DE112015004688T5

DE112015004688T5 - Anhaltende Übersättigungen für Kondensationswachstum von Teilchen

Info

Publication number: DE112015004688T5
Application number: DE112015004688.7T
Authority: DE
Inventors: Susanne Vera Hering; Steven Russel Spielman
Original assignee: Aerosol Dynamics Inc
Current assignee: Aerosol Dynamics Inc
Priority date: 2014-10-18
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2018-01-18
Also published as: US10252237B2; CN107106925B; US10882018B2; CN107106925A; US20190224637A1; WO2016061580A1; US20160107137A1

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von vergrößerten Teilchen in einem Strom. Die Vorrichtung enthält eine Rohrwendel mit einem Rohrdurchmesser und einem Wendeldurchmesser, wobei das Rohr einen den Strom empfangenden Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei das Rohr eine Länge zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufweist. Ein Heizer erwärmt einen ersten Teil des Rohrs entlang einem ersten Längsteil des Rohrs, und ein Kühler kühlt einen zweiten Längsteil des Rohrs entlang mindestens einem zweiten Teil des Rohrs. Das Verfahren umfasst Erwärmen eines ersten Teils des Rohrs entlang einem ersten Längsteil des Rohrs und gleichzeitiges Kühlen eines zweiten Teils des Rohrs entlang mindestens einem zweiten Längsteil des Rohrs. Das Verfahren umfasst während des Erwärmens und Kühlens Einleiten eines Stroms in ein Inneres des Rohrs an einem Eingang, wobei sich der Strom zum Ausgang bewegt.

Description

HINTERGRUND
Kondensationswachstumssysteme sind zum Vergrößern von aerosolierten Teilchen mit einer Größe im Submikrometerbereich zur Bildung von Tröpfchen verwendet worden. Diese aerosolierten Teilchen können schwebend sein oder von einem anderen Prozessgas, wie zum Beispiel Stickstoff, mitgeführt werden, sind aber als Teilchen mit in einem Gas suspendierter kondensierter Materie (Flüssigkeit oder Feststoff), die zu klein ist, um sich in den Zeiträumen, die von Interesse sind, durch Schwerkraft abzulagern, definiert. Häufig beträgt der Durchmesser der aerosolierten Teilchen von Interesse weniger als einige Mikrometer. Zum Erleichtern ihrer Messung können diese Teilchen durch Kondensation wachsen gelassen werden, um größere Tröpfchen zu bilden, die viel leichter als das ursprüngliche Teilchen detektiert oder manipuliert werden können. Zum Beispiel können die Tröpfchen optisch detektiert, durch Trägheit erfasst oder aerodynamisch fokussiert werden.
Für kleine Teilchen wird das Einleiten von Kondensationswachstum durch Aussetzen des Teilchens in einem Dampfübersättigungsbereich, der als Bereich, in dem der Dampfdruck des kondensierenden Dampfs über eine flache Fläche höher als sein Sättigungswert ist, definiert wird, erzeugt. Diese übersättigten Bedingungen werden verwendet, weil der Gleichgewichtsdampfdruck über der gekrümmten Fläche eines ultrafeinen Teilchens höher als über einer flachen Fläche der gleichen chemischen Zusammensetzung ist. Dies ist auf die mit der Oberflächenspannung verbundene Energie, ein durch die Kelvin-Beziehung beschriebenes Phänomen, zurückzuführen. Wasserkondensation auf kleine Teilchen erfordert relative Feuchtigkeitswerte über 100%. Grob gesagt, die zum Aktivieren des Kondensationswachstums von Teilchen mit einem Durchmesser von unter 6 nm benötigte relative Feuchtigkeit liegt im Bereich von 140% und darüber. Der genaue Wert der erforderlichen Übersättigung hängt auch von der Teilchenchemie ab, die für lösliche Salze durch die Kohler-Beziehungen beschrieben wird.
Übersättigte Bedingungen an Wänden des den Strom führenden Behälters sind nicht möglich, da sich jeglicher überschüssige Wasserdampf einfach an den Wänden absetzt. Es ist jedoch möglich, Ungleichgewichtsbedingungen im Kern des Stroms zu erzeugen, wodurch vorübergehend übersättigte Bedingungen bereitgestellt werden. Verfahren zum Erreichen derselben umfassen (1) adiabatische Expansion eines gesättigten Stroms, (2) das schnelle (allgemein turbulente) Vermischen von Strömen mit unterschiedlichen Temperaturen und (3) Laminarstromdiffusion, wobei ein kühlerer Strom in einen warmes, feuchtwandiges Rohr eingeleitet wird.
Bei jedem dieser Verfahren ist die Zeit, die der Strom übersättigte Bedingungen erfährt, begrenzt. Bei den Laminarstromverfahren weisen die Übersättigungsprofile zum Beispiel ein steiles Maximum und dann einen Abfall auf. Da der Großteil des Kondensationswachstums in diesem Spitzenübersättigungsbereich erfolgt, begrenzt diese begrenzte Zeit auch die Größe des Tröpfchens, das gebildet wird. Dies ist insbesondere bei Betrieb bei geringen Übersättigungen ein Problem, wie zum Beispiel bei Wolken typisch ist. Des Weiteren kann die Aktivierung von Kondensationswachstum kinetisch begrenzt sein, so dass diese kurze Übersättigung nicht dazu ausreichend ist, Kondensationswachstum an jenen Teilchen einzuleiten, die hydrophob sind, das heißt die eine inhärent geringe Wahrscheinlichkeit dafür haben, dass sich Wassermoleküle an ihre Oberfläche anhaften.
KURZFASSUNG
Kurz beschrieben umfasst die Technologie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von vergrößerten Teilchen in einem Strom. Die Vorrichtung enthält eine Rohrwendel mit einem Rohrdurchmesser und einem Wendeldurchmesser, wobei das Rohr einen den Strom aufnehmenden Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei das Rohr eine Länge zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufweist. Ein Heizer ist dazu konfiguriert, einen ersten Längsteil des Rohrs entlang einem ersten Teil des Rohrdurchmessers zu erwärmen, wobei der erste Teil des Rohdurchmessers eine ungefähr konstante Stelle bezüglich eines Querschnitts des Rohrs entlang der Länge des Rohrs aufweist. Ein Kühler ist zum Kühlen eines zweiten Längsteils des Rohrs entlang mindestens einem zweiten Teil des Rohrdurchmessers konfiguriert, wobei sich der zweite Teil des Rohrdurchmessers in einer ungefähr konstanten Position entlang der Länge des Rohrs befindet. Die Rohrwendel enthält Innenwände, die dazu ausgebildet sind, durchweg mit einem kondensierenden Fluid benetzt zu werden.
