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Die Endung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur kontrollierten Erzeugung von Nano-Rußpartikeln.
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Durch Hochdruck-Direkteinspritzung
in Gasturbinen und Verbrennungsmotoren läßt sich deren Wirkungsgrad
erhöhen
und der Ausbrand verbessern. Es entstehen jedoch feine Rußpartikel
mit Größen im Nanometerbereich;
typische mittlere Durchmesser liegen zwischen 15 nm und 120 nm mit
Konzentrationen zwischen 104 bis 108 Teilchen pro cm3.
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Die Emission solcher Rußpartikel
kann zu Problemen führen.
Um beispielsweise die biologischen Auswirkungen solcher Rußpartikel
studieren zu können,
muß eine
Rußpartikelquelle
vorhanden sein.
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Aus dem Stand der Technik ist ein
Rußpartikelgenerator
bekannt (Matter Engineering AG, Wohlen, Schweiz) bei dem die Rußpartikel
in einer Diffusionsflamme erzeugt werden und der Partikelstrom mit
Quench-Gas gemischt wird, um weitere Verbrennungsprozesse in dem
Partikelstrom zu verhindern und die Rußpartikel zu stabilisieren.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontrollierten
Erzeugung von Nano-Rußpartikeln
zu schaffen, mit dem sich reproduzierbar Rußpartikel definierter Größe erzeugen
lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Vorrichtung – der
Rußgenerator – einen
Porenbrenner und eine Mischungseinrichtung zur Herstellung eines
Brennstoff-Oxidator-Vorgemisches umfaßt, wobei die Mischungseinrichtung an
den Porenbrenner gekoppelt ist, so daß diesem das Vorgemisch zuführbar ist.
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Durch die Zuführung eines Vorgemisches zu dem
Porenbrenner läßt es sich
erreichen, daß bei
der Verbrennung Masseverhältnis-Gradienten
verringert sind. Über
die Mischung von Oxidator und Brennstoff läßt sich direkt der mittlere
Partikeldurchmesser der erzeugten Nano-Rußpartikel einstellen. Man erhält eine
hohe Reproduzierbarkeit bezüglich
der Verbrennung und damit der Erzeugung von Rußpartikeln.
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Durch den Porenbrenner läßt sich
eine homogene Verbrennungszone und damit Rußbildungszone ausbilden, wobei
die räumliche
und zeitliche Homogenität
gewährleistbar
ist. Damit ist die Verbrennungszone und somit die Rußbildungszone
stabil ausbildbar und damit wiederum lassen sich Nano-Rußpartikel
definierter Größe erzeugen.
Durch Einstellung des Mischungsverhältnisses läßt sich der mittlere Durchmesser
der erzeugten Nano-Rußpartikel
einstellen.
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Insbesondere ist es vorgesehen, daß die Herstellung
von Nano-Rußpartikel
bezüglich
Größe und/oder
Konzentration kontrolliert ist.
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Eine homogene Verbrennung ohne Stöchiometrie-Gradienten
läßt sich
erreichen, wenn die Mischungseinrichtung dem Porenbrenner vorgeschaltet ist.
Dadurch läßt sich
eine homogene Rußbildungszone
ausbilden, so daß wiederum
Nano-Rußpartikel mit
definierter Größenverteilung
gebildet werden.
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Bei einer konstruktiv einfachen Ausführungsform
ist die Mischungseinrichtung durch eine Mischstrecke entsprechender
Länge gebildet,
um so für eine
homogene Vormischung von Brennstoff und Oxidator vor Zutritt zu
dem Porenbrenner zu sorgen.
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Das entsprechende Verhältnis an
Brennstoff und Oxidator in dem Vorgemisch läßt sich auf einfache Weise
einstellen, wenn ein Masseflußregler
zur Einstellung des Masseflusses von Brennstoff zur Mischungseinrichtung
vorgesehen ist. Aus demselben Grund ist es günstig, wenn ein Masseflußregler
zur Einstellung des Masseflusses von Oxidator zur Mischungseinrichtung
vorgesehen ist. Durch entsprechende Einstellung der Masseflüsse und
damit des Verhältnisses
der Masseflüsse
läßt sich
das Stöchiometrie-Verhältnis einstellen.
