RU2239815C1

RU2239815C1 - Cascade impactor

Info

Publication number: RU2239815C1
Application number: RU2003103790/28A
Authority: RU
Inventors: В.И. Бадьин (RU); В.И. Бадьин; А.А. Молоканов (RU); А.А. Молоканов; Д.А. Припачкин (RU); Д.А. Припачкин; А.И. Ризин (RU); А.И. Ризин; Д.Е. Фертман (RU); Д.Е. Фертман; нов А.Г. Цовь (RU); А.Г. Цовьянов
Original assignee: Государственный научный центр - Институт биофизики
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-11-10

Abstract

FIELD: investigating characteristics of particles.

SUBSTANCE: cascade impactor has housing and cascade members mounted in the sampling device. The nozzle of the first cascade member is made of the top part of the housing provided with a connecting pipe. The collector of the first cascade member is made of the nozzle plate of the second cascade member. Each subsequent cascade member is made of a nozzle plate, collector plate whose surface is provided with the viscous matter, and spacing ring. The last cascade member is made of a filter.

EFFECT: reduced sizes and cost.

6 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для дисперсного анализа аэрозолей и может быть использовано в промышленности, для санитарно-гигиенической оценки воздушной среды, для оценки эффективности работы пылеулавливающего оборудования и средств индивидуальной защиты органов дыхания.The invention relates to a device for disperse analysis of aerosols and can be used in industry, for sanitary-hygienic assessment of the air environment, for evaluating the efficiency of dust collecting equipment and personal respiratory protection.

Известен многоступенчатый односопельный импактор (Авторское свидетельство СССР №781664), обеспечивающий возможность многоцикловой работы без разборки импактора при полной фильтрации воздуха в каждом цикле пробоотбора. К недостаткам этой конструкции следует отнести высокую сложность. Кроме того, наличие только одного разгонного сопла в конструкции ступени приводит к низкой пылеемкости импактора.Known multi-stage single-nozzle impactor (USSR Author's Certificate No. 781664), which provides the possibility of multi-cycle operation without disassembling the impactor with complete air filtration in each sampling cycle. The disadvantages of this design include high complexity. In addition, the presence of only one booster nozzle in the design of the stage leads to a low dust absorption of the impactor.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является импактор (WO №02/21104), имеющий более простую и дешевую конструкцию. В данном случае за счет увеличения количества разгонных сопел достигается высокая пылеемкость, равномерное распределение пробы по поверхности коллектора, что дает возможность минимизировать погрешность определения активности. Однако к недостаткам этого устройства следует отнести сложную форму сопельных пластин и неудачное расположение отверстий в сопельной части каскада, т.к. при таком расположении скорость потока на выходе из отверстий различна и частицы аэрозоля с одинаковыми аэродинамическими диаметрами будут двигаться с различными скоростями, что приведет к ошибке в определении дисперсного состава аэрозоля. В устройстве предусмотрено использование специальных пленок, но требования, предъявляемые к качеству пленок, существенно сужают круг материалов, которые могут быть применены для их изготовления. К технологическим недостаткам устройства можно отнести необходимость сборки-разборки импактора для изъятия пленок, поскольку при частой смене пленок временные затраты на сборку-разборку станут сопоставимы со временем отбора проб.The closest in technical essence and the achieved result is the impactor (WO No. 02/21104), which has a simpler and cheaper design. In this case, due to the increase in the number of accelerating nozzles, a high dust absorption is achieved, a uniform distribution of the sample over the collector surface, which makes it possible to minimize the error in determining the activity. However, the disadvantages of this device include the complex shape of the nozzle plates and the poor location of the holes in the nozzle part of the cascade, because with this arrangement, the flow rate at the outlet of the holes is different and aerosol particles with the same aerodynamic diameters will move at different speeds, which will lead to an error in determining the dispersed composition of the aerosol. The device provides for the use of special films, but the requirements for the quality of the films significantly narrow the range of materials that can be used for their manufacture. The technological disadvantages of the device include the need for assembly-disassembly of the impactor for removing films, since with frequent changes of films, the time required for assembly-disassembly will become comparable with the time of sampling.

