СПОСОБ АДАПТИРОВАНИЯ ИМПАКТОРОВ К РАЗЛИЧНЫМ УСЛОВИЯМ ОТБОРА ПРОБ АЭРОЗОЛЯ
METHOD FOR ADAPTING IMPACTORS TO DIFFERENT AEROSOL SAMPLING CONDITIONS

Изобретение относится к области исследований или анализа дисперсного состава аэрозольных частиц загрязняющих веществ в воздухе при проведении пробоотбора с использованием импакторов.
Изобретение может быть использовано для проведения исследований, предполагающих отбор и фракционирование аэрозольных частиц, с вариацией условий отбора по объемному расходу воздуха через каскадный струйный импактор и (или) по диапазону дисперсности отбираемого аэрозоля на каждом каскаде импактора.
Отбор проб воздуха для его последующего анализа известными методами является важнейшим элементом процедуры контроля наличия в атмосфере вредных веществ. С целью определения концентрации и фракционного состава контролируемых аэрозольных частиц используют импакторы.
Существуют различные схемы построения импакторов (импактор Мэя, импактор каскадный струйный, импактор щелевой и т.д.) [1-3], однако во всех из них используется один принцип - инерционное осаждение частиц аэрозоля на подложки фракционирующих каскадов вследствие резкой смены направления воздушного потока. Внешним побудителем расхода воздуха создается разряжение во внутреннем объеме импактора, что ведет к аспирации воздушного аэрозоля внутрь импактора. Скорость воздушного потока на каждом каскаде рассчитана так, что аэрозольные частицы определенного размера и больше осаждаются на улавливающей подложке конкретного каскада, а более мелкие огибают улавливающую подложку и с потоком воздуха поступают на следующий каскад импактора, где скорость воздушного потока повышается, что позволяет улавливать аэрозольные частицы меньшей дисперсности.
Известен импактор для отбора проб микробных аэрозолей, состоящий из одного или нескольких каскадов в виде разъемных кольцевых коллекторов с кольцевой проточкой / Патент №2237236 от 1.04.2003 г., Российская Федерация, МПК G01N 30/72 [Текст], Оленин О.Д.; заявитель и патентообладатель Оленин О.Д. - №2003108904/12, заявл.01.04.2003 г.; опубл. 27.09.2004/, в котором обеспечивается полнота осаждения микробных аэрозолей, обладающих характерными особенностями воздействия на организм человека, на чашку Петри с плотной питательной средой с эффективностью 50%. Недостатком данной конструкции следует считать невозможность варьирования величиной объемного расхода воздуха и строго фиксированные значения дисперсности отбираемого на каскадах аэрозоля.
Известна конструкция каскадного импактора для дисперсного анализа аэрозолей с использованием стандартных радиометрических приборов / Патент №2239815 от 11.02.2003 г., Российская Федерация, МПК G01N 15/02 [Текст], Бадьин В.И., Молоканов А.А., Припачкин Д.А., Разин А.И., Фертман Д.Е., Цовьянов А.Г.; заявитель и патентообладатель Государственный научный центр - Институт биофизики - №2003103790/28, заявл. 11.02.2003 г.; опубл. 10.11.2004 /, позволяющая за счет размещения каскадных элементов в пробоотборной корзине оперативно проводить анализ активности фракций аэрозолей при проведении санитарно-гигиенической оценки воздушной среды, оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств защиты органов дыхания. Недостатком данного импактора также следует считать наличие только фиксированных объемного расхода воздуха 20 л/мин и значений дисперсности отбираемого на каскадах аэрозоля.
