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Die Erfindung betrifft eine Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders.
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Thermodenuder sind im Stand der Technik bekannt. Sie dienen dazu Präkursoren und flüchtige Aerosolanteile aus einer Aerosolprobe zu entfernen, um bspw. eine anschließende Messung der Trockenpartikelgröße zu ermöglichen. Thermodenuder umfassen hierzu typischerweise eine von der Aerosolprobe durchströmbare Heizungsvorrichtung, in der die Aerosolprobe auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird, und eine der Heizungsvorrichtung nachgeschaltete Absorptionsvorrichtung in der der flüchtige Aerosolanteil adsorbiert wird. Bekannte Anwendungen und Ausführungsarten von Thermodenudern gehen bspw. aus folgenden Dokumenten hervor:
- • ”Instrumental development and application of a thermodenuder”, Master Thesis by Piere Madl, Institute of Physics and Biophysics, Salzburg Austria, Final Report 2003;
- • ”A model of aerosol evaporation kinetics in a thermodenuder”, by C. D. Cappa, in Atmos. Meas. Tech., 3, 579–592, 2010;
- • „Characterization of a thermodenuder-particle beam mass spectrometer system for the study of organic aerosol volatility and composition” by A. E. Faulhaber et al. in Atmos. Meas. Tech., 2, 15–31, 2009;
- • EP 1 467 194 A1 und EP 2 270 456 A1 in denen jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtungen zur Detektion, Charakterisierung und/oder Elimination von Schwebeteilchen beschrieben werden, wobei die beschriebenen Vorrichtungen jeweils einen Thermodenuder zur Aufheizung von Aerosolen aufweisen.
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Nachteilig an den Heizungsvorrichtungen bekannter Thermodenuder ist deren von Umgebungsbedingungen (Umgebungsdruck/Umgebungstemperatur) abhängige Heiz-Effektivität und mangelnde Temperaturkonstanz.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heizungsvorrichtung eines Thermodenuder anzugeben, die die vorstehend genannten Nachteile vermeidet.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Die Aufgabe ist mit einer Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders gelöst, umfassend: ein inneres Rohr einer Länge L, das von einem zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Medium durchströmbar ist, mit einer Rohreinlassöffnung und einer Rohrauslassöffnung, ein äußeres Rohr, wobei das innere Rohr vollständig innerhalb des äußeren Rohrs derart angeordnet ist, dass eine äußere Oberfläche des inneren Rohrs von einer inneren Oberfläche des äußeren Rohrs beabstandet ist, und wobei das innere Rohr und das äußere Rohr aus Material mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 20–450 W/mK bestehen, an einer Außenseite des äußeren Rohrs angeordnete Kühlrippen, ein ein Volumen zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs und der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs ausfüllendes Dämm-Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≤ 3 W/mK, in das zumindest ein auf der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs angeordnetes Heizelement eingebracht ist, wobei als Dämmmaterial ein Feststoff-Gasgemisch aus Keramik-Granulat und Helium vorhanden ist zumindest einen, am inneren Rohr angeordneten ersten Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur des inneren Rohrs, ein jeweils an den Enden des inneren Rohrs angeordnetes; das das Dämmmaterial aufweisende Volumen zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs und der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs druckdicht verschließendes Wandelement, und ein Steuermittel, mit dem abhängig von Messwerten des ersten Temperatursensors das zumindest eine Heizelement steuerbar ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders ist es möglich, eine von Umgebungsdruck und/oder Umgebungstemperatur weitestgehend unabhängige Heiz-Effektivität und hohe Temperaturkonstanz zu erzielen. Thermodenuder mit der erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung eignen sich daher insbesondere für Einsätze in Umgebungen mit stark schwankenden Umgebungsbedingungen wie bspw. an/in Flugzeugen, Hubschraubern, Ballonen oder Raketen.
