AT523719A4

AT523719A4 - Verfahren zur Kondensationspartikelvergrößerung und Kondensationspartikelvergrößerer

Info

Publication number: AT523719A4
Application number: ATA50527/2020A
Authority: AT
Inventors: Kupper Dipl -Ing Martin; Kraft Dr Martin; Bergmann Mag Dr Alexander
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-11-15
Also published as: AT523719B1

Abstract

Um flüssiges Betriebsmittel in einem Kondensationspartikelvergrößerer (1) zu vermeiden ist vorgesehen, dass ein bestimmtes Trägeraerosolvolumen (VTS) mit Trägeraerosoltemperatur (TTS) mit einem Betriebsmitteldampfvolumen (VBD) aus reinem Betriebsmitteldampf mit einer vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur (TBD) zum Gasgemisch gemischt wird, sodass die im Gasgemisch enthaltene Stoffmenge (nBD) an Betriebsmittel in einer Kondensationseinheit (7) mit vorgegebenen Kondensationsvolumen (VK) und bei der vorgegebenen Kondensationstemperatur (TK) eine vorgegebene Sättigung (S) des Trägeraerosols mit Betriebsmittel ergibt.

Description

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Verfahren zur Kondensationspartikelvergrößerung und

Kondensationspartikelvergrößerer

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kondensationspartikelvergrößerung in einem mit Feststoffpartikeln beladenen Trägeraerosol, wobei das Trägeraerosol in einer Mischeinheit mit Betriebsmitteldampf gemischt wird und das entstehende Gasgemisch in einer Kondensationseinheit auf eine vorgegebene Kondensationstemperatur abgekühlt wird. Die Erfindung betrifft ferner einen Kondensationspartikelvergrößerer und die Verwendung

des Kondensationspartikelvergrößerers in einem Kondensationspartikelzähler.

Kondensationspartikelzähler sind optische Messgeräte zur Erfassung kleiner Feststoffpartikel mit Abmessungen beispielsweise im nm-Bereich, mit welchen ein Trägergas, z.B. Luft, Motorabgase etc., beladen ist. Dieses Trägergas mit den Partikeln wird im Folgenden auch als Trägeraerosol bezeichnet. Kondensationspartikelzähler werden beispielsweise in der Reinraumtechnik oder zur Messung von Feststoffpartikeln (z.B. Ruß, Feinstaub) in Abgasströmen, beispielsweise von Verbrennungskraftmaschinen, verwendet. Feststoffpartikel im nm-Bereich sind zu klein, um direkt auf optischem Weg detektiert werden zu können. Um solche Feststoffpartikel trotzdem messbar zu machen, werden Kondensationspartikelzähler verwendet, bei welchen das Trägeraerosol mit Dämpfen eines Betriebsmittels gesättigt wird. Die Feststoffpartikel dienen dann als Kondensationskerne und werden in einer Kondensationseinheit, in der das gesättigte Trägeraerosol abgekühlt wird, durch heterogene Kondensation des Betriebsmittels soweit vergrößert, dass sie in einer nachfolgenden Messzelle optisch detektiert werden können. Die Größe der Feststoffpartikel, ab der dieser Kondensationsprozess stattfindet, ist von der Sättigung abhängig und wird als Kelvindurchmesser bezeichnet. Je kleiner der Kelvindurchmesser für eine bestimmte Sättigung mit dem Betriebsmittel ist, desto kleiner können die Feststoffpartikel sein, die zur

Kondensation von Betriebsmittel führen.

Bekannt sind Kondensationspartikelzähler, bei denen das Trägeraerosol direkt mit Betriebsmitteldämpfen gesättigt wird. Dabei durchströmt das Trägeraerosol eine beheizte Sättigungseinheit, in der das Betriebsmittel verdampft wird, um eine mit Betriebsmitteldampf übersättigte Atmosphäre zu erzeugen. Das Trägeraerosol durchströmt diese übersättigte Atmosphäre, nimmt Betriebsmitteldampf auf und wird so mit Betriebsmittel gesättigt. In der Sättigungseinheit ist ein poröser, saugfähiger Sättigungskörper, beispielsweise ein gesintertes Material oder ein Docht (Wick), vorgesehen, der mit dem flüssigen Betriebsmittel gesättigt wird. Der Sättigungskörper wird beheizt, wodurch das Betriebsmittel verdampft. Das Trägeraerosol strömt an dem Sättigungskörper vorbei bzw. durch diesen hindurch, sodass das Trägeraerosol das verdampfte Betriebsmittel aufnehmen kann und durch die Dämpfe

des Betriebsmittels gesättigt wird. Hierbei kann der Sättigungskörper in einem Bad aus

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Betriebsmittel angeordnet sein, sodass der Sättigungskörper durch Kapillarkräfte mit dem Betriebsmittel befeuchtet wird. Ein solcher Kondensationspartikelzähler ist beispielsweise aus der EP 462 413 B1 oder der US 5,118,959 A bekannt. In einer anderen Ausgestaltung wird das flüssige Betriebsmittel dem Sättigungskörper aus einem externen Betriebsmitteltank zugeführt, wie beispielsweise in der WO 2017/085183 A1 beschrieben.

Ebenso sind Kondensationspartikelzähler bekannt, bei denen das Trägeraerosol mit einem mit Betriebsmittel gesättigten Fluid gemischt wird, um das Trägeraerosol mit dem Betriebsmittel zu sättigen. Hierbei wird eine turbulente, adiabate Mischung angestrebt. Bei diesen Ausführungen wird entweder ein Teil des Trägeraerosols als Fluid verwendet, wie beispielsweise in der US 6,567,157 B1, oder ein separates Gas, wie beispielsweise in der EP 1 930 713 A1 oder US 8,194,234 B2. Das Fluid wird in diesen Ausführungen aber ebenfalls in einer Sättigungseinheit mit einem porösen, saugfähigen Sättigungskörper wie

oben beschrieben gesättigt.

