СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF SAMPLING HIGH-TEMPERATURE GASES AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к способам и устройствам отбора проб отработавших газов двигателей внутреннего сгорания для анализа технического состояния транспортного средства по качеству использования моторных топлив и по влиянию на безопасность окружающей среды.
Согласно классификации, принятой в международных стандартах [ГОСТ 31370-2008 (ИСО 10715:1997) Газ природный. Руководство по отбору проб. М.: Стандартинформ, 2009], заявляемый способ и устройство относятся к косвенному точечному отбору пробы с ретроградной конденсацией:
- косвенный отбор пробы (indirect sampling) подразумевает «отбор проб в тех случаях, когда нет непосредственного соединения между отбираемым газом и аналитическим блоком»;
- точечная проба (spot sample): «Проба определенного объема, отобранная из потока газа в определенном месте в определенное время»;
- ретроградная конденсация (retrograde condensation): Процесс, заключающийся в том, что «при критических термодинамических условиях из газообразной смеси выделяется жидкость (изотермическая и изобарическая конденсация)». Ретроградное поведение характерно для многокомпонентных смесей и отражает неидеальность их фазовых свойств;
- представительная проба (representative probe): Проба, извлеченная из общего объема продукта, содержащая его компоненты в тех же пропорциях, в которых они присутствуют в общем объеме [ГОСТ Р 52659-2006 Нефть и нефтепродукты. Методы ручного отбора проб. М.: Стандартинформ, 2007].
Этому условию могут удовлетворять лишь хорошо перемешанные жидкости и газы. В обеспечении представительности пробы нет необходимости, если объект достаточно однороден по составу;
n
s
- изокинетический отбор проб (isokinetic sampling): Отбор проб при расходе, обеспечивающем скорость (v) и направление пылегазового потока, поступающего на вход насадки отбора проб, такие же, как скорость (v) и направление потока в трубе в точках отбора проб. [ГОСТ Р ИСО 9096-2006 (ISO 9096:2003) Выбросы стационарных источников. Определение массовой концентрации твердых частиц ручным гравиметрическим методом. М.: Стандартинформ, 2006 / [Электронный ресурс] - Режим доступа:  дата обращения 16.02.2013];
- метод внутренней фильтрации: Применяется при отборе проб влажных газов, наличии в газах агрессивных компонентов и смол, высокой адгезионной способности пыли, пылеуловитель расположен внутри [ГОСТ Р 50820-95 Оборудование газоочистное и пылеулавливающее. Методы определения запыленности газопылевых потоков / [Электронный ресурс] - Режим доступа:  - дата обращения 16.02.2013].
«Водный конденсат» означает осаждение водосодержащих составляющих, переходящих из газового в жидкое состояние. Образование водного конденсата обусловлено такими факторами, как влажность, давление, температура и концентрация других составляющих, например серной кислоты. Воздействие этих факторов изменяется в зависимости от влажности поступающего в двигатель воздуха, влажности разбавляющего воздуха, соотношения воздуха и топлива в двигателе и состава топлива, в том числе и от количества водорода и серы в топливе [«Глобальные технические правила №11». Введены в «Глобальный регистр» 12 ноября 2009 года). «Процедура испытания двигателей с воспламенением от сжатия, которые должны устанавливаться на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной подвижной технике, в отношении выброса загрязняющих веществ этими двигателями» / [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.unce.org/fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29wgs/wp29gen/wp239registry/ECE-TRANS-180al lapplr.doc - дата обращения 16.02.2013].
Известен способ криогенного концентрирования (улавливания) загрязняющих веществ из воздуха. Он заключается в вымораживании токсичных примесей при пропускании загрязненного воздуха через ловушку с сорбентами или инертным материалом (стекловолокно, стальные или стеклянные шарики и т.п.) при температурах, существенно более низких, чем температуры кипения анализируемых примесей. Основной компонент (воздух) проходит через ловушку, не удерживаясь, а примеси собираются (концентрируются, конденсируются) в ловушке [Ю.С.Другов, А.А.Родин. Пробоподготовка в экологическом анализе. СПб, Анатолия, 2002, с. 78-79].
