CN105080838A - 一种气溶胶颗粒物粒径筛选设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气溶胶颗粒物粒径筛选设备，具有这样的特征，包括：一气流导入导出部件，用以引导气流方向，包括上部件和下部件，所述上部件设有鞘气流入口、样气流入口，所述下部件设有鞘气流出口、样气流出口；一旋转部件，用以筛选气溶胶颗粒物，包括外壳、转子，所述外壳的上下两端分别连通上部件和下部件，所述转子通过竖直的中心轴安装在外壳内部，并沿中心轴旋转。本发明基于气溶胶粒子离心力和空气阻力平衡的原理筛选一定粒径的粒子，粒径筛选误差远小于现有的基于粒子电场力和空气阻力平衡或电场力与离心力平衡的方法。

Description

一种气溶胶颗粒物粒径筛选设备
技术领域
本发明涉及筛选设备，具体涉及一种气溶胶颗粒物粒径筛选设备。
背景技术
气溶胶颗粒物粒径筛选设备在大气监测和研究中有着广泛地应用。因此，可以说气溶胶颗粒物粒径筛选设备是大气气溶胶监测研究的重要设备。
目前应用最为广泛的颗粒物粒径筛选装置为差分电迁移率分析仪(DifferentialMobilityAnalyzer，简称DMA)，其利用不同粒径的带电气溶胶粒子在恒定电场中运动速度的差异筛选准单一粒径的气溶胶粒子。此类装置存在的主要问题是，在筛选一定粒径的粒子时，一部分带多个电荷的粒径更大的粒子也不可避免地会被筛选出来。另外，DMA的筛选效率较低，筛选出的粒子浓度远低于样本中此粒径粒子的浓度。在利用DMA检测气溶胶粒径谱分布时，还需要中和器使样本粒子达到一定的带电分布，中和器中含有放射性物质，限制了装置的应用范围。另一类装置利用带电粒子电场力和离心力平衡的方法筛选气溶胶粒子，例如气溶胶粒子质量分析仪(AerosolParticleMassAnalyzer，简称APM)和离心式粒子质量分析仪(CentrifugalParticleMassAnalyzer，简称CPMA)。由于此类装置也基于带电气溶胶粒子在电场中的受力，所以存在和DMA相同的上述问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种低成本、易推广、高效率、低粒径误差的气溶胶颗粒物粒径筛选设备。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种气溶胶颗粒物粒径筛选设备，具有这样的特征，包括：一气流导入导出部件，用以引导气流方向，包括上部件和下部件，所述上部件设有鞘气流入口、样气流入口，所述下部件设有鞘气流出口、样气流出口；一旋转部件，用以筛选气溶胶颗粒物，包括外壳、转子，所述外壳的上下两端分别连通上部件和下部件，所述转子通过竖直的中心轴安装在外壳内部，并沿中心轴旋转，所述外壳和转子的间隔形成管状环路，所述管状环路一端连通鞘气流入口，另一端连通鞘气流出口，所述转子内设有进气狭缝，所述进气狭缝的一端连通样气流入口，另一端连通管状环路，所述外壳的内侧壁上设有连通样气流出口的出气狭缝。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：所述进气狭缝连通样气流入口的端口设置在转子上端面的中心位置。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：还包括电动机、传动部件、控制电路，所述控制电路连接电动机并调节电动机的转速，所述电动机连接传动部件，所述传动部件连接旋转部件并带动其旋转。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：所述鞘气流出口经送风机、散热器和过滤器，最后连通鞘气流入口并形成闭合循环回路。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：所述过滤器和鞘气流入口之间还设有流量监测器，以监控鞘气流入流量。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：所述样气流入口处外接有流量监测器，以监控样气流入流量。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：所述定子和外壳的横截面均是圆形。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：所述外壳和上部件、下部件连接处设有密封部件。
进一步地，在本发明提供的气溶胶颗粒物粒径筛选设备中，还可以具有这样的特征：所述转子和外壳连接处也设有密封部件。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明基于气溶胶粒子离心力和空气阻力平衡的原理筛选一定粒径的粒子，粒径筛选误差远小于现有的基于粒子电场力和空气阻力平衡或电场力与离心力平衡的方法。
2、本发明的粒子筛选效率高于现有的基于粒子电场力和空气阻力平衡或电场力与离心力平衡的方法，目标粒径粒子的通过率接近100％。
3、本发明不需要对气溶胶样气进行预处理，避免了现有技术中必要的含有放射性物质的中和器，使用范围更大。
4、本发明不包含高电压部件，和现有技术相比安全性更高。
附图说明
图1为本发明的气体中气溶胶粒子筛选方法原理示意图；
图2为本发明的筛选粒径DP与旋转部件转速ω的关系；
图3为实施例中的气溶胶颗粒物粒径筛选设备的流程示意图；
图4为实施例中的旋转部件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、工作过程及具体实施方式作进一步说明：
图1为本发明的气体中气溶胶粒子筛选方法原理示意图(图1阴影部分也可理解为下文描述的旋转部件10的部分剖面图)。在进行气溶胶粒子粒径筛选时，将不含粒子的空气以恒定流量QS通入由同轴的圆柱形转子1和管状外壳2构成的环形柱状管路5内作为鞘气。圆柱形转子1半径为R，转子1和外壳2之间的间距为d。转子1和外壳2以相同角速度ω绕中心轴旋转，带动之间的鞘气以相同角速度旋转。含气溶胶粒子的样气以恒定流量QA经样气入口4流入，并由转子1上的进气狭缝6汇入鞘气。样气中的气溶胶粒子在极短的时间内达到与鞘气相同的转速ω。气溶胶粒子所受离心力为FC＝mω2R，其中m为气溶胶粒子的质量。气溶胶粒子在离心力作用下由转子1向外壳2运动，所受空气阻力为其中η为空气的动力粘滞系数，DP为气溶胶粒子的粒径，uR为气溶胶粒子的径向运动速度，CC为Cunningham校正系数，仅与粒径DP有关。气溶胶粒子所受离心力FC与空气阻力FD平衡，可计算得到气溶胶粒子径向运动速度对大部分气溶胶粒子，因此即气溶胶粒子的径向运动速度仅取决于粒子密度ρ和粒径DP。气溶胶粒子从转子1运动到外壳2所需时间即为气溶胶粒子的轴向运动速度穿过环形柱状管路5所需的时间为只有当t1＝t2时，由于离心力的作用，气溶胶粒子可以从出气狭缝7流入，该出气狭缝7设置在外壳的内侧壁上并连通样气流出口8。因此，从样气流出口8流出的气溶胶粒子粒径为在鞘气样气流量和旋转部件几何尺寸固定的情况下，通过改变旋转部件旋转角速度ω，即可筛选出不同粒径的气溶胶粒子。
粒径筛选装置旋转部件的几何尺寸和鞘气样气流量可根据所要筛选的粒径范围和输出气流的流量要求进行选择。作为例子，假定R＝3厘米，L＝20厘米，d＝1毫米，QA＝0.4升每分钟，QS＝2升每分钟，图2为筛选粒径DP与筛选部件转速ω的关系。在这样的部件几何尺寸和鞘气样气流量下，转速在60-12000转每分钟之间调整，可筛选的粒径范围覆盖2纳米-10微米。
图3、图4分别是实施例中的气溶胶颗粒物粒径筛选设备的流程示意图和结构示意图。该优选实施例中，气流导入导出部件11，用以引导气流方向。它分为上部件和下部件，该上部件设有鞘气流入口13、样气流入口12，该下部件设有鞘气流出口14、样气流出口15。
旋转部件10，用以筛选气溶胶颗粒物，它包括外壳、转子。该外壳的上下两端分别连通上部件和下部件，该转子通过竖直的中心轴安装在外壳内部，并沿中心轴旋转，该外壳和转子的间隔形成管状环路，该管状环路一端连通鞘气流入口，另一端连通鞘气流出口，该转子内设有进气狭缝，该进气狭缝的一端连通样气流入口，另一端连通管状环路，外壳的内侧壁上设有连通样气流出口的出气狭缝。
气流导入导出部件11与旋转部件10直接设有用于固定的轴承和密封部件。
旋转部件11的转速由转速控制部件控制，它包括电动机23，传动部件21和控制电路22，通过控制电路可调节电动机转速，设置粒径筛选装置筛选的粒径大小。粒径筛选装置的鞘气为闭合回路循环，鞘气维持部件包括送风机17，散热器18，过滤器19和流量监测器20，通过流量控制器可使鞘气流量稳定在设定值。样气提供部件包括流量监测器16，可实时监测样气流量。驱动装置采用数字化控制，实现转速的可视化、无极调速、快速响应，实现旋转圈数的可视化、精确化。通过调节容器的转速、空气的流速、容器的旋转圈数，实现空气中粒子的全谱系筛选，提高筛选效率。通过转速、圈数、流量的精确控制，实现筛选的精确度与精密度。
实际操作时，将带筛选的气溶胶样本以恒定流量通入样气流入口12，样气流量由流量监测器16监测。旋转部件中的鞘气由送风机17从鞘气流出口14抽出，经过散热器18、过滤器19将其中的气溶胶粒子过滤，重新通入鞘气流入口13作为鞘气，控制电路中的PID控制器读取流量监测器20的测量的流量值，调整送风机17的功率，使鞘气流量稳定在设定值。通过控制电路22可以设定筛选粒径值，控制电路22计算出对应的旋转部件10的转速，调整电动机23的转速，由传动装置21带动旋转部件10旋转。经过筛选的单分散气溶胶经过样气流出口15流出，可通入下游仪器设备。
当然本发明所涉及的气溶胶颗粒物粒径筛选设备并不仅仅限定于上述实施例中的结构，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴内。

