CN101324490B - 一种大流量气溶胶采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大流量气溶胶采样装置，其特征在于它主要包括：一大粒子切割器、一浓缩分离器和一采样器；所述大粒子切割器包括：内筒、外筒、顶盖阻虫网罩和气流输出管，所述外筒与所述顶盖之间具有一圈气流进口；所述内筒与所述外筒之间形成一气流喷嘴；所述气流输出管设置在阻虫网罩内固定在所述外筒锥形底面的；所述气溶胶浓缩分离器包括：一外壳，分别设置的上、下喷嘴，所述上喷嘴底部与所述下喷嘴之间留有通气间隙，形成小粒子分离的第一级喷嘴。所述下喷嘴与所述采样器的气流进口之间留有通气间隙，所形成小粒子分离的第二级喷嘴。本发明结构简单，体积小、可用于大气中生物气溶胶浓缩分离和实时监测。

Description

一种大流量气溶胶采样装置

技术领域

本发明涉及一种大流量气溶胶采样装置，特别是关于一种可用于大气中生物气溶胶浓缩分离的组合式虚拟撞击大流量气溶胶采样装置。

背景技术

随着经济全球化进程日益加速，在世界范围内新发传染病屡屡出现，公共卫生突发事件时有发生，生物恐怖威胁愈显突出，生物安全已成为严重影响人类生活、国家安全和经济发展的重要问题。传染性病毒、生物恐怖武器等微生物都是以气溶胶粒子状态存在于大气中，实时监测大气中传播粒子的潜在危险势在必行。实验证明，空气中可传播的微生物粒子的直径一般在2微米以上，可对人体造成危害的是10微米以下的可吸入粒子。因此，有效地采集大气中2～10微米的生物粒子是准确测量有害微生物浓度的技术关键之一。

由于空气中的微生物粒子浓度很低，加之生物气溶胶检测方法灵敏度的限制，目前，国内环境监测领域对可吸入粒子的采集多采用大流量采样装置。这种采样装置存在如下不足：1、为了防止降水、昆虫以及草叶、飞絮等物质被吸入到大流量气溶胶采样器而堵塞气路，需要设计专门的防雨罩和阻虫网，进气防雨阻虫网罩与大粒子分离器及浓缩分离器互为独立结构，体积和重量较大，不便安装使用。2、大粒子切割器多为旋风分离器或固体撞击板，都存在粒子反弹现象。3、浓缩分离器的加速喷口的内腔一般为圆柱形和圆锥形的结合体，对气流流线的整形能力较差，存在较大的壁损耗。4、旋风分离器不能有效去除小于2微米的生物粒子。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，体积小、可用于大气中生物气溶胶浓缩分离的组合式虚拟撞击大流量气溶胶采样装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大流量气溶胶采样装置，其特征在于它主要包括：一大粒子切割器、一浓缩分离器和一采样器；所述大粒子切割器包括：一圆柱形内筒，所述内筒的顶部设置有一与其连为一体的防雨阻虫顶盖；所述内筒内设置一顶部固定在所述顶盖上，底部封闭的阻虫网罩，所述内筒外面设置一外筒，所述外筒的底部向中心缩为一锥形底面，所述顶盖的外沿向下倾斜低于所述外筒，所述外筒与所述顶盖之间具有一圈气流进口；所述内筒最下部与所述外筒之间相对靠近，形成一圈逐渐收缩的气流喷嘴；所述阻虫网罩内穿设有一下端固定在所述外筒锥形底面的气流输出管；所述气溶胶浓缩分离器包括：一外壳，所述外壳的顶部和中部分别设置一支撑板，所述两支撑板上分别设置一上喷嘴和一下喷嘴，所述上喷嘴顶部连接所述气流输出管，所述上喷嘴底部与所述下喷嘴之间留有通气间隙，形成小粒子分离的第一级加速喷嘴。所述下喷嘴周围的支撑板上设置有一圈第一级小粒子排气口，所述外壳底板一侧设置有一小粒子总排气口，所述总排气口处设置有一风机；所述采样器设置在所述外壳底板下方，所述采样器的样品气流口设置在底板上，正对着所述下喷嘴的底部，且与所述下喷嘴的之间留有通气间隙，所述下喷嘴与所述样品气流口之间形成小粒子分离的第二级加速喷嘴。

