АЭРОЗОЛЬНЫЙ ПРОБООТБОРНИК С РЕЦИРКУЛИРУЮЩЕЙ ЖИДКОСТНОЙ ПЛЕНКОЙ Российский патент 2007 года по МПК G01N1/22 C12M1/26 

Изобретение относится к приборам для определения концентрации вредных загрязнений, которые могут присутствовать в окружающем воздухе, в частности к устройствам для отбора проб аэрозолей и может быть использовано в микробиологической, пищевой, химической промышленности, а также в медицине и сельском хозяйстве.

Многочисленные исследования биоаэрозолей с использованием различных пробоотборников показали, что жидкостные сорбционные приборы обладают рядом преимуществ перед другими, т.к. обеспечивают высокую эффективность улавливания аэрозольных частиц респирабельной фракции и позволяют создавать благоприятные условия для сохранения специфических биологических свойств микроорганизмов при отборе проб.

Известны устройства для микробиологического анализа воздуха, использующие принципы осаждения аэрозольных частиц под действием центробежных сил (циклоны).

Улавливание аэрозольных частиц в этих устройствах происходит на поверхности жидкостной пленки, образующейся на поверхности циклона за счет раскручивания жидкости по внутренней поверхности циклона входным тангенциальным потоком воздуха и диспергирования части жидкости во входном сопле эжекционным способом.

Так, в устройстве по авторскому свидетельству СССР №1275258, опубл. 07.12.1986 использован принцип использования открытого циклона с рециркулирующей жидкостной пленкой для отбора проб биоаэрозолей. Известный из описания к этому авторскому свидетельству пробоотборник содержит корпус с жидкостью, в котором размещен циклон с тангенциально расположенным входным патрубком, открытый сверху и имеющий нижнюю крышку с отверстием. При поступлении воздуха, содержащего исследуемый аэрозоль, через входной патрубок, происходит распределение небольшого количества жидкости, находящейся внутри циклона, по внутренней поверхности в виде жидкостной пленки, которая переливается через верхний край циклона в исходный объем жидкости и вновь поступает в циклон. Улавливание аэрозольных частиц происходит в рециркулирующей жидкостной пленке, а воздух удаляется через выходной патрубок посредством подключенного к нему внешнего средства создания вакуума (вакуумного насоса).

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является пробоотборник прибора Smart Air Sampler System SASS 2000^plus фирмы RESEARCH INTERNATIONAL (http://www.resrchintl.com/pdf/SASS2000-specs-061405.pdf). Данный пробоотборник содержит корпус с заборным патрубком и выходным штуцером, к которому присоединен центробежный вентилятор постоянного тока для прокачки воздуха через устройство. В корпусе расположены: цилиндрическая вихревая камера с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, цилиндрический циклон, основание которого соединено с верхней частью вихревой камеры, кольцевой каплесборник, размещенный в верхней части циклона, распылитель сорбирующей жидкости, сливную трубку для подачи жидкости из каплесборника в распылитель и трубку слива пробы. При работе прибора осуществляется двухступенчатый процесс улавливания аэрозольных частиц в пробоотборнике. Первый основан на взаимодействии двух встречных аэрозольных потоков: входного исследуемого аэродисперсного потока и жидкостного крупнодисперсного потока, создающегося распылителем в вихревой камере. При этом происходит ударное осаждение частиц из первого потока на капельки жидкости второго потока. Второй процесс осаждения осуществляется за счет центробежных сил из вращающегося воздушного потока на рециркулирующую жидкостную пленку на стенке цилиндрического циклона. Для повышения интенсивности осаждения аэрозольных частиц в циклоне его диаметр выполнен меньшим диаметра вихревой камеры.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности улавливания аэрозольных частиц.