Claims (9)

1.一种气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于，包括：
一气流导入导出部件，用以引导气流方向，包括上部件和下部件，所述上部件设有鞘气流入口、样气流入口，所述下部件设有鞘气流出口、样气流出口；
一旋转部件，用以筛选气溶胶颗粒物，包括外壳、转子，所述外壳的上下两端分别连通上部件和下部件，所述转子通过竖直的中心轴安装在外壳内部，并沿中心轴旋转，所述外壳和转子的间隔形成管状环路，所述管状环路一端连通鞘气流入口，另一端连通鞘气流出口，所述转子内设有进气狭缝，所述进气狭缝的一端连通样气流入口，另一端连通管状环路，所述外壳的内侧壁上设有连通样气流出口的出气狭缝。
2.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：所述进气狭缝连通样气流入口的端口设置在转子上端面的中心位置。
3.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：还包括电动机、传动部件、控制电路，所述控制电路连接电动机并调节电动机的转速，所述电动机连接传动部件，所述传动部件连接旋转部件并带动转子旋转。
4.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：所述鞘气流出口经送风机、散热器和过滤器，最后连通鞘气流入口并形成闭合循环回路。
5.根据权利要求4所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：所述过滤器和鞘气流入口之间还设有流量监测器，以监控鞘气流入流量。
6.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：所述样气流入口处外接有流量监测器，以监控样气流入流量。
7.据权利要求1所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：所述定子和外壳的横截面均是圆形。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：所述外壳和上部件、下部件连接处设有密封部件。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的气溶胶颗粒物粒径筛选设备，其特征在于：所述转子和外壳连接处设有密封部件。
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