Способ в основном используют в газовой хроматографии при анализе приоритетных загрязнений воздуха на уровне ppb-ppt. При этом избыток конденсированной воды существенно затрудняет процесс последующего использования хроматографического метода определения загрязнителей [Berezkin V.G., Drugov Y.S. Gas chromatography in air Pollution analysis/Amsterdam, e.a.: Elsevier. 1991]. Причем высокие концентрации загрязняющих веществ вынуждают исследователей применять не метод «конденсации», а метод «разбавления» пробы стерильным воздухом или инертными газами.
Для целей взятия проб и подготовки к анализу состава отработавших газов двигателей внутреннего сгорания транспортных средств известен «Понижающий концентрацию пробоотборник и способ отбора и понижения концентрации газовой пробы» [патент RU 2419083 G01 N 1/22, опубл.: 20.05.2011, БИ №14]. Согласно изобретению в поток газа вводится охлажденный инертный газ, предназначенный для охлаждения газовой пробы и для ее разбавления до концентраций, не влияющих на точность средств измерений. Изобретение основано на методе «полного разбавления потока», что означает процесс смешивания полного потока отработавших газов с разбавляющим воздухом перед отделением соответствующей фракции потока разбавленных отработавших газов в целях анализа.
Недостатком данного технического решения является невозможность концентрации в одной пробе газов паров летучих компонентов и компонентов в виде аэрозолей механических частиц.
Известно устройство, содержащее корпус с расположенной в нем заборной трубкой, ловушку с сетчатым или керамическим фильтром, установленным на наружной поверхности корпуса в месте входа газа в заборную трубку, холодильник и связанный патрубками с ловушкой и холодильником гидрозатвор, причем ловушка и холодильник снабжены индивидуальными клапанами для соединения их с патрубками гидрозатвора [патент RU №2011179, опубл. 15.04.1994]. При этом к трубопроводу или к металлическому кожуху канала, по которому движутся анализируемые газы, должно быть приварено уплотняющее устройство, через которое производится отбор газовой пробы, а доставка пробы к анализатору осуществляется с помощью специального водоохлаждаемого зонда, к которому подсоединяют резиновые рукава, подводящие и отводящие охлаждающую воду [Есжанов И. Исследование влияния скорости охлаждения газа на образования токсичных компонентов в охлаждаемых зондах [Текст] / И.Есжанов, К.Е.Арыстанбаев // Молодой ученый. - 2012. - №2. - С.15-18].
Недостатком устройства является его стационарность и невозможность применения в переносном состоянии. Кроме того, недостатком устройства является наличие фильтра, расположенного на поверхности корпуса устройства, искажающего истинный фазовый состав отработавших газов в последующем потоке газов.
Известно устройство для отбора проб отработавших газов двигателя транспортного средства, содержащее пробоотборник, соединенный с выхлопной трубой и посредством входной трубки с отборной эластичной камерой, смонтированной в переносном приспособлении, и контрольно регистрирующую аппаратуру, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и ускорения процесса контроля состава газов на движущемся транспортном средстве в натурных дорожных условиях отборная камера выполнена съемной и снабжена дистанционно управляемым запорным элементом, а переносное приспособление снабжено патрубком, выходной конец которого расположен в одной плоскости с концом пробоотборника [патент RU №2023250, опубл. 15.11.1994].
Недостатком устройства является невозможность получения представительной пробы при различных режимах работы двигателя и невозможность предотвратить протекания вторичных химических реакций между компонентами отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, неизбежных при высоких температурах ОГ ДВС.