Entsprechend von Vorgaben, z.B. gesetzlichen Anforderungen, ist beispielsweise für Abgase von Kraftfahrzeugen der Partikelgrößenbereich von größer 10 nm, typischerweise 23 nm, bis 2.5 um zu detektieren. Die gesetzlichen Vorschriften werden jedoch laufend verschärft, weshalb davon auszugehen ist, dass hinkünftig auch kleinere Partikel detektiert werden müssen. Solch kleine Partikel wären auf direktem Wege nicht zuverlässig messbar. Durch die Kondensation im Kondensationskernzähler steigt die Größe der Partikel an, beispielsweise auf ca. 5 um. Partikel solcher Größe können einzeln optisch detektiert

werden, z.B. mit optischen Partikelzählern auf Basis von Streulicht.

Die Schwierigkeit bei Kondensationspartikelzählern nach dem Stand der Technik liegt darin, dass im Kondensationspartikelzähler flüssiges Betriebsmittel vorliegt, das bei unsachgemäßer Handhabung des Kondensationspartikelzählers, beispielsweise durch Kippen, in unerwünschte Bereiche des Geräts fließen kann, wodurch die Funktion beeinträchtigt werden kann oder der Kondensationspartikelzähler sogar beschädigt werden kann. Im Betrieb eines Kondensationspartikelzählers ist flüssiges Betriebsmittel im Gasweg des Kondensationspartikelzählers, in der Sättigungseinheit, der Kondensationseinheit oder gar in der Messzelle, unerwünscht und kann zu Störungen oder sogar zum Ausfall des Kondensationspartikelzählers führen. Flüssiges Betriebsmittel kann in den Gasweg gelangen, wenn der Kondensationspartikelzähler zu stark geneigt wird, wodurch flüssigen Betriebsmittel durch den Sättigungskörper oder aus der Kondensationseinheit in den Gasweg tropfen kann. Das kann insbesondere bei mobilem Einsatz des Kondensationspartikelzählers an einem Fahrzeug passieren, beispielsweise durch die dabei einwirkenden Beschleunigungskräfte oder durch Neigung des Fahrzeugs. Vor allem bei

mobilen Anwendungen eines Kondensationspartikelzählers, beispielsweise in einem

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Fahrzeug, oder bei unsachgemäßer Handhabung des Kondensationspartikelzählers stellt

das ein großes Problem dar.

Eine derartige Kondensationspartikelvergrößerung von Feststoffpartikeln in einem Trägeraerosol kann aber auch bei anderen Anwendungen zur Anwendung kommen, insbesondere dort, wo Partikel in einem Gas enthalten sind, die zu klein zur direkten

Messung sind und zur Messung daher vergrößert werden müssen.

Es ist damit eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kondensationspartikelvergrößerung anzugeben, mit denen in Verbindung mit

flüssigem Betriebsmittel im Gerät auftretende Probleme vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein bestimmtes Trägeraerosolvolumen mit Trägeraerosoltemperatur mit einem Betriebsmitteldampfvolumen aus reinem Betriebsmitteldampf mit einer vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur zum Gasgemisch gemischt wird, sodass die im Gasgemisch enthaltene Stoffmenge an Betriebsmittel in der Kondensationseinheit mit vorgegebenen Kondensationsvolumen und bei der vorgegebenen Kondensationstemperatur eine vorgegebene Sättigung des Trägeraerosols mit Betriebsmittel ergibt. Der Kondensationspartikelvergrößerer zeichnet sich entsprechend dadurch aus, dass ein Betriebsmitteldampferzeuger vorgesehen ist, der ein Betriebsmitteldampfvolumen aus reinem Betriebsmitteldampf und mit einer vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur erzeugt, und eine Betriebsmitteldampfleitung vorgesehen ist, die den erzeugten Betriebsmitteldampf der Mischeinheit zuführt, die den Betriebsmitteldampf und das Trägeraerosol zum Gasgemisch mischt, wobei der Betriebsmitteldampferzeuger so viel Betriebsmitteldampfvolumen mit der vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur erzeugt, dass die im Gasgemisch enthaltene Stoffmenge an Betriebsmittel in der Kondensationseinheit mit vorgegebenen Kondensationsvolumen und bei der vorgegebenen Kondensationstemperatur eine vorgegebene Sättigung des Trägeraerosols mit Betriebsmittel

ergibt.

Anders ausgedrückt ist eine benötigte Sättigung des Trägeraerosols mit Betriebsmittel in der Kondensationseinheit bei einer vorgegebenen Kondensationstemperatur bekannt, um Feststoffpartikeln einer bestimmten vorgegebenen Größe vergrößern zu können. Anhand dieser bekannten Sättigung kann die Stoffmenge (auch als Massenfluss) an Betriebsmittel oder gleichwertig das Betriebsmitteldampfvolumen ermittelt werden, die mit dem Betriebsmitteldampf mit der vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur zum Trägeraerosol mit vorgegebenen Trägeraerosoltemperatur und vorgegebenen Trägeraerosolvolumen (auch als Volumenstrom) zugemischt werden muss, um diese

Sättigung zu erreichen.