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Die Begriffe „inneres Rohr und „äußeres Rohr” sind vorliegend breit zu verstehen. Sie umfassen insbesondere auch gerade und/oder gebogene Rohre mit variierenden Rohrdurchmessern. Das innere Rohr sowie das äußere Rohr bestehen erfindungsgemäß aus Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 20–450 [W/mK]. Bevorzugt weist das Material Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 30–450 [W/mK], 40–450 [W/mK], 50–450 [W/mK], 60–450 [W/mK], 70–450 [W/mK], 80–450 [W/mK], 90–450 [W/mK], 20–400 [W/mK], 20–350 [W/mK]. 20–300 [W/mK], 30–250 [W/mK], 20–200 [W/mK], oder 20–150 [W/mK] auf. Bevorzugte Materialien sind Metalle und Metalllegierungen, bspw. Al, und/oder Cu, und/oder Fe. Das innere Rohr und das äußere Rohr bestehen bevorzugt aus einem identischen Material.
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In einer alternativen Ausführungsform bestehen das innere Rohr und das äußere Rohr aus unterschiedlichem Material. In diesem Fall weist das Material des inneren Rohrs bevorzugt eine gegenüber dem Material des äußeren Rohrs geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Dies befördert einerseits den Wärmeabtransport in die Umgebung über das äußere Rohr bzw. die daran angeordneten Kühlrippen, andererseits wird die Temperatur im Strömungsvolumen aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit des inneren Rohrs stabilisiert. Bevorzugt bestehen das innere Rohr, das äußere Rohr, sowie die Wandelemente aus einem korrosionsbeständigen Metall (bspw. aus 1.4404 (X2CrNiMol7-12-2), AISI 316L, (V4A)). Das innere Rohr weist weiterhin bevorzugt eine größere Rohrwanddicke als das äußere Rohr auf, so dass die Wärmekapazität der inneren Rohrwand größer ist als die Wärmekapazität der äußeren Rohrwand, was die funktionale Robustheit der Heizungsvorrichtung gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur erhöht.
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Die an dem äußeren Rohr angeordneten Kühlrippen sind bevorzugt gleichmäßig auf der gesamten Außenfläche des äußeren Rohrs verteilt, so dass ein weitestgehend gleichmäßiger Wärmeabtransport über das äußere Rohr gewährleistet ist. Dem Fachmann sind unterschiedlichste Ausführungsformen und Anordnungen von Kühlrippen bekannt. Die Ausführung der Kühlrippen wird vorzugsweis an die Einsatzumgebung des Thermodenuders angepasst.
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Das zumindest eine Heizelement ist erfindungsgemäß auf der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs angeordnet, so dass ein optimaler Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und dem innerem Rohr sichergestellt ist. Das Heizungselement ist bevorzugt derart ausgeführt, dass ein Wärmeeintrag in das innere Rohr im Wesentlichen gleichverteilt über die gesamte äußere Oberfläche des inneren Rohrs erfolgt. Das Heizelement ist bevorzugt ein Widerstands-Heizelement, und bevorzugt mattenförmig ausgebildet. Alternativ weist das Heizelement Heizwicklungen auf, die bevorzugt gleichmäßig verteilt auf der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs angeordnet sind. Die Heizwicklungen können bspw. zum Schutz von einer Magnesiumoxid-(Pulver)-Schicht umgeben sein. Natürlich können mehrere Heizelemente am inneren Rohr angeordnet sein, so dass auch das Aufbringen eines Temperaturgradienten entlang einer Längsachse des inneren Rohrs möglich ist.
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Das Heizelement sowie dessen Regelung durch das Steuermittel sind bevorzugt derart ausgelegt, dass Temperaturen des inneren Rohrs im Bereich von 50–800°C oder insbesondere im Bereich von 100–700°C oder 100–350°C mit einer Temperaturabweichung von ±0,5 K insbesondere 0,1 K einstellbar sind.
