DE10210468B4 - Staubprobennehmer und Verfahren zum Nehmen einer Staubprobe - Google Patents

Staubprobennehmer und Verfahren zum Nehmen einer Staubprobe Download PDF

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Abstract

Staubprobenehmer, welcher umfasst:
eine Probenehmerdüse (1) mit einer Eintrittsöffnung (10), wobei die Probenehmerdüse (1) in das Innere einer Abgasleitung (15) eingesetzt ist;
eine mit der Probenehmerdüse (1) verbundene Staubmessvorrichtung (13); und
eine Probenehmerleitung (4) zum Einbringen des Abgases aus der Abgasleitung (15) durch die Probenehmerdüse (1) in die Staubmessvorrichtung (13),
wobei die Probenehmerdüse (1) so aus einer stationären Düse (2) und einer Gleitdüse (9) zusammengesetzt ist, dass die aus dem Vorderende der Gleitdüse (9) und der stationären Düse (2) gebildete Eintrittsöffnung (10) variabel im Durchmesser (d) ist, um das Abgas in die Probenehmerdüse (1) mit einer Geschwindigkeit einzubringen, welche der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Abgasleitung (15) entspricht, während eine vorbestimmte Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit aufrecht erhalten wird, welche durch die Staubmessvorrichtung (13) festgelegt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Staubprobenehmer, und insbesondere einen Staubprobenehmer, welcher eine Probenehmerdüse mit einem variablen Düseneintrittsdurchmesser aufweist, bei welchem eine Staubprobe, die für die Bestimmung physikalischer Eigenschaften, wie zum Beispiel einer Konzentration, einer Teilchengröße und einer chemischen Komponente von Teilchen-Substanzen (im weiteren als "Staub" bezeichnet) notwendig ist, die in einem von einer Fabrik, einem Kraftfahrzeug und dergleichen ausgestoßenen Abgas enthalten sind, unter einer vorbestimmten Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit bei der gleichen Geschwindigkeit wie eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in den Staubprobennehmer aufgenommen wird. Die Probeentnahme mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wird im weiteren als "isokinetische Probeentnahme" bezeichnet.
  • Jüngst wurde der Teilchengröße des im Abgas enthaltenen Staubs viel Aufmerksamkeit gewidmet um physikalische Eigenschaften des Abgases zu bestimmen. Mit den gestiegenen Anforderungen der Staubmessung in verschiedenen Quellen wurde auf ein Problem hingewiesen, das bei einem herkömmlichen Messverfahren, zum Beispiel bei einem Multizyklon, der die Zentrifugalkraft verwendet, oder einem Messverfahren, wie dem Kaskaden-Staubge haltsprüfer oder Andersen-Schichtenprobennehmer, welche die Trägheit von Teilchen verwenden, hingewiesen. Das Problem bei den herkömmlichen Messverfahren ist, dass in dem Fall, wo der Staub nach dem Partikeldurchmesser sortiert wird, die Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit innerhalb des Messgeräts während des gesamten Vorgangs konstant gehalten werden soll. Wenn nämlich die Staubprobe des Abgases mit der isokinetischen Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit gesammelt wird, ist es notwendig, die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur, den Druck, den Feuchtigkeitsgehalt und dergleichen des Abgases im voraus zu messen, um die isokinetische Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der auf dem Durchmesser der zu verwendenden Probenehmerdüseneintrittsöffnung basierenden folgenden Formel zu erhalten, und den Entnahme- und Sortiervorgang der Staubprobe für einen vorbestimmten Zeitraum durchzuführen.
    Figure 00020001
    worin
    qm die isokinetische Probenentnahmeströmungsgeschwindigkeit (1/min) ist,
    d der Durchmesser der Düseneintrittsöffnung (mm) ist,
    v die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases (m/s) ist,
    Xw der Feuchtigkeitsgehalt (%) ist,
    θm die Temperatur der Gasprobe an einem trockenen Gasmeter ist (°C)
    θs die Temperatur des Abgases ist (°C),
    Pa der Luftdruck ist (mmHg),
    Ps der statische Druck des Abgases (mmHg) ist,
    Pm der Manometerdruck in einem trockenen Gasmesser der Gasprobe ist (mmHg).
