DE10392241T5

DE10392241T5 - Kontinuierliche wasserbasierte Laminarstrom-Partikelkondensationsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE10392241T5
Application number: DE10392241T
Authority: DE
Inventors: Susanne Vera Berkeley Hering; Mark Richard El Cerrito Stolzenburg
Original assignee: Aerosol Dynamics Inc
Current assignee: Aerosol Dynamics Inc
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: WO2003065005A3; US6712881B2; US20040020362A1; WO2003065005A2; DE10392241B4

Abstract

Verfahren zur Vergrößerung von Partikeln oder Teilchen, aufweisend:
Einleiten eines/r partikel- oder teilchenhaltigen Stroms oder Strömung mit einer ersten Temperatur; und
Leiten des Stroms oder der Strömung durch einen Kondensator mit einer zweiten Temperatur, die größer als die des Stroms oder der Strömung ist, wobei der Dampfdruck eines Kondensierdampfes an den Wänden des Kondensators nahe der Sättigung ist.

Description

PRIORITÄTSANGABEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität für die vorläufige Patentanmeldung der Vereinigten Staaten Nr. 60/353,875, eingereicht am 30. Januar 2002, mit dem Titel "Kontinuierliche wasserbasierte Laminarstrom-Partikelkondensationsvorrichtung und -verfahren".
AUSGANGSSITUATION DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf das Messen von in der Luft schwebenden Partikeln oder Teilchen und Aerosolen mittels Kondensationswachstums gerichtet.
In der Luft schwebende Partikel sind in der Umwelt ständig vorhanden. Mikroskopische Partikel in der Luft schließen Erde, Rauch, Fotochemikalien, Salz, Staub, Dämpfe, Nebel, Smog und atmosphärische Wasser- oder Eispartikel ein. Das Vorhandensein dieser Partikel wirkt sich auf die Sicht, das Klima, die Gesundheit und die Lebensqualität aus. Diese in der Luft schwebenden Partikel sind Beispiele von Aerosolen. Aerosole wer den im Allgemeinen als in einem Gas suspendierte feste oder flüssige Partikel definiert.

Viele Messverfahren für Aerosolpartikel beruhen auf dem Kondensationswachstum, um die Partikel auf eine Größe zu vergrößern, die durch optische oder andere Vorrichtungen nachgewiesen werden kann. Kondensationswachstum wird ebenfalls eingesetzt, um das Sammeln von Partikeln für die chemische Analyse zu ermöglichen. Eine Art der Partikelmessvorrichtung wird im Allgemeinen als Kondensationspartikelzähler (CPC = Condensation Particle Counter) bezeichnet. CPCs untersuchen speziell die zahlenmäßige Konzentration von Partikeln, deren Größe durch Kondensationswachstum zunimmt. Dieses Wachstum ergibt sich aus der Übersättigung eines kondensierenden Dampfes im umschließenden Gas. Das Sättigungsverhältnis wird als der Partialdruck eines Dampfes über seinen Sättigungsdampfdruck definiert. Der Sättigungsdampfdruck ist der Druck, der erforderlich ist, um einen Dampf bei einer vorgegebenen Temperatur im Massengleichgewicht mit dem kondensierten Dampf (flüssig oder fest) zu halten. Übersättigung bezieht sich auf jenen Teil des Sättigungsverhältnisses, der größer als 1,0 ist.

Gemäß diesem Verfahren wachsen Partikel unter Einsatz eines übersättigten Dampfes auf eine Größe, die für eine(n) problemlose(n) Nachweis und Quantifizierung mit Hilfe optischer Verfahren ausreichend ist. Das Aerosol wird zuerst in einer Sättigungskammer dem Dampf einer Arbeitsflüssigkeit (wie zum Beispiel Butanol, Alkohol oder Wasser) ausgesetzt. Anschließend wird die Dampfkondensation auf Partikel ausgelöst, und zwar entweder durch adiabatische Ausdehnung oder Abkühlung in der Kondensationskammer oder durch das Mischen mit einem kühleren Luftstrom. Die ausgebildeten Tröpfchen werden dann durch Lichtstreuungs- oder Dämpfungsverfahren nachgewiesen.

CPCs weisen zwei allgemeine Problempunkte auf: niedrige Durchflussraten und den Einsatz von toxischen Chemikalien als Arbeitsflüssigkeiten.

In den ersten Detektoren wurde eine Luftprobe mit Wasserdampf gesättigt, und die Luft dann adiabatisch ausgedehnt, um eine Abkühlung und anschließende Kondensation auf die Partikel herbeizuführen. (J. Aitken: On the number of dust particles in the atmosphere, Proc. Royal Soc. Edinburgh 35, 1888).

