背景技術(shù)：

冷凝生長系統(tǒng)已經(jīng)用于擴大亞微米大小的霧化顆粒以形成液滴。這些霧化的顆粒可以是空氣傳播的，或由例如氮氣的另一種處理氣體攜帶的，但是被定義為懸浮在氣體中的冷凝物質(zhì)(液體或固體)的顆粒，其太小而不能通過重力在感興趣的時間尺度上沉降。通常感興趣的霧化顆粒的直徑小于幾微米。為了便于測量，這些顆?？赏ㄟ^冷凝而生長以形成比原始顆粒更容易檢測或操縱的較大液滴。例如，可光學地檢測液滴，慣性地捕獲液滴或以空氣動力學方式使液滴聚焦。

對于小顆粒，通過將顆粒暴露于蒸汽過飽和區(qū)域而產(chǎn)生冷凝生長的啟動，蒸汽過飽和區(qū)域被定義為冷凝蒸汽的蒸汽壓力高于其在平坦表面上的飽和值的區(qū)域。使用這些過飽和條件是因為超細顆粒的彎曲表面上方的平衡蒸汽壓力比在相同化學組成的平坦表面上高。這是由于與表面張力(通過開爾文關(guān)系描述的現(xiàn)象)相關(guān)的能量。水冷凝在小顆粒上需要超過100％的相對濕度值。粗略地說，激活直徑小于6nm的顆粒的冷凝生長所需的相對濕度在140％及以上的范圍內(nèi)。所需的過飽和的精確值也取決于顆?；瘜W性質(zhì)，對于可溶性鹽而言該精確值由科勒關(guān)系描述。

因為任何多余的水蒸汽都將簡單地沉積在壁上，所以在承載流的容器的壁處不可能具有過飽和條件。然而，能夠在流的核心內(nèi)產(chǎn)生非平衡條件，從而暫時提供過飽和條件。實現(xiàn)這一點的方法包括(1)飽和流的絕熱膨脹，(2)不同溫度的流的快速(通常是湍流)混合，和(3)層流擴散，其中較冷的流被引入到溫暖、壁潤濕的管。

使用這些方法中的每一種方法，流經(jīng)歷過飽和條件的時間是有限的。例如，對于層流的方法，過飽和曲線顯示出尖銳的最大值，然后衰減。由于大部分的冷凝生長都發(fā)生在該峰值過飽和區(qū)域中，所以這個有限的時間也限制了形成液滴的大小。這在低過飽和(例如，對于云而言是典型的)下操作時尤其是一個問題，諸如為云的典型類型。此外，冷凝生長的激活可被動力學地限制，使得這種短的過飽和不足以在那些疏水性的(即，對于水分子附著于其表面而言具有固有的低概率)顆粒上引發(fā)冷凝生長。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

簡要描述的技術(shù)包括用于在流中產(chǎn)生擴大的顆粒的設備和方法。該設備包括盤管，該盤管具有管直徑和盤卷直徑，該管具有輸出端和接收流的輸入端，該管具有在輸入端和輸出端之間的長度。加熱器構(gòu)造為沿著管直徑的第一部分加熱管的第一縱向部分，管直徑的第一部分沿著管的長度相對于管的橫截面具有近似恒定的位置。冷卻器構(gòu)造為沿著管直徑的至少第二部分冷卻管的第二縱向部分，管直徑的第二部分沿著管的長度處于大致恒定的位置。盤管包括適于到處都用冷凝流體潤濕的內(nèi)壁。

該方法包括提供具有管直徑和盤卷直徑的盤管，管具有輸出端和接收輸入流的輸入端，管具有在輸入端和輸出端之間的長度。之后，該方法包括沿管直徑的第一部分加熱管的第一縱向部分，管直徑的第一部分沿著管的長度具有恒定的位置，同時沿著管直徑的至少第二縱向部分冷卻管的第二縱向部分，管直徑的第二部分沿著管的長度處于恒定的位置。在加熱和冷卻的同時，該方法包括在輸入端處將流體引入到管的內(nèi)部，使流移向輸出端。

提供本發(fā)明內(nèi)容以便以簡化形式介紹概念的選擇，這些概念將在下面的詳細說明中進一步描述。本發(fā)明內(nèi)容不旨在確定所要求保護的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于幫助確定所要求保護的主題的范圍。

