка Канненгема ≥1.

Вследствие этого частицы, имеющие аэродинамический диаметр больше эффективного диаметра разделения, стремясь продолжить движение в прежнем направлении, будут соударяться с поверхностью коллекторных пластин 6 и осядут на них, а остальные частицы будут уноситься воздушным потоком через центральное отверстие в коллекторной пластине на следующий каскадный элемент. На фиг.2 схематически изображен фрагмент каскадного элемента импактора. Собирая последовательно несколько каскадных элементов с уменьшающимся эффективным диаметром разделения и измеряя активность или массу частиц, осевших на коллекторных пластинах 6, получают распределение частиц по аэродинамическим диаметрам.

Пример

Для измерения дисперсного состава аэрозоля, основными характеристиками которого являются АМАД и β_g (стандартное геометрическое отклонение), действуют следующим образом: производят компоновку пробоотборной корзины 3 в соответствии со схемой на фиг.3, предварительно нанеся на поверхности коллекторных пластин 6 вязкое вещество (ЦИАТИМ-221, ГОСТ 9433-80); помещают пробоотборную корзину 3 в нижнюю часть корпуса 1 и соединяют ее с верхней частью корпуса 2 при помощи крепежных винтов 10. Побудителем расхода устанавливают объемную скорость прокачки воздушного потока через импактор, равную 20 л/мин. Проверяют перепад давления на каскадном импакторе, используя стенд, схема которого представлена на фиг.4 (14 - входной ротаметр, 15 - каскадный импактор, 16 - выходной ротаметр, 17 - дифференциальный манометр, 18 - вентиль, 19 - побудитель расхода), перепад давления находится в диапазоне от 210 до 230 мм. вод. ст., каскадный импактор готов к работе. Отсоединяют импактор 15 с ротаметром 16 от схемы и устанавливают их на месте пробоотбора, присоединив к побудителю расхода с вентилем на входе. Пробоотбор производят в течение 3 часов (для данного примера). Затем по окончании отбора разбирают каскадный импактор и вынимают пробоотборную корзину. Коллекторные пластины изымают, не нарушая смазанных поверхностей. Для измерения активности коллекторные пластины устанавливают поочередно в держатель радиометра УРФ-1 и производят измерение активности. Результаты заносят в таблицу. По данным таблицы строят график (фиг.5). Если через полученные точки можно провести прямую линию, то рассматриваемое распределение является логарифмически нормальным (как правило, вид распределения в подавляющем большинстве случаев логарифмически нормальный, но если распределение не является логарифмически нормальным, то необходимо построение гистограммы плотности распределения в соответствии с БВАП.408699.002 РЭ).

В этом случае значение АМАД соответствует диаметру D₅₀, при котором f(D₅₀)=50%, a β_g - это отношение диаметров D₈₄/D₅₀. Таким образом, по графику АМАД = 2,3 мкм, при этом β_g=2,82.

Использование для дисперсного анализа аэрозолей в промышленности для санитарно-гигиенической оценки воздушной среды, а также для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания. Сущность: каскадный импактор содержит корпус и каскадные элементы, размещенные в пробоотборной корзине. В качестве сопла первого каскадного элемента используется верхняя часть корпуса, к которой посредством резьбового соединения присоединен штуцер коллектором первого каскадного элемента является сопельная пластина второго каскадного элемента. Каждый последующий каскадный элемент выполнен в виде сопельной пластины, коллекторной пластины с нанесенным на ее поверхность вязким веществом и разделительного кольца. В качестве последнего каскадного элемента используют фильтр. Технический результат изобретения заключается в создании эффективного, компактного и дешевого каскадного импактора. 6 ил., 1 табл.

Каскадный импактор, содержащий корпус и каскадные элементы, отличающийся тем, что в качестве сопла первого каскадного элемента используется верхняя часть корпуса, к которой посредством резьбового соединения присоединяется штуцер, коллектором первого каскадного элемента является сопельная пластина второго каскадного элемента, каждый последующий каскадный элемент выполнен в виде сопельной пластины, коллекторной пластины с нанесенным на ее поверхность вязким веществом и разделительного кольца, в качестве последнего каскадного элемента используется фильтр, при этом каскадные элементы расположены в пробоотборной корзине, размещенной в корпусе.