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Rohrwendel mit einem Rohrdurchmesser und einem Wendeldurchmesser, wobei das Rohr einen einen Eingangsstrom aufnehmenden Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei das Rohr eine Länge zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufweist. Danach umfasst das Verfahren das Erwärmen eines ersten Längsteils des Rohrs entlang einem ersten Teil des Rohrdurchmessers, wobei sich der erste Teil des Rohrdurchmessers an einer konstanten Position entlang der Länge des Rohrs befindet, und gleichzeitig Kühlen eines zweiten Längsteils des Rohrs entlang mindestens einem zweiten Längsteil des Rohrdurchmessers, wobei sich der zweite Teil des Rohrdurchmessers an einer konstanten Position entlang der Länge des Rohrs befindet. Das Verfahren umfasst während des Erwärmens und Kühlens das Einleiten eines Stroms in einen Innenraum des Rohrs an einem Eingang, wobei sich der Strom zum Ausgang bewegt.
Diese Kurzfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die unten in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Kurzfassung soll weder Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, noch soll sie als eine Hilfe bei der Bestimmung des Schutzumfangs des beanspruchten Erfindungsgegenstands verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A stellt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Technologie dar, die ein gerades Wachstumsrohr umfasst.
1B stellt einen Querschnitt des geraden Wachstumsrohrs entlang Linie 1B-1B dar.
2 stellt das Sättigungsverhältnis für eine Schicht des Stroms in dem geraden Wachstumsrohr von 1 im Betrieb dar.
3A und 3B sind Diagramme, die das Sättigungsverhältnis an mehreren radialen Positionen von einer vertikalen Schicht eines 0,3-l/min-Luftstroms in der Einrichtung von 1A für 50% RH bzw. 0% RH darstellen.
4 stellt eine zweite Ausführungsform der Technologie dar, die ein Flachwendelwachstumsrohr in einer einzigen Ebene aufweist, wobei die Oberseite wärmer als die Unterseite ist.
5 ist ein Querschnitt der Einrichtung von 4, der die Geschwindigkeitsfelder der Wendel darstellt, wobei Sekundärstrommuster dargestellt werden.
6 stellt das Sättigungsverhältnis für eine Schicht des Stroms in der Einrichtung von 4 dar, die sich zwischen den warmen und kalten Flächen erstreckt.
Die 7A und 7B sind Diagramme, die das Sättigungsverhältnis an mehreren radialen Positionen von der vertikalen Schicht von 6 für einen bei 0% RH bzw. 50% RH eintretenden 0,3-l/min-Luftstrom darstellen.
8A stellt eine andere Ausführungsform der Technologie dar, die ein Helixwachstumsrohr mit einer spiralförmigen Wendel darstellt, wobei sich die Innenseite und die Außenseite der Wendel verschiedenen Temperaturen aufweisen.
8B ist ein Querschnitt entlang der Linie 8B-8B in 8A.
9 stellt das Sättigungsverhältnis für die Schicht des Stroms, die sich zwischen den warmen und kalten Flächen des Wachstumsrohrs von 8A erstreckt, dar.
10 ist ein Diagramm, das das Sättigungsverhältnis als eine Funktion der axialen Position für mehrere radiale Positionen für die Helixkonfiguration von 8A darstellt.
11A ist eine Seitenansicht, die eine Kondensationswachstumsspirale von 4A darstellt, die in einem Teilchensammler oder einem Teilchenzähler enthalten ist.
11B ist eine perspektivische Ansicht, die die Einrichtung von 4 darstellt, die als ein optischer Detektor mit einem Optikkopf konfiguriert ist.
11C ist eine perspektivische Ansicht der Einrichtung von 13B mit entferntem Heizelement.
11D ist eine perspektivische Ansicht der Einrichtung von 11A, die als ein Teilchensammler konfiguriert ist.
12 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform, die eine Wachstumsrohrwendel umfasst, wobei ein erster Teil der Spirale umlaufend gleichmäßig kältere Wände hat als ein zweiter Teil umlaufend gleichmäßig wärmere Wände hat.
13 ist ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen einem geraden Wachstumsrohr und einer Wachstumsrohrwendel darstellt.
14A und 14B sind eine perspektivische und eine Querschnittsansicht einer allgemeinen Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Technologie gebildet ist und einen Einlass, eine Wachstumsrohrwendel, einen Auslass, eine Tröpfchenmess- oder -manipulationseinrichtung und eine Pumpe, ein Gebläse oder eine andere Strombewegungseinrichtung aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird eine Technologie vorgestellt, die sich auf ein Verfahren zum Vergrößern von schwebenden Teilchen durch Kondensationswachstum durch Wasser oder einen anderen Dampf zur Bildung von Tröpfchen, die leicht optisch detektiert, durch Trägheit aufgenommen oder aerodynamisch fokussiert werden können, bezieht.
Es werden eine Wachstumsrohrstruktur und ein Verfahren zum Betreiben eines Wachstumsrohrs bereitgestellt. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Technologie stellen ein "Wachstumsrohr-Sandwich" mit verschiedenen Konfigurationen bereit, bei denen sich ein Strom in einer Axialrichtung entlang einem feuchtwandigen Rohr bewegt, dessen Wandtemperaturen mit der Winkelposition variiert werden, aber über einen Großteil der Länge des Rohrs mit der axialen Stelle allgemein konstant sind. In diesem Zusammenhang bedeutet "konstant", dass die Winkelposition der hierin genannten erwärmten und gekühlten Teile um ein oder mehrere Grad variieren kann, aber innerhalb der oberen oder unteren Hälfte des Rohrquerschnitts entlang der Länge des Rohrs bleibt. Wände innerhalb der Winkelpositionen von ungefähr 20–160° (bezüglich eines gemeinsamen Ursprungs) können zum Beispiel warm sein, während jene entlang den Winkelpositionen von ca. 200–340° (bezüglich eines gemeinsamen Ursprungs bei 0°) kalt sind. Radiale Zwischenpositionen in Bereichen (bei zum Beispiel 0° + 20° und 180° + 20°) sind Übergangsbereiche mit Zwischentemperaturen. Dieses gleiche winkelabhängige Wandtemperaturprofil erstreckt sich über einen Großteil der Länge des Rohrs und ist über einen großen Teil der axialen Erstreckung festgelegt. Dieses Rohr kann als ein gerades Rohr, als eine Flachwendel oder als eine Helix konfiguriert sein.
Diese Konfiguration erzeugt einen Bereich im mittleren Teil des Stroms, wo der lokale Dampfdruck des Fluids, mit dem die Wände benetzt werden, höher als der Gleichgewichtswert des Fluids bei der lokalen Temperatur ist. Während sich der Strom entlang des Rohrs bewegt, nähern sich die Dampfdruck- und -temperaturprofile einem stationären Zustand, wobei das Sättigungsverhältnis (das als das Verhältnis von Dampfdruck zu Gleichgewichtsdampfdruck definiert ist) nahezu unabhängig von der axialen Stelle, nur von Radial- und Winkelpositionen abhängig ist. Diese Strömungskurven mit nahezu konstantem, hohem Sättigungsverhältnis stellen längere Aktivierungszeiten und stärkeres Teilchenwachstum als vorherige Laminarstromverfahren bereit. Dieser Ansatz ist besonders effektiv, wenn das Diffusionsvermögen des kondensierenden Fluids und die Temperaturleitfähigkeit des Trägergases ähnlich sind, wie es zum Beispiel bei Wasserkondensation auf in der Luft mitgeführte Teilchen der Fall ist.
