CN110879159A - 一种高温高湿度气溶胶采样装置及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高湿度气溶胶采样装置及采样方法，气溶胶采样装置基于双转子罗茨泵设计，其旋转轴和转子均为空心，转子内部两侧填充传热工质，并通过该工质的相变与经旋转轴流过转子中心的低温冷却介质进行热交换，从而避免所采集的气溶胶与低温冷却介质接触，达到在隔离气溶胶样气的前提下对转子高效降温的效果；采样前通过对气溶胶采样装置的标定，可实现精确的定量采样及温度控制，从而满足高温高湿度气溶胶采样要求。本发明结构简单、易拆装维护，并且采样量灵活可调、采样精度高。

Description

一种高温高湿度气溶胶采样装置及采样方法

技术领域

本发明涉及锅炉、热电厂、汽车排放的颗粒物的采样、测量，具体涉及一种可不破坏高温高湿度状态下气溶胶内颗粒物形貌及分布的气溶胶定量采样装置。

背景技术

随着热力能源的需求不断上升，汽车内燃机、锅炉、热电厂机组等燃烧器在运行中通过燃烧产生了大量的颗粒物，对大气环境造成了严重的污染。由于燃烧产生的颗粒物被高温高湿的排气裹挟，随着排气(属于高温高湿度气溶胶)温度降低，排气中水凝结导致颗粒物产生凝聚、沉降或附着损耗，对于后端测量产生巨大的影响。目前解决这一问题的手段主要是直接抽取高温高湿度排气，并使用大量干燥的纯净气体对高温高湿度样气进行稀释(按GB18352.6-2016要求，一级稀释比例为10:1)，迅速降低样气的湿度和温度，从而避免因水蒸汽凝结造成的颗粒物尺寸变化及数量损失，同时温度和湿度的下降也保证了后端测量设备(大多是光学设备)的稳定运行。

采样器在稀释过程中的难点是高温高湿气体的定量采样。目前主要存在两种采样器，一种是较为传统、应用也较为广泛的节流式的采样器，例如，芬兰Dekati公司的DI 1000射流稀释器，其基本原理是利用了减缩喷嘴的流动特性，即在一定背压下，低于声速的气流会被喷嘴限制流量，从而达到定量采样的目的。这种采样器只能在固定的稀释比下进行采样，且受排气压力波动影响较大，只适用于排气较稳定的环境中(排气下游)。另外一种是近些年出现的定容泵式采样器，例如，美国TSI公司的379020A旋转盘稀释器，其基本原理是采用了盘式的旋转热泵，直接对排气进行定量热采样，可以实现较灵活的采样流量控制，但排气的最高温度限制在150℃以下，更高温度的排气会对仪器造成损坏。

双转子罗茨泵用于输送常规环境下的气体(温度不超过50℃)，对于高温气体，为避免转子在旋转中高温膨胀、产生卡咬，采用向定子腔内喷水或使用循环油冷却转子(湿式降温)或外循环空气(干式降温)的方式进行降温；但这两种降温方法都使冷却剂与输送(采集)的气体直接接触，破坏了气体的成分，尤其是在采集含颗粒物的气溶胶时，会造成破坏性影响。目前尚未见到采用旋转式机械定量采集高温高湿度气溶胶的采样器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高湿度气溶胶采样装置及采样方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种旋转式气溶胶定量采样装置，该采样装置包括空心定子、设置在空心定子上的进样口和出样口，以及设置在空心定子内的若干个用于将高温(同时也可以是高湿度的)气溶胶由进样口经空心定子内剩余空间移动至出样口的空心转子；所述空心转子内设置有空腔及可发生相变的传热工质，所述传热工质位于该空腔外侧，空腔内设置有低温冷却介质。