Bei einem Verhältnis
(Φ) von
Brennstoff zu Oxidator von > 1
erhält
man ein fettes Gemisch, bei dessen Verbrennung sich Rußpartikel
bilden.
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Zur Ausbildung einer homogenen Verbrennungszone
und damit Rußbildungszone
ist es günstig,
wenn der Porenbrenner einen Verteilungsraum umfaßt, welcher an die Mischungseinrichtung
gekoppelt ist und welcher durch eine Porenplatte begrenzt ist. Über einen
Mischungsraum der Mischungseinrichtung läßt sich dann in einen räumlichen
Bereich das homogene Vorgemisch aus Brennstoff und Oxidator führen, um
so für
eine stabile Flammenbildung zu sorgen und damit für eine reproduzierbare
Rußpartikelbildung.
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Günstig
ist es, wenn der Verteilungsraum zylindrisch ausgebildet ist, da
sich so eine definierte Verbrennungszone ausbilden läßt, die
bezüglich
des seitlichen Eindringens von Luft und des Eindringens von Luft
von oben auf einfache Weise geschützt werden kann, um so wiederum
auch am Rande der Verbrennungszone Masseverhältnis-Gradienten zu vermeiden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es,
wenn in einem Abstand zu einer Porenplatte des Porenbrenners eine
Stauplatte angeordnet ist. Eine Flamme kann dann gegen diese Stauplatte
brennen, wodurch die Flamme stabilisiert wird, da ein Flackern unterbunden
ist. Diese Stabilisierung der Flamme gewährleistet eine stabile, räumlich und
zeitlich homogene Rußbildungszone.
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Günstig
ist es dann, wenn die Stauplatte parallel zur Porenplatte angeordnet
ist, um so eine stabile Flammenbildung zu erreichen.
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Ferner ist es günstig, wenn die Stauplatte
einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist, um so eine stabile und homogene Rußbildungszone
ausbilden zu können.
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Weiterhin ist es günstig, wenn
die Stauplatte einen größeren Durchmesser
aufweist als die Porenplatte. Dadurch läßt es sich erreichen, daß auch am Rand
der Verbrennungszone ein Masseverhältnis-Gradient weitgehend vermieden
ist, so daß wiederum
die Rußbildungszone
bis in ihren Randbereich im wesentlichen homogen ist.
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Ferner ist es günstig, wenn um den Verteilungsraum
für das
Brennstoff-Oxidator-Gemisch ein Verteilungsraum für Inertgas
angeordnet ist. Es läßt sich
dann über
diesen Verteilungsraum eine Strömung
von Inertgas (Coflow) um die Verbrennungszone beispielsweise in
der Art einer Ringströmung
ausbilden. Diese Strömung
verhindert das seitliche Eindringen von Luft in die Verbrennungszone
und gewährleistet
damit eine Homogenität
der Rußbildungszone
aufgrund der Verhinderung der Ausbildung von Masseverhältnis-Gradienten.
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Günstig
ist es dann, wenn der Verteilungsraum für Inertgas ringförmig ausgebildet
ist, um so bei einer ringförmigen
Porenplatte durch den Coflow von Inertgas die Verbrennungszone einschließen zu können. Mittels
des Verteilungsraums ist dann Inertgas um eine Verbrennungszone
ausströmbar,
um diese gegen das seitliche Eindringen von Luft zu schützen.
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Weiterhin ist es günstig, wenn
ein Kamin vorgesehen ist, welcher insbesondere oberhalb der Stauplatte
angeordnet ist. Durch einen solchen Kamin läßt sich ein Zug erreichen,
welcher für
eine weitere Stabilisierung der Flamme sorgt und damit die Homogenität der Rußbildungszone
gewährleistet. Durch
den Kamin wird insbesondere verhindert, daß Luft von oben in die Verbrennungszone
strömen kann,
was zu Inhomogenitäten
in den Stöchiometrie-Verhältnissen
führen
könnte.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, daß ein Teilstrom
von erzeugten Rußpartikeln
auskoppelbar ist, da nur ein Teilstrom ausgekoppelt wird, wird die
Flamme nicht wesentlich gestört,
so daß in der
Verbrennungszone stabile reproduzierbare Verhältnisse herrschen.