  • Dementsprechend ist es in dem Fall, wo das Abgas variiert notwendig, die isokinetische Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit zurückzurechnen, was Probleme im Messvorgang verursacht und aufgrund der Unterbrechung der Messung und des Austauschs der Probenehmerdüse eine große Menge Arbeit und Zeit erfordert.
  • Bei der Staubmessung im Abgas (Konzentration, Verteilung der Teilchengröße, chemische Zusammensetzung und dergleichen) ist es zur Probenentnahme unerlässlich, dass im Gegensatz zur Gasmessung im Abgas die Probeentnahme der Abgasprobe durch die Entnahmedüse mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit wie die, des Abgases ausgeführt wird. Wenn die isokinetische Probeentnahme infolge der Trägheit von einem vorbestimmten zulässigen Bereich (–5% bis +10% der Abgasströmungsgeschwindigkeit) abweicht, welcher sich aus der Teilchengröße, Strömungsgeschwindigkeit und Dichte des Staubs ergibt, wird durch das Mitreißen der Staubteilchen in die Probeentnahmedüse ein großer Fehler verursacht. Aus diesem Grund werden die Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Druck, und Feuchtigkeitsgehalt des Abgases im voraus gemessen, um dadurch die isokinetische Probeentnahme-Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen und den Durchmesser der eingesetzten Probeentnahmedüseneintrittsöffnung auszuwählen. Danach erfolgt die Probeentnahme des Staubs (dieses Verfahren wird im allgemeinen als "normales Probeentnahme-Verfahren" bezeichnet).
  • Im Gegensatz hierzu zeigt 3 ein Gleichgewichts-Probeentnahmeverfahren (siehe Veröffentlichung geprüftes japanisches Gebrauchsmuster Nr. Sho 56-2191). Bei diesem Verfah ren wird ein dynamischer Druck entsprechend einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an der Entnahmestelle innerhalb einer Leitung 21 an einem Schrägwassersäulenmesser 38 durch Druckzuführungsrohre 37 und 40 angezeigt. Eine Pumpe 27 wird betrieben um das Abgas innerhalb der Leitung 21 von einer Probenentnahmedüse 24 zu entnehmen (anzusaugen). Auf diese Weise wird ein mittlerer Druckunterschied im Gas zwischen der oberstromigen und unterstromigen Seite der Drosselkappe eines Venturirohrs 25 an einem Schrägwassersäulenmesser 33 angezeigt. Ein Seitenhahn 28 wird so eingestellt, dass der in dem Schrägwassersäulenmesser 33 angezeigte mittlere Druckunterschied mit dem in dem Schrägwassersäulenmesser 38 angezeigten dynamischen Druck identisch ist, wobei das Abgas von der Probeentnahmedüse 24 mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit wie die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases innerhalb der Leitung 21 entnommen wird, und der Staub wird in einem Staubfänger 23 gesammelt. Eine Menge der Gasprobe wird durch ein Gasmeter 29 gesammelt und berechnet. Eine Massenkonzentration des im Abgas enthaltenen Staubs wird sofort aus des Menge der Gasprobe und der Masse des Staubs gewonnen. Diese Gleichgewichtsentnahmemethode ist nützlich, weil die isokinetische Probeentnahme sofort unmittelbar durchgeführt wird, indem nur der dynamische Druck oder der statische Druck der Gasprobe innerhalb des Düse mit dem dynamischen Druck oder dem statischen Druck des Abgases gleichgesetzt wird.
  • Die Staubprobenahme unter isokinetischen Bedingungen ist des weiteren aus dem Prospekt der Firma Ströhlein (2000): Umweltschutz-Messgeräte in Modultechnik, Seite 5, 9–11 bekannt.
  • Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Messmethoden ist die Probeentnahmedüse fixiert und die isokinetische Probeentnahme wird durch eine Änderung der Entnahmeströmungsgeschwindigkeit durchgeführt.