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Erfindungsgemäß ist das Volumen zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs und der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs mit einem Dämm-Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≤ 3 [W/mK] verfüllt. Als Dämm-Material wird ein Materialgemisch gewählt, dessen Wärmeleitfähigkeit ≤ 1 [W/mK], ≤ 0,1 [W/mK], ≤ 0.01 [W/mK] beträgt. Erfindungsgemäß wird als Dämm-Material ein Gemisch aus einem Feststoff und einem inerten Gas/Gasgemisch verwendet, im vorliegenden Fall ein Keramik-Granulat und Helium. Da das Volumen zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs und der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs druckdicht durch die Wandelemente verschlossen ist, kann das Dämm-Material, insbesondere ein enthaltenes Gas nicht entweichen.
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Eine bevorzugte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein zweiter Temperatursensor zur direkten Messung einer Temperatur des zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Mediums vorhanden ist, der bevorzugt zumindest teilweise in ein Strömungsvolumen innerhalb des inneren Rohrs ragt und gegenüber dem inneren Rohr wärmeisoliert ist. Das Strömungsvolumen ist dabei das vom zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Medium durchströmte Innenvolumen des inneren Rohrs. Dies eröffnet die Möglichkeit einer genaueren Temperatursteuerung des zumindest einen Heizelements und damit einer noch genaueren Einstellung der Temperatur des durchströmenden gasförmigen Medium. Dabei ist das Steuermittel derart ausgeführt und eingerichtet, dass es Messwerte des zweiten Temperatursensors bei der Steuerung des Heizelements berücksichtigt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei erste Temperatursensoren zur Messung der Temperatur des inneren Rohrs vorhanden sind, und das Steuermittel derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass die von den zwei ersten Temperatursensoren gemessenen Temperaturen miteinander verglichen werden, und sofern eine Differenz der beiden gemessenen Temperaturen einen vorgebbaren ersten Grenzwert übersteigt, das zumindest eine Heizelement deaktiviert wird. Weiterhin ist das Steuermittel bevorzugt derart ausgeführt und eingerichtet, dass sobald eine von einem ersten Temperatursensor gemessene Temperatur einen vorgebbaren zweiten Grenzwert übersteigt, das zumindest eine Heizelement deaktiviert wird. Beide Weiterbildungen erhöhen die Betriebssicherheit der Heizungsvorrichtung.
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Wie Untersuchungen der Erfinder gezeigt haben, wird die Länge L des inneren Rohrs in Abhängigkeit eines gegebenen Volumenstroms in [l/m–1] des zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Mediums durch das innere Rohr bevorzugt derart gewählt, dass die Rohrlänge L ≥ 26,5 ± 5 [cm/l min–1] ist. Bevorzugt sind die Längen des inneren Rohrs und des äußeren Rohrs gleich oder die Länge des äußeren Rohrs ist größer als die Länge des inneren Rohrs.
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An der Rohreinlassöffnung und an der Rohrauslassöffnung ist bevorzugt jeweils einen Adapter zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitung angeordnet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Thermodenuder mit einer Heizungsvorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Die vorstehenden Ausführungen sind in analoger Weise auf den erfindungsgemäßen Thermodenuder zu übertragen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine schematisierte Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders,
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2 eine schematisierte Darstellung eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders gem. 1 an der Schnittebene B-B,
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3 eine schematisierte Darstellung eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders gem. 1 an der Schnittebene A-A.
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1 zeigt eine schematisierte Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders. Die dargestellte Heizungsvorrichtung wird vorliegend von einem zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Medium von unten nach oben durchströmt. Das gasförmige Medium wird über Rohrleitungen (nicht dargestellt) zu- und abgeführt. Die Rohrleitungen sind über Swagelok-Adapter 111 mit der Heizungsvorrichtung verbindbar. Die Heizungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem zylinderförmigen durchströmbaren Zentralkörper der auf seiner Außenseite Kühlrippen 106 und an seinen Endseiten Wandelemente 110 aufweist. Erkennbar ist weiterhin ein Steuermittel 112, das mit einem Heizelement 103 (in 1 nicht erkennbar), einem ersten Temperatursensor 107 und einem zweiten Temperatursensor 108 verbunden ist. Weiterhin sind der 1 die Schnittebenen A-A' und B-B' zu entnehmen, die für die Darstellung der 2 und 3 relevant sind.