Целью изобретения является создание эффективного, компактного и дешевого каскадного импактора, позволяющего оперативно проводить анализ активности фракций аэрозоля с использованием стандартных радиометрических приборов. Для достижения поставленной цели предлагается каскадный импактор, каскадные элементы которого размещены в пробоотборной корзине, что позволяет производить оперативную замену каскадных элементов без изъятия импактора из технологических пространств, герметичных боксов и пробоотборных линий и практически ликвидировать время технологического простоя. Пробоотборная корзина представляет собой полый цилиндр, открытый сверху и имеющий крестовину для фиксации фильтра и каскадных элементов снизу. Пробоотборная корзина имеет две выемками по боковым стенкам для удобства установки каскадных элементов. Использование в конструкции коллекторных пластин специальной формы позволяет проводить анализ активности фракций аэрозоля с применением стандартных радиометрических приборов. Коллекторные пластины имеют форму тонких плоских дисков, в центре которых имеется круглое отверстие для прохождения воздушного потока на следующий каскадный элемент или фильтр. Геометрические размеры коллекторных пластин позволяют устанавливать их в держатели стандартных радиометрических приборов. Сопельные пластины представляют собой плоские диски с сопельными отверстиями, расположенными радиально по нескольким концентрическим окружностям. Многосопельность способствует равномерному распределению осажденных аэрозольных частиц по поверхности коллекторных пластин всех каскадных элементов. Кроме того, диаметр сопельного отверстия на сопельной пластине не превышает толщины сопельной пластины, что повышает избирательность каждого каскадного элемента к размеру осаждаемых аэрозольных частиц. При этом повышается точность определения АМАД (активностный медианный аэродинамический диаметр).The aim of the invention is the creation of an effective, compact and cheap cascade impactor that allows you to quickly analyze the activity of aerosol fractions using standard radiometric devices. To achieve this goal, a cascade impactor is proposed, the cascade elements of which are placed in the sampling basket, which allows the quick replacement of cascade elements without removing the impactor from the technological spaces, pressurized boxes and sampling lines and practically eliminates the technological downtime. The sampling basket is a hollow cylinder, open at the top and having a cross for fixing the filter and cascading elements from below. The sampling basket has two recesses along the side walls for ease of installation of cascading elements. The use of a special form of collector plates in the design allows the analysis of the activity of aerosol fractions using standard radiometric devices. The collector plates are in the form of thin flat disks, in the center of which there is a round hole for air flow to the next cascade element or filter. The geometric dimensions of the collector plates allow you to install them in the holders of standard radiometric devices. The nozzle plates are flat disks with nozzle openings arranged radially along several concentric circles. Mnogosopelnost promotes uniform distribution of deposited aerosol particles on the surface of the collector plates of all cascade elements. In addition, the diameter of the nozzle hole on the nozzle plate does not exceed the thickness of the nozzle plate, which increases the selectivity of each cascade element to the size of the deposited aerosol particles. This increases the accuracy of the determination of AMAD (activity median aerodynamic diameter).

Импактор позволяет также проводить измерение дисперсного состава аэрозоля, который предварительно был пропущен через средство индивидуальной защиты органов дыхания. Оценивая изменение дисперсного состава и общее количество аэрозолей при прохождении воздушного потока через СИЗ, можно оценить эффективность СИЗ по отношению к радиоактивным аэрозолям в зависимости от их размеров.The impactor also makes it possible to measure the dispersed composition of the aerosol, which was previously passed through a respiratory protective equipment. Assessing the change in disperse composition and the total number of aerosols during the passage of air flow through the PPE, it is possible to evaluate the effectiveness of the PPE in relation to radioactive aerosols depending on their size.

На фиг.1 изображен каскадный импактор в разрезе, общий вид; на фиг.2 -принцип инерционного осаждения частиц (фрагмент ступени каскадного импактора); на фиг.3 - схема компоновки пробоотборной корзины; на фиг.4 - схема стенда для проверки работоспособности импактора; на фиг.5 - функция распределения активности по аэродинамическим диаметрам; на фиг.6 - пробоотборная корзина.In Fig.1 shows a cascade impactor in section, General view; figure 2 - the principle of inertial deposition of particles (fragment stage cascade impactor); figure 3 - layout of the sampling basket; figure 4 - diagram of the stand for checking the health of the impactor; figure 5 is a function of the distribution of activity over aerodynamic diameters; figure 6 - sampling basket.