优选的，所述空心转子上设置有进液孔，进液孔内设置有用于控制所述传热工质注入与排出的除气塞。

优选的，所述除气塞包括升降筒体、与升降筒体的开口相连的连接管件以及设置在升降筒体的封闭端面上的导流孔和封闭头，导流孔和封闭头与位于进液孔内的台阶面相配合。

优选的，所述空心转子上设置有贯穿该空心转子中心的空心旋转轴，所述低温冷却介质于该空心旋转轴内部进行轴向流动，所述传热工质设置在空心转子内部由空心旋转轴分隔的相互独立的多个空间(空心旋转轴的外壁面与空心转子的内壁面之间)内。

优选的，所述空心转子为两个，各空心转子通过采用罗茨泵的转子型线于同步旋转中进行相互配合并分别与空心定子的内壁进行配合。

优选的，所述采样装置还包括用于检测进样口处气体温度和/或压力的传感器，以获得样气的状态。

利用上述旋转式气溶胶定量采样装置进行气溶胶定量采样的方法，包括以下步骤：

将进样口连接至某燃烧器的排气通路；使设置在空心定子内的空心转子转动，从而将排气通路中的一定体积的高温气溶胶由进样口经空心定子内剩余空间移动至出样口，实现对排气通路的采样；采样中，利用所述传热工质于吸热界面及放热界面进行相变，其中，传热工质的吸热界面为空心转子与所述气溶胶相接触的部分或全部壁面，传热工质的放热界面为所述空腔的壁面，同时，根据采集自进样口处的气体压力和气体温度，调节空心转子的转速及通入空腔内的低温冷却介质的流量，以使采样量在采样过程中保持一定(即采样的气体流量保持一定)。

优选的，所述空心转子为两个，两个空心转子各由一个空心旋转轴驱动，且两个空心转子通过采用双转子罗茨泵的转子型线进行同步旋转，采样中，所述低温冷却介质通过空心旋转轴持续流过对应空心转子的中心。

优选的，采样前，根据采样工况确定传热工质(一般应选择蒸发性好、汽化潜热大的工质，以期其相变时能尽可能高效地吸收/释放热量)，并在对空心转子内进行抽真空(抽真空可以降低空腔外气压，更有利工质的蒸发)后注入一定体积的传热工质(液体相变工质)。

优选的，所述抽真空通过除气塞完成，使用时将除气塞通过旋转置入进液孔，通过除气塞对空腔抽真空并注入传热工质。

优选的，抽真空前，将除气塞不完全压入(例如，利用螺纹旋入)空心转子上的进液孔，保持进液孔通道畅通，使用真空泵经所述进液孔抽出空心转子对应空间(所述空腔外)内的气体(例如，空气)，达到需要的真空度时关闭真空泵，注入已定量的传热工质(液体)；随后将除气塞压入至进液孔底端，直至除气塞压紧位于进液孔底部的密封垫的端面，使所述进液孔封闭；最后去除连接在除气塞上的外部管路(例如，真空泵等)，空心转子的抽真空及传热工质的注入完成。

优选的，采样装置在使用前需进行流量标定，该采样装置的流量包括采样量(采样气体流量)及低温冷却介质流量；通过改变空心转子的旋转速度(转速)，可以改变采样量，理论上来说，空心转子的转速与采样速率成正比，但由于采样装置内缝隙(例如，基于罗茨泵的转子和定子配合关系)的存在，不同的转速及气体压力会使缝隙的泄漏量有所不同，因此需要对不同转速及气体压力下采样装置的采样量进行标定。同时，还需要对不同采样流量、温度的气体，在不同转速下对采样装置的体积造成的变化(一般指受热膨胀)进行测试，从而标定所需低温冷却介质的流量。