附圖說明

圖1a示出根據(jù)本技術(shù)的包括直生長管的設備的第一實施例。

圖1b示出直生長管的沿線ib-1b的橫截面。

圖2示出在操作中在圖1的直生長管內(nèi)的流切片的飽和比。

圖3a和圖3b是分別示出對于50％rh和0％rh在從圖1a的裝置中的0.3l/min空氣流的垂直切片的幾個徑向位置處的飽和比的曲線圖。

圖4示出了該技術(shù)的包括在單個平面中的扁平盤管生長的第二實施例，其中上側(cè)比下側(cè)更溫暖。

圖5是示出了速度場的圖4的裝置的、示出了二次流動模式盤管的橫截面。

圖6示出了在熱冷表面之間延伸的、圖4的裝置中的流切片的飽和比。

圖7a和圖7b是分別示出在從于0％rh和50％rh下進入的0.3l/min空氣流的圖6的垂直切片的幾個徑向位置處的飽和比的曲線圖。

圖8a示出該技術(shù)的另一個實施例，其包括具有盤旋盤管的螺旋生長管，其中盤管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)處于不同的溫度下。

圖8b是沿圖8a中的線8b-8b的橫截面。

圖9示出在圖8a的生長管的熱冷表面之間延伸的流切片的飽和比。

圖10是示出用于圖8a的螺旋構(gòu)造的幾個徑向位置的作為軸向位置的函數(shù)的飽和比的曲線圖。

圖11a是示出結(jié)合在顆粒收集器或顆粒計數(shù)器中的圖4a的冷凝生長盤旋結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。

圖11b是示出圖4的被構(gòu)造為具有光學頭的光學檢測器的裝置的立體圖。

圖11c是圖13b的移除了加熱元件的裝置的立體圖。

圖11d是圖11a的被構(gòu)造為顆粒收集器的裝置的立體圖。

圖12是另一個實施例的立體圖，其包括盤卷生長管，其中與具有周向均勻暖壁的第二部分相比，盤旋結(jié)構(gòu)的第一部分具有周向均勻冷壁。

圖13是示出直生長管和盤卷生長管之間的比較的曲線圖。

圖14a和圖14b是根據(jù)本技術(shù)形成的一般設備的立體橫截面視圖，示出了入口、盤卷生長管、出口、液滴測量或操縱裝置、以及泵、鼓風機或其它流原動機。

具體實施方式

提出了一種技術(shù)，其涉及通過水或其它蒸汽的冷凝生長來擴大空氣傳播的顆粒，以形成易于光學檢測的，慣性捕獲的或以空氣動力學方式聚集的液滴的方法。

提供了一種生長管結(jié)構(gòu)和一種操作生長管的方法。本技術(shù)的方法和設備提供了各種構(gòu)造的“生長管夾層結(jié)構(gòu)”，其中流在軸向方向上沿潤濕壁管行進，在管的大部分長度上，該潤濕壁管的壁溫隨角向位置變化，但是隨軸向位置是大致恒定的。在本文中，“恒定”意味著本文中所討論的加熱部分和冷卻部分的角向位置可能變化一度或幾度，但是沿著管的長度仍然保持在管橫截面的上半部或下半部內(nèi)。例如，(相對于公共原點)在從約20°至約160°的角向位置內(nèi)的壁可能是暖的，而(相對于0°的公共原點)沿著從約200°至約340°的角向位置的那些壁是冷的。在(例如，0°±20°和180°±20°)區(qū)域的中間徑向位置是具有中間溫度的過渡區(qū)域。相同的角壁溫度分布延伸管的大部分長度，在大部分軸向距離上是固定的。該管可被構(gòu)造為直管、扁平盤管結(jié)構(gòu)或螺旋結(jié)構(gòu)。

該構(gòu)造在流的中心部分中產(chǎn)生一區(qū)域，在該區(qū)域中，將壁潤濕的流體的局部蒸汽壓力高于在局部溫度下流體的平衡值。當流沿管行進時，蒸汽壓力和溫度分布接近穩(wěn)態(tài)條件，其中飽和比(定義為蒸汽壓與平衡蒸汽壓的比)僅取決于徑向位置和角向位置，幾乎獨立于軸向位置。具有幾乎恒定的高飽和比的這些流軌跡比先前的層流方法提供更長的激活時間和更多的顆粒生長。當冷凝流體的擴散性和載氣的熱擴散性相似時，這種方法特別有效，例如水冷凝到空氣中攜帶的顆粒上的情況。

