CN107670518B - 一种固体粉尘气溶胶发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固体粉尘气溶胶发生装置及方法，气溶胶发生装置包括储灰室、混合室、文丘里管以及旋转盘；所述旋转盘设置于储灰室与混合室之间；旋转盘的侧面上设置有多个输送坑，使旋转盘侧面上的输送坑在储灰室内填充粉尘颗粒后由旋转盘顶部进入混合室，然后由旋转盘底部返回储灰室，同时利用通过文丘里管的气流使混合室内产生负压，从而自混合室吸入粉尘，随气流持续喷出文丘里管后可形成稳定气溶胶。本发明更适用于细粉尘、小流量粉尘输送条件下使用，结构简单紧凑、成本低、精度好，产生的固体粉尘气溶胶分布均匀、质量稳定。

Description

一种固体粉尘气溶胶发生装置及方法

技术领域

本发明涉及环境科学及医学领域，具体涉及一种可用于空气净化、医药等技术领域的小型可调整粉尘输送的质量流量的固体粉尘气溶胶发生装置；其可以产生指定质量浓度的粉尘气溶胶，用于检测空气净化装置净化效率、进行医药喷雾实验等。

背景技术

由于社会的发展，人类使用热力能源的需求不断上升，燃烧产生的细颗粒物排放量急剧增大；环境中颗粒物的污染越发严重，尤其是大气中细颗粒物浓度上升对人类身体健康的危害，已经在环境科学及医学领域被广泛关注。环境科学领域在颗粒物净化方向、医学领域在粉尘病理学方向进行研究时时常需要一个稳定的、可模拟存在不同浓度颗粒物的大气环境，这就需要使用气溶胶发生器。目前市场上常见的气溶胶发生器主要以液体为原料，将其雾化后进行喷射来模拟颗粒物环境污染；但在实际环境中，颗粒物主要以干颗粒的形式存在，因此很多情况都需要使用固体粉尘制造粉尘气溶胶模拟污染的环境。

但目前国内固体粉尘气溶胶发生器，尤其是微量粉尘流量的气溶胶发生器，非常少见。实践中发现使用干颗粒粉尘生成气溶胶时有以下难点：(1)粉尘容易成团或粘附在容器壁面，因此如果采取喷枪将其喷出形成气溶胶的话，喷枪的喷嘴及喉口尺寸必须较大，否则很容易堵塞，但喷枪口增大会使粉尘的喷出量增大，无法进行微量的粉尘传送；(2)细粉尘容易在容器内成团，因此需要一定的流化装置使其保持松散均匀，否则无法稳定持续的将其输送出去；(3)细粉尘容易吸水，且容易携带静电，吸水或携带静电后不易破碎或改变其物理特性，因此气溶胶发生装置应该使用导电材料且尽量密封。在设计固体粉尘气溶胶发生器时需要注意并解决以上问题。

目前有部分相似的专利，根据其结构及工作原理分为以下几类：

(1)发生器结构类似干粉式灭火器，采用罐内流化：其在一个密闭容器内存储一定量粉尘，向内吹入空气或其他气体，将粉尘搅起并形成气溶胶，此时容器内呈正压；随后通过一个可调整流量的出气阀，将气溶胶喷出，如粉尘仪校验装置的粉尘发生器(200720090785.1)及气体及粉尘污染物模拟发生器(200820156917.0)等。

这种气溶胶发生器存在以下缺点：不能随时补充粉尘，意味着不能持续产生气溶胶；由于粉尘不可能是均匀颗粒，因此吹起的气溶胶也不均匀，容易出现开始送出的气溶胶细颗粒多，后送出的气溶胶粗颗粒多的现象；随着罐内粉尘减少，虽然喷出流量不变，但其中含有的粉尘会越来越少，即粉尘颗粒的质量流量不稳定。

(2)采用负压抽取形成气溶胶的装置。这种装置采用旋转盘或者皮带对颗粒物质量流量进行调节及传送，并使用负压将传送装置上的粉尘抽走，并在一个环境舱内形成稳定的气溶胶，如粉尘气溶胶发生装置(201010101408.X)及转盘式粉尘气溶胶发生装置(201010136283.4)。这种装置也存在明显的缺陷：首先是整套系统的粉尘称量系统是开放式的，这样会造成粉尘的污染；粉尘称量的原理表述不清，部分专利使用漏斗下漏的方式，这样很难完成稳定均匀的微小流量的粉尘输送(如按照GB/T 32085.1-2015汽车空调滤清器第1部分：粉尘过滤测试中的实验要求，粉尘输送量仅需要0.375g/min)；最后负压发生器的气路与喷粉后的混合仓是并列且相通的，这样会造成一部分气溶胶从负压发生器中抽离，造成环境的污染。

