Классификатор для выделения монодисперсной фракции частиц аэрозоля

 

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: классификатор для выделения монодисперсной фракции частиц аэрозоля включает корпус и установленное в нем осесимметричное тело, соосно котором в корпусе последовательно размещены узел формирования кольцевого аэрозольного потока между двух потоков фильтровального воздуха, ускоряющее сопло, выполненное в виде конфузора, и узел разделения частиц на фракции, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых перегородок, образующих в полости корпуса камеры отвода мелкой, монодисперсной и крупной фракций частиц. Осесимметричное тело имеет коническую часть, расположенную в конфузоре, а кольцевые перегородки выполнены в виде усеченных конусов и размещены вокруг осесимметричного тела последовательно со смещением вдоль оси корпуса. Первая перегородка расположена между камерами отвода мелкой и монодисперсной фракций, а вторая перегородка - между камерами отвода монодисперсной и крупной фракций, причем первая перегородка и/или осесимметричное тело или осесимметричное тело и обе перегородки снабжены механизмом осевого перемещения относительно корпуса. 10 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а более точно касается классификатора для выделения монодисперсной фракции монофракции частиц аэрозоля.

Известен виртуальный импактор для разделения частиц на две фракции по размеру (Masuda, H. Hochrainer, O. and Stober, W. (1979) An improved virtual impactor for parricie classification a generarion of test aerosol with narrow size distributions. J.Aerosol Sci. v.10, 275), который может быть использован для выделения монофракции частиц с малой шириной их распределения по размерам при последовательной установке двух таких импакторов. Ширина распределения частиц по размерам характеризуется коэффициентом вариации распределения, определяемым как отношение стандартного отклонения размеров частиц к их среднему размеру. Один такой виртуальный импактор включает в себя последовательно расположенные узел формирования кольцевого аэрозольного потока между потоками фильтрованного воздуха, ускоряющее сопло, выполненное в виде конфузора, и камеру отвода мелкой фракции частиц с патрубком вывода указанной фракции частиц. Кроме того, в камере напротив сопла установлена приемная трубка с патрубком вывода крупной фракции частиц. Виртуальный импактор работает следующим образом. Аэрозольный поток ускоряется в сопле. После выхода из сопла большая часть потока воздуха отсасывается через камеру отвода мелкой фракции, увлекая за собой частицы с диаметром меньшим чем пороговое значение. Частицы с диаметром, превышающим пороговое значение, вследствие инерции сохраняют направление движения и вместе с меньшей частью воздуха выводятся через приемную трубку крупных частиц. Для того, чтобы повысить качество разделения частиц и предотвратить проскок мелких частиц в приемную трубку крупной фракции, аэрозольный поток перед поступлением в ускоряющее сопло окружается внешним и внутренним кольцевым потоком фильтрованного воздуха.

Устройство для выделения монофракции частиц содержит два таких последовательно установленных виртуальных импактора, причем патрубок вывода крупной фракции первого виртуального импактора соединен с патрубком ввода аэрозольного потока второго виртуального импактора. Если пороговый размер разделения частиц первого импактора меньше, чем соответствующий параметр второго импактора, то на выходе патрубка отвода мелкой фракции второго виртуального импактора получают монофракцию частиц, ширина распределения которой определяется разностью между пороговыми значениями второго и первого импакторов.

Известно также устройство для выделения монофракции аэрозольных частиц (Masuda, H. and Motooka, T. (1982) Classificarion performance of two-stage virtual impactor. Kagaku Kogaku Ronbunchum v.8, 717), отличающееся от вышеописанного аналога только тем, что оба виртуальных импактора размещены в одном корпусе, а второй виртуальный импактор не имеет потоков фильтрованного воздуха.

К недостаткам описанных устройств следует отнести сложность согласования расходов потоков аэрозоля и фильтрованного воздуха через оба виртуального импактора, невозможность изменения среднего размера частицы при постоянном расходе воздуха и большие потери частиц монофракции на стенках приемной трубки первого виртуального импактора, достигающие 80% для жидких частиц (Marple, V. A. Chien, C.V. (1980) Virtual impactors: a theoretical stugy. Envir. Sci. Techn. v.14, 1976).

Наиболее близким аналогом (прототипом) является инерционный классификатор аэрозольных частиц (IPAC), предназначенный для выделения в непрерывном режиме монофракции частиц (Booker, D.R. Bowcher, B.R. and Mitchell. J.P. (1991) Aerosol techniques for the high performance ceramic precursors. -J. Aerosol Sci. v.22, S 19). Устройство включает корпус и установленное в нем осесимметричное тело, соосно которому в корпусе последовательно размещены узел формирования кольцевого аэрозольного потока между двух потоков фильтровального воздуха, ускоряющее сопло, выполненное в виде конфузора и узел разделения частиц на фракции. Узел разделения частиц на фракции выполнен в виде двух коаксиальных цилиндрических перегородок, расположенных за кольцевым соплом ближе к оси устройства. Кромки обеих перегородок расположены в одной плоскости. Перегородки образуют в полости между корпусом и цилиндрической частью осесимметричного тела кольцевые камеры с патрубками отвода крупной, монодисперсной и мелкой фракций частиц.

