АЭРОЗОЛЬНЫЙ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОБООТБОРНИК
AEROSOL BIOLOGICAL SAMPLING INSTRUMENT

Изобретение относится к устройствам, используемым для определения концентрации вредных примесей в воздухе окружающей среды; к устройствам, используемым, в частности, для отбора пробы аэрозолей, в том числе биоаэрозолей. Изобретение можно использовать в микробиологической, пищевой, химической отраслях промышленности, а также в медицине и сельском хозяйстве.
Многие исследования биоаэрозолей, проведенные с использованием различных пробоотборников, продемонстрировали преимущества жидкостных сорбционных устройств по сравнению с другими устройствами, т.к. они обеспечивают высокоэффективное улавливание аэрозольных частиц респирабельных фракций и обеспечивают благоприятные условия для выживания и сохранения живых микроорганизмов во время взятия проб.
Известны приборы микробиологического анализа воздуха, которые применяют принцип сорбционного осаждения аэрозольных частиц под действием центробежной силы (циклоны).
В упомянутых устройствах захват (улавливание) аэрозольных частиц происходит на поверхности пленки жидкости, образуемой на внутренней поверхности циклона при вращении жидкости и ее растекании под действием входного тангенциального потока воздуха. При этом жидкость поступает в циклон за счет эжекции ее из внешнего резервуара и диспергирования непосредственно в заборном патрубке.
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является аэрозольный пробоотборник с рециркулирующей жидкостной пленкой (патент RU 2299415), содержащий корпус с выходным штуцером для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник, цилиндрическую вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, циклон, основание которого соединено с верхней частью вихревой камеры, кольцевой каплесборник, размещенный в верхней части циклона, распылитель сорбирующей жидкости, сливную трубку, соединенную с каплесборником, и трубку слива пробы, при этом он также снабжен накопительным резервуаром для сорбирующей жидкости, который соединен посредством сливной трубки с каплесборником и посредством эжекторной трубки с распылителем и к которому подсоединена трубка слива пробы, при этом циклон выполнен в форме усеченного конуса, большее основание которого соединено с вихревой камерой, каплесборник размещен на наружной поверхности циклона, а распылитель представляет собой эжектор, выполненный в виде сопла во внутреннем канале заборного патрубка, причем внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с меньшим диаметром со стороны входного конца патрубка, а сопло эжектора расположено на участке внутреннего канала заборного патрубка с большим диаметром в зоне ступенчатого изменения его диаметра.
Однако данная конструкция пробоотборника обладает рядом недостатков. В частности, жидкость из каплесборника уходит по сливной трубке самотеком, что приводит к накоплению рециркулирующей жидкости на дне каплесборника, что, в свою очередь, приводит к неучитываемым потерям самой жидкости и поэтому к недооценке взятой аэрозольной пробы. Кроме того, при высокой линейной скорости потока воздуха внутри циклона возможен процесс срыва капель жидкости с верхнего среза циклона и выноса их в выходной штуцер, что приводит к потерям и жидкости, и взятой аэрозольной пробы. Кроме того, структура вращающегося воздушного потока внутри прибора не позволяет получить высокую эффективность улавливания аэрозольных частиц из потока воздуха.
Технической задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является снижение потерь жидкости, рециркулирующей в пробоотборнике, а также повышение эффективности улавливания аэрозольных частиц из потока воздуха.
Указанная техническая задача решается в предложенном аэрозольном биологическом пробоотборнике, содержащем корпус с выходным штуцером для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник, вихревую камеру с тангенциально введенным в нее заборным патрубком, циклон, основание которого соединено с верхней частью вихревой камеры, сборник рециркулирующей жидкости, размещенный в верхней части циклона, резервуар для сорбирующей жидкости, который соединен посредством сливной трубки со сборником рециркулирующей жидкости и имеет подсоединенную к нему трубку слива пробы, распылитель сорбирующей жидкости, содержащий эжектор жидкости, выполненный в виде сопла в первом внутреннем канале заборного патрубка, причем первый внутренний канал заборного патрубка выполнен ступенчатым с меньшим диаметром со стороны входного конца патрубка, а сопло эжектора жидкости расположено на участке внутреннего канала заборного патрубка с большим диаметром в зоне ступенчатого изменения его диаметра и соединено посредством эжекторной трубки жидкости с резервуаром.
