CN113457479B - 定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统 - Google Patents

定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统 Download PDF

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Abstract

一种定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统，包括：高压洁净气源以及分别与之相连的补气支路、载气支路和静电中和支路，其中：载气支路和静电中和支路的另一端与级联分散器相连，补气支路的另一端与混合分散器的补气端相连，级联分散器的输出端与混合分散器的载气端相连并实现粉尘气溶胶的反馈控制稳定输出。本发明针对现有技术中由于载气流量波动、粉尘进料不均匀、颗粒静电团聚对粉尘气溶胶发生浓度不稳定问题，能够持续稳定的发生定量浓度的粉尘气溶胶。

Description

定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统
技术领域
本发明涉及的是一种核电工程领域的技术，具体是一种定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统。
背景技术
粉尘气溶胶发生系统核电厂严重事故后放射性源项评估、空气污染治理、药物吸入毒理研究中有着广泛的应用。持续稳定发生定量浓度气溶胶对放射性源项评估、空气质量评估以及药物毒理研究至关重要。由于粉尘是不均匀颗粒，且载气流量波动、进料不均匀性以及静电团聚效应均会影响气溶胶发生浓度的稳定性。
现有的粉尘气溶胶发生技术多通过载气吹散成粉尘气溶胶或通过扬声器放大声波来实现气溶胶的均匀分散；但前者在载气流量低或存在波动时不足以将粉尘完全吹散，最终导致气溶胶发生的不稳定；而声波在含有固体颗粒的气体介质中传播时能量衰减快，对粉尘气溶胶分散均匀性作用不高的同时容易使沉积在壁面的气溶胶颗粒发生再悬浮现象进而对气溶胶浓度的稳定性产生影响。
发明内容
本发明针对现有技术中由于载气流量波动、粉尘进料不均匀、颗粒静电团聚对粉尘气溶胶发生浓度不稳定问题，提出一种定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统，能够持续稳定的发生定量浓度的粉尘气溶胶。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统，包括：高压洁净气源以及分别与之相连的补气支路、载气支路和静电中和支路，其中：载气支路和静电中和支路的另一端与级联分散器相连，补气支路的另一端与混合分散器的补气端相连，级联分散器的输出端与混合分散器的载气端相连并实现粉尘气溶胶的反馈控制稳定输出。
所述的高压洁净气源与补气支路、载气支路和静电中和支路之间进一步设有主线调节阀、主线流量计和压力传感器以实现精确控制。
所述的补气支路包括：补气支路调节阀和补气支路流量计。
所述的载气支路包括：依次相连的载气支路调节阀、载气支路流量计和用于输送粉尘原料粉尘推进器。
所述的粉尘推进器包括：储料桶、电动推柄、载气入口快接头、粉尘输出端快接头。
所述的静电中和支路包括：依次相连的中和支路调节阀、用于生成正负离子的静电中和器和用于调节粉尘颗粒的负荷分布，达到荷电平衡状态的调和腔室。
所述的级联分散器为粉尘推进器输出的气溶胶进行二次分散的若干串联的快开式承压罐。
所述的混合分散器包括：依次相连的大口径直管、凸缩斜面、小口径直管和粉尘气溶胶出口以及设置于大口径直管上下两侧的两个内插进口，其中：两个内插进口分别与级联分散器输出端和补气支路输出端相连，内插进口内各自设有内插支管，内插支管上设有喷射孔；凸缩斜面将加速载气与补气的充分混合，从而使气溶胶浓度均匀分布于混合气中。
技术效果
本发明解决了现有粉尘发生装置中由于载气流量波动、粉尘进料不均匀、颗粒静电团聚导致的气溶胶发生浓度不稳定问题；本发明通过补气、载气、静电中和三个气路以及实时监测反馈，使得输出的气溶胶定量且浓度持续稳定，可以长时间持续稳定发生一定量浓度的无静电团聚、粒径集中的粉尘气溶胶颗粒。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明级联缓冲器结构示意图；
图3为本发明级联缓冲器筛板结构示意图；
图4为本发明混合分散器结构正视图；
图5为本发明混合分散器结构右视图；
图6为现有粉尘推进器发生出的气溶胶质量浓度稳定性情况；
图7为实施例三次重复性发生定量浓度气溶胶持续稳定效果示意图；
图8为本发明定量发生的不同气溶胶浓度效果示意图；
图中：1高压洁净气源、2主线调节阀、3主线流量计、4压力传感器、5补气支路调节阀、6补气支路流量计、7载气支路调节阀、8载气支路流量计、9中和支路调节阀、10静电中和器、11粉尘推进器、12调和腔室、13级联分散器、14混合分散器、15光学粒径谱仪、1301一级分散器进口、1302一级分散器筛板、1303一级分散器出口、1304二级分散器进口、1305二级分散器筛板、1306二级分散器出口、1307级联分散器筛孔、1401堵板、1402补气内插支管进口、1403载气内插支管进口、1404大口径直管、1405凸缩斜面、1406小口径直管、1407混合分散器输出端、1408喷射孔、1409补气内插支管、1410载气内插支管。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统，包括：高压洁净气源1以及分别与之相连的补气支路、载气支路和静电中和支路，其中：载气支路和静电中和支路的另一端与级联分散器13相连，补气支路的另一端与混合分散器14的补气端相连，级联分散器13的输出端与混合分散器14的载气端相连并实现粉尘气溶胶的稳定输出。