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Da nur mehr reiner Betriebsmitteldampf einer bekannten Menge benötigt wird, kann die Menge an flüssigem Betriebsmittel weitestgehend reduziert werden, da nur mehr so viel flüssiges Betriebsmittel erforderlich ist, um die Betriebsmitteldampfmenge zu erzeugen. Ein allfällig verbleibender Rest an flüssigem Betriebsmittel kann entweder von den restlichen Komponenten getrennt werden oder stellt kein Problem mehr für den Betrieb des

Kondensationspartikelvergrößerer dar.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte

Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig.1 einen Zusammenhang zwischen Betriebsmitteldampfvolumen mit einer bestimmten Stoffmenge an Betriebsmittel und der Betriebsmitteldampftemperatur, Fig.2 einen Kondensationspartikelzähler mit einem erfindungsgemäßen Kondensationspartikelvergrößerer,

Fig.3 eine Ausführung der Mischeinheit als Venturimischer,

Fig.4 eine Ausführung des Betriebsmitteldampferzeugers als Zyklon und

Fig.5 bis 7 verschiedene Ausführungen der Mischeinheit.

Die gegenständliche Erfindung beruht darauf, dass anstelle von einem mit einem Betriebsmittel gesättigten Fluid reiner Betriebsmitteldampf zur Sättigung des Trägeraerosols verwendet wird. Damit kann auf eine übliche Sättigungseinheit mit einem porösen Sättigungskörper, der mit flüssigem Betriebsmittel getränkt werden muss, zur Erzeugung einer übersättigten Betriebsmittelatmosphäre verzichtet werden. Es ist daher nicht mehr erforderlich, im den Kondensationspartikelzähler flüssiges Betriebsmittel zu verwenden. Anstelle der Sättigungseinheit ist ein Betriebsmitteldampferzeuger vorgesehen, der allerdings von keinem Fluid durchströmt werden muss, sondern reinen Betriebsmitteldampf durch Verdampfen eines Betriebsmittel erzeugt. Der im Betriebsmitteldampferzeuger erzeugte Betriebsmitteldampf wird direkt mit dem Trägeraerosol, das die zu detektierenden Feststoffpartikel enthält, gemischt und nicht wie bisher das Trägeraerosol mit einem mit Betriebsmittel gesättigten Fluid. Dabei muss nur soviel Betriebsmitteldampf bereitgestellt werden, sodass das Trägeraerosol nach dem Mischen ausreichend mit dem Betriebsmittel

gesättigt ist.

Der angestrebte Sättigungsgrad hängt vom angestrebten Kelvindurchmesser ab. Hierbei gilt, je größer der Sättigungsgrad, umso kleiner wird der Kelvindurchmesser und umso kleinere

Partikelgrößen können durch nachfolgende Kondensation vergrößert werden. Dieser

40 M Zusammenhang wird durch die bekannte Formel d, = LO ausgedrückt, siehe pRTInS

beispielsweise Magnusson L.-E., et al., „Correlations for Vapor Nucleating Critical Embryo

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Parameters“, J.Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 32, No. 4, 2003 oder Wang J., et al., „Fast Mixing Condensation Nucleus Counter: Application to Rapid Scanning Differential Mobility Analyzer Measurements”, Aerosol Science and Technology 36: 678-689 (2002). Darin ist dk der Kelvindurchmesser, o die Oberflächenspannung, M die molare Masse, p die Dichte, R die Gaskonstante, T die Temperatur und S die Sättigung. Die Oberflächenspannung o, die molare Masse M und die Dichte p sind abhängig vom Betriebsmittel und können als bekannt vorausgesetzt werden, beispielsweise aus verfügbaren Materialdaten (beispielsweise aus www. ddbst.com). Die Sättigung ist das Verhältnis aus dem Dampfpartialdruck pp und dem Sättigungsdampfdruck ps, also S = pp / ps, wobei der Sättigungsdampfdruck ps ebenfalls abhängig vom Betriebsmittel ist und auch als bekannt vorausgesetzt werden kann. Der Sättigungsdampfdruck pS ist bekanntermaßen der Druck, bei dem der gasförmige Aggregatzustand sich mit dem flüssigen oder festen Aggregatzustand im Gleichgewicht befindet und ist von der Temperatur T abhängig. Der Dampfpartialdruck pp entspricht dem Druck, den die einzelne Gaskomponente, z.B. das gasförmige Betriebsmittel, bei alleinigem Vorhandensein im betreffenden Volumen ausüben würde. Auch andere Betriebsmittelparameter, wie beispielsweise die Dichte p können auch von der Temperatur T abhängig sein. Der Kelvindurchmesser dK kann bekanntermaßen nicht beliebig klein werden, sondern nur so klein, wie sich aus einer für das jeweilige Betriebsmittel vorgegebenen und bekannten kritischen Übersättigung Sx (die wieder temperaturabhängig sein kann) ergibt. Bei einer überkritischen Sättigung findet keine heterogene Kondensation an den Partikeln mehr statt, sondern eine homogene Kondensation des Betriebsmittels aus dem Betriebsmitteldampf ohne Kondensationskerne. Aus dem obigen Zusammenhang folgt

aber, dass der Kelvindurchmesser dx umso kleiner wird, umso größer die Sättigung S ist.

Das Ziel der Erfindung ist es somit, ein vorgegebenes Volumen Vs von Trägeraerosol mit einer vorgegebenen Trägeraerosoltemperatur T-s mit einem bestimmten Volumen Vep an Betriebsmitteldampf mit einer Betriebsmitteldampftemperatur To bei einem vorgegebenen Druck zu mischen, sodass die Mischung ausreichend mit dem Betriebsmittel gesättigt ist, sodass der angestrebte Kelvindurchmesser dk erreicht wird. Entscheidend ist hierbei der Zustand des Gasgemisches aus Trägeraerosol und Betriebsmitteldampf bei der Kondensation. „Vorgegeben“ bedeutet dabei, dass diese Parameter entweder einstellbar sind oder sich aus der Konstruktion des Kondensationspartikelzählers ergeben, damit aber

jedenfalls als bekannt vorausgesetzt werden können.

