一种在不同环境下针对微纳米级气溶胶的取样测量装置

技术领域

本发明涉及一种在不同环境下针对微纳米级气溶胶取样测量装置，主要适用于在不同复杂热工环境条件下对微纳米级气溶胶颗粒质量浓度的准确测量。

背景技术

随着世界能源短缺和环境污染问题的日益加重，新型清洁能源逐渐开始代替传统能源，而核能则是其中利用程度较高的能源。但是由于其存在一定的危险系数使得核电厂设置有多道安全屏障，而核电站安全壳是防止放射性产物释放到环境的最后一道屏障，在发生严重事故时，水蒸汽的大量产生会导致安全壳内的温度和压力会逐渐升高，并最终形成高温、高压、高湿度及强辐射的大空间环境，而安全壳内的放射性物质大部分以气溶胶的形式存在，为了对放射性威胁进行合理的评估，需要对安全壳内的气溶胶浓度进行准确预测。因此，目前世界各国都在积极开展反应堆严重事故条件下的安全壳放射性源项行为研究，研究过程中首先需要构造一个与实际情况相似的高温、高压、高湿度环境，然后利用可靠的测量技术，对复杂热工环境下的气溶胶浓度进行在线测量，进而评估气溶胶的迁移和沉降行为，如何保证对在此条件下的气溶胶浓度进行准确测量是实验的关键。

现有的较为准确的针对气溶胶的测量方法为光学粒子计数器、凝结核粒子计数器等在线测量设备以及滤膜过滤器等离线测量设备，但是由于大部分在线测量装置的适用范围受限，无法在高温高压环境下工作，所以在核设施及高温高压条件下常使用滤膜过滤器作为气溶胶的取样测量设备。针对高放射性等极端危险环境，专利号200620113 189.6提出了一种气溶胶取样测量装置，采用气溶胶滤纸对气溶胶进行取样，并采用自动进样的方式利用探测器对滤纸上的气溶胶放射性进行检测，全程采用离线工作的方式；专利号20151094124 0.6提出的一种步进式大流量气溶胶取样装置，在上述基础上改进了取样装置，提高了工作流量的范围；专利号201810477664.5提出的一种新型放射性气溶胶实时采样测量装置及其测量方法，以滤膜作为气溶胶取样基础提出了一种一体式实时检测装置，提高了设备安全性。上述设计均是以常规核设施的放射性检测为背景，所以没有考虑在高温高压及高湿度条件下的工作问题。而专利号201620459699.2提出的一种防酸性物质腐蚀的放射性气溶胶连续监测装置，在滤膜取样测量的基础上加入了除湿装置及吹扫装置，减少了由于样本气体对设备的损伤，但是除湿装置的添加也造成了一定的气溶胶损失，影响了测量精度。专利号20172061808 7.8提出了一种高温高压用气溶胶取样系统，其维持整个系统在高温高压条件下，并采用滤膜作为气溶胶取样装置，在系统后端进行降温降压处理，减少了气溶胶的损失。但是由于滤膜规格的不同，其针对不同尺寸气溶胶的过滤效果也不尽相同，比如针对微米级气溶胶设计的滤膜对纳米级气溶胶的过滤能力有一定的局限，其会影响测量精度。

本发明提出一种在不同环境下针对微纳米级气溶胶的取样测量装置，主要包含气溶胶取样系统、高温蒸发系统、低温冷凝系统和过滤取样系统，系统采用金属纤维滤膜作为气溶胶取样材料，同时利用了正丁醇蒸汽及水蒸汽在气溶胶周围冷凝时会造成气溶胶粒径增加的现象，提高了金属纤维滤膜对气溶胶的去除效率，基于此可以实现对来流气体中不同粒径颗粒全部捕获的能力，此装置能够适用于不同压力、温度、湿度条件下的监测环境，而且可以满足在石油工程、热能工程、冶铁、汽车等领域中，为不同环境条件下的气溶胶分析技术提供测量基础。

发明内容

本发明的目的是设计满足复杂热工环境且针对微纳米级气溶胶的高效取样测量装置，可适用于较为宽泛的实验条件，并实现对不同领域、不同实验工况条件下气溶胶浓度的取样测量功能。

