ES2963026A1 - Chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios Chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows
Campo técnico de la invenciónTechnical field of the invention
La presente invención corresponde al campo técnico del medio ambiente y la contaminación atmosférica, en concreto al estudio y caracterización de las inmisiones y emisiones de las partículas de aerosoles, y más en concreto al ámbito de los sistemas y dispositivos que permiten el muestreo de partículas antes de que pueda realizarse su caracterización físicoquímica. The present invention corresponds to the technical field of the environment and atmospheric pollution, specifically to the study and characterization of the immissions and emissions of aerosol particles, and more specifically to the field of systems and devices that allow the sampling of particles before so that its physicochemical characterization can be carried out.
Antecedentes de la InvenciónBackground of the Invention
En la actualidad, la metodología de caracterización in situ de partículas de aerosol se realiza, en términos generales, mediante la aplicación de sistemas de muestreo y medida de partículas, basados en la disposición acoplada de varios equipos e instrumentos de medida o de captación cuya utilización simultánea permite obtener una caracterización integral del aerosol, que implica todas las propiedades fisicoquímicas que pueden determinar su comportamiento y efectos medioambientales. Currently, the methodology for in situ characterization of aerosol particles is carried out, in general terms, through the application of particle sampling and measurement systems, based on the coupled arrangement of various measuring or collection equipment and instruments whose use Simultaneous analysis allows obtaining a comprehensive characterization of the aerosol, which involves all the physicochemical properties that can determine its behavior and environmental effects.
El proceso utilizado normalmente consiste en dividir la muestra principal de flujo confinado (línea de muestreo) mediante una serie de elementos divisores de flujo (splitters y manifolds), que son acoplados a la línea de muestreo principal de forma que se pueden obtener las muestras secundarias, entendidas como fracciones de la muestra principal o submuestras, que se precisen para abastecer a los equipos de medida que se encuentren conectados. La división de la muestra con esos divisores de flujo no altera las características de la fase gaseosa del mismo, pero sí puede afectar de manera muy negativa a la fase particulada del aerosol, cambiando las características originales, especialmente en las situaciones en las que los caudales de operación de los equipos de medida son muy distintos. The process normally used consists of dividing the main confined flow sample (sampling line) through a series of flow dividing elements (splitters and manifolds), which are coupled to the main sampling line so that secondary samples can be obtained. , understood as fractions of the main sample or subsamples, which are required to supply the connected measuring equipment. The division of the sample with these flow dividers does not alter the characteristics of the gas phase of the same, but it can very negatively affect the particulate phase of the aerosol, changing the original characteristics, especially in situations in which the flow rates of operation of the measuring equipment are very different.
Para paliar esta situación se suelen utilizar las cámaras de muestreo o submuestreo que disponen de una entrada y una o varias salidas. To alleviate this situation, sampling or subsampling chambers that have one input and one or more outputs are usually used.
Las cámaras de muestreo en continuo, tanto si disponen de una única toma de muestra como de varias, pueden requerir de sistemas de succión aguas abajo de dichas tomas. En estos casos, el caudal de entrada no se corresponde con la suma de los flujos submuestreados, sino que es superior a estos, siendo el caudal de exceso evacuado por el sistema de extracción general. Continuous sampling chambers, whether they have a single sample outlet or several, may require suction systems downstream of said outlets. In these cases, the inlet flow does not correspond to the sum of the subsampled flows, but is higher than these, with the excess flow being evacuated by the general extraction system.
El problema que presentan estas cámaras es que en el caso en el que existen varias salidas no existe capacidad para controlar de manera eficaz la influencia ejercida por unas tomas sobre otras, cuestión determinante para evitar alterar las características del aerosol muestreado a través de cada salida, pues los flujos de cada submuestra individual suelen provocar interacciones y perturbaciones entre sí, e incluso con el flujo principal que atraviesa la cámara, repercutiendo sobre la calidad y representatividad del muestreo de aerosol. The problem that these cameras present is that in the case in which there are several outlets, there is no capacity to effectively control the influence exerted by some outlets on others, a determining issue to avoid altering the characteristics of the aerosol sampled through each outlet. since the flows of each individual subsample tend to cause interactions and disturbances with each other, and even with the main flow that passes through the chamber, impacting the quality and representativeness of the aerosol sampling.
Como ejemplo del estado de la técnica pueden mencionarse los documentos de referencia CN110186723, CN204214685 y CN109632398. As an example of the state of the art, reference documents CN110186723, CN204214685 and CN109632398 can be mentioned.
El documento CN110186723, define un dispositivo para introducir muestras de partículas finas procedentes del aire del ambiente en altura recogido en vuelo por aeronaves que distribuye la muestra entre varios instrumentos de análisis físico/químico de partículas a través de tubos de silicona conductora, para partículas por debajo de 2,5 ^m. Dispone de una pieza de muestreo de acero inoxidable doblada con una boquilla de entrada de aire en un lado de la pieza, siendo la dimensión de la entrada menor que la del lado de salida, de manera que se puede reducir la velocidad de flujo del gas. Document CN110186723 defines a device for introducing samples of fine particles from ambient air at altitude collected in flight by aircraft that distributes the sample between several physical/chemical particle analysis instruments through conductive silicone tubes, for particles by below 2.5 ^m. It has a bent stainless steel sampling piece with an air inlet nozzle on one side of the piece, the dimension of the inlet being smaller than that of the outlet side, so that the gas flow rate can be reduced. .
Una pluralidad de salidas está dispuesta en la parte posterior del cabezal de corte, con dichas salidas conectadas con diferentes instrumentos de análisis de partículas finas a través de tubos de silicona conductora. A plurality of outlets are arranged at the rear of the cutting head, with said outlets connected to different fine particle analysis instruments through conductive silicone tubes.
En este caso es necesario un ajuste preciso de caudal para cada instrumento a través de un caudalímetro. In this case, a precise flow adjustment is necessary for each instrument through a flow meter.
Además, en este dispositivo la muestra se distribuye a los equipos a través de conexiones perpendiculares y ajustando el caudal antes de la medida con instrumentos, lo que implica mucha pérdida de partículas por impactación en los ángulos de 90° que forma las conexiones perpendiculares y partículas que quedan en el interior del caudalímetro. Furthermore, in this device the sample is distributed to the equipment through perpendicular connections and adjusting the flow rate before measuring with instruments, which implies a lot of loss of particles due to impact at the 90° angles formed by the perpendicular connections and particles. that remain inside the flowmeter.
El documento de referencia CN204214685 se refiere a un sistema de muestreo de partículas de polvo suspendidas por el tráfico rodado, que comprende un tubo de muestreo, un tubo mezclador, una primera bomba de vacío, un cabezal de corte, un soporte de membrana, un rotámetro, una válvula de mariposa, una segunda bomba de vacío y una pluralidad de tubos de muestreo. Reference document CN204214685 refers to a system for sampling dust particles suspended by road traffic, comprising a sampling tube, a mixing tube, a first vacuum pump, a cutting head, a membrane support, a rotameter, a butterfly valve, a second vacuum pump and a plurality of sampling tubes.
Está orientado al muestreo de material particulado generado por vehículos que circulan por carretera, siendo el polvo que se levanta normalmente partículas finas (PM2,5) y gruesas (PM10). It is aimed at sampling particulate matter generated by vehicles traveling on the road, the dust that is normally raised being fine particles (PM2.5) and coarse particles (PM10).
Un extremo del tubo de mezcla está en comunicación con el tubo de introducción de muestra, y el otro extremo está en comunicación con un puerto de succión de aire de la primera bomba de vacío. El tubo de mezcla está provisto de una pluralidad de aberturas, y la pluralidad de tubos de muestreo se insertan respectivamente desde la abertura dentro del tubo de mezcla para lograr la comunicación con el mismo. One end of the mixing tube is in communication with the sample introduction tube, and the other end is in communication with an air suction port of the first vacuum pump. The mixing tube is provided with a plurality of openings, and the plurality of sampling tubes are respectively inserted from the opening into the mixing tube to achieve communication therewith.