Указанная задача решена за счет того, что аэрозольный пробоотборник с рециркулирующей жидкостной пленкой, содержащий корпус с выходным штуцером для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник и заборным патрубком, цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, циклон, основание которого соединено с верхней частью вихревой камеры, кольцевой каплесборник, размещенный в верхней части циклона, распылитель сорбирующей жидкости, сливную трубку для подачи жидкости из каплесборника в распылитель и трубку слива пробы, снабжен накопительным резервуаром для сорбирующей жидкости, который соединен посредством сливной трубки с каплесборником и посредством дополнительно введенной эжекторной трубки с распылителем и к которому подсоединена трубка слива пробы, при этом каплесборник размещен на наружной поверхности циклона, выполненного конической формы с сужающейся верхней частью, а распылитель представляет собой эжектор, выполненный в виде сопла во внутреннем канале заборного патрубка, причем внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с меньшим диаметром со стороны входного конца патрубка, а сопло эжектора расположено на участке внутреннего канала заборного патрубка с большим диаметром в зоне ступенчатого изменения его диаметра.

Сопло эжектора выполнено в виде отверстия в стенке заборного патрубка. При этом сопло эжектора расположено так, что геометрический центр отверстия сопла эжектора находится на расстоянии радиуса этого отверстия от плоскости, образующей ступеньку во внутреннем канале заборного патрубка.

Кроме того, на заборном патрубке имеется штуцер, к которому подсоединена эжекторная трубка для подачи жидкости из резервуара в эжектор.

Предпочтительно подсоединение к накопительному резервуару сливной трубки и эжекторной трубки посредством штуцеров, расположенных на верхней поверхности резервуара, и трубки слива пробы - посредством штуцера, расположенного на нижней поверхности резервуара.

Предпочтительно также снабжение трубки слива пробы перепускным клапаном.

Кроме того, резервуар может быть снабжен штуцером для подключения трубки подачи жидкости из внешнего резервуара, а трубка подачи жидкости из внешнего резервуара может содержать перепускной клапан.

Выполнение циклона коническим позволяет при движении вихревого воздушного потока вверх повысить тангенциальную составляющую его скорости за счет сужения текущего диаметра циклона. Кроме того, такая конструкция позволяет увеличить число оборотов воздушного вихря и жидкостной пленки внутри прибора и, следовательно, улучшить процесс улавливания аэрозольных частиц. Кроме того, выполнение распылителя в виде эжектора, представляющего собой сопло во внутреннем канале заборного патрубка, имеющего ступеньку, приводит к тому, что в области ступеньки создается разрежение, обеспечивающее засасывание жидкости из резервуара в заборный патрубок через отверстие сопла. Такое построение эжектора не увеличивает аэродинамическое сопротивление канала заборного патрубка. При этом под действием поперечных сил входного воздушного потока происходит диспергирование засасываемой жидкостной струи, следовательно, в районе выходного среза заборного патрубка происходит взаимодействие двух набегающих аэрозольных потоков, при котором осуществляется импакция аэрозольных частиц из входного воздушного потока на поверхность жидкокапельного аэрозоля. Это улучшает общую эффективность улавливания аэрозольных частиц в пробоотборнике, так как этот процесс начинается непосредственно в области выходного среза заборного патрубка.

Конструкция аэрозольного пробоотборника с рециркулирующей жидкостной пленкой поясняется подробным его описанием и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 показано схематическое изображения пробоотборника в разрезе, вид сбоку;

на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1;

на фиг.3 показано в увеличенном масштабе продольное сечение заборного патрубка со стороны его выходного среза.

Пробоотборник содержит корпус 1, в котором размещена вихревая камера 2 с установленным на ней коническим циклоном 3. Большее основание конического циклона 3 сопряжено с верхней частью вихревой камеры 2. На корпусе 1 имеются также выходной штуцер 4 для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник, например вакуумного насоса (не показан) и заборный патрубок 5. Заборный патрубок 5 тангенциально введен в вихревую камеру 2. В корпусе 1 установлен резервуар 6 с крышкой (условно не показана) для размещения в нем сорбирующей жидкости, а в верхней части циклона на внешней его поверхности установлен кольцевой каплесборник 7, соединенный с резервуаром 6 сливной трубкой 8, проходящей через крышку резервуара. Через крышку резервуара 6 проходит эжекторная трубка 9, соединяющая резервуар 6 со штуцером 10 на заборном патрубке 5, и трубка 11 подачи жидкости из внешнего резервуара (не показан) с перепускным клапаном 12. К нижней поверхности резервуара 6 также подсоединена посредством штуцера (условно не показан) трубка 13 слива пробы с перепускным клапаном 14.