本发明的目的是这样实现的：包括气溶胶取样系统、高温蒸发系统、低温冷凝系统、过滤取样系统，各系统之间采用串联布置方式，气溶胶取样系统用于在待测环境中取出样本气体，在其前端可以通过采用取样管搭配节流孔板的方式来实现对气体的等速取样；高温蒸发系统采用加热及冷却系统并联设置，用于在不同环境下稳定的产生正丁醇蒸汽；低温冷凝系统采用油浴搭配换热盘管的方式，形成稳定的低温环境；过滤取样系统用于过滤收集样本气体中的气溶胶。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.气溶胶取样系统包括气溶胶取样管道、高温空气管道、温度传感器一、电加热器一、温度测量及电加热控制器一、高效除湿过滤器及热式质量流量计一，气溶胶取样管道与高温空气管道通过接头连接，样品气体温度测量装置设置在气溶胶取样管道的侧壁上，高效除湿过滤器及热式质量流量计一设置在高温空气管道的入口处，电加热器一采用螺旋式结构并设置在高温空气管道的外壁面上，温度测量及电加热控制器一中的温度传感器的基座设置在高温空气管道的外壁面上，测点则布置在管道气流中心区，其中的电加热控制器则通过控制电路与电加热器一直接相连，通过PID控制来实现对来流空气的定温加热。

2.高温蒸发系统包括蒸发控制箱体、蒸发流道、水冷换热管一、电加热器二、温度测量及电加热控制器二和正丁醇补液箱，蒸发流道与气溶胶取样管道的端部相连，且蒸发流道焊接在蒸发控制箱体的壁面上，蒸发流道的管壁采用多孔介质的形式，蒸发流道的下部浸没在正丁醇溶液中、上部外壁面设置有一层金属外层；水冷换热管一与蒸发控制箱体连接且整体淹没在蒸发控制箱体的正丁醇中，在蒸发控制箱体壁面上装有冷却水进出口，电加热器二为设置在蒸发控制箱体侧壁的两组电加热器，温度测量及电加热控制器二中的温度传感器基座安装在蒸发控制箱体的上壁面，其测点布置在蒸发流道周围液相中；蒸发控制箱体内部装有正丁醇溶液、同时通过侧壁开孔与在其侧面焊接固定的正丁醇补液箱连通。

3.低温冷凝系统包括冷凝控制箱体、温度传感器二、水冷换热管二、进气管道，冷凝控制箱体里面装有淹没进气管道的油，温度传感器二的基座安装在冷凝控制箱体的上壁面，其测点布置在管道周围的液相中；水冷换热管二与冷凝控制箱体连接并固定位置，且其整体淹没在冷凝控制箱体的油中，并在冷凝控制箱体的左侧跟右侧壁面分别装有冷却水进口和出口，进气管道与蒸发流道的端部连接，进气管道的端部与过滤取样系统的进气口相连。

4.过滤取样系统包括密封箱、滤膜托、密封螺栓、排气管道、过滤干燥器及热式质量流量计二，密封箱采用抽屉式结构，且密封箱上壁面设置有与进气管道相连的进气口，密封箱上壁面设计有渐扩的锥形流通结构，密封箱的下部底面则采用锥形渐缩的方式、最后与出口管道相连；密封箱侧壁开口处开有螺栓孔与密封螺栓配合；滤膜托包括在外侧与密封箱壁面配合的密封封头、放置在密封箱内部的滤膜放置托盘，在封头上开有螺栓进孔，与密封箱上的螺栓孔配合，在滤膜放置托盘上设置有圆形的金属纤维滤膜的放置区域，在其下部均匀开孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的实验装置采用一体化布置的方式，结构简单，功能齐全，方便操作；实验装置可以实现在不同温度、压力及湿度条件下对气溶胶的取样测量功能；实验装置中正丁醇蒸发再冷凝的功能设计提高了对微纳米级气溶胶的捕获测量精度；实验装置各结构设置简单，采用多种温控设置，减少了气溶胶在系统内的损失；实验装置中抽屉式滤膜托结构的设计减少了实验准备的时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为气溶胶测量系统整体结构正视图。

图2为气溶胶测量系统整体结构俯视图。

图3为气溶胶测量系统整体结构左视图。

图4为滤膜托结构图。

图5为滤膜装配图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的这种高效取样测量装置主要由气溶胶取样系统、高温蒸发系统、低温冷凝系统、过滤取样系统组成。各系统之间采用串联布置方式，其中气溶胶取样系统用于在待测环境中取出具有代表性的样本气体，根据取样环境的不同可以通过在其前端另外安装L型取样管搭配节流孔板的方式来实现对气体的等速取样；高温蒸发系统采用加热及冷却系统并联使用的设计，用于在不同环境下稳定的产生正丁醇蒸汽；低温冷凝系统采用油浴搭配换热盘管的方式，用于形成稳定的低温环境；过滤取样系统用于过滤收集样本气体中的气溶胶。在系统运行中粒径增加后的气溶胶在流经过滤取样系统中的纤维滤膜时，以接近100％的滞留效率被滞留在纤维表面，最后将滤膜进行烘干、称重等处理即可获得气溶胶的质量浓度。