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Insbesondere ist der Teilstrom aus
einem zentralen Bereich eines Verbrennungsraums auskoppelbar, wo
ein hoher Homogenisierungsgrad bezüglich der Rußbildung
gewährleistet
ist.
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Es kann eine Sondenvorrichtung zum
Auskoppeln von Rußpartikeln
vorgesehen sein, über
die sich Rußpartikel
aus einem zentralen Bereich der Verbrennungszone auskoppeln lassen.
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Insbesondere ist dabei eine Aufnahmeöffnung der
Sondenvorrichtung an einer Sondenspitze in einem Abstand zu einer
Porenplatte des Porenbrenners bezogen auf eine Höhenrichtung positioniert. Ferner
ist die Aufnahmeöffnung
der Sondenvorrichtung zwischen einer Porenplatte des Porenbrenners
und einer Stauplatte angeordnet; günstig ist es, wenn die Aufnahmeöffnung der
Sondenvorrichtung oder in der Nähe
eines zentralen Bereichs einer Verbrennungszone oberhalb einer Porenplatte
des Porenbrenners positioniert ist. Es läßt sich dann ein Teilstrom
aus einer (bezüglich
des radialen Abstands zu einer Achse) Mitte einer räumlich ausgedehnten
homogenen Verbrennungszone entnehmen. Dadurch erhält man eine
enge monomodale Verteilung der Rußpartikel in dem ausgekoppelten
Teilstrom an Rußpartikel-Aerosol.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn eine Aufnahmeöffnung der
Sondenvorrichtung einen Durchmesser von mindestens 1,5 mm und vorzugsweise
2 mm aufweist, um so eine Verstopfung der Aufnahmeöffnung durch
Rußpartikel
zu vermeiden.
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Zur einfachen Auskopplung des Teilstroms weist
die Sondenvorrichtung eine Absaugeeinrichtung zum Absaugen des Teilstroms
aus einer Verbrennungszone auf. Diese Absaugeeinrichtung kann beispielsweise
einen Ejektor aufweisen, um in der Art einer Wasserstrahlpumpe den
erforderlichen Unterdruck zur Absaugung der Rußpartikel aus der Rußbildungszone
bereitzustellen.
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Weiterhin ist es günstig, wenn
zur kontrollierten Erzeugung von Nano-Rußpartikel eine Verdünnungseinrichtung
vorgesehen ist, mittels welcher eine definierte Rußpartikelkonzentration
einstellbar ist. Durch den erfindungsgemäßen Rußpartikelgenerator läßt sich
dann in einem weiten Bereich die Partikelgröße der erzeugten Rußpartikel
und die Konzentration der Rußpartikel
in einem Rußpartikel-Aerosol
einstellen.
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Ferner ist es günstig, wenn eine Analysatorvorrichtung
und/oder Filtervorrichtung für
Rußpartikel vorgesehen
ist, wobei Analysatorvorrichtung und Filtervorrichtung in einem
Gerät integriert
sein können. Über die
Analysatorvorrichtung lassen sich die kontrolliert erzeugten Rußpartikel
charakterisieren; über die
Filtervorrichtung lassen sich Rußpartikel einer bestimmten
Größe in einem
engen Verteilungsbereich ausfiltern.
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Insbesondere umfaßt die Analysatorvorrichtung
und/oder Filtervorrichtung einen elektrostatischen Klassifizierer.