  • In der Messvorrichtung, in welcher die Entnahmeströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Messvorrichtung konstant gehalten werden muss, wird die Entnahmeströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Messvorrichtung geändert, wenn sich die Abgasströmungsgeschwindigkeit ändert, was Änderungen in der als Probe erfassten Gasströmungsgeschwindigkeit bei einer Geschwindigkeit, welche der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases entspricht, verursacht. Dies verursacht Probleme bei der Messung.
  • Um solche Probleme zu überwinden, wird zur Zeit ein wie in 4 gezeigtes Abgaszirkulationssystem vorgeschlagen. In diesem System wird, um die Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Messvorrichtung konstant zu halten, ein Teil des Probegases einem Kreislauf zugeführt und vorwärts in die Messvorrichtung eingebracht, mit dem als Probe genommenen Gas mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit von der Düseneintrittsöffnung vermischt, und einem Kreislauf zugeführt. Jedoch ist dieses System in Betrieb nicht praktikabel, weil es erforderlich ist, das zirkulierende Abgas zu reinigen, was das Zirkulationssystem schwieriger macht und vergrößert, und zusätzliche Ausrüstung wie eine Zirkulationspumpe und so weiter erforderlich macht. Dementsprechend ist dieses System für den praktischen Gebrauch bei punktgenauen Messungen in der Fabrik nicht geeignet.
  • Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Messvorrichtung angegeben, bei welcher die Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Vorrichtung während der Staubmessung im Abgas im wesentlichen konstant gehalten wird, beispielsweise ein Filteroszillationsmonitor, ein Kohlenstoffteilchenmonitor und dergleichen zur Verwendung in einem Konzentrationsmessfeld, ein Kaskaden-Staubgehaltsprüfer, ein Multizyklon und dergleichen zur Verwendung in einem Teilchengrößenverteilungsmessfeld, und ein Staubprobennehmer vom JIS-Typ und dergleichen zur Verwendung in einem Staubprobeentnahmefeld für chemische Analysen, bei welchen ein beträchtlicher Fehler infolge einer ungleichmäßigen Probenentnahme für den Fall, dass das Abgas variiert, auftritt, wodurch die Messung unbrauchbar wird oder wiederholt werden muss.
    •
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Staubprobenehmer anzugeben, welcher geeignet ist, einen Öffnungsdurchmesser einer Düse in Antwort auf eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases sofort zu ändern und eine isokinetische Probenentnahme aufrecht zu erhalten, während die Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit in einer Messvorrichtung konstant gehalten wird, wenn die Probeentnahmedüse in einen Rauchabzug oder eine Leitung eingebracht wird. In dem Fall, wo sich die Strömungsgeschwindigkeit v des Abgases ändert, wird der Durchmesser d des Düseneinlass geändert, so dass die Beziehung d2v = konstant bewahrt wird.
  • Der Staubprobenehmer gemäß vorliegender Erfindung umfasst die Probenehmerdüse mit einem variablen Düseneinlassdurchmesser. Probenehmer mit veränderlichen Düsen sind aus US 4,091,835 , US 5,856,623 und DE 42 37 009 A1 bekannt. Die Düse ist mit einer Staubmessvorrichtung und einer Entnahmevorrichtung verbunden, und wird in das Innere eines Abgasdurchgangs eingesetzt. Der Öffnungsdurchmesser der Düse ist variabel, um die durch die Staubprobenmessvorrichtung bestimmte Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit konstant zu halten, und um die gleiche Probeentnahmegeschwindigkeit zu erhalten, wie die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ist. Das durch die Düse als Probe entnommene Abgas wird in die Staubmessvorrichtung eingebracht.
    •
  • Die vorgenannten Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende genaue Beschreibung besser verstanden, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird:
  • 1 ist eine Vorderansicht einer Gesamtstruktur eines Staubprobenehmers, welcher eine Probenehmerdüse mit einem variablen Düseneintrittsdurchmesser aufweist;
  • 2 ist eine Vorderansicht, welche die in 1 gezeigte Düse im Detail zeigt;
  • 3 ist eine schematische Ansicht, welche eine herkömmliche Gleichgewichtsprobeentnahme-Methode zeigt; und
  • 4 ist eine schematische Ansicht, welche ein herkömmliches Abgasrückführungssystem zeigt.