Eine erste Ausgestaltung der Wachstumsrohrvorrichtung gemäß der vorliegenden Technologie ist ein gerades Rohr 100, wie in 1A gezeigt. Eine zum Betrieb mit dem Rohr 100 von 1A konfigurierte Einrichtung kann ferner eine oder mehrere Eingangseinrichtungen, die einen Strom zum Eingangsende 115 bereitstellen, und Ausgangseinrichtungen, die mit einem gegenüberliegenden Ende des Wachstumsrohrs 100 gekoppelt sind, enthalten, wobei Beispiele davon unter Bezugnahme auf die 11A–11D dargestellt und beschrieben werden. Es soll klargestellt werden, dass die Eingangs- und Ausgangseinrichtungen der 11A–11D mit irgendeiner der hierin beschriebenen Ausführungsformen der Wachstumsrohrvorrichtung verwendet werden können.
In 1A zeigt eine dunkle und helle Schattierung eine Temperaturdifferenz an, wobei eine hellere Schattierung wärmere Temperaturen und eine dunkle Schattierung kältere Temperaturen gemäß der auf der rechten Seite von 1A gezeigten Skala darstellt.
Die Innenwände des Rohrs 100 sind durchweg mit dem kondensierenden Fluid benetzt. Wie in den 1A und 1B dargestellt, ist eine Seite 110 des Rohrs 100 wärmer als die andere Seite. Bei der Darstellung von 1A, 1B wird die Wand in Bereich 110 bei Winkelpositionen von ungefähr 20° bis 160° auf 60°C gehalten, und die Wand in Bereich 112 wird bei Winkelpositionen von 200° bis 340° in Bereich 112, der sich um einen axiale Abstand erstreckt, der größer oder gleich der Volumenstromrate multipliziert mit 0,5 s/cm² ist, auf 20°C gehalten. Die Winkelpositionen beziehen sich auf einen gemeinsamen Ursprung in der Mitte des Rohrs (in 1B bei 0° angezeigt), und die Winkelpositionen (ein Ursprung) und somit die Bereiche 110 und 112 sind über die Länge des Rohrs 100 konstant, wodurch sie sich entlang der Länge des Rohrs longitudinal erstrecken. Es sollte auf der Hand liegen, dass ein Teilchenstrom mit einer Umgebungstemperatur von ca. 22°C über das Eingangsende 115 des Rohrs 100 in das Rohr 100 eingeleitet werden kann. Luftstrom tritt bei Öffnung 115 unten links ein und bewegt sich in Z-Richtung. Die Wände werden durchweg mit der flüssigen Phase des kondensierenden Dampfes benetzt. Radiale Zwischenpositionen in Bereichen 116 und 118 (0° + 20° bzw. 180° + 20°) können als Übergangsbereiche mit Zwischentemperaturen vorgesehen sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Bereich 110 größer als 140° sein, so dass der Bereich 110 bis zur Hälfte des Rohrs 100 verläuft und der Bereich 112 ebenfalls bis zur Hälfte des Rohrs 100 verläuft, wobei die Übergangsbereiche 116 und 118 auf ein Minimum reduziert sind.
Es wurden Berechnungen für die Konfiguration von 1A–1B für den Fall von Wasserkondensation durchgeführt. Die Innenwände sind mit Wasser benetzt. Das Rohr weist einen Innendurchmesser D1 von 6 mm auf und führt einen Luftstrom von 0,3 l/min. Unter diesen Bedingungen ist der Strom laminar, und der Transport erfolgt durch konvektive Diffusion. Die Temperaturdifferenzen zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten des Rohrs erzeugen einen Temperaturgradienten. Ebenso gibt es einen Gradienten im Dampfprofil. Nahe dem Eintritt 115 des Rohrs entwickeln sich die Dampfdruck- und -temperaturprofile mit der axialen Stelle, genauso wie das Sättigungsverhältnis. Weiter entlang dem Rohr nähern sich diese Parameter stationären Zustandswerten, die für den Rest der Länge des Rohrs aufrechterhalten werden.
In diesem Bereich nahe dem Beharrungszustand übertreffen die Werte des Sättigungsverhältnisses nahe der Mittellinie eins. Diese "übersättigten" Bedingungen (das heißt ein Sättigungsverhältnis größer als 1) ergeben sich aus den Differenzen der Raten der Dampfmasse und des Wärmetransports von den Wänden in den Strom sowie der nicht linearen Abhängigkeit des Gleichgewichtsdampfdrucks von der Temperatur.
Die für die 1A–1B berechneten Sättigungsprofile werden in den 2, 3A und 3B gezeigt. 2 zeigt das Sättigungsverhältnis für eine Schicht 202 des Stroms, wobei sich die Schicht zwischen den warmen und kalten Flächen des Wachstumsrohrs von 1 erstreckt. Die dargestellte Schicht liegt in der x-z-Ebene an der y-Achsen-Position von y = 0 und erstreckt sich zwischen der warmen 110 und kalten 112 Fläche des Wachstumsrohrs von 1. In der Scheibe 202 werden höhere Sättigungsverhältnisse durch eine hellere Schattierung angezeigt, und geringere Sättigungsverhältniswerte sind gemäß der Skala rechts dunkler.
Der Rohrdurchmesser beträgt 6 mm und der Strom beträgt 0,3 l/min. Der kondensierende Dampf ist Wasser, das Trägergas ist Luft, und der eintretende Strom befindet sich auf 22°C und 50% RH.
Wie oben angeführt, beträgt der Rohrdurchmesser D1 für die Profile der 2, 3A und 3B 6 mm und der Strom beträgt 0,3 l/min. Der kondensierende Dampf ist Wasser, das Trägergas ist Luft und der eintretende Strom befindet sich auf 22°C und 50% relative Feuchtigkeit (RH). Entlang der in 2 gezeigten Schicht erreicht der Strom ein maximales Sättigungsverhältnis von 1,42. Das Maximum tritt bei einem Abstand von ca. einem Sechstel eines Rohrradius von der Mittellinie zur kälteren Wand auf.
3A zeigt die axiale Abhängigkeit des Sättigungsverhältnisses für mehrere radiale Positionen entlang der bei y = 0 von 2 positionierten x-z-Ebene. Das Sättigungsverhältnis an den Innenwänden ist immer gleich 1, da die Grenzbedingungen für benetzte Wände gelten, und jeglicher überschüssige Wasserdampf einfach kondensieren würde. Sättigungsverhältnisse im Kern des Stroms nehmen am Eintritt 115 des Rohrs schnell zu, wobei sie zunächst an entfernten radialen Positionen nahe den Wänden ansteigen, und nahe der Mittellinie langsamer. Stromabwärts erreichen diese Sättigungsverhältnisse ein Plateau von Werten, die von der radialen Positionen abhängig sind, im Wesentlichen unabhängig von der Axialkoordinate. Insbesondere erreicht das Sättigungsverhältnis in diesem Beispiel an jeder Bahn nach einer Strecke stromabwärts von ca. 25–40 mm einen nahezu konstanten Wert. Außer an den Wänden sind diese Plateausättigungswerte größer als 1. Diese axiale Position, bei der die Sättigungsverhältnisplateaus zu der Stromrate proportional sind, und allgemeiner das Produkt dieser axialen Strecke und der Volumenstromrate, fällt in den Bereich von 0,5 bis 0,8 s/cm². Wie oben angemerkt, werden die höchsten Sättigungsverhältnisse etwas von der Mittellinie entfernt erreicht. 3B zeigt Sättigungsverhältnisse, die für die gleiche Konfiguration und die gleichen Betriebstemperaturen erreicht werden, wenn der eintretende Strom vollkommen trocken ist, wobei 0% RH ist. Nach Erreichen der maximalen Übersättigung von 1,42 ändert sich diese nicht merklich von der maximalen Übersättigung für den Fall, in dem für den Eingangsstrom 50% RH galt.