Устройство работает следующим образом. Аэрозольный поток между двумя потоками фильтрованного воздуха ускоряется в кольцевом ускоряющем сопле. На срезе сопла поток поворачивает под прямым углом и направляется к оси устройства. При этом частицы перераспределяются в потоке в зависимости от их размера. Мелкие частицы слабо отклоняются от линий тока воздуха и вместе с большей частью потока отсасываются в камеру отвода мелких частиц, расположенную ближе других к оси. Крупные частицы в силу инерции проскакивают в камеру отвода крупных частиц, расположенную ближе других к выходу из сопла. Поток, содержащий частицы монофракции, движется по направлению к оси, а затем отсасывается в камеру отвода монофракции.

В силу того, что перегородки камер цилиндрические, а их входные кромки расположены в одной плоскости, поток, содержащий частицы монофракции, при входе в камеру отсоса второй раз резко меняет свое направление. При этом многие частицы вследствие инерции оседают на поверхности перегородки, разделяющие камеры отсоса мелкой и монодисперсной фракций. Следовательно, недостатком данного устройства являются большие потери частиц монофракции. Кроме того, устройство не обеспечивает возможности изменения среднего размера частиц монофракции при постоянном расходе воздуха, выделяет монофракцию частиц с относительно широким распределением частиц по размерам и не позволяет изменять ширину распределения частиц монофракции по размеру.

В основу изобретения поставлена задача создания классификатора для выделения монофракции аэрозольных частиц с малыми потерями частиц монофракции, регулируемым средним размером и (или) шириной распределения по размерам частиц монофракции.

Поставленная задача решается тем, что в классификаторе для выделения монофракции частиц аэрозоля, включающем корпус и установленное в нем осесимметричное тело, соосно которому в корпусе последовательно размещены узел формирования кольцевого аэрозольного потока между двух потоков фильтрованного воздуха, ускоряющее сопло, выполненное в виде конфузора, и узел разделения частиц на фракции, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых перегородок, образующих в полости корпуса камеры отвода крупной, монодисперсной и мелкой фракций частиц, согласно изобретению осесимметричное тело имеет конический участок, расположенный в конфузоре, а кольцевые перегородки выполнены в виде усеченных конусов и размещены вокруг осесимметричного тела соосно и последовательно со смещением вдоль оси корпуса. Первая перегородка расположена между камерами отвода мелкой и монодисперсной фракций, а вторая между камерами отвода монодисперсной и крупной фракций, причем первая перегородка и (или) осесимметричное тело или осесимметричное тело и обе перегородки снабжены механизмом осевого перемещения относительно корпуса.

Поскольку входные щели камер отвода частиц расположены в зоне их разделения на фракции последовательно по оси в указанном выше порядке, то отвод частиц проводится одновременно с их разделением. Частицы монофракции входят в камеру их отвода по наиболее плавным траекториям, не испытывая второй резкий поворот (как в аналоге), за счет чего обеспечивается уменьшение потерь этих частиц на стенках классификатора. Механизмы осевого перемещения позволяют изменять ширину кольцевой щели между конфузором и осесимметричным телом и (или) ширину кольцевой щели между перегородками. Изменение ширины первой из указанных щелей приводит к изменению скорости воздуха и частиц на выходе ускоряющего сопла и, следовательно, к изменению среднего размера выделяемой монофракции частиц. Изменение ширины второй из указанных щелей приводит к изменению доли выделяемых частиц монофракции по отношению ко всем частицам и, следовательно, к изменению ширины распределения по размерам частиц выделяемой монофракции.

Взаимное расположение конфузора, осесимметричного тела и перегородок согласно изобретению представлено в двух модификациях. В соответствии с первой модификацией конические перегородки обращены основаниями друг к другу, а кромки основания конической части осесимметричного тела и второй перегородки расположены внутри конфузора на одинаковом расстоянии от его поверхности. Причем кромка первой перегородки расположена внутри конфузора на большем расстоянии от поверхности конфузора, чем кромка основания конической части осесимметричного тела.

В соответствии со второй модификацией конические перегородки обращены усеченными вершинами друг к другу, а кромки конфузора и обеих перегородок расположены вокруг конической части осесимметричного тела. Причем кромки конфузора и второй перегородки расположены на одинаковом расстоянии от поверхности конической части осесимметричного тела, а кромка первой перегородки расположена на большем расстоянии от поверхности конической части осесимметричного тела, чем кромка конфузора.

При таком конструктивном выполнении классификатора конические перегородки (в первой и второй модификации) расположены расходящимися от входа в камеру отвода частиц монофракции, образованную этими перегородками. При этом уменьшаются потери частиц монофракции за счет того, что частицы вблизи входа в камеру отвода монофракции и внутри нее движутся по наиболее плавным траекториям вдоль конических перегородок.

Первая модификация расположения конфузора, тела и перегородок более удобна для классификатора с большим расходом воздуха, поскольку диаметр кольцевой щели между конфузором и осесимметричным телом, которая является срезом ускоряющего сопла, определяется диаметром основания конической части осесимметричного тела. В кольцевой щели расход воздуха может быть увеличен за счет увеличения диаметра щели без увеличения скорости воздуха и ширины щели при сохранении ламинарности потока. Вторая модификация более удобна для классификаторов со сравнительно небольшим расходом аэрозоля, поскольку диаметр кольцевой щели на срезе ускоряющего сопла определяется диаметром выходного отверстия конфузора.

