ДИФФУЗИОННАЯ КАМЕРА

Предлагаемое устройство относится к тепло-массобменной технике, предназначенной 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 также 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 паро-газовых 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].
Известна диффузионная камера (статическая диффузионная камера) (Автор, свид. СССР №135152 от 01.01.1961), 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.
Известна 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. Диффузионная камера включает в себя насытитель, на крышке которого размещен патрубок входа газа-носителя. Газ-носитель насыщается в насытителе исследуемым паром, где 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 паро-газовую смесь, выходящая через патрубок на дне насытителя. Патрубок выхода паро-газовой 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 паро-газовой смеси понижается и может достигать пересыщений, достаточных для генерации зародышей конденсированной фазы. Зародыши конденсата вырастают до регистрируемых размеров в атмосфере пересыщенного пара в паро-газовом 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 диффузионной камеры состоит в том, что при протекании процесса нуклеации образовавшийся внутри диффузионный камеры аэрозольный поток невозможно диагностировать, т.е. разделить поток на несколько частей с целью определения концентрации и дисперсного состава по диаметральному сечению камеры.
Задачей (техническим результатом) является определение концентрации и дисперсного состава аэрозольного потока по диаметральному сечению камеры.
Задача достигается тем, что диффузионная камера состоит из насытителя, включающего в себя патрубок входа газа-носителя, хроматографический носитель, засыпанного на металлическую сеточку, которая закреплена в канале 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, при этом охладитель снабжен блоком сканирования аэрозольного потока, расположенного на дне охладителя, в состав которого входит двойная гильза с системой каналов отвода аэрозольного потока, соединенных с системой дросселирования, состоящей из трех дросселей.
На чертеже приведена 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, блока сканирования аэрозольного потока 10, расположенного на дне охладителя 7, в состав которого входит двойная гильза 11 с системой каналов отвода 12 аэрозольного потока и системы дросселирования, состоящей из трех дросселей 13, 14, 15.
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 термостатируемого насытителя (теплоноситель может быть различным и на чертеже не указан). Поток газа насыщается парами исследуемого вещества, парциальное давление которого определяется температурой насытителя. Свободная часть насытителя (ламинатор 5) имеет достаточную длину для установления развитого ламинарного течения паро-газовой смеси. Далее смесь выходит через патрубок выхода паро-газовой 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 паро-газовой смеси понижается и может достигать пересыщений, достаточных для генерации зародышей конденсированной фазы. Зародыши конденсата вырастают до регистрируемых размеров в атмосфере пересыщенного пара в паро-газовом потоке, протекающем через охладитель, образуя аэрозольный поток. Далее поток поступает в блок сканирования аэрозольного потока 10, а именно в двойную гильзу 11, где и происходит разделение аэрозольного потока по диаметральному сечению камеры на 3 части. Далее через систему каналов отвода 12, разделенный аэрозольный поток (поток 1, поток 2 и поток 3) поступает на систему дросселирования, состоящую из дросселей 13, 14 и 15, соответственно, и далее поступает на счетчик аэрозольных частиц (на чертеже не указан), где происходит регистрация концентрации и дисперсного состава частиц в каждом аэрозольном потоке.
За счет использования блока сканирования аэрозольного потока, расположенного на дне охладителя, в частности, прохождение аэрозольного потока через двойную гильзу происходит разделение аэрозольного потока (по диаметральному сечению камеры) на 3 части: пристеночный поток, центрально-осевой поток, и поток между пристеночным и центрально-осевым потоком. Далее каждый из потоков поступает в собственный канал отвода, после чего направляется в канал на счетчик аэрозольных частиц. Открытием, закрытием или частичным открытием дросселя можно избирательно отбирать цилиндрический слой аэрозоля для измерения концентрации и дисперсного состава аэрозольных частиц. Согласованное регулирование расходов аэрозольного потока через пару дросселей можно последовательно определить концентрации и дисперсный состав аэрозольных частиц в каждом слое потока, что позволит количественно измерять концентрации и дисперсного состава аэрозольного потока по диаметральному сечению камеры.
Для исследования нуклеации при повышенных давлениях конструкция диффузионной камеры должна иметь достаточную прочность, соответственно, измерения дисперсного состава и концентрации аэрозоля должны выполняться аэрозольным счетчиком для высоких давлений 150 и более бар.