Cada uno de los tubos de muestreo dispone de un cabezal de corte, un soporte de película, un rotámetro, bombas de vacío, membrana, dispositivo de corte para eliminar partículas por encima de un diámetro y una válvula de mariposa, dispuestos secuencialmente a lo largo de una dirección de flujo del gas en el tubo de muestreo. También puede comprender un caudalímetro en cada tubo de muestreo y un controlador. El problema es que todos estos elementos incorporan muchas pérdidas de material particulado. Each of the sampling tubes has a cutting head, a film holder, a rotameter, vacuum pumps, membrane, cutting device to remove particles above a diameter and a butterfly valve, arranged sequentially along of a gas flow direction in the sampling tube. It may also comprise a flow meter in each sampling tube and a controller. The problem is that all these elements incorporate many losses of particulate matter.
Además, no resulta adecuado para las emisiones directas e inmisiones producidas por un motor de combustión interna y menos por una turbina de una aeronave. Furthermore, it is not suitable for the direct emissions and immissions produced by an internal combustion engine, much less by an aircraft turbine.
En el caso del documento CN109632398 se describe un sistema de muestreo atmosférico con un cabezal de muestreo de velocidad constante PM2,5 ensamblado en múltiples etapas de flujo. El cabezal comprende una pluralidad de tuberías principales, que se pueden conectar de forma desmontable con las tuberías principales adyacentes, cada sección de la tubería principal está provista de un puerto de desviación que se utiliza para conectarse externamente con un instrumento de monitoreo. In the case of document CN109632398, an atmospheric sampling system is described with a constant velocity PM2.5 sampling head assembled in multiple flow stages. The header comprises a plurality of main pipes, which can be detachably connected with adjacent main pipes, each section of the main pipe is provided with a bypass port which is used to connect externally with a monitoring instrument.
En este caso, los tubos guía de las sondas son perpendiculares a la cámara de muestreo lo que produce muchas pérdidas de partículas por impactación y los caudales de salida dependen de las especificaciones de los cabezales de muestreo, siendo a flujo constante. In this case, the guide tubes of the probes are perpendicular to the sampling chamber, which produces many losses of particles due to impaction, and the output flow rates depend on the specifications of the sampling heads, being a constant flow.
Este sistema realiza un muestreo coaxial de velocidad constante que según se indica puede reducir al máximo la pérdida de muestras de aerosoles en dicho muestreo, no obstante, pueden existir pérdidas de partículas de valores significativos. This system carries out coaxial sampling at a constant speed which, as indicated, can reduce the loss of aerosol samples to a minimum in said sampling; however, there may be particle losses of significant values.
Resulta un sistema adecuado para instrumentos de diferentes caudales, pero no se indica para el caso en el que los equipos presenten distinto grado de succión o presión de vacío para captar la muestra. It is a suitable system for instruments with different flow rates, but it is not indicated for the case in which the equipment has a different degree of suction or vacuum pressure to capture the sample.
Por tanto, existen dos tipos de sistemas de división de una muestra de aerosoles, cada uno con sus ventajas e inconvenientes, pero ninguno de los prototipos evita las pérdidas o transformaciones de la muestra, por lo que se precisa encontrar un dispositivo que incorpore las características de ambos sistemas y permita la división de la muestra de partículas de aerosol en submuestras de una manera continua y simultánea y su redirección a diferentes equipos de muestreo y medida, evitando los cambios en la muestra original debidos a las perturbaciones de flujos y deposiciones en las tomas, durante el proceso de división de la muestra, hacia los distintos instrumentos de medida. Therefore, there are two types of aerosol sample division systems, each with its advantages and disadvantages, but none of the prototypes prevents losses or transformations of the sample, so it is necessary to find a device that incorporates the characteristics of both systems and allows the division of the aerosol particle sample into subsamples in a continuous and simultaneous manner and its redirection to different sampling and measurement equipment, avoiding changes in the original sample due to disturbances of flows and depositions in the shots, during the process of dividing the sample, towards the different measuring instruments.
Además, este dispositivo debe permitir el muestreo de aerosoles con tamaños de partícula muy reducidos, incluidos tamaños de partículas ultrafinas. Por ello, las pérdidas por difusión y/o aglomeración para tamaños de partícula submicrométricos, deben ser evitadas igual que las influencias generadas por cada una de las tomas sobre las siguientes situadas aguas abajo. Additionally, this device should allow sampling of aerosols with very small particle sizes, including ultrafine particle sizes. Therefore, losses due to diffusion and/or agglomeration for submicron particle sizes must be avoided, as well as the influences generated by each of the intakes on the following ones located downstream.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
La cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, que aquí se presenta, está indicado para medición de varias submuestras a partir de una muestra inicial continua en líneas de transferencia de muestra que alimentan distintos equipos de medida de aerosoles con condiciones de operación (caudal y presión) diferentes. The chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, presented here, is indicated for measuring several subsamples from a continuous initial sample in sample transfer lines that feed different aerosol measurement equipment with different operating conditions (flow and pressure).
Esta cámara permite la obtención simultánea de varias submuestras de una muestra original y su envío a diferentes equipos de captación y medida. La muestra original proviene tanto de flujos canalizados (conductos, chimeneas, etc.) como no canalizados (aire ambiente) y las submuestras constituyen fracciones de la original. This camera allows the simultaneous obtaining of several subsamples of an original sample and their sending to different collection and measurement equipment. The original sample comes from both channeled (ducts, chimneys, etc.) and non-channeled (ambient air) flows and the subsamples constitute fractions of the original.
Esta cámara comprende un cuerpo que presenta una abertura de entrada en un extremo, una abertura de salida en un extremo opuesto y un espacio intermedio con la geometría apropiada para permitir el flujo del aerosol y las adecuadas subdivisiones de la muestra. This chamber comprises a body having an inlet opening at one end, an outlet opening at an opposite end and an intermediate space with the appropriate geometry to allow the flow of the aerosol and suitable subdivisions of the sample.
Este cuerpo comprende, además, una zona de entrada desde la abertura de entrada hasta una primera sección, que presenta una sección interior troncocónica con diámetro creciente que facilita la distribución homogénea hacia dicha primera sección. This body also comprises an entrance area from the entrance opening to a first section, which has a truncated conical interior section with increasing diameter that facilitates homogeneous distribution towards said first section.
Presenta a su vez, una zona de laminarización, desde dicha primera sección hasta una segunda sección. Esta zona de laminarización tiene una sección interior cilíndrica cuya longitud es mayor o igual que la longitud mínima susceptible de permitir un perfil laminar completamente desarrollado del flujo en dicha zona. In turn, it presents a laminarization zone, from said first section to a second section. This laminarization zone has a cylindrical interior section whose length is greater than or equal to the minimum length capable of allowing a fully developed laminar profile of the flow in said zone.
A continuación, comprende una zona de submuestreo desde la segunda sección hasta la abertura de salida. Esta zona de submuestreo presenta una primera parte con una sección interior cilíndrica desde la segunda sección hasta una tercera sección y una segunda parte con una sección interior troncocónica de diámetro decreciente desde dicha tercera sección hasta la abertura de salida. It then comprises a subsampling area from the second section to the exit opening. This subsampling area has a first part with a cylindrical interior section from the second section to a third section and a second part with a truncated conical interior section of decreasing diameter from said third section to the exit opening.
La zona de submuestreo cuenta con dos o más secciones de submuestreo, que a su vez comprenden dos o más tomas situadas de forma equidistante alrededor del eje, donde las tomas de una misma sección de submuestreo presentan un mismo caudal de salida. The subsampling area has two or more subsampling sections, which in turn comprise two or more intakes located equidistant around the axis, where the intakes of the same subsampling section have the same output flow.