根據(jù)本技術(shù)的生長管設備的第一構(gòu)造是直管100，如圖1a所示。構(gòu)造成與圖1a的管100一起操作的裝置還可包括一個或多個輸入裝置和輸出裝置，所述輸入裝置向輸入端115提供流，所述輸出裝置聯(lián)接到生長管100的相對端，其示例相對于圖11a至圖11d進行示出和描述。應理解，圖11a至圖11d的輸入裝置和輸出裝置可與本文中所述的任何一個生長管設備實施例一起使用。

在圖1a中，深色和淺色陰影表示溫度變化，其中根據(jù)圖1a右側(cè)所示的刻度，較淺的陰影表示較暖的溫度，而深色陰影表示較冷的溫度。

在整個過程中，管100的內(nèi)壁被冷凝流體潤濕。如圖1a和圖1b所示，管100的一側(cè)110比另一側(cè)更暖。在圖1a、圖1b的圖示中，對于約20°至約160°的角向位置，區(qū)域110中的壁保持在60℃，而對于區(qū)域112中的200°至340°的角向位置，區(qū)域112中的壁保持在20℃，區(qū)域112延伸的軸向距離等于或大于體積流量乘以0.5s/cm²。角向位置是與在管中心處的公共原點(在圖1b中表示為0°)有關(guān)，并且角向位置(原點)以及因此區(qū)域110和112在管100的長度上是恒定的，由此沿著管的長度縱向地延伸。應理解，環(huán)境溫度為約22℃的顆粒流可經(jīng)由管100的輸入端115被引入管100中。氣流在左下方的開口115處進入并且沿z方向行進。壁在整個過程中被冷凝蒸汽的液相潤濕?？稍趨^(qū)域116和118(分別為0±20°和180±20°)中提供中間徑向位置作為具有中間溫度的過渡區(qū)域。

在可替代實施例中，區(qū)域110可大于140°，使得區(qū)域110高達管100的一半，而區(qū)域112同樣高達管100的一半，且過渡區(qū)域116和118被最小化。

針對水冷凝的情況對圖1a至ab的結(jié)構(gòu)進行計算。內(nèi)壁被水潤濕。管的內(nèi)徑d1為6mm，并且承載0.3l/min的空氣流。在這些條件下，流動是層流的，并且輸送是通過對流擴散。管的相對側(cè)之間的溫度差產(chǎn)生溫度梯度。同樣地，也存在在蒸汽分布的梯度。在管的入口115附近，蒸汽壓力和溫度分布隨著軸向位置而變化，飽和比也是如此。進一步沿著管往下，這些參數(shù)接近穩(wěn)定狀態(tài)值，所述穩(wěn)定狀態(tài)值對于管的剩余長度而言維持不變。

在該近穩(wěn)態(tài)區(qū)域中，中心線附近的飽和比的值超過1。這些“過飽和”條件(即，飽和比大于1)由從壁到流中的蒸汽質(zhì)量與熱量傳遞的比率差以及平衡蒸汽壓力對溫度的非線性依賴性導致。

針對圖1a-ab計算出的飽和曲線如圖2、圖3a和圖3b所示。圖2示出流的切片202的飽和比，該切片在圖1的生長管的暖冷表面之間延伸。所示的切片在y＝0的y軸位置處位于x-z平面中，并且在圖1的生長管的暖表面110和冷表面112之間延伸。在切片202中，根據(jù)右側(cè)的刻度，較高的飽和比由較淺的陰影表示，并且低飽和比值更深。管直徑為6mm，流量為0.3l/min。冷凝蒸汽為水，載氣為空氣，進入流量為22℃和50％rh。

如上所述，對于圖2、圖3a和圖3b的分布，管直徑d1為6mm，流量為0.3l/min。冷凝蒸汽為水，載氣為空氣，進入流為22℃和50％相對濕度(rh)。沿著圖2所示的切片，流達到1.42的最大飽和比。最大值出現(xiàn)在朝向冷壁距離中心線的一個管半徑的六分之一處。

