Стенд для газодинамических испытаний

Полезная модель относится к области анализа материалов путем определения их химических и физических свойств, а именно, к подготовке образцов для исследования путем их разбавления, распыления и смешивания.
Известна динамическая установка для приготовления газовых и парогазовых смесей с заданным содержанием компонентов «Микрогаз-Ф» [1]. Установка предназначена для приготовления газовых и парогазовых смесей с заданной массовой концентрацией или объемной долей компонентов, применяемых в промышленности, научных исследованиях и экологическом мониторинге. Установка «Микрогаз-Ф» является многоканальным генератором аттестованных газовых смесей универсального типа и позволяет во многих случаях отказаться от применения парогазовых смесей (ПГС) в баллонах. Принцип работы установки основан на непрерывном генерировании газовых (парогазовых) смесей с применением термодиффузионного метода (с использованием источника микропотоков (ИМП) газов и паров) или метода динамического разбавления (смешением потоков газов с заданными объемными расходами), а также их комбинациями.
При несомненных достоинствах данной установки имеется и ряд недостатков, заключающихся в следующем:
-4
3
-2
3
- конструктивная особенность установки «Микрогаз-Ф» не позволяет создавать концентрации целевого компонента в приготавливаемых ПГС ниже 1⋅10 мг/м и выше 1⋅10 мг/м, что является недостаточным при приготовлении ПГС веществ, относящихся к первому классу опасности [2];
- применение источников микропотоков неприемлемо для использования веществ, обладающих токсичностью, по причине постоянной их диффузии через стенку ампулы НМЛ.
-2
2
3
Также известен патент РФ 92535 «Газодинамическая установка» [3], где описана газодинамическая установка, предназначенная для создания стабильных по составу парогазовых смесей высокотоксичных веществ для оценки качества технических средств систем мониторинга объектов по уничтожению химического оружия и позволяющая создавать смесь веществ широкого спектра летучести с возможностью изменения концентрации целевого вещества в парогазовой смеси в диапазоне от 1×10 до 2×10 мг/м.
Газодинамическая установка включает в себя дозирующее устройство, выполнено в виде шприца-дозатора и установку для создания парогазовых смесей заданной концентрации. Принцип действия газодинамической установки основан на использовании шприца-дозатора с целевым веществом, одновременно соединенного с регулятором расхода газа и установкой для создания парогазовых смесей заданной концентрацией, которая представляет собой последовательно расположенные испарители, соединенные с блоком динамического разбавителя.
Недостатком данной газодинамической установки является малая длительность работы при создании ПГС с большими концентрациями целевого компонента, это обусловлено использованием дозирующего устройства выполненного в виде шприца-дозатора.
Также известен патент РФ 2284498 «Газодинамический испытательный стенд» [4], где описан газодинамический испытательный стенд, включающий дозирующее устройство, газодинамическую установку для создания парогазовых смесей с заданной концентрацией и систему разбавления, состоящую из несколько последовательно расположенных ступеней (каскадов) разбавления. Стенд обеспечивает приготовление в динамическом режиме газовых смесей веществ широкого спектра летучести с воздухом.
Сущность метода создания ПГС целевого компонента с воздухом заключается в получении исходной парогазовой смеси путем испарения целевого компонента из его жидкой фазы в испарителе дозатора при заданной температуре и смешении его со строго дозированным потоком очищенного и осушенного газа-носителя. Получение ПГС с требуемыми значениями массовой концентрации целевого компонента достигается путем использования необходимого количества последовательно соединенных ступеней (каскадов) разбавления в которых строго дозированное количество исходной парогазовой смеси перемешивается с дополнительным потоком воздуха с заданной объемной скоростью.
Недостатком данного стенда является то, что ПГС находится в термостатированном состоянии, а испытуемый образец находится в нормальных климатических условиях, что не позволяет проводить испытания в заданных (пониженных или повышенных) температурных условиях.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является патент РФ 2219516 [5], «Испытательный стенд для создания парогазовых и пароаэрозольных смесей с заданной концентрацией». В данном испытательном стенде расширены функциональные возможности по диапазону создаваемых концентраций ПГС в аэродинамическом потоке в результате смешения веществ широкого спектра летучести и повышения точности создания заданной концентрации исследуемого вещества. Это достигнуто за счет комплексирования реакционной камеры смешения газовых потоков с автономным термостатированием и регулируемыми газовыми потоками и системы разбавления, состоящей из капиллярного делителя потока с переменным диаметром выходного отверстия капилляра и мощного побудителя расхода воздуха в трубопроводе-разбавителе. В стенде используются два диффузионных дозатора, действие которых основано на диффузии молекул с поверхности жидкого вещества в поток газа-носителя (азот, гелий, осушенный воздух), гравиметрический контроль убыли массы дозируемого вещества в единицу времени и системы разбавления. Соотношением потоков через капилляр - разбавитель и потока, создаваемого фильтровентиляционным агрегатом, достигают необходимого разбавления исходного потока в реакционной камере смешения.