4 stellt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Technologie dar, die als ein Flachwendelwachstumsrohr 400 konfiguriert ist. Das Wachstumsrohr 400 ist eine Rohrwendel in einer einzigen Ebene, wobei die Oberseite wärmer als die Unterseite ist. Luft tritt in der Mitte am engeren Radius ein und bewegt sich entlang der Wendel, wobei sie am Außenrand austritt, wie durch die Pfeile angezeigt. Eine hellere Schattierung zeigt gemäß der Skala rechts (Werte in °C) wärmere Temperaturen an.
Obgleich nicht in einem getrennten Querschnitt ausführlich dargestellt, enthält die Ausführungsform von 4 Bereiche 410 und 412 auf ähnliche Weise wie die der Ausführungsform von 1: die Wand in Bereich 410 wird bei Winkelpositionen von ungefähr 20° bis 160° auf 60 °C gehalten, und die Wand in Bereich 412 wird bei Winkelpositionen von 200° bis 340° in Bereich 112 auf 20°C gehalten. Die Winkelpositionen beziehen sich auf einen gemeinsamen Ursprung, und die Winkelpositionen (der Ursprung) und somit die Bereiche 410 und 412 sind konstant und erstrecken sich dadurch longitudinal über die Länge des Rohrs 400.
In 4 ist die Oberseite 410 wärmer als die Unterseite 412. Luft tritt in der Mitte am engeren Radius am Einlass 415 ein und bewegt sich entlang der Wendel, wobei sie am Außenrand austritt. Eine hellere Schattierung zeigt gemäß der Skala rechts (Werte in °C) wärmere Temperaturen an.
Die Wendelgeometrie führt zu der Entwicklung eines Sekundärstrommusters, wie in 5 dargestellt. In 5 zeigen Geschwindigkeitsfelder in der Wendel Sekundärstrommuster, wobei sich die Mitte der Wendel links des Querschnitts von 5 befindet. Gestrichelte Linien zeigen das Sekundärstrommuster, das die Komponente des Stroms ist, die senkrecht zur Achse des Rohrs, das heißt in der Zeichenebene, verläuft. Die Länge jedes Strichs ist proportional zu der Höhe der Geschwindigkeit. Die Pfeile zeigen die Richtung des Sekundärstroms an. Durchgezogene Linien sind Konturen konstanter Geschwindigkeit für den Primärstrom, der sich axial entlang dem Rohr bewegt. Die Richtung des Stroms für den Querschnitt 5-5 in 4 verläuft aus der Zeichenebene heraus. Wie gezeigt, ist das Strommuster nicht turbulent; das heißt, die Strömungsgeschwindigkeit ändert sich nicht mit der Zeit, sondern ändert sich nur räumlich. Statt der geraden Strömungsbahnen, die einen Laminarstrom allgemein kennzeichnen, sind die Strömungsbahnen in der Wendelgeometrie jedoch nicht gerade. Stattdessen folgen die Bahnen einem Helixmuster, das Strom von den kalten und warmen Wänden direkt in die Mitte des Stroms bringt. Die Mitte der Wendel befindet sich weiter links. Die durchgezogenen Linien zeigen die Konturen gleicher Längsströmung, das heißt entlang der Achse des Rohrs. Diese Längsgeschwindigkeiten sind zur Außenseite der Wendel etwas größer. Die gepunkteten Linien zeigen die senkrechten Strömungskomponenten, die ein Doppelwirbelmuster zeigen. Einzelne Strömungsbahnen folgen einer Doppelhelix, die für einen Teil der Zeit der Wand folgend stromlinienförmig wird, sich zur Mitte krümmt und zur Außenseite zurückkehrt.
Das Ausmaß der Verschiebung des Längsstrommaximums von der Mitte des Rohrs und die Größe des senkrechten Wirbelmusters bezüglich der Längsgeschwindigkeiten hängt von der wie folgt definierten Dean-Zahl ab:
wobei
die Reynolds-Zahl ist, V die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist, D der Durchmesser des Rohrs ist und A der Durchmesser der Wendel ist, ρ ist die Luftdichte und µ die Luftviskosität. Der Wendeldurchmesser A beträgt das Doppelte des Abstands von der mittleren Achse der Wendel zur Mitte des Rohrs. Bei der Helixkonfiguration ist A konstant, während bei der Flachspiralenkonfiguration A nahe der Mitte der Wendel kleiner ist. Bei kleiner De < 17, das heißt wenn der Wendelradius im Vergleich zum Rohrdurchmesser groß ist, wird infolge des zentrifugal induzierten Druckgradienten ein Paar symmetrisch platzierter gegenläufiger Wirbel gebildet. Das Sekundärstrommuster kann wie bei Dravid, A. N., Smith, K. A., Merrill, E. W., Brian, P. L. T., "Effect of secondary fluid motion on the laminar flow heat transfer in helically coiled tubes", American Institute of Chemical Engineering Journal 17: 1114–1122, 1971, analytisch beschrieben werden. Für moderate Werte, De < 370, wird der Doppelwirbel im Rohr asymmetrisch, bei höheren Geschwindigkeiten im äußeren Wirbel, jedoch sind die Strömungsbahnen wohldefiniert und zeitinvariant. Bei höherer De beginnt der Strom sich von der Innenwand des Rohrs zu trennen. Die oben angeführte Modellierung gilt für den Fall von De = 350.
Die sich ergebende Geometrie ist für die Erzeugung von für Kondensationswachstum erforderlicher Dampfübersättigung vorteilhaft, da die Sekundärstrommuster den Transport von Dampf von den benetzten Wänden in die Mitte des Stroms verbessern. Ein Luftpaket nahe der Rohrmitte wird letztendlich nahe der Wand migrieren, wodurch die Wärme- und Dampfübertragung verbessert werden. Dadurch wird die Diffusionsstrecke effektiv verkürzt, und das Sättigungsverhältnis erreicht wieder einen stationären Zustandswert, der in erster Linie von der radialen Stelle abhängig ist. Nach Erreichen des stationären Zustands erreicht das Sättigungsverhältnis Plateaus auf einem nahezu konstanten Wert, wodurch ausreichend Zeit für Teilchenaktivierung und -wachstum bereitgestellt wird.
Die 6, 7A und 7B zeigen die Sättigungsverhältnisse, die bei der Ausführungsform von 5 erreicht werden, wobei der Wendelradius R = A/2 (Rohrmittellinie gemessen zu einer 180°-Rohrmittellinie) von 7 bis 17 mm variiert. Berechnungen erfolgen für ein 120 mm langes Rohr mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Volumenstromrate von 0,3 l/min.
