Способ криогенного отбора пробы газовой смеси
METHOD OF CRYOGENIC SAMPLING OF A GAS MIXTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области машиностроения, использующей взятие образцов из газовой смеси (воздуха) посредством наполнения резервуара (сосуда) сжиженной пробой газовой смеси (воздуха) и может быть использовано в технологических системах контроля качества газовых смесей или атмосферного воздуха или воздуха рабочих помещений.
Уровень техники
Примеси, содержащиеся в атмосферном воздухе или газовых смесях технологических систем рабочих помещений, могут оказывать неблагоприятное воздействие на состояние здоровья человека. Поэтому контроль окружающей воздушной среды имеет первостепенное значение. Наибольшие трудности возникают при контроле примесей, содержащихся в виде газов или аэрозолей с малым аэродинамическим диаметром (d<<1 мкм).
Из существующего уровня техники известны авторские свидетельства СССР на изобретения SU 920429 A1 “Криогенно-конденсационное устройство для отбора проб воздуха с примесями” (опубл.15.04.1982 г.), SU 1057797 A1 “Устройство для отбора проб воздуха” (опубл. 30.11.1983 г.) и SU 1469290 A1 “Устройство для отбора проб воздуха” (опубл.30.03.1989 г.), в которых реализован способ замещения газообразного воздуха приемной емкости сжиженной пробой воздуха с температурой близкой к температуре кипения жидкого азота 77.36 K (-195,6°С).
Также существуют способы отбора пробы и подачи ее в анализирующее устройство с использованием поршня, управляемого подаваемым в один из отсеков инертным газом, или вытеснения из сосуда пробы газа посредством закачки в сосуд заданной газовой смеси, которые заявлены в авторском свидетельстве SU 1624240 A1 “Способ вытеснения газа из сосуда и устройство для его осуществления” (опубл.30.01.1991 г.) или использованы в описании полезной модели к патенту RU 165514 U1 “Устройство для отбора пробы сжиженного газа” (опубл.20.10.2016, бюллетень №29), в свою очередь, ссылающееся на патенты США US 3123982 (опубл. 10.03.1964 г.) и US 8210058 В2 (опубл. 03.07.2012 г.).
Известны иные способы, которые также можно было бы использовать при отборе проб газовой среды (воздуха). Это изобретение RU 2237833 С1 “Способ заправки баллонов и сосудов сжиженным нефтянным газом” (опубл. 10.10.2004, Бюл. №28), реализующий способ вытеснения из цистерны сжиженный газ сжатым инертным газом по жидкостному трубопроводу через газораздаточные колонки в заправляемые баллоны или сосуды и освобождение емкости от газовой смеси из паров сжиженного и инертного газов после опорожнения цистерны. И изобретение RU 2267693 С2 “Способ и устройство для уплотнения жидкости” (опубл. 10.01.2006, Бюл. №1), которое использует уплотнение рабочей жидкости (топлива) посредством понижения ее температуры через более холодный первичный инертный компонент, охлаждаемый в свою очередь еще более холодным вторичным компонентом вспрыскиваемым по потребности.
Недостатками данных технических решений, в одних случаях (SU 920429 A1, SU 1057797 A1, SU 1469290 A1), является инерционность криогенной системы, обусловленная тепловым взаимодействием замещаемого воздуха (температура кипения воздуха 78.8 K) в приемной емкости с жидкой пробой воздуха, и снижением достоверности пробы воздуха, связанная с возможным изменением химической формы примесей вследствие реакции с веществами паразитного объема воздуха приемной емкости.