(3)采用重力掉落与气流混合形成气溶胶的装置。如：粉尘气溶胶发生器(201410628541.9)；这种装置的缺陷比较明显：由于粉尘有一定的成团及粘附的能力(尤其是细粉尘)，靠重力使粉尘掉落而不采取其他流化的手段，会导致灰尘的传送效果及生成的气溶胶质量非常不稳定。

(4)采用活塞式推送粉尘的装置。如：能稳定发生粉尘气溶胶的系统(201510404938.4)；这种装置的缺点是不能持续出灰，粉尘使用完必须停止实验，重新加注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体粉尘气溶胶发生装置及方法，更适用于细粉尘、小流量粉尘输送条件下使用，结构简单紧凑、成本低、精度好，产生的固体粉尘气溶胶分布均匀、质量稳定。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种固体粉尘气溶胶发生装置，该气溶胶发生装置包括储灰室、混合室、文丘里管以及旋转盘；所述旋转盘的中心设置于储灰室与混合室之间；旋转盘的侧面上设置有多个输送坑，旋转盘的转动方向设置为使任意输送坑由旋转盘顶部进入混合室，由旋转盘底部进入储灰室；储灰室内设置有偏转电机，混合室与文丘里管的喉管相连。

所述储灰室与旋转盘相接合处的间隙内设置有毛刷。

所述储灰室的侧向壁面中至少包括一个向内倾斜的斜面，旋转盘上的输送坑由该斜面进出储灰室。

所述文丘里管的进气口与压缩空气源相连。

所述旋转盘上的输送坑的数目为360的约数或倍数，旋转盘的中心设置有可调速电机连接孔。

所述气溶胶发生装置还包括回收室，储灰室与混合室之间留有间距，回收室的顶部设置有回收道，位于旋转盘下方的储灰室与混合室之间的空间通过回收道与回收室内部相连通。

所述回收室的底部及储灰室的顶部和至少一个侧面采用可拆卸的板结构。

一种固体粉尘气溶胶发生方法，该气溶胶发生方法包括以下步骤：

1)向储灰室中加注实验用粉尘；

2)使位于储灰室与混合室之间的旋转盘转动，转动方向为使旋转盘侧面上的输送坑在储灰室内填充粉尘颗粒后由旋转盘顶部进入混合室，然后由旋转盘底部返回储灰室；同时启动位于储灰室内的偏转电机，以及利用通过文丘里管的气流使混合室内产生负压；

3)进入混合室的粉尘颗粒在负压下自混合室吸入文丘里管，然后随气流喷出文丘里管，持续喷出一定时间后(不超过10s)即可输出稳定气溶胶；当粉尘颗粒随气流持续喷出文丘里管至形成稳定气溶胶后，可调整喷出方向，并利用发生的气溶胶进行相应的实验。

所述步骤2)中，输入文丘里管的气流流量为≥100m³/h。

所述气溶胶发生方法还包括以下步骤：

在步骤1)之前，对储灰室以及位于旋转盘下方的用于收集粉尘颗粒的回收室进行内部除尘，然后将作为气流的压缩空气通入文丘里管的进气口，通入时间为至少30s。

本发明的有益效果体现在：

1、装置结构紧凑，输送粉尘暴露的面积很小，粉尘不容易被外界环境污染；发生器体积小，方便携带及在狭窄的位置安装使用；

2、采用负压抽取粉尘，且不会造成粉尘泄漏污染；

3、由储灰室内的偏转电机流化粉尘，且使用旋转盘输送粉尘，保证了粉尘输送的精度及稳定性。

进一步的，储灰室外表面倾斜且与旋转盘相合处安装有毛刷，减少了粉尘的泄漏及提高了旋转盘输送粉尘的精度。

附图说明

图1为本发明所述固体粉尘气溶胶发生装置的结构示意图；

图2为图1所示固体粉尘气溶胶发生装置的工作状态示意图；

图3为本发明实施例中固体粉尘气溶胶发生装置的安装示意图；

图4为旋转盘的结构示意图；

图中：1、储灰室，2、加灰盖板，3、清洁盖板，4、偏转电机，5、回收室，6、回收室底板，7、回收道，8、进气口，9、喉管，10、负压生成器，11、气溶胶喷射口，12、通道，13、混合室，14、旋转盘，15、连接孔，16、输送坑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