优选的，依据标定得到转速-压力-流量表格，控制转子转速，从而控制采样量；此外还可以根据温度-气体流量-冷却介质流量表格，控制低温冷却介质流量。

优选的，每次采样前及采样后可通入去除颗粒的纯净干燥气体，对采样装置的内部壁面进行吹扫清洁。

本发明的有益效果体现在：

本发明的采样装置以可输送流体的旋转机械(例如，罗茨泵)为本体，通过采用空心转子，并利用空心转子内的工质的相变与低温冷却介质进行热交换，从而避免所采集的气溶胶与低温冷却介质接触，达到在隔离气溶胶样气的前提下对转子高效降温的效果，使转子不会因高温膨胀与定子或其他转子产生卡咬，从而保证采样装置能稳定采集高温、高湿度气溶胶。本发明的采样装置结构简单紧凑，采样精度高。

进一步的，本发明可依据标定结果表格，灵活控制采样量，精确控制低温冷却介质流量，在保证转子温度不升高的同时，也可避免因通入过多的冷却介质，造成转子温度过低，使转子表面附近的样气凝结的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中采样装置的结构示意图；

图2为图1所示采样装置的工作状态示意图；

图3为旋转体的结构示意图，其中：(a)为外观，(b)为剖视图；

图4为除气塞的结构示意图，其中：(a)为抽真空及进液(相变材料)状态，(b)为密封后状态；

图中：1.进样口，2.定子，3.旋转体，4.出样口，5.旋转轴腔，6.定子腔，7.旋转体腔，8.进液孔，9.温度压力传感器，10.旋转轴，11.第一密封垫圈，12.分离压环，13.三通阀，14.进液除气管，15.真空除气塞，16.第二密封垫圈，17.转子外表面，18.反丝，19.第一正丝，20.第二正丝，21.转子内表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

参见图1、图2及图3，本发明以双转子罗茨泵为基础设计高温高湿度气溶胶采样装置，该采样装置包括旋转体3、定子2及旋转轴10三部分，三部分材料均为铝合金。

所述定子2即罗茨泵的泵壳，该定子2内部布置有两个具有渐开线型线的旋转体3，旋转体3(即转子)内部为空心，旋转轴10沿旋转体3中心贯穿旋转体3，并固定在旋转体3两侧非配合面上，旋转轴10内沿轴向开设有截面为圆形的空腔(即旋转轴腔5)，旋转体3内部位于旋转轴腔5两侧的空间形成对称分布的两个相互独立的旋转体腔7；每个旋转体腔7的壁面(具***于非配合面)上开设有一个进液孔8(在采样装置中共有4个，兼做除气孔)，转子内部空腔(即旋转轴腔5两侧的旋转体腔7)注入有液体相变材料(传热工质)。

所述定子2上开设有用于连通定子2内部与外部采样管路的进样口1和出样口4，在进样口1处的采样管路壁面上安装有温度压力传感器9。定子2和转子间及两个转子间留有配合运动的缝隙，缝隙的尺寸A和B应尽可能小(例如，0.1～0.2mm)，以保证采样装置内的相对良好的密封。

两个旋转体3上的旋转轴10，可在外置电机驱动下，带动两个旋转体3同步转动(转动方向是相同的)，使两个旋转体3沿型线所在表面(配合端面)及定子腔2内壁周期性的运动，即两个旋转体3同步转动时始终会保持端面接近，从而保持定子2内始终具有几个相对密封的腔体(即定子腔6)，且随着旋转体3转动，这几个相对密封的腔体随之移动，从而可以将气体从进样口1输送至出样口4，完成定量采样。由于所述旋转轴10内部为空心，采样装置运行时(特别是采集高温高湿度气溶胶时)，可使低温冷却介质(例如，水或空气)流过旋转轴10内部(即旋转轴腔5)，并通过旋转体腔7内传热工质的相变与经旋转轴10流过转子中心的低温冷却介质进行热交换，从而避免定子腔6内的气溶胶与低温冷却介质接触，达到在隔离气溶胶样气的前提下对旋转体3高效降温冷却的效果。

