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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen zur Konditionierung von Prüfaerosolen zur Penetrationsmessung an Filtern.
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Zur Filterprüfung sind Prüfaerosole mit definierten Eigenschaften zu generieren. Da von Tröpfchen-Aerosolgeneratoren erzeugte Aerosole in ihren Eigenschaften stets von den thermodynamischen Randbedingungen und den Materialeigenschaften der Aerosolsubstanzen abhängen, wird zur Generierung von Prüfaerosolen eine Reihenschaltung eines Aerosolgenerators und eines Systems zur Aerosolkonditionierung eingesetzt. Der Aerosolgenerator liefert dabei ein Primäraerosol, das durch die Konditionierung in ein Sekundäraerosol mit gewünschten Eigenschaften überführt wird. Die Konditionierung umfasst dabei die Veränderung der Partikelgrößenverteilung nach den Anforderungen von Normen zur Filterprüfung und nutzt Verfahren zur größenselektiven Abscheidung von Partikeln.
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Zur Abscheidung von Partikelfraktionen größer 100 nm wird die mechanische Trägheit der Partikel genutzt. Diese basiert auf der Umlenkung einer partikelbeladenen Strömung an einem Hindernis, der sehr große und massereiche Partikel nicht folgen können und so durch Prallabscheidung abgeschieden werden. Technisch realisiert wird das durch die Umlenkung der Strömung an Prallblechen oder die Nutzung von Zyklonabscheidern.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2017 219 370 B3 ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols aus festen Partikeln aus einer flüssigen Vorlage mittels Kaltvernebelung bekannt. Diese weist eine Zerstäubungsdüse mit einem nachgeordneten Prallabscheider und einer Trocknungseinrichtung auf, sodass aus einer Flüssigkeitsvorlage feste Partikel einstehen. Nachteilig wird eine breite Partikelgrößenverteilung erhalten.
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CN 1 09 069 773 B offenbart eine Verdampfungsanordnung für ein Aerosolerzeugungssystem umfassend ein fluiddurchlässiges Flächenheizelement und eine Abgabevorrichtung zum Abgeben eines flüssigen aerosolbildenden Substrats aus einem Flüssigkeitsspeicherabschnitt an das Flächenheizelement, wobei dem Flächenheizelement zugeführtes flüssiges aerosolbildendes Substrat auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um zumindest einen Teil der zugeführten flüssigen aerosolbildenden Matrix zu verflüchtigen, wobei das fluiddurchlässige Flächenheizelement eine Vielzahl von leitenden Fäden umfasst. Weiterhin offenbart CN 1 09 069 773 B einen Spalt zwischen dem fluiddurchlässigen Flächenheizelement und dem Gehäuse und Zwischenräume zwischen den Filamenten des Heizgitterelements im Bereich von 10 bis 200 µm.
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DE 198 25 193 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Kieselsäureaerosolen mit einer Partikelgröße im Nanometerbereich zur Erzeugung von Prüfaerosolen umfassend die leichte Befeuchtung einer Siliziumdioxid-enthaltenden Oberfläche, insbesondere einer netzförmigen schwammartigen siliziumdioxidhaltigen Struktur, mit Wasser und Bestrahlung mit ultraviolettem Licht im Wellenlängenbereich zwischen 150 und 230 nm, wobei aus der Oberfläche Partikel im Nanometerbereich emittiert werden. DE 198 25 193 A1 offenbart, das Überströmen der siliziumdioxidhaltigen Struktur mit einem Prozessgas. Weiterhin wird ein Filter zur Reinigung der zugeführten Prozessgase beschrieben.
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GB 2 578 581 A offenbart ein Aerosol-Detektor-Testsystem umfassend einen Vibrationssiebvernebler zur Erzeugung eines Aerosols, eine Aerosolleitung und ein Aerosolsensorinstrument. Der Vernebler wird zum Testen und Kalibrieren von Aerosolsensoren bzw. Detektoren verwendet. Der Vernebler umfasst einen Flüssigkeitsbehälter, ein Netz bzw. eine Platte mit mehreren Perforationen, auf deren Oberseite sich die Flüssigkeit und an deren Unterseite sich Luft befindet, und einen Antrieb zur Vibration des Netzes bzw. der Platte. Der Antrieb erzeugt eine variable Antriebsfrequenz, etwa zwischen 1 Hz und 100 kHz, damit das Netz bzw. die Platte mit variablen Arbeitszyklen in Schwingung versetzt werden kann, so dass der Vernebler unterschiedliche Aerosolkonzentrationen abgeben kann.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Prüfaerosole zur Penetrationsmessung mit bestimmten und definierten Eigenschaften zu generieren.