Предлагаемый каскадный импактор состоит из следующих элементов: нижней части корпуса 1, верхней части корпуса 2, пробоотборной корзины 3 и каскадных элементов, особенностью первого каскадного элемента является использование верхней части корпуса 2 в качестве сопла первого каскадного элемента. Коллектором первого каскадного элемента является сопельная пластина 4 второго каскадного элемента. Последующие каскадные элементы импактора состоят из 3-х основных частей: сопельной пластины 5, коллекторной пластины 6 и разделительного кольца 7. Последний каскадный элемент представляет собой фильтр 8 (АФА-РМП-20, ОСТ 95.10052-84). К верхней части корпуса 2 посредством резьбового соединения может присоединяется штуцер 9, обе части корпуса соединяются при помощи крепежных винтов 10, для уплотнения используются прокладки 11, 12 и 13.The proposed cascade impactor consists of the following elements: the lower part of the housing 1, the upper part of the housing 2, the sampling basket 3 and cascade elements, a feature of the first cascade element is the use of the upper part of the housing 2 as a nozzle of the first cascade element. The collector of the first cascade element is a nozzle plate 4 of the second cascade element. The subsequent cascade elements of the impactor consist of 3 main parts: the nozzle plate 5, the collector plate 6 and the separation ring 7. The last cascade element is a filter 8 (AFA-RMP-20, OST 95.10052-84). The fitting 9 can be connected to the upper part of the housing 2 by means of a threaded connection, both parts of the housing are connected by means of fixing screws 10, gaskets 11, 12 and 13 are used for sealing.

Устройство работает следующим образом: воздух, содержащий аэрозольные частицы, поступает в импактор через штуцер 9, в случае отбора проб из замкнутых технологических пространств, герметичных боксов, или сразу через сопло первого каскадного элемента верхней части корпуса 2 и формируется в поток с заданными пространственно-скоростными параметрами. Попадая внутрь импактора, частицы аэрозоля движутся вместе с воздушным потоком с линейной скоростью, задаваемой размерами и количеством сопельных отверстий. Резкое изменение направления движения потока после прохождения потоком сопельных отверстий приводит к тому, что в силу своей инерции более массивные частицы не успевают изменить направление своего движения и осаждаются в вязком веществе, покрывающем коллекторную пластину. Аэродинамический диаметр для частиц, вероятность осесть которых на коллекторной пластине равна 50%, называется эффективным диаметром разделения (1).The device operates as follows: air containing aerosol particles enters the impactor through the nozzle 9, in the case of sampling from closed technological spaces, pressurized boxes, or immediately through the nozzle of the first cascade element of the upper part of the housing 2 and is formed into a stream with the specified spatial-velocity parameters. Once inside the impactor, the aerosol particles move together with the air flow at a linear speed, specified by the size and number of nozzle openings. A sharp change in the direction of flow after passing through the nozzle orifices leads to the fact that, due to their inertia, more massive particles do not have time to change their direction of motion and are deposited in a viscous substance covering the collector plate. The aerodynamic diameter for particles whose probability of settling on the collector plate is 50% is called the effective separation diameter (1).

где D₅₀ - эффективный диаметр разделения, см;where D ₅₀ is the effective diameter of the separation, cm;

μ - кинематическая вязкость, г/см·с;μ is the kinematic viscosity, g / cm · s;

а - диаметр сопла, см;a - nozzle diameter, cm;

ρ_ч - плотность частиц аэрозоля, г/см³;ρ _h - the density of aerosol particles, g / cm ³ ;

V - линейная скорость движения частиц в сопле, см/с;V is the linear velocity of particles in the nozzle, cm / s;

С_с - поправка Канненгема ≥1.C _c - Cunningham correction ≥1.

Вследствие этого частицы, имеющие аэродинамический диаметр больше эффективного диаметра разделения, стремясь продолжить движение в прежнем направлении, будут соударяться с поверхностью коллекторных пластин 6 и осядут на них, а остальные частицы будут уноситься воздушным потоком через центральное отверстие в коллекторной пластине на следующий каскадный элемент. На фиг.2 схематически изображен фрагмент каскадного элемента импактора. Собирая последовательно несколько каскадных элементов с уменьшающимся эффективным диаметром разделения и измеряя активность или массу частиц, осевших на коллекторных пластинах 6, получают распределение частиц по аэродинамическим диаметрам.As a result, particles having an aerodynamic diameter greater than the effective separation diameter, trying to continue moving in the same direction, will collide with the surface of the collector plates 6 and settle on them, and the remaining particles will be carried away by the air flow through the central hole in the collector plate to the next cascade element. Figure 2 schematically shows a fragment of a cascading element of the impactor. By collecting several cascade elements in series with a decreasing effective separation diameter and measuring the activity or mass of particles deposited on the collector plates 6, a particle distribution over aerodynamic diameters is obtained.