圖3a示出沿著位于圖2的y＝0處的x-z平面的幾個徑向位置的飽和比的軸向依賴性。由于邊界條件是用于潤濕的壁，并且任何多余的水蒸汽都將簡單地冷凝，所以內(nèi)壁處的飽和比總是等于1。流核心的飽和比在管的入口115處快速增加，首先在靠近壁的大的徑向位置處上升，并且在中心線附近更緩慢地上升。在下游，這些飽和比平穩(wěn)至取決于徑向位置的值，大致獨立于軸向坐標。更具體地說，在這個示例中，每個軌跡的飽和比在距離下游約25mm至約40mm之后達到幾乎恒定的值。除了在壁處之外，這些平穩(wěn)飽和比值大于1。飽和比平穩(wěn)之處的軸向距離與流量成比例，更一般地，該軸向距離和體積流量的乘積落在0.5s/cm²至0.8s/cm²的范圍內(nèi)。如上所述，最高的飽和比略微偏離中心線實現(xiàn)。圖3b示出當進入流完全干燥，其中0％rh時，針對相同構(gòu)造和操作溫度達到的飽和比。實現(xiàn)的最大過飽和比為1.42，與當輸入流量為50％rh時的計算結(jié)果相比沒有顯著變化。

圖4示出構(gòu)成扁平盤卷生長管400的本技術(shù)的第二實施例。生長管400是單個平面中的盤管，其中上側(cè)比下側(cè)暖?？諝庖暂^小的半徑(tighterradius)進入中心，并沿著盤管向下行進，以便在外邊緣處離開，如箭頭所示。根據(jù)右側(cè)的刻度，較淺的陰影表示較高的溫度(值以℃為單位)。

盡管在單獨的橫截面中沒有詳細描述，圖4的實施例以與圖1的實施例相同的方式包括區(qū)域410和412：對于大約20°至大約160°的角向位置，區(qū)域410中的壁保持在60℃，并且對于在區(qū)域112中200°至340°的角向位置，區(qū)域412中的壁保持在20℃。角向位置與公共原點有關(guān)，并且角向位置(原點)以及因此區(qū)域410和412是恒定的，由此在管400的整個長度上縱向延伸。

在圖4中，上側(cè)410比下側(cè)412更暖?？諝庖暂^小的半徑從入口415進入中心，并且沿著盤管向下行進，以便在外邊緣處離開。根據(jù)右側(cè)的刻度(℃)，較淺的陰影表示較高的溫度。

盤卷幾何結(jié)構(gòu)導致二次流動模式的發(fā)展，如圖5中所示。在圖5中，盤管中的速度場顯示二次流動模式，其中盤管的中心位于圖5的橫截面的左側(cè)。短劃線示出二次流動模式，其是垂直于管的軸線的流的分量，即，在紙的平面中。每個短劃線的長度與速度的大小成比例。箭頭表示二次流的方向。實線是沿管子軸向向下行進的主流的恒定速度輪廓。圖4中的橫截面5-5的流動方向在頁面之外。如圖所示，流動模式不是湍流；即，流速不隨時間變化，只能在空間上變化。然而，不是通常表征層流的直流軌跡，盤卷幾何結(jié)構(gòu)中的流動軌跡不是直的。相反，軌跡遵循螺旋圖案，其將來自冷壁和暖壁的流直接引入流的中心。盤管的中心在左側(cè)。實線示出相等縱向流的輪廓，即，沿著管的軸線。這些縱向速度朝向盤管的外側(cè)稍微較大一些。點線示出垂直的流動分量，其呈現(xiàn)雙渦旋模式。單個流動軌跡跟蹤雙螺旋，且在一段時間內(nèi)流線沿著壁，向中心彎曲并返回到外部。

縱向流最大值距離管中心的位移的程度以及相對于縱向速度的垂直渦流模式的大小取決于dean數(shù)，定義如下：

其中，是流量雷諾數(shù)，v是平均流速，d是管的直徑，a是盤管的直徑，ρ是空氣密度，μ是空氣粘度。盤卷直徑a是從盤管的中心軸線到管的中心的距離的兩倍。對于螺旋構(gòu)造，a是恒定的，而對于扁平螺旋構(gòu)造，a在盤管中心附近較小。對于小的de<17而言，即，當盤管半徑比管直徑大時，作為離心誘導的壓力梯度的結(jié)果，形成一對對稱放置的反向旋轉(zhuǎn)渦流。如在1971年美國化學工程學院期刊第17期第1114-1122頁中由dravid,a.n.、smith,k.a.、merrill,e.w.、brian,p.l.t.發(fā)表的“effectofsecondaryfluidmotiononthelaminarflowheattransferinhelicallycoiledtubes”中分析性地描述了二次流動模式。對于中等值，de<370，管內(nèi)的雙重旋渦變得不對稱，且在外旋渦中具有較高的速度，但是流動軌跡是明確定義的且是時不變的。在更高的de下，流開始與管的內(nèi)壁分離。上述建模是針對de＝350的情況。