В других способах (RU 165514 U1, RU 2237833 С1, RU 2267693 С2), недостатками является сложность способа отбора сжиженного газа, связанная с наличием движущих частей (поршня) в условиях низких температур, и/или, как минимум, двух отсеков с изменяемыми уровнями давлений для подачи либо сжатого инертного газа либо криогенной жидкости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, реализованный в “Способе отбора проб воздуха с примесями”, в котором посредством охлаждения жидким азотом теплообменника производится сжижение пробы воздуха и последующий ее сбор в приемной емкости в виде жидкости. Внутренний объем теплообменника и приемной емкости до начала отбора пробы содержит воздух (авторское свидетельство SU 920439 A1, опубл.15.04.1982 г., бюл. №14). Недостатками данного способа являются инерционность, обусловленная тем, что прежде, чем начнется процесс отбора и сжижения газообразной пробы происходит сжижение паразитного объема воздуха, находящегося во внутренних полостях теплообменника. Из-за того, что удельные теплоемкости азота и воздуха приблизительно равны, а разница температур кипения азота и воздуха (температура кипения воздуха 78.8 K = -194.2°С) незначительна и составляет примерно 1.4 K, режим отбора и сжижения газообразной пробы осуществляется с определенной временной задержкой с момента подачи жидкого азота на внешнюю поверхность теплообменника. К еще одному недостатку способа SU 920439 A1 можно отнести снижение достоверности пробы воздуха, связанное с возможным последующим изменением физико-химической формы примесей, содержащихся в газообразной пробе, вследствие их взаимодействия с веществами и аэрозолями паразитного объема воздуха приемной емкости и внутренней полости теплообменника.
Задачами, на решение которых направлен предлагаемый способ, являются:
- снижение инерционности криогенной системы, предназначенной для отбора газовой смеси (воздуха), и
- повышение достоверности отбираемой пробы газовой смеси (воздуха).
Данные задачи решаются за счет того, что предложенный способ криогенного отбора пробы газовой смеси заключается в том, что отбираемую газовую смесь (воздух) сжижают во внутренних полостях теплообменника посредством охлаждения наружной поверхности теплообменника криогенной жидкостью, имеющей свойство температуры кипения не превышающей 77.36 K при нормальном значении давления атмосферы на нулевой высоте, и сохраняют в резервуаре в виде жидкой пробы, отличающийся тем, что до начала возникновения контакта криогенной жидкости с наружными поверхностями теплообменника его внутренние полости и емкость резервуара заполняют инертным газом или смесью инертных газов со свойством температуры кипения, превышающей температуру кипения отбираемой газовой смеси, под давлением, превышающим давление газовой смеси в месте отбора пробы.
Техническим результатом предлагаемого способа криогенного отбора проб газовой смеси является снижение инерционности криогенной системы при отборе пробы газовой смеси (воздуха) и сокращение времени отбора пробы в результате более резкого изменения (понижения) давления в емкости теплообменника вследствие сжижения инертного газа, а также повышение достоверности отбираемой пробы газовой смеси (воздуха), обеспечиваемое тем, что конденсат инертного газа, образовавшийся на внутренних поверхностях теплообменника и резервуара, препятствует взаимодействию веществ пробы газовой смеси (воздуха) с материалом поверхности теплообменника и резервуара.
Раскрытие сущности изобретения
Способ криогенного отбора пробы газовой смеси основан на применении криогенной жидкости с температурой кипения ниже температур кипения контролируемой газовой смеси (воздуха) для сжижения пробы газовой смеси (воздуха) и сохранения ее в виде жидкости в резервуаре.
Для снижения инерционности криогенной системы до начала отбора газовой смеси (воздуха) производят замещение воздуха, содержащегося во внутреннем объеме теплообменника и резервуара, посредством заполнения резервуара и внутренних полостей теплообменника инертным газом (например: аргон, ксенон, криптон или их смесь), имеющего температуру кипения более высокую, чем температура кипения отбираемой газовой смеси (воздуха).
Заполнение внутреннего объема теплообменника и резервуара инертным газом под давлением, превышающим давление контролируемой газовой среды, гарантирует полное вытеснение паразитного объема воздуха из резервуара и теплообменника и предотвращает диффузию веществ внешней среды в теплообменник и резервуар.
