Пристрій для виділення альфа-активного аерозолю техногенного походження із повітряного середовища

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для экспрессного определения объемной активности долгоживущих альфаактивных аэрозолей техногенного происхождения (ДЖАТП) в воздухе рабочих помещений как для целей оперативного контроля радиационной обстановки, так и для точного расчета поступления ДЖАТП в организм персонала АЭС и предприятий ядерного технологического цикла. Прототипом предлагаемого устройства является описанный в работе [1] двухкаскадный виртуальный импактор, содержащий в первом каскаде 9 сопел с внутренним диаметром 3,05мм каждое, через которое со скоростью около 52м/с прокачивается в минуту 283 литра анализируемого воздуха. Сопла расположены равномерно по окружности. Соосно с ними расположены и 9 отводящих тр убок того же диаметра, через которые за минуту прокачивается в разделительную камеру 0,275 часть выходящего из сопел 1 - го каскада воздуха, обогащенного ДЖАТП. На выходе из разделительной камеры установлено 3 расположенных по окружности сопла второго каскада с внутренним диаметром 2,78мм каждое, а за ними - соосно 3 отводящих трубки, через которые в разделительную камеру 2 - го каскада прокачивается 0,25 часть выходящего из сопел 2-го каскада воздуха, е ще более обогащенного ДЖАТП. Наличие двух работающи х последовательно каскадов импакции позволяет в прототипе повысить степень обогащения смеси ДЖАТП в сравнении со случаем однокаскадного центрипитера, а использование в каждом каскаде набора сопел позволяет уменьшить разброс в величине минимального размера аэрозолей захватываемых в отсасывающие трубки при обеспечении вместе с тем заданных объемов прокачиваемого воздуха . Отвод обедненных ДЖАТП фракций воздуха производится из каждого каскада отдельно через набор специальных отверстий расположенных по наружной стороне от окружностей, последовательно соединяющих соответственно наборы сопел 1 - го и 2 - го каскадов. Из-за такого расположения данных отверстий возникают различающиеся между собой условия следования мелкодисперсного аэрозоля вдоль искривляющихся у входа в отводящие трубки траекторий движения основной части потока прошедшего через соответствующие сопла. Поэтому у аэрозольных частиц вылетающих из сопла ближе к внешней стороне окружности последовательно соединяющей сопла одного каскада условия отклонения их от траектории приводящей к захвату в поток направленный в отводящие трубки будут выполняться для более тяжелых (крупных) частиц, чем при вылете их из сопла ближе к внутренней стороне окружности. Это приводит к дополнительному разбросу в величине минимального размера частиц попадающих в обогащенную ДЖАТП фракцию и увеличению ошибки измерения их концентрации. С эффективностью 50% в прототипе выделяются аэрозольные частицы с приведенным аэродинамическим диаметром 1,8мкм. Ему свойственно и отмечавшееся ранее у центрипитера явление неконтролируемого осаждения аэрозолей на внутренние поверхности отводящих тр убок и, дополнительно еще, и на стенки разделительных камер, что также увеличивает о шибки измерения. В основу изобретения положено решение задачи создать устройство, позволяющее выделять ДЖАТП из атмосферного воздуха с меньшей неопределенностью в величине коэффициента эффективности этого выделения и, соответственно, оценивать объемную концентрацию ДЖАТП в воздухе с меньшей ошибкой. Технический результат достигается тем, что устройство содержит новую совокупность существенных признаков, а именно: общие с прототипом признаки: многокаскадный набор сопел, через который пропускается воздушная среда, соединительные камеры между каскадами, содержащие соосные с соплами отводящие трубки, через которые проходит обогащенная аэрозолем часть прокачиваемого воздуха и отверстия для отвода обедненной оставшейся части воздуха; - отличительные признаки: в устройство введены нагреватели отводящих тр убок и разделительных камер, которые намотаны на их внешних поверхностях и обеспечивают нагрев их внутренних стенок до температуры ограничиваемой только тем условием, что попадающий из разделительной камеры конечного каскада на расположенный за нею воздушный фильтр, собирающий ДЖАТП, воздух должен иметь такую температуру, которая нагревает материал фильтра не выше температуры допустимой по техническим условиям его эксплуатации. Благодаря нагреву стенок предотвращается концентрация на них влаги, а на сухой поверхности стенок оседает меньшее количество ДЖАТП, Существенным отличительным признаком является также введение в устройство