Ближайшим из аналогов предлагаемого является способ, реализованный в импакторе, предоставляющем пользователю возможность изменения параметров устройства в зависимости от решаемой задачи /Патент №2251679 от 09.06.2003 г., Российская Федерация, МПК G01N 15/02 [Текст], Гвоздик М.Ю., Ульянов С.М.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина» (ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ) (RU), Министерство Российской Федерации по атомной энергии (МАЭ РФ) (RU) - №2003117297/28, заявл. 09.06.2003 г.; опубл. 10.12.2004/. Авторы изобретения заявляют применение одного устройства в широком диапазоне скоростей пробоотбора (2…20 л/мин) путем установки для требуемой производительности пробоотбора соответствующего набора сменных пластинок с выборками, образующими сортировочную щель. Недостатком данного изобретения являются необходимость изготовления отдельных импакторов, конструкция которых в целом предполагает возможность установки сменных пластинок с выборками; щелевой вариант сортировочных отверстий в сменных пластинах не оптимален для обтекания потоком накопительных пластинок, поскольку их осевая симметрия предполагает завихрения на концах щели; авторами не рассмотрен вариант адаптации импактора для условий отбора на каскадах иных от заданных значений фракций частиц, а только изменение производительности пробоотбора через импактор, при этом согласно теоретическим расчетам при малых (или больших) производительностях пробоотбора может возникнуть ситуация, когда условие эффективности определенных каскадов импактора (при сохранении заданных значений фракционирования частиц) выполняться не будет.
Вместе с тем условия проведения пробоотбора могут характеризоваться определенными особенностями, которые ограничивают применение импактора с заданными фиксированными паспортными техническими характеристиками.
3
Так инерционное осаждение аэрозоля, образованного частицами вещества, обладающего отличным от воды значением плотности, приведет к смещению значений фракционируемой дисперсности на каскадах в сторону более крупных частиц при смещении плотности вещества ниже 1 г/см и, соответственно, напротив в сторону мелких частиц при анализе веществ с высокой плотностью, что в конечном итоге приведет к ошибке измерений.
Следует указать и на тот факт, что в ходе исследования может потребоваться установить отличные от паспортных значения диапазонов диаметров частиц, фракционируемых на каскадах имеющегося в наличии импактора. В этом случае поставленная задача решается только использованием иного специально рассчитанного и изготовленного импактора.
Кроме того, в ряде случаев установленная для импактора фиксированная скорость аспирации не позволяет использовать устройство для проведения опыта, и требуется изменить производительность пробоотбора, но сохранить границы фракционирования на всех каскадах. Подобная ситуация возникает, например, если необходимо провести отбор за короткий промежуток времени, однако чувствительности метода контроля осажденного на каскадах вещества не достаточно. Очевидно, что в этом случае повышение производительности отбора приведет к отклонению характеристик импактора от паспортных данных.
Результатом настоящего изобретения является возможность универсального использования импакторов при различных условиях отбора проб аэрозоля, характеризующихся изменением плотности вещества отбираемого аэрозоля и (или) объемной скорости аспирации.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в устройстве отбора проб зараженного воздуха для контроля фракционно-дисперсного состава аэрозольного облака исследуемых веществ, построенного по принципу каскадного струйного импактора, согласно изобретению, для обеспечения функциональности одного и того же импактора при различных условиях отбора используется комплект сменных мембран с различным количеством отверстий разного диаметра, обеспечивающий возможность корректировки заданной скорости воздуха на входе в каскады, и (или) комплект сменных элементов стоек различной длины, удерживающих улавливающие подложки, либо стоек, конструктивно позволяющих изменять и фиксировать их длину за счет резьбового соединения, что позволяет варьировать расстоянием от выхода из сопла до удерживающей подложки.
+
Известны теоретические подходы к расчету параметров импактора, согласно которым общая формула для расчета диаметра частиц (d) равного и большего размера которого все сядут на улавливающую подложку каскада может быть записана [4-6]:
где μ - динамическая вязкость воздуха при 20°С, Па⋅с,
S - расстояние от выхода из сопла до улавливающей подложки, м,
v - скорость воздуха на входе в каскад, м/с,
с
С - поправка Каннингема.
В свою очередь:
3
где Q - объемный расход воздуха через импактор, м/с,
N - количество сопел на входе в каскад струйного импактора,
D - диаметр каждого сопла, м.
+
На основе представленных зависимостей можно рассчитать параметры (количество (N) и диаметр (D) сопел) для изготовления сменных мембран и (или) сменных элементов стоек различной длины, удерживающих улавливающие подложки (величина, определяемая параметром S), под требуемый объемный расход воздуха (Q), и (или) диаметр осаждаемых на каскаде частиц (d) с учетом плотности вещества частиц (ρ) отбираемого аэрозоля:
a
a
ND
s
где  - эмпирические коэффициенты, учитывающие погрешность изготовления конструкции импактора.
