CN204789104U - 一种虚拟冲击器和气体细颗粒物浓缩富集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种虚拟冲击器和气体细颗粒物浓缩富集装置，包括加湿器1、冷却管2、虚拟冲击器3、逆流干燥器4、第一抽气泵7和第二抽气泵8，还包括恒温制冷水槽5和颗粒物混合腔6。该装置通过一系列物理作用对气体中的细颗粒物进行浓缩富集，能够实现对气体中细颗粒物最大30倍的浓缩，且输出稳定，避免了传统方法产生气体细颗粒物时污染环境或超声分离对细颗粒造成物理破坏或纤维脱落等问题，效率高，操作方便，能实现对真实的高浓度细颗粒物污染环境的模拟。

Description

一种虚拟冲击器和气体细颗粒物浓缩富集装置

技术领域

本实用新型涉及一种气体细颗粒物浓缩富集的装置。

背景技术

随着经济社会的发展和生活质量的提高，人们对于大气质量越来越关注，尤其是近年来我国大气环境恶化，多地出现重度雾霾，已经严重影响到了人们的正常生活。由于大气复合污染问题日趋严重，对于气体细颗粒物污染的研究越来越受到重视。气体细颗粒物(即通常说的PM2.5)是指空气中粒径小于2.5μm的固体悬浮颗粒物，是具有严重危害的区域性大气污染物。

在环境科学及生物医学领域，为了研究雾霾对人类健康的影响，需要搭建气体细颗粒物测试环境。为了获得测试环境中所需的气体细颗粒物，常见的方法是设计污染源，对污染源产生的气体细颗粒物进行收集，用收集到的气体细颗粒物来搭建测试环境。该方法虽然成本低，操作简单，但是很容易造成环境污染，并且产生的气体细颗粒物浓度较低且不均匀，要得到比较纯净的PM2.5颗粒还要进行超声分离等处理，这些处理容易造成细颗粒物物理破坏或纤维脱落等问题。另外一种较常见的方法是使用液体气溶胶进行模拟，该方法尽管输出稳定且气体细颗粒物浓度均匀，但是仍会造成污染且该方法不能模拟真实的细颗粒物污染环境。

因此，目前亟需一种成本低廉、操作维护方便、结构紧凑、产生的气体细颗粒物浓度大且稳定、模拟真实环境的气体细颗粒物发生设备，但这类设备尚未见报道。

在说明书“背景技术”部分公开的内容，有助于本领域技术人员理解本实用新型的技术方案，但不应据此认为这些内容一定属于现有技术或公知常识。

实用新型内容

本实用新型提供一种气体细颗粒物浓缩富集装置。

气体细颗粒物浓缩富集装置，包括加湿器1、冷却管2、虚拟冲击器3、逆流干燥器4、第一抽气泵7和第二抽气泵8。冷却管2分别与加湿器1和虚拟冲击器3连接，虚拟冲击器3还与逆流干燥器4和第一抽气泵7连接，逆流干燥器4还与第二抽气泵8连接。加湿器1上还设有气体输入口，逆流干燥器4上还设有气体输出口。

虚拟冲击器3包括锥形输入管9、过滤内腔10、输出直管11和空气动力接口12。锥形输入管9从虚拟冲击器3的底面贯穿到过滤内腔10中，输出直管11从虚拟冲击器3的顶面贯穿到过滤内腔10中。

锥形输入管9与冷却管2连接，输出直管11与逆流干燥器4连接，空气动力接口12用于将第一抽气泵7和过滤内腔10连通。

冷却管2具有内外两个腔，外腔通过液体循环对内腔冷却。气体细颗粒物浓缩富集装置还包括恒温制冷水槽5，恒温制冷水槽5的输入口与输出口分别和冷却管2外腔的下接口与上接口连接。

