ПОТОЧНАЯ ДИФФУЗИОННАЯ КАМЕРА

Устройство относится к теплообменной технике, к устройствам для проведения теплообменных и диффузионных процессов, для измерения скоростей зародышообразования (скоростей нуклеации) в градиентных условиях.
Изучение процессов нуклеации является перспективным направлением в современной науке. При решении многих проблем в аэродинамике, газодинамике, теплоэнергетике, металлургии, экологии, материаловедении, а так же в других областях науки и техники приходится обращаться к задачам, связанным с образованием зародышей новой фазы в метастабильной исходной фазе.
Для исследования кинетики нуклеации в парогазовых системах применяют различные измерительные устройства. Достаточно подробное рассмотрение этих устройств приведено в обзоре [Anisimov М.Р., Fominykh E.G., Akimov S.V., Норке P.K. Vapor-gas/liquid nucleation experiments: A review of the challenges, Journal of Aerosol Science, 2009, 40 (9) - P. 733-746]. Следует отметить, что измерительные устройства делятся на 2 типа: периодического действия и непрерывные. Первый тип устройств предполагает периодическое создание условий для нуклеации и дальнейшего роста зародышей новой фазы в парогазовых смесях. Например, рабочий объем расширительной камеры очищается методом продувки чистым газом, затем заполняется парогазовой смесью известного состава. Далее смесь адиабатически расширяется, что обычно приводит к понижению температуры парогазовой смеси и росту пересыщения пара и, при превышении определенного порога, к генерации аэрозольных частиц. Это требует затрат дополнительного времени для выполнения подготовительных операций.
Известна камера Вильсона, относящаяся к камерам периодического действия, представляющая собой емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненную насыщенными парами воды, спирта или эфира [Камера Вильсона / Дж. Вильсон; под ред. П.А. Черенкова. - Москва: Издательство иностранной литературы, 1954, - 152 с.]. Пары тщательно очищаются от пыли, чтобы до пролета частиц у молекул воды не было центров конденсации. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся перенасыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляла на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.
Недостатком данной камеры является периодичность детектирования следов частиц, вызванная необходимостью восстанавливать слой пересыщенного пара.
Известна статическая диффузионная камера (Автор, свид. СССР №135152 от 01.01.1961), относящаяся к камерам периодического действия, представляющая собой замкнутый сосуд, заполненный смесью газа и пара под давлением (водород, гелий, пары спирта и др.). Дно и крышка камеры располагаются в горизонтальной плоскости, и между ними создается градиент температур в вертикальном направлении. Пар испаряется от горячей поверхности у крышки камеры и диффундирует к охлаждаемому дну. Между пластинами образуется чувствительный слой пересыщенного пара высотой до нескольких сантиметров. При прохождении заряженных частиц через этот слой на образовавшихся ионах вырастают капли, создавая видимый трек. Эта схема может быть использована для изучения спонтанной нуклеации в пересыщенном паре.
Недостатком данной статической диффузионной камеры является понижение скорости нуклеации при интенсивной генерации аэрозоля из-за истощения слоя пересыщенного пара, поскольку время восстановления пересыщения пара ограничивается скоростью диффузии пара через газ и может доходить до 10 с.
Более перспективный подход реализован в схемах непрерывного измерения скоростей нуклеации, например в поточной диффузионной камере.
Известна поточная диффузионная камера [Michael P. Anisimov, Kaarle Hameri and Markku Kulmala. Construction and test of laminar flow diffusion chamber: homogeneous nucleation of DBP and n-hexanol // J. Aerosol Sci., Vol. 25, 1994, №1 - P. 23-32], являющаяся прототипом. Поточная диффузионная камера включает в себя насытитель, на крышке которого размещен патрубок входа газа-носителя. Газ-носитель насыщается в насытителе исследуемым паром за счет того, что в насытителе на металлической сеточке размещен хроматографический носитель, пропитанный исследуемым образцом (например, глицерином), а свободная часть насытителя (ламинатор) имеет достаточную длину для установления развитого ламинарного течения. Соответственно, в насытителе образуется парогазовую смесь, выходящая через патрубок на дне насытителя. Патрубок выхода парогазовой смеси из насытителя соединен непосредственно с охладителем, который может быть представлен, например, охлаждаемым сосудом типа «труба в трубе», в пространстве между трубами циркулирует охлаждающий агент (жидкость или газ), который поступает через патрубок, расположенный в нижней боковой части охладителя, а выходит через верхний боковой патрубок. В охладителе температура парогазовой смеси понижается и может достигать пересыщений, достаточных для генерации зародышей конденсированной фазы. Зародыши конденсата вырастают до регистрируемых размеров в атмосфере пересыщенного пара в парогазовом потоке, протекающем через охладитель, образуя аэрозольный поток. Патрубок выхода аэрозольного потока из охладителя соединен со счетчиком аэрозольных частиц, позволяющим регистрировать параметры (концентрацию и дисперсный состав) генерируемого аэрозоля.