Bei einem solchen elektrostatischen Klassifizierer werden die Rußpartikel
aufgeladen, beispielsweise durch eine radioaktive Quelle, und durchlaufen
dann ein elektrisches Feld. Ihre Beweglichkeit in diesem elektrischen
Feld (elektrostatische Beweglichkeit) hängt ab von ihrer Größe. Durch die
Bestimmung der Beweglichkeit, beispielsweise über eine Wegstreckenermittlung,
läßt sich
die Größenverteilung
der erzeugten Nano-Rußpartikel
bestimmen. Die Beweglichkeit kann aber auch dazu genutzt werden,
Rußpartikel
einer bestimmten Größe auszufiltern,
um so eine monodisperse Verteilung zu erhalten und so beispielsweise
Nano-Rußpartikel
eines bestimmten mittleren Durchmessers mit scharfer Verteilung
einer Anwendung bereitzustellen. Es kann vorgesehen sein, daß die Analysatorvorrichtung und/oder
Filtervorrichtung einen Kondensationsteilchenzähler umfaßt. Es läßt sich dann auf optische Weise
auch bei Rußpartikeln
mit Größen im Nanometerbereich
eine Größenverteilung
optisch bestimmen.
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Es kann eine Steuerungs- und/oder
Regelungsvorrichtung vorgesehen sein, mittels der eine Gemischzusammensetzung
des Brennstoff-Oxidator-Gemisches
steuerbar und/oder regelbar ist, um so bei einer bestimmten Voreinstellung
von Φ eine definierte
mittlere Partikelgröße zu erhalten.
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Insbesondere ist die Gemischzusammensetzung
in Abhängigkeit
einer gemessenen Partikelgröße erzeugter
Rußpartikel
steuerbar und/oder regelbar. Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit
der Rußpartikelverteilung
bei der kontrollierten Erzeugung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann, wenn beispielsweise Rußpartikel
mit einem bestimmten mittleren Durchmesser für eine Anwendung benötigt werden,
ein Regelkreis aufgebaut werden, bei dem die Analysatorvorrichtung
die Partikelgrößenverteilung
mißt und
diese Werte dann an die Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung
weitergibt. Diese wiederum regelt dann die Masseflüsse für die Gemischbildung
derart, daß die
gewünschte
Partikelgrößenverteilung
erreicht wird.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird
ferner erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zur kontrollierten Erzeugung von Nano-Rußpartikeln
gelöst,
bei dem ein vorgemischtes Gemisch von Brennstoff und Oxidator durch
einen Porenbrenner verbrannt wird.
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Dadurch läßt sich eine stabile und homogene Verbrennungszone
und damit Rußbildungszone
ausbilden, wobei durch Einstellung des Mischungsverhältnisses
eine mittlere Rußpartikelgröße einstellbar ist.
Es lassen sich Stöchiometrie-Gradienten
weitgehend vermeiden, so daß wiederum
reproduzierbare Verhältnisse
herrschen.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
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Die nachfolgende Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur kontrollierten Erzeugung von Nano-Rußpartikeln (Rußgenerator)
und
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2(a) bis 2(d) Meßdiagramme von Größenverteilungen
(Anzahl über
Durchmesser) von gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugten Nano-Rußpartikeln
bei verschiedenen Verhältnissen Φ; Φ ist das
Verhältnis
der von Brennstoff zu Oxidator (Φ =
1 bedeutet stöchiometrische
Verbrennung).
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur kontrollierten Erzeugung von Nano-Rußpartikeln, welches in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet
ist, umfaßt
einen Porenbrenner 12 mit einem Gehäuse 14, in welchem
ein Verteilungsraum 16 gebildet ist. Dieser Verteilungsraum 16 ist
zylindrisch ausgebildet mit einer Achse 18 und durch eine Porenplatte 20 abgedeckt.
Die Porenplatte 20 ist mit Poren versehen, die einen Gasdurchlaß von dem Verteilungsraum 16 in
eine oberhalb der Porenplatte 20 angeordnete Verbrennungszone 22 ermöglicht, wobei
aus der Verbrennungszone 22 das Gas gleichmäßig über die
Fläche
der Porenplatte 20 in die Verbrennungszone 22 führbar ist;
ein Rückschlag
der Verbrennung eines Gases in den Verteilungsraum 16 wird
durch die Porenplatte 20 verhindert.
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Die Porenplatte 20 ist insbesondere
aus einem metallischen Material wie Bronze hergestellt, wobei die
Poren mittels Sintern von Metallkügelchen gebildet werden.
