ИМПАКТОР

Изобретение относится к устройствам для дисперсного анализа аэрозолей и может быть использовано в промышленности для санитарно-гигиенической оценки воздушной среды, для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания.
Известен многоступенчатый односопельный импактор (Авторское свидетельство СССР №781664), обеспечивающий возможность многоцикловой работы без разборки импактора при полной фильтрации воздуха в каждом цикле пробоотбора. К недостаткам этой конструкции следует отнести высокую сложность. Кроме того, наличие только одного разгонного сопла в конструкции ступени, приводит к низкой пылеемкости импактора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является каскадный импактор (RU 2239815), имеющий более простую и дешевую конструкцию. В данном случае за счет увеличения количества разгонных сопел достигается высокая пылеемкость, равномерное распределение пробы по поверхности коллектора, что дает возможность минимизировать погрешность определения активности при работе в условиях радиационного загрязнения. Однако испытания показали, что этот импактор обладает недостаточной точностью восстановления дисперсного состава аэрозоля с АМАД (активностный медианный аэродинамический диаметр) менее 1 мкм. Кроме того, высокое аэродинамическое сопротивление устройства, которое на 90% определяется последним каскадным элементом, также следует отнести к недостаткам каскадного импактора (RU 2239815).
Заявляемая полезная модель решает задачу создания эффективного, компактного и дешевого каскадного импактора обладающего более низким аэродинамическим сопротивлением и позволяющего расширить диапазон восстановления дисперсного состава аэрозоля с АМАД менее 1 мкм, с повышением точности.
Для решения поставленной задачи было предложено удалить из конструкции импактора (RU 2239815) последний каскадный элемент и фильтр, а вместо них
установить три фильтра, расположенные после обжимной пластины, при этом использовать компенсационное кольцо для обеспечения плотной упаковки каскадных элементов внутри пробоотборной корзины.
Заявленная полезная модель представляет собой устройство, состоящее из корпуса, пробоотборной корзины, каскадных элементов, при этом последним каскадным элементом устройства являются три последовательно установленных фильтра для селективного отбора частиц аэрозоля. Селективность отбора частиц аэрозоля заключается в том, что первый фильтр задерживает частицы аэрозоля, большего аэродинамического диаметра, чем второй, а третий фильтр задерживает все частицы пошедшие через первые два фильтра. Использование в качестве последнего каскадного элемента фильтров приводит к значительному снижению аэродинамического сопротивления всей конструкции импактора, потому что суммарное стандартное аэродинамическое сопротивление фильтров не превышает 0,3 мм.вод.ст.
На фиг.1 изображен каскадный импактор, общий вид; на фиг.2 - схема компоновки импактора; на фиг.3 - схема стенда для проверки работоспособности импактора; на фиг.4 - оценка относительной ошибки определения АМАД с помощью предлагаемого импактора и прототипа для расхода 20 л/мин; на фиг.5 - оценка относительной ошибки определения АМАД с помощью предлагаемого импактора и прототипа для расхода 50 л/мин.
Предлагаемый каскадный импактор с расширенным диапазоном анализа дисперсного состава состоит из следующих элементов: нижней части корпуса 1, верхней части корпуса 2, пробоотборной корзины 3 и каскадных элементов, особенностью первого каскадного элемента является использование верхней части корпуса 2 в качестве сопла первого каскадного элемента. Коллектором первого каскадного элемента является сопельная пластина 4. Последующие каскадные элементы импактора состоят из 3-х основных частей: сопельной пластины 5, коллекторной пластины 6 и разделительного кольца 7. Последний каскадный элемент 8 размещен после обжимной пластины 9, он представляет собой последовательно установленные фильтры для селективного отбора частиц аэрозоля. С целью обеспечения плотной упаковки каскадных элементов внутри пробоотборной корзины 3 используется компенсационное
кольцо 10, расположенное между последней коллекторной пластиной и обжимной пластиной. К верхней части корпуса 2 посредством резьбового соединения может, присоединяется штуцер 11, обе части корпуса соединяются при помощи крепежных винтов 12, для уплотнения используются прокладки 13 и 14.
