Каскадный импактор

Каскадный импактор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советски«

Социалистически« республик

001 М 15/02 с присоединением заявки,% (23) Приоритет

3Ь«удвретваем«к«м«тет

СССР ао дв««м «эобрвте««й к вт«рыт«Й

Опубликовано 07.11.82. Бюллетень № 41

Дата опубликования описания 07.11,82 (53) УД КЛ39. .215(088.8) (72) Авторы изобретения

Д. Л, Зеликсон и Н, Г. Булгакова

1.

Государственный научно-исследовательский инотитут по промышленной и санитарной очистке feagy . "

« (7l) Заявитель (54) КАСКАДН ЫЙ ИМПАКТОР

Изобретение 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.

Известен импактор для дисперсионного анализа нанометровых частиц, содержаший сопловые камеры pl) .

Нанометровый диапазон размеров получен использованием технически npbдельно 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 иъмактода, щ

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. Прибор обладает предельно высоким разрешением и широким диапазоном границ разделения в нанометровой области размеров f2 ).

Укаэанные устройства обладают тем недостатком, что при вариациях температуры исследуемого аэрозоля снижается точность границ разделения фракций. Температурная погрешность возникает в свя зи с тем, что в зависимости от темпера- .

P„. Т =С0"М, (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 9723 туры изменяется вязкость, скорость звука в газе, а в особенности коэффициент скольжения. Последний изменяется в три раза при разности температур в 400 К.

В технологических процессах, в систе у мах обеспыливания и атмосферных исследованиях температура газа может изменяться в указанных пределах.

Бель изобретения - повышение точности границ разделения фракций, т.е. 16 точности дисперсионного анализа, исключением, температурной погрешности путем автоматической ее компенсации в устройстве.

Поставленная цель достигается тем, что в каскадный импактор, содержащий последовательно расположенные в корпусе сопловые камеры осаждения, разделенные диафрагменным дросоелем на два блока, снабжен биметаллическим термоприводом, кинематически связанным с механизмом регулировки сечения дросселя.

Механизм регулировки может быть выполнен в вице иглы, введенной соосно в отверстие дросселя со стороны входа аэрозоля и соединенной с термоприводом.

Термопривод может быть выполнен в виде стержня, соединенного торцами с иглой и корпусом, причем стержень выполнен из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термического расширения материала корпуса.

Термопривод может быть выполнен в виде биметаллической пластины, представляющей собой коническую шайбу, разрезные края которой шарнирно соединены с диафрагмой, а центр — с иглой, причем металл большего термического расширения расположен с внешней стороны шайбы.

Диафрагма в импакторе может иметь цилиндрическую часть, на которой выполнено отверстие дросселя, при этом диафраг. ма является одним из элементов термопривода, 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.

Предлагаемый импактор по принципу работы отличается от.известного тем, что изменяют давление газа регулиров кой 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 с о

Осаждаемых с эффективностью 50%, определяется известной зависимостью от параметров аэрозоля и диаметра сопла Д

9 ; ) () ,где, " плотность частицы ц / Вяз» кость и скорость газа, 1(р) - коэффициент скольжения. Три последних величи. ны зависят от температуры приближенно таким образом: о75,, 06

1 1, с„(р) с (1)

1 50 где Р; — давление газа в каждой ступени. Последняя зависимость (2) получена разложением экспоненты в ряд с погрешностью 5% при длине свободного пробега 3->/ М 0 . Данные величины с целью термостабилиэации границ разделения по (1) должны образовать постоянныя комплекс — -сосеФ., (s)

Д Äc

Подстановкой (2) и (3) при той же погрешности не более 5 получим для звуковой скорости в соплах

1 где Р и Ф давление перед диафрагмой и площадь отверстия в ней; р иф. - давление в каждой камере

М 1+1 и площадь сопла следующей камеры.

Подстановкой (5) в (4) получим ф/т=consk (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 6 сель 2, начальное сечение которого зависит от положения иглы 7, устанавливаемогоо стержнем 8, кромками паза пру>кинного кольца 9 или начальным конусом шайбы 10.

Расход газа через импактор обеспечивает звуковое течение в дросселе 2 и соплах 5 нанометрового блока камер 4, образуются осадки наиболее тонких фракций.

Количество (массу) осадка определяют известными способами: взвешиванием, химическим анализом, или оптическими методами. Также известным образом находят дисперсный состав.

Начальное сечение дросселя 2 соответствует условиям градуировки импактора, которая заключается в определении границ разделения фракций для каждой камеры 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, которое компенсирует влияние вариаций температуры на границе разделения в соответствии с указанными выше оценками при условии, 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 повышение с температурой скорости звука и вязкости газа, сохраняя границу разделения фракций.

Компенсация температурной погрешности в предлагаемом имн происходит автоматически с помощью термопривода.

Так, с повышением температуры газа стержень 8 (фиг. 1) расширяется меньше. корпуса 1, поэтому их относительное удлинение приводит к относительному пе:ремещению иглы и увеличению сечения дросселя. Через увеличенное сечение повышается расход газа, а при постоянных сечениях сопел камер .4 это приводит к повышению давления за дросселем.