В обеих модификациях кромки перегородок могут быть расположены на одинаковом расстоянии от оси корпуса, а диаметр основания конической части осесимметричного тела может быть выполнен равным или больше диаметра выходного отверстия конфузора, благодаря чему кольцевые щели между конфузором и осесимметричным телом и между перегородками могут быть одновременно полностью закрыты, а также изменяться пропорционально, что обеспечивает возможность регулировать средний размер частиц монофракции при постоянной ширине распределения частиц по размерам. Указанное расположение кромок перегородок используется во всех описанных ниже вариантах выполнения классификатора.

В первом варианте выполнения классификатора использована первая модификация расположения конфузора, тела и перегородок. В корпусе классификатора соосно вокруг осесимметричного тела установлен стакан, жестко прикрепленный ко второй перегородке, к корпусу и посредством шарнира к осесимметричному телу, а механизм осевого перемещения первой перегородки выполнен в виде прикрепленного к ней цилиндра, расположенного соосно между стаканом и осесимметричным телом, и кинематически связанного с осесимметричным телом посредством шлицевого соединения и со стаканом посредством резьбы.

Во втором варианте выполнения классификатора использована вторая модификация расположения конфузора, тела и перегородок. В корпусе вокруг осесимметричного тела и соосно ему установлены стакан, прикрепленный ко второй перегородке и к осесимметричному телу, а механизм осевого перемещения первой перегородки выполнен в виде прикрепленного к ней цилиндра, расположенного соосно между стаканом и корпусом и кинематически связанного с осесимметричным телом посредством резьбы и с корпусом посредством шлицевого соединения, причем осесимметричное тело кинематически связано с корпусом с помощью шарнира.

Механизм осевого перемещения первой перегородки в первом и втором вариантах выполнения классификатора обеспечивает изменение ширины щели между кромками конических перегородок и, следовательно, ширины распределения по размерам частиц монофракции.

В третьем варианте выполнения классификатора использована первая модификация расположения конфузора, тела и перегородок. В корпусе вокруг осесимметричного тела и соосно ему установлен стакан, прикрепленный к этому телу, причем первая перегородка прикреплена к осесимметричному телу, вторая перегородка прикреплена к стакану, а механизм осевого перемещения осесимметричного тела и обеих перегородок выполнен в виде резьбового соединения стакана с корпусом.

В четвертом варианте выполнения классификатора использована вторая модификация расположения конфузора, тела и перегородок, причем перегородки прикреплены к корпусу, а механизм осевого перемещения осесимметричного тела выполнен в виде резьбового соединения тела с корпусом.

Механизм осевого перемещения осесимметричного тела и обеих перегородок в третьем варианте и осесимметричного тела в четвертом варианте выполнения классификатора обеспечивает изменение ширины кольцевой щели между конфузором и осесимметричным телом и, следовательно, среднего размера частиц монофракции. В указанных вариантах расстояние между кромками перегородок остается неизменным, поэтому ширина распределения частиц по размерам изменяется вместе со средним размером частиц.

В пятом варианте выполнения классификатора использована первая модификация расположения конфузора, тела и перегородок. Механизм осевого перемещения осесимметричного тела и обеих перегородок выполнен в виде стакана и цилиндра, расположенных коаксиально вокруг осесимметричного тела, причем стакан жестко прикреплен ко второй перегородке и кинематически связан с осесимметричным телом посредством шарнира и с корпусом посредством резьбы, а цилиндр жестко прикреплен к первой перегородке и кинематически связан с осесимметричным телом посредством шлицевого соединения и со стаканом - посредством резьбы, кроме того, осесимметричное тело кинематически связано с корпусом с помощью скобы и шлицевого соединения, а резьбовые соединения корпуса со стаканом и цилиндра со стаканом выполнены с разным шагом, обеспечивающим постоянство отношения расстояния между кромками перегородок к расстоянию от кромки основания конической части осесимметричного тела до поверхности конфузора при изменении положения в корпусе первой перегородки и осесимметричного тела.

В шестом варианте выполнения классификатора использована вторая модификация расположения конфузора, тела и перегородок. Механизм осевого перемещения осесимметричного тела и первой перегородки выполнен в виде цилиндра и стакана, расположенного коаксиально вокруг осесимметричного тела, причем цилиндр жестко прикреплен к первой перегородке и кинематически связан с корпусом посредством шлицевого соединения и со стаканом посредством резьбы, а стакан жестко прикреплен ко второй перегородке и кинематически связан с осесимметричным телом посредством резьбы и с корпусом посредством шарнира, кроме того, осесимметричное тело кинематически связано с узлом формирования кольцевого аэрозольного потока с помощью шлицевого соединения, а резьбовые соединения осесимметричного тела со стаканом и стакана с цилиндром выполнены с разным шагом, обеспечивающим постоянство отношения расстояния между кромками перегородок к расстоянию от кромки конфузора до поверхности конической части осесимметричного тела при изменении положения в корпусе первой перегородки и осесимметричного тела.

Механизм осевого перемещения осесимметричного тела и обеих перегородок в пятом варианте и осесимметричного тела и первой перегородки в шестом варианте выполнения классификатора обеспечивает изменение ширины кольцевой щели между конфузором и осесимметричным телом и ширины щели между кромками перегородок, причем отношение указанных ширин остается постоянным. Следовательно, в указанных вариантах обеспечивается регулирование среднего размера частиц монофракции при постоянном коэффициенте вариации распределения частиц по размерам.

