Каскадный импактор

ОР ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскиСоциалистическиреспублик и 972334(23) Приоритет раретаемкемитет СССР давм эоерете н втеритй ублнковано 07,11.82. Бюллетень41ата опубликования описания 07.11,82Н, Г. Булгаковааучно-исследовательскуй ищтмтуи санитарной очистке 1 аддр , " " Л. Зелик Государственный по промышленно(7) Заяв КАСКАДН ЫЙ ИМПАК риИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может найти применение во всех отраслях народного хозяйства, где необходимо осушествить измерение дисперсного состава взвешенных частиц в диапазоне 10-500 нм.5Известен импактор для дисперсионного анализа нанометровых частиц, содержащий сопловые камеры 1 .Нанометровый диапазон размеров получен использованием технически предельно малых отверстий в соплах прй пониженном давлении, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с диаметром частиц и последняя движется в газе со значительным скольжением,Малый диаметр сопел и значительный коэффициент скольжения способствуют инерционному оседанию сверхтонких фракций в камерах каскадного иъмактора, то Дисперсный состав определяют по количеству осадка каждой фракции.Наиболее близким по технической сушности к предлагаемому является каскадный импактор для дисперсионного анализа нанометровых частиц, содержаший последовательно расположенные в корпусе соп ловые камеры осаждения, разделенные диафрагменным дросселем на два блока. В блоке нанометровых фракций реализован звуковой режим течения газа в соплах и дросселе при сверхкритических перепадах давления, что обеспечивает значительное разрежение. повышаюшее коэффициент скольжения частиц при достаточ" но высоких числах Рейнольдса, необходимых для сохранения крутизны фракционной характеристики камер осаждения, П бор обладает предельно высоким разрешением и широким диапазоном границ разделения в нанометровой области размеров 2 3Укаэанные устройства обладают тем недостатком, что при вариациях температуры исследуемого аэрозоля снижается точность границ разделения фракций. Температурная погрешность возникает в связи с тем, что в зависимости от темпера- .РТ = сОВМ, (4) Отсюда следует принципиальная возможность стабилизации границ разделения при вариациях температуры соответствующим изменением давления.В силу неразрывности звукового изотермического течения в диафрагме и соплах 3 9723туры изменяется вязкость, скорость звука в газе, а в особенности коэффициентскольжения. Последний изменяется в трираза при разности температур в 400 К,В технологических процессах, в системах обеспьщивания и атмосферных исследованиях температура газа может изменяться в указанных пределах.Цель изобретения - повышение точности границ разделения фракций, т,е. 16точности дисперсионного анализа, исключением, температурной погрешности путемавтоматической ее компенсации в устройстве.Поставленная цель достигается тем, 1 Зчто в каскадный импактор, содержащийпоследовательно расположенные в корпусесопловые камеры осаждения, разделенные диафрагменным дросоелем на дваблока, снабжен биметаллическим термоприводом, кинематически связанным смеханизмом регулировки сечения дросселя,Механизм регулировки может быть выполнен в виде иглы, введенной соосно вотверстие дросселя со стороны входааэрозоля и соединенной с термоприводом,Термопривод может быть выполнен ввиде стержня, соединенного торцами сиглой и корпусом, причем стержень выполнен из материала, коэффициент термического расширения которого меньше,чем коэффициент термического расширения материала корпуса.Термопривод может быть выполнен ввиде биметаллической пластины, представляющей собой коническую шайбу, разрезные края которой шарнирно соединены сдиафрагмой, а центр - с иглой, причемметалл большего термического расширениярасположен с внешней стороны шайбы,40Диафрагма в импакторе может иметьцилиндрическую часть, на которой выполнено отверстие дросселя, при этом диафрагма является одним из элементов термопривода, другим элементом которогоявляется пружинное кольцо, сочлененноепо посадке с цилиндрической частью диафрагмы и выполненное со сквозным пазом, кромки которого прилегают к отверстию дросселя, и выполнена из мате- фриала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициенттермического расширения материалакольца.