Por otra parte, las tomas de una sección de submuestreo están dispuestas al tresbolillo respecto a una sección de submuestreo situada aguas arriba. Además, las secciones de submuestreo están separadas una distancia mayor o igual que la separación mínima susceptible de producir una perturbación nula en la sección de submuestreo de aguas abajo. On the other hand, the taps of a subsampling section are arranged staggered with respect to a subsampling section located upstream. Furthermore, the subsampling sections are separated by a distance greater than or equal to the minimum separation capable of producing zero disturbance in the downstream subsampling section.
Cada toma comprende un orificio de acceso susceptible de permitir el paso de una sonda que presenta una boquilla de muestreo susceptible de penetrar una longitud determinada en el interior de la cámara tal que permite salvar la capa límite del flujo. Each intake comprises an access hole capable of allowing the passage of a probe that has a sampling nozzle capable of penetrating a certain length into the interior of the chamber such that it allows the flow boundary layer to be bridged.
Dicho orificio de acceso presenta un ángulo de inclinación respecto al eje de la cámara. Said access hole has an angle of inclination with respect to the axis of the camera.
Con la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios que aquí se propone se obtiene una mejora significativa del estado de la técnica. With the camera for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows proposed here, a significant improvement on the state of the art is obtained.
Esto es así pues se consigue un diseño para una cámara de submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles basado en la unión de piezas de distinta sección, troncocónica y cilíndrica, que configuran una sección interior en la que, aunque se produce una variación de la velocidad media del flujo en su interior, se logra mantener el perfil de velocidad, permitiendo de este modo un muestreo cuasi-isocinético, a diferentes velocidades. Esto permite que la utilización de distintos equipos de medida de aerosoles, operando a diferentes caudales de trabajo, resulte viable para este diseño de cámara. This is because a design is achieved for a continuous and simultaneous aerosol subsampling chamber based on the union of pieces of different sections, frustoconical and cylindrical, which configure an interior section in which, although a variation in the average speed occurs of the flow inside, it is possible to maintain the velocity profile, thus allowing quasi-isokinetic sampling, at different velocities. This allows the use of different aerosol measurement equipment, operating at different working flow rates, to be viable for this chamber design.
Las dimensiones de la cámara y la ubicación de las secciones de submuestreo resultan adecuadas para conseguir las condiciones de flujo laminar completamente desarrollado, previo al muestreo. The dimensions of the chamber and the location of the subsampling sections are adequate to achieve fully developed laminar flow conditions prior to sampling.
Además, las distintas secciones de submuestreo se definen según los caudales de operación de los instrumentos de medida que se van a utilizar lo que permite minimizar la longitud de la cámara. Furthermore, the different subsampling sections are defined according to the operating flow rates of the measuring instruments to be used, which allows the length of the chamber to be minimized.
Estas secciones de submuestreo están situadas a una distancia suficiente para evitar perturbaciones en los puntos de muestreo aguas abajo y el efecto entre tomas adyacentes es prácticamente nulo. These subsampling sections are located at a sufficient distance to avoid disturbances in the downstream sampling points and the effect between adjacent shots is practically nil.
Por otra parte, la configuración diseñada de las tomas de submuestreo evita el muestreo en la capa limite, y el ángulo de inclinación respecto al eje de la cámara que presentan estas sondas permite realizar un muestreo próximo al muestreo isoaxial y, con la adecuada configuración de las sondas que se empleen en el muestreo se logra que éste se lleve a cabo de manera cuasi-isocinética. El perfil de las sondas que se introduce en el interior de la cámara, cuando están en la adecuada posición, minimiza las perturbaciones del flujo que sigue aguas abajo hacia la salida de la cámara. On the other hand, the designed configuration of the subsampling shots avoids sampling in the boundary layer, and the angle of inclination with respect to the axis of the camera that these probes present allows sampling close to isoaxial sampling and, with the appropriate configuration of The probes used in sampling ensure that it is carried out in a quasi-isokinetic manner. The profile of the probes that are introduced inside the chamber, when they are in the appropriate position, minimizes disturbances to the flow that continues downstream towards the chamber outlet.
Esta cámara es versátil y puede presentar diferentes configuraciones en función de los equipos de medida que se pretenda conectar a la misma y resulta muy eficaz pues logra integrar las funciones de una cámara clásica de muestreo de aerosoles y de los divisores de flujo o splitter. This camera is versatile and can present different configurations depending on the measuring equipment that is intended to be connected to it and is very effective as it manages to integrate the functions of a classic aerosol sampling camera and flow dividers or splitters.
La cámara es versátil y está diseñada para ser situada preferiblemente en algún punto de la línea de muestreo, después de la sonda de muestreo y antes de los equipos de medida de la muestra. Está pensada para dividir la muestra principal de flujo de aerosoles que entra de manera continua, en diferentes submuestras secundarias (fracciones de la muestra principal), haciéndolo de manera simultánea y continua a través de sondas con una geometría apropiada. Las submuestras en cada instante mantienen las mismas características físico-químicas que la muestra original, siendo plenamente representativas de ella. The camera is versatile and is designed to be preferably placed somewhere along the sampling line, after the sampling probe and before the sample measurement equipment. It is designed to divide the main sample of aerosol flow that enters continuously, into different secondary subsamples (fractions of the main sample), doing so simultaneously and continuously through probes with an appropriate geometry. The subsamples at each moment maintain the same physical-chemical characteristics as the original sample, being fully representative of it.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: In order to help a better understanding of the characteristics of the invention, in accordance with a preferred example of its practical implementation, a series of drawings are provided as an integral part of said description where, with an illustrative and non-limiting nature, it has been represented the following:
La Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para una realización preferida de la invención. Figure 1.- Shows a perspective view of the camera for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for a preferred embodiment of the invention.
La Figura 2.- Muestra una vista en sección de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para una realización preferida de la invención. Figure 2.- Shows a sectional view of the chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for a preferred embodiment of the invention.
La Figura 3.- Muestra el despiece de una toma de muestras de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para una realización preferida de la invención. Figure 3.- Shows the exploded view of a sampling chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for a preferred embodiment of the invention.
La Figura 4.- Muestra una vista en sección de la primera pieza de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para una realización preferida de la invención. Figure 4.- Shows a section view of the first piece of the chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for a preferred embodiment of the invention.
La Figura 5.- Muestra una vista en sección de la segunda pieza de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para una realización preferida de la invención. Figure 5.- Shows a sectional view of the second piece of the chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for a preferred embodiment of the invention.
La Figura 6.- Muestra una vista en sección de la tercera pieza de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para una realización preferida de la invención. Figure 6.- Shows a section view of the third piece of the chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for a preferred embodiment of the invention.
Las Figuras 7.1 y 7.2.- Muestran sendas vistas en sección según planos de corte perpendiculares, de la cuarta pieza de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para una realización preferida de la invención. Figures 7.1 and 7.2.- Show sectional views according to perpendicular cutting planes, of the fourth piece of the chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for a preferred embodiment of the invention.
La Figura 8.- Muestra un diagrama del banco de ensayo utilizado para el análisis de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, en una primera configuración. Figure 8.- Shows a diagram of the test bench used for the analysis of the camera for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, in a first configuration.
La Figura 9.- Muestra un diagrama del banco de ensayo utilizado para el análisis de la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, en una segunda configuración. Figure 9.- Shows a diagram of the test bench used for the analysis of the camera for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, in a second configuration.
Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invenciónDetailed description of a preferred embodiment of the invention
A la vista de las figuras aportadas, puede observarse cómo en un modo de realización preferente de la invención, la cámara para submuestreo continuo y simultáneo de aerosoles desde flujos confinados estacionarios o transitorios, para medición de varias submuestras a partir de una muestra inicial continua en líneas de transferencia de muestra que alimentan distintos equipos de medida, que aquí se propone, comprende un cuerpo (1) que presenta una abertura de entrada (2) en un extremo, una abertura de salida (3) en un extremo opuesto y un espacio intermedio adecuado para permitir el flujo del aerosol entre ambas, así como las subdivisiones de la muestra. In view of the figures provided, it can be seen how in a preferred embodiment of the invention, the chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows, for measuring several subsamples from an initial continuous sample in sample transfer lines that feed different measuring equipment, which is proposed here, comprises a body (1) that has an inlet opening (2) at one end, an outlet opening (3) at an opposite end and a space suitable intermediate to allow the flow of the aerosol between the two, as well as the subdivisions of the sample.
Como se muestra en la Figura 2, este cuerpo (1) comprende una zona de entrada (1.1), una zona de laminarización (1.2) y una zona de muestreo (1.3). As shown in Figure 2, this body (1) comprises an entry zone (1.1), a laminarization zone (1.2) and a sampling zone (1.3).
La zona de entrada (1.1) es la que abarca desde la abertura de entrada (2) hasta una primera sección (4), y presenta una sección interior troncocónica con diámetro creciente para la distribución del flujo hacia dicha primera sección (4). The inlet area (1.1) is the one that extends from the inlet opening (2) to a first section (4), and has a truncated conical interior section with increasing diameter for the distribution of the flow towards said first section (4).
La zona de laminarización (1.2) presenta una sección interior cilindrica y comprende desde dicha primera sección (4) hasta una segunda sección (5). La longitud de esta zona es mayor o igual que la longitud mínima susceptible de permitir un perfil laminar del flujo completamente desarrollado en su paso por la misma. The laminarization zone (1.2) has a cylindrical interior section and comprises from said first section (4) to a second section (5). The length of this zone is greater than or equal to the minimum length capable of allowing a fully developed laminar flow profile as it passes through it.
Finalmente, la zona de submuestreo (1.3) abarca desde la segunda sección (5) hasta la abertura de salida (3). Esta zona de submuestreo (1.3) se subdivide en una primera parte (6.1) que presenta una sección interior cilíndrica y comprende desde la segunda sección (5) hasta una tercera sección (7), y una segunda parte (6.2) con una sección interior troncocónica de diámetro decreciente desde dicha tercera sección (7) hasta la abertura de salida (3). Finally, the subsampling area (1.3) extends from the second section (5) to the exit opening (3). This subsampling area (1.3) is subdivided into a first part (6.1) that has a cylindrical interior section and includes from the second section (5) to a third section (7), and a second part (6.2) with an interior section truncated cone with decreasing diameter from said third section (7) to the exit opening (3).
Esta zona de submuestreo (1.3), como se muestra en las Figuras 1 y 2, comprende dos o más secciones de submuestreo con dos o más tomas (8) situadas de forma equidistante alrededor del eje, donde las tomas (8) de una misma sección presentan un mismo caudal de salida. This subsampling area (1.3), as shown in Figures 1 and 2, comprises two or more subsampling sections with two or more shots (8) located equidistant around the axis, where the shots (8) of the same section have the same output flow.
Como puede observarse en la Figura 1, las tomas (8) de una sección de submuestreo están dispuestas al tresbolillo respecto a una sección de submuestreo situada aguas arriba y las secciones de submuestreo están separadas una distancia mayor o igual que la separación mínima susceptible de producir una perturbación nula en la sección de submuestreo de aguas abajo. As can be seen in Figure 1, the intakes (8) of a subsampling section are arranged staggered with respect to a subsampling section located upstream and the subsampling sections are separated by a distance greater than or equal to the minimum separation capable of producing a null disturbance in the downstream subsampling section.
Así mismo, como se muestra en la Figura 3, cada toma (8) comprende un orificio de acceso (9) de una sonda (10) que presenta una boquilla de muestreo (10.1) susceptible de penetrar en el interior de la cámara una longitud determinada tal que permite salvar la capa límite del flujo. Dicho orificio de acceso (9) presenta un ángulo de inclinación a respecto al eje de la cámara. Likewise, as shown in Figure 3, each intake (8) comprises an access hole (9) of a probe (10) that has a sampling nozzle (10.1) capable of penetrating into the interior of the chamber for a length. determined such that it allows the flow boundary layer to be bridged. Said access hole (9) has an angle of inclination with respect to the axis of the camera.
En este modo de realización preferente de la invención, el cuerpo (1) está formado por cuatro piezas situadas de forma consecutiva y alineada, que presentan unos extremos susceptibles de ensamblado. Todas estas piezas están formadas partiendo de un macizo redondo del material seleccionado, que en este modo de realización es acero inoxidable austenítico con un acabado 2R del interior de las piezas, evitando de este modo uniones o soldaduras entre partes. In this preferred embodiment of the invention, the body (1) is formed by four pieces located consecutively and aligned, which have ends that can be assembled. All of these pieces are formed from a round solid of the selected material, which in this embodiment is austenitic stainless steel with a 2R finish on the interior of the pieces, thus avoiding joints or welding between parts.
Es fundamental realizar una fabricación de calidad y una unión adecuada de estas cuatro piezas, para evitar deposiciones, turbulencias en su interior y fugas que puedan influir en su funcionamiento. It is essential to carry out quality manufacturing and an adequate union of these four pieces, to avoid deposits, turbulence inside and leaks that could influence their operation.
Una primera pieza (11) se corresponde con la zona de entrada (1.1) del cuerpo (1), una segunda pieza (12) se corresponde con el conjunto formado por la zona de laminarización (1.2) y la primera parte (6.1) de la zona de submuestreo (1.3), es decir, las zonas con sección interior cilíndrica y, una tercera y una cuarta pieza (13, 14) se corresponden respectivamente con una porción inicial y final (15.1, 15.2) de la segunda parte (6.2) de la zona de submuestreo (1.3). A first piece (11) corresponds to the entrance area (1.1) of the body (1), a second piece (12) corresponds to the assembly formed by the laminarization area (1.2) and the first part (6.1) of the subsampling area (1.3), that is, the areas with a cylindrical interior section and, a third and a fourth piece (13, 14) correspond respectively to an initial and final portion (15.1, 15.2) of the second part (6.2 ) of the subsampling area (1.3).
Así mismo, en este modo de realización preferente de la invención, la cámara comprende una primera sección de submuestreo (16) en la segunda pieza (12), a la altura de la primera parte (6.1) de la zona de submuestreo (1.3). Esta primera sección de submuestreo (16) presenta cuatro tomas (8) dispuestas de forma simétrica respecto al eje de la cámara. Likewise, in this preferred embodiment of the invention, the camera comprises a first subsampling section (16) in the second piece (12), at the height of the first part (6.1) of the subsampling area (1.3). . This first subsampling section (16) presents four shots (8) arranged symmetrically with respect to the axis of the camera.
Una segunda sección de submuestreo (17) se encuentra situada en la tercera pieza (13), y presenta dos tomas (8) simétricas respecto del eje de la cámara, que están colocadas al tresbolillo, o más concretamente en este caso, intercaladas con la posición de las tomas (8) de la primera sección de submuestreo (16). A second subsampling section (17) is located in the third piece (13), and presents two shots (8) symmetrical with respect to the axis of the camera, which are placed staggered, or more specifically in this case, interspersed with the position of the shots (8) of the first subsampling section (16).
Finalmente, una tercera y una cuarta sección de submuestreo (18, 19) están situadas en la cuarta pieza (14), y ambas presentan un par de tomas (8) respectivamente. Las tomas (8) de cada par están situadas simétricas respecto al eje de la cámara y, entre ellas y respecto a las de la segunda sección de submuestreo (17), están situadas al tresbolillo. Finally, a third and a fourth subsampling section (18, 19) are located in the fourth piece (14), and both present a pair of shots (8) respectively. The shots (8) of each pair are located symmetrically with respect to the axis of the camera and, between them and with respect to those of the second subsampling section (17), they are located staggered.