Der Betriebsmitteldampf wird mit einem Betriebsmitteldampferzeuger 5, der weiter unten noch näher erläutert wird, erzeugt. Der Betriebsmitteldampferzeuger 5 muss damit mit dem Betriebsmitteldampf die Stoffmenge neo (oder äquivalent die Masse mgp) an Betriebsmittel bereitstellen, die im Trägeraerosolvolumen Vs in der Kondensationseinheit 7 bei der

Kondensationstemperatur Tk eine Sättigung ergibt, mit der der angestrebte

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Kelvindurchmesser dk erreicht wird. Das ist üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, eine Übersättigung mit einer Sättigung von größer 100%. Die Mischung des Trägeraerosols mit einer Trägeraerosoltemperatur T7-s und dem Betriebsmitteldampf bei einer Betriebsmitteldampftemperatur Tep ergibt ein Gasgemisch aus Trägeraerosol und Betriebsmitteldampf bei einer sich einstellenden Gemischtemperatur Te und einem durch die Mischeinheit 2 vorgegebenen Gemischvolumen Ve. Die sich im einstellenden Gasgemisch einstellende Sättigung kann auch kleiner 100% sein, weil sich erst durch die Abkühlung in der nachfolgenden Kondensationseinheit 7 die angestrebte (Über)Sättigung ergibt. Es ist somit entscheidend die richtige Stoffmenge neo an Betriebsmittel im Betriebsmitteldampf zu erzeugen und mit dem Trägeraerosol zu mischen. Diese Stoffmenge ng ist abhängig vom angestrebten Kelvindurchmesser d« und damit auch von der Kondensationstemperatur Tk und dem Druck bei Kondensation. Üblicherweise wird der Druck in allen Komponenten des Kondensationspartikelvergrößerers (Fig.2) gleich gehalten (z.B. auf Atmosphärendruck), weshalb der Druck in der nachfolgenden Betrachtung zur Erläuterung vernachlässigt werden kann. Es ist aber natürlich ebenso denkbar, dass der Druck in den einzelnen Komponenten

unterschiedlich ist.

Der Betriebsmitteldampferzeuger erzeugt ein Betriebsmitteldampfvolumen Vgp, mit dem die Stoffmenge neo an Betriebsmittel transportiert werden muss. Üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, ist das Betriebsmitteldampfvolumen Vgp kleiner als das Trägeraerosolvolumen Vs und die Trägeraerosoltemperatur T7s kleiner als die Betriebsmitteldampftemperatur Tep. Diese Stoffmenge neo kann für ein bestimmtes Betriebsmittel zur Erzielung des angestrebten Kelvindurchmessers dx ermittelt werden, wie

nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert wird.

Ausgehend von der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase p-V =n- R-T, mit dem

Druck p, dem Volumen V, der Stoffmenge n, der Gaskonstanten R (8,314 J/molK) und der Temperatur T, berechnet sich die Stoffmenge eines Gases in mol zu n = rs . Mit der

molaren Masse M ergibt sich die Masse zu m =n-M .

Für die Veranschaulichung der Erfindung wird als Betriebsmittel n-Butanol angenommen, weil das derzeit ein häufig eingesetztes Betriebsmittel zur Kondensationspartikelvergrößerung ist. Selbstverständlich kann auch ein anderes Betriebsmittel, wie beispielsweise ein Alkan mit sechs bis zwölf Kohlenstoffatome, Glycerin, Ethanol usw., verwendet werden, wobei das Betriebsmittel natürlich so gewählt wird, dass es von den Stoffeigenschaften zum Trägeraerosol, insbesondere zur chemischen Zusammensetzung des Trägeraerosols, passt. N-Butanol hat eine molare Masse von

74,1216 g/mol. Der Sättigungsdampfdruck ps für verschiedene Temperaturen ist in der

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nachfolgenden Tabelle dargestellt. Daraus kann mit den obigen Formeln die Masse mgp an

n-Butanol in 1 Liter gesättigten Butanoldampf beim Sättigungsdampfdruck ps berechnet

werden.

Temperatur T [°K] Sättigungsdampfdruck ps Masse megp in 1 | gesättigtem [Pa] Butanoldampf [ug]

293,16 667 20,28

313,85 2613 74,26

333,27 8091 216,54

351,13 19870 504,74

373,70 53090 1267,14

392,34 106705 2425,81

In konventionellen Kondensationspartikelzählern ist die Temperatur in der Sättigungseinheit häufig ungefähr 40°C (313,15°K) und in der Kondensationseinheit 25°C (328,15°K). Wenn man annimmt, dass 1 Liter Trägeraerosol und der Betriebsmitteldampf bei 40°C gemischt werden, würde man für eine Sättigung 74,26 ug Butanol im Betriebsmitteldampf benötigen. Der erzeugte Betriebsmitteldampf hat allerdings üblicherweise eine andere Betriebsmitteldampftemperatur Te. Wenn man n-Butanol annimmt mit einer Siedetemperatur von 120°C, wäre in 1 | Betriebsmitteldampf bei 120°C ungefähr 2425,81 ug Butanol enthalten. Daraus folgt, dass 0,03 | (74,26 / 2425,81) Betriebsmitteldampf bei 120°C ausreichen, um bei Mischung mit 1 | Trägeraerosol bei 40 °C eine Sättigung des Trägeraerosols mit Betriebsmittel (n-Butanol) zu erreichen. Bei Siedetemperatur des Betriebsmittels zu arbeiten vereinfacht die Erzeugung des Betriebsmitteldampfes, ist aber

nicht unbedingt erforderlich.