所述的高压洁净气源1产生最大10g/s的稳定流量，流量测量误差为0.1g/s，其具体包括：依次连接的空气压缩机、储气罐、高效过滤器和冷干机。
本实施例中采用变频螺杆式空气压缩机，其最高供气压力为1MPa压力波动小于10kPa，采用容积为2m3的储气罐以储备足量压缩空气用于后端供给；采用三个串联的高效过滤器以过滤粒径0.05μm以上杂质。
所述的高压洁净气源1与补气支路、载气支路和静电中和支路之间进一步设有主线调节阀2、主线流量计3和压力传感器4以实现精确控制，其中：主线流量计3设置流量为4.0g/s；用于监测气源压力、观测压力稳定性的压力传感器4输出压力信号至高压气源以实现气源压力反馈控制；主线流量计3用于测量各路气体流量，流量精度为0.1g/s。
本实施例中压力传感器实测示数为1MPa，压力波动小于±10kPa，表明气源及供气流量的稳定。
所述的补气支路包括：补气支路调节阀5和补气支路流量计6，其设置流量为3.5g/s。
所述的载气支路包括：依次相连的载气支路调节阀7、载气支路流量计8和用于分散粉尘原料粉尘推进器11，其中：载气支路流量计设置流量为0.3g/s。
所述的粉尘推进器11包括：储料桶、电动推柄、载气入口快接头、粉尘输出端快接头；所述的反馈控制，通过调节气体流量和粉尘推进器11速度，使实测发生浓度增大或减小至设定值。
所述的储料桶包内径为20mm的圆形填料筒，填料密度约1g/cm3。
所述的电动推柄的推进速度设置为0.05mm/min，可控精度0.01mm/min。
所述的载气入口快接头连接高压洁净气源。
所述的粉尘输出端快接头连接下游混合腔。
所述的静电中和支路包括：依次相连的中和支路调节阀9、用于生成正负离子的静电中和器10和用于调节粉尘颗粒的负荷分布，达到荷电平衡状态的调和腔室12。
所述的静电中和支路流量，根据流量计的设置，通过差减法可以计算出为0.2g/s。
所述的级联分散器为粉尘推进器输出的气溶胶进行二次分散的两个串联的快开式承压罐，具体为：分别内置筛板的一级分散器13和二级分散器14，其中：调和腔室12的输出端与一级分散器13的下部接口相连，一级分散器13的上部接口与二级分散器的下部接口相连，二级分散器的上部接口作为整体级联分散器的输出端。
本实施例级联分散器中，单个分散器体积为0.1m3。
如图2所示，所述的气溶胶由位于左下方的一级分散器进口1301通入，在气流扰动及一级分散器筛板1302作用下使气溶胶颗粒充分分散与混合，并且在惯性碰撞及重力沉积作用下将粉尘推进器一次分散作用下未打开的粉尘块粒滞留下来，而后从与位于右上方的一级分散器出口1303相连的位于左下方的二级分散器进口1304进入二级分散器再次分散，级联分散器增大了气溶胶载气流动空间，增强了团聚颗粒的滞留效应，可以消除由于填料压实不均匀带来的发生浓度不稳定问题。
如图3所示，所述的级联分散器筛板1307的孔径和节距均为30mm。
如图4所示，所述的混合分散器14包括：依次相连的大口径直管1404、凸缩斜面1405、小口径直管1406和粉尘气溶胶出口1407以及设置于大口径直管1404上下两侧的两个内插进口1402、1403，其中：两个内插进口分别与级联分散器输出端和补气支路输出端相连，内插进口内各自设有内插支管1409、1410，内插支管上设有喷射孔1408；凸缩斜面1405将加速载气与补气的充分混合，从而使气溶胶浓度均匀分布于混合气中。
所述的级联分散器输出流量为0.5g/s，从补气支路为整个系统补足3.5g/s气体。
所述的大口径直管1404为长度50mm的DN65管道，凸缩斜面1405的水平夹角为14°，小口径直管1406为长度50mm的DN40管道。
如图5所示，所述的内插支管1409、1410通入混合分散器内部，所述的喷射孔1408具体为朝向粉尘气溶胶出口1407方向的五个直径5mm的小孔，用于分散从中喷出的气体和气溶胶，帮助粉尘颗粒和气体之间的充分混合。
所述的粉尘气溶胶出口1407上设有对气溶胶浓度进行实时监测的光学粒径谱仪15，该光学粒径谱仪15对所发生的气溶胶浓度进行实时监测，配合所述的粉尘推进器11和支路调节阀7实现气溶胶浓度的定量控制，具体为：粉尘推进器电动推柄推进速度
Figure BDA0003175439690000041
Figure BDA0003175439690000042
其中：Cm,实测是光学粒径谱仪16实测发生的气溶胶质量浓度，mg/m3；Qi(i＝1,2,3)分别是载气支路、静电中和支路、补气支路流量g/s(空气密度1.2kg/m3)；D50是由光学粒径谱仪15实测气溶胶的质量中位径μm；r为储料桶内径，20mm；ρ气体是气体密度，kg/m3；ρp是气溶胶原料颗粒密度，g/cm3。
当光学粒径谱仪15实测Cm,实测小于所需发生浓度Cm时，控制Qi稳定不变，增大推进速度V，反之则减小推进速度V，以达到气溶胶定量发生浓度控制。
经过具体实际实验：设置高压洁净气源供气压力1MPa，主线流量4.0g/s，载气支路流量0.3g/s，静电中和支路流量0.2g/s，补气支路流量3.5g/s，粉尘推进器推进速度0.05～1mm/min，分别产生质量浓度在10～300mg/cm3范围的粉尘气溶胶。
与现有技术相比，本系统气溶胶发生时间为2小时，如图6和图7所示，现有技术粉尘气溶胶发生器所发生的气溶胶浓度与本系统三次重复性发生定量浓度气溶胶持续稳定效果相比，本系统不仅提高了气溶胶发生系统的气溶胶发生稳定性，而且可重复性好。如图7所示，为本系统定量发生的不同气溶胶浓度，可以看出本系统在不同气溶胶发生浓度上均可保持稳定。
综上，本发明解决了现有粉尘气溶胶发生浓度不稳定问题，使用本发明所涉及的气溶胶发生系统，能够定量持续的发生浓度稳定的粉尘气溶胶。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (2)