En este diseño, la velocidad aumenta a lo largo de la longitud de la cámara, y los equipos que trabajan a menores caudales se conectan en la primera sección de submuestreo (16), más próxima a la abertura de entrada (2) a la cámara, mientras que los de mayores caudales se conectan en la segunda, tercera y cuarta sección de submuestreo (17, 18, 19). In this design, the speed increases along the length of the chamber, and the equipment that works at lower flow rates is connected to the first subsampling section (16), closest to the entrance opening (2) to the chamber. , while those with higher flows are connected in the second, third and fourth subsampling sections (17, 18, 19).
En este modo de realización preferente de la invención, como se muestra en las Figuras 4 a 7.2, las cuatro piezas comprenden medios de ensamblaje mediante bridas (25) y un machihembrado en sus extremos de fijación. Además, cuentan con un cajeado (27) en dichos extremos de fijación, para disponer en él una junta de estanqueidad. In this preferred embodiment of the invention, as shown in Figures 4 to 7.2, the four pieces comprise assembly means using flanges (25) and a tongue and groove joint at their fixing ends. In addition, they have a recess (27) in said fixing ends, to provide a sealing gasket therein.
Es muy importante que las piezas estén herméticamente unidas unas con otras y evitar escalones o cambios de sección en la superficie interna, eliminando de este modo las posibles perturbaciones del flujo. Además, la fabricación en cuatro partes embridadas facilita las tareas de limpieza de la cámara, pues las cuatro piezas se pueden desmontar, realizando de este modo una limpieza adecuada y de un modo cómodo y sencillo, preferiblemente mediante ultrasonidos. It is very important that the pieces are hermetically joined to each other and avoid steps or changes in section on the internal surface, thus eliminating possible flow disturbances. Furthermore, the manufacturing in four flanged parts facilitates the cleaning tasks of the chamber, since the four pieces can be disassembled, thus carrying out adequate cleaning in a comfortable and simple way, preferably using ultrasound.
Como puede observarse en las Figuras 4 a 6, en este modo de realización preferente de la invención, cada toma (8) comprende un conducto guía (20) fijado al orificio de acceso (9) mediante medios de fijación, que en este caso es mediante soldado. Este conducto guía (20) es susceptible de permitir la entrada de la sonda (10) por su interior. Comprende, además, un conector de cierre de hermeticidad (21) fijado al extremo libre del conducto guía (20). As can be seen in Figures 4 to 6, in this preferred embodiment of the invention, each socket (8) comprises a guide duct (20) fixed to the access hole (9) by means of fixing means, which in this case is by soldier. This guide duct (20) is capable of allowing the probe (10) to enter through its interior. It also includes a sealing connector (21) fixed to the free end of the guide duct (20).
Por su parte, el diámetro de la boquilla de muestreo (10.1) de la sonda (10) está calculado en función de la velocidad de flujo en la sección de submuestreo correspondiente y del caudal de salida hacia el equipo conectado a la misma. For its part, the diameter of the sampling nozzle (10.1) of the probe (10) is calculated based on the flow speed in the corresponding subsampling section and the output flow to the equipment connected to it.
Como se muestra en las Figuras 5 y 6, dado que la primera sección de submuestreo (16) está ubicada en la segunda pieza (12), con sección interior cilíndrica y el resto de secciones de submuestreo están en la tercera y cuarta pieza (13, 14), con sección interior troncocónica, tanto la longitud de la sonda (10) como el ángulo de inclinación a, de ésta respecto de la pared interior de la cámara, va a ser distinto entre las tomas (8) de muestra de la primera sección de submuestreo (16), como se representa en la Figura 5, y las tomas (8) del resto de piezas, mostradas en la Figura 6. As shown in Figures 5 and 6, since the first subsampling section (16) is located in the second piece (12), with a cylindrical interior section and the rest of the subsampling sections are in the third and fourth piece (13 , 14), with a truncated conical interior section, both the length of the probe (10) and the angle of inclination a, of this with respect to the interior wall of the chamber, will be different between the sample shots (8) of the first subsampling section (16), as represented in Figure 5, and the shots (8) of the rest of the pieces, shown in Figure 6.
El ángulo a formado por la sonda (10) o los orificios de acceso (9), con el eje de la cámara sí es el mismo en todas las tomas (8) sea cual sea la sección de submuestreo. Como ya se ha visto, debido al gran número de tomas (8) a definir y una longitud de cámara limitada, resulta inviable el muestreo isoaxial, pero en este caso, se considera el menor ángulo a posible para aproximar el submuestreo a las condiciones de isoaxialidad. The angle formed by the probe (10) or the access holes (9) with the axis of the camera is the same in all shots (8) regardless of the subsampling section. As has already been seen, due to the large number of shots (8) to be defined and a limited camera length, isoaxial sampling is not feasible, but in this case, the smallest angle a possible is considered to approximate the subsampling to the conditions of isoaxiality.
En este modo de realización preferida, la cámara comprende uno o más tapones de cierre (no representados en las Figuras) de una o más tomas (8). De este modo, las sondas (10) que no se utilicen en una operación de submuestreo, se cierran preferiblemente mediante estos tapones que se colocan en el conector de cierre de hermeticidad (21) de la toma, cuando la sonda no está instalada, o bien se cierra el extremo exterior de la sonda (10), si ésta ya está instalada. In this preferred embodiment, the chamber comprises one or more closing plugs (not shown in the Figures) of one or more intakes (8). In this way, the probes (10) that are not used in a subsampling operation are preferably closed by means of these plugs that are placed in the sealing connector (21) of the socket, when the probe is not installed, or The outer end of the probe (10) is well closed, if it is already installed.
Como se muestra en las Figuras 4, 7.1 y 7.2, esta cámara comprende un conector de entrada (22) y un conector de salida (23) fijados a la abertura de entrada (2) y la abertura de salida (3) respectivamente. As shown in Figures 4, 7.1 and 7.2, this chamber comprises an inlet connector (22) and an outlet connector (23) fixed to the inlet opening (2) and the outlet opening (3) respectively.
En este modo de realización preferente de la invención, el ángulo de inclinación a, de los orificios de acceso (9) respecto del eje de la cámara está comprendido entre 25 y 35°. In this preferred embodiment of the invention, the inclination angle a of the access holes (9) with respect to the axis of the camera is between 25 and 35°.
Así mismo, en este caso, el ángulo y de la sección troncocónica de la tercera y cuarta pieza (13, 14) está comprendido entre 5 y 15°. Likewise, in this case, the angle y of the truncated conical section of the third and fourth piece (13, 14) is between 5 and 15°.
Por otra parte, en este modo de realización preferida, el ángulo p de la sección troncocónica de la primera pieza (11) está comprendido entre 10 y 25°. On the other hand, in this preferred embodiment, the angle p of the frustoconical section of the first piece (11) is between 10 and 25°.
En este modo de realización preferente de la invención, se ha procedido a realizar un doble proceso de validación teórica y experimental. En los experimentos se ha llevado a cabo un submuestreo continuo y simultáneo de flujos de aerosoles, propio de emisiones canalizadas de cualquier escape a la atmósfera, tanto de fuentes móviles como estacionarias. In this preferred embodiment of the invention, a double theoretical and experimental validation process has been carried out. In the experiments, continuous and simultaneous subsampling of aerosol flows has been carried out, typical of channeled emissions from any escape into the atmosphere, both from mobile and stationary sources.