Недостаток данной поточной диффузионной камеры состоит в том, что при протекании процесса нуклеации возникает затопление канала патрубка выхода аэрозольного потока из охладителя жидким конденсатом, что приводит к дроблению газовым потоком конденсата и появлению крупных капель, искажающих распределение по размерам и концентрацию аэрозольных частиц, регистрируемых аэрозольным счетчиком на выходе из камеры, т.е. порождает погрешность при измерении параметров аэрозольного потока.
Задачей (техническим результатом) является снижение погрешности измерения размеров и концентраций аэрозольных частиц.
Задача достигается тем, что поточная диффузионная камера состоит из насытителя, на крышке которого размещен патрубок входа газа-носителя, хроматографического носителя, засыпанного на металлическую сеточку, закрепленной внутри насытителя, ламинатора, расположенного за металлической сеточкой в нижней части насытителя, патрубка выхода парогазовой смеси, размещенного на дне насытителя и также соединенного с охладителем, который может быть представлен сосудом типа «труба в трубе», бокового нижнего патрубка входа и бокового верхнего патрубка выхода охлаждающего агента охладителя, патрубка выхода аэрозольного потока, закрепленного на дне охладителя, при этом патрубок выхода аэрозольного потока снабжен каналами и перепускным устройством отвода конденсирующейся жидкости.
На чертеже приведена поточная диффузионная камера, которая состоит из насытителя 1, на крышке которого размещен патрубок входа газа-носителя 2, хроматографического носителя 3, засыпанного на металлическую сеточку 4, закрепленной внутри насытителя, ламинатора 5, расположенного за металлической сеточкой в нижней части насытителя, патрубка выхода парогазовой смеси 6, размещенного на дне насытителя и также соединенного с охладителем 7, который может быть представлен сосудом типа «труба в трубе», бокового нижнего патрубка входа 8 и бокового верхнего патрубка выхода 9 охлаждающего агента охладителя, патрубка выхода аэрозольного потока 10, закрепленного на дне охладителя, при этом патрубок выхода аэрозольного потока снабжен каналами 11 и перепускным устройством 12 отвода конденсирующейся жидкости.
Поточная диффузионная камера работает следующим образом. Газ-носитель из баллона через патрубок входа газа-носителя 2 поступает в насытитель 1, куда помещен хроматографический носитель 3, пропитанный исследуемым веществом (например, глицерином), располагаемый на металлической сеточке 4, закрепленной внутри насытителя. Под действием подводимой теплоты к насытителю (теплоноситель может быть различным и на чертеже не указан) происходит испарение исследуемого вещества. Таким образом, происходит процесс насыщения газа-носителя парами исследуемого вещества, образуя парогазовую смесь. Свободная часть насытителя (ламинатор 5) имеет достаточную длину для установления развитого ламинарного течения. Далее парогазовая смесь выходит через патрубок выхода парогазовой смеси 6 из насытителя и поступает непосредственно в охладитель 7, представляющий собой сосуд типа «труба в трубе». В пространстве между трубами циркулирует охлаждающий агент (жидкость или газ), который поступает через нижний боковой патрубок входа 8 охладителя, а выходит через верхний боковой патрубок выхода 9 охладителя. В охладителе температура парогазовой смеси понижается и может достигать пересыщений, достаточных для генерации зародышей конденсированной фазы. Зародыши конденсата вырастают до регистрируемых размеров в атмосфере пересыщенного пара в парогазовом потоке, протекающем через охладитель, образуя аэрозольный поток. Далее аэрозольный поток через патрубок выхода аэрозольного потока 10, закрепленного на дне охладителя, проходит через счетчик аэрозольных частиц (на чертеже не указан), где происходит регистрация измеряемых параметров аэрозольных частиц (концентрация и дисперсный состав).
Во время протекания процесса нуклеации возникает затопление канала патрубка выхода аэрозольного потока из охладителя жидким конденсатом, что неизбежно приводит к дроблению газовым потоком конденсата и появлению крупных капель, искажающих распределение по размерам и концентрацию аэрозольных частиц, регистрируемых аэрозольным счетчиком на выходе из камеры. Благодаря перепускному устройству 12, размещенному в патрубке выхода аэрозольного потока, конденсат отводится самотеком через каналы 11, расположенные также в патрубке выхода аэрозольного потока из охладителя, в емкость для конденсата (на чертеже не указан). Таким образом, конденсат не попадает в аэрозольный счетчик частиц, что приводит к устойчивому протеканию аэрозольного потока через патрубок выхода аэрозольного потока охладителя, вследствие чего аэрозольный поток беспрепятственно может проходить через аэрозольный счетчик, соответственно, значительно уменьшается погрешность измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц аэрозольным счетчиком.
Для исследования нуклеации при повышенных давлениях конструкция поточной диффузионной камеры должна иметь достаточную прочность, соответственно, измерения дисперсного состава и концентрации аэрозоля должны выполняться аэрозольным счетчиком для высоких давлений, например до 200 бар.