Устройство для отбора проб для сравнительного испытания адгезионных свойств материалов фильтрующих элементов коалесцирующих фильтров Российский патент 2025 года по МПК G01N1/02 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для сравнительного исследования адгезионной способности различных материалов фильтрующих элементов или веществ, которые применяют в качестве добавок (модификаторов) в материалах фильтрующих элементов коалесцирующих фильтров для газообразных и жидких сред.

Изобретение служит для отбора проб аэрозоля или эмульсии из потока газообразной или жидкой среды под воздействием сил межмолекулярного взаимодействия при заданных условиях.

Для удаления мелких капель жидкости или аэрозольных частиц из потока газовой или жидкой среды часто используют фильтры с коалесцирующими фильтрующими элементами, зарекомендовавшими себя наиболее эффективными и не требующими дорогостоящего обслуживания. Принцип работы коалесцирующего фильтра основан на физико-химическом процессе взаимодействия веществ и слияния мелких капель аэрозоля или эмульсии в крупные, что позволяет извлекать их из потока газа или жидкости. Этот процесс осуществляется с использованием специальных материалов - коалесцентов.

Коалесценты могут быть выполнены из материалов различного состава, таких как стекловолокно, полипропилен, полиэфиры, фторопласты, полиамиды или других материалов. Данные материалы часто служат добавками (модификаторами) при изготовлении фильтрующих элементов для придания им заданных селективных специфических свойств. Так, при помощи композиций из добавок коалесцентов различного химического состава изготавливаются селективные фильтрующие элементы, способные извлекать масляный аэрозоль из потока воздуха или газа, пропуская при этом аэрозоль воды и наоборот. Такие свойства обеспечиваются способностью материалов по-разному взаимодействовать с каплями отделяемых аэрозолей или эмульсий [ТУ 28.25.14-002-57337877-2019 Элементы фильтрующие патронные. - Брянск: ООО «ЛАРТА Текнолоджи», 2019. - 28 с].

На первом этапе отделения капель аэрозолей или эмульсий на коалесцирующих фильтрах должно произойти их прилипание (адгезия) к поверхности фильтра. Далее следуют процессы укрупнения (коагуляция) капель и удаления их с поверхности фильтра. От силы адгезии микрокапель аэрозоля к материалу фильтрующего элемента во многом зависит эффективность работы коалесцирующего фильтра.

Задачей, решаемой представленным изобретением, является измерение сравнительной адгезии аэрозолей и эмульсий различными материалами в одинаковых условиях с возможностью варьирования скорости потока, концентрации частиц аэрозоля или эмульсии и температуры. При этом исключаются прямое столкновение частиц с поверхностью материала фильтра и падение частиц под действием гравитации.

Поверхности сравниваемых материалов извлекают из устройства после окончания процесса осаждения частиц аэрозоля и подвергают экстракции различными растворителями в зависимости от химического состава осажденного аэрозоля или эмульсии. Полученные экстракты анализируют физико-химическими методами (УФ-, ИК - спектроскопии, газовой или жидкостной хроматографии, или др.)

Наиболее близким техническим решением является полезная модель устройства для экспрессного определения дисперсного состава аэрозолей [Патент RU 172 728 U1, опубл. 21.07.2017 Бюл. №21]. Технический результат полезной модели достигается тем, что в корпусе данного устройства содержится размещенный на оси барабан с количеством граней не менее трех, выполненный с возможностью извлечения его из корпуса и снабженный механизмом поворота на фиксированный угол и механизмом подъема и опускания барабана, фиксирующие индикаторные подложки для отбора проб аэрозоля, размещенные в рамках держателей в посадочных местах, выполненных в гранях барабана, и шторный затвор с приводом. Механизм поворота барабана на фиксированный угол может включать зубчатое колесо с профильными зубцами в количестве, кратном количеству граней барабана, фиксатор и привод зубчатого колеса. Фиксирующие индикаторные подложки выполнены из материала с заранее известной адгезионной способностью по отношению к аэрозолю, пробы которого берут при экспрессном определении его дисперсного состава, что позволяет упростить процедуру выполнения замеров за счет учета данных предварительного исследования растекаемости аэрозольных частиц на подложке, что также повышает качество и достоверность цифровых изображений капель аэрозоля за счет более точного определения исходных параметров частиц аэрозоля. Это также позволяет путем подбора соответствующего материала для подложки избежать стекания и размазывания осажденных капель по подложке и повысить качество и достоверность цифровых изображений капель аэрозоля.

При выполнении замеров аналогичное устройство в сборе располагается на заданном расстоянии от источника аэрозоля. При выполнении испытаний шторный затвор аналога открывается на заданное время экспозиции, за которое на фиксирующей индикаторной подложке осаждается некоторое количество капель аэрозоля. После закрытия шторного затвора барабан проворачивается и на исходную позицию для замера поступает следующая грань барабана с «чистой» подложкой. После экспонирования необходимого количества подложек барабан извлекается из корпуса, подложки удаляются из посадочных мест и заменяются на "чистые".

