CN103018076A - 一种颗粒物pm2.5粒径切割装置 - Google Patents

Abstract

一种颗粒物PM_2.5粒径切割装置，利用颗粒物的空气动力学性质，实现粒径2.5μm以上颗粒物有效切割。本发明包括样气进气管、旋风分离器、转接器、样气出气管。旋风分离由进气口、分离腔、出气口、颗粒物收集室组成。本发明结构紧凑，维护方便，在恒定流速下可实现2.5μm颗粒物的高效切割。本发明可以作为环境监测设备的前级颗粒物粒径切割。

Description

一种颗粒物PM2.5粒径切割装置

技术领域

本发明涉及一种颗粒物PM_2.5粒径切割装置，属于大气气溶胶监测技术领域。

背景技术

国家工业化进程不断加快的同时，环境空气污染越发严重，我国已经由典型的煤烟型大气污染转为以臭氧和大气细粒子为主要特征的复合污染。特别是随着国家新的《环境空气质量标准》的实施，PM_2.5质量浓度测量正式列入环境控制质量监测范围。目前，真正能够实现环境空气中颗粒物质量浓度原位测量的仪器是基于振荡天平法，而PM_2.5粒径切割装置的研发，将对于质量浓度的精确测量具有重要意义。

长期以来，基于颗粒物运动学特性的常规冲击式粒子采样器主要用于实现大颗粒物的滤膜采样分析或者去除，而考虑到实际应用中特定环境颗粒物粒径切割的准确性、运行稳定性及易维护性等，并充分考虑切割器体积的设计限制等，基于微型旋风分离器的粒径切割装置将更具应用前景。专利ZL201220149409.6中设计了一种基于旋风分离器的颗粒物PM_2.5粒径切割器，可以用于以环境空气采样或测量为目的的粒径切割，但其仅仅作为PM₁₀粒径切割器的配套附件使用，无法单独应用。同时，该切割器结构采用分离腔横放模式，很难保证长时间高颗粒物浓度下的粒径精确切割，且分离腔内部容易受颗粒物沉积污染，不利于后期维护。本发明旨在设计一种能够满足各种环境监测需求的、维护方便并可单独使用的PM_2.5切割器。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种颗粒物粒径切割装置，使其能够同时适应环境颗粒物高浓度或者低浓度条件下的PM_2.5精确切割需求，结构简单，后期维护方便，实现空气中2.5μm以上颗粒物粒径的原位切割。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种颗粒物PM_2.5粒径切割装置，包括：样气进气管1、旋风分离器2、颗粒物收集室3、转接器4和样气出气管5；所述旋风分离器2由进气口6、分离腔7和出气口8组成；所述分离腔7上半部为圆柱形，与出气口8外壁形成圆环形样气整流区，下半部形状为倒圆锥形，为样气气流加速区；所述出气口8位于所述分离腔7腔体的上方，且与分离腔7的内壁固定连接；所述进气口6位于分离腔7腔体的侧壁，并与分离腔7样气整流区垂直贯通连接；所述样气进气管1的一端作为进气端开口向下，样气进气管1的另一端螺合在进气口6上；所述颗粒物收集室3固定于旋风分离器2的下部，并与旋风分离器2的分离腔7的下方贯通连接；出气口8通过转接器4与样气出气管5连接。

所述进气口6采用圆锥体向长方体过渡的进气方式，即进气口6前端为圆锥体，实现与样气进气管1的密闭连接，进气口6后端逐渐过渡为长方体，使得样气进入分离腔7时，气流内侧与出气口8下部外侧相切。这种结构可以保证样气进入分离腔7之前实现进气管切面由圆形向矩形的平稳过渡，保证分离腔7样气整流区内样流层流结构的形成，有效的避免进气口6与分离腔7过渡区域紊流的出现。

所述出气口8底端深入分离腔7内，且出气口8底端端面略低于进气口6的下端端面，从而形成分离腔7样气整流区的环形结构。

所述的样气出气管5呈倒U型结构，一端通过螺纹与转接器4相连接，连接处有O圈密封，另一端与后续颗粒物分析仪连接，这种结构可以有效降低出气管内的粒子碰撞损失，并方便后续设备连接。

所述旋风分离器2、转接器4和颗粒物收集室3同轴安装。这种结构可以在实现颗粒物高效切割的同时，使得碰撞在分离腔7内壁上的颗粒物在自身重力及气流的共同作用下沉降至颗粒物收集室3。

所述进气口6与分离腔7的侧壁采用密封胶粘接，出气口8与分离腔7的内壁为螺纹连接，连接处有O型密封圈。

所述出气口6上端通过螺纹与转接器4连接，连接处通过O形密封圈。

所述颗粒物收集室3通过螺纹连接于旋风分离器2的分离腔7的下方，连接处通过O形密封圈。

本发明的切割装置的机体均采用铝合金材质，表面及内壁均喷涂聚四氟乙烯。

本发明的主要原理是：本发明主要借鉴了常规旋风分离器的工作原理，利用的是惯性分离法，其结构原理图如附图2所示。图中a为样气进气口6的高度，b为样气进气口6的宽度，h为环形旋风分离腔7样气整流区的高度。

根据常规旋风分离器筛分理论，当粒子在离心力的作用下所产生的径向速度与返回气流的径向速度相等时，可以直接得到切割粒径，经整理为：

$d_{50}=\sqrt{\frac{9\mathrm{ab\μ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_{p}h{v}_0}}$