1.一种定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统，其特征在于，包括：高压洁净气源以及分别与之相连的补气支路、载气支路和静电中和支路，其中：载气支路和静电中和支路的另一端与级联分散器相连，补气支路的另一端与混合分散器的补气端相连，级联分散器的输出端与混合分散器的载气端相连并实现粉尘气溶胶的反馈控制稳定输出；
所述的补气支路包括：补气支路调节阀和补气支路流量计；
所述的载气支路包括：依次相连的载气支路调节阀、载气支路流量计和用于分散粉尘原料粉尘推进器；
所述的级联分散器为粉尘推进器输出的气溶胶进行二次分散的若干串联的快开式承压罐；
所述的静电中和支路包括：依次相连的中和支路调节阀、用于生成正负离子的静电中和器和用于调节粉尘颗粒的负荷分布，达到荷电平衡状态的调和腔室；
所述的混合分散器包括：依次相连的大口径直管、凸缩斜面、小口径直管和粉尘气溶胶出口以及设置于大口径直管上下两侧的两个内插进口，其中：两个内插进口分别与级联分散器输出端和补气支路输出端相连，内插进口内各自设有内插支管，内插支管上设有喷射孔；凸缩斜面将加速载气与补气的充分混合，从而使气溶胶浓度均匀分布于混合气中；
所述的粉尘气溶胶出口上设有对气溶胶浓度进行实时监测的光学粒径谱仪，该光学粒径谱仪对所发生的气溶胶浓度进行实时监测，配合所述的粉尘推进器和支路调节阀实现气溶胶浓度的定量控制；
所述的高压洁净气源与补气支路、载气支路和静电中和支路之间进一步设有主线调节阀、主线流量计和压力传感器以实现精确控制；
所述的粉尘推进器包括：储料桶、电动推柄、载气入口快接头、粉尘输出端快接头；所述的反馈控制，通过调节气体流量和粉尘推进器速度，使实测发生浓度增大或减小至设定值。
2.根据权利要求1所述定量浓度持续稳定的粉尘气溶胶发生系统，其特征是，所述的级联分散器具体包括：分别内置筛板的一级分散器和二级分散器，其中：调和腔室的输出端与一级分散器的下部接口相连，一级分散器的上部接口与二级分散器的下部接口相连，二级分散器的上部接口作为整体级联分散器的输出端；
所述的气溶胶由位于左下方的一级分散器进口通入，在气流扰动及一级分散器筛板作用下使气溶胶颗粒充分分散与混合，并且在惯性碰撞及重力沉积作用下将粉尘推进器一次分散作用下未打开的粉尘块粒滞留下来，而后从与位于右上方的一级分散器出口相连的位于左下方的二级分散器进口进入二级分散器再次分散，级联分散器增大了气溶胶载气流动空间，增强了团聚颗粒的滞留效应，可以消除由于填料压实不均匀带来的发生浓度不稳定问题。
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