6 stellt das Sättigungsverhältnis für eine Schicht des Stroms, die sich zwischen der warmen und kalten Fläche des Wachstumsrohrs von 4 erstreckt, dar, wobei eine hellere Schattierung höhere Werte des Sättigungsverhältnisses anzeigt, wie in der Skala rechts gezeigt. Der Rohrdurchmesser D1 beträgt 6 mm, und der Strom beträgt 0,3 l/min. Der kondensierende Dampf ist Wasser, das Trägergas ist Luft, und der eintretende Strom befindet sich auf 22°C und 0% RH.
7A stellt das Sättigungsverhältnis an mehreren radialen Positionen von der vertikalen Schicht von 4 dar, wobei sich der eintretende Strom auf 22°C und 0% RH befindet. 7B stellt das Sättigungsverhältnis an mehreren radialen Positionen von der vertikalen Schicht von 4 dar, wobei sich der eintretende Strom auf 22°C und 50% RH befindet. Es sei darauf hingewiesen, dass sich diese vertikale Scheibe von der wärmeren Fläche durch die Mittellinie des Rohrs zur kälteren Fläche erstreckt, und ferner, dass sie sich entlang der Rohrachse vom Stromeintritt zum Stromaustritt erstreckt.
Der Strom tritt nahe der Mitte am Einlass 415 am engeren Radius der Wendel ein. Zum Vergleich erfolgten Berechnungen bei den gleichen Betriebstemperaturen, Strömen und Rohrdurchmessern wie bei der geraden Konfiguration von 1. Das Ergebnis zeigt die gleichen allgemeinen Eigenschaften der Ausführungsform von 4 wie für die Ausführungsform des geraden Rohrs von 1, obgleich die erreichte Maximalübersättigung 1,50 beträgt, was etwas höher als die 1,42 für das gerade Rohr sind. Somit verbessert der Sekundärstrom, der Strom von weiter entfernteren radialen Positionen zur Mitte bringt, die Übersättigung. Wie bei dem Ansatz des geraden Wachstumsrohr-Sandwich ist die maximale Sättigung im Wesentlichen unabhängig von der relativen Feuchtigkeit des eintretenden Stroms, bei Berechnungen für Probenentnahme bei entweder 0% RH oder 50% RH, die beide ein Sättigungsverhältnis von 1,52 ergeben.
Eine in den 8A und 8B dargestellte dritte Ausgestaltung ist eine Helixwendel 700. Bei diesem Helixwachstumsrohr mit einer spiralförmigen Wendel befinden sich die Innenseite und die Außenseiten der Wendel auf unterschiedlichen Temperaturen, wie durch die Schattierung angezeigt. In diesem Beispiel befindet sich die Innenfläche auf 60°C und die Außenfläche auf 20°C. Trägergas tritt bei Einlass 720 ein und bei Auslass 721 aus. Diese Ausgestaltung kann für Fälle kompakter sein, bei denen es erforderlich ist, eine größere Probenstromrate handzuhaben. Das gegebene Beispiel weist einen Rohrdurchmesser D2 von 10 mm, einen Wendeldurchmesser A2 von 40 mm bei einer Luftstromrate von 7 l/min auf. Die Innenflächen der Wendel werden auf 60°C und die Außenflächen auf 20°C gehalten. In 8B enthält die Ausführungsform der 8A und 8B Bereiche 710 und 712, die zu 110 und 112 (um 90° gedreht) auf eine mit denen der Ausführungsform von 1 äquivalente Weise äquivalent sind: die Wand in Bereich 710 wird für eine Bogenlänge von 140° auf 60°C gehalten, und die Wand in Bereich 712 wird für Winkelpositionen von 140° auf 20°C gehalten, obgleich längere oder kürzere Bogenlängen verwendet werden können. Die Winkelpositionen beziehen sich auf einen gemeinsamen Ursprung, und die Winkelpositionen (der Ursprung) und somit die Bereiche 710 und 712 nehmen an jedem Querschnitt des Rohrs über die Länge des Rohrs 400 die gleichen Winkelpositionen bezüglich des Ursprungs ein.
9 stellt das Sättigungsverhältnis für die Schicht dar, die sich zwischen der warmen und kalten Fläche des Wachstumsrohrs der 8A–8B erstreckt und durch dessen Mittellinie verläuft. Eine hellere Schattierung zeigt einen höheren Wert des Sättigungsverhältnisses an. Es sei darauf hingewiesen, dass das Sättigungsverhältnis schnell einen Wert über 1,2 erreicht, der dann entlang der Länge der Wendel beibehalten wird. Der kondensierende Dampf ist Wasser, das Trägergas ist Luft, und der eintretende Strom befindet sich auf 20°C und 30% RH.
Der mit dieser Konfiguration erreichte Sättigungsgrad wird in 10 gezeigt. 10 stellt das Sättigungsverhältnis als eine Funktion der axialen Position für mehrere radiale Positionen für die Helix-Sandwich-Konfiguration der 8A–8B dar. In diesem Beispiel beträgt das maximale Sättigungsverhältnis 1,3, was geringer als das mit der Flachwendel bei den gleichen Betriebstemperaturen erreichte ist. Dieser geringere Wert ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Temperaturdifferenz nicht mit dem Rezirkulationsstrommuster übereinstimmt, wie das bei der Flachwendel der Fall war.
Der Vorteil des Bereichs mit anhaltendem Sättigungsverhältnis besteht in der Bereitstellung von mehr Aktivierungszeit und der Erzeugung größerer Tröpfchen, während die kleineren Rohrdurchmesser, die zur Vermeidung einer Beeinträchtigung der Sättigung bei hohen Teilchenkonzentrationen aufgrund von Kondensationswärmeabgabe erforderlich sind, beibehalten werden.
Bei all den obigen Beispielen wurde der Fall von Wasserkondensation auf in Luft schwebende Teilchen betrachtet. In diesem Fall sind das Diffusionsvermögen des kondensierenden Fluids und die Temperaturleitfähigkeit des Trägergases ähnlich, wie es beispielsweise bei Wasserkondensation auf in Luft mitgeführte Teilchen der Fall ist. Da Wasser ein kleines Molekül ist, diffundiert es schneller als die Temperatur ansteigt. Insbesondere beträgt das Massendiffusionsvermögen von Wasserdampf bei Raumtemperatur 0,25 cm²/s, während die Wärmeleitfähigkeit von Luft 0,20 cm²/s beträgt. Wenn sowohl Wärme als auch Wasser von den Wänden in den Strom diffundieren, überholt der Transport von Wasserdampf den Wärmetransport. Das Ergebnis ist ein Wasserdampfübersättigungsbereich nahe der Mittellinie.
Der gleiche Ansatz kann auch für Fälle verwendet werden, in denen die Diffusionsvermögen unterschiedlicher sind, wie zum Beispiel die Kondensation von Isopropylalkohol auf Teilchen in einem Luftstrom. In diesem Fall ist der Punkt der Bahn mit maximaler Übersättigung weiter von der Mittellinie des Stroms als für Wasserkondensation entfernt. Wie bei den gezeigten Beispielen erreicht der Grad der Übersättigung entlang jeder Bahn jedoch einen nahezu konstanten Wert, was ausreichend Zeit für Teilchenaktivierung und -wachstum bereitstellt.