Предлагаемый импактор по принципуработы отличается от,известного тем,что изменяют давление газа регулировкой сечения дросселя и компенсируют 34 4 этим влияние вариаций температуры на границу разделения фракций,Сущность может быть выявлена из следующих оценок, Граница разделения каждой фракции по диаметру частиц Ио осаждаемых с эффективностью 50%, определяется известной зависимостью от параметров аэрозоля и диаметра сопла Д1 ИП-мй 9 ,; с,)) ) ) ,где, - плотность частиц,(кость и скорость газа, С 1(р) - коэффициент скольжения. Три последних величи. ны зависят от температуры приближенно таким образом; о 75.06Т, с(р) с,1)1 50 где Р- давление газа в каждой ступени, Последняя зависимость (2) получена разложением экспоненты в ряд с погрешностью5% при длине свободного пробега 3 Ъ Мо . Данные величины с целью термостабилиэации границ разделения по (1) должны образовать постоянньщ кОмплекс - .соеФ., МДс(р)Подстановкой (2) и (3) при той же погрешности не более 5 получим длязвуковой скорости в соплах 1где Р и ф давление перед диафрагмойи площадь отверстия в ней;. р иф - давление в каждой камереВ .Ми площадь сопла следующейкамеры,Подстановкой (5) в (4) получимф / т = сои М (6) На фиг, 1 представлен каскадный импактор с регулирующей иглой, общий вид; на фиг. 2 - пример выполнения термопривода; на фиг. 3 - вариант выполнения термопривода с иглой,34 бсель 2, начальное сечение которого зависит от положения иглы 7, устанавливаемогоо стержнем 8, кромками пазапру)кинного кольца 9 или начальным конусом шайбы 10.Расход газа через импактор обеспечивает звуковое течение в дросселе 2 исоплах 5 нанометрового блока камер 4,образуются осадки наиболее тонких фракций.Количество (массу) осадка определяют известными способами: взвешиванием,химическим анализом, или оптическимиметодами. Также известным образом находят дисперсный состав.Начальное сечение дросселя 2 соответствует условиям градуировки импактора, которая заключается в определенииграниц разделения фракций для каждойкамеры 3 и 4 блоков.При работе импактора в среде с температурой, отличной от условий градуировки, изменением сечения дросселя устанавливают такое давление эа ним, т.е.в блоке нанометровых фракций, котороекомпенсирует влияние вариаций температуры на границе разделения в соответствии с указанными выше оценками приусловии, что давление за дросселем ниже атмосферного и коэффициент скольжения нанометровых частиц больше единицы.Например, при росте температуры повышают давление газа, чтобы длина сво,бодного пробега молекул была меньше,что ведет к снижению коэффициента скольжения, который компенсирует повышениес температурой скорости звука и вязкости газа, сохраняя границу разделенияфракций,Компенсация температурной погрешности в предлагаемом импакторе происходитавтоматически с помошью термопривода.Так, с повышением температуры газастержень 8 (фиг. 1) расширяется меньше.корпуса 1, поэтому их относительноеудлинение приводит к относительному перемещению иглы и увеличению сечениядросселя. Через увеличенное сечение повышается расход газа, а при постоянныхсечениях сопел камер .4 это приводит кповышению давления за дросселем. Аналогично работает термопривод(фиг. 2), где с повышением температурыза счет большего термического расширекольцо 9 раздвигается, его паз увеличивается и кромки паза раскрывают отверстие дросселя 2. 5 9723Каскадный импактор (фиг. 1) состоитиз корпуса 1, в котором расположеныпоследовательно сопловые камеры осаждения, разделенные диафрагменным дросселем 2 на блоки камер 3 микронных 5фракций и камер 4 нанометровых фракций. Каждая камера содержит сопло 5 иповерхность осаждениявыполненную вдиафрагме. 6, Дроссель 2 снабжен механизмом регулировки его сечения, например в виде иглы 7, введенной соосно вотверстие дросселя 2 со стороны входааэрозоля для уменьшения паразитногооседания частиц на поверхности иглы 7,Механизм регулировки кинематически 1 бсвязан с биметаллическим термотриводом,образованным стержнем 8 малого термического расширения, соединенного торцами с иглой 7 и корпусом 1 большеготермического расширения .через одну из 20диафрагм 6. Стержень 8 проходит черезостальные диафрагмы по плотной, подвижной беззаэорной насадкеКорпус 1,служащий одним иэ элементов биметал,лического термопривода, связан кинематически с диафрагменным дросселем 2.Для уменьшения габаритов термопривода он может быть выполнен так(фиг. 2),что функции механизма регулировки сечения дросселя выполняют кромки паза 30пружинного кольца 9 малого термическогорасширения, сочлененного по насадке сцилиндрической частью диафрагмы дросселя 2, представляющей собой второйэлемент биметаллического термоприводас большим термическим расширением.Кромки паза кольца 9 плотно прилегаютк отверстию и частично его перекрывают для потока аэрозоля. Для увеличенияхода иглы 7 термопривод может бытьвыполнен в виде биметаллической пластины,представляющей собой коническую шайбу10 (фиг. 3), разрезные края которой спомощью шарниров 11 соединены с диафрагмой дросселя 2, а центр - с иглой 7,причем металл 12 большего термическогорасширения расположен с внешней стороны шайбы.