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Diese Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen zur Konditionierung von Prüfaerosolen umfasst die folgenden Schritte
- a. Einleitung eines Aerosols in ein aerosolführendes, bevorzugt rohrförmiges, Bauteil mit einem Einlass und einem Auslass für das Aerosol,
- b. Prallabscheidung und/oder Impaktion von Partikeln aus dem Aerosol durch wenigstens ein den aerosolführenden Querschnitt des Bauteils ausfüllendes Sieb, und
- c. Zufuhr von Zuluft oder Entnahme von Luft in Strömungsrichtung des Aerosols vor dem Sieb oder vor dem Einlass für das Aerosol.
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Erfindungsgemäß erfolgt das Verfahren mit der Reihenfolge der Schritte a. und anschließend b. und c. In Ausführungsformen erfolgen die Schritte b. und c. gleichzeitig.
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In Ausführungsformen erfolgt die Bereitstellung des Aerosols zur Einleitung in Schritt a. durch einen Aerosolgenerator.
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Die Einrichtungen zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen zur Konditionierung von Prüfaerosolen zur Penetrationsmessung an Filtern zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese Prüfaerosole mit bestimmten und definierten Eigenschaften generierbar sind.
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Dazu befindet oder befinden sich in einem aerosolführenden, bevorzugt rohrförmigen, Bauteil mit einem Einlass und einem Auslass für das Aerosol wenigstens ein den aerosolführenden Querschnitt des Bauteils ausfüllendes Sieb zur Prallabscheidung und/oder zur Impaktion von Partikeln aus dem Aerosol. Weiterhin besitzt das aerosolführende, bevorzugt rohrförmige, Bauteil in Strömungsrichtung des Aerosols vor dem Sieb zur Prallabscheidung und/oder zur Impaktion von Partikeln aus dem Aerosol oder einem dem Bauteil Aerosol zuführenden Teil wenigstens einen Anschluss zur Zufuhr von Zuluft. In alternativen Ausführungsformen erfolgt durch den Anschluss zur Zufuhr von Zuluft eine Entnahme von Luft, wodurch nur ein Teilvolumenstrom durch das Sieb geleitet wird.
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In Ausführungsformen erfolgt in Schritt c. eine zumindest teilweise, bevorzugt eine vollständige, Mischung des Aerosols und der Zuluft. Vorteilhaft wird durch den Anschluss zur Zufuhr von Zuluft eine Verdünnung des Aerosols und eine Erhöhung des Volumenstroms erreicht, wodurch die Geschwindigkeit des Aerosols erhöht wird.
Zur Messung der mittleren Penetration von Filtern beispielsweise für Atemschutzmasken werden Prüfaerosole eingesetzt, die typischerweise Öltröpfchen oder Salzpartikel als disperse Phase enthalten können. Die Größe der festen und/oder flüssigen Partikel ist nicht identisch, vielmehr kann ihr disperser Zustand durch eine Partikelgrößenverteilung beschrieben werden, die durch das zur Aerosolgenerierung genutzte Verfahren und den Materialeigenschaften der Aerosolsubstanz bestimmt wird. Während der Durchleitung des Prüfaerosols durch das zu prüfende Filter wird dessen Konzentration vor und nach dem Filter gemessen und aus dem Quotienten die Penetration ermittelt. Der so bestimmte Wert der mittleren Penetration ergibt sich damit aus der Faltung des Fraktionsabscheidegrads des Filters mit der Partikelgrößenverteilungsfunktion eines Partikelmerkmals. Das Merkmal wird durch das verwendete Quantifizierungsverfahren der Konzentration festgelegt und kann beispielsweise die Partikelanzahl (zählendes Messverfahren), die Masse (Gravimetrie) oder der Streuquerschnitt der Partikel (Photometer) sein. Eine gemessene Penetration ist damit spezifisch sowohl für das genutzte Messverfahren als auch für das eingesetzte Prüfaerosol. Diese Parameter sind daher in Normen zur Prüfung von Filtern festgelegt, insbesondere ist für die Prüfaerosole ein gültiger Bereich für den Mittelwert und die Breite der Partikelgrößenverteilung definiert. Zur Einstellung dieser Parameter bei einem vorliegenden Prüfaerosol wird vorteilhafterweise die Einrichtung und das Verfahren zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen zur Konditionierung von Prüfaerosolen zur Penetrationsmessung an Filtern verwendet.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das Einbringen von Sieben im Grobpartikelbereich größer 100 nm in ein aerosolführendes Bauteil zu einer effektiven und definierten Partikelabscheidung führt.