Известен холодильник устройства для отбора газа, в котором отвод конденсата составляет одно целое с холодильником. На внутренней стороне полого конуса закреплены холодные спаи элементов Пельтье, и от него ответвляется трубопровод для отбора измерительного газа. Холодильник отличается тем, что в качестве генератора тока, потребляемого элементами Пельтье, предусмотрена батарея термоэлементов, горячие спаи которых находятся в канале дымовых газов, а холодные спаи - во внешнем пространстве [Заявка на изобретение ФРГ№1297902/ [Электронный ресурс] - Режим доступа: 189&chapter=83 - дата обращения 16.02.2013].
Недостатком устройства является невозможность сбора конденсата ОГ ДВС для нестационарных источников.
Известно устройство для отбора проб выхлопных газов двигателя, позволяющего проводить отбор проб на движущемся транспортном средстве. Устройство содержит снабженный охладителем пробоотборник, соединенные с ним расходомер и распределитель, отборную камеру, систему слежения, соединенную с пробоотборником. При этом отборная камера выполнена в виде шприца, установленного на распределителе и снабженного электромеханическим приводом, соединенным с системой слежения, при этом шток шприца соединен с приводом фрикционно с помощью реечной тяги, снабженной электромагнитным приводом ее качения и соединенной с ним шарнирно [Заявка на изобретение Великобритании №1496173, G01N 1/24, 1977].
Известно устройство для отбора проб пыли и газа из высокотемпературного пылегазового потока, содержащего
конденсирующиеся компоненты, состоящее из охлаждаемого патрубка, уплотнения и механизма перемещения, отличающееся тем, что, с целью сохранения физико-химических свойств отбираемых проб, заборный патрубок помещен в герметичную капсулу с жидким теплоносителем, снабженную секционированной рубашкой охлаждения [патент SU №345214, опубл. 01.01.1972].
Недостатком устройства также является невозможность сбора конденсата ОГ ДВС для нестационарных источников.
Из известных способов отбора проб высокотемпературных газов наиболее близким по числу общих существенных признаков является способ отбора проб высокотемпературных газов из газоходов для измерения концентраций вредных веществ в выбросах отработавших газов при температурах до 600°C, заключающийся в измерении объема газа, протягиваемого через пробоотборный зонд, с последующим приведением объема отобранной пробы к нормальным условиям [«ПНД Ф 12.1.1-99. Методические рекомендации по отбору проб при определении концентраций вредных веществ (газов и паров) в выбросах промышленных предприятий» (утв. Госкомэкологией РФ 24.03.1999) / [Электронный ресурс] - Режим доступа:  - дата обращения 16.02.2013].
К недостаткам способа относится невозможность его использования для отбора проб отходящих газов двигателей внутреннего сгорания движущего транспортного средства. Способ не дает возможности оценить эффективность использования топлива при разных режимах работы двигателя внутреннего сгорания на основе анализа соотношений различных групп химических соединений состава ОГ ДВС, в том числе высоколетучих компонентов, для сорбции которых требуются криогенные температуры.
Способ - аналог реализуется устройством, включающим: аспирационное устройство, пробоотборный зонд, поглотители, сборник конденсата, средства предотвращения переброса, термометр для измерения температуры и манометр для измерения давления в линии отбора проб [«ПНД Ф 12.1.1-99. Методические рекомендации по отбору проб при определении концентраций вредных веществ (газов и паров) в выбросах промышленных предприятий» (утв. Госкомэкологией РФ 24.03.1999) / [Электронный ресурс] - Режим доступа:  - дата обращения 16.02.2013].
Недостатком указанного устройства является возможность использования только в стационарных условиях. При этом охлаждаемый пробоотборный зонд не может обеспечить сохранность в пробе компонентов, конденсирующихся и сохраняющихся в пробе только при низких температурах.
