УСТРОЙСТВО ОБОГАЩЕНИЯ ПОТОКА БУФЕРНОГО ГАЗА ПАРАМИ ВЫСОКОКИПЯЩЕГО ВЕЩЕСТВА
DEVICE FOR ENRICHING BUFFER GAS FLOW WITH VAPOR OF HIGH-BOILING SUBSTANCE

Изобретение относится к газовой технике и может быть использовано для систем формирования высококипящих веществ заданной концентрации в потоке буферного газа в системах калибровки систем для определения количественного содержания различных атомарных и молекулярных веществ в протекающем газовом потоке методами диодной лазерной спектроскопии.
Известно устройство открытого цикла для насыщения потока буферного газа высококипящим веществом (патент CN 108321664 А, опубл. 24.07.2018) с финальным выбросом буферного газа к атмосферу. Устройство включает в себя источник хранения буферного газа в виде баллона, устройство контроля давления и расхода газа - редуктор, устройство очистки газа, устройство нагрева rasa и камеру смешения потока газа с высококипящим веществом. Буферный газ из источника хранения буферного газа поступает через устройство регулирования давления и расхода газа, в устройство очистки газа, выполненное в виде пористого фильтра. Затем очищенный буферный газ по трубопроводу поступает в цилиндрическую смесительную камеру с подогреваемыми стенками. Смесительная камера содержит высококипящее вещество в жидкой фазе в виде одной или нескольких капель на стенках. При протекании буферного газа через смесительную камеру происходит насыщение его потока парами высококипящего вещества. Высококипящее вещество равномерно перемешивается с поступающим газом и поступает в камеру взаимодействия с устройством оптического воздействия на газ. Буферный газ с высококипящим веществом, вытекающий из камеры взаимодействия, несущий отработанное тепло, отводится в атмосферу. Устройство обладает преимуществами простой структуры и легкой реализации равномерного нагрева и точного контроля температуры. Однако имеет и недостатки. Так, например, в ряде случаев необходимо обеспечить работу устройства при низких или сверхнизких давлениях соответствующих разреженной атмосфере астрономических объектов или планет, например, Марса без контакта с атмосферным воздухом, содержащим кислород.
Известно устройство системы обогащения буферного газа парами высококипящего вещества (в виде атомарного газа) (патент CN 205385194 U, опубл. 13.07.2016). взятое за протопит и включающее полый корпус с входным и выходным фланцами, резервуар с высококипящим веществом, находящимся в жидкой фазе, при этом полый корпус, входной и выходной фланцы снабжены системой нагрева, устройство выполнено с возможностью протекания через корпус потока буферного газа. В качестве буферного газа, обогащаемого высококипящим веществом используется углекислый газ, а ют, неон, аргон, ксенон с возможной добавкой органических газообразных присадок с низкой длиной углеродной цени в молекуле. В данном случае резервуар с высококипящим веществом выполнен вынесенным за пределы полого корпуса и соединен с ним герметичным трубопроводом.
Насыщение буферного газа высококипящим веществом происходит в подогреваемом полом корпусе, включающем структуру-теплообменник, соединенную трубопроводом с вынесенным резервуаром-испарителем, содержащим высококипящее вещество. Стенки резервуара подогреваются до определенной температуры, обеспечивающей заданное значение концентрации высококипящего вещества в его внутреннем объеме. За счет диффузии пары высококипящего вещества поступают через трубопровод в теплообменник. Поток буферного газа протекает через теплообменник и за счет сильно нестационарной картины течения перемешивается с высококипящим веществом. Таким образом, реализуется насыщение потока буферного газа высококипящим веществом.
Недостатками прототипа устройства является длительное время распространения диффузионного потока высококипящего вещества в виде паров в трубопроводе, заполненном неподвижным буферным (азом при давлениях порядка атмосферного от резервуара-испарителя до теплообменника в полом корпусе. Неоднородность проникновения высококипящего вещества в элементы теплообменника, выраженная в градиенте концентрации от входной точки до наиболее удаленной области, приводит к наличию неоднородного поля концентрации высококипящего вещества в выходящем потоке буферного газа. В качестве еще одного недостатка можно выделить существенную зависимость потока частиц высококипящего вещества в буферный газ от скорости его прокачки через полый корпус. Насыщение потока буферного газа высококипящим веществом существенным образом зависит от температуры самого буферного газа и or скорости его протекания через подогреваемый полый корпус.
Указанные недостатки обусловлены тем, что поток буферного газа взаимодействует с источником высококипящего вещества на очень малой и неконтролируемой площади, причем эффективность насыщения оказывается сильно зависящей от температуры буферного газа, гак и от параметров движения буферного газа через устройство.
Таким образом, известное устройство, выбранное за прототип, не позволяет обеспечивать требуемое значение однородности распределения концентрации высококипящего вещества при однократном прохождении устройства в широком диапазоне давлений буферного газа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание эффективной системы насыщения потока буферного газа высококипящим веществом, работающей в широком диапазоне давлений. 1емперагур и скоростей прокачки газовой среды.