Man könnte nun eine Kurve für das Betriebsmitteldampfvolumen Vep In Abhängigkeit von der Betriebsmitteldampftemperatur Tgp ermitteln, das erforderlich ist, um bei Mischung mit einem Trägeraerosol mit Trägeraerosolvolumen V-s und bei einer Trägeraerosoltemperatur T7s und einem bestimmten Druck eine Sättigung im Gasgemisch von 100% zu erreichen. Eine solche Kurve ist beispielsweise in Fig.1 für n-Butanol als Betriebsmittel für 1 Liter

Trägeraerosolvolumen V-s mit einer Trägeraerosoltemperatur T7s von 40°C und einem Druck

von 1 bar dargestellt.

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Für den erzielbaren Kelvindurchmesser dx ist jedoch die Sättigung S bei der Kondensation in der Kondensationseinheit 7 maßgebend. Aus der Gasgleichung kann anhand der bekannten Stoffmenge an Betriebsmittel im Gasgemisch den Dampfpartialdruck pp bei der Temperatur Tk in der Kondensationseinheit berechnen. Mit dem bekannten Sättigungsdampfdruck ps bei dieser Temperatur Tk kann dann die Sättigung S und der Kelvindurchmesser dx ermittelt werden. Beim obigen Beispiel mit einen Volumen von 1l Gasgemisch, in dem eine Stoffmenge von 74,26 ug Butanol enthalten ist, käme man bei einer Kondensationstemperatur Tx = 20°C (273,16°K) auf eine Sättigung von S=3,66 (366%) und auf einen Kelvindurchmesser d«=8,1 nm, mit der Dichte p = 809,5 kg/m* und der

Oberflächenspannung 0 = 69,9 mN/m für flüssiges Butanol jeweils bei 20°C.

Normalerweise wird man von einem angestrebten Kelvindurchmesser d\} bei den vorgegebenen Gegebenheiten in der Kondensationseinheit 7 (Kondensationstemperatur Tk, Kondensationsvolumen Vk, Druck bei Kondensation) ausgehen und eine benötigte Sättigung S ermitteln. Daraus kann dann wie oben gezeigt die Stoffmenge megpo an Betriebsmittel bei der Betriebsmitteltemperatur Tep, dem Betriebsmittelvolumen Vep und dem Druck des Betriebsmittels ermittelt werden, das mit dem Trägeraerosol bei der Trägeraerosoltemperatur Trts, dem Trägeraerosolvolumen V+-s und dem Druck des Trägeraerosols gemischt werden

muss, um diese Sättigung S zu erreichen.

Es ist damit natürlich auch möglich Tabellen, Kurven oder Kennfelder zu erstellen, um die benötigte Stoffmenge men an Betriebsmittel für verschiedene verstellbare Betriebsparameter wie Betriebsmitteltemperatur Tgp, Betriebsmittelvolumen Vgp, Trägeraerosoltemperatur Ts, Trägeraerosolvolumen V-s und insbesondere auch Kondensationstemperatur Tk und

Kondensationsvolumen Vk, ermitteln zu können.

Wenn ein kontinuierlicher Betrieb angestrebt ist, wird gleichwertig ein Volumen oder eine Masse an Betriebsmittel pro Zeiteinheit betrachtet, also ein Volumenstrom oder

Massenstrom.

Es kann damit die Stoffmenge genau bestimmt werden, weshalb es möglich ist, nur diese Stoffmenge in den Kondensationspartikelvergrößer 1 als Betriebsmitteldampf zuzuführen. Das ermöglicht es insbesondere auch, auf flüssiges Betriebsmittel im

Kondensationspartikelvergrößer 1 zu verzichten.

Daraus ist ersichtlich, dass die Stoffmenge (oder Masse) an Betriebsmittel zur benötigten Sättigung des Trägeraerosols in der Kondensationseinheit 7 bekannt ist, entweder aus

Tabellen, Kurven etc., oder ermittelt werden kann.

Das kann in einem Kondensationspartikelvergrößerer 1 genutzt werden, um Partikel in einem Trägeraerosol durch Kondensation mit einem Betriebsmittel zu vergrößern, wie anhand von

Fig.2 erläutert wird. Der Kondensationspartikelvergrößerer 1 ist in Fig.2 Teil eines

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Kondensationspartikelzählers 21, könnte aber auch eigenständig betrieben werden, oder Teil

eines anderen Gerätes sein.

Der Kondensationspartikelvergrößerer 1 besteht aus einer Mischeinheit 2, der über eine Trägeraerosolleitung 3 ein Trägeraerosol (mit Trägeraerosoltemperatur T7s und Trägeraerosolvolumen V-s) zugeführt wird. Das Traegeraerosol stammt beispielsweise aus einem Verbrennungsprozess 4 (nicht Teil der Vorrichtung), wie beispielsweise ein Abgas eines Verbrennungsmotors. In einem Betriebsmitteldampferzeuger 5 der Vorrichtung wird ein Betriebsmittel bei einer bestimmten Betriebsmitteldampftemperatur Tep verdampft, um reinen Betriebsmitteldampf zu erzeugen. Unter reinem Betriebsmitteldampf wird verstanden, dass der Betriebsmitteldampf mit keinem anderen Fluid gemischt ist, sondern nur aus, im Wesentlichen gasförmigem, Betriebsmittel besteht. Der Betriebsmitteldampf wird in der benötigten Menge, beispielsweise Stoffmenge mgp oder Betriebsmitteldampfvolumen Vep. über eine Betriebsmitteldampfleitung 6 der Mischeinheit 2 zugeführt und mit dem Trägeraerosol vermischt. Das Gasgemisch mit Gemischtemperatur Te und dem Gemischvolumen Ve wird über eine Gasgemischleitung 8 einer Kondensationseinheit 7 zugeführt. In der Kondensationseinheit 7 wird das Gasgemisch abgekühlt, wodurch das Trägeraerosol mit dem Betriebsmittel (über)sättigt wird, sodass das Betriebsmittel auf die im Trägeraerosol enthaltenen Feststoffpartikel (zumindest bis zu einem bestimmten Kelvindurchmesser dk) aufkondensieren und die Feststoffpartikel vergrößern. Die vergrößerten Feststoffpartikel im Gasstrom können dann einem Partikelzähler, beispielsweise ein optischer Partikelzähler wie z.B. ein Streulichtmessgerät, des Kondensationspartikelzählers 21 (nicht Teil des Kondensationspartikelvergrößerers 1)

zugeführt werden, oder anderweitig verwendet werden.