Para determinar la versatilidad de la cámara, en la validación experimental se han implementado dos cámaras idénticas, diseñadas y fabricadas siguiendo los conceptos anteriormente descritos para el modo de realización preferente de la invención y con las siguientes características concretas: To determine the versatility of the camera, two identical cameras have been implemented in the experimental validation, designed and manufactured following the concepts previously described for the preferred embodiment of the invention and with the following specific characteristics:
La primera cámara se ha implementado un banco de calibración con la configuración de una serie de equipos denominada“Configuración 1”y la segunda cámara se ha implementado otro banco de calibración con la configuración de otra serie de equipos denominada“Configuración 2”,siendo el objetivo de ambas el de conseguir una distribución de la muestra primaria procedente de flujos de aerosoles hacia cada serie de equipos de medida de manera simultánea. The first camera has implemented a calibration bench with the configuration of a series of equipment called “Configuration 1” and the second camera has implemented another calibration bench with the configuration of another series of equipment called “Configuration 2”, being the The objective of both is to achieve a distribution of the primary sample from aerosol flows to each series of measuring equipment simultaneously.
En ambos casos se plantea una configuración de equipos cuyos caudales/presiones de trabajo difieren entre sí, conectados a diferentes salidas de la cámara a través de la sonda de muestreo con la geometría adecuada. In both cases, a configuration of equipment is proposed whose flow rates/working pressures differ from each other, connected to different outlets of the chamber through the sampling probe with the appropriate geometry.
En este modo de realización preferida de la invención, la primera pieza presenta un ángulo de la sección troncocónica de valor p=18°. La longitud de esta pieza es de 102mm y en la abertura de entrada (2) presenta un conector de entrada (22) de vacío DN25 con una longitud de 20,1mm. Este conector de entrada (22) se suelda alrededor de la abertura de entrada (2), que presenta un entrante hembra (24) para el ajuste del conector de entrada (22). In this preferred embodiment of the invention, the first piece has an angle of the truncated conical section of value p=18°. The length of this piece is 102mm and in the inlet opening (2) it has a DN25 vacuum inlet connector (22) with a length of 20.1mm. This inlet connector (22) is welded around the inlet opening (2), which has a female recess (24) for fitting the inlet connector (22).
Como se muestra en la Figura 4, el extremo opuesto de esta primera pieza (11), que se corresponde con la primera sección (4) del cuerpo (1), comprende una brida (25) con seis agujeros (26) pasantes de diámetro interno 0, que en este caso tiene un valor de 11mm. También presenta el cajeado (27) para una junta de estanqueidad y un saliente (28) para realizar una unión machihembrada con la segunda pieza (12) del cuerpo (1). As shown in Figure 4, the opposite end of this first piece (11), which corresponds to the first section (4) of the body (1), comprises a flange (25) with six through holes (26) in diameter. internal 0, which in this case has a value of 11mm. It also has the recess (27) for a sealing gasket and a projection (28) to make a tongue-and-groove joint with the second piece (12) of the body (1).
En este modo de realización preferida, como puede observarse en la Figura 5, la segunda pieza (12) presenta una brida (25) en ambos extremos de la misma. La brida (25) dispuesta en el extremo correspondiente a la primera sección (4) del cuerpo (1), adecuada para conectar con la brida (25) de la primera pieza (11), presenta también seis agujeros (26) del mismo diámetro que los de la brida (25) de la primera pieza (11), así como un entrante hembra (24). In this preferred embodiment, as can be seen in Figure 5, the second piece (12) has a flange (25) at both ends thereof. The flange (25) arranged at the end corresponding to the first section (4) of the body (1), suitable for connecting with the flange (25) of the first piece (11), also has six holes (26) of the same diameter than those of the flange (25) of the first piece (11), as well as a female recess (24).
Por otra parte, la brida (25) del extremo opuesto está mecanizada con cuatro agujeros (26) de métrica M10 para roscar tornillos para su unión con la tercera pieza (13) y presenta igualmente un cajeado (27) para una junta de estanqueidad y un saliente (28) macho para su unión machihembrada con la tercera pieza (13). On the other hand, the flange (25) at the opposite end is machined with four M10 metric holes (26) for threading screws for its union with the third piece (13) and also has a recess (27) for a sealing gasket and a male projection (28) for its tongue-and-groove connection with the third piece (13).
La longitud de esta segunda pieza (12), en este modo de realización preferida es de 207mm. Esta segunda pieza (12) presenta cuatro orificios de acceso (9) con cuatro conductos guía (20) soldados respectivamente en cada uno de ellos. Estos conductos guía (20) presentan un ángulo a=30° con el eje de la cámara y un ángulo de inclinación a=30° del orificio de acceso (9) o de la sonda (10) respecto de la pared interior de la cámara. The length of this second piece (12), in this preferred embodiment, is 207mm. This second piece (12) has four access holes (9) with four guide ducts (20) welded respectively in each of them. These guide ducts (20) have an angle a=30° with the axis of the chamber and an angle of inclination a=30° of the access hole (9) or the probe (10) with respect to the inner wall of the chamber. .
Como se muestra en la Figura 6, en este modo de realización preferente de la invención, la tercera pieza (13) presenta también sendas bridas (25) para su unión con la segunda y cuarta pieza (12, 14) respectivamente. La brida (25) para unión con la segunda pieza (12) presenta cuatro agujeros (26) pasantes de diámetro 11mm y comprende cuatro cajeados (27.1) que se disponen en correspondencia con los orificios de acceso (9) de la segunda pieza (12), para no interferir en la colocación de los cuatro conductos guía (20). Además, presenta un entrante hembra (24) para la unión machihembrada con la segunda pieza (12). As shown in Figure 6, in this preferred embodiment of the invention, the third piece (13) also has separate flanges (25) for its connection with the second and fourth piece (12, 14) respectively. The flange (25) for joining with the second piece (12) has four through holes (26) with a diameter of 11mm and includes four recesses (27.1) that are arranged in correspondence with the access holes (9) of the second piece (12). ), so as not to interfere with the placement of the four guide ducts (20). In addition, it has a female recess (24) for the tongue-and-groove connection with the second piece (12).
La brida (25) para unión con la cuarta pieza (14) presenta seis agujeros (26) pasantes de diámetro 11mm en este caso, un cajeado (27) para la junta de estanqueidad y un saliente (28) macho para la unión machihembrada entre ambos. The flange (25) for connection with the fourth piece (14) has six through holes (26) with a diameter of 11mm in this case, a recess (27) for the sealing gasket and a male projection (28) for the tongue and groove connection between both.
Comprende así mismo, un ángulo interior de la sección troncocónica y=8° y una longitud de 172mm. En este caso, presenta dos conductos guía (20) en dos respectivos orificios de acceso (9), y estos conductos guía (20) forman un ángulo a=30° con el eje de la cámara y el orificio de acceso (9) o la sonda (10) forman un ángulo de inclinación a=34° respecto de la pared interior de la cámara. It also includes an interior angle of the truncated conical section y=8° and a length of 172mm. In this case, it has two guide ducts (20) in two respective access holes (9), and these guide ducts (20) form an angle a=30° with the axis of the chamber and the access hole (9) or The probe (10) forms an angle of inclination a=34° with respect to the interior wall of the chamber.
Finalmente, la cuarta pieza (14) presenta el mismo ángulo interior, y=8°, de la sección troncocónica, una longitud de 167,5mm y cuatro conductos guía (20) en cuatro orificios de acceso (9) que están dispuestos dos de ellos en la tercera sección de submuestreo (18) y los otros dos en la cuarta sección de submuestreo (19). La distancia entre orificios de acceso de ambas tercera y cuarta secciones de submuestreo (18, 19) es en este caso de 61mm. Finally, the fourth piece (14) has the same interior angle, y=8°, of the truncated conical section, a length of 167.5mm and four guide ducts (20) in four access holes (9) that are arranged two of them in the third subsampling section (18) and the other two in the fourth subsampling section (19). The distance between access holes of both third and fourth subsampling sections (18, 19) is in this case 61mm.
Los conductos guía (20) de esta cuarta pieza (14) también forman un ángulo a=30° con el eje de la cámara y un ángulo de inclinación a=34° del orificio de acceso (9) o de la sonda (10) con la pared interior de la cámara. The guide ducts (20) of this fourth piece (14) also form an angle a=30° with the axis of the camera and an inclination angle a=34° of the access hole (9) or the probe (10). with the interior wall of the chamber.