Согласно изобретению заборный патрубок содержит второй внутренний канал, расположенный над первым внутренним каналом и выполненный ступенчатым с меньшим диаметром со стороны входного конца патрубка, а распылитель дополнительно содержит эжектор воздуха, выполненный в виде сопла в указанном втором внутреннем канале заборного патрубка, которое расположено на участке второго внутреннего канала с большим диаметром в зоне ступенчатого изменения его диаметра и соединено с резервуаром посредством эжекторной трубки воздуха.
Сопла эжектора жидкости и эжектора воздуха предпочтительно выполнены в виде отверстий в стенке заборного патрубка, причем геометрический центр отверстия каждого сопла находится на расстоянии радиуса этого отверстия от плоскости, образующей ступеньку в соответствующем внутреннем канале заборного патрубка.
Вихревая камера предпочтительно выполнена цилиндрической, а циклон выполнен в форме усеченного конуса, большее основание которого соединено с вихревой камерой.
Пробоотборник предпочтительно содержит сепаратор воздушного и жидкостного потоков, имеющий конфигурацию, опоясывающую верхний край циклона.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в исключении накопления жидкости на дне сборника рециркулирующей жидкости и, следовательно, снижении потерь жидкости, рециркулирующей в пробоотборнике, а также в обеспечении плавного перелива рециркулирующей жидкости через верхний срез циклона без образования капель.
Кроме того, изобретение позволяет обеспечить более узкую по толщине и более плоскую по ширине структуру вращающегося потока воздуха внутри вихревой камеры и циклона, что обеспечивает более высокую эффективность улавливания аэрозольных частиц из потока воздуха.
Конструкция биологического пробоотборника согласно изобретению поясняется приводимым ниже подробным описанием и прилагаемыми чертежами, где:
Фиг.1 схематически показывает общий вид аэрозольного биологического пробоотборника.
Фиг.2 показывает продольное сечение пробоотборника.
Фиг.3 показывает конструкцию заборного патрубка.
Ниже представлен перечень ссылочных обозначений.
1 - заборный патрубок
2 - вихревая камера
3 - конический циклон
4 - сборник рециркулирующей жидкости
5 - крышка циклона
6 - выходной штуцер
7 - трубка стока рециркулирующей жидкости
8 - резервуар для сорбирующей жидкости
9 - сепаратор воздушного и жидкостного потоков
10 - боковые отверстия для потока воздуха
11 - верхний канал воздуха
12 - нижний канал воздуха
13 - верхнее сопло эжектора
14 - нижнее сопло эжектора
15 - эжекторная трубка жидкости
16 - эжекторная трубка воздуха
17 - трубка отбора проб
18 - клапан пробоотбора
19 - клапан подачи чистой жидкости
20 - трубка подачи чистой жидкости
Согласно изобретению пробоотборник имеет корпус, в котором размещена цилиндрическая вихревая камера 2 с установленным на ней коническим циклоном 3. Большее основание конического циклона 3 сопряжено с верхней частью вихревой камеры 2. На корпусе также расположен выходной штуцер 6 для подключения средства прокачки воздуха через пробоотборник, например вакуумного насоса (не показан).
Пробоотборник также содержит резервуар 8 для сорбирующей жидкости и расположенный в верхней части циклона на его внешней стороне кольцевой сборник 4 рециркулирующей жидкости, соединенный с резервуаром 8 трубкой 7 стока рециркулирующей жидкости.
Кроме того, в вихревую камеру 2 тангенциально введен заборный патрубок 1, в котором выполнены два расположенных один над другим геометрически аналогичных внутренних канала 11 и 12, объединенных в один заборный патрубок 1 (Фиг. 1-3).