электромагнитного вибратора, который соединен с корпусами сопел, отводящих тр убок и разделительных камер. Непрерывная работа вибратора способствует осыпанию с внутренних стенок отводящих тр убок и разделительных камер осевших на них ДЖАТП. В отличие от прототипа, наборы отводящих тр убок закрыты кольцевыми экранами, в которых по обе стороны отводящих тр убок расположены отверстия для отвода обедненной части воздуха. Рабочие диаметры сопел в каскадах связаны с линейной скоростью воздуха проходящего через них соотношением: где выражено в м/с, а - в мм. Это обеспечивает условия для захвата в отводящие трубки с эффективностью на уровне 50% аэрозолей с приведенным аэродинамическим диаметром около 0,5мкм. Указанное соотношение получено из уравнения 7,16 (см. книгу П. Райст Аэрозоли. - М.: Мир, 1987). Уравнение связывает приведенный аэродинамический диаметр захватываемого в импакторе с эффективностью 50% аэрозоля с числом Стокса для него вязкости воздуха поправкой Каннингема сопле - Vb и имеет вид коэффициентом диаметром сопла и скоростью воздуха в Для сопла круглого сечения величина Stk слабо зависит от параметров импакции, находясь в интервале 0,205 - 0,210. При температуре 20°C и также мало изменяется в рабочем интервале температур, а поправка Каннингема для аэрозоля с приведенным аэродинамическим диаметром 0,5мкм равна 1,3. Поэтому для аэрозоля данного размера с достаточной для технических расчетов точностью можно записать условие осаждения его с эффективностью 50% в виде что удовлетворяет записанному ранее соотношению. Нижняя граница 50% - ной импакции аэрозоля выбрана нами в районе 0,5мкм, так как из указанной книги П. Райста следует, что для аэрозоля существенно меньших размеров реальные условия импакции потребуют таких высоких скоростей движения воздуха через сопла, которые соответствуют числам Рейнольдса из области турбулентного движения воздуха, при котором само понятие импакции уже теряет смысл. Так как медианные значения приведенного аэродинамического диаметра ДЖАТП варьируют в области микронных размеров, то в отводящие трубки предлагаемого устройства во всех случаях будет попадать большая чем у прототипа доля проходящих через сопло ДЖАТП (эффективность захвата 50% у прототипа достигается только для частиц с приведенным аэродинамическим диаметром 1,8мкм). Это обеспечивает уменьшение неопределенности в величине коэффициента эффективности выделения ДЖАТП предлагаемым устройством и, соответственно, уменьшает ошибку в оценке объемной концентрации ДЖАТП в воздухе. Предлагаемое устройство схематически изображено на чертеже (фиг.), где левая часть рисунка изображает осевое сечение устройства в плоскости проходящей через оси сопел, а правая сечение в плоскости проходящей между соплами. Устройство представляет собой трехкаскадный виртуальный импактор, выполненный в едином корпусе 1. В первом каскаде установлено 16 сопел 2 с внутренним диаметром и длиной по 2мм, имеющих на входе конусные диффузоры 3. Нижние края сопел выступают ниже перегородки их держателя 4 на 3мм каждое. Сопла расположены равномерно по окружности диаметром 100мм. Соосно с ними установлены 16 отводящих тр убок 5 с внутренним диаметром 2 мм и длиной 18мм каждая, выступающие выше перегородки их держателя 6 на 16мм. Между концами сопел и отводящими трубками существует зазор 1мм. На внешних поверхностях отводящи х трубок намотаны электрические нагреватели 7. Набор отводящих тр убок первого каскада закрыт кольцевым экраном 8, выполняющим одновременно функции распределителя в путях отвода обедненного аэрозолем воздуха. Отверстия 9 в нем расположены против входов в отводящие трубки, с наружной стороны от линии последовательно соединяющей набор сопел 2 первого каскада, а отверстия 10 - между отводящими трубками, соответственно с внутренней стороны от этой линии. Через отверстия 11 в перегородке 6 воздух попадает в отводящий патрубок первого каскада 12. Перегородка 6 является крышкой разделительной камеры между первым и вторым каскадами. На наружной поверхности боковой стенки камеры 13, выполненной в виде усеченного конуса высотой 73мм, намотан нагреватель 14, Нижняя крышка камеры 15 одновременно является перегородкой между первым и вторым каскадами и держателем 4 - х сопел второго каскада, установленных равномерно по окружности диаметром 50мм. Размеры сопел и их расположение на держателе 15 аналогичны первому каскаду. Аналогично установлены и 4 отводящие трубки второго каскада 17 на их держателе 18. На трубках намотаны нагреватели 19 и они закрыты кольцевым экраном 20, отверстия в котором, как