所述采样装置在装配前，需要利用如图4所示的真空除气塞15(安装在进液孔8内)对旋转体腔7内进行抽真空及注液(填充传热工质)操作。所述进液孔8为三段阶梯式通孔，靠近转子外表面17(旋转体3非配合面外壁)一侧的两段(扩展段和螺纹段)孔径较大，便于真空除气塞15的安装和嵌入，靠近转子内表面21(旋转体3非配合面内壁)一侧的一段(收缩段)孔径较小，便于控制进液孔8开闭。真空除气塞15的主体为一个筒体，筒体的封闭端面上开设有多个轴向导流孔，方便液体的流入和气体的流出，封闭端面上由所述多个轴向导流孔环绕的部分与进液孔8收缩段相对(形成封头)，从而可以利用该封闭端面及位于收缩段与螺纹段接合处的第二密封垫圈16封闭进液孔8(具体指其收缩段)。筒体的侧壁加工有外螺纹(第二正丝20)，可以与进液孔8螺纹段配合，从而可以控制筒体的封闭端面压紧(封闭进液孔8收缩段远离旋转体腔一端的开口)或与第二密封垫圈16分离(打开进液孔8收缩段远离旋转体腔一端的开口)。筒体的开口端面加工有接头管件，接头管件具有内螺纹(反丝18)和外螺纹(第一正丝19)，接头管件内径略小于筒体，接头管件通过底部环形支撑体固定在筒体开口上，接头管件在筒体的封闭端面压紧第二密封垫圈16时，可嵌入至孔径最大的进液孔8的扩展段内，且接头管件顶部位于转子外表面17以下。

所述抽真空及注液操作的具体步骤如下：

(1)在真空除气塞15上部(接头管件第一正丝19)旋入进液除气管14下端，在进液除气管14外侧套上分离压环12(可通过接头管件底部环形支撑体定位)，在进液除气管14上端安装三通阀13，旋紧，保证进液除气管14与第一密封垫圈11(位于环形支撑体与进液除气管之间)接触紧密不漏气。

(2)将连接好三通阀13的真空除气塞15旋入进液孔8内，保证真空除气塞15底部(封闭端面)与第二密封垫圈16有一定间隙，使除气及进液通畅，由于运行环境温度较高，第二密封垫圈16材质为聚四氟乙烯，参见图4a。

(3)将三通阀13一端(抽气端)连接真空泵，一端(进液端)连接装有传热工质(液体)的注射器，注射器内的液体体积需提前量定，一般控制填充量为任意旋转体腔7体积的55～65％，采样装置可采集温度、湿度较高的气体，根据不同的样气温度，选择对应的传热工质，例如，样气温度超过200℃时，可选用液态的萘作为传热工质并注入旋转体腔7。准备完毕后，打开抽气端，利用真空泵抽真空至旋转体腔7内气压降至5～10×10^-2Pa后关闭抽气端，打开进液端，此时注射器中的传热工质在内外压差下自动注入旋转体腔7内。注射完毕后，迅速关闭进液端，并将真空除气塞15下旋至底部与第二密封垫圈16紧密接触，保证不漏气。

(4)下压分离压环12，以保证真空除气塞15不能转动，同时上旋进液除气管14，直至将进液除气管14及其所连接的真空泵去除，然后去除分离压环12。参见图4b，此时真空除气塞15完全旋入进液孔8内，使得真空除气塞15不会突出旋转体3壁面，避免造成对转子旋转及定子腔6内气体流动的干涉，保证样气状态的稳定。

(5)若后期需要重新抽真空或更换工质，需将一反丝螺母旋入真空除气塞15开口处(具体通过接头管件内反丝18)，继续旋动，即可将真空除气塞15旋出。

在参照图1将所述采样装置装配完毕后，即可利用外部采样管路将采样装置接入待采样的燃烧器排气通路上。参见图2，使用采样装置时，由于重力作用，会使旋转体腔7壁面上的液膜厚度分布不均匀(靠近地面位置较厚，远离地面位置较薄)，因此采样装置必须垂直于地面放置(旋转轴中心与地面平行)，且进样口1远离地面，出样口4接近地面，不可将进样口1和出样口4上下倒置或平放(平放时旋转轴中心与地面垂直)。当装置的放置方向(参照图2中的进样口1和出样口4的位置)固定，则旋转轴10的旋转方向也是固定的(图2中转子都是逆时针)。