Внутренний канал заборного патрубка 5 выполнен ступенчатым (фиг.3), причем меньший диаметр этого канала d расположен со стороны входного конца патрубка 5, а отверстие 15 сопла эжектора расположено так, что геометрический центр отверстия 15 сопла эжектора находится на расстоянии радиуса этого отверстия от плоскости, образующей ступеньку во внутреннем канале заборного патрубка. В корпусе 1 резервуар 6 расположен по отношению к вихревой камере 2 и заборному патрубку 5 так, чтобы рабочий уровень заливаемой сорбирующей жидкости был ниже оси отверстия 15 сопла эжектора.

При работе пробоотборника включается внешний вакуумный насос, подсоединенный к выходному штуцеру 4, обеспечивая прокачку воздуха через пробоотборник. Входной аэрозольный поток поступает через заборный патрубок 5 в вихревую камеру 2. Отверстие 15 в заборном патрубке 5, расположенное в зоне ступенчатого изменения диаметра внутреннего канала заборного патрубка 5, выполняет функцию эжектирующего элемента, поскольку наличие ступеньки во внутреннем канале заборного патрубка 5 приводит к тому, что в этой области создается значительное разрежение, приводящее к засасыванию жидкости из резервуара через эжекторную трубку 9. Такое построение эжектора не увеличивает аэродинамическое сопротивление внутреннего канала заборного патрубка 5 и снижает потери аэрозоля в распылителе. При этом под действием поперечных сил входного воздушного потока происходит диспергирование засасываемой жидкостной струи, и в районе выходного среза заборного патрубка 5 происходит взаимодействие двух набегающих аэрозольных потоков, при котором осуществляется импакция аэрозольных частиц из входного воздушного потока на поверхность жидкокапельного аэрозоля. Это улучшает общую эффективность улавливания аэрозольных частиц прибора, так как этот процесс начинается сразу же в области выходного среза заборного патрубка 5.

Так как заборный патрубок 5 введен в вихревую камеру 2 тангенциально, то в ней создается совокупный аэрогидродисперсный вихревой поток, жидкостная составляющая которого осаждается на поверхность камеры и создает вращающуюся жидкостную пленку. Наличие внутри объема прибора отрицательного перепада давления, создаваемого внешним вакуумным насосом, приводит к подъему жидкостной пленки вверх по внутренней стенке конического циклона 3 в виде широкой плоской спиральной ленты. При соответствующем подборе соотношений между объемной скоростью входного воздушного потока, геометрическими размерами заборного патрубка 5, вихревой камеры 2 и циклона 3 жидкостная лента достигает вершины циклона 2 и плавно переливается через край циклона в каплесборник 7, откуда по сливной трубке 8 поступает в резервуар 6, обеспечивая тем самым постоянную рециркуляцию жидкости в приборе.

Аэродисперсный вихревой поток также под действием отрицательного перепада давлений внутри объема циклона поднимается вверх в виде спиральной струи, вращающейся вокруг оси циклона 3. Ввиду значительных отличий в плотности и вязкости воздуха и жидкости скорости вращения и число совершаемых при подъеме витков двух спиральных потоков значительно различаются.

При этом процесс осаждения аэрозольных частиц из воздушного потока обусловлен двумя механизмами. В верхней части вихревой камеры 2 и в нижней части циклона 3 осаждение в основном обеспечивается механизмом импакции частиц на поверхность жидкостной пленки за счет веерной струи аэрогидродисперсного потока, вылетающего со значительной начальной скоростью из выходного среза заборного патрубка 5. Второй механизм осаждения определяется наличием тангенциальной составляющей скорости вращения воздушного вихря. Возникающие при этом центробежные силы отбрасывают частицы аэрозоля на стенки циклона, где они улавливаются жидкостной пленкой. Чем больше тангенциальная составляющая скорости вращения, тем больше будут центробежные силы и, следовательно, тем меньшего диаметра аэрозольные частицы могут быть уловлены прибором.