Однако при работе данного стенда имеется необходимость замены дозатора с требуемой производительностью для изменения концентрации целевого вещества в ПГС в широком диапазоне ее значений, после чего необходимо осуществлять повторный запуск ГДС и стабилизировать систему в течение 1-2 часов, что, в свою очередь, не позволяет оперативно изменять концентрацию целевого вещества в ПГС.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, а также возможности создания парогазовой смеси целевого компонента в широком диапазоне концентраций с возможностью температурного воздействия, как на парогазовую смесь, так и на испытуемый образец в температурном диапазоне от минус 50°С до 60°С и осуществлении контроля содержания целевого компонента парогазовой смеси в режиме реального времени.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель стенда для газодинамических испытаний включает диффузионный дозатор, газодинамическую установку для создания парогазовой смеси заданной концентрации, систему разбавления целевого компонента, представленную последовательно расположенными каскадами разбавления, а также дополнительно включает смеситель газовых потоков, теплообменный радиатор, камеру холода, тепла и влаги, газовую магистраль, соединительный штуцер, блок непрерывного попеременного отбора проб, сорбционные трубки, газовый хромато-масс-спектрометр "Griffin-460" [5], при этом все основные узлы стенда для газодинамических испытаний: диффузионный дозатор, последовательно расположенные каскады разбавления, смеситель газовых потоков, теплообменный радиатор, камера холода, тепла и влаги, блок непрерывного попеременного отбора проб, газовый хромато-масс-спектрометр, испытываемый образец соединены между собой газовыми магистралями (коммуникациями), выполненными из медной трубки с резьбовыми штуцерными соединениями.
Суть полезной модели поясняется:
Фиг. 1, на которой изображен стенд для газодинамических испытаний в виде блоков (I-III),
где I - блок создания ПГС заданных концентраций;
II - блок моделирования климатических воздействий на ПГС и ТС ХК;
III - блок контроля концентрации целевого компонента в режиме реального времени;
1 - блок очистки и осушки воздуха;
2 - компрессор;
3,3' - регуляторы расхода газа;
4 - система подачи газа-носителя;
5 - диффузионной дозатор;
6 - термостат;
7 - каскад разбавления;
8 - смеситель газовых потоков;
9 - камера холода, тепла и влаги (КХТВ - 0,5);
10 - место размещения испытуемого образца;
11 - блок непрерывного попеременного отбора проб;
12 - газовый хромато-масс-спектрометр "Grifiin-460";
13 - фильтр-поглотитель, унифицированный ФПУ-200.
Фиг. 2, на которой изображен блок создания ПГС,
где 1 - система очистки и осушки воздуха;
2 - компрессор;
3,3' - регуляторы расхода газа;
4 - система подачи газа-носителя;
5 - диффузионной дозатор;
6 - термостат;
7 - каскад разбавления;
7.1 - капилляр;
7.2 - фильтр-поглотитель;
7.3 - соединительная муфта;
8 - смеситель газовых потоков.
Фиг. 3, на которой изображена камера холода, тепла и влаги (КХТВ - 0,5),
где 8 - смеситель газовых потоков;
9 - камера холода, тепла и влаги (КХТВ - 0,5);
9.1 - теплообменный радиатор;
9.2 - теплоизолирующее покрытие;
9.3 - штуцер соединения испытуемого образца с теплообменным радиатором;
10 - место для размещения испытуемого образца.
Фиг. 4, на которой изображена система непрерывного контроля концентрации целевого компонента парогазовой смеси,
где 11 - блок непрерывного попеременного отбора проб;
12 - газовый хромато-масс-спектрометр "Griffm-460";
12.1 - сорбционная трубка;
12.2 - термодесорбер;
12.3 - блок газовой хроматографии;
12.4 - масс-селективный детектор;
13 - фильтр-поглотитель унифицированный ФПУ-200.
Стенд для газодинамических испытаний обеспечивает создание и поддержание во времени смеси целевого компонента в сухом воздухе с заданной концентрацией. Работа стенда для газодинамических испытаний осуществляется следующим образом:
Атмосферный воздух через блок очистки и осушки воздуха 1 компрессором 2 по газовым магистралям подается в смеситель газовых потоков 8 через регулятор расхода газа 3, с помощью которого осуществляется точное регулирование необходимого количества воздуха для разбавления парогазовой смеси до требуемой концентрации.