Además, esta cuarta pieza (14) comprende un conector de salida (23), DN25, con una longitud de 20,21mm, y en el extremo de unión a la tercera pieza (13) presenta la correspondiente brida (25) con seis agujeros (26). Furthermore, this fourth piece (14) includes an outlet connector (23), DN25, with a length of 20.21mm, and at the end of connection to the third piece (13) it has the corresponding flange (25) with six holes. (26).
En primer lugar, se realizó una validación teórica de la cámara de muestreo a través de una simulación fluido-dinámica computacional (CFD). Ésta consistió en tres etapas: un pre procesado donde se definieron los dominios de fluido y se realizó el mallado; un procesado que consistió en la discretización y resolución de las ecuaciones que intervienen en el fluido y finalmente un post-procesado para el tratamiento de los datos obtenidos. First, a theoretical validation of the sampling chamber was carried out through a computational fluid-dynamics (CFD) simulation. This consisted of three stages: pre-processing where the fluid domains were defined and meshing was performed; a processing that consisted of the discretization and resolution of the equations involved in the fluid and finally a post-processing for the treatment of the data obtained.
El diseño de la geometría del volumen interno se realizó con el software AutoCAD y el mallado se ha realizado con el software ICEM CFD incluido en ANSYS. The design of the geometry of the internal volume was carried out with AutoCAD software and the meshing has been carried out with the ICEM CFD software included in ANSYS.
Para el cálculo fluido-dinámico, se utilizó el software ANSYS FLUENT, usando el modelo de turbulencia k-épsilon, ampliamente usado en cálculos de ingeniería. Se trata de un modelo semi-empírico basado en dos ecuaciones de transporte separadas, una para la energía cinética turbulenta (k) y otra para la disipación de la energía cinética turbulenta (e), cuya solución permite determinar de forma independiente las escalas de velocidad y longitud turbulentas. For the fluid-dynamic calculation, the ANSYS FLUENT software was used, using the k-epsilon turbulence model, widely used in engineering calculations. It is a semi-empirical model based on two separate transport equations, one for the turbulent kinetic energy (k) and another for the dissipation of turbulent kinetic energy (e), whose solution allows the velocity scales to be determined independently. and turbulent longitude.
Aunque existen varios modelos, en este caso se utilizó el modelo k-e estándar realizable, que satisface ciertas restricciones matemáticas sobre las tensiones de Reynolds, consistentes en la física de los flujos turbulentos e incomprensibles. Although several models exist, in this case the practicable standard k-e model was used, which satisfies certain mathematical constraints on the Reynolds stresses, consistent with the physics of turbulent and incompressible flows.
La simulación de la cámara para la“Configuración 1”de medida de flujo de aerosoles permite realizar las siguientes verificaciones: The simulation of the chamber for “Configuration 1” of aerosol flow measurement allows the following verifications to be carried out:
- Se comprueba que la velocidad, para un caudal de entrada de 30 l/min, aumenta a lo largo de la cámara, desde 0,25 m/s en la primera sección de muestreo (16), hasta 2,5 m/s en la cuarta sección de muestreo (19), consiguiéndose un flujo laminar completamente desarrollado previo al submuestreo. - It is verified that the speed, for an inlet flow of 30 l/min, increases along the chamber, from 0.25 m/s in the first sampling section (16), to 2.5 m/s in the fourth sampling section (19), achieving a fully developed laminar flow prior to subsampling.
- Se comprueba que con la configuración elegida, las perturbaciones en las tomas (8) a lo largo de la cámara son despreciables, manteniendo el régimen laminar. También se comprueba que si los flujos de submuestreo son superiores a 0,1 l/min se evitan totalmente los flujos inversos que impedirían el correcto desarrollo del submuestreo. - It is verified that with the chosen configuration, the disturbances in the intakes (8) along the chamber are negligible, maintaining the laminar regime. It is also verified that if the subsampling flows are greater than 0.1 l/min, reverse flows that would prevent the correct development of the subsampling are completely avoided.
- Se verifica que en cada punto de submuestreo, se consiguen velocidades de flujo interno en la cámara y de submuestreo muy próximas entre sí. - It is verified that at each subsampling point, internal flow rates in the chamber and subsampling rates are achieved that are very close to each other.
- Se comprueba que la inserción de las sondas a una cierta distancia del seno del fluido permite evitar la capa límite, incluso en las primeras secciones donde el submuestreo es más difícil. - It is proven that the insertion of the probes at a certain distance from the fluid core allows the boundary layer to be avoided, even in the first sections where subsampling is more difficult.
- Se comprueba que la inserción de las sondas de muestreo para evitar la capa limite, genera un punto de estancamiento aguas abajo, sin embargo, la distancia considerada entre las tomas (8) es adecuada para evitar que exista influencia entre ellas. - It is verified that the insertion of the sampling probes to avoid the boundary layer generates a stagnation point downstream, however, the distance considered between the intakes (8) is adequate to avoid any influence between them.
La simulación de la cámara con la“Configuración 2”de medida de flujo de aerosoles permitió realizar las siguientes verificaciones: The simulation of the chamber with “Configuration 2” of aerosol flow measurement allowed the following verifications to be carried out:
- Se comprueba que la velocidad, para un caudal de entrada de 30 l/min, aumenta a lo largo de la cámara, desde 0,25 m/s en la primera sección de muestreo (16), hasta 1,3 m/s en la cuarta sección de muestreo (19), consiguiéndose un flujo laminar completamente desarrollado previo al submuestreo. - It is verified that the speed, for an inlet flow of 30 l/min, increases along the chamber, from 0.25 m/s in the first sampling section (16), to 1.3 m/s in the fourth sampling section (19), achieving a fully developed laminar flow prior to subsampling.
- Se comprueba que no existen perturbaciones en los puntos de submuestreo a lo largo de la cámara, manteniendo el régimen laminar. - It is verified that there are no disturbances at the subsampling points throughout the chamber, maintaining the laminar regime.
- Se comprueba que en cada punto de submuestreo se consiguen velocidades de flujo interno en la cámara y de submuestreo muy próximas entre sí. - It is verified that at each subsampling point, internal flow rates in the chamber and subsampling rates are achieved that are very close to each other.
- Se comprueba que la inserción de sondas a una distancia del seno del fluido permite evitar la capa límite, sobre todo en las primeras secciones de submuestreo. - It is verified that the insertion of probes at a distance from the fluid core allows the boundary layer to be avoided, especially in the first subsampling sections.
- Se comprueba que la inserción de las sondas de muestreo para evitar la capa límite, genera un punto de estancamiento aguas abajo, sin embargo, la suficiente distancia considerada entre las tomas evita que existan influencia entre ellas, y por tanto del punto de estancamiento. - It is verified that the insertion of the sampling probes to avoid the boundary layer generates a stagnation point downstream, however, the sufficient distance considered between the intakes prevents there from being any influence between them, and therefore the stagnation point.
Para la validación experimental de las cámaras se diseñan dos bancos de calibración. El objetivo con ambas cámaras era: For the experimental validation of the cameras, two calibration benches are designed. The objective with both cameras was:
• Obtener distintas submuestras a partir de flujos de aerosoles primarios y conseguir su caracterización mediante diferentes equipos de medida, con caudales/presiones de trabajo distintos, y todos conectados simultáneamente a las distintas salidas de las cámaras de submuestreo. • Obtain different subsamples from primary aerosol flows and achieve their characterization using different measuring equipment, with different flow rates/working pressures, and all connected simultaneously to the different outlets of the subsampling chambers.