ПримерExample

Для измерения дисперсного состава аэрозоля, основными характеристиками которого являются АМАД и β_g (стандартное геометрическое отклонение), действуют следующим образом: производят компоновку пробоотборной корзины 3 в соответствии со схемой на фиг.3, предварительно нанеся на поверхности коллекторных пластин 6 вязкое вещество (ЦИАТИМ-221, ГОСТ 9433-80); помещают пробоотборную корзину 3 в нижнюю часть корпуса 1 и соединяют ее с верхней частью корпуса 2 при помощи крепежных винтов 10. Побудителем расхода устанавливают объемную скорость прокачки воздушного потока через импактор, равную 20 л/мин. Проверяют перепад давления на каскадном импакторе, используя стенд, схема которого представлена на фиг.4 (14 - входной ротаметр, 15 - каскадный импактор, 16 - выходной ротаметр, 17 - дифференциальный манометр, 18 - вентиль, 19 - побудитель расхода), перепад давления находится в диапазоне от 210 до 230 мм. вод. ст., каскадный импактор готов к работе. Отсоединяют импактор 15 с ротаметром 16 от схемы и устанавливают их на месте пробоотбора, присоединив к побудителю расхода с вентилем на входе. Пробоотбор производят в течение 3 часов (для данного примера). Затем по окончании отбора разбирают каскадный импактор и вынимают пробоотборную корзину. Коллекторные пластины изымают, не нарушая смазанных поверхностей. Для измерения активности коллекторные пластины устанавливают поочередно в держатель радиометра УРФ-1 и производят измерение активности. Результаты заносят в таблицу. По данным таблицы строят график (фиг.5). Если через полученные точки можно провести прямую линию, то рассматриваемое распределение является логарифмически нормальным (как правило, вид распределения в подавляющем большинстве случаев логарифмически нормальный, но если распределение не является логарифмически нормальным, то необходимо построение гистограммы плотности распределения в соответствии с БВАП.408699.002 РЭ).To measure the dispersed composition of the aerosol, the main characteristics of which are AMAD and β _g (standard geometric deviation), proceed as follows: make the sampling basket 3 in accordance with the scheme in Fig. 3, having previously applied a viscous substance to the surface of the collector plates 6 (CIATIM- 221, GOST 9433-80); place the sampling basket 3 in the lower part of the housing 1 and connect it to the upper part of the housing 2 using mounting screws 10. The flow rate inducer sets the volumetric flow rate of air flow through the impactor equal to 20 l / min. Check the pressure drop on the cascade impactor using the stand, the diagram of which is shown in Fig. 4 (14 - inlet rotameter, 15 - cascade impactor, 16 - output rotameter, 17 - differential pressure gauge, 18 - valve, 19 - flow inducer), pressure drop is in the range from 210 to 230 mm. water Art., cascade impactor is ready to work. The impactor 15 with the rotameter 16 is disconnected from the circuit and installed at the sampling location by connecting to a flow inducer with an inlet valve. Sampling is performed within 3 hours (for this example). Then, at the end of the selection, the cascade impactor is disassembled and the sampling basket is removed. Collector plates are removed without disturbing the lubricated surfaces. To measure the activity, the collector plates are installed alternately in the holder of the URF-1 radiometer and the activity is measured. The results are entered in the table. According to the table build a graph (figure 5). If a straight line can be drawn through the obtained points, then the distribution under consideration is logarithmically normal (as a rule, the form of distribution in the vast majority of cases is logarithmically normal, but if the distribution is not logarithmically normal, it is necessary to construct a histogram of the distribution density in accordance with BVAP.408699.002 RE) .

В этом случае значение АМАД соответствует диаметру D₅₀, при котором f(D₅₀)=50%, a β_g - это отношение диаметров D₈₄/D₅₀. Таким образом, по графику АМАД = 2,3 мкм, при этом β_g=2,82.In this case, the AMAD value corresponds to the diameter D ₅₀ , at which f (D ₅₀ ) = 50%, and β _g is the ratio of the diameters D ₈₄ / D ₅₀ . Thus, according to the graph, AMAD = 2.3 μm, with β _g = 2.82.

Claims

A cascade impactor comprising a casing and cascade elements, characterized in that the upper part of the casing is used as a nozzle of the first cascade element, to which a fitting is connected by a threaded connection, the nozzle plate of the second cascade element is the collector of the first cascade element, each subsequent cascade element is made in the form a nozzle plate, a collector plate with a viscous substance deposited on its surface and a separation ring, as the last cascade element This filter is used, while the cascade elements are located in the sampling basket located in the housing.