Терморазбавитель с ротационным диском TSI 379020A

Вращающийся дисковый терморазбавитель компании TSI высоко ценится в области измерений выбросов частиц. Он особенно подходит для отбора проб, разбавления и кондиционирования частиц, выходящих из дизельных двигателей и двигателей с электрозажиганием, а также для изучения выбросов дымовых газов. Модель 379020A отличается тем, что в ней разбавитель имеет отдельно приёмник и узел управления, что способствует эффективному разбавлению пробы непосредственно в источнике её получения (выхлопная труба, смесительный канал, дымовая труба) для того, чтобы выполнить точное измерение.

Дополнительными свойствами вращающегося дискового разбавителя являются следующие:

• регулируемая степень разбавления, не требующая никаких специальных инструментов, ни повторной калибровки;
• разбавление с точностью до двух знаков десятичного разряда;
• встроенный нагреватель с избираемой температурой, чтобы избежать измерения конденсировавшихся летучих материалов;
• вращающийся диск, который легко чистить и обслуживать;
• прочное покрытие диска в целях снижения его износа и увеличения срока службы;
• наличие дисков на замену для дополнительного удобства и сокращения простоев в ходе обслуживания;
• улучшенная конструкция в целях упрощения эксплуатации и увеличения срока службы.

Принцип действия

Модель 379020A компании TSI использует уникальный метод вращающегося диска для разбавления измеряемой пробы. Каждое устройство поставляется с двумя дисками: один с восемью полостями, а другой с десятью; что способствует выбору степени разбавления в пределах от 15:1 до 3000:1. Как показано на рис. 1, пробы сырых, неразбавленных выбросов отработанных газов отбираются с интенсивностью примерно 1.0 л/мин. Порция неочищенного отработанного газа улавливается каждой полостью вращающегося диска и перевозится в измерительный канал, где она смешивается с разбавляющим воздухом, прошедшим через высокоэффективный воздушный фильтр и свободным от частиц. Степень разбавления является линейной функцией калибровочного коэффициента диска (соответствующего объёму полости и числу полостей на диске), частоты вращения и расхода разбавляющего воздуха:

где Dilution Ratio (DR) - степень разбавления, Disk Calibration Factor - калибровочный коэффициент диска, Disk Rotation Frequency - частота вращения диска, Dilution Air Flow Rate - расход разбавляющего воздуха.

Данный метод выполняет разбавление выбросов с высокой точностью и стабильностью в диапазоне до двух знаков десятичного разряда. Разбавитель контролирует и регулирует потоки, он указывает на ненормальные режимы, посылая выходные аварийные сигналы.

Чтобы избежать измерения конденсировавшихся летучих материалов пользователи могут нагревать подпитывающий разбавляющий воздух и блок разбавления. Установки температур контролируются через блок управления. Более низкие температуры позволяют изучать фракции летучих.

Рис.1. Блок-схема приёмника разбавителя

HEPA Filter – высокоэффективный воздушный фильтр,
Dilution Air Heater – нагреватель разбавляющего воздуха,
Dilution System – система разбавления,
Approx. 1 Lpm – около 1 л/мин,
Dilution Block Heater – нагреватель блока разбавления,
To Sensor – на датчик (от 0.5 до 5 л/мин),
To Pump – на насос,
Exhaust Gas Flow – поток отходящего газа.

Технические решения для измерения выбросов от современных двигателей

Термокондиционеры

Выбросы горячих газов двигателей машин содержат как твёрдые частицы (например, углесодержащую сажу и золу), так и пары летучих веществ (таких как вода, сульфат и углеводороды). Когда для проверки выбросов используется стандартный смесительный канал, летучие вещества могут конденсироваться в нанокапли, которые распознаются как частицы вместе с нелетучими твёрдыми частицами. Для того чтобы измерить только фракцию твёрдых частиц необходимо кондиционировать пробу термически с тем, чтобы удалить летучую фракцию.

Компания TSI предлагает термокондиционер для проверки выбросов отходящих газов.

Модель 379030 использует нагретую испарительную камеру, способную нагреваться до 400°C, чтобы удалить нанокапли, которые могут образоваться в ходе процесса разбавления. Температура в испарительной камере может устанавливаться на более низкие значения в целях изучения влияния летучей фракции. Такой термокондиционер можно использовать в сочетании с вращающимся дисковым разбавителем компании TSI в целях понижения диапазона концентраций в допустимых пределах измерительных приборов и термического кондиционирования пробы. Сочетание вращающегося дискового терморазбавителя (модель 379020A), термокондиционера подаваемого воздуха (модель 379030 или 379020A-30) и счётчиком конденсированных частиц (модель 3790) обеспечивает измерение концентрации распределения частиц, предложенной в проекте директив GRPE/PMP, нормы R83 и R49. Дополнительными свойствами термокондиционера являются следующие:

• подавление образования летучих частиц для проведения измерений фракции твёрдых частиц;
• регулируемая температура нагревателя до 400°C;
• управление работой как в местном режиме, так и дистанционно;
• 19-дюймовый автономный блок можно устанавливать в одном шкафу с вращающимся дисковым терморазбавителем.