Ein automatischer Kondensationspartikelzähler, der nach diesem Prinzip arbeitet, wurde im US-Patent Nr. 2 684 008 offenbart. Dabei handelte es sich um ein semi-kontinuierliches Gerät, das zwischen dem Proben- und dem Ausdehnungsmodus hin und her wechselte. Eine weitere, im US-Patent Nr. 3 694 085 offenbarte Ausführungsform zeigt einen automatischen, semi-kontinuierlichen Zähler, bei dem Kühlung und Kondensation durch Mischen erfolgten.

In kontinuierlichen Laminarstrom-Kondensationspartikelzählern passiert der Proben-Luftstrom einen Sättiger und dann einen Kondensator. Der Sättiger mischt die Luft mit einem kondensierbaren Dampf, wie zum Beispiel Butanol. Aus dem Sättiger gelangt die Luft in ein Kondensatorrohr, das kühler ist als der Sättiger. Die Abkühlung des Luftstroms innerhalb des Kondensators erzeugt einen Übersättigungsbereich und bewirkt ein Kondensationswachstum der suspendierten Partikel, so dass sie optisch gezählt werden können. (Siehe J. Bricard, P. Delattre, G. Madelaine und M. Pourprix in Fine Particles, B.Y.H. Liu, Herausgeber, Academic Press, NY, 1976, S. 565–580; US-Patent Nr. 3 806 248 ). Diese Vorgehensweise wird in breitem Maße für das Messen der Partikelzahlkonzentration genutzt. Viele haben das Verfahren durch den Einsatz einer Vielzahl von Strömen, eine verbesserte Ausgestaltung des Sättigers oder durch Temperatursteuerung verbessert.

Heutige kontinuierliche Laminarstrom-Partikelkondensationsgeräte arbeiten mit kühlwandigen Kondensatoren. Die Vorrichtungen erzeugen eine Übersättigung, da zum Teil die thermische Diffusivität des Gases größer ist als die Massendiffusivität des kondensierenden Dampfes. Die Kondensation wird dadurch bewirkt, dass der Strom so abgekühlt wird, dass die Temperatur schneller abfällt als die kondensierende Flüssigkeit sich ausbreiten kann, wodurch ein Bereich der Übersättigung entsteht. Die Partikel innerhalb dieses Übersättigungsbereiches wachsen durch Kondensation. Diese Systeme funktionieren für in Luft suspendierte Partikel unzureichend, wenn die kondensierende Flüssigkeit Wasser ist. Bei Wasser ist der Grad der erzielten Übersättigung gering, da sich der Wasserdampf zu schnell ausbreitet, ehe die Temperatur des Proben-Stroms gesenkt wird.

Daher werden diese Systeme typischerweise mit Butanol betrieben, das eine Dampf-Massendiffusivität von 0,081 cm²/s hat. (Die Massendiffusivität für Wasserdampf ist mit 0,265 cm²/s mehr als drei Mal größer.) Die thermische Diffusivität von Luft, die die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung bestimmt, beträgt 0,215 cm²/s.

Bei vielen Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, Wasser als kondensierende Flüssigkeit zu verwenden. Wasser ist nicht toxisch und kostengünstig. Wasserbasierte Kondensationszähler wären für Messungen in Büros, in Wohnungen und an anderen bewohnten Orten geeignet. Sie stellen ein geringeres Problem für den Einsatz in Reinsträumen, wie sie für die Herstellung von Mikrochips benutzt werden, dar. Wasser wird Bu tanol oder anderen Flüssigkeiten vorgezogen, wenn Partikel für die chemische Analyse gesammelt werden.

Die ersten Zähler arbeiteten mit Wasser als Kondensationsmittel, sie waren jedoch nicht kontinuierlich (Siehe J. Aitken: On the number of dust particles in the atmosphere, Proc. Royal Soc. Edinburgh 35, 1888; US-Patent Nr. 2 684 008 und US-Patent Nr. 3 694 085 ). Alternative Ausführungsformen, wie diejenige, die im US-Patent Nr. 4 449 816 offenbart wird, zeigen einen kontinuierlichen Kondensationszähler, der mit Wasser betrieben werden kann, basierend auf der Mischung von zwei gesättigten Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Temperaturen. Eine weitere Ausführungsform, die im US-Patent 6 330 060 gezeigt wird, offenbart einen Kondensationskern-Zähler mit kontinuierlichem Strom, der mit einem in Segmente unterteilten Kondensator mit abwechselnden heißen und kalten Ringen arbeitet. (Siehe auch W.A. Hoppel, S. Twomey und T.A. Wojchiechowsi (J. Areosol Sci 10: 369–373, 1979).