Газ-носитель (азот) подается системой подачи газа 4 по газовой магистрали на регулятор расхода газа 3', с помощью которого осуществляется точное дозирование подаваемого газа в диффузионный дозатор 5, в который заливается необходимое количество целевого компонента. Диффузионный дозатор 5 помещен в термостат 6 для поддержания оптимальной температуры испарения целевого компонента. Пары целевого компонента из внутреннего объема диффузионного дозатора 5, сдуваются газом носителем, поступающим из регулятора расхода газа 3', и направляются в каскад разбавления 7, где происходит разделение потока парогазовой смеси, большая часть которого не способна пройти через градуированное отверстие капилляра 7.1, попадает в фильтр-поглотитель 7.2 и после фильтрации выбрасывается в атмосферный воздух, оставшаяся часть потока парогазовой смеси через соединительную муфту 7.3 попадает на следующий каскад, где разбавление происходит повторно. Диаметр капилляра определяется расчетно, количество каскадов разбавления также может быть увеличено. Парогазовая смесь из каскадного разбавителя 7 по газовой магистрали попадает в смеситель газовых потоков 8, где происходит смешивание осушенного и очищенного воздуха с парогазовой смесью и разбавление последней до требуемой концентрации. Смеситель газовых потоков 8, посредством резьбового соединения соединяется с теплообменным радиатором 9.1, расположенным внутри климатической камере 9. Парогазовая смесь, пройдя по теплообменному радиатору 9.1 на выходе разделяется на два потока: первый через соединительный штуцер 9.3 попадает в испытываемый образец 10, расположенный внутри климатической камеры 9, второй поток парогазовой смеси по газовой магистрали 9.2 направляется в блок непрерывного попеременного отбора проб 11, пройдя через который поток парогазовой смеси попеременно направляется на сорбционные трубки 12.1, расположенные внутри термодесорбера 12.2 газового хромато-масс-спектрометра "Griffin-460" 12, после десорбции целевой компонент направляется в блок газовой хроматографии 12.3, пройдя через который попадает на масс-селективный детектор 12.4.
Оставшееся количество парогазовой смеси, не задействованное в проведении количественного определения целевого компонента, по газовой магистрали направляется в фильтр-поглотитель унифицированный (ФПУ-200) 13 и после фильтрации сбрасывается в атмосферный воздух.
Система непрерывного попеременного отбора проб, совмещенная с газовым хромато-масс-спектрометром "Grifnn-460", оснащенным встроенным термодесорбером, позволяет проводить контроль количественного содержания целевого компонента парогазовой смеси в режиме реального времени путем осуществления поочередного отбора ПГС на сорбционную трубку с последующей десорбцией в кварцевую капиллярную колонку газового хроматографа, и детектировании целевого компонента в масс-спектрометре, по результатам которого определяется количественное содержание целевого компонента в ПГС. Время проведения анализа не превышает пяти минут. В момент проведения анализа автоматически производится отбор на вторую сорбционную трубку, десорбирование целевого компонента с которой начинается сразу после окончания анализа первой пробы. Цикличность отбора на первую и вторую сорбционную трубку непрерывна во время проведения испытаний.
Таким образом, совокупность технических решений, предлагаемых в «Стенде для газодинамических испытаний», расширяет арсенал технических средств в данной области и позволяет создавать парогазовые смеси целевого компонента в широком диапазоне концентраций с возможностью температурного воздействия, как на парогазовую смесь, так и испытуемый образец в диапазоне от минус 50°С до 60°С и осуществления контроля содержания целевого компонента парогазовой смеси в режиме реального времени.
Литература:
1. Свидетельство об утверждении типа средств измерений. RU.C.31.004. А №49893 / Установка динамическая «Микрогаз-Ф»;
2. ГОСТ 12.1.007 ССБТ Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - С. 6;
3. Пат. 92535 РФ. Газодинамическая установка/ Авторы: Мандыч В.Г., Шехтер Г.А., Левшов И.А. и др. // Бюл. - 2010. - №1. - С. 8;
4. Пат. 2284498 РФ. Газодинамический испытательный стенд/ Шабанов Н.П., Мандыч В.Г. и др. // Бюл. - 2006. - №1. - С. 10;
5. Пат. 2219516 РФ. Испытательный стенд для создания парогазовых и пароаэрозольных смесей заданной концентрацией/ Авторы: Алимов Н.И., Яковлев А.В. и др. // Бюл. - 2003. - №1. - С. 8;
6. Griffin 460™ GC/MS Переносной газовый хромато-масс-спектрометр. User Manual.