Техническим результатом изобретения является разработка способа и устройства отбора представительных проб высокотемпературных газов подвижных (нестационарных) источников токсичных выбросов, содержащих в своем составе конденсирующиеся компоненты, требующие для их сохранения в пробе до введения в измерительное устройство особых низкотемпературных условий. При этом способ может быть применимым для использования при отборе проб отходящих газов двигателей внутреннего сгорания вне зон технического обслуживания, т.е. в полевых условиях, для последующей оценки технического состояния транспортного средства, включая оценку экологической опасности воздействия комплекса химических факторов состава его отработавших газов.
Задача решается тем, что в известном способе отбора проб высокотемпературных газов при температурах до 600°C, включающем измерение объема газа, протягиваемого через пробоотборный зонд посредством аспирации и сбор конденсата с приведением объема отобранной пробы к нормальным условиям согласно изобретению для получения представительной пробы, характеризующей источник выбросов, поток высокотемпературных газов охлаждают до температуры конденсирования паров летучих компонентов с учетом расхода топлива и режимов работы двигателя, при этом аспирация объема пробы осуществляется перепадом давлений в сборнике конденсата и в потоке отработавших газов, причем потоком отбираемого высокотемпературного газа создают «кипящий слой» из инициаторов конденсирования паров летучих компонентов, при этом объем отобранной пробы сопоставляют с расходом топлива и режимом работы двигателя, а конденсат сохраняют в сборнике конденсата в герметичных условиях до начала поэтапного исследования концентрации отдельных компонентов, а также тем, что устройство для осуществления способа состоит из пробоотборного зонда, средства измерения объема высокотемпературных газов,  сборника конденсата, согласно изобретению пробоотборный зонд снабжен средством измерения температуры отбираемых газов, сборник конденсата отработавших газов имеет внешнюю вакуумированную термозащитную оболочку, между слоями которой размещена криогенная жидкость и средство измерения температуры конденсата, при этом инициаторы конденсирования шарообразной формы изготовлены из химически инертного материала, обладающего способностью поглощать пары воды состава отработавших газов; причем крышка сборника конденсата имеет тепловую развязку с вакуумированной термозащитной оболочкой сборника конденсата отработавших газов и патрубки ввода пробоотборного зонда и вывода криогенно обработанных газов, снабженных клапанами, при этом патрубок вывода снабжен фильтрующим элементом, а крышка сборника конденсата имеет пульт управления, взаимосвязанный со средством измерения температуры и объема газа, отбираемого для анализа, уровнемером криогенной жидкости и средством измерения температуры собранного конденсата.
Конструкция устройства сбора конденсата представлена на чертеже.
Заявляемый способ реализуется следующими действиями:
1. Перед началом работы в емкость криогенной жидкости наливают криогенную жидкость, например жидкий воздух, которая охлаждает до низких температур стенки цилиндрической емкости сборника конденсата.
2. В целях регистрации параметров косвенного точечного отбора пробы с ретроградной конденсацией большинства ингредиентов состава отработавших газов транспортного средства настраивают процессор на режим работы двигателя, регистрируют начальные параметры температуры стенок сборника конденсата и обнуляют счетчик показателя расхода отбираемого газа.
3. В патрубок отработавших газов транспортного средства, не касаясь стенок выхлопной трубы, т.е. соосно, вводят пробоотборный зонд на расстояние 300 мм от среза патрубка.
4. Учтенная счетчиком объема порция горячих отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, нагнетаемая через пробоотборный зонд напором основного потока выхлопных газов двигателя в полость сборника конденсата, охлаждается до точки росы большинства ингредиентов состава отработавших газов, которые конденсируются и адсорбируются на стенках сборника конденсата, на поверхности каплеуловителя и на механических объектах, расположенных на дне сборника конденсата, и способствующих конденсации паров веществ ОГ ДВС, которые накапливаются на дне сборника конденсата.
5. Отбор пробы прекращают волевым решением. Тревожным сигналом для окончания отбора пробы газа для анализа служат показания процессора о повышении температуры конденсата выше минус 120°C или о критическом падении уровня в емкости криогенной жидкости.