Die 11A–11B stellen die Verwendung des Flachwendelwachstumsrohrs in Verbindung mit einem Teilchenzähler 1114b oder als einen Teilchensammler 1114a dar. Das Flachwendel- oder Spiralwachstumsrohr 1120 wird durch zwei symmetrische Platten 1105, 1107, in die eine Nut 1120a, wie in 11c und 11d gezeigt wird, gebildet. (Es sei darauf hingewiesen, dass eine entgegengesetzte und gegenüberliegende Nut, nicht gezeigt, in eine obere Metallplatte 1105 geschnitten ist, um die Bildung des Rohrs 1120 zu vervollständigen.) Diese werden anschließend zusammengefügt, wie in 11b gezeigt. Ein kleiner Heizer 1104, wie zum Beispiel ein Patronen- oder Folienheizer, ist an einer Seite angebracht, und ein Kühler 1106, wie zum Beispiel ein Peltier- oder eine thermoelektrisches Vorrichtung, ist an der anderen angebracht. Als Alternative dazu kann ein einziges thermoelektrisches Element zwischen den beiden Plattenhälften 1105, 1107 angebracht sein, um Wärme von einer Seite zur anderen zu pumpen. Eine Isolierung zwischen den beiden Hälften reduziert die Wärmeleckage zwischen den beiden Platten. Durch Verwendung eines ungebrannten Aluminiumoxidbiskuits oder eines anderen benetzbaren Materials für die Konstruktion der beiden Platten 1105, 1107, in die die Nut geschnitten ist, ist es möglich, über die gesamte Innenfläche der Spirale benetzte Flächen zu erhalten. Wie gezeigt, tritt der Strom in der Mitte des Spiralrohrs 1102 in den Einlass 1102 ein und strömt durch die Spirale, wobei die ultrafeinen Teilchen durch Kondensation wachsen. Dieses Wachstum ist auf die durch die relativen Wasser- und Dampftransportraten von den benetzten, nicht isothermen Wänden erzeugte Dampfübersättigung zurückzuführen, wie oben erläutert.
In Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung wird der Strom zu einem optischen Sensor 1114b oder zu einem Impaktor-Sammler 1114a geleitet, wie in den 11C und 11D gezeigt. Wenn die Einrichtung mit dem optischen Sensor 1114d gekoppelt ist, bildet sie einen Kondensationsteilchenzähler, der die Konzentration von einzelnen ultrafeinen in einem Strom von Luft oder einem anderen Gas schwebenden Teilchen detektiert und misst. Wenn die Einrichtung mit einem Impaktor-Sammler 1114a gekoppelt ist, wird sie zu einem Sammler für ultrafeine Teilchen, der ultrafeine Teilchen als einen konzentrierten Fleck oder einen Satz von Flecken auf einer festen Oberfläche ablagert. Teilchensammler können auch in Flüssigkeit ablagern. In beiden Anwendungen wird das Detektieren oder Erfassen der ultrafeinen Teilchen durch das Kondensationswachstum ermöglicht. Zusätzlich zu dem Sammeln und Zählen kann das hier dargelegte Kondensationswachstumsverfahren dazu verwendet werden, das elektrische Laden zu verbessern oder die Teilchen aerodynamisch zu fokussieren. Obgleich die 11A–D diese Anwendungen unter Verwendung des Flachwendelwachstumsrohrs dargestellt haben, gelten diese identischen Konzepte auch für die in 8 gezeigte Helixkonfiguration.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann zwischen den Platten 1105 und 1107 eine Isolierschicht vorgesehen werden. Bei solchen Ausführungsformen kann die Isolierschicht aus Kunststoff oder Schaumstoff gebildet sein und eine Nut aufweisen, die mit der Nut, die in jeder der Platten ausgebildet ist, übereinstimmt. Das sich ergebende durch die Platten 1105 und 1107 gebildete Rohr mit der Isolierschicht muss nicht vollständig umlaufend (kreisförmig) sein, sondern kann stattdessen einen Querschnitt aufweisen, der einer ovalen Form ähnelt.
Der Wendelansatz kann auch auf das Laminarstromwasserkondensationsverfahren von Hering et al. ( US-Patent 6,712,881 und US-Patent 8,801,838 ) angewandt werden, in dem Strom auf laminare Weise durch einen Bereich strömt, in dem die Wände feucht sind und die Temperatur höher als die Temperatur des eintretenden Stroms ist. Innerhalb dieses warmen, feuchtwandigen Abschnitts diffundiert der Wasserdampf schneller in den kühleren Strom als er sich erwärmt, wodurch ein Wasserdampfübersättigungsbereich mit einem Maximum im mittleren Teil des Stroms erzeugt wird. Davor kann eine Konditionierungsstufe erfolgen, um die Temperatur des eintretenden Stroms zu regeln, oder es kann sich daran eine Moderierungsstufe anschließen, um Wasserdampf aus dem Strom abzuziehen, wenn die Übersättigung erzeugt ist, oder alle drei Stufen können gemeinsam arbeitend erfolgen. Jegliche dieser drei Ansätze können an den Wendelansatz angepasst werden. Aufgrund der oben diskutierten Sekundärstrommuster wird durch die Wendel sowohl die Transportrate von den Wänden verbessert als auch eine kompaktere Konstruktion bereitgestellt.
12 zeigt die Anwendung der vorliegenden Technologie auf das Verfahren von US 6712881 , das eine Wachstumsrohrwendel mit einem gekühlten Konditionierer enthält, an den sich ein warmer Wachstumsbereich anschließt. Die Luft wird in den unteren 1 1/2 Windungen gekühlt und befeuchtet und trifft dann über eine volle Windung auf eine 30°C wärmere Temperatur – den Wachstumsabschnitt-, während dessen das Sättigungsverhältnis 1,4 erreicht.
13 stellt einen Modellvergleich zwischen einem geraden Wachstumsrohr und einer Wachstumsrohrwendel dar. Um 7 l/min Rechnung zu tragen, ist die gerade Version 2 Meter lang. Die Wendelversion erfordert wesentlich weniger Rohrlänge. 13 zeigt das berechnete Sättigungsverhältnis entlang der Mittellinie für diese Geometrie, das durch numerische Modellierung ermittelt wurde. Diese Ergebnisse gelten für ein Rohr mit einem Durchmesser von 10 mm, das einen Strom von 7 l/min führt. Des Weiteren vergleicht 13 die Wendelkonstruktion mit dem geraden Wachstumsrohr gemäß dem Verfahren des US-Patents 6712881 . Beide sind dazu ausgelegt, den gleichen Strom von 7 l/min zu führen. Das Spitzensättigungsverhältnis der Rohrwendel ist leicht beeinträchtigt, erfüllt aber seine Aufgabe in weniger als einem Drittel der Rohrlänge. 13 zeigt eine Gegenüberstellung der Wachstumsrohrwendel- und geraden Wachstumsrohrimplementierung. In diesem Fall ist die gerade Version in mehrere parallele Wachstumsrohre unterbrochen worden, wie man es tun würde, um die Länge eines Instruments zu begrenzen. Die Wendelversion hat ca. 1/5 des Volumens.