如图2所示，以对高温、高湿度气溶胶进行采样为例，所述采样装置的工作流程为：根据罗茨泵原理，两个旋转体3被各自的旋转轴10同步驱动，会在定子内形成移动的空腔(定子腔6)，带动从进样口1进入的样气(作为高温、高湿度气溶胶样气)定量移至出样口4。在转子旋转过程中，旋转体腔7中的液体萘会因为离心力甩至远离旋转轴腔5的壁面上，形成较均匀的液膜，由于样气导致该壁面温度很容易迅速升高(即所述壁面可称为热端壁面)，而液体萘则通过沸腾蒸发迅速吸收所述壁面热量，并形成气体萘布满旋转体腔7内，由于旋转轴腔5内可持续流动低温介质，导致旋转轴腔5壁面附近温度较低，接近此处的气体萘会凝结成液体并放热，并在旋转体3旋转的作用下(离心力)流至热端壁面，形成换热循环。如此反复，会使旋转体腔7的壁面温度不会过高，从而保持旋转体3之间及旋转体3与定子2之间缝隙的稳定，因而可以保持较高的采样精度。

热力学实验结果表明，上述采样装置可以针对温度为150～400℃、绝对湿度为10～16g/m³的气溶胶进行稳定的采样(冷却介质温度0～5℃)，而且采样装置进、出样口气体温差小，对进样口压力变化适应性强，因此，可对于汽车内燃机、热电厂机组、锅炉的高温、高湿度排气进行高精度的定量采样。

需要说明的是，样气的流量(即采样量)及热力状态变化会造成采样装置金属部件的体积变化，从而造成转子与转子间和转子与定子间的缝隙的变化。因此采样装置在使用前需要进行流量标定，流量标定包括采样量的测量标定及旋转轴腔内冷却介质流量的控制标定。采样量的测量和冷却介质流量的控制是相关联的，具体关系如下：在空心的旋转轴10中流过的低温冷却介质在换热过程中，低温冷却介质的流量的控制主要考虑高温样气的流量及温度；其中高温样气流量受旋转轴10转速及进入定子的样气的压力影响较大(这两个因素，即转速和压力，影响缝隙泄漏)，因此对冷却介质流量控制时需要考虑三个可测得的数据，即旋转轴转速(即转子转速)、样气压力和样气温度(样气压力及温度可通过上述温度压力传感器9于进样口1采集)；其中，旋转轴转速、样气压力可以合并成一个次级表格，用于查询或计算(例如插值法)样气的流量，这样也同时解决了采样量的控制问题(即可以在给定采样量下用于设定旋转轴转速)。

因此，在采样装置使用前，需要使用不同温度、不同压力的气体通入采样装置的进样口，并在不同工况(还包括旋转轴转速)下，对采样装置的采样量、冷却介质温度、流量进行标定，填补表格。通过流量标定，冷却介质流量控制通过使用一个嵌套有次级表格的可用于查询或插值计算的表格实现，从而保证采样精度和装置正常运行。

还需要说明的是，所述采样装置每次使用前及使用后都可以通入不含颗粒的纯净干燥气体(例如，干燥高纯氮气，气体发生器或者空气过滤后的干燥、洁净的气体)对采样装置内部与气体接触的壁面进行吹扫清洁，以去除这些壁面上可能粘附的颗粒、液滴等，防止采样装置的内部腐蚀，减少残留污染物对后续采样造成不良影响。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