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2 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders gem. 1 an der Schnittebene B-B. Die Heizungsvorrichtung umfasst ein inneres Rohr 102, das in dem Rohinneren gebildeten Strömungskanal 101 von einem zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Medium durchströmbar ist. An der Außenseite des inneren Rohrs 102 ist vorliegend flächig ein Heizelement 103 angeordnet, mit dem das innere Rohr temperierbar ist. Das innere Rohr 102 ist weiterhin innerhalb eines äußeren Rohrs 105 derart angeordnet, dass die äußere Oberfläche des inneren Rohrs 102 von einer inneren Oberfläche des äußeren Rohrs 105 beabstandet ist. Das Volumen zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs 102 und der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs 105 ist mit einem Dämm-Material 104 ausgefüllt, in das das unmittelbar auf der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs 102 angeordnete Heizelement 103 eingebracht ist. Schließlich sind an einer Außenseite des äußeren Rohrs vorliegend ringförmige Kühlrippen 106 angeordnet.
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3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Längsschnitts durch die erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung eines Thermodenuders gem. 1 an der Schnittebene A-A. Zu erkennen sind: das innere Rohr 102, das von dem zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Medium vorliegend von unten nach oben durchströmbar ist, mit einer Rohreinlassöffnung 113 und einer Rohrauslassöffnung 114, sowie das äußere Rohr 105, wobei das innere Rohr 102 vollständig innerhalb des äußeren Rohrs 105 derart angeordnet ist, dass die äußere Oberfläche des inneren Rohrs 102 von der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs 105 beabstandet ist, und die an der Außenseite des äußeren Rohrs angeordneten Kühlrippen 106. Wie bereits beschrieben, ist das Volumen zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs 102 und der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs 105 mit Dämm-Material 104 aufgefüllt, in das das unmittelbar auf der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs 102 angeordnete Heizelement 103 eingebracht ist. Das Heizelement 103 ist vorliegend flächig auf der äußeren Oberfläche des inneren Rohres 102 aufgebracht.
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Weiterhin zeigt 2 einen am Inneren Rohr 102 angeordneten ersten Temperatursensor 107 zur Erfassung einer Temperatur des inneren Rohrs 102, sowie einen zweiten Temperatursensor 108 zur Messung der Temperatur des zu untersuchenden aerosolhaltigen gasförmigen Mediums. Der zweite Temperatursensor 108 ragt hierzu teilweise in das Strömungsvolumen/den Strömungskanal 101 und ist gegenüber dem inneren Rohr 102 mit einer Isolierung 109 wärmeisoliert. Das Volumen zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Rohrs 102 und der inneren Oberfläche des äußeren Rohrs 105 wird vorliegend durch jeweils an den Enden des inneren Rohrs 102 angeordnete Wandelemente 110 druckdicht verschlossen. Das Steuermittel 112 steuert das Heizelement 103 auf Basis von Messwerten des ersten 107 und des zweiten 108 Temperatursensors.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Strömungskanal, Strömungsvolumen im inneren Rohr
- 102
- inneres Rohr
- 103
- Heizelement
- 104
- Dämm-Material
- 105
- äußeres Rohr
- 106
- Kühlrippen
- 107
- erster Temperatursensor
- 108
- zweiter Temperatursensor
- 109
- Wärmeisolierung, Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit
- 110
- Wandelement
- 111
- Adapter zum Anschluss einer Schlauch- oder Rohrleitung
- 112
- Steuermittel
- 113
- Rohreinlassöffnung
- 114
- Rohrauslassöffnung