Для взятия пробы на анализ открывают перепускной клапан 14, установленный в трубке 13 слива пробы, а для обеспечения непрерывной работы устройства открывают перепускной клапан 12 трубки 11, и из внешнего резервуара добавляется необходимое количество сорбирующей жидкости в резервуар 6.

Экспериментальные исследования пробоотборника, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, показали, что эффективность улавливания аэрозольных частиц повышается на 20-30 процентов по сравнению с известными аэрозольными пробоотборниками, использующими цилиндрические циклоны с рециркулирующей жидкостной пленкой.

Изобретение относится к приборам для определения концентрации вредных загрязнений, присутствующих в окружающем воздухе, в частности для отбора проб аэрозолей, и может быть использовано в микробиологической, пищевой, химической промышленности, в медицине и сельском хозяйстве. Аэрозольный пробоотборник с рециркулирующей жидкостной пленкой содержит корпус с выходным штуцером для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник и заборным патрубком. Пробоотборник имеет цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком и циклон. Основание циклона соединено с верхней частью вихревой камеры. Пробоотборник имеет кольцевой каплесборник, размещенный в верхней части циклона, и распылитель сорбирующей жидкости. Пробоотборник имеет сливную трубку, соединенную с каплесборником, и трубку слива пробы. Пробоотборник снабжен накопительным резервуаром для сорбирующей жидкости. Резервуар соединен посредством сливной трубки с каплесборником и посредством эжекторной трубки с распылителем. К распылителю подсоединена трубка слива пробы. Циклон выполнен в форме усеченного конуса, большее основание которого соединено с вихревой камерой. Каплесборник размещен на наружной поверхности циклона. Распылитель представляет собой эжектор, выполненный в виде сопла во внутреннем канале заборного патрубка. Внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с меньшим диаметром со стороны входного конца патрубка. Сопло эжектора расположено на участке внутреннего канала заборного патрубка с большим диаметром в зоне ступенчатого изменения его диаметра. Пробоотборник позволяет эффективно улавливать аэрозольные частицы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аэрозольный пробоотборник с рециркулирующей жидкостной пленкой, содержащий корпус с выходным штуцером для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник и заборным патрубком, цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, циклон, основание которого соединено с верхней частью вихревой камеры, кольцевой каплесборник, размещенный в верхней части циклона, распылитель сорбирующей жидкости, сливную трубку, соединенную с каплесборником, и трубку слива пробы, отличающийся тем, что он снабжен накопительным резервуаром для сорбирующей жидкости, который соединен посредством сливной трубки с каплесборником и посредством эжекторной трубки с распылителем и к которому подсоединена трубка слива пробы, при этом циклон выполнен в форме усеченного конуса, большее основание которого соединено с вихревой камерой, каплесборник размещен на наружной поверхности циклона, а распылитель представляет собой эжектор, выполненный в виде сопла во внутреннем канале заборного патрубка, причем внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с меньшим диаметром со стороны входного конца патрубка, а сопло эжектора расположено на участке внутреннего канала заборного патрубка с большим диаметром в зоне ступенчатого изменения его диаметра.2. Аэрозольный пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что сопло эжектора выполнено в виде отверстия в стенке заборного патрубка, причем геометрический центр отверстия сопла эжектора находится на расстоянии радиуса этого отверстия от плоскости, образующей ступеньку во внутреннем канале заборного патрубка.3. Аэрозольный пробоотборник по п.1 или 2, отличающийся тем, что на заборном патрубке имеется штуцер, к которому подсоединена эжекторная трубка для подачи жидкости из накопительного резервуара в эжектор.4. Аэрозольный пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что сливная трубка и эжекторная трубка подсоединены к накопительному резервуару посредством штуцеров, расположенных на верхней поверхности резервуара, а трубка слива пробы подсоединена к накопительному резервуару посредством штуцера, расположенного на нижней поверхности резервуара.5. Аэрозольный пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что накопительный резервуар снабжен штуцером, к которому подсоединена трубка для подачи жидкости из внешнего резервуара.