本发明利用偏转电机对储灰室内粉尘进行流化，使其能分散且分布均匀，不成团；利用旋转盘输送粉尘，控制简单，结构紧凑，成本低；利用文丘里管形成负压抽取粉尘，结构简单、气溶胶均匀性好且不会由于正压倒吹等原因造成污染；结构上有一定的密封及防泄漏设计，即使粉尘泄漏，也设计了相应的回收装置。具体实施例如下。

参见图1，本实施例给出的固体粉尘气溶胶发生装置包括：储灰室1、偏转电机4、混合室13、回收室5、负压生成器10，及旋转盘14。储灰室1和混合室13安装在回收室5顶部，储灰室1与混合室13之间留有间距，储灰室1的顶部具有加灰盖板2，从而可以向储灰室1内加入或补充粉尘颗粒，侧面具有清洁盖板3，偏转电机4固定在清洁盖板3上。旋转盘14夹在储灰室1与混合室13中间，旋转盘14一侧嵌入储灰室1中，且不会碰到偏转电机4，储灰室1与旋转盘14的接触面向储灰室1方向倾斜(即接触面位于储灰室1侧面，且为斜面)，并用细毛刷填补相接合处的缝隙，旋转盘14的另一侧嵌入混合室13中，相接合处留有缝隙，且旋转盘14不会碰到混合室13的用于连接负压生成器10的壁面。回收室5顶部开设有回收道7，旋转盘14下方空间通过回收道7与回收室内部相连通。加灰盖板2、清洁盖板3、回收室底板6以及旋转盘14是可拆卸的。整个装置材料全部为不锈钢，且内表面做抛光处理，以避免粉尘带电集聚及在壁面吸附。

参见图1，负压生成器10主要包括文丘里管以及用于连接文丘里管与混合室13的通道12。该通道12的一端与混合室13一侧壁面相连，另一端连接于文丘里管的进气口8与出气口之间的流道上，具体位于喉管9处。

参见图2、图4，旋转盘14的旋转速度依靠一个可调速电机控制，且利用其中心小孔(连接孔15)与可调速电机连接。旋转盘14上设置有多个沿着旋转盘侧面顺次排列的输送坑16，输送坑开口方向为沿旋转盘径向向外。储灰室1内的粉尘颗粒填充于输送坑16内，并随着旋转盘14的转动连续输出至混合室13内，进入混合室13内的粉尘颗粒随着文丘里管的进气口8通入压缩空气，吸入文丘里管，并由文丘里管的出气口(即粉尘气溶胶喷射口11)输出。

参见图2，上述固体粉尘气溶胶发生装置的主要使用及工作步骤如下：

(1)使用前需要对气溶胶发生装置进行标定，标定方法如下：首先对旋转盘14及一个足够将其外圆面(即侧面)密封包裹的胶带称重，随后将旋转盘14所有输送坑16内填满实验用粉尘，使用已称重的胶带将其外圆面密封，封住所有输送坑16，以防粉尘跌落，再次称重，得出旋转盘14最多可携带的粉尘质量m1；若单位时间目标传送粉尘质量(粉尘输送速率)为m2(/min)，则需要设置的旋转盘转速(即目标转速)为m2/m1(转/min)。

由于旋转盘14目标转速很可能不是整数，常需要按照旋转盘14的输送坑数目来确定非整数的转速，为方便计算，旋转盘14的输送坑数目最好设定为360的约数或倍数，且等间距布置，按照实验及加工的精度，可取36(36个/圈)、60、120、360、720等。

(2)清理气溶胶发生装置：首先卸下加灰盖板2、清洁盖板3及回收室底板6，使用无纺布对内壁进行擦拭，清理储灰室1及5回收室5壁面灰尘，完毕后将加灰盖板2、清洁盖板3及回收室底板6安装复位；然后从进气口8通入干燥清洁的压缩空气(流量不低于100m³/h)，持续30s以上，以清理负压生成器10及混合室13壁面附着的粉尘。