Daher wäre eine Vorrichtung mit kontinuierlichem Strom mit einer hohen Durchflussrate, die mit nicht toxischen Chemikalien arbeitet, nützlich.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft, in großen Zügen, ein Verfahren zum Vergrößern von Partikeln oder Teilchen durch Kondensation. Das Verfahren kann für den Nachweis, das Zählen oder andere Analysen von Partikeln oder Teilchen in Aerosolen eingesetzt werden. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Einleiten eines/r partikel- oder teilchenbeladenen Stroms oder Strömung bei einer ersten Temperatur; und Leiten des Stroms oder der Strömung durch einen Kondensator, der eine zweite Temperatur, die höher als die des Stroms oder der Strömung ist, und einen Dampfdruck eines Kondensationsdampfes an Wänden des Kondensators nahe der Sättigung aufweist. Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass die Kondensationsflüssigkeit Wasser ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren, das folgende Schritte umfasst: Ausbildung einer Partikel- oder Teilchen-Probe bei einer ersten Temperatur; und Leiten der Partikel- oder Teilchen-Probe durch eine feuchtwandige Kammer, die innere Wände einschließt, die eine zweite Temperatur aufweisen, die höher als die erste Temperatur ist, wobei sich eine Kondensationsflüssigkeit in der Nähe ihres Sättigungs-Dampfdrucks an den Wänden befindet.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Erfindung um ein Partikel- oder Teilchenkondensationsgerät. Das Gerät umfasst einen Einlass, der einen Aerosolstrom oder eine Aerosolströmung aufnimmt, und einen Vorkonditionierer, der mit dem Einlass verbunden ist und eine erste Temperatur aufweist, wobei der Vorkonditionierer einen Auslass aufweist. Ein Vorkonditionierer ist mit dem Auslass verbunden und nimmt den Aerosolstrom oder die Aerosolströmung aus dem Vorkonditionierer auf. Der Kondensator weist innere Wände auf, die eine zweite Temperatur aufweisen, die höher als die erste Temperatur ist. Dieser Temperaturunterschied kann durch die Abkühlung des Stroms oder der Strömung im Vorkonditionierer oder durch Erwärmen des Kondensators oder durch eine Kombination von beiden erreicht werden. Ein anderer Aspekt besteht darin, dass der Kondensator röhrenförmig ist. Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Kondensationsdampf in der Vorrichtung einen Dampfdruck an den inneren Wänden nahe der Sättigung hat.

Bei noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die Erfindung eine Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Proben-Einlass, der eine(n) partikel- oder teilchenbeladene(n) Luftstrom oder Luftströmung aufnimmt, der/die eine erste Temperatur aufweist, und einen Kondensator, der innere Wände mit einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur, und mit einer feuchten Oberfläche aufweist. Bei einmaligen Ausführungsformen liegt die zweite Temperatur um 15°C oder mehr über der ersten Temperatur, um 25°C oder mehr über der ersten Temperatur und um 45°C oder mehr über der ersten Temperatur.

Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung, bei der die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die besonderen Ausführungsformen derselben beschrieben. Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Beschreibung und die Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt/zeigen:
1A eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung, die für den Einsatz bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
1B eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung, die für den Einsatz bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
2 bis 5 Diagramme, die Kondensationsprofile für verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen zeigen;
6 ein Diagramm, das die Aktivierungseffizienzen für die Systeme zeigt, die unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Erfindung umfasst eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines diffusiven, kontinuierlichen Laminarstroms für Partikelwachstum mittels der Kondensation von Dämpfen mit einer Massendiffusivität, die nahe der thermischen Diffusivität des umgebenden Gases liegt oder höher ist. In einer beispielhaften Ausführungsform arbeitet das Verfahren mit der Kondensation von Wasserdampf auf in der Luft suspendierte Partikel.
Im Allgemeinen arbeitet die Erfindung mit einem warmen, feuchtwandigen Kondensator.
1A zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Vorkonditionierer 20, einen Kondensator 30, einen Einlass 60 für gefilterte Luft und einen Aerosolproben-Einlass 50. Der Kondensator weist mindestens eine innere Wand auf, die in einer Ausführungsform röhrenförmig ausgebildet sein kann. Der Auslass des Kondensators ist mit einem Detektor oder Tropfensammler 40 verbunden. In einer Ausführungsform ist der Detektor ein optischer Detektor, wie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4 790 650 und im US-Patent Nr. 5 239 356 gezeigt, oder es handelt sich um von TSI Inc. verkaufte Geräte (Modelle Nr. 3760, 3025). Die physikalische Geometrie der Vorrichtung 10 ähnelt der von kontinuierlichen Laminarstrom-Kondensationszählern nach dem Stand der Technik. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass die Temperatur der Wände des Kondensators 30 höher ist als die des einströmenden Luftstroms 65 (1B) oder der Wände des Vorkonditionierers 20 (1A). Darüber hinaus liegt der Dampfdruck des kondensierenden Dampfes an den Wänden des Kondensators nahe der Sättigung (zum Beispiel innerhalb von 10% des Sättigungs-Dampfdrucks). Dies kann durch befeuchtete Wände erreicht werden. In diesem Kontext bedeutet der Begriff "befeuchtet", dass die Wände mit dem kondensierten Dampf beschichtet sind.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Prozess wird ein partikelbeladener Strom vom Einlass 50 in ein Kondensatorrohr 30 eingeleitet, dessen Wände warm und mit Wasser oder anderem kondensierbaren Dampf gesättigt sind. Ein partikelfreier Hüllstrom 67 kann über den Einlass 60 eingeleitet werden. Der Hüllstrom kann mit einer gewünschten Temperatur bereitgestellt werden, oder der Vorkonditionierer kann den Hüllstrom und den Partikelstrom 65 vor dem Einströmen derselben in den Kondensator so konditionieren, dass sie die gewünschte Temperatur haben. Ein Aspekt besteht darin, dass der Vorkonditionierer ein Sättiger sein kann. Jedoch kann im Kontext der Erfindung jede Vorrichtung, die die Temperatur der Probe oder des Hüllstroms ändert, als Vorkonditionierer in Betracht gezogen werden.
Die Geräte nach dem Stand der Technik arbeiten mit Kühlung, um die Übersättigung zu bewirken. Im Gegensatz dazu nutzen das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung die Tatsache aus, dass die Massendiffusivität von Wasserdampf höher ist als die thermische Diffusivität von Luft. Dadurch erfolgt bei der Einleitung kälterer Luft in eine wärmere Kammer mit befeuchteten Wänden die Diffusion von Wasserdampf von den Wän den in den Strom schneller als die Erhitzung des Stroms. Diese Differenz bewirkt eine maximale Übersättigung entlang der Mittellinie des Stroms.
Die Leistung der Erfindung kann durch die Effizienz der Aktivierung des Partikelwachstums auf Partikeln in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser D_p charakterisiert werden:
η_act(D_p) = Anteil oder Fraktion der in den Kondensator einströmenden Partikel mit dem Durchmesser D_p, auf denen Dampf kondensiert wird.
Im Allgemeinen ist die Kondensation von Dampf auf einem Partikel umso schwieriger, je kleiner dieser ist, und für jede Vorrichtung gibt es eine kleinste Partikelgröße, die für Kondensationswachstum aktiviert werden kann.
Die Aktivierungseffizienzen η_act(D_p) werden ausgehend von einem zweidimensionalen Modell des konvektiven und diffusiven Wärme- und Massentransports im Kondensator vorhergesagt. Profile der Temperatur, T, im gesamten Kondensator erhält man durch die Lösung der partiellen Differenzialgleichung