Аналогично работает термопривод (фиг. 2), где с повышением температуры за счет большего термического расширекольцо 9 раздвигается, его паз увеличивается и кромки паза раскрывают отверстие дросселя 2.

5 9723

Каскадный импактор (фиг. 1) состоит из корпуса 1, в котором расположены последовательно сопловые камеры осаждения, разделенные диафрагменным дросселем 2 на блоки камер 3 микронных фракций и камер 4 нанометровых фракций. Каждая камера содержит сопло 5 и поверхность осаждения, выполненную в диафрагме. 6. Дроссель 2 снабжен механизмом регулировки его сечения, например в виде иглы 7, введенной соосно в отверстие дросселя 2 со стороны входа аэрозоля для уменьшения паразитного оседания частиц на поверхности иглы 7.

Механизм регулировки кинематически 1Ю связан с биметаллическим терм<цриводом, образованным стержнем 8 малого термического расширения, соединенного торцами с иглой 7 и корпусом 1 большего термического расширения через одну из 20 диафрагм 6. Стержень 8 проходит через остальные диафрагмы по плотной, подвижной беззаэорной насадке..Корпус 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 30 пружинного кольца 9 малого термического расширения, сочлененного по насадке с цилиндрической частью диафрагмы дросселя 2, представляющей собой второй элемент биметаллического термопривода с большим термическим расширением.

Кромки паза кольца 9 плотно прилегают к отверстию и частично его перекрывают для потока аэрозоля. Для увеличения хода иглы 7 термопривод может быть выполнен в виде биметаллической пластины, представляющей собой коническую шайбу

10 (фиг. 3), разрезные края которой с помощью шарниров 11 соединены с диафрагмой дросселя 2, а центр — с иглой 7, причем металл 12 большего термического расширения расположен с внешней стороны шайбы.

Для анализа нанометровых частиц по размерам исследуемый аэрозоль пропускают через каскадный импактор, устанавливая его в области, где корпус 1 импактора будет находиться при температуре газовой среды. Последовательно обтекая сопла 5, аэрозоль проходит камеры 3, где на поверхностях. осаждения диафрагм ния диафрагмы дросселя 2 (по диаметру)

6 образуются осадки частиц микронных фракций, затем поступает в камеры 4 блока нанометровых фракций через дрос7 9723 Такая 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. 19

Описанная принципиальная схема дисперсионного анализа нанометровых частиц показывает, что точность границ разделения фракций может быть повышена путем автоматической компенсации тем- t5 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- 2ф 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 25 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 56 в разложении в ряд коэффициента сколь>кения (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 эксперименталь ным 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 компен45 сации погрешности с термоприводом (фиг. 2), где кольцо латунное, а диафрагма дросселя алюминиевая.

Разность коэффициентов термического расширения составляет 5,3 < 10"> При внутреннем диаметре кольца 20 мм про56 исходит компенсация погрешности, т.е. сокращается граница разделения неэавис;мо от температуры.

Источники информации, | принятые во внимание при экспертизе

4.9i7at М.У,sobwcron рагЫсСе sonipИи к жИ cascade ivnpactor.-"Ðàðî.

А7>->84 АРСА Annual Мес Лия;СЙ1сщО, Ьие 16,4973".

2..Hегоn/ 6Х,Ffagae R.Ñ.a& Fried(аийег 6.К. Ъеьфи an8 Vatnatioh of иею -р "е оге цирас1ог,-" Ewivonrnenta6 Science and ТесЬиоборv Research, " 78,Y-1<>М6, р.667" 673 (прототип).

Формула изобретения

1. !каскадный импактор, содержащий последовательно расположенные в корпусе

34 8 сопловые камеры осаждения, разделенные диафрагмениым дросселем на два блока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности разделения фракций путем исключения температурной погрешности, он снабжен биметаллическим термоприводом, кинематически связанным с механизмом регулировки сечения дросселя.

2. Импактор по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что механизм регулировки выполнен ввиде иглы,,введенной соосно и отверстие дросселя со стороны входа аэрозоля и соединенной с термоприводом.

3. Импактор по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что термопривод выполнен в виде стержня, соединенного торцами с иглой и корпусом, причем стержень выполнен из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термического расширения материала корпуса.

4. Импактор по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что термопривод выполнен в виде биметаллической пластины, представляющей собой коническую шайбу, разрезные края которой шарнирно соединены с диафрагмой, а центр - с иглой, причем металл большего термического расширения расположен с внешней стороны шайбы.

5. Импакторпоп. 1, отличаюшийся тем, что диафрагма имеет цилиндрическую часть, на которой выполнено отверстие дросселя, при этом диафрагма является одним иэ элементов термопривода, другим элементом которого является пружинное кольцо, сочлененное по посадке с цилиндрической частью диа,.фрагмы и выполненное со сквозным naf зом, кромки которого прилегают к отверстию дросселя, и выполнена из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем коэффициент термического расширения материала кольца.