Jeder dieser hierin beschriebenen Konstruktionsansätze verwendet variable Stromraten und Rohrdurchmesserkomponenten, die einen nicht turbulenten Strom in den verschiedenen Ausführungsformen der hierin beschriebenen Vorrichtung bereitstellen. Für isothermen Strom in einem Rohr kann diese Bedingung durch derartige Auswahl des Rohrdurchmessers und Stroms, dass die oben definierte Reynolds-Zahl unter 2000 liegt, erfüllt werden. Für die Wendelgeometrie besteht ein zusätzliches Erfordernis, dass die Dean-Zahl unter ca. 500 liegt. Bei Temperaturdifferenzen ist es auch erforderlich, den Rohrdurchmesser dahingehend auszuwählen, dass gewährleistet wird, dass die natürliche Konvektion im Vergleich zu erzwungener Konvektion gering ist. Natürliche Konvektion bezieht sich auf den Strom, der sich aus einem durch eine Temperaturdifferenz im System gebildeten Vertikaldichtegradienten ergibt. Die relative Größe von natürlicher zu erzwungener Konvektion wird durch die durch die Froude-Zahl bezeichnete dimensionslose Gruppe beschrieben, die wie folgt definiert wird: Fr = (ρV²)/(ρVo²) = (ρV²)/(Δρgl), wobei V die charakteristische Geschwindigkeit für erzwungene Konvektion ist, V₀ die charakteristische Geschwindigkeit für natürliche (oder freie) Konvektion ist, ρ die Luftdichte ist, Δρ die Änderung der Luftdichte aufgrund einer Temperaturdifferenz ist, g die Gravitationskonstante ist und L die charakteristische Strecke ist, während bei kleiner Fr natürliche Konvektion dominiert. Für die obigen Systeme ist die charakteristische Strecke L die axiale Strecke, über die der Temperatursprung am Eintritt erfolgt, der bei den gegebenen Beispielen der Rohrdurchmesser ist. Die oben dargelegten Systeme setzen alle kleine Rohrdurchmesser bezüglich der Temperaturdifferenz ein, so dass die Fr>1 ist. Diese Betrachtung ist von geringerer Bedeutung, wenn der Strom innerhalb eines horizontalen Rohrs mit der warmen Fläche oben, wie zum Beispiel in den 1A–1B und 4A–4B gezeigt, eingeschlossen ist.
Zusammengefasst werden hierin die Vorteile einer Wendelgeometrie zur Verbesserung der Erzeugung eines Dampfübersättigungsbereichs und ihre Anwendung auf Kondensationswachstum für kleine Schwebeteilchen beschrieben. Insbesondere ist gezeigt worden, dass die Wendelgeometrie in einer "Sandwich"-Konfiguration verwendet werden kann, bei der eine Seite des Rohrs, die die Wendel oder die Spirale bildet, wärmer als die andere Seite ist. Die Sandwich-Geometrie, ob wendelförmig oder nicht, gewährleistet anhaltende hohe Übersättigungswerte, die Tröpfchenwachstum selbst dann fördern können, wenn der Rohrdurchmesser klein ist. Weiterhin stellt sie mehr Zeit für die Aktivierung des Kondensationswachstums bereit, ein Merkmal, das die Einleitung von Wachstum auf weniger benetzbaren Teilchen verbessern kann.
Eine erfolgreiche Anwendung dieser Konzepte erfordert einen nicht turbulenten Strom. Für röhrenförmige Geometrien werden diese Kriterien unter den Bedingungen von Re < 2000, Fr > 1 erfüllt. Bei den oben dargelegten Berechnungen reichte die Re von ungefähr 70 bis 1000, und Fr reichte von ungefähr 4 bis 200. Es sei jedoch angemerkt, dass für die flache Rohrkonfiguration mit der wärmeren Fläche oben der Strom stabil ist und nicht durch Auftrieb selbst bei kleinen Werten von Fr gestört wird. Bei der Wendelgeometrie gibt die hierin zitierte Literatur an, dass die Dean-Zahl weniger als 370 betragen soll, um eine Strömungsablösung von der Innenwand zu verhindern. Oben angeführte Berechnungen für die "Schnecken"-Konfiguration von 4 erfüllen diese Kriterien mit einer De im Bereich von 100–170. Bei den Helixkonfigurationen von 8 und 13 erfolgten Berechnungen jedoch bei höherer De in einem Bereich von 2000–3000, da unser numerisches Modell solch eine Strömungsablösung berücksichtigt. Betrieb bei höheren Temperaturen von De gewährleisten immer noch eine Verbesserung des Übersättigungsprofils. Somit sind für diese Anwendung Konfigurationen mit höheren Werten von De akzeptabel.
Das Kondensationsverfahren der oben angeführten Wachstumsrohrwendel kann wie in den 14A und 14B dargestellt verallgemeinert werden. Ein Rohr 1400 mit einem Durchmesser D ist in einer Wendel angeordnet. An jedem Punkt entlang der Wendel wird ein Wendeldurchmesser A als der doppelte Abstand von der mittleren Achse der Wendel zur Mitte des Rohrs definiert. Das Rohr weist einen Einlass und einen Auslass auf, durch den das Trägergas geleitet wird. Meistens handelt es sich bei diesem Trägergas um Luft. Die Innenwände des Rohrs sind mit einem kondensierbaren Fluid, wie zum Beispiel Wasser, benetzt. Bei Betrachtung eines Querschnitts des Rohrs wird die Temperatur entlang einem ersten Teil des Umfangs 1410 auf einen Wert T_h gehalten, während die Temperatur entlang einem zweiten Teil des Umfangs 1412 auf einen Wert T_c gehalten wird. Diese beiden Umfangsteile erstrecken sich entlang einer Länge des Rohrs. Die Temperatur T_h ist höher als die Temperatur T_c, aber geringer als der Siedepunkt des kondensierbaren Fluids auf dem Strmungsdruck innerhalb des Rohrs. Die Zwischenabschnitte des Umfangs 1418 und 1419 weisen Temperaturen irgendwo zwischen T_h und T_c auf. Der Einlassabschnitt zu diesem Wachstumsrohr kann ein röhrenförmiger Abschnitt 1420 sein, der von dem Wachstumsrohr thermisch isoliert ist.
Ebenso kann ein Auslassabschnitt 1421 vorhanden sein, der von dem Wachstumsrohr thermisch isoliert sein kann. Der Auslassabschnitt kann ein gerades Rohr sein, um Trägheitsablagerung der durch Kondensationswachstum gebildeten Tröpfchen auf ein Minimum zu reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, dass der Rohrquerschnitt nicht vollständig umlaufend sein muss, aber eine kreisförmige, ovale oder irgendeine bogenförmige Fläche umfassen kann.