wobei r und z radiale bzw. axiale Koordinaten sind, R der Rohrradius ist, U die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit ist und α_t die thermische Diffusivität des strömenden Gases ist. Es wird ein voll ausgeprägtes parabolisches Strömungsprofil mit stückweise einheitlich einströmendem Temperaturprofil und einheitlicher Wandtemperatur angenommen. Bei einer mittleren Temperatur bewertete Fluideigenschaften werden als Konstanten über die Domäne behandelt. Die axiale thermische Diffusion (Konduktion) und andere zweitrangige Effekte wie zum Beispiel der Ste fanstrom werden vernachlässigt. Mit ähnlichen Gleichungen lassen sich der Partialdruck, p_v, des Wasserdampfes und die größenabhängige Partikelkonzentration, N(D_p), bestimmen, wenn α_t durch die Dampfdiffusivität, D_v, bzw. die größenabhängige Partikeldiffusivität, D(D_p), ersetzt wird. Es wird angenommen, dass an der Kondensatorwand der Dampf gesättigt ist und die Partikelkonzentration gleich Null ist.
Diese drei unabhängigen Grenzwertprobleme nehmen jeweils die Form des klassischen Graetz-Problems an. Jedes kann durch Abtrennung von Variablen gelöst werden, und jedes der drei Profile kann in Form der Standard-Reihenlösung für das Graetz-Problem ausgedrückt werden. Bei dieser Arbeit werden in jeder Reihe die ersten zwanzig Ausdrücke mit ihren jeweiligen Eigenwerten und Eigenfunktionen verwendet.
Das Profil für das Wasserdampf-Sättigungsverhältnis S = pv/psat(T)erhält man aus den T- und p_v-Profilen, wobei p_sat(T) der Wasserdampfsättigungsdruck bei der Temperatur T ist. Mit S an jedem Punkt verbunden ist der Gleichgewichts-Kelvin-Durchmesser Dk,eq = (4σsMw)/(ρlRT·logS),wobei M_w, ρ_l und σ_s das Molekulargewicht, die Flüssigkeitsdichte und die Oberflächenspannung von Wasser sind, R die universelle Gaskonstante ist und T die absolute Temperatur ist. D_k,eq ist eine Eigenschaft von Wasser und entspricht dem Durchmesser eines flüssigen Wassertropfens im Gleichgewicht mit Wasserdampf bei dem Sättigungsverhältnis S und der Temperatur T. Der Kelvin-Äquivalentdurchmesser, D_k, jedes Partikels entspricht dem mit dem Sättigungsverhältnis verbundenen D_k,eq, ab dem die Kondensation auf dem Partikel aktiviert wird. Partikel, bei denen D_k größer ist als D_k,eq, werden aktiviert und wachsen; kleinere Partikel tun dies nicht. Der übergreifende minimale D_k,eq liegt an einem Punkt entlang der Mittellinie des Kondensators, jedoch zu dieser beabstandet. Die Konturen des konstanten D_k,eq erweitern sich um diesen Punkt parallel zur Zunahme des D_k,eq.
Die Aktivierungseffizienz wird durch die den Kondensator passierende Fraktion von Partikeln mit der Größe D_k, die die Kontur D_k,eq = D_k schneiden, bestimmt. Jede Kontur weist einen Punkt auf, an dem der radiale Querschnitt am größten ist. Die Aktivierungseffizienz, η_act(D_p), wird als die Fraktion von Partikeln der Größe D_p = D_k,eq (unter der Annahme, dass D_p = D_k), die diesen Querschnitt passieren, berechnet. Sie wird durch Integrieren der Graetz-Lösung für das Partikelkonzentrationsprofil, N(D_p), über diesen Querschnitt ermittelt.
Es wurden Berechnungen unter Verwendung der Geometrie des von M. Stolzenburg und P. McMurry konstruierten ultrafeinen Kondensationspartikelzählers (Aerosol Science and Technology 14: 48–65 (1991)) angestellt. Die grundlegende Anordnung ist in 1A gezeigt. Die Berechnungen erfolgten für die herkömmliche Konfiguration mit einem kühlwandigen Kondensator sowie für den warmen, feuchtwandigen Kondensator, und die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 ausgewiesen. In beiden Konfigurationen kommt als Vorkonditionierer ein Sättiger zum Einsatz. Die Tabellen 1 und 2 zeigen das maximale Sättigungsverhältnis, das entlang der Mittellinie des Stroms erreicht wird, wo die Sättigung als das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Dampfkonzentration und der Gleichgewichts-Dampfkonzentration definiert ist. Für den herkömmlichen, kühlwandigen Kondensator wird mit Butanol ein hohes Sättigungsverhältnis entlang der Mittellinie erreicht, mit Wasser jedoch nicht. Mit Wasser als kondensierender Flüssigkeit beträgt das mit der herkömmlichen Konfiguration erreichte Sättigungsverhältnis an der Mittellinie maximal 1,15. Für den erfindungsgemäßen warmen, feuchtwandigen Kondensator kann al lein durch Wechseln der Temperaturen des Kondensators und des Sättigers ein Verhältnis von 1,69 erreicht werden. Bei einer optimaleren Temperatur von 51°C im Kondensator und 10°C im Sättiger kann im Kondensator ein Sättigungsverhältnis von 2,18 erreicht werden.
TABELLE 1: Herkömmlicher kühlwandiger Kondensator
TABELLE 2: Warmer, feuchtwandiger Kondensator
Die Konturen der Konstante D_k,eq für mehrere mögliche Kondensatorkonfigurationen sind in 2–5 gezeigt, und die entsprechenden Aktivierungseffizienzkurven, η_act(D_p), sind in 6 gezeigt. Diese gelten alle für Systeme, die mit Luft als Trägergas und Wasser als kondensierbarem Dampf arbeiten. Das Kondensatorrohr weist einen Innendurchmesser von 0,25 Zoll (= 0,635 cm) auf, und die Gesamt-Durchflussrate beträgt bei atmosphärischem Druck 1,0 Liter pro Minute.
2 zeigt eine Kurve von Übersättigungsprofilen innerhalb des warmen, feuchtwandigen Kondensators für ein System mit einem partikelbeladenen Aerosolstrom, der von einem partikelfreien Hüllstrom umgeben ist, wie in 1A. Der radiale Abstand (r) wird bezogen auf den Rohrradius (R) normalisiert, wobei ein Wert 0 die Mittellinie anzeigt. Der nichtdimensionale axiale Abstand (z) ist der Abstand entlang der Länge des Kondensators, gemessen in Radien. Die Konturen entsprechen Linien gleicher Übersättigung. Der Wert der Übersättigung ist durch die kleinste Partikelgröße D_k,eq angegeben, die bei dem berechneten Übersättigungsverhältnis aktiviert wird. Je größer die Übersättigung, umso kleiner die Partikelgröße, die aktiviert wird.