所得到的幾何結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生冷凝生長所需的蒸汽過飽和，因為二次流動模式增強了蒸汽從濕潤壁進入流中心的運動。管中心附近的空氣團將最終遷移到靠近壁的地方，從而增強了熱量和蒸汽的傳遞。這有效地縮短了擴散距離，并且飽和比再次達到主要依賴于徑向位置的穩(wěn)態(tài)值。一旦達到穩(wěn)定狀態(tài)，飽和比平衡到幾乎恒定的值，以便為顆粒激活和生長提供了充足的時間。

圖6、圖7a和圖7b示出用圖5的實施例實現(xiàn)的飽和比，其中盤卷半徑r＝a/2(管中心線測量到180°管中心線)在7mm至17mm之間變化。對直徑為6mm，體積流速為0.3l/min的長120mm的管進行計算。

圖6示出在圖4的生長管的暖冷表面之間延伸的流的切片的飽和比，其中較淺的陰影表示較高的飽和比值，如右側(cè)的刻度所示。管直徑d1為6mm，流量為0.3l/min。冷凝蒸汽為水，載氣為空氣，并且進入流處于22℃和0％rh。

圖7a示出來自圖4的垂直切片的幾個徑向位置處的飽和比，其中進入流處于22℃和0％rh。圖7b示出來自圖4的垂直切片的幾個徑向位置處的飽和比，其中進入流處于22℃和50％rh。應當注意，該垂直切片從較暖的表面延伸經(jīng)過管的中心線到較冷的表面，并且還沿著管軸線從流入口延伸到流出口。

流在較小的盤卷半徑處在入口415進入中心附近。為了比較，以與圖1的直線構(gòu)造相同的操作溫度、流量和管直徑進行計算。結(jié)果顯示出圖4的實施例的總體特性與針對圖1的直管實施例相同，盡管所實現(xiàn)的最大過飽和比為1.50，該值略高于關(guān)于直管的1.42。因此，使得流從較大的徑向位置朝中心流動的二次流增加了過飽和。如在直夾層生長管方法中，最大飽和基本上不依賴于進入流的相對濕度，并且在0％rh或50％rh下進行采樣計算，均給出1.52的飽和比。

圖8a和圖8b所示的第三種構(gòu)造是螺旋盤管700。在這種螺旋生長管中，具有盤旋的盤管，盤管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)處于不同的溫度，如陰影所示。在該示例中，內(nèi)表面為60℃，外表面為20℃。載氣在入口720處進入，并且在出口721處離開。對于需要應對較大的樣品流量的情況，這種構(gòu)造可能更緊湊。給出的示例具有10mm的管直徑d2，40mm的盤卷直徑a2，7l/min的空氣流速。盤管的內(nèi)表面保持在60℃，外表面保持在20℃。在圖8b中，圖8a和圖8b的實施例以等同于圖1的實施例的方式包括相當于(經(jīng)過90°旋轉(zhuǎn))110和112的區(qū)域710和712：對于140°的弧長，區(qū)域710中的壁保持在60℃，對于140°的角向位置，區(qū)域712中的壁保持在20℃，但是可利用更長或更短的弧長。角向位置是相對于公共原點，并且角向位置處(原點)以及因此區(qū)域710和712在管400的整個長度上在管的每個橫截面處相對于原點占據(jù)相同的角向位置。

圖9示出在暖冷表面之間延伸并經(jīng)過圖8a至圖8b的生長管的中心線的切片的飽和比。較淺的陰影表示較高的飽和比值。注意，飽和比快速達到高于1.2的值，然后沿著盤管的長度維持不變。冷凝蒸汽為水，載氣為空氣，并且進入流處于20℃和30％rh。

在圖10中示出使用該構(gòu)造實現(xiàn)的飽和度。圖10示出用于圖8a至圖8b的螺旋夾層結(jié)構(gòu)的幾個徑向位置的作為軸向位置的函數(shù)的飽和比。在該示例中，最大飽和比為1.3，這低于在相同操作溫度下用扁平盤管實現(xiàn)的飽和比。這個較低的值可能歸因于溫度差與循環(huán)流動模式不一致，就像在扁平盤管中一樣。

持續(xù)飽和比的區(qū)域的優(yōu)點是提供更多的激活時間并產(chǎn)生大的液滴，同時保持較小的管直徑，以避免由于冷凝熱釋放而在高顆粒濃度下的飽和性降低。