逆流干燥器4内填充有干燥颗粒。

气体细颗粒物浓缩富集装置还包括颗粒物混合腔6。逆流干燥器4通过颗粒物混合腔6与第二抽气泵8连接。此时，将设在逆流干燥器4上的气体输出口改设在颗粒物混合腔6上。

气体细颗粒物浓缩富集装置中的冷却管2、虚拟冲击器3、逆流干燥器4和第一抽气泵7设置为多个(即两个或两个以上)，多个逆流干燥器4分别与同一颗粒物混合腔6连接。

在本实用新型的描述中，“包括”等词语应按照开放式表达方式理解。例如，气体细颗粒物浓缩富集装置中虚拟冲击器3与第一抽气泵的7连接一般通过橡胶管实现，本领域技术人员通过阅读本实用新型技术方案并结合现有技术或公示常识很容易联想到橡胶管，故本实用新型的描述中将其略去，这并不影响本实用新型技术方案的完整性。

本实用新型提供的气体细颗粒物浓缩富集装置，通过一系列物理作用对气体中的细颗粒物进行浓缩富集，能够实现对气体中细颗粒物最大30倍的浓缩，且输出稳定，避免了传统方法产生气体细颗粒物时污染环境或超声分离对细颗粒造成物理破坏或纤维脱落等问题。该装置效率高，操作方便，能实现对真实的高浓度细颗粒物污染环境的模拟，在环境科学、生物医学及其他相关领域具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为虚拟冲击器3的结构示意图。图中：9、锥形输入管，10、过滤内腔，11、输出直管，12、空气动力接口。

图2为气体细颗粒物浓缩富集装置的结构示意图。图中：1、加湿器，2、冷却管，3、虚拟冲击器，4、逆流干燥器，5、恒温制冷水槽，6、颗粒物混合腔，7、第一抽气泵，8、第二抽气泵。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施方式进行进一步的具体说明。但应注意，本实用新型的范围并不局限于所描述的具体实施方式。任何对所描述的具体实施方式中的技术要素进行相同或等同替换获得的技术方案或本领域技术人员在所描述的具体实施方式的基础上不经过创造性劳动就可以获得的技术方案，都应当视为落入本实用新型的保护范围。

气体细颗粒物浓缩富集装置，包括加湿器1、冷却管2、虚拟冲击器3、逆流干燥器4、第一抽气泵7和第二抽气泵8。冷却管2分别与加湿器1和虚拟冲击器3连接，虚拟冲击器3还与逆流干燥器4和第一抽气泵7连接，逆流干燥器4还与第二抽气泵8连接。加湿器1上还设有气体输入口，逆流干燥器4上还设有气体输出口。

加湿器1可以选用水浴锅。

逆流干燥器4内填充有干燥颗粒。干燥颗粒选用变色硅胶。变色硅胶是在硅胶中加入了一些带有结晶水的无机盐及少量二氯化硅制作而成的。变色硅胶对水分子有吸附作用而对于气体细颗粒物没有吸附作用。变色硅胶吸水变色后在干燥箱中烘烤，可以恢复到无水状态循环使用。

第一抽气泵7在装置中提供气路的主要空气动力，功率要求较高，可以选用功率1000W的大功率静音无油真空泵。第二抽气泵8在装置中给细颗粒物输出通道提供空气动力，功率要求较低，可以选用功率200W的小功率气泵。

虚拟冲击器3的结构如图1所示，包括锥形输入管9、过滤内腔10、输出直管11和空气动力接口12。锥形输入管9从虚拟冲击器3的底面贯穿到过滤内腔10中，输出直管11从虚拟冲击器3的顶面贯穿到过滤内腔10中。锥形输入管9与冷却管2连接，输出直管11与逆流干燥器4连接，空气动力接口12用于将第一抽气泵7和过滤内腔10连通。

虚拟冲击器3主体的形状是圆柱体，由上下两部分对接而成。圆柱体的底面直径101.8mm，高79mm。

过滤内腔10的形状为圆柱体，圆柱体的底面直径85.3mm，高67mm。

锥形输入管9由圆柱形管和圆锥形管连接而成。圆柱形管内直径20.3mm，外直径25.3mm，高32.2mm。圆锥形管下底面内直径20.3mm，外直径25.3mm，圆锥形管上底面内直径5mm，外直径8mm，圆锥形管高34.2mm。