Der in den Kondensator einströmende Strom hat eine Temperatur T_in = 10°C, und die Temperatur an der Kondensatorwand beträgt T_con = 65°C. Der Abstand zwischen der Stelle, an der der Aerosol- und der Hüllstrom zusammentreffen, und dem Einlass des Kondensatorrohrs beträgt 1,0 Zoll (= 2,54 cm). Der einströmende Hüllstrom ist bei T_in mit Wasserdampf gesättigt, aber der einströmende Aerosolstrom weist für diese Modellberechnungen keinen Wasserdampf auf. (In der Praxis kann die relative Feuchtigkeit des Aerosolstroms beim Einströmen zwischen 0 und 100 liegen, aber dies hat einen relativ geringen Einfluss auf diese Modellberechnungen. Jeder in dem einströmenden Aerosolstrom enthaltene Wasserdampf bewirkt eine leichte Verbesserung der Leistung.)
Wie in 2 gezeigt, erreicht das Übersättigungsverhältnis bei dem warmen, feuchtwandigen Kondensator einen Wert von 2,92, wodurch Partikel mit einem Durchmesser von 1,94 nm aktiviert werden. Dieses Profil weist eine große Ähnlichkeit mit demjenigen auf, das von Stolzenburg für einen ultrafeinen Kondensationszähler (M. Stolzenburg und P. McMurry (Aerosol Science and Technology 14: 48–65, 1991) berechnet wurde, der mit Butanol und einem kühlwandigen Kondensator arbeitet, worin diese Theorie mit den experimentellen Daten übereinstimmt.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in 1B gezeigt. In dieser Ausführungsform kann auf den Hüllstrom und den Sättiger verzichtet werden. Für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung muss lediglich die Temperatur des in den Kondensator einströmenden Luftstroms niedriger sein als die der Wände des Kondensators. Es ist nicht notwendig, dass der in den Kondensator einströmende Luftstrom gesättigt ist. Sofern die Anwendung die Arbeit mit einer ausreichend hohen Kondensatorwand-Temperatur gestattet, ist kein Vorkonditionierer erforderlich. Alternativ kann der Luftstrom so vorkonditioniert werden, dass er eine gewünschte Temperatur hat.
3, 4 und 5 sind Profile für Systeme ohne Hüllstrom, wie zum Beispiel in der Ausführungsform in 1B. In 3 ist T_in = 10°C, T_con = 46,5°C, und der einströmende Aerosolstrom ist trocken. In 4 ist T_in = 10°C, T_con = 35°C, und der einströmende Aerosolstrom ist gesättigt. In 5 ist T_in = 25°C, T_con = 45°C, und der einströmende Aerosolstrom ist gesättigt.
6 zeigt die Aktivierungseffizienzen für eben diese Systeme sowie für ähnliche Systeme mit den gleichen Temperaturen, und zwar für Systeme mit und ohne Hülle. Die gestrichelten Linien gelten für Systeme mit Hülle, bei denen die einströmenden Hüllströme gesättigt sind und die einströmenden Aerosolströme trocken sind. Die durchgehenden Linien gelten für Systeme ohne Hülle, bei denen die einströmenden Aerosolströme gesättigt sind. Die Punkt-Strich-Linie gilt für das System ohne Hülle aus 3, beim dem der einströmende Aerosolstrom trocken ist. Beginnend auf der linken Seite von 6, gelten die ersten zwei Kurven für die Temperaturen aus 2, die folgenden drei Kurven für die Temperaturen aus 3, die nächsten zwei Kurven für die Temperaturen aus 4 und die letzten zwei Kurven für die Temperaturen aus 5. Ebenso wie der oben behandelte ultrafeine Kondensationszähler von Stolzenburg und McMurry erzeugt das erfindungsgemäße System eine gut definierte Übersättigung, der die Partikel ausgesetzt werden. Diese Figuren zeigen eine verbesserte Leistung bei größerer Temperaturdifferenz, bei einer Vorsättigung des einströmenden Stroms und bei einer Umhüllung mit partikelfreier Luft.
Bei der Optimierung dieser Ausgestaltung können mehrere zusätzliche Erwägungen in Betracht gezogen werden. Das System kann in einer horizontalen oder vertikalen Ausgestaltung betrieben werden, eine vertikale Konfiguration minimiert jedoch im Allgemeinen die Unterbrechung des Stroms infolge der natürlichen Konvektion. In einer Ausführungsform kann der Strom nach unten gerichtet sein; in einer anderen Ausführungsform kann der Strom nach oben gerichtet sein. Das System kann mit oder ohne einem/n am Einlass 60 bereitgestellten Hüllstrom betrieben werden. Wird mit Hüllstrom gearbeitet, werden Partikel nur entlang der Mittellinie des Stroms eingeleitet.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgte zum Zweck der Illustration und Beschreibung. Sie ist weder als abschließend noch als Beschränkung der Erfindung auf die konkrete offenbarte Form zu betrachten. Ausgehend von den vorstehenden Ausführungen sind zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen möglich. Die beschriebenen Ausführungsformen wurden gewählt, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern, um andere Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen, der beabsichtigten Nutzung angepassten Veränderungen bestmöglich zu nutzen. Der Umfang der Erfindung soll durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.
Zusammenfassung
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines diffusiven, kontinuierlichen Laminarstroms für Partikelwachstum mittels der Kondensation von Dämpfen mit einer Massendiffusivität, die nahe der thermischen Diffusivität des umgebenden Gases liegt oder höher ist. In einer beispielhaften Ausführungsform arbeitet das Verfahren mit der Kondensation von Wasserdampf auf in der Luft suspendierte Partikel.