在所有上述示例中，考慮了水在懸浮在空氣中的顆粒上冷凝的情況。在這種情況下，冷凝流體的擴散率和載氣的熱擴散率是相似的，例如水冷凝在攜帶于空氣中的顆粒上的情況。與溫度升高相比，作為小分子的水更快地擴散。具體地說，在室溫下水蒸汽的質(zhì)量擴散系數(shù)為0.25cm²/s，而空氣的熱擴散率為0.20cm²/s。在熱和水均從壁擴散到流中的情況下，水蒸汽的輸送超過熱輸送的速度。結(jié)果是，水蒸汽過飽和區(qū)域在中心線附近。

這種相同的方法也可用于擴散性或更不同的情況，例如異丙醇冷凝在氣流中的顆粒上。在這種情況下，最大過飽和的軌跡點與水冷凝相比離流的中心線更遠。然而，如在所示的實施例中，沿著每個軌跡的過飽和度達到幾乎恒定的值，其為顆粒激活和生長提供了足夠的時間。

圖11a至圖11b示出扁平盤卷生長管與顆粒計數(shù)器1114b相結(jié)合使用或作為顆粒收集器1114a使用。扁平盤卷或螺旋生長管1120由兩個對稱板1105、1107形成，在兩個對稱板1105、1107中有凹槽1120a，如圖11c和圖11d所示。(應理解，在上金屬板1105中切割未示出的相對且相反的凹槽，以完成管1120的形成。)這些凹槽隨后配合在一起，如圖11b所示。小型加熱器1104，例如筒式或薄膜加熱器安裝在一側(cè)上，并且諸如珀爾帖或熱電裝置的冷卻器1106安裝在另一側(cè)上。另選地，單個熱電裝置可安裝在兩個板半部1105、1107之間，以將熱量從一側(cè)泵送到另一側(cè)。兩個半部之間的絕緣減少了兩個板之間的熱泄漏。通過使用未燒結(jié)的氧化鋁坯料或其它可潤濕的材料來構(gòu)造在其中切割凹槽的兩個板1105、1107，可在螺旋的整個內(nèi)表面保持潤濕的表面。如圖所示，流進入在螺旋管1102中心處的入口1102，并流經(jīng)過螺旋體，其中超細顆粒通過冷凝生長。這種生長是由于由濕潤的、非等溫壁的水和蒸汽輸送的相對速率產(chǎn)生的蒸汽過飽和，如上所述。

取決于所需的應用，流被引導至光學傳感器1114b或引導至沖擊收集器1114a，如圖11c和圖11d所示。當聯(lián)接到光學傳感器1114d時，該裝置形成冷凝顆粒計數(shù)器，其檢測并測量懸浮在空氣或其它氣體流中的各個超細顆粒的濃度。當聯(lián)接到?jīng)_擊收集器1114a時，該裝置變成超細顆粒收集器，其將超細顆粒沉積為固體表面上的集中斑點或一組斑點。顆粒收集器也可存放在液體中。在兩種應用中，超細顆粒的檢測或捕獲都能通過冷凝生長實現(xiàn)。除了收集和計數(shù)之外，本文介紹的冷凝生長方法可用于增加電荷，或者以空氣動力學方式使顆粒聚集。盡管圖11a至圖11d示出使用扁平盤卷生長管的這些應用，但是這些相同的概念也適用于圖8中所示的螺旋結(jié)構(gòu)。

在替代實施例中，可在板1105和1107之間設置絕緣層。在這種實施例中，絕緣層可由塑料或泡沫形成，并且具有與在其中形成的每個板中的凹槽相匹配的凹槽。由具有絕緣層的板1105和1107形成的合成管(resultingtube)可是不完全圓周(圓形)的，而是可具有類似于橢圓形的橫截面。

盤卷方法還可應用于hering等人(美國專利6,712,881和美國專利8,801,838)的層流水冷凝方法，其中流以層流方式經(jīng)過壁濕潤且溫度高于進入流的溫度的區(qū)域。在該溫暖、濕潤壁部內(nèi)，水蒸汽比其加熱更快地擴散到冷卻器的流中，以便在流的中心部分產(chǎn)生具有最大值的水汽過飽和區(qū)域。這可在調(diào)節(jié)階段之前進行，以調(diào)節(jié)進入流的溫度，或者接下來可以是減速階段以便一旦產(chǎn)生過飽和就從流中提取水蒸汽，或者可將所有三個階段同時操作。這三種方法中的任何一種都可適于盤卷方法。由于上述二次流模式，盤管既提高了從壁的傳輸速度，也提供了更緊湊的設計。