6. Забор пробы прекращается с извлечением пробоотборного зонда из патрубка транспортного средства, что автоматически сопровождается закрытием клапанов входного и выходного отверстий в крышке сборника конденсата.
7. Отобранная проба в конденсированном состоянии вместе с устройством, обеспечивающим ее консервацию при заданной температуре, направляется к месту проведения анализов последовательно выделяющихся при нагревании пробы газообразной, жидкостной и твердотельной (остаточной) фракций отобранной пробы.
8. По окончанию аналитических работ полость сборника конденсата, извлеченную из цилиндрического кожуха устройства и освобожденную от конденсата, подвергают очистке посредством отогрева горячей водой и обработки обезжиривающими жидкостями, например ацетоном [ГОСТ 2768-84 «Ацетон технический. Технические условия»] с последующей осушкой прокачиванием горячего воздуха.
Устройство, реализующее заявляемый способ, имеет металлический теплостойкий пробоотборный зонд 1, выполненный, например, в виде цилиндрической трубки из нержавеющей стали, вводимой в патрубок 2 выхлопной трубы источника выброса, и средство измерения объема 3 отобранной пробы, соединенное с пультом управления 4, расположенным на крышке 5 цилиндрического устройства 6, выполненного в портативном исполнении, в котором размещен сборник конденсата 7 в виде цилиндрической емкости из хладостойкого и газонепроницаемого металла, в полости которого размещен каплеуловитель 8, например, сетчатого типа, расположенный поперек полости сборника конденсата 7, на дне которого свободно расположены инициаторы конденсирования 9 паров веществ состава отработавших газов ДВС, например, в виде гранул силикагеля КСМГ [ГОСТ 3956-76 «Силикагель технический. Технические условия»], при этом стенки сборника конденсата 7 соприкасаются со стенками емкости 10, содержащей криогенную жидкость, например жидкий воздух, а стенки емкости 10 с криогенной жидкостью имеют теплоизолированную и вакуумированную наружную оболочку 11, причем верхняя стенка сборника конденсата 7 имеет съемную теплоизолированную крышку 5, снабженную тепловыми развязками 12, выполненными, например, из фторопласта, в местах контакта крышки 5 с торцевыми краями емкости с криогенной жидкостью 10, а также в местах прохождения штуцера 13 для заполнения емкости 10 криогенной жидкостью, при этом верхние части патрубка ввода 14 пробоотборного зонда 1 и патрубка вывода 15 обработанного воздуха из сборника конденсата 7 теплоизолированы, причем крышка 5 на внутренней поверхности имеет отражательный теплозащитный экран 16, зеркального типа, выполненный, например, из металлической фольги с коэффициентом отражения не менее 0,9; причем отверстия в крышке 5 для патрубков ввода 14 и вывода 15 отработавших газов из сборника конденсата 7 снабжены клапанами 17, автоматически срабатывающими после извлечения пробоотборного зонда 1; при этом пульт управления 4, расположенный на наружной поверхности крышки 5, взаимосвязан с датчиками уровня 18 криогенной жидкости в емкости криогенной жидкости 10, с датчиком измерения температуры 19 конденсата в сборнике конденсата 7 и с устройством измерения объема 3 отработавших газов, например, ультразвукового бесконтактного типа, отбираемого для анализа, что исключает возможность его метрологического отказа из-за налипания вязких веществ состава отработавших газов; при этом патрубок вывода 15 в крышке 5 сборника конденсата содержит извлекаемый фильтродержатель 20 крупносетчатого типа с фильтром 21 улавливания аэрозолей, например, типа АФА-ХП-8, способного благодаря электростатическим свойствам задерживать аэрозоли «типа туман» с частицами 0,01-2,0 мкм, причем патрубок ввода 14 и патрубок вывода 15 снабжены съемными транспортными заглушками 22.