Unter dem Begriff „Sieb“ wird ein Prallabscheider mit parallel oder überwiegend parallel angeordneten Drähten, Fäden und/oder Fasern, bevorzugt mit parallel oder überwiegend parallel angeordneten Drähten, verstanden. Dazu ist das Sieb oder sind die Siebe untereinander und mit der Innenwand des Bauteils dicht, bevorzugt gasdicht, verbunden. In Ausführungsformen sind die Siebe untereinander mittels einer Heißklebefolie, bevorzugt eine Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA)-Folie, verbunden.
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Die Abscheidewirkung der Siebe basiert nicht auf einer Diffusionsabscheidung, sondern auf einer Prallabscheidung der Partikel an den dünnen Drähten der Siebe. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit steigender Anströmgeschwindigkeit durch die Siebgewebe deren Abscheidewirkung zunimmt, so dass zunehmend feinere Partikelfraktionen abgeschieden werden.
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In Ausführungsformen liegt die Menge des Zuluftstroms im Bereich von 1 bis 70 l/min. Vorteilhaft kann damit durch die Variation der Menge des Zuluftstroms die Partikelgrößenverteilung angepasst werden.
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In Ausführungsformen liegt die Anströmgeschwindigkeit der Zuluft durch das Sieb in Schritt c. im Bereich von 0,010 bis 5 m/s, bevorzugt im Bereich von 0,020 bis 2,5 m/s, besonders bevorzugt im Bereich von 0,024 bis 2,4 m/s.
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In alternativen Ausführungsformen wird die Anströmgeschwindigkeit durch eine teilweise Entnahme eines Volumenstroms aus dem Anschluss zur Zufuhr von Zuluft eingestellt.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Abtrennung von Partikeln an den Sieben im Aerosolstrom, die über dem Querschnitt des Aerosolstroms und in Strömungsrichtung regelmäßig angeordnet sein können. Die selektive Abscheidung erfolgt an der Mantelfläche der Drähte der Siebe. Die Abscheideeffizienz wird durch die Querschnittsfläche der abscheidewirksamen Drähte und/oder der Anzahl der Drähte bestimmt. Weiterhin ist diese durch die Anzahl von in Strömungsrichtung des Aerosols beabstandet hintereinander angeordneter Siebe beeinflussbar.
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In Ausführungsformen weist das Sieb einen Drahtdurchmesser im Bereich von 20 µm bis 50 µm auf, bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 40 µm, besonders bevorzugt etwa 40 µm.
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In Ausführungsformen weist das Sieb quadratische Maschen auf.
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In Ausführungsformen besteht das Sieb aus Metall oder einer Metalllegierung, bevorzugt Edelstahl, Messing oder Bronze, besonders bevorzugt Edelstahl.
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In Ausführungsformen weist das Sieb fünf bis neun Sieblagen, bevorzugt sechs bis acht Sieblagen, besonders bevorzugt sieben Sieblagen, auf.
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In Ausführungsformen weist das Sieb zwischen den Sieblagen Abstandshalter auf. In Ausführungsformen sind die Abstandshalter Siebe mit einem Drahtdurchmesser im Bereich von 100 µm bis 500 µm, bevorzugt 200 µm bis 300 µm, besonders bevorzugt 250 µm.
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In Ausführungsformen liegt der Durchmesser des Siebs im Bereich von 30 bis 50 mm, bevorzugt 35 bis 40 mm, besonders bevorzugt 38 mm.
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Vorteilhafterweise kann mittels Einspeisung eines zusätzlichen Volumenstroms die Anströmgeschwindigkeit des Siebes oder der Siebe so gewählt werden, dass eine bestimmte Abscheidewirkung erreicht wird. Damit kann einfach die Abscheideeffizienz der Einrichtung zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen verändert werden. Das erfolgt durch Einspeisung von Zuluft oder die Entnahme von Luft, die eine Änderung der Anströmgeschwindigkeit des wenigstens einen Siebes durch Veränderung des Volumenstroms bewirkt. Die Abscheideeffizienz kann vor Inbetriebnahme durch die Wahl der Querschnittsfläche des abscheidewirksamen Siebes und/oder der Anzahl der hintereinander in Strömungsrichtung angeordneten Siebe eingestellt werden. Diese legt einen Bereich der Abscheideeffizienz für einen bestimmten Bereich des Volumenstroms durch die Einrichtung fest. Das erfordert eine mechanische Veränderung der abscheidewirksamen Siebe. Diese Maßnahme ist daher zur Grobeinstellung der Abscheideeffizienz geeignet. Vor oder während des Betriebes kann eine Einstellung der Abscheideeffizienz der Einrichtung durch die gesteuerte Zufuhr der Zuluft oder Entnahme von Luft erfolgen, die keine mechanische Veränderung des wenigstens einen abscheidewirksamen Siebes erfordert. Damit kann insbesondere eine Feineinstellung der Abscheideeffizienz der Einrichtung erfolgen, was die Einstellung der gewünschten Partikelgrößenverteilung erheblich erleichtert.