输出直管11为圆柱形管，圆柱形管内直径5mm，外直径9mm。输出直管11的下底面与锥形输入管9的锥形管上底面之间的距离为6mm。

空气动力接口12设置在虚拟冲击器3的顶面上，与过滤内腔10连接处的内直径为15mm。

锥形输入管9的圆锥形管的下底面与过滤内腔10的下底面重合。锥形输入管9的圆柱形管和圆锥形管的轴、过滤内腔10的轴和输出直管11的轴重合(连接圆柱体或圆锥体上下底面圆心的直线称为轴)。

下面具体说明气体细颗粒物浓缩富集装置的工作原理。加湿器1选用水浴锅，水浴锅通过加盖等方法与外界封闭。水浴锅内装有一定数量的水，在水面上方形成一个空腔。通过间歇性加热可以使水的温度保持在高于环境温度3℃至5℃。含有颗粒物的气体(该气体可以是被污染的空气，也可以是实验室废气、工业废气等。该气体中含有粒径不等的颗粒物，既有细颗粒物，也有较大的颗粒物，颗粒物的分布也不均匀)从水浴锅上的气体输入口进入水浴锅的空腔中。在第一抽气泵7和第二抽气泵8的作用下，水浴锅的空腔处于负压，气体进入水浴锅呈冲击(由上向下直线运动)状态，此时气体中的大颗粒物在重力作用下直线运动冲击到水面，水面有粘附作用，因此大颗粒物被留在水中。而气体中的细颗粒物在空气动力学的作用下呈抛物线运动，由于空腔中充满水蒸汽，细颗粒物漂浮到空腔中后被水蒸汽包裹。水蒸汽与含有颗粒物的气体的混合使得含有颗粒物的气体被加热，相对湿度达到90％以上，同时气体中的一些大颗粒物被除去。在第一抽气泵7和第二抽气泵8的作用下，混合气体在冷却管2中上升(自下而上流动)，上升过程中被冷却，被水蒸汽包裹的细颗粒物在冷却的过程中凝结，凝结的颗粒不断碰撞，其粒径不断长大。

混合气体通过冷却管2后，由锥形输入管9输入虚拟冲击器3中。混合气体由锥形输入管9输入虚拟冲击器3的过滤内腔10中，随着锥形输入管9圆锥形管内径逐渐缩小，气体流速不断提高，根据气体动力学原理，气体中粒径越小的颗粒速度越快，当气体从锥形输入管9流出时速度达到最快。过滤内腔10在第一抽气泵7的作用下形成对冷却管2内凝结细颗粒物的气体的抽吸加速作用，同时通过空气动力的侧力做功，大颗粒物做抛物线运动，这样就实现了对大颗粒物的筛选过滤。细颗粒物由于速度快，可以在第二抽气泵8的作用下进入输出直管11，成为从输出直管11输出的粗产物。

粗产物进入逆流干燥器4，逆流干燥器4对粗产物进行干燥，此时粗产物中的水分被完全吸收，从气体输出口输出的是含有浓缩富集的细颗粒物的气体(即最终产物)。

从上面的描述可以看出，在本实用新型技术方案中，虚拟冲击器3起到了至关重要的作用。对虚拟冲击器3的调试经验显示，要达到气体中细颗粒物最大30倍的浓缩效果，之前所述的虚拟冲击器3的各个尺寸均为最优选数值。相关尺寸如果改变，气体中细颗粒物的浓缩效果就会下降，因此，实现气体细颗粒物浓缩富集装置，可以在虚拟冲击器3最优选尺寸的基础上，确定加湿器1、冷却管2、逆流干燥器4等的尺寸，使之能配合工作。