Техническим результатом является обеспечение достижения в потоке буферного газа заданной концентрации высококипящего вещества при однократном проходе через полый корпус.
Другим техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым устройством является поддержание режима, при котором в потоке буферного газа исключается появление капель высококипящего вещества за счет установки крышки на резервуар с высококипящим веществом.
Кроме этого в устройстве заложена конструктивная особенность, позволяющая за счет режима работы пропорционально-интегрально-дифференцируемо (ПИД) регулируемых нагревателей по сигналам от внешних термопар, контролируемо создавать любую концентрацию высококипящего вещества в потоке буферного газа, менее иди равную концентрации насыщенных паров испаряемого вещества от поступающих туда паров высококипящего вещества посредством конденсационной очистки и контролировать его температуру на выходе устройства.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в устройстве обогащения потока буферною газа парами высококипящего вещества, включающем полый корпус с входным и выходным фланцами, резерву ар с высококипящим веществом в жидкой фазе, полый корпус, входной и выходной фланцы снабжены системой нагрева при этом устройство выполнено с возможностью протекания через корпус газового потока, новым является то, что резервуар выполнен в виде паза в стенке корпуса, причем внутри корпуса вдоль направления потока буферного таза расположены по меньшей мере два элемента из открыто пористого, смачиваемого высококипящим веществом материала, таким образом, что их нижняя часть погружена в резервуар с высококипящим веществом, а верхняя часть выступает над границей резервуара, причем между элементами из пористого материала организован зазор для протекания газового потока.
В первом частном случае, связанном с примером конкретной реализации устройства, резервуар дополнительно снабжен крышкой со сквозивши отверстиями, в которых расположены элементы из открыто пористого материала.
Во втором частном случае, связанном с технологическим особенностями изготовления, элементы из пористого материала выполнены в виде прямоугольных матов с заданной пористостью.
Предлагаемое устройство применяется для систем формирования высококипящих веществ заданной концентрации в потоке буферного газа в системах калибровки систем для определения содержания различных атомарных и молекулярных веществ методами диодной спектроскопии.
Высококипящее вещество либо загружается в объем резервуара в виде фрагментированных частей в твердой фазе и нагревается до жидкой фазы, либо подается в резервуар через внешнюю выносную систему в случае использования жидкости.
Пространственная ориентация корпуса с резервуаром вниз позволяет содержать высококипящее вещество в резервуаре за счет воздействия гравитации. В случае недостаточности воздействия гравитационного поля возможен переход к системе удержания высококипящего вещества в резервуаре за счет сил другой природы; электростатических, магнитных или центробежных.
Проток буферного газа через корпус обеспечивается внешним нагнетателем или любой другой системой создающей изначальный перепад давления. Ввод потока чистого буферного газа в корпус и вывод его из корпуса с содержанием высококипящего вещества осуществляется через входной и выходной фланцы круглого или прямоугольного сечения. Фланцы могут быть снабжены системой герметизации на основе любого из термостойких вакуумных соединений.
Нагрев корпуса осуществляется внешними и/или внутренними электрическими нагревателями, а также в ряде возможных реализаций потоком теплоносителя по внешней стенке корпуса.
Эффективность испарения высококипящего вещества в поток буферного газа при заданной температуре определяется площадью поверхности, с которой происходит данное испарение. В прототипе испарение высококипящего вещества происходит только с внешней стенки капли высококипящего вещества, сосредоточенной в резервуаре. В заявляемом устройстве высококипящее вещество за счет нагрева корпуса находится в резервуаре в жидкой фазе. В корпусе, вдоль направления потока буферного газа, расположены два протяженных элемента из открыто пористого материала, причем нижней частью данные элементы заходят в резервуар корпуса и контактируют с высококипящим веществом в жидкой фазе. В качестве материала открыто пористых элементов выбирают тот, который обеспечивает эффективное смачивание поверхности заданным высококипящим веществом. За счет эффекта смачивания под действием Лапласова давления происходит подъем жидкой фазы высококипящего вещества из резервуара по открыто пористым элементами вверх в поток буферного газа. Площадь испарения высококипящего вещества в поток газа оказывается при этом значительно выше, чем в случае испарения со свободной поверхности капли на стенках теплообменника. Подбирая пористость, длину, геометрию расположения и количество открыто пористых элементов достигается заданная степень насыщения потока буферного газа высококипящим веществом при данной скорости прокачки и температуре корпуса с резервуаром. При этом предпочтительна прокачка буферного газа через корпус в режиме турбулентного течения (Re>7500), однако и в режиме ламинарного течения (Re<7500) заявляемое устройство обеспечивает преимущества по сравнению с аналогом и проктитом.