(3)向储灰室1中加注实验用粉尘，加注粉尘需没过偏转电机4以及没过旋转盘14旋转中心所在水平面；加注完毕后立刻盖上加灰盖板2。

(4)按照设定好的转速及规定的旋转方向(确保装填有粉尘颗粒的输送坑由旋转盘顶部进入混合室)，启动控制旋转盘14的可调速电机，同时启动偏转电机4并从进气口8通入干燥清洁的压缩空气(流量不低于100m³/h)。在偏转电机4的震动及搅动下，储灰室1中的粉尘会变得松散，均匀地填充在旋转盘14上向上旋转的输送坑内，并随着旋转盘14的转动，旋转出储灰室1，在转出储灰室1时，储灰室1与旋转盘14之间缝隙内的细毛刷会将旋转盘14侧面及端面多余的粉尘刷落，一部分阻截回储灰室1，一部分会沿储灰室1的斜面滑至回收室5内；随后旋转盘14携带着所需要的粉尘进入混合室13，由于负压生成器10内有快速的气体流动，且其内部设计有喉管9，因此混合室13内部存在负压，将旋转盘14输送坑内的粉尘吸取下来，并在混合室13内初步混合形成气溶胶；随后，混合后的气溶胶通过通道12进入负压生成器10，并随气流从气溶胶喷射口11喷出。一般来说10s后，从气溶胶喷射口11喷出的气溶胶即可趋于稳定，气溶胶喷射口11可根据需要调整喷射方向。

(5)实验结束后，关闭可调速电机及偏转电机4，停止从进气口8通入干燥清洁的压缩空气；拆卸清洁盖板3及回收室底板6，回收未使用完的粉尘。

参见图3，上述固体粉尘气溶胶发生装置的安装及主要的尺寸(单位为mm)建议如下：

(1)储灰室1与旋转盘14接触面向储灰室方向倾斜，倾斜角度α为30°，可以略大(30°～40°)，但不能使储灰室1下端面与混合室13相交，需留出一定宽度形成回收道7；

(2)回收室5的高度h1为15mm，可以略高(15～20mm)，以防回收室内的回收粉尘吸入混合室13；

(3)混合室13厚度W1不能太大(14～16mm)，建议为14mm，太大会降低负压抽取效果，但也不能太小，太小会影响混合效果；

(4)通道12的直径φ1不能太细(6～8mm)，以防被堵塞，建议直径为8mm；通道12的长度L1不能太长(8～10mm)，以防影响负压抽取效果，建议为10mm；

(5)负压生成器10端面直径φ2为20～22mm(根据文丘里管壁厚不同有所浮动)，喉管最窄处直径φ3为10mm，较大的缩变可产生较高的负压，但喉管处直径尽量不要低于10mm，以防堵塞；若需要提高混合室13内负压以促进粉尘均匀化，可提高负压生成器10端面直径或通入的压缩空气流速；

(6)R10为旋转盘14直径，随整个气溶胶发生装置尺寸的变化，其尺寸有所浮动(38～42mm)；R1为连接孔15直径，可根据连接电机需要制作成1mm或2mm。

(7)整个装置可拆卸为A、B两部分，否则无法安装旋转盘14。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

(1)本发明所述气溶胶发生装置主体体积很小，不超过15cm×10cm×5cm，非常方便携带、安装；制作成本也非常低；

(2)本发明所述气溶胶发生装置结构更紧凑，暴露面很小，基本避免了环境对实验粉尘的污染；

(3)本发明所述气溶胶发生装置有密封(细毛刷)、防泄漏(斜面及回收室)设置，减少了粉尘泄漏。细毛刷刷除旋转盘端面粘附的粉尘及侧面溢出的粉尘，减少输送误差及粉尘泄漏；储灰室与旋转盘接触面向储灰室方向倾斜，以便刷出的粉尘及旋转盘上跌落的粉尘滑入回收室；另外可以防止储灰室内粉尘在流化后，由于重力作用从储灰室内溢出；

