RU181511U1

RU181511U1 - DIFFUSION CAMERA

Info

Publication number: RU181511U1
Application number: RU2017143668U
Authority: RU
Inventors: Михаил Прокопьевич Анисимов; Максим Викторович Попов; Андрей Евгеньевич Брестер
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2018-07-17

Abstract

Полезная модель относится к тепло- массобменной технике, предназначенной для измерения скоростей зародышообразования в градиентных условиях. Устройство содержит насытитель, включающий в себя патрубок входа газа-носителя, хроматографический носитель, засыпанный на металлическую сеточку, которая закреплена в канале насытителя, ламинатор, расположенный за металлической сеточкой в нижней части насытителя, патрубок выхода паро-газовой смеси, размещенный на дне насытителя и также соединенный с охладителем, который может быть представлен сосудом типа «труба в трубе», боковой нижний патрубок входа и боковой верхний патрубок выхода охлаждающего агента охладителя, при этом охладитель снабжен блоком сканирования аэрозольного потока, расположенный на дне охладителя, в состав которого входит двойная гильза с системой каналов отвода аэрозольного потока, соединенных с системой дросселирования, состоящей из трех дросселей. Технический результат заключается в определении концентрации и дисперсного состава аэрозольного потока по диаметральному сечению камеры. 1 ил.The utility model relates to a heat and mass transfer technique designed to measure nucleation rates under gradient conditions. The device contains a saturator, including a carrier gas inlet pipe, a chromatographic carrier filled with a metal mesh that is fixed in the saturator channel, a laminator located behind the metal mesh in the bottom of the saturator, a vapor-gas mixture outlet pipe located at the bottom of the saturator, and also connected to a cooler, which can be represented by a tube-in-tube type vessel, a side lower inlet pipe and a side upper outlet pipe for the cooling agent coolant, while cooling It is equipped with an aerosol flow scanning unit located at the bottom of the cooler, which includes a double sleeve with a system of aerosol flow exhaust channels connected to a throttling system consisting of three throttles. The technical result consists in determining the concentration and dispersed composition of the aerosol stream by the diametrical section of the chamber. 1 ill.

Description

Предлагаемое устройство относится к тепло-массобменной технике, предназначенной для измерения скоростей зародышообразования (скоростей нуклеации) в градиентных условиях.The proposed device relates to a heat-mass transfer technique designed to measure nucleation rates (nucleation rates) under gradient conditions.

Изучение процессов нуклеации является перспективным направлением в современной науке. При решении многих проблем в аэродинамике, газодинамике, теплоэнергетике, металлургии, экологии, материаловедении, а также в других областях науки и техники приходится обращаться к задачам, связанным с образованием зародышей новой фазы в метастабильной исходной фазе.The study of nucleation processes is a promising area in modern science. When solving many problems in aerodynamics, gas dynamics, heat power engineering, metallurgy, ecology, materials science, as well as in other fields of science and technology, one has to turn to problems associated with the formation of new phase nuclei in a metastable initial phase.

Для исследования кинетики нуклеации в паро-газовых системах применяют различные измерительные устройства. Достаточно подробное рассмотрение этих устройств приведено в обзоре [Anisimov М.Р., Fominykh E.G., Akimov S.V., Норке P.K. Vapor-gas/liquid nucleation experiments: A review of the challenges, Journal of Aerosol Science, 2009, 40 (9) - P. 733-746].To study the kinetics of nucleation in vapor-gas systems, various measuring devices are used. A sufficiently detailed discussion of these devices is given in the review [Anisimov M.R., Fominykh E.G., Akimov S.V., Nork P.K. Vapor-gas / liquid nucleation experiments: A review of the challenges, Journal of Aerosol Science, 2009, 40 (9) - P. 733-746].

Известна диффузионная камера (статическая диффузионная камера) (Автор, свид. СССР №135152 от 01.01.1961), представляющая собой замкнутый сосуд, заполненный смесью газа и пара под давлением (водород, гелий, пары спирта и др.). Дно и крышка камеры располагаются в горизонтальной плоскости, и между ними создается градиент температур в вертикальном направлении. Пар испаряется от горячей поверхности у крышки камеры и диффундирует к охлаждаемому дну. Между пластинами образуется чувствительный слой пересыщенного пара высотой до нескольких сантиметров. При прохождении заряженных частиц через этот слой на образовавшихся ионах вырастают капли, создавая видимый трек. Эта схема может быть использована для изучения спонтанной нуклеации в пересыщенном паре.Known diffusion chamber (static diffusion chamber) (Author, certificate. USSR No. 135152 of 01/01/1961), which is a closed vessel filled with a mixture of gas and vapor under pressure (hydrogen, helium, alcohol vapor, etc.). The bottom and the lid of the chamber are located in a horizontal plane, and a temperature gradient is created between them in the vertical direction. The vapor evaporates from the hot surface near the chamber lid and diffuses to the cooled bottom. A sensitive layer of supersaturated steam up to several centimeters high is formed between the plates. As charged particles pass through this layer, droplets grow on the formed ions, creating a visible track. This scheme can be used to study spontaneous nucleation in a supersaturated pair.