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Es kann vorgesehen sein, daß in der
Porenplatte 20 Kühlkanäle zur Kühlung angeordnet
sind.
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Die Porenplatte 20 ist als
Scheibe ausgebildet mit einem kreisförmigen Querschnitt. Der Durchmesser
ist größer als
der des Verteilungsraums 16. Sie deckt neben dem Verteilungsraum 16 auch
einen um den Verteilungsraum 16 angeordneten Ringraum 24 ab,
wobei dieser Ringraum 24 über eine Ringwand 26 gasdicht
von dem Verteilungsraum 16 getrennt ist.
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Über
den Ringraum 24 läßt sich
eine Strömung
eines Inertgases um die Verbrennungszone 22 ausbilden.
Dazu führt
in den Ringraum 24 insbesondere von einer der Porenplatte 20 abgewandten
Seite her ein Zuführungskanal 28 in
den Ringraum 24. Über
einen Masseflußregler 30 läßt sich
der Massefluß von
Inertgas in den Ringraum 24 steuern bzw. regeln und damit
der Strömungsdurchsatz
von Inertgas wie Stickstoff durch einen Ringraumbereich 32 der Porenplatte 20 steuern
bzw. regeln.
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Dem Verteilungsraum 16 wird
zur Erzeugung von Nano-Rußpartikeln
ein Gemisch aus einem Brennstoff, bei dem es sich insbesondere um
einen gasförmigen
Kohlenwasserstoff wie Methan, Ethan, Ethen, Ethin, Propan, Propen,
Propin, Butan, Buten, Butin usw. handeln kann, und einem Oxidator
wie Luft oder einem Sauerstoff-Inertgas-Gemisch zugeführt. Es
können
auch höhersiedende
und insbesondere flüssige
Kohlenwasserstoffe verwendet werden, wenn diese zuvor verdampft
werden. Dazu ist dem Porenbrenner 12 eine Mischungseinrichtung 34 vorgeschaltet,
in welcher ein Vorgemisch aus dem Brennstoff und dem Oxidator erzeugt
wird. Die Mischungseinrichtung 34 ist beispielsweise durch
eine Mischstrecke entsprechender Länge ausgebildet, in der sich
Brennstoff und Oxidator mischen können. Das Vorgemisch wird dann über eine
Zuführungsleitung 36 in
den Verteilungsraum 16 des Porenbrenners 12 eingekoppelt,
wobei vorzugsweise die Zuführungsleitung 36 an
eine der Porenplatte 20 gegenüberliegende Seite des Porenbrenners 12 angeschlossen
ist.
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Um das Vorgemisch aus Brennstoff
und Oxidator, welches dann dem Porenbrenner 12 zugeführt wird,
in der Mischungseinrichtung 34 zu erzeugen, ist an diese
eine Zuführung 38 für Brennstoff
und eine Zuführung
für Oxidator 40 gekoppelt,
um in einem Mischraum 42 der Mischungseinrichtung 34 das
Vorgemisch zu erzeugen.
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Die der Mischungseinrichtung 34 zugeführte Menge
an Brennstoff ist über
einen Masseflußregler 44 einstellbar
und die der Mischungseinrichtung 34 zugeführte Menge
an Oxidator ist über
einen Masseflußregler 46 einstellbar.
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Um Nano-Rußpartikel bei der Verbrennung des
Brennstoffes zu erzeugen, muß der
Anteil des Brennstoffs größer sein
als der des Oxidators, so daß die
Verbrennung bei Brennstoffüberschuß erfolgt. Das
entsprechende Verhältnis
wird durch das Symbol Φ charakterisiert.
Bei Φ > 1 liegt ein fettes
Gemisch vor, bei dessen Verbrennung sich Ruß bilden kann; Φ = 1 bedeutet
stöchiometrische
Verbrennung.
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Oberhalb der Porenplatte 20 ist
eine Stauplatte 48 angeordnet, welche insbesondere als
kreisförmige
Scheibe ausgebildet ist, die kozentrisch zu der Achse 18 des
Porenbrenners 12 angeordnet ist. Eine Verbrennungsflamme
der Verbrennung des Brennstoffes brennt gegen diese Stauplatte 48,
die damit die Flamme stabilisiert und ein Flackern der Flamme unterbindet.