Entscheidend ist, dass die Stoffmenge an Betriebsmittel im Betriebsmitteldampf an das Trägeraerosolvolumen V-7s und an die Trägeraerosoltemperatur T-7s, und falls erforderlich auch an den Druck, in der Mischeinheit 2 angepasst ist. Es wird vom Betriebsmitteldampferzeuger 5 der Mischeinheit 2 so viel Betriebsmitteldampfvolumen Vep mit vorgegebener Betriebsmitteldampftemperatur Tep (was einer bestimmten Stoffmenge Megp an Betriebsmittel entspricht) zugeführt, dass die Sättigung S des Trägeraerosols in der Kondensationseinheit 7 oder der damit in Zusammenhang stehende Kelvindurchmesser dx den benötigten Wert erreicht. Die Stoffmenge mep an Betriebsmittel darf natürlich nicht so viel sein, dass sich eine überkritische Sättigung des Trägeraerosol einstellen würde, weil das zu einer homogenen Kondensation führen würde. Die überkritische Sättigung ist für ein bestimmtes Betriebsmittel und vorgegebene Kondensationstemperatur Tk bekannt. Ebenso wenig darf die Stoffmenge mg» zu gering sein, weil dann Feststoffpartikel bestimmter Größen nicht durch Kondensation vergrößert werden können. Üblicherweise wird eine Sättigung in

der Kondensationseinheit 7 von größer 1 (100%) und kleiner der bekannten überkritischen

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Sättigung angestrebt. Üblicherweise wird eine Sättigung in der Kondensationseinheit 7 im Bereich von 1,5 bis 3,5 eingestellt. Nach den obigen Ausführungen ist die dafür erforderliche Stoffmenge men bei den maßgebenden gegebenen Randbedingungen wie Volumen, Temperatur, Druck bekannt, sodass die benötigte Stoffmenge men an Betriebsmittel für den

Betrieb des Kondensationspartikelvergrößerers 1 genau dosiert werden kann.

Die Ausführung der Mischeinheit 2 und des Betriebsmitteldampferzeugers 5 kann beliebig sein. Angestrebt wird eine Ausführung, mit der möglichst adiabate Zustandsänderungen in

der Mischeinheit 2 und/oder der Kondensationseinheit 7 erreicht werden.

Mit Fig.3 wird eine vorteilhafte Ausgestaltung der Mischeinheit 2 als Venturimischer 22 beschrieben. Diese Ausführung ist insbesondere für einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung vorgesehen. Bei dieser Ausführung ist in der Mischeinheit 2 eine Venturidüse 10 vorgesehen, mit einer Rohrverengung 11 zwischen einem Eintrittsquerschnitt A: und einem Austrittsquerschnitt Ay mit größeren Querschnitt Ap als an der Rohrverengung 11. In den Eintrittsquerschnitt Az mündet die Trägeraerosolleitung 3 und an den Austrittsquerschnitt Asa ist die Gasgemischleitung 8 angeschlossen. Im Bereich der Rohrverengung 11 der Venturidüse 10 mündet die Betriebsmitteldampfleitung 6 in die Venturidüse 10. Durch Auslegung der Venturidüse 10 nach den Gesetzen der Strömungsmechanik kann das durch die Strömung in der Venturidüse 10 angesaugte Betriebsmitteldampfvolumen Vep, beispielsweise pro Zeiteinheit, aus dem Betriebsmitteldampferzeuger 5 festgelegt werden. Damit kann die Stoffmenge an Betriebsmittel, die dem Trägeraerosol zugeführt wird, genau eingestellt werden. Die Venturidüse 10 kann aber auch umgekehrt betrieben werden, also so dass der Betriebsmitteldampf die Hauptströmung durch die Venturidüse 10 ausbildet und das Trägeraerosol an der Rohrverengung 11 angesaugt wird. In diesem Fall würde die

Betriebsmitteldampfleitung 8 in den Eintrittsquerschnitt A: der Venturidüse 10 münden.

Nach der Venturidüse 10 sollten möglichst laminare Strömungsverhältnisse vorliegen, um Partikelverluste zu verhindern. Das kann beispielsweise durch eine deutliche Aufweitung des

Rohrdurchmessers stromabwärts der Venturidüse 10 erreicht werden.

Eine andere Ausgestaltung des Betriebsmitteldampferzeugers 5 als Zykonabscheider 20 ist in Fig.4 dargestellt. In einem Verdampfer 13 wird Betriebsmittel verdampft und über eine Dampfleitung 14 und gegebenenfalls einer Fördereinrichtung 15, wie z.B. einem Ventilator, einem Zyklon 16 zugeführt. Die Zuführung der Dampfleitung 14 in den Zyklon 16 erfolgt möglichst tangential, um eine zirkulare Strömung im Zyklon 16 zu erzeugen. Damit werden mögliche Tröpfchen an Betriebsmittel im Betriebsmitteldampf im Zyklon 16 abgeschieden und im Boden des Zyklons 16 gesammelt, von wo diese in den Verdampfer 13 zurückgeleitet werden können. Der erzeugte Betriebsmitteldampf kann über eine zentral angeordnete

Betriebsmitteldampfleitung 6 abgeführt werden.