Внутренние каналы заборного патрубка 1 выполнены ступенчатыми (Фиг. 3), причем меньшие диаметры каналов выполнены со стороны входа заборного патрубка. При этом часть заборного патрубка, начиная от входного среза, выполнена на определенную глубину в виде конуса с целью уменьшения потерь аэрозоля на внутренних стенках из-за неизокинетичности пробоотбора.
В районе ступенчатых изменений проходного диаметра каналов 11 и 12 расположены соответственно верхнее (воздушное) сопло 13 и нижнее (жидкостное) сопло 14, при этом центры указанных отверстий расположены на расстоянии, равном радиусу этого отверстия, от плоскости, формирующей ступень во внутреннем канале приемного патрубка.
Резервуар 8 расположен в корпусе прибора таким образом по отношению к вихревой камере 2 и заборному патрубку 1, чтобы рабочий уровень сорбирующей жидкости в резервуаре 8 был всегда ниже эжекторной трубки 16 воздуха.
Через боковую стенку корпуса резервуара 8 проходит эжекторная трубка 15 жидкости, соединяющая резервуар 8 с нижним соплом 14 нижнего канала 12 заборного патрубка 1, а также эжекторная трубка 16 воздуха, также соединяющая резервуар 8 с верхним соплом 13 верхнего канала 11 заборного патрубка 1.
Предусмотрена трубка 20 подачи порций чистой сорбирующей жидкости из внешней емкости (не показана) в резервуар 8, имеющая клапан 19 подачи жидкости.
К нижней стороне резервуара 8 также прикреплена сливная трубка 17 для отбора проб, имеющая клапан 18 отбора проб.
Порядок работы пробоотборника заключается в следующем.
Включается вакуумный насос, подсоединенный к выходному штуцеру 6, обеспечивая прокачку воздуха через пробоотборник. Входящий через заборный патрубок 1 аэрозольный поток, разделенный надвое внутренними каналами 11 и 12, поступает в вихревую камеру 2.
Нижнее сопло 14 в нижнем внутреннем канале 12 заборного патрубка 1, находящееся в районе ступенчатого изменения диаметра внутреннего канала, действует в качестве эжекционного элемента, т.к. ступень во внутреннем канале обусловливает значительное понижение давления в эжекторе, в результате чего жидкость всасывается из резервуара 8 по эжекционной трубке 15 жидкости. Под действием поперечных сил входного воздушного потока воздуха происходит диспергирование засасываемой струи жидкости в эжекторном сопле 14 в виде жидкокапельного аэрозольного потока. Такая конструкция эжектора не увеличивает аэродинамическое сопротивление внутреннего канала патрубка.
Таким образом, в области выходного среза заборного патрубка 1 происходит взаимодействие двух набегающих друг на друга аэрозольных потоков, в результате чего осуществляется захват (улавливание) аэрозольных частиц из входного потока воздуха на поверхности более крупных частиц жидкокапельного аэрозольного потока. Тем самым обеспечивается повышение общей эффективности улавливания пробоотборника, т.к. этот процесс начинается непосредственно на месте выходного среза заборного патрубка 1.
Поскольку заборный патрубок 1 входит в вихревую камеру тангенциально, то в камере образуется аэрогидрораспыленный вихревой поток, жидкостная составляющая которого осаждается на поверхности камеры и образует вращающуюся пленку жидкости. Отрицательное давление в устройстве, создаваемое внешним вакуумным насосом, обусловливает восхождение пленки жидкости по внутренней стенке конического циклона 3 в виде широкой спиральной полосы. При надлежащем подборе соотношения объемного расхода входящего потока воздуха, геометрических габаритов заборного патрубка 1, вихревой камеры 2 и циклона 3 спиральная полоса жидкости доходит до верха циклона 2 и плавно переливается через край циклона в сборник 4 и затем по трубке 7 стока поступает в резервуар 8, тем самым обеспечивая непрерывную рециркуляцию жидкости в устройстве.