Claims

Verfahren zur Vergrößerung von Partikeln oder Teilchen, aufweisend: Einleiten eines/r partikel- oder teilchenhaltigen Stroms oder Strömung mit einer ersten Temperatur; und Leiten des Stroms oder der Strömung durch einen Kondensator mit einer zweiten Temperatur, die größer als die des Stroms oder der Strömung ist, wobei der Dampfdruck eines Kondensierdampfes an den Wänden des Kondensators nahe der Sättigung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensierdampf Wasser ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensierdampf Methanol ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Durchleitens des Stroms oder der Strömung das Durchleiten des Stroms oder der Strömung durch den Kondensator umfasst, wobei Innenwände des Kondensators feucht sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Einleitens das Einleiten des/r partikel- oder teilchenhaltigen Gasstroms oder Gasströmung, umgeben von einem/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstrom oder Mantelströmung, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schritt des Einleitens die Regulierung von Temperatur und Dampfdruck des/r Partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Einleitens die Regulierung von Temperatur und Dampfdruck des/r Partikel- oder teilchenhaltigen Stroms oder Strömung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schritt des Einleitens die Regulierung des Dampfdrucks des/r Partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Einleitens die Regulierung des Dampfdrucks des/r Partikel- oder teilchenhaltigen Stroms oder Strömung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der/die Partikel- oder teilchenfreie Hüllstrom oder Mantelströmung Luft ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der/die Partikel- oder teilchenfreie Hüllstrom oder Mantelströmung Stickstoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der/die Partikel- oder teilchenhaltige Strom oder Strömung Luft enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der/die Partikel- oder teilchenhaltige Strom oder Strömung Stickstoff enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Massendiffusionsvermögen des kondensierbaren Dampfes höher als die Temperaturleitfä higkeit des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Massendiffusionsvermögen des kondensierbaren Dampfes höher als die Temperaturleitfähigkeit des/r partikel- oder teilchenhaltigen Stroms oder Strömung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schritt des Einleitens die aktive Kühlung des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung umfasst, derart, dass die erste Temperatur mindestens 15°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schritt des Einleitens die aktive Kühlung des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung umfasst, derart, dass die erste Temperatur mindestens 25°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schritt des Einleitens die aktive Kühlung des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung umfasst, derart, dass die erste Temperatur mindestens 45°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, außerdem den Schritt des Nachweises von Tröpfchen, die sich im Kondensator gebildet haben, durch einen optischen Detektor umfassend.
Verfahren gemäß Anspruch 1, außerdem den Schritt des Nachweises von Tröpfchen, die sich im Kondensator gebildet haben, durch eine Tröpfchensammelvorrichtung umfassend.
Verfahren gemäß Anspruch 1, außerdem den Schritt der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Partikel oder Teilchen umfassend.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Einleitens die aktive Kühlung des Stroms oder der Strömung umfasst, derart, dass die erste Temperatur mindestens 15°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Einleitens die aktive Kühlung des Stroms oder der Strömung umfasst, derart, dass die erste Temperatur mindestens 25°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Einleitens die aktive Kühlung des Stroms oder der Strömung umfasst, derart, dass die erste Temperatur mindestens 45°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Verfahren, aufweisend: Bilden einer Partikel- oder Teilchenprobe mit einer ersten Temperatur; und Leiten der Partikel- oder Teilchenprobe durch eine Kammer, die Innenwände umfasst, die eine zweite Temperatur haben, die größer als die erste Temperatur ist, und in der ein Kondensierfluid an den Wänden nahe seinem Sättigungsdampfdruck ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die zweite Temperatur 15°C oder mehr höher als die Temperatur des/r eintretenden Gasstroms oder Gasströmung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die zweite Temperatur 25°C oder mehr höher als die Temperatur des/r eintretenden Gasstroms oder Gasströmung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die zweite Temperatur 45°C oder mehr höher als die Temperatur des/r eintretenden Gasstroms oder Gasströmung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das Kondensierfluid Wasser ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das Kondensierfluid Methanol ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei der Bildungsschritt in einem Regelgerät oder Vorkonditionierer erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei der Durchleitungsschritt die Einleitung des/r partikel- oder teilchenhaltigen Gasstroms oder Gasströmung, umgeben von einem/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstrom oder Mantelströmung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 32, wobei der/die partikel- oder teilchenfreie Hüllstrom oder Mantelströmung Luft ist.