Недостатком данной статической диффузионной камеры является понижение скорости нуклеации при интенсивной генерации аэрозоля из-за истощения слоя пересыщенного пара, поскольку время восстановления пересыщения пара ограничивается скоростью диффузии пара через газ и может доходить до 10 с. The disadvantage of this static diffusion chamber is a decrease in the nucleation rate during intensive aerosol generation due to depletion of the supersaturated vapor layer, since the recovery time of the vapor supersaturation is limited by the rate of vapor diffusion through the gas and can reach 10 s.

Известна диффузионная камера [Michael P. Anisimov, Kaarle Hameri and Markku Kulmala. Construction and test of laminar flow diffusion chamber: homogeneous nucleation of DBP and n-hexanol// J. Aerosol Sci., Vol. 25, 1994, №1 - P. 23-32], являющаяся прототипом. Диффузионная камера включает в себя насытитель, на крышке которого размещен патрубок входа газа-носителя. Газ-носитель насыщается в насытителе исследуемым паром, где на металлической сеточке размещен хроматографический носитель, пропитанный исследуемым образцом (например, глицерином), а свободная часть насытителя (ламинатор) имеет достаточную длину для установления развитого ламинарного течения. Соответственно в насытителе образуется паро-газовую смесь, выходящая через патрубок на дне насытителя. Патрубок выхода паро-газовой смеси из насытителя соединен непосредственно с охладителем, который может быть представлен, например, охлаждаемым сосудом типа «труба в трубе», в пространстве между трубами циркулирует охлаждающий агент (жидкость или газ), который поступает через патрубок, расположенный в нижней боковой части охладителя, а выходит через верхний боковой патрубок. В охладителе температура паро-газовой смеси понижается и может достигать пересыщений, достаточных для генерации зародышей конденсированной фазы. Зародыши конденсата вырастают до регистрируемых размеров в атмосфере пересыщенного пара в паро-газовом потоке, протекающем через охладитель, образуя аэрозольный поток. Патрубок выхода аэрозольного потока из охладителя соединен со счетчиком аэрозольных частиц, позволяющим регистрировать параметры (концентрацию и дисперсный состав) генерируемого аэрозоля.A diffusion chamber is known [Michael P. Anisimov, Kaarle Hameri and Markku Kulmala. Construction and test of laminar flow diffusion chamber: homogeneous nucleation of DBP and n-hexanol // J. Aerosol Sci., Vol. 25, 1994, No. 1 - P. 23-32], which is the prototype. The diffusion chamber includes a saturator, on the cover of which there is a nozzle for the inlet of the carrier gas. The carrier gas is saturated in the saturator with the test vapor, where a chromatographic carrier impregnated with the test sample (for example, glycerin) is placed on the metal grid, and the free part of the saturator (laminator) is of sufficient length to establish a developed laminar flow. Correspondingly, a vapor-gas mixture is formed in the saturator, leaving the nozzle at the bottom of the saturator. The outlet pipe of the vapor-gas mixture from the saturator is connected directly to the cooler, which can be represented, for example, by a cooled tube-in-tube vessel, a cooling agent (liquid or gas) circulates in the space between the pipes, which enters through the pipe located in the lower side of the cooler, and exits through the upper side pipe. In the cooler, the temperature of the vapor-gas mixture decreases and can reach supersaturations sufficient to generate condensed-phase nuclei. Condensate nuclei grow to a detectable size in the atmosphere of supersaturated steam in a vapor-gas stream flowing through the cooler, forming an aerosol stream. The outlet pipe of the aerosol stream from the cooler is connected to a counter of aerosol particles, which makes it possible to record the parameters (concentration and dispersed composition) of the generated aerosol.

Недостаток данной диффузионной камеры состоит в том, что при протекании процесса нуклеации образовавшийся внутри диффузионный камеры аэрозольный поток невозможно диагностировать, т.е. разделить поток на несколько частей с целью определения концентрации и дисперсного состава по диаметральному сечению камеры.The disadvantage of this diffusion chamber is that during the nucleation process, the aerosol flow formed inside the diffusion chamber cannot be diagnosed, i.e. divide the flow into several parts in order to determine the concentration and dispersed composition by the diametrical section of the chamber.