Устройство работает следующим образом: воздух, содержащий аэрозольные частицы, поступает в импактор сразу через сопло первого каскадного элемента верхней части корпуса 2, а в случае отбора проб из замкнутых технологических пространств, герметичных боксов через штуцер 11 и формируется в поток с заданной линейной скоростью. Попадая внутрь импактора, частицы аэрозоля движутся вместе с воздушным потоком с линейной скоростью, задаваемой размерами и количеством сопельных отверстий. Резкое изменение направления движения потока, после прохождения потоком сопельных отверстий, приводит к тому, что в силу инерции более массивные частицы не успевают изменить направление своего движения и осаждаются в вязком веществе, покрывающем коллекторную пластину. Аэродинамический диаметр частиц, вероятность осаждения которых на коллекторной пластине равна 50%, называется эффективным диаметром разделения (1).
где:
50
D - эффективный диаметр разделения, см;
μ - кинематическая вязкость, г/см·с;
а - диаметр сопла, см;
ч
3
ρ - плотность частиц аэрозоля, г/см;
V - линейная скорость движения частиц в сопле, см/с;
с
С - поправка Канненгема ≥ 1.
Частицы, имеющие аэродинамический диаметр больше эффективного диаметра разделения, осаждаются на коллекторных пластинах, а остальные частицы уносятся воздушным потоком, через центральное отверстие в коллекторной пластине, на следующий каскадный элемент.
Основным механизмом улавливания аэрозольных частиц с помощью волокнистых фильтрующих материалов последнего каскадного элемента, для используемых скоростей пробоотбора, является инерционный захват аэрозольных частиц волокнами. При этом эффективный диаметр разделения частиц фильтром определяется из уравнения (2):
где:
50
d - эффективный диаметр разделения, см;
50
A(d,V) - коэффициента фильтрующего действия, 1/мм.вод.ст;
50
50
E(d,V) - эффективность фильтра, (для d, Е=0,5);
V - линейная скорость фильтрации, см/с;
dp - стандартное аэродинамическое сопротивление, мм.вод.ст.
Определив коэффициент фильтрующего действия по таблицам (Будыка А.К. Развитие основ метода многослойных фильтров для дисперсного анализа реакторных аэрозолей. - МИФИ, М., 1986 г.), рассчитывают эффективный диаметр разделения частиц фильтром для используемой скорости пробоотбора. Собирая последовательно несколько каскадных элементов с уменьшающимся эффективным диаметром разделения и измеряя активность или массу частиц, осевших на коллекторных пластинах или фильтрах, получают распределение частиц по аэродинамическим диаметрам.
Пример 1
g
Для выявления различий между предлагаемой моделью и каскадным импактором (RU 2239815) при измерении дисперсного состава аэрозоля, основными характеристиками которого являются АМАД и β (стандартное геометрическое отклонение), действуют следующим образом: производят компоновку пробоотборной корзины 3 в соответствии со схемой на фиг.2, предварительно, нанеся на поверхности коллекторных пластин 6 вязкое вещество (ЦИАТИМ-221, ГОСТ 9433-80); помещают пробоотборную корзину 3 в нижнюю часть корпуса 1 и соединяют ее с верхней частью корпуса 2 при помощи крепежных винтов 11. Побудителем расхода устанавливают объемную скорость прокачки воздушного потока через импактор, равную 20 л/мин. Проверяют перепад давления на импакторе, используя стенд, схема которого
представлена на фиг.3 (15 - ротаметр, 16 - импактор, 17 - дифференциальный манометр, 18 - вентиль, 19 - побудитель расхода), перепад давления находится в диапазоне от 20 до 25 мм.вод.ст., каскадный импактор готов к работе. Отсоединяют импактор 16 с ротаметром 15 от схемы и устанавливают их на месте пробоотбора, присоединив к побудителю расхода с вентилем на входе. Аналогичным образом готовят к работе каскадный импактор (RU 2239815).