Высокая, по сравнению с воздухом, температура кипения инертного газа (их смеси) обеспечивает его более быстрый переход в жидкое состояние при охлаждении криогенной жидкостью с температурой кипения не более 77.36 K (-195.8°С).
В результате охлаждения во внутренних полостях теплообменника возникает резкое понижение давления. Благодаря понижению давления во внутренних полостях теплообменника начинается всасывание в теплообменник пробы контролируемой газовой смеси (воздуха) и ее сжижение вследствие охлаждения. Сжиженная проба газовой смеси (воздуха) поступает в резервуар. Впоследствии сжиженная проба газовой смеси (воздуха) либо извлекается из резервуара для ее анализа либо непосредственно в резервуаре осуществляют аналитические процедуры по определению качественных и количественных показателей контролируемой смеси.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, в котором реализуется способ криогенного отбора пробы газовой смеси. На принципиальной схеме отображен пример криогенной системы, состоящей из сосуда Дьюара с жидким азотом (температура кипения 77.36 K = -195.8°С) с устройством для поддержания уровня жидкого азота в криостате, баллона с инертным газом ксеноном (температура кипения 165.05 K = -108°C), и системы отбора атмосферного воздуха (позиции 1-8).
На фиг. 1 отмечены:
позиция 1 - аэрозольный фильтр;
позиция 2 - выпускной клапан (для сброса избыточного давления при заполнении теплообменника и резервуара-криостата инертным газом);
позиция 3 - выпускной клапан (для сброса избыточного давления при расхолаживании криостата);
позиция 4 - крышка криостата;
позиция 5 - теплообменник Коллинза;
позиция 6 - криостат;
позиция 7 - местоположение сжиженной пробы газовой смеси (воздуха);
позиция 8 - резервуар;
позиция V1 - ограничительный клапан;
позиции V2-V4 - запорные клапаны.
Осуществление изобретения
Способ криогенного отбора пробы газовой смеси осуществляют следующим образом:
1) Исходное состояние криогенной системы (фиг.1) - клапаны V1-V4 закрыты.
2) Затем, перед началом процедуры отбора пробы газовой смеси (воздуха), открывают клапан V2 и заполняют резервуар (позиция 8) и теплообменник (позиция 5) инертным газом (например, ксеноном) до тех пор, пока не сработает выпускной клапан (позиция 2), отрегулированный на определенное давление (выше давления окружающей среды).
3) После заполнения резервуара (позиция 8) и теплообменника (позиция 5) инертным газом клапан V2 переводят в состояние закрыто. Криогенная система готова к отбору проб газовой смеси (воздуха).
4) Далее открывают клапаны V1 и V4 и начинают заполнять емкость криостата (позиция 6) охлаждающей криогенной жидкостью (например, жидким азотом). В результате охлаждения теплообменника (позиция 5) происходит ожижение находящегося в нем инертного газа (ксенона). Возникающее уменьшение давления внутри теплообменника обусловливает поступление через аэрозольный фильтр (позиция 1) пробы газовой смеси (воздуха) из окружающей среды (атмосферного воздуха). Проба газовой смеси (воздуха) в теплообменнике (позиция 5) сжижается и накапливается в объеме резервуара (позиция 8).
5) По мере отбора достаточного, для анализа, количества пробы газовой смеси (воздуха) клапаны V1 и V4 переводят в состояние закрыто. Процесс отбора пробы газовой смеси (воздуха) завершен.
6) При завершении отбора пробы газовой смеси (воздуха) можно производить ее анализ либо непосредственно в резервуаре (позиция 8) либо перевести клапан V3 в состояние открыто и осуществить слив жидкой пробы газовой смеси (воздуха) для анализа в каких-либо других аналитических системах.
Способ предназначен для использования в технологических системах контроля за качеством окружающей воздушной среды, воздуха рабочих помещений и газовых смесей, образующихся (возникающих) в результате производства, а также может применяться для оперативной подачи сжиженных газов в резервуары и топливные емкости.