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Eine einfache Ausführung von Betriebsmitteldampferzeuger 5 und Mischeinheit 2 ist in Fig.5 dargestellt. Der Betriebsmitteldampferzeuger 5 ist zur Trägeraerosolleitung 3 hin offen, sodass verdampftes Betriebsmittel in der benötigten Menge aus dem Betriebsmitteldampferzeuger 5 direkt in die Trägeraerosolleitung 3 strömt und dort mit dem Trägeraerosol vermischt wird. Der Verdampfer 13 bildet damit gleichzeitig auch die

Betriebsmitteldampfleitung 6 aus.

In der Ausführung nach Fig.6 läuft der untere Bereich des Betriebsmitteldampferzeugers 5 konisch zusammen. Überschüssiges flüssiges Betriebsmittel kann damit im unteren Bereich des Betriebsmitteldampferzeugers 5 besser gesammelt und über eine Betriebsmittelabführung 19 aus dem Betriebsmitteldampferzeuger 5 abgeführt werden,

beispielsweise durch Schwerkraft oder mittels einer (nicht dargestellten) Förderpumpe.

In der Ausführung nach Fig.7 ist stromabwärts der Mischeinheit 2 und stromaufwärts der Kondensationseinheit 7 (nicht dargestellt) ein Zyklonabscheider 20 mit einem Zyklon 16 vorgesehen, um allfälliges, im Gasgemisch verbliebenes flüssiges Betriebsmittel abzuscheiden, bevor das Gasgemisch in die Kondensationseinheit 7 gelangt. Das Gasgemisch wird dem Zyklonabscheider 20 tangential zugeführt, sodass durch die Tangentialströmung des Gasgemisches im Zyklonabscheider 20 flüssiges Betriebsmittel abgeschieden wird. Im unteren Bereich des Zyklonabscheiders 20 kann das flüssige Betriebsmittel gesammelt und abgeführt oder in den Betriebsmitteldampferzeuger 5 rückgeführt werden. Ein solcher Zyklonabscheider 20 kann natürlich auch mit einem Venturimischer wie in Fig.3, oder mit jeder anderen Ausführung einer Mischeinheit 2

kombiniert werden.

Der Betriebsmitteldampferzeuger 5 kann folglich als einfacher Verdampfer 13 ausgeführt sein, der durch eine Heizeinrichtung 12 Betriebsmittel in der benötigten Menge bei einer eingestellten Temperatur verdampft, wie in Fig.3 oder 4 dargestellt. Die Heizeinrichtung 12 ist beispielsweise als elektrische Heizung ausgeführt, beispielsweise in Form von

Peltierlementen.

Dem Betriebsmitteldampferzeuger 5 muss nur so viel Betriebsmittel zugeführt werden, das für die Erzeugung des Betriebsmitteldampfes benötigt wird. Hierzu kann beispielsweise ein steuerbarer Betriebsmittelzulauf vorgesehen sein, wie in Fig.5 oder 6 dargestellt. Über eine Betriebsmittelzuführung 17 wird dem Betriebsmitteldampferzeuger 5 flüssiges Betriebsmittel zugeführt, beispielsweise über eine Dosierpumpe 18, um die Menge genau kontrollieren zu können. Damit kann die Menge an flüssigem Betriebsmittel in der Vorrichtung deutlich reduziert werden, vorzugsweise So weit, dass die Menge an flüssigem Betriebsmittel die Funktion des Kondensationspartikelvergrößerer 1 oder eines Kondensationspartikelzählers

21 auch dann nicht beeinträchtigt, wenn dieses in andere Teile der Vorrichtung gelangt.

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Ein derartiger Betriebsmittelzulauf kann in jeder Ausführung des

Betriebsmitteldampferzeugers 5 vorgesehen sein.

In der Betriebsmitteldampfleitung 6 kann auch eine Durchflussregeleinheit, beispielsweise ein regelbares Ventil oder eine Dosierpumpe, vorgesehen sein, um ein definiertes Volumen (auch pro Zeiteinheit) an Betriebsmittel, und damit eine definierte Stoffmenge mgp (auch pro

Zeiteinheit) an Betriebsmittel, in die Mischeinheit 2 zuzuführen.

Obwohl in den Figuren nicht eigens dargestellt oder nur angedeutet, ist es eine Selbstverständlichkeit, dass Leitungen, wie beispielsweise eine Betriebsmitteldampfleitung 6, und/oder sonstige Anlagenteile, wie beispielsweise ein Zyklon 16, 20 oder eine Venturidüse 10, auch temperiert und/oder thermisch isoliert sein können, um diese auf benötigte

Temperaturen zu halten.

Auch die Kondensationseinheit 7 kann grundsätzlich beliebig ausgeführt sein. In einer einfachen Ausgestaltung ist die Kondensationseinheit 7 ein gekühltes Leitungsstück, sodass das durchströmende Gasgemisch aus Trägeraerosol und Betriebsmitteldampf abgekühlt wird und so übersättigt, sodass das enthaltene Betriebsmittel auf die Feststoffpartikel im Gasgemisch aufkondensiert, um die Feststoffpartikel zu vergrößern. Es kann aber auch ein turbulenter Kondenser vorgesehen sein, wie beispielsweise in Collins A.M., et al., „Development and Characterization of a novel Approach for Water-Based Condensation Growth of Aerosols“, European Aerosol Conference, Sept. 4 to 9, 2011 oder US 8,711,338 B2 beschrieben. Bei einem turbulenten Kondenser wird in einem Kondensationsvolumen eine turbulente Strömung des Gasgemisches erzeugt, um das Abkühlen und die

Kondensation des Betriebsmittels auf die Feststoffpartikel zu unterstützen.