Извлеченные подложки анализируют физическими методами с помощью оптических средств и вычислительных машин, комбинированных с другими машинами, предполагающих компьютерную обработку результатов.

С помощью аналогичной полезной модели возможно определить исходные параметры частиц аэрозоля. Кроме того, возможно варьировать материалы различного химического состава, обладающие различными адгезионными свойствами (смачиваемостью) для предотвращения стекания и размазывания осажденных капель по подложке.

Решение задач, связанных с испытанием и выбором материала для коалесцирующих фильтрующих элементов с требующимися адгезионными свойствами по отношению к аэрозолям и эмульсиям различного состава, исключая гравитационные силы (падение капель на исследуемую поверхность), а также прямое столкновение частиц аэрозоля и эмульсии с поверхностью заключается в преодолении недостатков присущих аналогу за счет конструктивных особенностей предлагаемого изобретения.

Недостатками аналога для целей сравнения материалов фильтрующих элементов являются:

- отсутствие возможности одновременной экспозиции сразу нескольких материалов подложки, что не позволяет проводить испытания различных материалов в абсолютно одинаковых условиях.

- расположение испытуемой подложки перпендикулярно направлению движения потока частиц аэрозоля, что приводит к налипанию капель аэрозоля не только за счет сил межмолекулярного взаимодействия, но также в результате прямого столкновения с поверхностью подложки.

- отсутствие возможности проточного (сквозного) движения потока аэрозоля через аналог исключает определение влияния скорости потока, при котором происходит отрывание осажденных коагулированных капель от поверхности исследуемого материала.

Применение данного изобретения направлено на достижение технического результата, цель которого - создание условий для выполнения сравнительных исследований адгезионной способности нескольких материалов фильтрующих элементов или веществ, которые используются в качестве добавок (модификаторов) в материалах фильтрующих элементов коалесцирующих фильтров для создания коалесцирующих фильтров с заданными свойствами.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:

- обеспечение возможности одновременного исследования в одинаковых условиях сразу нескольких материалов коалесцирующих фильтров, что позволяет исключить зависимость полученных результатов от колебаний концентрации капель аэрозоля или эмульсий в потоке газа или жидкости, их размера, а также возможных изменений скорости потока, температуры, давления и др. в период проведения испытаний.

- расположение держателей с закрепленными в них испытуемыми материалами вертикально и одновременно параллельно друг другу. Предусмотрена возможность размещения двух и более держателей с изменяющимися расстояниями между держателями, тем самым обеспечивая ламинарное, либо турбулентное движение потока.

- размещение держателей внутри герметичного многоугольного, круглого или овального корпуса, что при использовании соответствующих материалов дает возможность варьирования давления газовой среды.

Поток исследуемого аэрозоля или эмульсии направляется вдоль держателей с закрепленными в них образцами исследуемых материалов, чтобы исключить прямое соударение частиц с поверхностью, при этом прилипание (адгезия) капель аэрозоля или эмульсии к испытуемой поверхности происходит, в большей степени, по причине взаимного притяжения частиц различных тел в области их соприкосновения на поверхности раздела, обусловленного силами межмолекулярного взаимодействия [Физическая и коллоидная химия: учебник для средних специальных учебных заведений / Б. В. Ахметов; Ю. П. Новиченко; В. И. Чапурин. - Л.: Химия. 1986. - С. 31].

Для контроля температуры испытаний рекомендуется устанавливать термометры на входе и выходе из устройства. Влияние температуры на смачивание сильно зависит от природы сил взаимодействия между твердым телом и жидкостью [Физико-химические основы смачивания и растекания / Б.Д.Сумм, Ю.В. Горюнов. - М.: Химия, 1976. - С. 106]. При повышении температуры увеличивается скорость броуновского движения микрокапель в различном направлении, в том числе и в направлении поверхности исследуемого материала, что обеспечивает большее число взаимодействий с поверхностью материала. С другой стороны, повышение температуры способствует десорбции веществ с испытуемой поверхности. Поэтому, чтобы учесть влияние всех действующих факторов, требуется провести практические испытания с помощью предложенного устройства.

Концентрация капель аэрозоля или эмульсии тоже оказывает влияние на результат экспериментов. В случае испытания аэрозолей возможно варьирование давления внутри устройства. Так, изменяя давление газовой среды, возможно варьировать концентрацию содержащихся в ней микрокапель аэрозоля.

Наряду с вышеуказанными условиями важным фактором является скорость потока аэрозоля, так как возможно удаление части жидкости под действием движущегося потока [Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. - М: Химия, 1974. - С. 100.].