Задачей (техническим результатом) является определение концентрации и дисперсного состава аэрозольного потока по диаметральному сечению камеры.The task (technical result) is to determine the concentration and dispersed composition of the aerosol stream by the diametrical section of the chamber.

Задача достигается тем, что диффузионная камера состоит из насытителя, включающего в себя патрубок входа газа-носителя, хроматографический носитель, засыпанного на металлическую сеточку, которая закреплена в канале насытителя, ламинатора, расположенного за металлической сеточкой в нижней части насытителя, патрубка выхода парогазовой смеси, размещенного на дне насытителя и также соединенного с охладителем, который может быть представлен сосудом типа «труба в трубе», бокового нижнего патрубка входа и бокового верхнего патрубка выхода охлаждающего агента охладителя, при этом охладитель снабжен блоком сканирования аэрозольного потока, расположенного на дне охладителя, в состав которого входит двойная гильза с системой каналов отвода аэрозольного потока, соединенных с системой дросселирования, состоящей из трех дросселей.The task is achieved in that the diffusion chamber consists of a saturator, which includes a carrier gas inlet pipe, a chromatographic carrier, which is covered with a metal mesh, which is fixed in the channel of the saturator, a laminator located behind the metal mesh in the lower part of the saturator, a gas-vapor mixture outlet pipe, located at the bottom of the saturator and also connected to a cooler, which can be represented by a vessel in the pipe-in-pipe type, the lower side inlet pipe and the upper side outlet pipe o the cooling agent of the cooler, while the cooler is equipped with an aerosol flow scanning unit located at the bottom of the cooler, which includes a double sleeve with an aerosol flow exhaust duct system connected to a throttling system consisting of three throttles.

На чертеже приведена диффузионная камера, которая состоит из насытителя 1, на крышке которого размещен патрубок входа газа-носителя 2, хроматографического носителя 3, засыпанного на металлическую сеточку 4, закрепленной внутри насытителя, ламинатора 5, расположенного за металлической сеточкой в нижней части насытителя, патрубка выхода парогазовой смеси 6, размещенного на дне насытителя и также соединенного с охладителем 7, который может быть представлен сосудом типа «труба в трубе», бокового нижнего патрубка входа 8 и бокового верхнего патрубка выхода 9 охлаждающего агента охладителя, блока сканирования аэрозольного потока 10, расположенного на дне охладителя 7, в состав которого входит двойная гильза 11 с системой каналов отвода 12 аэрозольного потока и системы дросселирования, состоящей из трех дросселей 13, 14, 15.The drawing shows a diffusion chamber, which consists of a saturator 1, on the cover of which there is a nozzle for the inlet of a carrier gas 2, a chromatographic carrier 3, sprinkled on a metal mesh 4, mounted inside the saturator, a laminator 5 located behind the metal mesh in the lower part of the saturator, a pipe the outlet of the gas-vapor mixture 6, placed at the bottom of the saturator and also connected to the cooler 7, which can be represented by a tube-in-tube vessel, a side lower inlet pipe 8 and a side upper pat 9 ubka exit cooler cooling agent unit scan aerosol stream 10, located at the bottom of the cooler 7, which includes a double sleeve 11 with drain duct system 12 and aerosol flow throttling system consisting of the three inductors 13, 14, 15.