圖12示出本技術(shù)應用于us6712881的方法，該方法包括具有冷卻的調(diào)節(jié)器的盤卷生長管，冷卻的調(diào)節(jié)器后面是溫暖的生長區(qū)域?？諝庠诘陀?imgfile="bda0001325906980000111.gif"wi="61"he="86"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>圈數(shù)下被冷卻和加濕，然后在30℃以上的溫度(生長部分)下中遇到一整圈，在該期間，飽和比高達1.4。

圖13示出直生長管和盤卷生長管之間的模型比較。為了適應7升/分鐘，直版是2米長。盤卷版要求的管長度要小得多。圖15示出通過數(shù)值模擬獲得的沿著該幾何圖形的中心線計算的飽和比。這些結(jié)果用于承載7l/min流量的10mm直徑管。圖13還將盤卷設計與遵循美國專利6712881的方法的直線生長管進行比較。兩者都設計成承載相同的7l/min流量。盤管的峰值飽和比稍微下降，但是盤管在小于三分之一管長內(nèi)完成其任務。圖15示出盤卷生長管與直生長管實施方案的并排比較。在這種情況下，直版已被分解成幾個平行的生長管，因為一個管可能會限制儀器的長度。盤卷版約有1/5的體積。

本文描述的每種設計方法都利用在本文所述裝置的各種實施例中提供非湍流的可變流速和管直徑組件。對于管中的等溫流動，可通過選擇管直徑和流量來滿足上述條件，使得上文定義的雷諾數(shù)低于2000。對于盤卷幾何結(jié)構(gòu)，還有一個額外的要求是，迪恩斯數(shù)低于約500。由于溫度差異，還需要選擇管直徑來確保與強制對流相比自然對流是小的。自然對流是指由通過系統(tǒng)中的溫度差形成的垂直密度梯度而產(chǎn)生的流。自然對流與強制對流的相對大小由涉及弗勞德數(shù)的無量綱群描述，其定義為：

fr＝(ρv²)/(ρv0²)＝(ρv²)/(δρgl)，

其中v是強制對流的特征速度，v0是自然(或自由)對流的特征速度，ρ是空氣密度，δρ是由于溫差造成的空氣密度變化，g是重力常數(shù)，以及l(fā)是特征距離。而對于小fr，自然對流占主導地位。對于上述系統(tǒng)，特征距離l是在入口處發(fā)生溫度跳躍的軸向距離，對于給出的示例，特征距離l是管直徑。上述系統(tǒng)關(guān)于溫差都采用小管直徑，使得fr>1。如果流被限制在頂部處具有溫暖表面的水平管中，則這一考慮不那么重要，如圖1a-ab和圖4a至圖4b所示。

簡要地說，本文描述了用于增強蒸汽過飽和區(qū)域的產(chǎn)生的盤卷幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)點及其在小的空氣傳播顆粒的冷凝生長中的應用。更具體地，已經(jīng)表明，盤卷幾何結(jié)構(gòu)可以在“夾層”構(gòu)造使用，其中形成盤卷結(jié)構(gòu)或盤旋結(jié)構(gòu)的管的一側(cè)比另一側(cè)更暖。夾層幾何結(jié)構(gòu)，無論是否是盤卷，都提供持續(xù)的高過飽和值，即使當管直徑較小時，高過飽和值也可促進液滴生長。它還提供了更多的時間來激活冷凝生長，特征在于可改善啟動生長到較少可潤濕的顆粒上。

成功應用這些概念需要非湍流。對于管狀幾何結(jié)構(gòu)，在re<2000，fr>l的條件下滿足該準則。在上述計算中，re從約70至約1000的范圍內(nèi)變動，并且fr從約4至約200的范圍內(nèi)變動。然而，應注意，對于扁平管構(gòu)造，較暖的表面在頂部，流動穩(wěn)定，甚至在小fr值的情況下，也不會被浮力中斷。對于盤卷幾何結(jié)構(gòu)，本文引用的參考文獻指出，迪恩斯數(shù)應該小于370以防止流與內(nèi)壁分離。以上針對圖4的“蝸牛狀”構(gòu)造的計算滿足該準則，且de在100至170的范圍內(nèi)。然而，在圖8和圖13的螺旋構(gòu)造中，在較高的de(階數(shù)為2000-3000)下進行了計算，因為我們的數(shù)值模型考慮了這種流動分離。在較高的de值下操作仍然提供過飽和分布的增強。因此，對于該應用，具有較高de值的構(gòu)造是可接受的。