Во всех описанных выше вариантах выполнения классификатора осесимметричное тело может быть снабжено цилиндрической частью, расположенной соосно телу в узле формирования кольцевого аэрозольного потока. Благодаря наличию цилиндрической части внутренний поток фильтрованного воздуха имеет форму кольца и сохраняет ламинарность при больших расходах воздуха, что приводит к уменьшению потерь частиц за счет снижения турбулентного осаждения этих частиц.

Таким образом, предлагаемые варианты выполнения классификатора позволяют по сравнению с известными устройствами для выделения монофракций уменьшить потери частиц монофракции и регулировать средний размер и (или) ширину распределения по размерам частиц монофракции.

На фиг.1 изображен схематично общий вид предлагаемого классификатора по первому варианту, продольный разрез; на фиг.2 то же, по второму варианту на фиг. 3 то же, по третьему варианту; на фиг.4 -то же, по четвертому варианту; на фиг. 5 то же, по пятому варианту; на фиг.6 вид А классификатора, изображенного на фиг. 5; на фиг.7 схематично общий вид кпассификатора по шестому варианту выполнения, продольный разрез.

Варианты осуществления изобретения Классификатор для выделения монофракции частиц аэрозоля содержит корпус и 1 установленное в нем осесимметричное тело 2. В корпусе 1 соосно телу 2 последовательно размещены узел формирования кольцевого аэрозольного потока между двух потоков фильтрованного воздуха, ускоряющее сопло, выполненное в виде конфузора и узел разделения частиц на фракции. Узел формирования кольцевого аэрозольного потока содержит коаксиально расположенные трубки 4 и 5, разделяющие полость корпуса 1 на камеры 6 и 7, соединенные с патрубками 8 и 9 подачи фильтрованного воздуха, и камеру 10 ввода аэрозольного потока, расположенную между трубками 4, 5 и соединенную с патрубком 11 подач и аэрозольного потока. В камере 7 размещен ламинаризатор 12. Осесимметричное тело 2 имеет коническую часть 13, расположенную внутри конфузора 3. Узел разделения аэрозольных частиц на фракции содержит две конические перегородки, расположенные вокруг тела 2 последовательно со смещением вдоль оси корпуса 1. Указанные перегородки 14 и 15 образуют в полости корпуса 1 камеры 16, 17 и 18 отвода мелкой, монодисперсной и крупной фракций частиц соответственно. Первая перегородка 14 расположена между камерами 16 и 17 отвода мелкой и монодисперсной фракций, а вторая перегородка 15 между камерами 17 и 18 отвода монодисперсной и крупной фракций. Перегородка 14 и (или) осесимметричное тело 2 или осесимметричное тело 2 и обе перегородки 14 и 15 снабжены механизмом осевого перемещения относительно корпуса 1.

Взаимное расположение конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15 в узле разделения частиц на фракции представлено в двух модификациях.

В соответствии с первой модификацией узла разделения частиц на фракции, представленной на фиг.1, 3, 5, конические перегородки (14) и (15) обращены основаниями друг к другу, кромка 19 основания конической части 13 тела 2 и кромка 20 перегородки 15 расположены внутри конфузора 3 на одинаковом расстоянии от него. Кромка 21 перегородки 14 расположена внутри конфузора 3 на большем расстоянии от него, чем кромка 19 основания конической части 13 тела 2.

В соответствии со второй модификацией узла разделения частиц на фракции, представленной на фиг.2, 4, 7, конические перегородки (14) и (15) обращены усеченными вершинами друг к другу, кромка 22 конфузора 3 и кромки 20, 21 обеих перегородок расположены вокруг конической части 13 тела 2. Кромка 22 конфузора 3 и кромка 20 перегородки 15 расположена на одинаковом расстоянии от конической части 13 тела 2. Кромка 21 перегородки 14 расположена на большем расстоянии от конической части 13 тела 2, чем кромка 22 конфузора 3.

В обеих модификациях узла разделения частиц на фракции, представленных на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 7, кромки 20 и 21 перегородок расположены на одинаковом расстоянии от оси корпуса 1, а диаметр основания конической части 13 тела 2 выполнен равным или больше диаметра выходного отверстия 23 конфузора 3.

В первом варианте выполнения классификатора (фиг.1) использована первая модификация расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15. Кроме того, в корпусе 1 соосно и вокруг тела 2 установлен стакан 24, жестко прикрепленный к перегородке 15 и к корпусу 1. Стакан 24 связан посредством шарнира 25 с телом 2.Механизм осевого перемещения перегородки 14 выполнен в виде прикрепленного к ней цилиндра 26, расположенного соосно телу 2 между этим телом и стаканом 24. Цилиндр 26 кинематически связан с телом 2 посредством шлицевого соединения 27 и со стаканом 24 посредством резьбы 28.

Во втором варианте выполнения классификатора (фиг.2) использована вторая модификация расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15. Кроме того, в корпусе 1 вокруг тела 2 и соосно ему установлены стакан 29, прикрепленный к этому телу 2 и к перегородке 15. Механизм осевого перемещения перегородки 14 выполнен в виде прикрепленного к ней цилиндра 30, расположенного соосно между стаканом 29 и корпусом 1. Цилиндр 30 кинематически связан с телом 2 посредством резьбы 31 и с корпусом 1 посредством шлицевого соединения 32. Тело 2 связано с корпусом 1 с помощью шарнира 33.