13 / 15°

Claims

15 20 25 30 35 AV-4182 AT Patentansprüche

1. Verfahren zur Kondensationspartikelvergrößerung in einem mit Feststoffpartikeln beladenen Trägeraerosol, wobei das Trägeraerosol in einer Mischeinheit (2) mit Betriebsmitteldampf gemischt wird und das entstehende Gasgemisch in einer Kondensationseinheit (7) auf eine vorgegebene Kondensationstemperatur (Tk) abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestimmtes Trägeraerosolvolumen (Vs) mit Trägeraerosoltemperatur (T-s) mit einem Betriebsmitteldampfvolumen (Vgep) aus reinem Betriebsmitteldampf mit einer vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur (Teo) zum Gasgemisch gemischt wird, sodass die im Gasgemisch enthaltene Stoffmenge (neo) an Betriebsmittel in der Kondensationseinheit (7) mit vorgegebenen Kondensationsvolumen (Vk) und bei der vorgegebenen Kondensationstemperatur (Tx) eine vorgegebene Sättigung (S)

des Trägeraerosols mit Betriebsmittel ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Betriebsmitteldampfvolumen (Vgep) eine Sättigung (S) von größer 100% und kleiner einer für das Betriebsmittel bekannten überkritischen Sättigung eingestellt wird, vorzugsweise eine Sättigung (S) zwischen 150% und 350%.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasgemisch enthaltenes flüssiges Betriebsmittel in einem Zyklonabscheider (20) abgeschieden wird,

bevor das Gasgemisch der Kondensationseinheit (7) zugeführt wird.

4. Kondensationspartikelvergrößerer mit einer Mischeinheit (2), die mit einer Trägeraerosolleitung (3) zum Zuführen eines Trägeraerosols in die Mischeinheit (2) verbunden ist und die das mit Feststoffpartikeln beladene Trägeraerosol mit Betriebsmitteldampf mischt, und mit einer Kondensationseinheit (7), die das in der Mischeinheit (2) entstehende Gasgemisch auf eine vorgegebene Kondensationstemperatur (Tx) abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmitteldampferzeuger (5) vorgesehen ist, der ein Betriebsmitteldampfvolumen (Vgep) aus reinem Betriebsmitteldampf und mit einer vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur (Tep) erzeugt, und eine Betriebsmitteldampfleitung (6) vorgesehen ist, die den erzeugten Betriebsmitteldampf der Mischeinheit (2) zuführt, die den Betriebsmitteldampf und das Trägeraerosol zum Gasgemisch mischt, wobei der Betriebsmitteldampferzeuger (5) so viel Betriebsmitteldampfvolumen (Vegp) mit der vorgegebenen Betriebsmitteldampftemperatur (Tep) erzeugt, dass die im Gasgemisch enthaltene Stoffmenge (nsp) an Betriebsmittel in der Kondensationseinheit (7) mit vorgegebenem Kondensationsvolumen (Vk) und bei der vorgegebenen Kondensationstemperatur (Tx) eine vorgegebene Sättigung (S) des

Trägeraerosols mit Betriebsmittel ergibt.

14 / 18°

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5. Kondensationspartikelvergrößerer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmitteldampferzeuger (5) ein Betriebsmitteldampfvolumen (Vegp) erzeugt, das eine Sättigung (S) von größer 100% und kleiner einer für das Betriebsmittel bekannten

überkritischen Sättigung ergibt, vorzugsweise eine Sättigung (S) zwischen 150% und 350%.

6. Kondensationspartikelvergrößerer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmitteldampferzeuger (5) als Verdampfer (13) mit einer Heizeinrichtung (12) ausgeführt ist, der flüssiges Betriebsmittel bei der Betriebsmitteldampftemperatur (Tep)

verdampft, wobei der Verdampfer (13) vorzugsweise über die Betriebsmitteldampfleitung (6)

mit der Mischeinheit (2) verbunden ist.

7. Kondensationspartikelvergrößerer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit (2) als Venturimischer (22) mit einer Venturidüse (10) ausgeführt ist, wobei die Betriebsmitteldampfleitung (6) an einer Rohrverengung (11) der Venturidüse (10) in den Venturimischer (22) mündet und die Trägeraerosolleitung (3) in einen Eintrittsquerschnitt (Ag) der Venturidüse (10) mündet, oder die Betriebsmitteldampfleitung (6) in einen Eintrittsquerschnitt (Ag) der Venturidüse (10) mündet, und die Betriebsmitteldampfleitung (6), oder die Trägeraerosolleitung (3), an einer Rohrverengung (11) der Venturidüse (10) in den

Venturimischer (22) mündet.

8. Kondensationspartikelvergrößerer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsmittelzuführung (17) vorgesehen ist um flüssiges

Betriebsmittel dosiert in den Betriebsmitteldampferzeuger (5) zuzuführen.

9. Kondensationspartikelvergrößerer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Mischeinheit (2) und stromaufwärts der Kondensationseinheit (7) ein Zyklonabscheider (20) vorgesehen ist, der flüssiges Betriebsmittel im Gasgemisch abscheidet und eine Gasgemischleitung (8) das vom flüssigen

Betriebsmittel getrennte Gasgemisch in die Kondensationseinheit (7) leitet.

10. Verwendung des Kondensationspartikelvergrößerer (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9 in einem Kondensationspartikelzähler (21), wobei die in der Kondensationseinheit (7)

vergrößerten Feststoffpartikel im Trägeraerosol in einem Partikelzähler (9) gezählt werden.