为了达到较好的冷却效果，冷却管2具有内外两个腔，混合气体在内腔中自下而上流动，外腔通过液体循环对内腔冷却(即对内腔中流动的气体进行冷却)。为了与冷却管2配合使用，气体细颗粒物浓缩富集装置还包括恒温制冷水槽5，恒温制冷水槽5设有输入口与输出口，输入口与输出口分别和冷却管2外腔的下接口与上接口连接。恒温制冷水槽5中用于循环制冷的液体是水与乙二醇按照1:1的体积比混合而成的混合液，恒温制冷水槽5输出的混合液的温度在-1℃至-5℃之间。恒温制冷水槽5的输入口与输出口分别和冷却管2外腔的下接口与上接口连接，能够形成循环回路。

气体细颗粒物浓缩富集装置还包括颗粒物混合腔6。逆流干燥器4通过颗粒物混合腔6与第二抽气泵8连接。此时，将设在逆流干燥器4上的气体输出口改设在颗粒物混合腔6上。

颗粒物混合腔6可以选用空心圆柱体，空心圆柱体空心部分的容积大于15L(空心部分除了连接逆流干燥器4、第二抽气泵8和气体输出口外，相对于外界环境是封闭的)。粗产物在逆流干燥器4中干燥后，再在颗粒物混合腔6中进行充分混合。颗粒物混合腔6特别适合于多路设计。所谓的多路设计，指气体细颗粒物浓缩富集装置中的冷却管2、虚拟冲击器3、逆流干燥器4和第一抽气泵7设置为多个(如果有必要，加湿器1也设置为多个)，多个逆流干燥器4分别与同一颗粒物混合腔6连接。每一个冷却管2、虚拟冲击器3、逆流干燥器4和第一抽气泵7形成一个独立的气路。气体细颗粒物浓缩富集装置设计为多个气路同时工作，显然可以增大装置在单位时间里浓缩富集细颗粒物的量。多个气路的粗产物经各气路的逆流干燥器4干燥后，在颗粒物混合腔6中进行充分的混合，再作为最终产物输出，能够保证最终产物中的细颗粒物具有较高的均匀度。

图2给出了一个气体细颗粒物浓缩富集装置的结构示意图，图中包含了具体实施方式中描述的所有部件。图2中从气体输入口输入的是被污染的空气。

Claims (7)

1.虚拟冲击器，其特征在于，所述的虚拟冲击器(3)包括锥形输入管(9)、过滤内腔(10)、输出直管(11)和空气动力接口(12)，所述的锥形输入管(9)从虚拟冲击器(3)的底面贯穿到过滤内腔(10)中，所述的输出直管(11)从虚拟冲击器(3)的顶面贯穿到过滤内腔(10)中。

2.气体细颗粒物浓缩富集装置，其特征在于，所述的装置包括加湿器(1)、冷却管(2)、根据权利要求1所述的虚拟冲击器(3)、逆流干燥器(4)、第一抽气泵(7)和第二抽气泵(8)，所述的冷却管(2)分别与加湿器(1)和虚拟冲击器(3)连接，所述的虚拟冲击器(3)还与逆流干燥器(4)和第一抽气泵(7)连接，所述的逆流干燥器(4)还与第二抽气泵(8)连接，所述的加湿器(1)上还设有气体输入口，所述的逆流干燥器(4)上还设有气体输出口。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的锥形输入管(9)与冷却管(2)连接，所述的输出直管(11)与逆流干燥器(4)连接，所述的空气动力接口(12)用于将第一抽气泵(7)和过滤内腔(10)连通。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的冷却管(2)具有内外两个腔，外腔通过液体循环对内腔冷却；所述的装置还包括恒温制冷水槽(5)，所述的恒温制冷水槽(5)的输入口与输出口分别和冷却管(2)外腔的下接口与上接口连接。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的逆流干燥器(4)内填充有干燥颗粒。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括颗粒物混合腔(6)，所述的逆流干燥器(4)通过颗粒物混合腔(6)与第二抽气泵(8)连接，将设在逆流干燥器(4)上的气体输出口改设在颗粒物混合腔(6)上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的冷却管(2)、虚拟冲击器(3)、逆流干燥器(4)和第一抽气泵(7)为多个，多个逆流干燥器(4)分别与同一颗粒物混合腔(6)连接。