所述上、下喷嘴的下部内壁设置成收缩的流线形。

所述采样器为液体采样器、固体采样器和气溶胶粒子分析仪器之一。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过顶盖与外筒之间气流进口阻止质量较大的非气溶胶类杂物吸入的大粒子切割器，通过内、外筒之间环形狭缝切割大于10微米的颗粒，通过上、下喷嘴之间的间隙对小于2微米的粒子进行第一级分离，通过下喷嘴与采样器的气流口之间的间隙对小于2微米的粒子进行第二级分离，没有任何撞击挡板，分离彻底，使进入采样器的粒子符合直径大于2微米，小于10微米的采集要求。2、本发明将外筒底部设置成锥形，使其与阻虫网罩底部之间形成了一个缓冲空间和大粒子收集槽，因此可以有效地防止从气流中分离出来的大粒子反弹进入下一级气流中。3、本发明由于将大粒子切割器的进气阻虫网罩和防雨顶盖与内筒连成一体，减小了结构体积和重量，有利于仪器的小型化，同时本发明所有喷嘴内壁全部采用流线型设计，有利于气流的整形，可减少气溶胶粒子的壁损耗。4、本发明由于采用大粒子切割器、浓缩分离器和采样器组合式结构，三个部件既可以单独使用，也可以组合使用，既可以自身组合构成一个大流量气溶胶采样器，也可以输出样品气流供粒子分析仪器检测。本发明结构简单，体积小，安装和清理都非常方便，可以广泛用于大气中生物气溶胶的浓缩分离和实时监测过程中。

附图说明

图1是本发明结构框图

图2是本发明大粒子切割器示意图

图3是本发明浓缩分离器和气溶胶采样器示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明主要包括大粒子切割器1，浓缩分离器2和采样器3。

如图2所示，本发明大粒子切割器1包括：一上、下通透的圆柱形内筒11，在内筒11的顶部设置有一与其连成一体的防雨顶盖12，在内筒11内设置一顶部固定在顶盖12上，底部封闭的阻虫网罩13。在内筒11外部设置一外筒14，外筒14的底部向中心缩为一锥形底面，外筒14的顶部低于内筒11的顶部一段距离，顶盖12的直径尺寸大于外筒14的直径尺寸，且顶盖12的外缘向下倾斜低于外筒14，在外筒14与顶盖12之间形成一圈气流进口15，可有效防止质量较大的非气溶胶类杂物吸入气流进口15。在内筒11最下部与外筒14之间相对设置有扩口和一圈环形凸起16，使内筒11与外筒14之间形成一圈逐渐收缩的环形狭缝17。在网罩13内穿设有一气流输出管18，气流输出管18的下端从外筒14底部穿出连接浓缩分离器2。

如图3所示，本发明浓缩分离器2包括：一外壳21，在外壳21的顶部和中部分别设置一支撑板22、23，在两支撑板22、23上分别设置一上喷嘴24和一下喷嘴25。上喷嘴24顶部可以直接连接大粒子切割器1的的气流输出管18，也可以通过软管连接气流输出管18。上喷嘴24的出口与下喷嘴25之间留有通气间隙26，上喷嘴24与下喷嘴25之间形成了小粒子分离的第一级加速喷嘴。在支撑板23的下喷嘴25周围设置有一圈第一级小粒子排气口27。在外壳21的底板一侧设置有一小粒子总排气口28，在小粒子总排气口28的底部设置一风机29向外排气。

本发明的采样器3可以采用已有技术的各种产品，采样器3设置在浓缩分离器2外壳21的下方，采样器3的样品气流口31设置在外壳21的底板上，正对着下喷嘴25的底部，但与其之间留有通气间隙32，下喷嘴25与样品气流口31之间形成了小粒子分离的第二级加速喷嘴。

本发明在采样操作时，将浓缩分离器2和采样器3设置在室内，而将大粒子切割器1设置在室外，并将大粒子切管器1的气流输出管18通过软管与浓缩分离器2的喷嘴24的顶部连接(仅以此为例)。

如图1所示，采样开始时，在风机29的吸力作用下，大气环境中的气溶胶粒子不能直接进入内筒11，只能沿着外筒14与顶盖12之间的一圈气流进口15进入内筒11与外筒14之间，并从内筒11底部与外筒14之间形成的一圈逐渐收缩的环形狭缝17进入内筒11。进入内筒11小于10微米小粒子气流可以随气流改变方向，向上通过阻虫网罩13进入气流输出管18，然后进入浓缩分离器2；而气流中大于10微米的粒子在惯性的作用下，不能随气流向上的运动改变方向，只能撞击在大粒子切割器1外筒14的锥形底面。锥形底面与阻虫网罩之间形成了一个缓冲的大粒子收集槽，可以防止从气流中分离出来的大粒子反弹进入下一级气流中。本发明的大粒子切割器可以单独使用，也可以与浓缩分离器和采样器组合使用。