В третьем варианте выполнения классификатора (фиг.3) использована первая модификация расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15. Кроме того, в корпусе 1 вокруг осесимметричного тела 2 и соосно ему установлен стакан 34, прикрепленный к этому телу 2. Перегородка 14 прикреплена к телу 2, а перегородка 15 к стакану 34. Механизм осевого перемещения тела 2 и обеих перегородок 14 и 15 выполнен в виде резьбового соединения 35 стакана 34 с корпусом 1.

В четвертом варианте выполнения классификатора (фиг.4) использована вторая модификация расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15. Кроме того, перегородки 14 и 15 прикреплены к корпусу 1, а механизм осевого перемещения тела 2 выполнен в виде резьбового соединения 36 этого тела 2 с корпусом 1.

В пятом варианте выполнения классификатора (фиг.5 и 6) использована первая модификация расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15. Кроме того, механизм осевого перемещения тела 2 и обеих перегородок 14, 15 выполнен в виде стакана 37 и цилиндра 38, расположенных коаксиально вокруг тела 2. Стакан 37 жестко прикреплен к перегородке 15 и кинематически связан с телом 2 посредством шарнира 39 и с корпусом 1 посредством резьбы 40. Цилиндр 38 жестко прикреплен к перегородке 14 и кинематически связан с телом 2 посредством шлицевого соединения 41 и со стаканом 37 посредством резьбы 42. Тело 2 кинематически связано с корпусом 1 с помощью скобы 43 и шлицевого соединения 44. Причем резьба 40 для соединения стакана 37 с корпусом 1 и резьба 42 для соединения цилиндра 38 со стаканом 37 выполнены с разным шагом, обеспечивающим постоянство отношения расстояния между кромками 21 и 20 перегородок 14 и 15 к расстоянию от кромки 19 основания конической части 13 тела 2 до конфузора 3 при любом положении в корпусе 1 перегородки 14 и тела 2.

В шестом варианте выполнения классификатора (фиг.7) использована вторая модификация расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15. Кроме того, механизм осевого перемещения тела 2 и перегородки 14 выполнен в виде цилиндра 45 и стакана 46, расположенных коаксиально вокруг тела 2. Цилиндр 45 жестко прикреплен к перегородке 14 и кинематически связан с корпусом 1 посредством шлицевого соединения 47 и со стаканом 46 посредством резьбы 48. Стакан 46 жестко прикреплен к перегородке 15 и кинематически связан с осесимметричным телом 2 посредством резьбы 49 и с корпусом 1 посредством шарнира 50. Тело 2 кинематически связано с ламинаризатором 12 узла формирования кольцевого аэрозольного потока с помощью шлицевого соединения 51. Причем резьба 49 для соединения тела 2 со стаканом 46 и резьба 48 для соединения стакана 46 с цилиндром 45 выполнены с разным шагом, обеспечивающим постоянство отношения расстояния между кромками 20 и 21 перегородок 15 и 14 к расстоянию от кромки 22 конфузора 3 до конической части 13 тела 2 при любом положении в корпусе 1 перегородки 14 и тела 2.

Кроме того, во всех или в некоторых вариантах выполнения классификатора осесимметричное тело 2 может иметь цилиндрическую часть 52, расположенную в узле формирования кольцевого аэрозольного потока соосно телу 2 (фиг.2, 4, 6).

Работа классификатора (фиг.1-7) осуществляется следующим образом. Перед началом разделения частиц на фракции устанавливают расстояние между кромками 20, 21 перегородок 15, 14, соответствующее требуемой ширине распределения по размерам частиц монофракции. Для этого вращают тело 2, которое с помощью резьбы 28 и шлицевого соединения 27 перемещает цилиндр 6 с прикрепленной к нему перегородкой 14 вдоль оси корпуса 1. После установки элементов узла разделения в нужное положение воздух, содержащий частицы подают через патрубок 11 в камеру 10 ввода аэрозольного потока. Фильтрованный воздух поступает через патрубки 8 и 9 в камеры 7 и 6 ввода фильтрованного воздуха. Сформированный таким образом аэрозольный поток ускоряется между конфузором 3 и конической частью 13 тела. Поскольку в первом варианте выполнения классификатора (фиг. 1) используется первая модификация взаимного расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15, то аэрозольные потоки в узле разделения частиц на фракции движутся от периферии к оси корпуса 1. Большая часть потока отсасывается в камеру 16 вывода мелкой фракции, увлекая за собой мелкие частицы, и выводится из корпуса 1. Остальной поток воздуха отсасывается в камеры 17 и 18 и также выводится наружу. При этом крупные частицы по инерции проскакивают в камеру 18, а частицы монодисперсной фракции отводятся через камеру 17. Взаимное расположение конфузора 3, тела 2 и кромок 21, 20 перегородок 14, 15, а также форма последних (фиг.1) обеспечивают движение частиц монодисперсной фракции вдоль поверхности перегородок 14, 15, поэтому потери частиц из-за осаждения на этих перегородках малы. Расстояние между кромками 20, 21 перегородок 15, 14 определяет долю частиц, попадающих в камеру отвода монофракции, по отношению ко всем частицам, поступающим в классификатор и, следовательно, ширину распределения по размерам частиц монофракции.