Используя для практического изготовления сменных мембран и (или) стоек импактора рассчитанные значения N, D и S, следует учитывать необходимость выполнения условия эффективности каждого каскада импактора (ε), рассчитываемого для импактора с круглым соплом, как [5]:
При несоблюдении данного условия следует рассчитать иные значения указанных параметров, удовлетворяющих предъявляемым требованиям.
Краткое описание чертежей. Техническая реализация предлагаемого способа поясняется на примере адаптирования импактора ИКС-10. Конструкция импактора каскадного струйного ИКС-10 представлена на Фиг. 1. Импактор ИКС-10 представляет собой компактный пробоотборник, позволяющий фракционировать отбираемый биологический аэрозоль, поступающий через воздухозаборное устройство 1 на четыре каскада 2, 3, 4 и 5 (в диапазоне диаметров частиц: 1-ый каскад - более 10 мкм, 2-ой - 10…5 мкм, 3-ий - 5…2 мкм, 4-ый - 2…0,8 мкм). Инерционное осаждение частиц на улавливающих подложках 6, закрепленных на стойках 8, обеспечивается скоростью воздушного потока на входе в каскад через разгонные сопла 7.
Наряду с компактностью ИКС-10 позволяет проводить его простую разборку-снаряжение-сборку, обеспечивает проведение специальной обработки для обеззараживания элементов конструкции после работы в зараженной среде. Однако он предназначен для работы только при скорости аспирации 10±1 л/мин и обеспечивает заданную точность фракционирования частиц биологического аэрозоля, имеющих плотность, близкую плотности воды [1].
Предлагаемая конструктивная схема каскадов струйного импактора, реализующая универсальность одного импактора для различных условий отбора проб представлена на Фиг. 2. Варианты модернизации отдельного каскада рассматриваемого импактора, реализующей предлагаемый способ адаптирования, предполагают модифицированный корпус предыдущего каскада 9, обеспечивающий установку сменных мембран с отверстиями 10 через уплотняющее резиновое кольцо 11 и (или) установку улавливающей подложки 12 на сменной стойке различной длины 13 (Фиг. 2 а) либо на стойке 14 (Фиг. 2 б), позволяющей изменять и фиксировать за счет резьбового соединения длину пробега частиц до улавливающей подложки.
Актуальность изобретения характеризуется возможностью достижения преимуществ использования, адаптированных к широкому диапазону условий пробоотбора каскадных струйных импакторов в ходе проведения различных исследований аэрозолей без значительных материальных затрат:
модернизация импакторов, для применения в них сменных мембран и (или) элементов стоек, фиксирующих удерживающие подложки, значительно расширяет границы использования устройств пробоотбора для анализа дисперсного состава аэрозолей, образованных из веществ различной плотности;
возможность варьирования величиной объемного расхода воздуха через импактор при сохранении паспортных характеристик импактирования на каждом каскаде делает его универсальным для использования в различных условиях пробоотбора;
использование заранее рассчитанных сменных мембран и (или) элементов стоек, фиксирующих удерживающие подложки, позволяет перенастроить каждый каскад импактора на интересующий диапазон дисперсности отбираемого аэрозоля.
Список литературы
1. Импактор каскадный струйный ИКС-10. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. А.794.05.00.00.000ТО, Екатеринбург: ЦВТП БЗ МО РФ, 1996, 19 с.
2. Универсальное пробоотбирающее устройство УПУ. Руководство по эксплуатации. АДБР.416100.000.00РЭ, С-Пб.: ООО «НЛП «Адвент», 2018, 100 с.
3. Гапочко К.Г., Мисников О.П., Раевский К.К. Средства и методы изучения микробных аэрозолей. - Л.: Медицина, 1985, 176 с.
4. Крючков А.В., Смирнов М.Б., Поярков А.Ю. Расчет параметров дискового импактора // Фундаментальные исследования. Технические науки. - 2014. - №12. - С. 29-32.
5. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию: пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 280 с.
6. Будыка А.К., Хмелевский В.О., Припачкин Д.А., Цовьянов А.Г. Моделирование и экспериментальное исследование осаждения аэрозольных частиц в персональном импакторе // АНРИ. - 2009. - №3. - С. 27-37.
7. The Next Generation Pharmaceutical Impactor (NGI). User Guide. NGI-0170-6001, MSP Corporation, 2008, 74 p.