Способ осуществляют следующим образом. При отборе пробы мы использовали аспирационные устройства различного типа, являющиеся существенным признаком аналогов заявляемого технического решения. Оказалось, что давление потока отработавших газов, передаваемое в пробоотборный зонд, в сочетании с падением давления в полости конденсата сборника из-за массовой конденсации паров отработавших газов делает использование аспиратора излишним. Поток отработавших газов температурой 300-500°C (реальная температура ОГ ДВС в патрубке транспортного средства) для получения представительной пробы, характеризующей состав отработавших газов при данном режиме работы двигателя при данном расходе топлива и при данном соотношении воздух-топливо (а), т.е. вне зависимости от атмосферного давления и температуры окружающей среды, через пробоотборный зонд 1, введенный в патрубок 2 выхлопной трубы, поступает в охлажденную полость сборника конденсата 7, имеющую многократно большее поперечное сечение, чем сечение пробоотборного зонда 1, что приводит к потере объемной скорости, измеренной средством для измерения объема 3, составляющей не более 100 л/мин, контактирует с охлажденными стенками сборника конденсата 7, сетчатым каплеуловителем 8 и с шаровидными инициаторами конденсации паров 9, изготовленными, например, из силикагеля КСМГ с поглощающей способностью 9-20% поглощать пары воды, составляющих 4-8% состава отработавших газов ДВС, при этом происходит резкое охлаждение и многократные завихрения потока, способствующего образованию «кипящего слоя» из шаровидных инициаторов конденсирования паров 9, что создает условия для конденсации составных элементов ОГ ДВС; поток газов, потерявший кинетическую энергию, еще раз, но теперь снизу вверх проходит через каплеуловитель 8, фильтруется от аэрозолей в фильтре 21 и удаляется через патрубок вывода 15 в крышке 5 сборника конденсата.
Кратность пробоотбора соответствует 100 л отобранной пробы; тревожным сигналом к окончанию пробы служит показатель температуры отобранного конденсата, приближающейся к минус 120°C, что является критической температурой адсорбции наиболее летучих компонентов состава отработавших газов двигателей, работающих на углеводородном топливе, при этом расход топлива в момент взятия пробы на данном режиме работы двигателя снимается с бортового компьютера.
По окончанию пробоотбора пробоотборный зонд 1 удаляется из патрубка ввода 14 крышки 5 сборника конденсата 7, что приводит к замыканию клапанов 17 в отверстиях крышки 5 сборника конденсата 7, обеспечивая термостабильность пробы в полости сборника конденсата 7 вместе с его термоизолированными наружными стенками 11. Для исключения внешнего загрязняющего воздействия патрубки 14 и 15 защищают транспортными заглушками 22. При этом насадка 23, обеспечивающая соосное расположение пробоотборного зонда 1 в просвете патрубка 2 транспортного средства, снимается с патрубка 2 и обезжиривается ацетоном для удаления загрязнений. После завершения пробоотбора пробоотборный зонд 1 помещают в полиэтиленовый пакет и направляют в лабораторию для экстрагирования отложений.
Проба отработавших газов двигателя внутреннего сгорания источника выбросов, отобранная по заявляемому способу и сохраненная при температуре до минус 120°C, при последующим постепенном разогревании в лабораторных условиях позволяет выделить из пробы методом поэтапного целевого извлечения групп ингредиентов, требующих для десорбции различные температурные режимы нагревания, и измерить концентрации до 40 видов ингредиентов, газообразных продуктов неполного сгорания углеводородного топлива, картерных газов и продуктов их взаимодействия, а также твердых частиц, включая сажу и минеральные соли металлов (сульфаты, нитраты, фосфаты); причем фильтр 20, помещенный в фильтродержателе 21, установленном в патрубке вывода 15, позволяет улавливать практически все аэрозоли в потоке отбираемой пробы ОГ ДВС при скорости пробоотбора не более 100 л/мин.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен прототип, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию «новизна». Сравнение существенных признаков разработанного устройства с признаками известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критерию «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».