Работа термокондиционера

Рис. 2 показывает, как соединения летучих образуют нанокапли в зависимости от способа отбора проб и метода разбавления, и как их можно убирать или подавлять их образование с помощью соответствующего разбавления и теплового кондиционирования. При измерении выбросов смесительной камеры х как концентрация, так и температура летучих соединений снижается (канал A-B). При разбавлении летучее соединение проходит свою температуру конденсации и собирается вокруг ядра в нанокаплях (кривая N). Дальнейшее повторное разбавление (канал B-D) снизит концентрацию плотности таких нанокапель, но оно не сумеет выпарить их из-за эффекта гистерезиса между образованием ядра и выпаркой. Единственным вариантом избежать образования нанокапель является отбор проб непосредственно из горячих отходящих газов, используя горячее разбавление (вращающийся дисковый разбавитель движется по каналу A-C). Принимая во внимание достаточный коэффициент разбавления, летучие соединения не будут образовывать ядра в ходе последующего охлаждения (канал C-D), даже если будет достигнуто то же окончательное состояние, что и при отборе проб в обычной смесительной камере с использованием дополнительного разбавителя по каналу A-B-D. Тем не менее, некоторые измерения выбросов требуют применения смесительной камеры, что делает невозможным непосредственный отбор проб и разбавление отходящих газов.

Рис.2. Принцип терморазбавления

Концентрация летучих (мкг/м³)
Dilution – разбавление,
Nucleation – образование ядра,
Evaporation – выпарка,
Hot Dilution – горячее разбавление,
Heating – нагрев,
Cooling Down - охлаждение.

Для исключения или подавления образования нанокапель во время измерения выбросов в смесительной камере пробу следует разбавлять и термически кондиционировать до проведения измерений. С помощью вращающегося дискового терморазбавителя проба сначала разбавляется в канале A-B-D. Затем она нагревается до температуры, превышающей температуру испарения летучего соединения (канал D-C, пересечение кривой E) с помощью термокондиционера.

Что касается горячего разбавления, то летучее соединение остаётся в парообразной фазе до последующего охлаждения (канал C-D), но никогда не пересечёт кривую ядрообразования, чтобы вновь образовать нанокапли. Таким образом, при измерении выбросов из смесительной камеры нанокапли можно удалить или подавить их образование, используя комбинацию вращающегося дискового терморазбавителя и термокондиционера, как показано в канале A-B-D-C-D.

Рис.3. Комбинированное устройство 379020A-30

Область применения

Вращающийся дисковый терморазбавитель модели 379020A и термокондиционер модели 379030 (379020A-30) можно использовать вместе с широким ассортиментом измерителей и счётчиков частиц компании TSI для определения характеристик выбросов частиц. Они обычно применяются для измерения выбросов в следующих случаях:

• изучение выхлопов дизельных и бензиновых двигателей;
• калибровка дизельных и бензиновых двигателей;
• определение характеристик устойчивых и неустоявшихся выбросов из двигателей;
• контроль над количеством капельной фракции и уменьшение количества твёрдых частиц;
• изучение регенерации капельных фракции и их оптимизация;
• определение эффективности ловушек для частиц;
• изучение специфики выбросов различного топлива, смазочных материалов и добавок;
• измерение выбросов частиц у дизельных автомобилей-вездеходов, судов и локомотивов;
• изучение выбросов дымовых газов от различного топлива, например, дерева, нефти, природного газа, пропана и угля;
• определение выбросов частиц после сжигания биомассы, мусора, сельскохозяйственного пала и стационарных тепловых генераторов;
• измерение концентрации плотности частиц в соответствии с предлагаемым в директивах GRPE/PMP, нормы R83 и R491.

Технические характеристики

² Между каналом сырого газа и условиями окружающей среды
³ Степень разбавления обеспечивается расходом в пределах от 0.5 до 1.5 л/мин в измерительном канале; относительно номинального диапазона разбавления см. рисунок.

 

Рис.4. Диапазон разбавления как функция измерительного канала, расхода и числа полостей на диске

Dilution Factor – коэффициент разбавления,

8 Cavity Disk – диск с 8 полостями.

Термокондиционер

• сканирующими спектрометрами, определяющими размер частиц с высокой мобильностью (SMPS™);
• спектрометром, определяющими размер частиц в выхлопных газах двигателя (EEPS™);
• счётчиками конденсированных частиц (CPC);
• электрическими детекторами аэрозолей (EAD);
• мониторами площадей поверхности наночастиц (NSAM).

Для заказа