• Comparar la concentración de partículas existente en cada una de las tomas de muestra de la cámara donde se realiza el submuestreo con la concentración de entrada a la cámara. Un comportamiento óptimo implicaría una concentración de partículas en cada toma igual a la de la entrada • Compare the concentration of particles existing in each of the sample shots of the chamber where the subsampling is carried out with the concentration entering the chamber. An optimal behavior would imply a concentration of particles in each intake equal to that of the inlet
Todos los ensayos fueron realizados utilizando como aerosol de entrada, el aire ambiente, manteniendo una concentración constante en cada uno de los ensayos. El equipo de medida de la concentración numérica de partículas era un CPC modelo 3775 de TSI. All tests were carried out using ambient air as the input aerosol, maintaining a constant concentration in each of the tests. The particle numerical concentration measurement equipment was a TSI model 3775 CPC.
En el caso de la“Configuración 1”de medida de flujo de aerosoles, la validación de la cámara se realizó introduciendo un caudal de aerosol de 30 l/min por la entrada. In the case of “Configuration 1” of aerosol flow measurement, the validation of the chamber was carried out by introducing an aerosol flow rate of 30 l/min through the inlet.
Esta configuración dispone de cuatro puntos de submuestreo denominados OPC (31), OFFLINE (32), DMS500 (33) y PAM (34), que se corresponde con la denominación de los cuatro equipos de medida conectados, localizados en diferentes secciones de muestreo de la cámara (2, 3 y 4), que trabajan a distintos caudales de operación, como se muestra en la Figura 8. This configuration has four subsampling points called OPC (31), OFFLINE (32), DMS500 (33) and PAM (34), which corresponds to the name of the four connected measuring devices, located in different sampling sections of the chamber (2, 3 and 4), which work at different operating flow rates, as shown in Figure 8.
En función del caudal que debe salir por cada toma (8), se ajusta la válvula de aislamiento en la salida de la cámara, que está localizada en una línea que la conecta a una bomba de succión (35), de manera que siempre se mantiene un caudal de entrada de 30 l/min. Todas las tomas (8) están conectadas a una pequeña cámara de submuestreo (36) convencional, empleada para esta validación y de donde es extraída una submuestra hacia el equipo de medida de la concentración numérica de partículas (CPC) (37) para medir la concentración de partículas. Cada una de las tomas (8) tiene conectada una válvula de aislamiento (38), de manera que cuando una de ellas trabaje, el resto de tomas (8) permanece cerrada. De este modo, se compara directamente la concentración de partículas en el aerosol de entrada con la concentración medida en cada toma (8) de cada uno de los puntos de submuestreo. Depending on the flow that must come out of each intake (8), the isolation valve is adjusted at the outlet of the chamber, which is located in a line that connects it to a suction pump (35), so that it is always maintains an inlet flow of 30 l/min. All the intakes (8) are connected to a small conventional subsampling chamber (36), used for this validation and from where a subsample is extracted to the equipment for measuring the numerical concentration of particles (CPC) (37) to measure the particle concentration. Each of the outlets (8) has an isolation valve (38) connected, so that when one of them works, the rest of the outlets (8) remain closed. In this way, the concentration of particles in the input aerosol is directly compared with the concentration measured in each shot (8) of each of the subsampling points.
Una vez realizada la simulación, se observa la desviación que presenta cada toma (8) de submuestreo, calculada como la concentración numérica de partículas en esa toma, respecto a la concentración numérica medida en la entrada. En ningún caso, el valor medio de esta desviación es superior al 10%. En algunas medidas puntuales, como el caso de la toma OPC (31), debido a la variabilidad de aerosol de muestra, los valores máximos alcanzan el 20%, mientras que, en el resto de tomas (8) presentan valores inferiores al 20%. Once the simulation has been carried out, the deviation presented by each subsampling shot (8) is observed, calculated as the numerical concentration of particles in that shot, with respect to the numerical concentration measured at the inlet. In no case is the average value of this deviation greater than 10%. In some specific measurements, such as the case of the OPC intake (31), due to the variability of the sample aerosol, the maximum values reach 20%, while in the rest of the intakes (8) they present values lower than 20%. .
En el caso de la“Configuración 2”de medida de flujo de aerosoles, la validación de la cámara se realiza introduciendo un caudal de aerosol de 30 l/min de aerosol por la entrada. In the case of “Configuration 2” of aerosol flow measurement, the validation of the chamber is carried out by introducing an aerosol flow rate of 30 l/min of aerosol through the inlet.
Esta configuración dispone también de cuatro tomas (8) de submuestreo. Una de ellas se encuentra conectada a un sistema de dilución axial (41), DAD (30), mientras que el resto no presentan ninguna dilución, y son denominadas LICOR (39), ELPI+ (40) y LII (29), que de nuevo se corresponde con la denominación de los equipos de medida correspondientes. This configuration also has four subsampling shots (8). One of them is connected to an axial dilution system (41), DAD (30), while the rest do not present any dilution, and are called LICOR (39), ELPI+ (40) and LII (29), which new corresponds to the name of the corresponding measuring equipment.
También están localizadas en diferentes secciones de submuestreo de la cámara (2, 3 y 4), y trabajan a diferentes caudales de operación, como se muestra en la Figura 9. They are also located in different subsampling sections of the chamber (2, 3 and 4), and work at different operating flow rates, as shown in Figure 9.
Al igual que en el caso anterior, en función del caudal que deba salir por cada toma (8), se ajusta la válvula de aislamiento en la salida localizada en la línea que la conecta a una bomba de succión (35), de manera que siempre se mantiene un caudal de entrada de 30 l/min. As in the previous case, depending on the flow that must come out of each intake (8), the isolation valve is adjusted at the outlet located in the line that connects it to a suction pump (35), so that An inlet flow rate of 30 l/min is always maintained.
Todas las tomas (8) están conectadas a una pequeña cámara de muestreo (36) convencional de donde el CPC (37) mide la concentración de partículas. Cada una de ellas tiene conectada una válvula de aislamiento (38), de manera que cuando una de ellas trabaja, el resto de tomas (8) permanecen cerradas. De este modo, se compara directamente la concentración de partículas en el aerosol de entrada con la concentración medida en cada toma (8). All intakes (8) are connected to a small conventional sampling chamber (36) from where the CPC (37) measures the particle concentration. Each of them has an isolation valve (38) connected, so that when one of them works, the rest of the intakes (8) remain closed. In this way, the concentration of particles in the inlet aerosol is directly compared with the concentration measured in each intake (8).
La medida de la concentración numérica de la toma (8) diluida permite calcular el factor de dilución experimental en base a los parámetros utilizados en el DAD (30). The measurement of the numerical concentration of the diluted shot (8) allows the calculation of the experimental dilution factor based on the parameters used in the DAD (30).
Los parámetros medidos en el dilutor axial DAD son: The parameters measured in the DAD axial dilutor are:
Caudal aerosol = 0,100 l/min. Aerosol flow = 0.100 l/min.
Caudal salida= 1,034 l/min Outlet flow = 1,034 l/min
Presión= 3,450 bar. Pressure = 3,450 bar.
Con estos valores, se espera un factor de dilución teórico de 10:1, en esta toma. With these values, a theoretical dilution factor of 10:1 is expected in this shot.
Los datos obtenidos en las tomas (8) sin diluir presentan un valor medio de desviación inferior al 10%. Los datos obtenidos en la toma DAD (30), indican un factor de dilución, determinado en base a la concentración numérica de partículas de 10,2:1. The data obtained in undiluted shots (8) have an average deviation value of less than 10%. The data obtained in the DAD intake (30) indicate a dilution factor, determined based on the numerical concentration of particles of 10.2:1.
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| ES202330550A ES2963026A1 (en) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | Chamber for continuous and simultaneous subsampling of aerosols from stationary or transient confined flows (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113125212A (en) * | 2021-04-15 | 2021-07-16 | 哈尔滨工程大学 | Aerosol sampling pretreatment system suitable for closed space fire condition |
-
2023
- 2023-06-30 ES ES202330550A patent/ES2963026A1/en active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2963026 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20240322 |