  • Dabei bedeutet 51 Verschiedene Messvorrichtungen, 52 Kühler, 53 Entfeuchter, 54 Silicagel, 55 Umwälzpumpe, 56 Puffer, 57 Massenströmungsmeter, 58 Probenentnahmepumpe, 59 Gasmeter und 60 Luftreinigungssystem.
  • Eine Ausführungsform des Staubprobenehmers wird nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
  • 1 zeigt eine Gesamtstruktur des Staubprobenehmers. Eine Düse (Probenehmerdüse) 1, deren Durchmesser variabel ist, ist innerhalb einer Abgasleitung 15 angeordnet, in welcher die Staubteilchenverteilung gemessen werden soll. Eine Teilchengrößenverteilungsmessvorrichtung 13, wie ein Kaskaden-Staubgehaltsprüfer oder ein Multizyklon, ist im Mittelpunkt einer Gelenkstulpe 4 angeordnet. An der Gelenkstulpe 4 ist eine Probenehmerpumpe 16 stromabwärts der Teilchengrößenverteilungsmessvorrichtung 13 angeordnet.
  • 2 zeigt die Düse 1 im Detail. Die Düse 1 mit der Eintrittsöffnung 10, deren Durchmesser variabel ist, setzt sich aus einer unteren stationären Düse 2 und einer oberen Gleitdüse 9 zusammen. Die Gleitdüse 9 hat eine Verlängerung 16, dessen hinterer Teil sich rückwärtig erstreckt. Die Verlängerung 16 ist mit einem Zähne 7 aufnehmenden Getriebe ausgestattet, welches in ein an der Drehwelle 6 geformtes Getriebe 8 der Gleitdüse 9 greift, so dass die Gleitdüse 9 vor und zurück bewegt werden kann. Wenn die Gleitdüse 9 vor und zurück bewegt wird, wird das abschließende Vorderende der Gleitdüse 9 in Bezug auf die stationäre Düse 2 vor und zurück bewegt. Somit kann ein Öffnungsdurchmesser d der Düse 1 verändert werden, wenn die Gleitdüse 9 vor und zurück bewegt wird, während die Einströmöffnung 10 in Kreisform gehalten wird. Die Drehwelle 6 ist mit einer Antriebsvorrichtung 11 verbunden, welche hinter der Gelenkstulpe 4 angeordnet ist, und wird entsprechend den Vorgaben einer Kontrolleinheit 12 gedreht.
  • Der hintere Abschnitt der Düse 1 ist mit der Gelenkstulpe 4 verbunden, welche mit einem Gasproben-Durchgang 5 verbunden ist, der mit der Teilchengrößeverteilungsmessvorrichtung 13 kommuniziert. Ebenso sind das Getriebe 8 der Gleitdüse 9 und das Zähne 7 empfangende Getriebe innerhalb einer Schutzröhre 3 angeordnet. Es sollte klar sein, dass das Mittel zum Ändern des Öffnungsdurchmessers d der Einströmöffnung 10 der Düse 1 nicht auf das oben beschriebene beschränkt ist, und dass jede herkömmlichen Antriebsvorrichtung verwendet werden kann.