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Die Stauplatte 48 weist
dabei vorzugsweise einen Durchmesser auf, welcher größer ist
als der Durchmesser des Verteilungsraums 16, so daß dieser
nach oben hin vollständig
abgedeckt ist.
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Oberhalb der Porenplatte 20 ist
ferner ein Kaminrohr 50 zur Bildung eines Kamins 52 angeordnet,
um so durch Zugbildung für
eine weitere Stabilisierung der Verbrennungsflamme zu sorgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur kontrollierten
Erzeugung von Nano-Rußpartikeln
funktioniert wie folgt:
Über
die Mischungseinrichtung 34 wird ein definiertes Vorgemisch
aus Brennstoff und Oxidator hergestellt, wobei durch Einstellung
der entsprechenden Masseflüsse
an den Masseflußreglern 44 und 46 eine
definierte Gemischzusammensetzung und damit definierte Masseverhältnisse
im Gemisch eingestellt werden. Das hergestellte homogene Gemisch wird
dann über
die Zuführungsleitung 36 in
den Verteilungsraum 16 geführt, wo es über die Porenplatte 20 über den
Querschnitt des Verteilungsraums 16 in die Verbrennungszone 22 strömt und dort
(bei gezündeter
Flamme) eine Verbrennung stattfindet.
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Aus dem Ringraum 24 strömt durch
den Ringraumbereich 32 der Porenplatte 20 Inertgas
wie Stickstoff nach oben; diese Strömung umgibt die Verbrennungszone 22 und
verhindert damit den Luftzutritt in die Verbrennungszone 22.
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Durch den Kamin 52 wird
ein Luftzutritt von oben in die Verbrennungszone 22 weitgehend
verhindert.
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Durch die Zuführung eines Vorgemisches von
Brennstoff und Oxidator ergeben sich in der Verbrennungszone 22 keine
Stöchiometriegradienten, so
daß eine "vorgemischte" Flamme entsteht. Über das
Verhältnis
des Anteils an Brennstoff und Oxidator im Gemisch, eingestellt über die
Masseflußregler 44 und 46,
ist dann die Größe der entstehenden
Nano-Rußpartikel
einstellbar; es lassen sich reproduzierbare Verbrennungsverhältnisse
einstellen und damit lassen sich Nano-Rußpartikel mit reproduzierbarer
Größe erzeugen.
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Die Stauplatte 48 insbesondere
in Zusammenwirkung mit dem Kamin 50 und der Ringströmung an
Inertgas um die Verbrennungszone 22 sorgt für eine stabile,
räumlich
und zeitlich homogene Rußbildungszone;
die Rußbildungszone
weißt
dabei bezüglich
den Masseverhältnissen
bis zu ihrem Rand einen hohen Konstantheitsgrad aus; die Strömung des
Inertgases aus dem Ringraum 24 heraus sorgt für eine Homogenität auch an
den Randbereichen der Verbrennungszone 22.
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Die erzeugten Rußpartikel werden in einem Teilstrom
aus der Verbrennungszone 22 abgeführt, um die Verbrennungsvorgänge so wenig
wie möglich zu
stören,
das heißt
um insbesondere die Flamme nicht zu stören. Auch dies trägt zur Ausbildung
stabiler reproduzierbarer Verbrennungsverhältnisse bei, wodurch wiederum
eine reproduzierbare Rußpartikelerzeugung
erreicht ist.
