[发明专利]一种纳米级颗粒物过饱和增长装置及控制方法

摘要

本发明涉及一种纳米级颗粒物过饱和增长装置及控制方法。该装置包括颗粒物样气通道、鞘气通道、饱和水蒸气通道、去离子水通道、气流比例控制装置和温度梯度控制装置。本发明是基于水蒸气凝结原理，将洁净鞘气包裹的带有大气颗粒物的样气通过饱和水蒸气通道，利用半导体制冷器和柔性加热器控制两级饱和水蒸气通道的温度，产生温度梯度，利用水蒸气扩散速率高于气体传热速率的特性使颗粒物周围的水蒸气过饱和，使得水蒸气凝结在颗粒物表面，促进颗粒物粒径增长。通过控制样气和鞘气的流量比例，或控制两级饱和水蒸气通道的温度差，来调节水蒸气过饱和度，实现对过饱和增长后的颗粒物粒径大小的动态控制。

主权项

1.一种纳米级颗粒物过饱和增长装置的控制方法，其特征在于：所述纳米级颗粒物过饱和增长装置，包括颗粒物样气通道、鞘气通道、饱和水蒸气通道、去离子水通道、气流比例控制装置和温度梯度控制装置；所述颗粒物样气通道包括样气管道以及分别安装在样气管道上的样气流量计与样气真空泵；所述鞘气通道包括鞘气管道以及分别安装在鞘气管道上的过滤器、鞘气流量计与鞘气真空泵；所述饱和水蒸气通道包括从内向外依次同轴设置的微孔内衬管和不锈钢套管；所述去离子水通道包括去离子水储存装置以及与去离子水储存装置相连的可调速水泵；所述气流比例控制装置包括压差测量系统、信号放大电路和真空泵驱动电路；所述压差测量系统包括开设在鞘气管道上的限流小孔以及用于测量限流小孔两端的压差的压差式传感器；所述温度梯度控制装置包括依次包裹在不锈钢套管外壁上的半导体制冷器与柔性加热器、分别设置在柔性加热器与不锈钢套管之间以及半导体制冷器与不锈钢套管之间的两个温度传感器、与温度传感器相连的数据采集系统、以及与半导体制冷器和柔性加热器相连的电流控制电路；该纳米级颗粒物过饱和增长装置的控制方法包括以下步骤：(1)带有大气颗粒物的样气进入颗粒物样气通道后分为两路，一路沿颗粒物样气通道继续流动，另一路经鞘气通道过滤后形成洁净的鞘气后再次进入大气颗粒物样气通道，鞘气包裹着带有大气颗粒物的样气共同进入饱和水蒸气通道；(2)可调速水泵以恒定流量将去离子水储存装置中的去离子水输送到饱和水蒸气通道的微孔内衬管内，使去离子水在微孔内衬管和不锈钢管套之间流动，从而使微孔内衬管的内壁湿润，形成水蒸气饱和环境；(3)半导体制冷器和柔性加热器将饱和水蒸气通道分为两级，中间用绝热块连接，半导体制冷器工作在制冷模式，柔性加热器工作在加热模式，形成温度梯度；鞘气包裹着带有大气颗粒物的样气形成的混合气流进入半导体制冷器控制的第一级饱和水蒸气通道，混合气流的流动方向和去离子水的流动方向相反；不锈钢管套与微孔内衬管之间的水蒸气通过微孔内衬管上的通孔向混合气流扩散，形成水蒸气饱和的混合气流，同时使混合气流的温度降低，再进入柔性加热器控制的第二级饱和水蒸气通道，热量和水蒸气同时由微孔内衬管壁向混合气流中心扩散，使得混合气流温度逐渐升高；由于水蒸气扩散速率高于热扩散速率，因此，在第二级饱和水蒸气通道内，混合气流中任意一点处的水蒸气分压大于该点温度下的水蒸气饱和分压，使得混合气流中的大气颗粒物始终处于水蒸气过饱和环境，促进了颗粒物的过饱和增长；(4)采用以下两种方式中的任意一种对颗粒物过饱和增长后的粒径大小进行控制：保持样气和鞘气的流量比例恒定，鞘气包裹着带有大气颗粒物的样气进入饱和水蒸气通道，鞘气将带有大气颗粒物的样气约束在饱和水蒸气通道的中心位置，通过控制半导体制冷器和柔性加热器的工作温度，调节两级饱和水蒸气通道的外壁温度差，改变饱和水蒸气通道中心的水蒸气过饱和度，对颗粒物过饱和增长后的粒径大小进行控制；或者，保持两级饱和水蒸气通道外壁的温度差恒定，使得饱和水蒸气通道内水蒸气过饱和度分布恒定，改变混合气流中鞘气和样气的气流比例，使带有大气颗粒物的样气通过不同的过饱和度区域，改变颗粒物过饱和增长条件，对颗粒物过饱和增长后的平均粒径大小进行控制。