Работа второго варианта выполнения классификатора (фиг.2), а также его регулировка имеет свои особенности вследствие того, что в указанном варианте использована вторая модификация взаимного расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15, в которой аэрозольные потоки в узле разделения частиц на фракции движутся от оси к периферии корпуса 1. Регулировка ширины распределения частиц монофракции производится перед началом работы путем вращения тела 2. При этом цилиндр 30 вместе с прикрепленной к нему перегородкой 14 перемещается с помощью резьбы 31 и шлицевого соединения 32 относительно корпуса 1 вдоль его оси. Аэрозольный поток ускоряется в кольцевом зазоре между конфузором 3 и конической частью 13 тела 2. Большая часть потока вместе с мелкими частицами отсасывается между кромками 21, 22 и выводится наружу. Частицы крупной фракции по инерции пролетают в кольцевой зазор между конической частью 13 тела 2 и кромкой 30 перегородки 15, а частиц монодисперсной фракции отсасываются через зазор между кромками 20, 21 перегородок 15, 14.

Работа третьего и пятого вариантов выполнения классификатора принципиально не отличается от работы первого варианта, поскольку в них тоже использована первая модификация взаимного расположения конфузора 3, тела 2 и перегородок 14, 15. Работа четвертого и шестого вариантов выполнения классификатора аналогична работе второго варианта, поскольку в них использована вторая модификация. Указанные варианты отличаются процессом регулировки положения тела 2 и (или) перегородок 14, 15 для получения заданного среднего размера и (или) ширины распределения по размерам частиц монофракции.

В третьем варианте выполнения классификатора (фиг.3) перед началом выделения частиц монофракции устанавливают расстояние между кромкой 19 основания конической части 13 тела 2 и конфузором 3, соответствующее требуемому среднему размеру частиц выделяемой монофракции. Для этого вращают тело 2, которое с помощью резьбового соединения 35 перемещается вместе с перегородками 14 и 15 относительно конфузора 3. Это обеспечивает изменение скорости аэрозольного потока в кольцевом зазоре между кромкой 19 и конфузором 3. При этом изменяются пороговые размеры частиц, разделяющие крупную, монодисперсную и мелкую фракции, и средний размер монофракции.

В четвертом варианте выполнения классификатора (фиг.4) регулировка среднего размера частиц монофракции осуществляется путем изменения расстояния между кромкой 22 конфузора 3 и телом 2. Для этого вращают тело 2, которое с помощью резьбового соединения 36 перемещается относительно конфузора 3.

В пятом варианте выполнения классификатора (фиг.5, 6) перед началом выделения частиц монофракции устанавливают расстояние между кромкой 19 основания конической части 13 тела и конфузором 3, соответствующее требуемому среднему размеру частиц выделяемой монофракции. Для этого вращают стакан 37. При этом он вместе с телом 2 перемещается относительно корпуса 1 с помощью резьбы 40. Одновременно с помощью резьбы 42 и шлицевых соединений 41, 44 перемещается цилиндр 38 с перегородкой 41. Причем отношение расстояния между кромками 20, 21 перегородок 15, 14 к расстоянию между кромкой 19 и конфузором 3 остается постоянным. Таким образом, ширина распределения по размерам частиц монофракции, определяемая указанным отношением, остается постоянной при регулировке среднего размера частиц.

В шестом варианте выполнения классификатора (фиг.7) для регулировки среднего размера частиц выделяемой монофракции при сохранении постоянной ширины распределения этих частиц по размерам устанавливают требуемое расстояние между кромкой 22 конфузора 3 и телом 2 при одновременном изменении расстояния между кромками 21, 20 перегородок 14, 15. Для этого вращают стакан 46. С помощью резьбы 49 и шлицевого соединения 51 тело 2 перемещается относительно конфузора 3. При этом с помощью резьбы 48 и шлицевого соединения 47 цилиндр 45 вместе с перегородкой 41 перемещается относительно перегородки 15, причем отношение расстояния между кромками 20, 21 перегородок 15, 14 к расстоянию между кромкой 22 и телом 2 остается постоянным. Таким образом, ширина распределения по размерам частиц монофракции, определяемая указанным отношением, остается постоянной при регулировке среднего размера частиц.

С целью детального исследования работы классификатора для выделения монофракций частиц были проведены теоретические расчеты его эффективности. Методом численного решения уравнений Навье-Стокса рассчитывалось поле потока вязкого воздуха, а затем вычислялись траектории движения частиц и эффективность выделения монофракции частиц. Теоретические расчеты эффективности вариантов выполнения классификаторов позволили определить основные зависимости характеристик устройства от его конструктивных параметров.