g
g
В качестве генератора аэрозольных частиц с известными АМАД и β используется аэрозольный стенд ВЭРАА. Пробоотбор производят в течение 1 часа (для данного примера), для каждого из распределений с известными характеристиками, приведенными в таблице. Затем по окончании отбора разбирают оба устройства и вынимают пробоотборные корзины. Коллекторные пластины изымают, не нарушая смазанных поверхностей. Для измерения активности коллекторные пластины устанавливают поочередно в держатель радиометра УРФ-1 и производят измерение активности. По результатам измерений, полученных с помощью обеих моделей, определяют значение АМАД и β для каждого из известных распределений, в соответствии с методическими указаниями (МУК 2.6.1.08 - 2004), и заносят их в таблицу 1.
Таблица 1
Номер эксперимента
1
2
3
4
5
6
7
Исходный АМАД, мкм
0,15(2*)
0,3(2)
0,5(2)
1(2)
2(2)
4(2)
8(2)
Каскадный импактор, (RU 2239815)
Не возможно определить
Не возможно определить
0,6(3,6)
0,8(3)
2,3(1,5)
4,5(2,6)
6,6(2,3)
Полезная модель
Не возможно определить
0,3(3,2)
0,5(1,4)
1(2,3)
1,7(1,8)
4,1(2,9)
5,6(2,8)
* - в скобках указана величина β<sub>g</sub>.
g
По отклонению оценки АМАД и β от исходных значений определяется величина ошибки при использовании модели импактора (RU 2239815) и полезной модели. На графике (фиг.4) приведена оценка относительной ошибки определения АМАД с помощью предлагаемого импактора и прототипа для расхода 20 л/мин. Средняя величина ошибки восстановления исходных значений АМАД в диапазоне до 1 мкм для полезной модели составляет 7,12%, что 3 раза меньше, чем для модели (RU 2239815).
Пример 2
g
Проводят испытание, аналогичное описанному в примере 1, установив расход воздуха 50 л/мин. По результатам измерений, полученных с помощью обеих моделей, определяют значение АМАД и β для каждого из известных распределений, в соответствии с методическими указаниями (МУК 2.6.1.08 - 2004), и заносят их в таблицу 2.
Таблица 2
Номер эксперимента
1
2
3
4
5
6
7
Исходный АМАД, мкм
0,15(2*)
0,3(2)
0,5(2)
1(2)
2(2)
4(2)
8(2)
Каскадный импактор, (RU 2239815)
Не возможно определить
Не возможно определить
0,02 (3,6)
0,7(3)
1,6(1,5)
3,4(2,6)
6,1(2,3)
Полезная модель
Не возможно определить
0,2(3,4)
0,6(2,6)
1,1(1,6)
2,0(2,1)
3,2(2,4)
6,0(3,1)
* - в скобках указана величина β<sub>g</sub>.
g
По отклонению оценки АМАД и β от исходных значений определяется величина ошибки при использовании модели импактора (RU 2239815) и полезной модели.
На графике (фиг.5) приведена оценка относительной ошибки определения АМАД с помощью предлагаемого импактора и прототипа для расхода 50 л/мин. Средняя величина ошибки восстановления исходных значений АМАД в диапазоне до 1 мкм для полезной модели составляет 20,4%, что 3 раза меньше, чем для модели (RU 2239815).
По результатам определения ошибки АМАД можно сделать вывод, что в диапазоне до 1 мкм точность восстановления исходного распределения выше у предлагаемой модели импактора, чем при использовании каскадного импактра (RU 2239815). При этом наилучший результат достигается при расходе воздуха 20 л/мин.
Таким образом, за счет изменения конструкции каскадного импактра (RU 2239815) удалось не только снизить аэродинамическое сопротивление, но и повысить точность восстановления дисперсного состава аэрозоля с АМАД менее 1 мкм.