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Ein Teilstrom an partikelbeladenem
Verbrennungsabgas wird über
eine Sondenvorrichtung r abgeführt, welche eine Auskopplungssonde 56 umfaßt, die
zwischen der Stauplatte 48 und der Porenplatte 20 in
die Verbrennungszone 22 ragt. Vorzugsweise ist dabei die
Auskopplungssonde 56 näher
zu der Stauplatte 48 angeordnet als zu der Porenplatte 20. Die
Auskopplungssonde 56 weist eine Aufnahmeöffnung 58 auf,
durch die hindurch sich die Rußpartikel beladenen
Verbrennungsabgase abführen
lassen. Der Durchmesser dieser Aufnahmeöffnung 58 ist bei einer
Ausführungsform,
mit der die Verteilungen gemäß 2 gemessen wurden, gleich oder größer als 2,1
mm, um eine Verstopfung zu vermeiden. Ein Innendurchmesser der Auskopplungssonde 56 ist
in einem Bereich, welcher sich an die Aufnahmeöffnung 58 anschließt, größer als
der Durchmesser dieser Aufnahmeöffnung 58.
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Die Auskopplungssonde 56 ist
so angeordnet, daß die
Aufnahmeöffnung 58 in
einem zentralen Bereich der Verbrennungszone und insbesondere an oder
in der Nähe
der Achse 18 liegt.
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Die Sondenvorrichtung 54 umfaßt eine
Absaugeeinrichtung 60 beispielsweise mit einem Ejektor,
um den erforderlichen Unterdruck zu erzeugen, um das Rußpartikel-Aerosol
abzusaugen.
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Der Sondenvorrichtung 54 kann
eine Verdünnungseinrichtung 62 nachgeordnet
sein, um eine entsprechende Anzahlkonzentration an Rußpartikeln in
dem Aerosol einzustellen. Die Verdünnungseinrichtung 62 kann
mehrere insbesondere steuerbare und/oder regelbare Verdünnungsstufen
umfassen.
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Es kann eine Analysatorvorrichtung 64 und/oder
Filtervorrichtung zur Messung der Partikelgröße der erzeugten und in dem
Aerosol-Teilstrom abgesaugten Nano-Rußpartikeln vorgesehen sein. Insbesondere
kann die Analysatorvorrichtung und die Filtervorrichtung in einer
Vorrichtung zusammengefaßt
sein.
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Die Anlaysatorvorrichtung 64 bzw.
Filtervorrichtung umfaßt
beispielsweise einen elektrostatischen Klassifizierer, welcher die
Rußpartikel
gemäß ihrer
elektrischen Mobilität
charakterisiert.
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Ein elektrostatischer Klassifizierer
trennt die Teilchen nach ihrer Größe, um so die Verteilung der Teilchengröße mit hoher
Auflösung
bestimmen zu können.
Solche elektrostatischen Klassifizierer sind beispielsweise unter
der Bezeichnung Model 3081 Long DMA von der Firma TSI, St. Paul,
MN, USA, bekannt. Es wird dabei das Rußpartikel-beladene Aerosol
an einer radioaktiven Quelle vorbeigeführt, wodurch Partikel geladen
werden. In einem Mobilitätsanalysator
werden anschließend
die Partikel entsprechend ihrer elektrischen Mobilität getrennt.
Dadurch läßt sich
die Partikelgröße analysieren.
Andererseits lassen sich durch die Trennung auch Rußpartikel
einer bestimmten Größe ausfiltern.
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Bei der Verwendung eines SMPS-Systems (SMPS-Scanning
Mobility Particle Sizer) wird das in dem Analysator erzeugte monodisperse
Aerosol einem Kondensationsteilchenzähler zugeführt, so daß sich für jede Partikelgröße die Partikelanzahl
messen läßt. Durch
einen entsprechenden Scanvorgang über die Partikelgrößen läßt sich
so die Größenverteilung in
dem abgesaugten Rußpartikel-Aerosol
bestimmen.
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Bei Verwendung der Analysatorvorrichtung 64 als
Filtervorrichtung werden Rußpartikel
einer bestimmten Mobilität – und damit
auch einer bestimmten Größe – ausgefiltert,
so daß man
einen Ausgangsstrom 66 an Nano-Rußpartikeln erhält, welcher eine
sehr enge Größenverteilung
aufweist.
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Über
die nachgeschaltete Verdünnungseinrichtung 62 läßt sich
dann noch die Konzentration der Rußpartikel in einem Luftstrom 68 einstellen.