Показано, что для всех модификаций и вариантов выполнения предлагаемого классификатора ширина распределения частиц монофракции существенно зависит от доли аэрозольного потока между двумя потоками фильтрованного воздуха. Причем, чем меньше доли аэрозольного потока и внешнего потока фильтрованного воздуха, тем меньше ширина распределения частиц монофракции по размеру. Далее приводятся результаты расчетов и экспериментальные данные, полученные при следующих соотношениях потоков: доли аэрозольного потока, внешнего и внутреннего потоков фильтрованного воздуха от полного потока совпадают с долями потоков отводов крупной, монодисперсной и мелкой фракций частиц и составляют 0.1, 0.1 и 0.8 от полного потока соответственно. Как уже отмечалось, в прототипе (Booker, D.R. Bowsher, B.R. and Mitchell, J.P. (1991) Aerosol techniques for the formation of high performance ceramic precursors. - J. Aerosol Sci. v.22, S 19) потери частиц монофракции очень велики. По опубликованным данным потери достигают 91-93% (Seehars, D. Hochrainer, D. Molterm W. and Spiekermann, V. (1987) Generation of monodisperse particie with the inertial particle classifier (INPAC). J.Aerosol Sci. v.18, 889). Такие большие потери частиц в прототипе обусловлены тем, что перегородки, образующие камеру отвода монодисперсной фракции частиц, выполнены цилиндрическими и установлены коаксиально в корпусе. Кромки этих перегородок расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси устройства, а диаметр указанных цилиндрических перегородок существенно меньше диаметра осесимметричного тела. Аэрозольные частицы после выходы из сопла движутся по направлению к оси устройства. Для проникновения в камеру отвода монофракции частицы резко изменяют направление движения, в силу чего они за счет инерции оседают на перегородке, разделяющей камеры отвода мелкой и монодисперсной фракций. В предлагаемых вариантах выполнения классификатора как кромки обеих перегородок, так и сами перегородки расположены таким образом, что частицы монофракции вблизи кромок перегородок движутся по наиболее плавным траекториям, что позволяет практически исключить потери частиц из монофракции. Перегородки расположены непосредственно в зоне разделения частиц так, что частицам монофракции не приходится второй раз поворачивать, чтобы попасть в камеру отсоса. Это позволяет практически исключить потери частиц из монофракции. В расчетах показано, что теоретически указанные потери частиц отсутствуют.

Во всех вариантах выполнения классификатора ширина распределения частиц монофракции не зависит от отношения расстояния между кромками 19 и 21 (фиг. 1, 3, 5) к расстоянию между кромкой 19 и конфузором 3 или расстояния между кромками 22 и 21 (фиг. 2, 4, 7) к расстоянию между кромкой 22 конфузора 3 и телом 2, если указанное соотношение более 0,5, но зависит от отношения расстояния между кромками 20 и 21 к расстоянию между кромкой 19 и конфузором 3 (фиг.1, 3, 5) или к расстоянию между кромкой 22 и телом 2 (фиг.2, 4, 7). При уменьшении указанного отношения от 0,2 до 0,05 коэффициент вариации распределения частиц монофракции по размерам уменьшается в два раза. Указанная зависимость использована в классификаторах с фиксированным размером частиц монофракции, но регулируемой шириной распределения частиц по размерам (фиг. 1, 2).

Варианты выполнения классификатора, представленные на фиг.3, 4, обеспечивают изменение среднего размера частиц монофракции за счет изменения расстояния между кромкой 19 и конфузором 3 (фиг.3) или расстояния между кромкой 22 и телом 2 (фиг. 4). Однако при этом изменяется и коэффициент вариации распределения частиц монофракции по размеру, поскольку изменяется отношение расстояния между кромками 20 и 21 к расстоянию между кромкой 19 и конфузором 3 (фиг. 3) или к расстоянию между кромкой 22 и телом 2 (фиг.4). Коэффициент вариации распределения частиц монофракции по размеру достигает минимума 5,5% при максимальных значениях указанных выше расстояний и увеличивается до 20% при их уменьшении, и, следовательно, при уменьшении среднего размера частиц монофракции в четыре раза.

Варианты выполнения классификатора, представленные на фиг.5, 7, обеспечивают изменение среднего размера частиц монофракции за счет изменения расстояния между кромкой 19 и конфузором 3 (фиг.5) или расстояния между кромкой 22 и телом 2 (фиг.7). При этом пропорционально изменяется расстояние между кромками 20, 21 перегородок 15, 14. Таким образом, при регулировке среднего размера частиц монофракции коэффициент вариации их распределения по размерам остается постоянным и определяется отношением шагов резьб 40 и 42 (фиг.5) или резьб 48 и 49 (фиг.7).

Варианты выполнения классификаторов, показанных на фиг.2 и 4, проверены экспериментально. Результаты экспериментальных исследований хорошо совпадают с данными теоретических расчетов и показывают, что конструктивные особенности вариантов выполнения предлагаемого классификатора для выделения монофракции аэрозольных частиц позволяют регулировать как средний размер, так и ширину распределения частиц по размерам. Минимальный измеренный коэффициент вариации распределения частиц монофракции составляет 9% а потери частиц из монофракции практически отсутствуют. Для сравнения типичное стандартное геометрическое отклонение размеров частиц монофракции в классификаторе IPAC (прототипе) составляет 1,2 1,3 (Booker, D.R. Bowsher, B.R. and Mitchell, J. P. (1991) Aerosol techniques for the formation of high performance ceramic precursors. J. Aerosol Sci. v. 22, S 19), что соответствует коэффициенту вариации 20-30% а потери частиц монофракции при этом достигают 91-93% Варианты выполнения предлагаемого классификатора могут широко использоваться в промышленной технологии, метеорологии, медицине, сельском хозяйстве и научных исследованиях, в том числе экологических для получения монодисперсных порошков, а также для выделения монофракций частиц из произвольных аэрозольных систем для последующего анализа (например, химического).