  • Um die Teilchengrößenverteilung des Staubs im Abgas unter Verwendung des Staubprobenehmers zu messen, wird die Strömungsgeschwindigkeit v des Abgases mittels einer Strömungsgeschwindigkeitsmessvorrichtung, wie einer Pitot-Röhre (nicht gezeigt) überwacht. Zusätzlich wird eine Temperatur θs, ein Druck Ps und ein Feuchtigkeitsgehalt Xw des Abgases überwacht, wenn eine Möglichkeit besteht, dass sich diese Faktoren ändern können. Die Abgasprobe wird von der Düse 1 mit der selben Geschwindigkeit entnommen. wie die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, um die Probenströmungsgeschwindigkeit durch die Teilchengrößenverteilungsmessvorrichtung 13 festgelegt zu halten, und wird in die Teilchengrößenverteilungsmessvorrichtung 13 durch den Gasprobendurchgang 5 eingebracht. Für den Fall, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ändert, wird der Öffnungsdurchmesser d der Düse 1 geändert, um die Probenströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Teilchengrößenverteilungsmessvorrichtung 13 konstant zu halten und eine isokinetische Probenentahme zu erreichen, während die vorbestimmte Probenströmungsgeschwindigkeit beibehalten wird.
  • Bei dem Staubprobenehmer wird die Düse mit einer Einlassöffnung, deren Durchmesser variabel ist, mit beliebigen Staubmessvorrichtungen verbunden. Der Durchmesser der Düse wird verändert um die isokinetische Probenströmungsgeschwindigkeit in Antwort auf die Veränderung des Abgases zu erhalten, während die Probenströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Vorrichtung konstant gehalten wird, wobei die isokinetische Probenahme des Abgases in der Messvorrichtung unmittelbar erhalten werden kann, um es zu ermöglichen, eine inherente Staubprobe des Abgases zu entnehmen.

Claims (4)

  1. Staubprobenehmer, welcher umfasst: eine Probenehmerdüse (1) mit einer Eintrittsöffnung (10), wobei die Probenehmerdüse (1) in das Innere einer Abgasleitung (15) eingesetzt ist; eine mit der Probenehmerdüse (1) verbundene Staubmessvorrichtung (13); und eine Probenehmerleitung (4) zum Einbringen des Abgases aus der Abgasleitung (15) durch die Probenehmerdüse (1) in die Staubmessvorrichtung (13), wobei die Probenehmerdüse (1) so aus einer stationären Düse (2) und einer Gleitdüse (9) zusammengesetzt ist, dass die aus dem Vorderende der Gleitdüse (9) und der stationären Düse (2) gebildete Eintrittsöffnung (10) variabel im Durchmesser (d) ist, um das Abgas in die Probenehmerdüse (1) mit einer Geschwindigkeit einzubringen, welche der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Abgasleitung (15) entspricht, während eine vorbestimmte Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit aufrecht erhalten wird, welche durch die Staubmessvorrichtung (13) festgelegt ist.
  2. Staubprobenehmer nach Anspruch 1, welcher ferner einen Getriebemechanismus (6, 7, 8) einschließlich einer Drehwelle (6), die mit einem Getriebe (8) und Zähnen (7) zum Antreiben der Gleitdüse (9) versehen ist, umfasst.
  3. Verfahren zum Nehmen einer Staubprobe, welches die Schritte umfaßt: Einsetzen einer Probenehmerdüse (1) mit einer Eintrittsöffnung (10) in das Innere einer Abgasleitung (15); ändern eines Durchmessers (d) der Eintrittsöffnung (10), wobei eine Probenehmerdüse (1) mit einer stationären Düse (2) und einer Gleitdüse (9) verwendet wird, wobei die Gleitdüse (9) bezüglich der stationären Düse (2) vor und zurück bewegt wird, um die aus dem Vorderende der Gleitdüse (9) und der stationären Düse (2) gebildete Eintrittsöffnung (10) zu ändern, um ein Abgas in die Probenehmerdüse (1) mit einer Geschwindigkeit einzubringen, die der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases entspricht, während die Probeentnahmeströmungsgeschwindigkeit konstant gehalten wird; und Einbringen des Abgases von der Probenehmerdüse (1) über eine Probenehmerleitung (4) in eine Staubmessvorrichtung (13).
  4. Verfahren zum Nehmen einer Staubprobe nach Anspruch 3, bei welchem die Gleitdüse (9) durch einen Getriebemechanismus (6, 7, 8) einschließlich einer Drehwelle (6), die mit einem Getriebe (8) und Zähnen (7) versehen ist, bewegt wird.
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