Учитывая влияние различных факторов на результат испытаний, рекомендуется, кроме измерения температуры, устанавливать перед устройством приборы для измерения скорости потока и давления подвижной среды.

Следует отметить, что в процессе испытаний возможна коагуляция с последующим стеканием капель с испытуемого материала, что приводит к искажению результатов, поэтому в случае, если при окончании испытаний внизу окошка трафарета будет замечено скопление жидкости, то испытание требуется повторить, уменьшив его период.

Заявляемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлен общий вид корпуса в сборе, внутри которого в направляющих пазах устанавливаются держатели с закрепленными материалами коалесцирующих фильтрующих элементов; на фиг. 2 - схематическое изображение держателя испытуемых материалов.

Позициями на фигурах обозначены: 1 - испытательная камера в которой размещаются держатели испытуемых образцов; 2 - направляющие пазы для установки держателей, 3 - съемная часть корпуса для установки держателей с образцами; 4 - центральная пластина держателя; 5 - прижимные пластины (трафареты) с окном известной площади, одинаковой для всех держателей, 6 - лист или пленка испытуемого материала.

Исследуемые материалы закрепляются в держателях путем прижимания к основной пластине (пластинам) с двух сторон при помощи трафаретов, имеющих окна заданной площади. Трафареты прижимаются к основной пластине (пластинам) и фиксируют исследуемый материал при размещении держателей в направляющих пазах. Поток исследуемого аэрозоля или эмульсии направляется вдоль держателей с закрепленными в них образцами исследуемых материалов, чтобы исключить прямое соударение частиц с поверхностью, при этом прилипание (адгезия) капель аэрозоля или эмульсии к испытуемой поверхности происходит, в большей степени, по причине взаимного притяжения частиц различных тел в области их соприкосновения на поверхности раздела, обусловленного силами межмолекулярного взаимодействия Важным фактором является скорость движения аэрозоля, так как возможно удаление части жидкости под действием потока При этом создают условия для выполнения сравнительных исследований адгезионной способности материалов фильтрующих элементов. Ведут испытания с обеспечением ламинарного, либо турбулентного движение потока в одинаковых условиях, исключая зависимость полученных результатов от колебаний концентрации капель аэрозоля или эмульсий в потоке газа или жидкости, их размера, а также возможных изменений скорости потока, температуры, давления и др. в период проведения испытаний. Герметичность корпуса дает возможность варьирования давления газовой среды.

Устройство для отбора проб для сравнительного испытания адгезионных свойств материалов фильтрующих элементов коалесцирующих фильтров относится к испытательной технике и может быть использовано для сравнительного исследования адгезионной способности нескольких материалов фильтрующих элементов или веществ, которые применяют в качестве добавок (модификаторов) в материалах фильтрующих элементов коалесцирующих фильтров для газообразных и жидких сред. Устройство служит для отбора проб аэрозоля или эмульсии из потока газообразной или жидкой среды под воздействием сил межмолекулярного взаимодействия с различными материалами. Устройство для отбора проб для сравнительного испытания адгезионных свойств материалов фильтрующих элементов коалесцирующих фильтров состоит из разборного многоугольного, круглого или овального корпуса и расположенных внутри него двух и более съемных держателей испытуемых материалов. Держатели располагаются вдоль направления потока аэрозоля или эмульсии параллельно друг другу в вертикальном положении. Исследуемые материалы закрепляют в держателях путем прижимания к основной пластине с двух сторон при помощи трафаретов, имеющих окна заданной площади. После осаждения на поверхности сравниваемых материалов их извлекают из устройства, подвергают экстракции растворителями. Полученные экстракты анализируют физико-химическими методами (УФ-, ИК-спектроскопии, газовой или жидкостной хроматографии, или др.). Технический результат: сравнительное изучение адгезии аэрозолей и эмульсий различными материалами в одинаковых условиях с возможностью варьирования скорости потока, концентрации частиц, давления и температуры. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для отбора проб для сравнительного испытания адгезионных свойств материалов фильтрующих элементов коалесцирующих фильтров, состоящее из разборного корпуса и расположенных внутри него вдоль направления потока аэрозоля или эмульсии параллельно друг другу двух и более съемных держателей испытуемых материалов.

2. Устройство для отбора проб по п. 1, отличающееся тем, что держатели испытуемых материалов расположены вертикально.

3. Устройство для отбора проб по пп. 1-2, отличающееся тем, что используется герметичный корпус, позволяющий варьировать давление аэрозоля.

4. Устройство для отбора проб по пп. 1-2, отличающееся тем, что содержит держатели, в которых исследуемые материалы закрепляются путем прижимания к основной пластине с двух сторон при помощи трафаретов, имеющих окна заданной площади.

5. Устройство для отбора проб по пп. 1-3, отличающееся тем, что сечение корпуса имеет многоугольную, круглую или овальную форму.