Диффузионная камера работает следующим образом. Газ-носитель из баллона через патрубок входа газа-носителя 2 поступает в насытитель 1, куда помещен хроматографический носитель 3, пропитанный исследуемым веществом (например, глицерином), располагаемый на металлической сеточке 4, закрепленной внутри термостатируемого насытителя (теплоноситель может быть различным и на чертеже не указан). Поток газа насыщается парами исследуемого вещества, парциальное давление которого определяется температурой насытителя. Свободная часть насытителя (ламинатор 5) имеет достаточную длину для установления развитого ламинарного течения паро-газовой смеси. Далее смесь выходит через патрубок выхода паро-газовой смеси 6 из насытителя и поступает непосредственно в охладитель 7, представляющий собой сосуд типа «труба в трубе». В пространстве между трубами циркулирует охлаждающий агент (жидкость или газ), который поступает через нижний боковой патрубок входа 8 охладителя, а выходит через верхний боковой патрубок выхода 9 охладителя. В охладителе температура паро-газовой смеси понижается и может достигать пересыщений, достаточных для генерации зародышей конденсированной фазы. Зародыши конденсата вырастают до регистрируемых размеров в атмосфере пересыщенного пара в паро-газовом потоке, протекающем через охладитель, образуя аэрозольный поток. Далее поток поступает в блок сканирования аэрозольного потока 10, а именно в двойную гильзу 11, где и происходит разделение аэрозольного потока по диаметральному сечению камеры на 3 части. Далее через систему каналов отвода 12, разделенный аэрозольный поток (поток 1, поток 2 и поток 3) поступает на систему дросселирования, состоящую из дросселей 13, 14 и 15, соответственно, и далее поступает на счетчик аэрозольных частиц (на чертеже не указан), где происходит регистрация концентрации и дисперсного состава частиц в каждом аэрозольном потоке.The diffusion chamber operates as follows. The carrier gas from the cylinder through the inlet of the carrier gas 2 enters the saturator 1, where the chromatographic carrier 3, impregnated with the test substance (for example, glycerin), is placed on a metal mesh 4 fixed inside the thermostatically controlled saturator (the coolant may be different in the drawing not specified). The gas stream is saturated with vapors of the test substance, the partial pressure of which is determined by the temperature of the saturator. The free part of the saturator (laminator 5) is of sufficient length to establish a developed laminar flow of the vapor-gas mixture. Next, the mixture exits through the outlet pipe of the vapor-gas mixture 6 from the saturator and enters directly into the cooler 7, which is a tube-in-tube vessel. A cooling agent (liquid or gas) circulates in the space between the pipes, which enters through the lower side pipe of the cooler inlet 8 and exits through the upper side pipe of the cooler outlet 9. In the cooler, the temperature of the vapor-gas mixture decreases and can reach supersaturations sufficient to generate condensed-phase nuclei. Condensate nuclei grow to a detectable size in the atmosphere of supersaturated steam in a vapor-gas stream flowing through the cooler, forming an aerosol stream. Next, the flow enters the scanning unit of the aerosol stream 10, namely, into the double sleeve 11, where the aerosol stream is divided into 3 parts according to the diametrical section of the chamber. Then, through the system of exhaust channels 12, the divided aerosol stream (stream 1, stream 2 and stream 3) enters the throttling system, consisting of throttles 13, 14 and 15, respectively, and then enters the counter of aerosol particles (not shown in the drawing), where the concentration and dispersion composition of particles in each aerosol stream is recorded.

За счет использования блока сканирования аэрозольного потока, расположенного на дне охладителя, в частности, прохождение аэрозольного потока через двойную гильзу происходит разделение аэрозольного потока (по диаметральному сечению камеры) на 3 части: пристеночный поток, центрально-осевой поток, и поток между пристеночным и центрально-осевым потоком. Далее каждый из потоков поступает в собственный канал отвода, после чего направляется в канал на счетчик аэрозольных частиц. Открытием, закрытием или частичным открытием дросселя можно избирательно отбирать цилиндрический слой аэрозоля для измерения концентрации и дисперсного состава аэрозольных частиц. Согласованное регулирование расходов аэрозольного потока через пару дросселей можно последовательно определить концентрации и дисперсный состав аэрозольных частиц в каждом слое потока, что позволит количественно измерять концентрации и дисперсного состава аэрозольного потока по диаметральному сечению камеры.Due to the use of an aerosol flow scanning unit located at the bottom of the cooler, in particular, the passage of the aerosol stream through a double sleeve separates the aerosol stream (along the diametrical section of the chamber) into 3 parts: a wall flow, a central-axial flow, and a flow between the wall and central -axial flow. Then each of the flows enters its own exhaust channel, after which it is sent to the channel to the aerosol particle counter. By opening, closing or partially opening the throttle, a cylindrical aerosol layer can be selectively selected to measure the concentration and dispersion of the aerosol particles. The coordinated regulation of the flow rate of the aerosol stream through a pair of throttles can sequentially determine the concentration and dispersed composition of aerosol particles in each layer of the stream, which will allow to quantitatively measure the concentration and dispersed composition of the aerosol stream by the diametrical section of the chamber.

Для исследования нуклеации при повышенных давлениях конструкция диффузионной камеры должна иметь достаточную прочность, соответственно, измерения дисперсного состава и концентрации аэрозоля должны выполняться аэрозольным счетчиком для высоких давлений 150 и более бар.To study nucleation at elevated pressures, the design of the diffusion chamber must have sufficient strength; accordingly, measurements of the dispersed composition and aerosol concentration should be performed with an aerosol counter for high pressures of 150 bar and more.

Claims

The diffusion chamber consists of a saturator, which includes a carrier gas inlet pipe, a chromatographic carrier, sprinkled on a metal mesh, which is fixed in the channel of the saturator, a laminator located behind the metal mesh in the lower part of the saturator, and a vapor-gas mixture outlet pipe located at the bottom saturator and also connected to a cooler, which can be represented by a tube-in-tube type vessel, the side lower inlet pipe and the side upper coolant outlet pipe will cool spruce, characterized in that the cooler is equipped with an aerosol flow scanning unit located at the bottom of the cooler, which includes a double sleeve with a system of aerosol flow removal channels connected to a throttling system consisting of three chokes.