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Das Sieb ist in Ausführungsformen der Erfindung aus parallel oder überwiegend parallel angeordneten Drähten, Fäden und/oder Fasern ausgebildet. Weiterhin ist das Sieb im aerosolführenden, bevorzugt rohrförmigen, Bauteil so angeordnet, dass die Drähte, Fäden und/oder Fasern des Siebes quer angeströmt werden.
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Die Abmessungen von Querschnitten benachbarter Drähte, Fäden und/oder Fasern können gleich oder unterschiedlich voneinander sein.
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Die Drähte und/oder Fasern können kreisförmige oder mehreckige Querschnitte aufweisen.
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Die Formen von Querschnitten benachbarter Drähte und/oder Fasern können gleich oder voneinander unterschiedlich ausgebildet sein.
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In Strömungsrichtung des Aerosols sind in Ausführungsformen der Erfindung im aerosolführenden, bevorzugt rohrförmigen, Bauteil mehrere Siebe zur Prallabscheidung und/oder Impaktion nacheinander angeordnet. Dabei können Siebe auch beabstandet zueinander angeordnet sein.
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Die in Strömungsrichtung des Aerosols im aerosolführenden, bevorzugt rohrförmigen, Bauteil abgeordneten Siebe sind in Ausführungsformen der Erfindung so angeordnet, dass sich jeweils ein Draht, ein Faden und/oder eine Faser eines in Strömungsrichtung nachgeordneten Siebes in dem Abstand zweier Drähte, Fäden und/oder Fasern des vorgeordneten Siebes befinden, so dass sich die Drähte, Fäden und/oder Fasern des nachgeordneten Siebes in der Strömung des Aerosols nach dem vorgeordneten Sieb befinden.
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Eine mit dem Zuluftanschluss verbundene luftfördernde Einrichtung oder eine luftabsaugende Einrichtung und eine mit dem Einlass verbundene aerosolfördernde Einrichtung und/oder ein Aerosolgenerator können mit einer Steuereinrichtung verbunden sein.
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Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in jeder Anordnung miteinander zu kombinieren.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine Einrichtung zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen mit einem Anschluss zur Zufuhr von Zuluft und
- 2 eine Einrichtung in Verbindung mit einem Aerosolgenerator.
Eine Einrichtung zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen zur Konditionierung von Prüfaerosolen zur Penetrationsmessung an Filtern besteht im Wesentlichen aus einem aerosolführenden rohrförmigen Bauteil 1 mit einem Einlass 2 und einem Auslass 3, den aerosolführenden Querschnitt des Bauteils 1 vollständig ausfüllenden Sieben 4 und einem Anschluss 5 zur Zufuhr von Zuluft 6.
- 3 eine Einrichtung zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen zur Konditionierung von Prüfaerosolen zur Penetrationsmessung an Filtern zum Anschluss 9 an einen Aerosolgenerator 8 bestehend aus einem aerosolführenden rohrförmigen Bauteil 1 mit einem Auslass 3, den aerosolführenden Querschnitt des Bauteils 1 vollständig ausfüllenden Sieben 4 und einem Anschluss 5 zur Zufuhr von Zuluft 6.
- 4 die Dichtefunktion q0log der Partikelgrößenverteilung des Aerosols nach dem Abscheider in Abhängigkeit des Zuluftvolumenstroms (0, 60 und 90 l/min).