Формула изобретения

1. Классификатор для выделения монодисперсной фракции частиц аэрозоля, включающий корпус и установленное в нем осесимметричное тело, соосно которому в корпусе последовательно размещены узел формирования кольцевого аэрозольного потока между двух потоков фильтрованного воздуха, ускоряющее сопло, выполненное в виде конфузора, и узел разделения частиц на фракции, выполненный в виде двух соосно расположенных кольцевых перегородок, образующих в полости корпуса камеры отвода мелкой, монодисперсной и крупной фракций частиц, отличающийся тем, что осесимметричное тело имеет коническую часть, расположенную в конфузоре, а кольцевые перегородки выполнены в виде усеченных конусов и размещены вокруг осесимметричного тела и последовательно со смещением вдоль оси корпуса, причем первая перегородка расположена между камерами отвода мелкой и монодисперсной фракций, а вторая перегородка между камерами отвода монодисперсной и крупной фракций, кроме того, первая перегородка и(или) осесимметричное тело или осесимметричное тело и обе перегородки снабжены механизмом осевого перемещения относительно корпуса.

2. Классификатор по п.1, отличающийся тем, что конические перегородки обращены основаниями друг к другу, а кромка основания конической части осесимметричного тела и кромка второй перегородки расположены внутри конфузора на одинаковом расстоянии от его поверхности, причем кромка первой перегородки расположена внутри конфузора на большем расстоянии от поверхности конфузора, чем кромка основания конической части осесимметричного тела.

3. Классификатор по п.1, отличающийся тем, что конические перегородки обращены усеченными вершинами друг к другу, а кромка конфузора и кромки обеих перегородок расположены вокруг конической части осесимметричного тела, причем кромка конфузора и кромка второй перегородки расположены на одинаковом расстоянии от поверхности конической части осесимметричного тела, а кромка первой перегородки расположена на большем расстоянии от поверхности конической части осесимметричного тела, чем кромка конфузора.

4. Классификатор по пп. 1 3, отличающийся тем, что кромки обеих перегородок расположены на одинаковом расстоянии от оси корпуса, а диаметр основания конической части осесимметричного тела выполнен равным или больше диаметра выходного отверстия конфузора.

5. Классификатор по пп. 1, 2 и 4, отличающийся тем, что в корпусе соосно и вокруг осесимметричного тела установлен стакан, жестко прикрепленный к второй перегородке и к корпусу и посредством шарнира к осесимметричному телу, а механизм осевого перемещения первой перегородки выполнен в виде прикрепленного к ней цилиндра, расположенного соосно между стаканом и осесимметричным телом и кинематически связанного с осесимметричным телом посредством шлицевого соединения и со стаканом посредством резьбы.

6. Классификатор по пп. 1, 3 и 4, отличающийся тем, что в корпусе вокруг осесимметричного тела и соосно ему установлен стакан, прикрепленный к второй перегородке и к осесимметричному телу, а механизм осевого перемещения первой перегородки выполнен в виде прикрепленного к ней цилиндра, расположенного соосно между стаканом и корпусом и кинематически связанного с осесимметричным телом посредством резьбы и с корпусом посредством шлицевого соединения, причем осесимметричное тело кинематически связано с корпусом посредством шарнира.

7. Классификатор по пп. 1, 2 и 4, отличающийся тем, что в корпусе вокруг осесимметричного тела и соосно ему установлен стакан, прикрепленный к этому телу, причем первая перегородка прикреплена к осесимметричному телу, вторая перегородка прикреплена к стакану, а механизм осевого перемещения осесимметричного тела и обеих перегородок выполнен в виде резьбового соединения стакана с корпусом.

8. Классификатор по пп. 1, 3 и 4, отличающийся тем, что перегородки прикреплены к корпусу, а механизм осевого перемещения осесимметричного тела выполнен в виде резьбового соединения этого тела с корпусом.

9. Классификатор по пп. 1, 2 и 4, отличающийся тем, что механизм осевого перемещения осесимметричного тела и обеих перегородок выполнен в виде стакана и цилиндра, расположенных коаксиально вокруг осесимметричного тела, причем стакан жестко прикреплен к второй перегородке и кинематически связан с осесимметричным телом посредством шарнира и с корпусом посредством резьбы, а цилиндр жестко прикреплен к первой перегородке и кинематически связан с осесимметричным телом посредством шлицевого соединения и со стаканом - посредством резьбы, кроме того, осесимметричное тело кинематически связано с корпусом с помощью скобы и шлицевого соединения, а резьбы выполнены с разным шагом, обеспечивающим постоянство отношения расстояния между кромками перегородок к расстоянию от кромки основания конической части осесимметричного тела до поверхности конфузора при любом положении в корпусе первой перегородки и осесимметричного тела.

10. Классификатор по пп. 1, 3 и 4, отличающийся тем, что механизм осевого перемещения осесимметричного тела и первой перегородки выполнен в виде цилиндра и стакана, расположенных коаксиально вокруг осесимметричного тела, причем цилиндр жестко прикреплен к первой перегородке и кинематически связан с корпусом посредством шлицевого соединения и со стаканом посредством резьбы, а стакан жестко прикреплен к второй перегородке и кинематически связан с осесимметричным телом посредством резьбы и с корпусом посредством шарнира, кроме того, осесимметричное тело кинематически связано с узлом формирования кольцевого аэрозольного потока с помощью шлицевого соединения, а резьбы выполнены с разным шагом, обеспечивающим постоянство отношения расстояния между кромками перегородок к расстоянию от кромки конфузора до поверхности конической части осесимметричного тела при любом положении в корпусе первой перегородки и осесимметричного тела.

11. Классификатор по пп. 1 10, отличающийся тем, что осесимметричное тело имеет цилиндрическую часть, расположенную соосно в узле формирования кольцевого аэрозольного потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7