Воздушный вихревой поток под действием отрицательной разности давлений внутри циклона также подымается вверх в виде спирального потока, вращаясь вокруг оси циклона 3. Из-за значительной разности плотности и вязкости воздуха и жидкости скорость вращения и число оборотов двух спиральных потоков: воздушного и жидкостного значительно отличаются друг от друга.
Основной процесс осаждения аэрозольных частиц из потока воздуха регулируется двумя механизмами.
В верхней части вихревой камеры 2 и в нижней части циклона 3 осаждение в основном обеспечивается соударением (импакцией) частиц о поверхность создаваемой пленки жидкости. Второй механизм осаждения определяется тангенциальной составляющей скорости вращения воздушного вихря. Под действием центробежных сил аэрозольные частицы отбрасываются на стенки циклона, где их захватывает вращающаяся пленка жидкости. Чем значительнее будет тангенциальная составляющая скорости вращения, тем больше будут центробежные силы и, соответственно, устройство сможет захватывать аэрозольные частицы меньшего диаметра.
Как упоминалось выше, в устройстве прототипа жидкость из каплесборника уходила по сливной трубке в приемный резервуар самотеком, что приводило к накапливанию рециркулирующей жидкости на дне сборника 4, что, в свою очередь, приводило к неучитываемым потерям самой жидкости и поэтому к недооценке взятой аэрозольной пробы.
Для устранения этого недостатка второй верхний внутренний канал 11 воздуха соединен с эжекторной трубкой 16 воздуха при помощи прохода и верхнего сопла 13.
За счет энергии входного потока воздуха в канале 11 воздуха и ступеньки в диаметрах канала 11 возникает отрицательная разность давлений в трубке 16 и верхнем объеме воздуха резервуара 8 под краем трубки 7 стока, что приводит к принудительному всасыванию рециркулирующей жидкости из сборника 4 в резервуар 8, за счет чего предотвращается ее скапливание.
Конструирование заборного патрубка 1 осуществляется исходя из того предположения, что общая поперечная площадь обоих каналов 11 и 12 будет равна площади канала входного патрубка прототипа, что обеспечивает условие сохранения одинаковой объемной скорости входного воздушного потока. В результате диаметр каждого канала в √2 меньше диаметра сопла прототипа, а общая конструкция выходного среза предлагаемого патрубка 1 приобретает уплощенную, близкую к прямоугольной форму, обеспечивающую лучшее улавливание аэрозоля согласно теории циклонов. Следовательно, эта конструкция позволяет обеспечить более узкую по толщине и более плоскую по ширине структуру вращающегося потока воздуха внутри вихревой камеры 2 и циклона 3 по сравнению со структурой потока, создаваемого инжектором круглого поперечного сечения, как выполнено в устройстве прототипа. Эта структура потока воздуха согласно теории циклонов обеспечивает лучший захват аэрозольных частиц из потока воздуха.
Второе усовершенствование конструкции пробоотборника заключается в том, что в устройство введен сепаратор 9 воздушного и жидкостного потоков, который разделяет оба потока в области верхнего среза циклона 3, что предотвращает срыв капель рециркулирующей жидкости со среза. Конструкция сепаратора 9 опоясывает верхний срез циклона 3 с определенным зазором, причем величина зазора подбирается с учетом обеспечения плавного перелива рециркулирующей жидкости через верхний срез циклона без образования капель.
Небольшая часть потока воздуха, проходящая через зазор сепаратора 9, возвращается в общий выходной воздушный поток через боковые отверстия 10 в стенке выходного штуцера 6.
Для взятия проб сорбирующей жидкости на анализ состава и концентрации отобранного аэрозоля открывается на определенное время клапан 18 пробоотбора, установленный в трубке 17 отбора проб. Для обеспечения длительной работы устройства, в частности, с целью пополнения расхода сорбирующей жидкости в резервуаре 8 открывается клапан 19 подачи чистой жидкости, установленный в трубке 20 подачи чистой жидкости, и требуемое количество свежей сорбирующей жидкости вводится в резервуар 8 из внешнего резервуара (не показан на чертеже).