- 5 den Medianwert der Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit des Zuluftvolumenstroms.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Abtrennung von Partikeln aus Aerosolen mit einem Anschluss 5 zur Zufuhr von Zuluft 6 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das aerosolführende rohrförmige Bauteil 1, im Folgenden nur noch als Bauteil 1 bezeichnet, besitzt den Einlass 2 für Primäraerosol und den Auslass 3 für Sekundäraerosol. Im Bauteil 1 befinden sich die beabstandet zueinander und nacheinander angeordneten Siebe 4 zur Prallabscheidung und/oder zur Impaktion von Partikeln aus dem durch das Bauteil 1 strömenden Aerosol. Die Siebe 4 sind aus parallel oder überwiegend parallel angeordneten Drähten ausgebildet. Die Siebe 4 sind im Bauteil 1 so angeordnet, dass die Drähte der Siebe 4 quer angeströmt werden. Weiterhin sind die Siebe 4 so angeordnet, dass sich jeweils ein Draht eines in Strömungsrichtung des Aerosols beabstandet nachgeordneten zweiten Siebes 4 in dem Abstand zweier Drähte des jeweils vorgeordneten ersten Siebes 4 befinden, so dass sich die Drähte des zweiten Siebes 4 in der Strömung des Aerosols nach dem ersten Sieb 4 befinden. Die Drähte der Siebe 4 sind so nacheinander auf Lücke angeordnet.
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Die Abmessungen von Querschnitten benachbarter Drähte können gleich oder unterschiedlich voneinander sein. Weiterhin können die Drähte kreisförmige oder mehreckige Querschnitte aufweisen. Darüber hinaus können die Formen von Querschnitten benachbarter Drähte gleich oder voneinander unterschiedlich ausgebildet sein. Kanten der im Querschnitt mehreckig ausgebildeten Drähte können dabei in Richtung des Einlasses 2 des Bauteils 1 für das Aerosol weisen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sind zylindrische Drähte als Körperimpaktoren und ihre Anordnung in paralleler Form zu einem Sieb 4. Derartige Drähte in geometrisch definierter Form sind leicht und preisgünstig verfügbar. Mittels Auswahl des Drahtdurchmessers und der Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols durch das Sieb 4 ist die Trennpartikelgröße der Einrichtung einstellbar. Durch die sequentielle Anordnung von Sieben 4 in Kombination mit verschiedenen Anströmgeschwindigkeiten ist sowohl die Trennpartikelgröße als auch die Steilheit der Trennfunktion beeinflussbar. Der Abstand zwischen den Sieben 4 kann so gewählt werden, dass abgeschiedenes flüssiges Aerosolmaterial wie beispielsweise Öl aus dem Sieb 4 oder den Sieben 4 nach unten läuft und als Flüssigkeitsfilm aus dem Bauteil 1 austragbar ist. Eine mögliche Ausführung der Anordnung mehrerer Siebe 4 bildet eine alternierende Reihenschaltung von Sieben 4 zur Abscheidung und Sieben 4 mit deutlich größeren Drahtabständen als Abstandshalter zwischen Sieben 4.
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Das Bauteil 1 besitzt in Strömungsrichtung des Aerosols vor den Sieben 4 zur Prallabscheidung und/oder zur Impaktion von Partikeln aus dem Aerosol wenigstens einen Anschluss 5 zur Zufuhr von Zuluft 6.
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Die 2 zeigt eine Einrichtung in Verbindung mit einem Aerosolgenerator 8 in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer Ausführungsform kann eine mit dem Anschluss 5 zur Zufuhr von Zuluft verbundene luftfördernde Einrichtung 7 und ein dem Bauteil 1 vorgeordneter Aerosolgenerator 8 mit einer Steuereinrichtung 10 verbunden sein. Der Ausgang 9 des Aerosolgenerators 8 ist dazu mit dem Einlass 2 des Bauteils 1 verbunden.
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Die 4 und 5 zeigen den Einfluss des Zuluftstroms auf die Aerosolpartikel. 4 zeigt die Dichtefunktion q0log der Partikelgrößenverteilung des Aerosols nach dem Sieb in Abhängigkeit des Zuluftvolumenstroms (0, 60 und 90 l/min), wobei eine Verschiebung in Abhängigkeit des Zuluftvolumenstroms beobachtet wird, d. h. eine Abnahme des Partikeldurchmessers mit zunehmendem Zuluftstrom.
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5 zeigt den Medianwert der Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit des Zuluftvolumenstroms (0, 15, 30, 60 und 90 l/min). Mit zunehmendem Zuluftvolumenstrom wird ebenfalls eine Abnahme der Partikelgröße beobachtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- aerosolführendes Bauteil
- 2
- Einlass des aerosolführenden Bauteils
- 3
- Auslass für Sekundäraerosol
- 4
- Sieb
- 5
- Anschluss zur Zufuhr von Zuluft
- 6
- Zuluft
- 7
- luftfördernde Einrichtung
- 8
- Aerosolgenerator
- 9
- Ausgang des Aerosolgenerators
- 10
- Steuereinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017219370 B3 [0004]
- CN 109069773 B [0005]
- GB 2578581 A [0007]