(4)本发明所述气溶胶发生装置结构简单，标定、清洁、使用都非常简便；

(5)本发明所述气溶胶发生装置可对送灰量进行精确控制，通过调整旋转盘的转速及其输送坑排布结构，可以调整其输送精度，适用于小流量送灰；

(6)本发明所述气溶胶发生装置在储灰室内利用偏转电机对粉尘进行流化，提高了粉尘输送量的精度；

(7)本发明所述气溶胶发生装置可持续出灰(粉尘气溶胶)。

(8)本发明所述气溶胶发生装置发生的气溶胶非常稳定均匀，气溶胶中颗粒物分布相对偏差不超过6％，且颗粒物粒径越小(由实验数据可看出，粒径最好不大于10微米)，分布越均匀，见表1测试数据；因此本发明更适用于细粉尘气溶胶的发生(表1序号1-6代表6次实验)。

表1.测试数据

注：环境温度25℃，湿度60％，粉尘输送速率0.375g/min，压缩空气流量300m³/h。

Claims (8)

1.一种固体粉尘气溶胶发生装置，其特征在于：该气溶胶发生装置包括储灰室(1)、混合室(13)、文丘里管以及旋转盘(14)；所述旋转盘(14)设置于储灰室(1)与混合室(13)之间；旋转盘(14)的侧面上设置有多个等间距输送坑(16)，旋转盘(14)的转动方向设置为使任意输送坑(16)由旋转盘(14)顶部进入混合室(13)，由旋转盘(14)底部进入储灰室(1)，输送坑开口方向为沿旋转盘径向向外；储灰室(1)内设置有偏转电机(4)，混合室(13)与文丘里管的喉管(9)相连；

所述储灰室(1)与旋转盘(14)相接合处的间隙内设置有毛刷；

所述储灰室(1)的侧向壁面中至少包括一个向内倾斜的斜面，旋转盘(14)上的输送坑(16)由该斜面进出储灰室(1)。

2.根据权利要求1所述一种固体粉尘气溶胶发生装置，其特征在于：所述文丘里管的进气口与压缩空气源相连。

3.根据权利要求1所述一种固体粉尘气溶胶发生装置，其特征在于：所述旋转盘(14)上的输送坑(16)的数目为360的约数或倍数，旋转盘(14)的中心设置有可调速电机连接孔(15)。

4.根据权利要求1所述一种固体粉尘气溶胶发生装置，其特征在于：所述气溶胶发生装置还包括回收室(5)，储灰室(1)与混合室(13)之间留有间距，回收室(5)的顶部设置有回收道(7)，位于旋转盘(14)下方的储灰室(1)与混合室(13)之间的空间通过回收道(7)与回收室(5)内部相连通。

5.根据权利要求4所述一种固体粉尘气溶胶发生装置，其特征在于：所述回收室(5)的底部及储灰室(1)的顶部和至少一个侧面采用可拆卸的板结构。

6.一种固体粉尘气溶胶发生方法，其特征在于：该气溶胶发生方法包括以下步骤：

1)向储灰室(1)中加注实验用粉尘；封住所有输送坑，称重，得出旋转盘最多可携带的粉尘质量m1；若单位时间目标传送粉尘质量为m2，则需要设置的旋转盘转速为m2/m1，旋转盘(14)的侧面上设置有多个等间距布置输送坑(16)，输送坑开口方向为沿旋转盘径向向外；

2)使位于储灰室(1)与混合室(13)之间的旋转盘(14)转动，旋转盘(14)的转动方向为使旋转盘(14)侧面上的输送坑(16)在储灰室(1)内填充粉尘颗粒后由旋转盘(14)顶部进入混合室(13)，然后由旋转盘(14)底部返回储灰室(1)；同时启动位于储灰室(1)内的偏转电机(4)，以及利用通过文丘里管的气流使混合室(13)内产生负压；

3)粉尘颗粒在负压下自混合室(13)吸入文丘里管，然后随气流喷出文丘里管，持续喷出一定时间后即可输出稳定气溶胶。

7.根据权利要求6所述一种固体粉尘气溶胶发生方法，其特征在于：所述步骤2)中，输入文丘里管的气流流量为≥100m³/h。

8.根据权利要求6所述一种固体粉尘气溶胶发生方法，其特征在于：所述步骤1)还包括以下步骤：对储灰室(1)以及位于旋转盘(14)下方的用于收集粉尘颗粒的回收室(5)进行内部除尘后将作为气流的压缩空气通入文丘里管的进气口，通入时间为至少30s。

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