(1)本发明的高温、高湿度气溶胶采样装置结构简单紧凑，方便清理及拆卸维修，同时便携及在狭窄的位置安装使用(例如，车载)；

(2)本发明所述采样装置具有自降温功能，有效降低转子温度，能保证旋转构件在高温环境中正常运行，适合高温气体的采集工作；

(3)本发明所述采样装置的自降温冷却介质完全与样气分隔，不会影响样气成分；

(4)本发明所述采样装置利用设计的除气塞及抽真空和注液方法，可以根据环境条件的变化，通过更换旋转体腔内的相变工质、改变旋转体腔内的真空度等操作，从而更好的满足不同工况下的高温气体的采集工作；

(5)本发明所述采样装置通过使用温度压力传感器及前期标定，可以提高采样精度，减少冷却介质输送及降温能耗，使采样装置能在不同工况下高精度且稳定的运转，采样更灵活(通过调整旋转轴速度可以实现高温气体不同流量要求的采样)。

Claims (10)

1.一种旋转式气溶胶定量采样装置，其特征在于：该采样装置包括空心定子(2)、设置在空心定子(2)上的进样口(1)和出样口(4)，以及设置在空心定子(2)内的若干个用于将气溶胶由进样口(1)经空心定子(2)内剩余空间移动至出样口(4)的空心转子；所述空心转子内设置有空腔及位于该空腔外的可发生相变的传热工质，所述空腔内设置有冷却介质，传热工质的吸热界面为空心转子与所述气溶胶相接触的部分或全部壁面，传热工质的放热界面为所述空腔的壁面。

2.根据权利要求1所述一种旋转式气溶胶定量采样装置，其特征在于：所述空心转子上设置有进液孔(8)，进液孔(8)内设置有用于控制所述传热工质注入与排出的除气塞。

3.根据权利要求2所述一种旋转式气溶胶定量采样装置，其特征在于：所述除气塞包括升降筒体、与升降筒体的开口相连的连接管件以及设置在升降筒体的封闭端面上的导流孔和封闭头，导流孔和封闭头与位于进液孔(8)内的台阶面相配合。

4.根据权利要求1所述一种旋转式气溶胶定量采样装置，其特征在于：所述空心转子上设置有贯穿该空心转子中心的空心旋转轴(10)，所述冷却介质于该空心旋转轴(10)内部进行流动，所述传热工质设置在空心旋转轴(10)的外壁面与空心转子的内壁面之间。

5.根据权利要求1所述一种旋转式气溶胶定量采样装置，其特征在于：所述空心转子为两个，各空心转子通过采用双转子罗茨泵的转子型线于同步旋转中进行相互配合并分别与空心定子(2)的内壁进行配合。

6.根据权利要求1所述一种旋转式气溶胶定量采样装置，其特征在于：所述采样装置还包括用于检测进样口(1)处气体温度和/或压力的传感器。

7.一种如权利要求1所述的旋转式气溶胶定量采样装置的气溶胶定量采样方法，其特征在于：包括以下步骤：

将进样口(1)连接至某燃烧器的排气通路；使设置在空心定子(2)内的空心转子转动，从而将排气通路中的一定体积的气溶胶由进样口(1)经空心定子(2)内剩余空间移动至出样口(4)，从而实现对排气通路的采样；采样中，利用所述传热工质于对应界面进行相变吸热和相变放热，同时，根据采集自进样口(1)处的气体压力，调节空心转子的转速，以使采样量在采样过程中保持一定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述空心转子为两个，两个空心转子各由一个空心旋转轴(10)驱动，且两个空心转子通过采用双转子罗茨泵的转子型线进行同步旋转，所述冷却介质通过空心旋转轴(10)流过对应空心转子的中心。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：采样前将除气塞置入空心转子上的进液孔(8)，通过除气塞对空心转子内进行抽真空后将一定体积的所述传热工质通过除气塞注入空心转子。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：依据预先标定得到的空心转子转速-进样口压力-进样口流量表格，控制空心转子转速，从而控制采样过程的气体流量；根据依据预先标定得到的进样口温度-气体流量-冷却介质流量表格，控制冷却介质流量。

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