С целью обеспечения чистоты потока буферного газа от возможного сноса капель жидкого высококипящего вещества из резервуара при высоких объемных расходах буферного газа через поперечное сечение устройства оно может оснащаться крышкой резервуара. В этом случае свободная поверхность высококипящего вещества в резервуаре защищена от срыва капель в результате протекания высоко скоростного потока буферного газа у ее края.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведено сечение в вертикальной плоскости устройства обогащении потока буферного газа нарами высококипящего вещества.
1 - входной фланец;
2 - выходной фланец:
3 - полый корпус;
4 - резервуар с высококипящим веществом в жидкой фазе;
5 - система нагрева полого корпуса с резервуаром;
6 - элементы из открыто пористого смачиваемого высококипящим веществом материала;
7 - поток буферного газа без высококипящего вещества на входе в устройство;
8 - поток буферного газа, обогащенный высококипящим веществом, на выходе устройства;
9 - крышка резервуара со сквозными отверстиями для элементов из открыто пористого материала.
На Фиг. 2 приведено сечение в горизонтальной плоскости устройства обогащения потока газа парами высококипящего вещества.
1 - входной фланец;
2 - выходной фланец;
3 - полый корпус:
5 - система нагрева полого корпуса с резервуаром;
6 - элементы из открытого пористого смачиваемого высококипящим веществом материала;
7 - поток буферного таза без высококипящего вещества на входе в устройство:
8 - поток буферного газа, обогащенный высококипящим веществом, на выходе устройства;
9 - крышка резервуара со сквозными отверстиями для элементов из открыто пористого материала.
Устройство обогащения потока буферного газа парами высококипящего вещества включает полый корпус (3) с входным (1) и выходным (2) фланцами, резервуар (4) с высококипящим веществом в жидкой фазе, при этом полый корпус (3). входной (1) и выходной (2) фланцы снабжены системой нагрева (5), а также устройство выполнено с возможностью протекания через корпус потока буферного газа (1). Резервуар (4) выполнен в виде паза в стенке корпуса (3), причем внутри корпуса, вдоль направления потока буферного газа (7) расположены, по меньшей мере, два элемента из открыто пористого смачиваемого высококипящим веществом материала (6), таким образом, что их нижняя часть погружена в резервуар с высококипящим веществом (4), а верхняя часть выступает нал границей резервуара (4), причем между элементами из открыто пористого материала (6) организован зазор для протекания потока буферного газа (7).
Резервуар (4) дополнительно снабжен крышкой (9) со сквозными отверстиями, в которых расположены элементы из открыто пористого материала (6).
Элементы из открыто пористою материала (6) выполнены в виде прямоугольных матов из медной или золотой проволоки е заданной пористостью.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
Высококипящее вещество загружается или подается в резервуар за счет внешней системы, полый корпус нагревается до заданной температуры электрическими нагревателями или протоком теплоносителя вдоль поверхности внешних стенок корпуса. Далее в корпус через входной фланец под воздействием перепада давления создаваемого, например, внешним нагнетателем поступает поток буферного газа. Высококипящее вещество пропитывает элементы из открыто пористого смачиваемого ею материала и понимается по ним из резервуара во внутреннюю часть полого корпуса омываемого потоком буферного газа. С разветвленной поверхности открыто пористого материала происходит испарение высококипящего вещества в поток буферного газа. Причем в режиме турбулентного течения и проникновения потока в подавляющий объем пор материала эффективность устройства увеличивается. Далее поток буферного газа, насыщенный парами высококипящего вещества направляется в сторону выходного фланца устройства и покидает его. Для повышения эффективности работы устройства входной и выходной фланцы также могут быть снабжены системой нагрева.
В примере конкретной реализации устройство имеет полый металлический корпус с входным и выходным фланцами диаметром 32 мм, внутри полого корпуса, в его стенке, выполнен прямоугольный резервуар с размерами 20×5×500 мм. В качестве буферного газа применяется углекислый газ при давлении от 0,1 до 5 атм. Прокачка углекислого газа через полый корпус осуществляется за счет внешнего центробежного нагнетателя. В роли высококипящего вещества выступает органическое высококипящее масляное соединение, например, бетонная кислота. Резервуар содержит до 300 мл высококипящего вещества при температуре до 200°С. В качестве открыто пористого смачиваемого материала применяются маты из цилиндрической проволоки или отдельных шарообразных образований, выполненные по технологии хаотичного или упорядоченного спекания отдельных нитей или шаров высокотемпературным припоем в вакууме. Пористость матов подбирается исходя из коэффициентов смачивания и плотности высококипящего масляного соединения. Толщина матов составляет 2 мм, зазор между ними 3 мм. Маты на полную высоту выставлены в проходное сечение полого корпуса. В качестве системы нагрева применяются электрические патронные нагреватели с ПИД регулированием по сигналам от внешних термопар, расположенных на элементах фланцев, полого корпуса и матов из открыто пористого материала.
Использование заявляемого изобретения по сравнению с известными устройствами обеспечивает качественно новые технические и эксплуатационные характеристики по сравнению с наиболее прогрессивными отечественными и зарубежными аналогами.