Der Luftstrom 68 umfaßt
dann Rußpartikel
einer bestimmten Größe mit einstellbarer
Verteilungsschärfe um
eine bestimmte Größe.
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Erfindungsgemäß kann eine Steuerungs- und
Regelungsvorrichtung 70 vorgesehen sein, über die
der Massefluß an
Brennstoff und Oxidator durch die Masseflußregler 44 und 46 und
damit das Stöchiometrie-Verhältnis im
Vorgemisch einstellbar ist. Ebenso ist der Massefluß an Inertgas
durch den Ringraum 24 mittels der Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 70 über den
Masseflußregler 30 einstellbar. Die
Steuerungs- und Regelungseinrichtung 70 steht dabei insbesondere
in Verbindung mit der Analysatorvorrichtung/ Filtervorrichtung 64,
um beispielsweise die Filterung so zu steuern, daß der Aerosol-Luftstrom 68 Rußpartikel
einer bestimmten Größe mit einer
engen Größenverteilung
enthält.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß die Analysatorvorrichtung/Filtervorrichtung 64 ihre
Meßergebnisse
bezüglich
der Größenverteilung
der Rußpartikel
im Absauge-Aerosol an die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 70 weitergibt.
Falls diese Größenverteilung
nicht einer gewünschten
Vorgabe entspricht, wenn beispielsweise das Maximum neben einem
Vorgabe-Maximum liegt, dann kann die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 70 das
Mischungsverhältnis
des Vorgemisches ändern,
um die gewünschte
Verteilung zu erhalten. Die Regelungsgröße ist dabei das Mischungsverhältnis und
insbesondere Φ,
wobei dieses Verhältnis über die
Masseflußregler 44, 46 eingestellt
wird. Dieser Regelungsvorgang wird durch das Meßergebnis der Analysatorvorrichtung/
Filtervorrichtung 64 gesteuert.
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Die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 70 kann
auch die Verdünnung
der Rußpartikel
in der Verdünnungseinrichtung 62 steuern,
um so einen Luftstrom 68 einer vorgegebenen Konzentration
mit Rußpartikel
vorgegebener Größe mit einer
engen Verteilung zu erhalten.
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Zur kontrollierten Erzeugung von
Nano-Rußpartikeln
wird das Verhältnis Φ von Brennstoff
zu Luft (wenn Luft als Oxidator verwendet wird) mit einem Wert größer 1 eingestellt,
so daß man
ein fettes Vorgemisch erhält.
Je nach Größe von Φ lassen
sich Rußpartikel
mit einem mittleren Durchmesser beispielsweise zwischen nachweisbaren
5 nm bis 200 nm oder mehr einstellen, wobei dieser mittlere Durchmesser
der Rußpartikel
in weiten Bereichen über
das Verhältnis Φ frei einstellbar
ist. Es können
auch kleinere Rußpartikel
erzeugt werden.
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In den 2(a) bis (f) sind entsprechende Meßdiagramme
gezeigt. Die Aufnahmeöffnung 58 wurde
dabei in einer Höhe
von 10 mm über
der Porenplatte 20 an der Achse 18 positioniert.
Aufgetragen ist in den Meßdiagrammen
die Größenverteilung der
Rußpartikel,
wobei diese Größenverteilung über einen
elektrostatischen Klassifizierer gemessen wurde.
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Bei Φ = 1,9 liegt das Maximum der
Größenverteilung
bei der Verwendung von Ethen als Brennstoff bei ca. 7 nm. Bei Vergrößerung von Φ wandert das
Maximum zu größeren Durchmessern
hin; bei Φ =
2.4 liegt das Maximum bei ca. 200 nm.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren
zur kontrollierten Erzeugung von Nano-Rußpartikeln mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
lassen sich Rußpartikel
definierter Größe reproduzierbar
erzeugen. Aufgrund der definierten Verteilungen der Rußpartikelgrößen, wie
in den Meßdiagrammen
gemäß den 2 gezeigt, kann noch eine Filterung stattfinden,
um aus einer monomodalen Verteilung einen monodispersen Rußpartikel-Aerosolstrom
herzustellen.