式中，ρ_p为颗粒物质量密度，μ为空气动力粘滞系数，v₀为颗粒物的切向速度。

本发明设计样气采样流量为16.7L/min，样气进气口高度a为10mm，宽度b为5mm，环形旋风分离腔样气整流区高度h为42mm，其他参数选取大气压强为101.325kPa、温度为20℃的条件下的参考值，由此可以获得旋风分离器的切割粒径：

d₅₀＝2.604μm

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明核心部件基本原理为旋风分离器，利用粒子的空气动力学粒径实现PM_2.5粒径切割，结构紧凑，后期维护方便，切割效率高，实际应用前景广阔。

（2）本发明的旋风分离腔采用竖直方式安装，在自身重力及气流的共同作用下，环形整流区及倒圆锥形加速区的颗粒物可以沉降至下方颗粒物收集室，单独使用该装置即可实现PM_2.5颗粒物的粒径切割。

（3）本发明中的样气进气口采用下方进气方式，极大的避免的空气中较大颗粒物的干湿沉降、雨雪、沙尘等对切割器的污染。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为旋风分离器进气口安装位置示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的一个实施例包括：样气进气管1、旋风分离器2、颗粒物收集室3、转接器4和样气出气管5。样气进气管1的一端作为进气端开口向下，另一端螺合在旋风分离器2的进气口6上，连接处有O形密封圈密封；样气出气管1呈倒U型结构，一端通过螺纹与转接器4相连接，连接处有O圈密封，另一端与后续颗粒物分析仪连接；颗粒物收集室3固定于旋风分离器2的下部，并与旋风分离器2的分离腔7下方贯通连接，连接处有O形密封圈密封；旋风分离器2的出气口8上端通过螺纹与转接器4连接，连接处通过O形密封圈密封。旋风分离器2、转接器4和颗粒物收集室3同轴安装，连接处均有O圈实现密闭连接。整个PM_2.5粒径切割装置机体全部采用铝合金材质，且表面及内壁均喷涂聚四氟乙烯。

如图1、2所示，旋风分离器2由进气口6、分离腔7和出气口8组成。出气口8底端深入分离腔7内，且出气口8底端端面略低于进气口6下端面。出气口8底端外侧与进气口6的内侧相切，同时出气口8通过螺纹连接于分离腔7上方的侧壁，连接处涂有密封胶密封。进气口6与分离腔7的侧壁采用密封胶粘接；进气口6采用圆锥体向长方体过渡的进气方式，即进气口6前端为圆锥体，实现与样气进气管1的密闭连接，进气口6后端逐渐过渡为长方体，使得样气流入分离腔7时，气流内侧与出气口8下部外侧相切。分离腔7上半部为圆柱形，与出气口8外壁形成圆环形样气整流区，下半部形状为倒圆锥形，为样气气流加速区。如图2所示，a为进气口6后端高度，b为进气口6后端宽度，h为分离腔7环形样气整流区高度。

本发明装置的工作过程为：样气气流经样气进气管1进入旋风分离器2的进气口6整流后，进入分离腔7，由于分离腔7上半部为环形样气整流区，粒径较大的颗粒物由于离心力的作用撞击在分离腔7内壁上，并在自身重力及气流的共同作用下向下沉降至颗粒物收集室3中；粒径较小的颗粒物随后进入倒圆锥形样气加速区，高于切割粒径的颗粒物被截留在样气加速区内壁上并最终沉降至颗粒物收集室3中。粒径小于2.5μm的颗粒物，随气流向上运动通过出气口8，并最终通过转接器4进入样气出气管5。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于包括：样气进气管（1）、旋风分离器（2）、颗粒物收集室（3）、转接器（4）和样气出气管（5）；所述旋风分离器（2）由进气口（6）、分离腔（7）和出气口（8）组成；所述分离腔（7）上半部为圆柱形，与出气口（8）外壁形成圆环形样气整流区，下半部形状为倒圆锥形，为样气气流加速区；所述出气口（8）位于所述分离腔（7）腔体的上方，且与分离腔（7）的内壁固定连接；所述进气口（6）位于分离腔（7）腔体的侧壁，并与分离腔（7）样气整流区垂直贯通连接；所述样气进气管（1）的一端作为进气端开口向下，样气进气管（1）的另一端螺合在进气口（6）上；所述颗粒物收集室（3）固定于旋风分离器（2）的下部，并与旋风分离器（2）的分离腔（7）的下方贯通连接；出气口（8）通过转接器（4）与样气出气管（5）连接。

2.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：所述进气口（6）采用圆锥体向长方体过渡的进气方式，即进气口（6）前端为圆锥体，实现与样气进气管（1）的密闭连接，进气口（6）后端逐渐过渡为长方体，使得样气流入分离腔（7）时，气流内侧与出气口（8）下部外侧相切。

3.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：所述出气口（8）底端深入分离腔（7）内，且出气口（8）底端端面略低于与进气口（6）下端面。

4.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：所述的样气出气管（5）呈倒U型结构，一端通过螺纹与转接器（4）相连接，连接处有O圈密封，另一端与后续颗粒物分析仪连接。

5.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：所述旋风分离器（2）、转接器（4）和颗粒物收集室（3）同轴安装。

6.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：所述进气口（6）与分离腔（7）的侧壁采用密封胶粘接，出气口（8）与分离腔（7）的内壁为螺纹连接，连接处有O型密封圈。

7.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：所述出气口（8）上端通过螺纹与转接器（4）连接，连接处通过O形密封圈。

8.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：所述颗粒物收集室（3）通过螺纹连接于旋风分离器（2）的分离腔（7）的下方，连接处通过O形密封圈。

9.根据权利要求1所述的颗粒物PM_2.5粒径切割装置，其特征在于：切割装置的机体均采用铝合金材质，表面及内壁均喷涂聚四氟乙烯。

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