所述的气溶胶取样系统包括气溶胶取样管道1.11、高温空气管道1.12、温度传感器一1.13、电加热器一1.14、温度测量及电加热控制器一1.15、高效除湿过滤器1.16及热式质量流量计一1.17。气溶胶取样管道1.11直接安装在待测环境中，如果存在气体流动，则在气溶胶取样管道前端另外设置朝向来流气体方向的L型取样管进行取样，如果在高压环境中则在其前端另外安装节流孔板，通过增加局部阻力的方式来降低来流气体压力同时控制气体流量。其中，节流孔板采用渐缩、渐扩式的双圆锥形结构设计，并根据取样流量及压降要求来设计其中最小圆孔的尺寸，确保在实验中经过节流孔板的气体压力降至常压，且进入取样管内的气体流速与待测环境中的流速相等，以满足气溶胶等速取样的原则。而节流孔板的圆锥形结构设计确保了流道的流通面积及几何形状均匀变化，使得气溶胶在其中的损失降至最低。

高温空气管道1.12安装在气溶胶取样管道1.11的侧壁上，在管道前依次安装有高效除湿过滤器1.16、热式质量流量计一1.17、电加热器一1.14和温度测量及电加热控制器一1.15。高效除湿过滤器1.16安装在高温空气管道1.12的入口，在其内部安装有沸石及金属纤维材料，用于去除来流空气中的水蒸汽及颗粒杂质，保证来流空气的纯净度。热式质量流量计一1.17安装在高效除湿过滤装置1.16后，测量经高效除湿后的干燥空气的流量。高温空气管道1.12侧壁装有的电加热器一1.14、温度测量及电加热控制器一1.15，通过PID控制的方式来控制电加热装置的功率，确保加热混合气体与样本气体温度一致。以上设置的整体功能为降低样本气体中的水蒸汽分压，防止水蒸汽在后续系统中冷凝，同时起到对混合气体进行除湿、流量检测及温度控制的作用，以避免在气体混合过程中由于温差、蒸汽冷凝产生的热泳、扩散泳进而造成大量的气溶胶损失。

高温蒸发系统由蒸发控制箱体1.21、蒸发流道1.22、水冷换热管一1.23、电加热器二1.26、温度测量及电加热控制器二1.27和正丁醇补液箱1.28组成。蒸发控制箱体1.21是整个系统的外边界，内部放置有一定高度的正丁醇溶液，以产生正丁醇蒸汽。电加热器二1.26安装在蒸发控制箱体1.21下部，采用两组变功率加热棒的设计以及PID控制，可根据温度反馈信号控制加热棒功率，放置的位置可以根据热流体向上运动的现象可以确保加热装置工作时溶液温度分布均匀，避免温度分层现象的产生。水冷换热管一1.23与蒸发控制箱体1.21连接，其整体淹没在蒸发控制箱体1.21的正丁醇中，其采用螺旋管的结构设计可以增加冷却水与正丁醇之间的换热效率，对箱体温度进行快速降温。蒸发流道1.22安装在气溶胶取样管道1.11后方，采用圆柱形结构设计，保证流道尺寸与进气管一致，以减少由于几何尺寸变化造成的气溶胶损失。流道采用多孔介质材质的管壁设计，其中下半部的四分之一区域浸没在正丁醇溶液中，正丁醇通过毛细作用会浸入多孔介质中并充满整个流道壁面，确保正丁醇在内壁面上均匀蒸发，此设计可以避免由于局部蒸发产生不均匀的热泳及扩散泳效应，造成局部气溶胶损失。同时在其上部未浸没区的外壁面安装有一层金属外层，可以防止来流气体从上部缝隙中泄露，确保温度分布均匀。

在设备运行时，如果通过的是高温气体，则利用气体散热使得正丁醇蒸发进而被携带走，如果通过的是低温气体，则通过电加热器二1.26来控制正丁醇温度以产生正丁醇蒸汽，而在多孔介质中的正丁醇蒸发以后，外部的液体会被压力推动继续进入多孔介质区。在低温低湿度取样环境条件下水冷换热管一1.23与电加热器二1.26配合使用，以控制蒸发控制箱体内的温度，进而控制产生正丁醇蒸汽的速率，也可以在高温高湿度取样环境条件下和温度测量及电加热控制器二1.27配合使用，防止样本气体温度过高造成正丁醇的大量蒸发。正丁醇补液箱1.28安装在蒸发控制箱体1.21侧面，在设备运行时蒸发控制箱体1.11内的液位无法直接监测，可以通过监控正丁醇补液箱1.28的液位以保证在使用过程中正丁醇液位不会下降到蒸发流道1.22下部，而在液位降低时可以利用正丁醇补液箱1.28来补充液位。