Verfahren gemäß Anspruch 32, wobei der/die Partikel- oder teilchenfreie Hüllstrom oder Mantelströmung Stickstoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, außerdem den Schritt des Nachweises von Tröpfchen, die sich im Kondensator gebildet haben, umfassend.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung, aufweisend: einen Einlass, der einen Aerosolstrom oder eine Aerosolströmung aufnimmt; ein Regelgerät oder einen Vorkonditionierer mit einer ersten Temperatur, das/der an den Einlass angeschlossen ist, wobei das Regelgerät oder der Vorkonditionierer über einen Auslass verfügt; und einen Kondensator, der an den Auslass angeschlossen ist und der den Aerosolstrom oder die Aerosolströmung vom Sättiger aufnimmt, wobei der Kondensator Innenwände mit einer zweiten Temperatur aufweist, die höher als die erste Temperatur ist und einen Kondensierdampf mit einem Dampfdruck an den Innenwänden enthält, der nahe bei Sättigung liegt.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, wobei der Kondensator röhrenförmig ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, wobei der Kondensierdampf Wasser ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, wobei der Kondensierdampf Methanol ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, außerdem einen Einlass für eine(n) partikel- oder teilchenfreie(n) Hüllstrom oder Mantelströmung in die Vorrichtung umfassend.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 40, wobei die erste Temperatur und ein Dampfdruck des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung durch das Regelgerät oder den Vorkonditionierer reguliert werden.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, wobei die erste Temperatur und ein Dampfdruck des/r partikel- oder teilchenhaltigen Stroms oder Strömung durch das Regelgerät oder den Vorkonditionierer reguliert werden.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 40, wobei ein Dampfdruck des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung durch das Regelgerät oder den Vorkonditionierer reguliert wird.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, wobei ein Dampfdruck des/r partikel- oder teilchenhaltigen Stroms oder Strömung durch das Regelgerät oder den Vorkonditionierer reguliert wird.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 40, wobei der/die partikel- oder teilchenfreie Hüllstrom oder Mantelströmung Luft ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 40, wobei der/die partikel- oder teilchenfreie Hüllstrom oder Mantelströmung Stickstoff ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, außerdem eine optische Vorrichtung zum Nachweis von Partikeln oder Teilchen umfassend, die aus dem Kondensator austreten.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 36, außerdem eine Tröpfchensammelvorrichtung umfassend.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung, aufweisend: einen Lufteinlass, der eine(n) partikel- oder teilchenhaltige(n) Luftstrom oder Luftströmung mit einer ersten Temperatur aufnimmt; und einen Kondensator mit Innenwänden auf einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, und mit feuchter Oberfläche.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 49, wobei die zweite Temperatur 15°C oder mehr größer als die erste Temperatur ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 49, wobei die zweite Temperatur 25°C oder mehr größer als die erste Temperatur ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 49, wobei die zweite Temperatur 45°C oder mehr größer als die erste Temperatur ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 49, außerdem einen Einlass für eine(n) partikel- oder teilchenfreie(n) Hüllstrom oder Mantelströmung in die Vorrichtung umfassend.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 53, wobei die Temperatur des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung mindestens 15°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 53, wobei die Temperatur des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung mindestens 25°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 53, wobei die Temperatur des/r partikel- oder teilchenfreien Hüllstroms oder Mantelströmung mindestens 35°C niedriger als die zweite Temperatur ist.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 49, außerdem eine optische Vorrichtung zum Nachweis von Partikeln oder Teilchen umfassend, die aus dem Kondensator austreten.
Partikel- oder Teilchenkondensationsvorrichtung gemäß Anspruch 49, außerdem eine Tröpfchensammelvorrichtung umfassend.