上面提出的盤卷生長管的冷凝方法可以概括為如圖14a和圖14b所示。直徑為d的管1400布置成盤卷結(jié)構(gòu)。在沿著盤卷結(jié)構(gòu)的任何點處，盤卷直徑a被定義為從盤管的中心軸線到管的中心的距離的兩倍。管具有入口和出口，載氣被引導通過該入口和出口。最典型地，這種載氣是空氣。管的內(nèi)壁用例如水的可冷凝流體潤濕。當觀察管的橫截面時，沿著圓周1410的第一部分的溫度被保持為th，而沿圓周1412的第二部分的溫度被保持為tc。這兩個圓周部分沿著管的長度延伸。溫度th高于溫度tc，但小于的管內(nèi)的流壓力下的可冷凝流體的沸點。圓周1418和1419的中間部段將具有在th和tc之間某處的溫度。該生長管的入口部段可以是與生長管熱絕緣的管狀部段1420。類似地，可存在與生長管熱絕緣的出口部段1421。該出口部段可以是直管，以便使通過冷凝生長而形成的液滴的慣性沉積最小化。應當注意，管橫截面不需要是完全圓周的，而是可包括圓形、橢圓形或任何弧形表面。

上面的討論根據(jù)相對于管的中心軸線的角向位置描述了這些圓周部分。給出了對于通過相對于在管的中心處的線的角坐標20°至160°描述的第一圓周部段的計算，并且第二圓周部段通過約200°至約340°的角向位置描述，其中這些角坐標與管的中心軸線有關(guān)。在給出的示例中，沿著管的長度這些角向位置是恒定的。然而，應該清楚的是，即使這些角向位置沿著管的長度稍微變化，或者如果管不是完全圓形的，則流中的懸浮顆粒的飽和性分布以及因此冷凝生長將基本上相同。略微的橢圓形將表現(xiàn)相似。通過本文提出的方法，期望在任何構(gòu)造中形成蒸汽過飽和區(qū)域：其中流被包含在兩個潤濕表面之間，這兩個潤濕表面被保持在不同的溫度下，并且沿垂直于該流的方向分離。

使用這種盤卷生長管的系統(tǒng)將在其出口處聯(lián)接到液滴測量或操縱裝置1430，例如顆粒計數(shù)器或顆粒收集器、或顆粒聚集裝置或顆粒充電器。可提供泵、鼓風機或通風機1440。當將載有顆粒的流引入系統(tǒng)中時，顆粒將通過冷凝而生長到用于潤濕壁的可冷凝流體的顆粒上。這種冷凝生長會使顆粒擴大至少幾納米，以形成直徑為1微米或更大的液滴。擴大的顆粒通過光學裝置更容易計數(shù)，或者由慣性裝置收集，或者以空氣動力學方式聚集，或以電學方式充電。因此，任何數(shù)量的顆粒裝置都可聯(lián)接到盤卷生長管的出口，以使得與小顆粒的無擴大可能性的情況相比，能夠更容易地測量或操縱小顆粒。

一旦顆粒通過冷凝生長而擴大，那么它們可比原始的超細顆粒更容易被檢測或操縱。存在應用冷凝生長以使得光學檢測和諸如用于冷凝核計數(shù)器或冷凝顆粒計數(shù)器的顆粒成為可能的許多示例。還存在許多將冷凝生長應用于顆粒收集的，特別是用于實現(xiàn)化學或生物分析的目的的示例。冷凝生長也用于以空氣動力學方式將顆粒聚焦和聚集，或更有效地以電學方式對它們進行充電。這些應用中的任何一種都可與本文提出的持續(xù)冷凝生長方法一起使用。實際上，持續(xù)冷凝生長使得能夠形成更大的液滴，這種更大的液滴更容易被光學地檢測或者慣性地收集或者以空氣動力學方式聚焦。

雖然已經(jīng)以結(jié)構(gòu)特征和/或方法動作特有的語言描述了本主題，但是應理解，所附權(quán)利要求中限定的主題不一定限于上述特定特征或動作。相反，上述特定特征和動作被公開為實現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式。