所述的低温冷凝系统由冷凝控制箱体1.31、温度传感器二1.32以及水冷换热管二1.35组成。冷凝控制箱体1.31是整个系统的外边界，内部放置有一定装量的油作为温度控制的载体，其较大的比热容可以减少温度波动。进气管道1.36安装在蒸发流道1.22之后，携带有正丁醇蒸汽的混合气体进入低温的进气管道1.36后，正丁醇蒸汽以气溶胶为凝结核不断在气溶胶表面凝结增加气溶胶直径，同时其重力效应会增加，所以此管道竖直放置冷凝控制箱体1.31内，确保所有的颗粒会在重力及惯性力的作用下进入过滤取样系统。水冷换热管二1.35采用螺旋管的结构，以与冷凝控制箱体1.31等高度的设计安装在其内部，整体淹没在冷凝控制箱体1.31的油中。采用螺旋管的结构设计可以增加换热效率，实现对箱体温度的快速控制功能。温度传感器二1.32测点布置在油中，在系统运行时根据温度反馈来控制水冷换热管1.35内的冷却水流动速度，保证冷源温度稳定。

所述的过滤取样系统由密封箱1.41、滤膜托1.42、密封螺栓1.43、排气管道1.44、过滤干燥器1.45及热式质量流量计二1.46组成。密封箱1.41主要采用抽屉式结构，中间放置滤膜托及金属纤维，其上壁面与进气管道相连，中间设计有渐扩的锥形流通结构，保证来流气体以层流方式均匀通过纤维滤膜，避免气溶胶击穿金属纤维。滤膜托1.42采用推拉式结构设计，方便更换滤膜，可以减少实验准备时间，在滤膜放置托盘上设置的有圆形纤维滤膜放置区域，此区域均匀开有圆孔，以保证在纤维前后的气流均匀流动，避免产生气溶胶击穿纤维的现象。

选用金属纤维作为过滤材料的优点在于容尘量大，材质耐腐蚀，可以适用于环境中存在特殊气体的条件。纤维及滤膜过滤收集气溶胶的机制为布朗扩散、重力沉降、直接拦截、惯性作用等参数，具体的过滤效率计算一般可采用公式(1)来进行考虑，纤维及滤膜针对气溶胶的最易穿透区间在100-200纳米左右，而对于微米级气溶胶的收集效率在100％左右，所以要针对实际取样环境控制正丁醇的蒸发速率以控制被金属纤维收集时的气溶胶尺寸。

η＝η

η

式中，

Kn

其中，ε为孔隙度；d

在最后安装的过滤干燥器1.45在实验中起到干燥、去除有害气体的作用，保证热式质量流量计二1.46正常工作。其测量得到的不凝性气体的流量，需要与气溶胶取样系统中的热式质量流量计测量结果配合，得到实际样本气体中不凝性气体的流量，同时根据待测环境的实测温度及压力得到混合气体中的水蒸汽分压及质量份额，最终推算得到样本气体的总质量流量，其可用于辅助气溶胶浓度的计算。在取样结束后首先利用高温将纤维上的正丁醇蒸发，随后可以利用微量精密电子天平测量滤膜的质量变化，得到样本气体中的气溶胶颗粒质量，并结合流量计测得的气体流量得到气溶胶质量浓度。

图1、2和3所示分别为气溶胶测量系统整体结构正视图、俯视图及左视图。由图可知气溶胶取样系统主要由气溶胶取样管道1.11、高温空气管道1.12、温度传感器一1.13、电加热器一1.14、温度测量及电加热控制器一1.15、高效除湿过滤器1.16及热式质量流量计一1.17组成，其中气溶胶取样管道1.11与高温空气管道1.12通过不锈钢三通接头连接，以减少由于焊接造成的气溶胶损失。温度传感器一1.13通过底座焊接的方式焊接在气溶胶取样管道1.11的侧壁上，测温装置的测点则布置在管道气流中心区。高效除湿过滤器1.16及热式质量流量计一1.17采用不锈钢卡套接头的方式安装在高温空气管道1.12入口处，以去除来流气体中的水蒸汽及杂质，同时对流量进行监控。电加热器一1.14采用螺旋式结构并焊接在高温空气管道1.12的外壁面上，温度测量及电加热控制器一1.15中的温度传感器同样以底座焊接的方式焊接在高温空气管道1.12的外壁面上，测点则布置在管道气流中心区，电加热控制器则通过控制电路与电加热器一1.14直接相连，通过PID控制来实现对来流空气的定温加热。