如图3所示，本发明的气溶胶浓缩分离器采用2级虚拟撞击结构，由于两喷嘴24、25之间留有通气间隙26，大部分低于2微米的小粒子在此处进行第一级分离，被分离的低于2微米的小粒子通过设置在支撑板23上的第一级小粒子排气口27流向小粒子总排气口28。而剩余的低于2微米的小粒子会在从喷嘴25流入采样器3的样品气流口31时，从喷嘴25与样品气流口31之间的通气间隙32排除，使进入采样器3样品气流口31的粒子符合直径大于2微米，小于10微米的采集要求。本发明为了减少气溶胶粒子的壁损耗，将两喷嘴24、25的内壁都设计成流线形，有利于气流的整形和减少粒子的损失。本发明的采样器3可以是液体采样器，也可以是固体采样器，还可以直接引入到气溶胶粒子分析仪器进行检测分析。

由上述气溶胶粒子的分离采集过程可以看出，气溶胶粒子在气流流场中的行为主要受两个参数的控制，一个为斯托克斯数(S_tk)，一个为雷诺数(Re)，本发明计算虚拟撞击大流量气溶胶采样装置各个喷嘴的尺寸主要依据这两个参数，各个喷嘴能够分离的粒子尺寸称为切割点(Stk₅₀)，斯托克斯数S_tk可由下式计算(这包括内、外筒之间的环形狭缝17，上喷嘴24的喷口和下喷嘴25的喷口半径等)：

$\mathrm{Stk}=\frac{C_c{\mathrm{\ρ}}_p{D}_p^2{U}_0}{18\mathrm{\μ}{L}_c}$

上式中，D_p是粒子直径(cm)，ρ_p是粒子密度(kg/m³)，Cc是滑移订正系数，U₀是喷口气流的平均流速(m/s)，L_c是喷嘴尺寸，圆形喷嘴为半径，狭缝式喷嘴为半宽(m)，μ是流体的粘滞系数(kg/m·s)。

雷诺数(Re)的计算公式如下：

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{L}_c{U}_o}{\mathrm{\μ}}$

上式中，ρ_f为空气密度(kg/m³)，除了L_c是圆形喷嘴的直径或狭缝式喷嘴的宽度外，其余参数同上。

在虚拟撞击大流量气溶胶采样装置中气流的流动和粒子的分离与收集的动力来自风机29，风机29的选择非常重要，影响风机性能的主要参数是风机29的压头，风机压头的选择主要取决于各个加速喷嘴的压降(ΔP)：

$\mathrm{\ΔP}=K\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{U}_o^2}{2}$

上式中，K为压力系数，对于有限的流量范围来说，K基本上是恒定的。

在忽略风机的无效功率和流路中的压力损失时，理想的风机的功率(Pwr)应该是：

Pwr＝Q_maΔP_ma+Q_miΔP_mi

上式中，Q_ma为主气流(cm/sec)，ΔP_ma为加速喷嘴入口与主气流(细粒子)出口之间的压差(Pa)，Q_mi为分气流(粗粒子)的流量(cm/sec)，ΔP_mi为加速喷嘴入口与分气流出口之间的压差(cm/sec)。

Claims (3)

1.一种大流量气溶胶采样装置，其特征在于它主要包括：一大粒子切割器、一浓缩分离器和一采样器；

所述大粒子切割器包括：一圆柱形内筒，所述内筒的顶部设置有一与其连为一体的防雨阻虫顶盖；所述内筒内设置一顶部固定在所述顶盖上，底部封闭的阻虫网罩，所述内筒外面设置一外筒，所述外筒的底部向中心缩为一锥形底面，所述顶盖的外沿向下倾斜低于所述外筒，所述外筒与所述顶盖之间具有一圈气流进口；在所述内筒最下部与所述外筒之间相对设置有一扩口和一圈环形凸起，使所述内筒与所述外筒之间形成一圈逐渐收缩的环形狭缝；所述阻虫网罩内穿设有一下端固定在所述外筒锥形底面的气流输出管；

所述气溶胶浓缩分离器包括：一外壳，所述外壳的顶部和中部分别设置一支撑板，所述外壳顶部的支撑板上设置有一上喷嘴，所述外壳中部的支撑板上设置有一下喷嘴，所述上喷嘴顶部连接所述气流输出管，所述上喷嘴底部与所述下喷嘴之间留有通气间隙，形成小粒子分离的第一级加速喷嘴；所述下喷嘴周围的支撑板上设置有一圈第一级小粒子排气口，所述外壳底板一侧设置有一小粒子总排气口，所述总排气口处设置有一风机；

所述采样器设置在所述外壳底板下方，所述采样器的样品气流口设置在底板上，正对着所述下喷嘴的底部，且与所述下喷嘴的之间留有通气间隙，所述下喷嘴与所述样品气流口之间形成小粒子分离的第二级加速喷嘴。

2.如权利要求1所述的一种大流量气溶胶采样装置，其特征在于：所述上、下喷嘴的下部内壁设置成收缩的流线形。

3.如权利要求1或2或3所述的一种大流量气溶胶采样装置，其特征在于：所述采样器为液体采样器、固体采样器和气溶胶粒子分析仪器之一。

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