и в первом каскаде, распределяют отводимый обедненный аэрозолем воздух. Против входов в отводящие трубки в экране расположены отверстия 21, а между отводящими трубками отверстия 22. Через отверстия 23 в перегородке 18 воздух попадает в отводящий патрубок второго каскада 24. Перегородка-держатель 18 является крышкой разделительной камеры между вторым и третьим каскадами. На наружной поверхности боковой стенки камеры 25, выполненной в виде конуса, намотан нагреватель 26. Нижняя крышка камеры 27 одновременно является перегородкой между вторым и третьим каскадами и держателем сопла третьего каскада 28. Размеры сопла и отводящей трубки третьего каскада 29 и геометрия их расположений аналогичны первым двум каскадам. На внешней поверхности отводящей трубки намотан нагреватель 30. Держатель отводящей трубки 31 содержит конусную часть высотой 60мм с диаметром основания 36 мм, совпадающим с размерами рабочей части устанавливаемого в устройство для сбора ДЖАТП аспирационного фильтра 32, и плоскую кольцевую часть. Он является одновременно и нижней крышкой камеры третьего каскада виртуального импактора, воздух из которой отводится через патрубок 33. Прокачиваемая через фильтр часть воздуха из отводящей трубки 29 попадает в отводящий патрубок 34. На цилиндрической части устройства закреплен электромагнитный вибратор 35, который через детали 4, 6, 15, 18, 27, 31 передает колебания стенкам сопел, отводящих трубок и разделительных камер. Устройство работает следующим обра-зом. Через патрубки 12, 24, 33 и 34 с помощью побудителя, создающего пониженное давление, прокачивается поступающий в устройство через сопла первого каскада (2) атмосферный воздух подлежащий обогащению ДЖАТП находящимся в нем. Сечения патрубков подобраны так, что обеспечивают прохождение примерно 25, 6 и 1,5% от исходного потока воздуха поступающего через сопла первого каскада, соответственно, через сопла второго и третьего каскадов и отсасывающую трубку последнего. Размер отверстий 9 в кольцевом экране 8 подобран так, чтобы поток обедненной аэрозолем части воздуха через них был близок к той части потока, которая проходит через отверстия 10. Аналогично подобраны и размеры набора отверстий 21 и 22 во втором каскаде. После включения в работу побудителя, обеспечивающего расход всасываемого воздуха через устройство равный 1360л/мин, включают электрические нагреватели отводящих тр убок сопел всех каскадов (7, 19, 30), и нагреватели боковых стенок камер 14, 26. Температура нагревателей подобрана так, чтобы нагревающийся от соприкосновения с ними воздух, проходящий далее через фильтр 32, нагревал материал фильтра до температуры 60°С (такая температура допустима по техническим условиям эксплуатации используемого в устройстве аспирационного фильтра АФА-РМП). Реальная температура внутренних поверхностей нагреваемых отводящих тр убок и боковых стенок камер при этом оказывается выше 60°C. Всасываемый поток воздуха одновременно выполняет функцию охладителя горячих стенок устройства. Даже в условиях 100% влажности всасываемого воздуха конденсации влаги из него на более горячих чем он стенках устройства не происходит. Известно (Зиман А.Д. Пикалов В.К. Дезактивация. - М.: Издат. 1994), что сила адгезии частиц аэрозоля на гладкой сухой поверхности существенно меньше, чем при наличии участков водяной пленки на ее поверхности. Следовательно, количество удерживаемого на стенках аэрозоля в предлагаемом устройстве оказывается меньше, чем у прототипа, меньшей окажется и ошибка в определении концентрации ДЖАТП при этом. Во время работы устройства включен и вибратор 35, вызывающий колебания сопел, отводящих трубок и боковых стенок разделительных камер благодаря наличию жестких связей их с корпусом 1 устройства через соответствующие перегородки-держатели 4, 6, 15, 18, 27 и 31. При вибрации увеличивается вероятность отрыва аэрозолей удерживающихся на гладкой сухой внутренней поверхности отводящих тр убок и стенок разделительных камер каскадов. При установленном в устройстве удельном расходе воздуха 1360л/мин скорость его движения в соплах всех каскадов составляет около 45м/с, что для используемых в устройстве сопел диаметром 2мм, соответствует введенному ранее условию. Это значит, что в устройстве обеспечивается захват в отсасывающие тр убки с эффективностью 50% и выше аэрозолей с приведенным аэродинамическим диметром 0,5мкм и более. Таким образом, предлагаемое устройство является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо, т.е. данное изобретение соответствуе т необходимым условиям патентоспособности.