Для анализа нанометровых частиц поразмерам исследуемый аэрозоль пропускают через каскадный импактор, устанавливая его в области, где корпус 1 импактора будет находиться при температурегазовой среды. Последовательно обтекаясопла 5, аэрозоль проходит камеры 3где на поверхностях. осаждения диафрагм ния диафрагмы дросселя 2 (по диаметру)6 образуются осадки частиц микронныхфракций, затем поступает в камеры 4блока нанометровых фракций через дрос 7 9723Такая же операция осуществляется приводом (фиг. 3). С повышением температуры внешний. слой металла 12 расширяется больше внутреннего, угол у конуса уменьшается, края шайбы вращаются в шарнирах 11 и игла освобождает отверстие дросселя 2.Очевидно, что с понижением температуры сечение дросселя во всех случаях уменьшается. 16Описанная принципиальная схема дисперсионного анализа нанометровых частиц показывает, что точность границ разделения фракций может быть повышена путем автоматической компенсации тем- И пературной погрешности в рабочем диапазоне температур до 400 К и выше. Ход иглы относительно диафрагмы при данных температурах и длине стержня 100 мм составляет 0,65 мм, а с шай бой диаметром 40 мм - 2,26 мм, если биметаллические элементы составлены иэ инвара и нержавеющей стали, Повышенный ход иглы с шайбой получен за счет рычажной системы, коэффициент редукции 23 которой тем больше, чем ближе угол конуса шайбы к двум прямым, Такие перемещения иглы вполне достаточны для регулирования по расчетной формуле (6) для изменения площади отверстия. Если Зю в разложении в ряд коэффициента скольжения (2) испольэовать более двух членов или если скорость газа отлична от звуковой, что усложняет зависимость (5), то расчетная формула для радиуса иглы принимает более сложный вид, Зависимость типа (6) в этих случаях может быть получена также и экспериментальным путем, особенно в области некорректности формулы (1), Независимо от способа расчета формы иглы технологический процесс изготовления не усложняется.Для звукового режима течения газа в указанном диапазоне температур проведена экспериментальная проверка компен 45 сации погрешности с термоприводом (фиг, 2), где кольцо латунное, а диафрагма дросселя алюминиевая.Разность коэффициентов термического расширения составляет 5,3 ф 10"р При внутреннем диаметре кольца 20 мм про 56 исходит компенсация погрешности, т.е. сокрашается граница разделения независимо от температуры.Формула изобретения1. Каскадный импактор, содержащий последовательно расположенные в корпусе34 8сопловые камеры осаждения, разделенныедиафрагмениым дросселем на два блока,о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, сцелью повышения точности разделенияфракций путем исключения температурнойпогрешности, он снабжен биметаллическимтермоприводом, кинематически связаннымс механизмом регулировки сечения дросселя.2. Импактор по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что механизм регулировки выполнен в виде иглы, введенной соосно и отверстие дросселя со сторонывхода аэрозоля и соединенной с термоприводом.3, Импактор по пп. 1 и 2, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что термоприводвыполнен в виде стержня, соединенноготорцами с иглой и корпусом, причемстержень выполнен из материала, коэффициент термического расширения которогоменьше, чем коэффициент термическогорасширения материала корпуса.4. Импактор по пп. 1 и 2, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что термоприводвыполнен в виде биметаллической пластины, представляющей собой коническуюшайбу, разрезные края которой шарнирносоединены с диафрагмой, а центр - с иглой, причем металл большего термического расширения расположен с внешней стороны шайбы,5. Импакторпоп. 1, отличающ и й с я тем, что диафрагма имеет цилиндрическую часть, на которой выполнено отверстие дросселя, при этом диафрагма является одним иэ элементовтермопривода, другим элементом которого является пружинное кольцо, сочлененное по посадке с цилиндрической частью диа,.фрагмы и выполненное со сквозным пазом, кромки которого прилегают к отверстию дросселя, и выполнена из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термического расширения материала кольца.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1.Р 1 Са 1 м. У, ьоЬесгои раЖсСе оюрИик ЖИВ самосаде 1 юрсс 1 ог.-"Рор 1.йтЬ-ЗЮ АРСД ДииоаЕ ВЕсбиР,СЮсаро,Ьие ТЬ,4973",1.НЕГи 6 Я.,ИОООИ 1.С.ОИд МЕдГоидег 6.К. Ъеи свд ЧаЬсдлои о%иев -ргееоге оирас 1 ог,-" Еич 1 оивеи 1 а 1 бсеисе аи 3 ТесЬиобор йееасЬ",1976,У.Ю,М 6, р.667-673 (прототип),