高温蒸发系统由蒸发控制箱体1.21、蒸发流道1.22、水冷换热管一1.23、电加热器二1.26、温度测量及电加热控制器二1.27和正丁醇补液箱1.28组成。蒸发控制箱体1.21是整个高温蒸发系统的外边界，其壁面厚度为5mm不锈钢板，可以减少热量外泄，同时在外部装有保温材料。蒸发流道1.22与气溶胶取样管道1.11通过焊接的方式直接相连，同时焊接在蒸发控制箱体1.21的壁面上以固定位置，其管壁采用多孔介质的形式，同时其下部浸没在正丁醇溶液中，以保证正丁醇溶液充满多孔介质的缝隙，其上部外壁面安装有一层金属外层来确保来流气体不会从缝隙中泄露。水冷换热管一1.23采用焊接的方式与蒸发控制箱体1.21连接并固定位置，其整体淹没在蒸发控制箱体1.21的正丁醇中，并在蒸发控制箱体1.21壁面上装有冷却水进出口1.25、1.24，采用螺旋管的形式可以增加冷却水与正丁醇之间的换热效率。电加热器二1.26主要包括两组电加热器，并采用焊接的方式与蒸发控制箱体1.11侧壁相连来固定位置，其被安装在恒温控制箱1.11的下侧。温度测量及电加热控制器二1.27中的温度传感器采用底座焊接方式直接安装在蒸发控制箱体的上壁面，其测点布置在蒸发流道1.22周围液相中，以保证温度测量的准确。蒸发控制箱体1.21内部装有一定高度的正丁醇溶液，同时通过侧壁开孔与在其侧面焊接固定的正丁醇补液箱1.28连通，以利用正丁醇补液箱1.28的液位来监测箱体内的液位，同时利用补液箱来补充正丁醇溶液，保证液位正好淹没蒸发流道1.22的下部。

低温冷凝系统由冷凝控制箱体1.31、温度传感器二1.32、水冷换热管二1.35以及进气管道1.36组成。冷凝控制箱体1.31是低温冷凝系统的外边界，里面装有一定高度的油，确保将进气管道1.36淹没。温度传感器二1.32采用底座焊接方式直接安装在冷凝控制箱体1.31的上壁面，其测点布置在管道周围的液相中，以保证温度测量的准确。水冷换热管二1.35采用焊接的方式与冷凝控制箱体1.31连接并固定位置，其整体淹没在冷凝控制箱体1.31的油中，并在冷凝控制箱体1.31左侧跟右侧壁面分别装有冷却水进口1.34和出口1.33。进气管道1.36通过焊接的方式安装在蒸发流道1.22之后，同时其管道出口与过滤取样系统的进气口相连。

过滤取样系统由密封箱1.41、滤膜托1.42、密封螺栓1.43、排气管道1.44、过滤干燥器1.45及热式质量流量计二1.46组成。图4为滤膜托结构图，图5为滤膜装配图。根据图可以看出，密封箱1.41主要采用抽屉式结构，其结构为中间中空，侧壁开口，采用推拉式结构放置滤膜托。其上壁面与进气管道相连，并设计有渐扩的锥形流通结构，保证来流气体均匀分散进入纤维滤膜，下部底面则采用锥形渐缩的方式，最后与出口管道相连。在其侧壁开口处开有螺栓孔与密封螺栓1.43配合。滤膜托1.42包括在外侧与密封箱壁面配合的密封封头，以及放置在密封箱内部的滤膜放置托盘。在封头上开有螺栓进孔，与密封箱上的螺栓孔配合，通过密封螺栓1.43将两者密封固定，同时，在滤膜放置托盘上设置有圆形的金属纤维滤膜的放置区域，在其下部均匀开孔，以保证均匀出气。所述的密封螺栓1.43主要通过滤膜托外封头上的进孔与密封箱侧壁的螺栓孔配合，将密封箱1.41与滤膜托1.42密封固定。在设备运行中，在滤膜托1.42上放置纤维滤膜然后将滤膜托推进密封箱1.41中，最后将密封螺栓1.43旋入密封箱1.41侧壁的螺栓孔，以固定滤膜托，在当前工况测量完毕后更换滤膜再对下一组样品进行测量。过滤干燥器1.45及热式质量流量二计1.46通过卡套安装在排气管道1.44上，过滤干燥装置1.45中装有沸石、活性炭等物质。