Die obige Ausführung beschreibt diese Umfangsteile hinsichtlich der Winkelposition in Bezug auf die mittlere Achse des Rohrs. Es werden Berechnungen dargelegt, für die der erste Umfangsabschnitt durch die Winkelkoordinaten 20–160° bezüglich der Linie in der Mitte des Rohrs beschrieben wird, und der zweite Umfangsabschnitt wird durch die Winkelpositionen von ca. 200–340° beschrieben, wobei sich diese Winkelkoordinaten auf die mittlere Achse des Rohrs beziehen. In den gegebenen Beispielen sind diese Winkelpositionen entlang der Länge des Rohrs konstant. Es ist jedoch klar, dass die Sättigungsprofile und somit das Kondensationswachstum der suspendierten Teilchen im Strom im Wesentlichen gleich sein werden, selbst wenn diese Winkelpositionen entlang der Länge des Rohrs etwas variieren oder wenn das Rohr nicht vollkommen rund ist. Eine leicht ovale Form wird Ähnliches ergeben. Durch das hier dargelegte Verfahren wird die Bildung von Dampfübersättigungsbereichen in beliebiger Konfiguration, in der ein Strom zwischen zwei benetzten Flächen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten wird und entlang einer senkrecht zum Strom verlaufenden Richtung getrennt wird, erwartet.
Ein diese Wachstumsrohrwendel verwendendes System wird an seinem Auslass mit einer Tröpfchenmess- oder -manipulationseinrichtung 1430, wie zum Beispiel einem Teilchenzähler oder einem Teilchensammler oder einer Teilchenfokussiervorrichtung oder einem Teilchenlader, gekoppelt. Eine Pumpe, ein Gebläse oder ein Luftbeweger 1440 können vorgesehen sein. Wenn ein teilchenhaltiger Strom in das System eingeleitet wird, wachsen die Teilchen durch Kondensation auf die Teilchen des kondensierbaren Fluids, das zur Benetzung der Wände verwendet wird.
Dieses Kondensationswachstum vergrößert die Teilchen um wenige Nanometer zur Bildung von Tröpfchen, die einen Durchmesser im Mikrometerbereich oder darüber haben. Die vergrößerten Teilchen werden viel leichter durch eine optische Einrichtung gezählt oder durch eine Trägheitseinrichtung gesammelt oder aerodynamisch fokussiert oder elektrisch geladen. Somit kann eine beliebige Anzahl von Teilcheneinrichtungen mit dem Auslass der Wachstumsrohrwendel gekoppelt werden, um die Messung oder Manipulation kleiner Teilchen leichter zu ermöglichen als ohne ihre Vergrößerung möglich wäre.
Nach der Vergrößerung der Teilchen durch Kondensationswachstum können sie leichter detektiert oder manipuliert werden als das ursprüngliche ultrafeine Teilchen. Es gibt viele Beispiele für die Anwendung von Kondensationswachstum zum Ermöglichen von optischer Detektion von Teilchen, wie zum Beispiel in Kondensationskernzählern oder Kondensationsteilchenzählern verwendet wird. Es gibt auch viele Beispiele für die Anwendung von Kondensationswachstum bei Teilchensammlung, insbesondere zwecks Ermöglichung von chemischen oder biologischen Analysen. Weiterhin wird Kondensationswachstum dazu verwendet, Teilchen aerodynamisch zu fokussieren und zu konzentrieren oder sie effizienter elektrisch zu laden. Jegliche dieser Anwendungen kann mit dem hier dargelegten anhaltenden Kondensationswachstumsverfahren verwendet werden. Das anhaltende Kondensationswachstum ermöglicht sogar die Bildung von größeren Tröpfchen, die noch leichter optisch detektiert, durch Trägheit gesammelt oder aerodynamisch fokussiert werden.
Obgleich der Erfindungsgegenstand in einer für strukturelle Merkmale und/oder methodologische Vorgänge spezifischen Ausdrucksweise beschrieben worden ist, versteht sich, dass der in den angehängten Ansprüchen definierte Erfindungsgegenstand nicht zwangsweise auf die oben beschriebenen speziellen Merkmale oder Handlungen beschränkt ist. Die oben beschriebenen speziellen Merkmale und Handlungen sind vielmehr in Form von Beispielen zur Implementierung der Ansprüche offenbart.

Claims

Vorrichtung, die zum Erzeugen von vergrößerten Teilchen in einem Strom ausgeführt ist, aufweisend: eine Rohrwendel mit einer einen Rohrquerschnitt definierenden Innenfläche, wobei die Rohrwendel einen Wendeldurchmesser aufweist, wobei das Rohr einen den Strom empfangenden Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei das Rohr eine Länge zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufweist; einen Heizer, der zum Beheizen des Rohrs entlang einem ersten Längsteil des Rohrquerschnitts konfiguriert ist, wobei der erste Längsteil des Rohrquerschnitts eine erste bogenförmige Stelle bezüglich eines Querschnitts des Rohrs entlang der Länge des Rohrs aufweist; und einen Kühler, der zum Kühlen des Rohrs entlang mindestens einem zweiten Längsteil des Rohrquerschnitts konfiguriert ist, wobei der zweite Längsteil des Rohrquerschnitts eine zweite bogenförmige Stelle bezüglich eines Querschnitts des Rohrs entlang der Länge des Rohrs aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Innenfläche zur Benetzung mit einem kondensierenden Fluid ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und sowohl der erste Teil des Rohrs als auch der zweite Teil des Rohrs eine Bogenlänge in einem Bereich von 130 bis 170° aufweist, wobei der erste Teil des Rohrs und der zweite Teil des Rohrs durch Übergangsbereiche gleicher Bogenlänge getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung durch eine erste und eine zweite planare Platte gebildet wird, wobei jede Platte eine darin ausgebildete Nut aufweist, wobei die Nut einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, wodurch ein kreisförmiger Querschnitt für das Rohr gebildet wird, wenn die erste und die zweite Platte zusammengefügt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste und die zweite Platte aus einem benetzbaren Material gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Teil und der zweite Teil des Rohrs in gegenüberliegender Beziehung bezüglich des Umfangs des Rohrs und bezüglich eines Ursprungs angeordnet sind, wobei die Rohrwendel in einer Ebene gebildet ist, wobei der Ursprung in einer Ebene durch die Mitte der Ebene der Rohrwendel ausgerichtet ist, wobei der erste Teil eine axiale Position zwischen 20 und 140° bezüglich des Ursprungs aufweist, wobei der zweite Teil eine axiale Position zwischen 200 und 340° bezüglich des Ursprungs aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Teil und der zweite Teil in gegenüberliegender Beziehung bezüglich des Umfangs des Rohrs und bezüglich eines Ursprungs angeordnet sind, wobei die Rohrwendel in einer Helix ausgebildet ist, wobei der Ursprung in einer Ebene parallel zu einer eine Mitte der Helix durchquerenden Achse ausgerichtet ist, wobei der erste Teil eine axiale Position zwischen 20 und 140° bezüglich des Ursprungs aufweist, wobei der zweite Teil eine axiale Position zwischen 200 und 340° bezüglich des Ursprungs aufweist.
Verfahren zum Vergrößern von Teilchen, aufweisend: Bereitstellen einer Rohrwendel mit einem Rohrquerschnitt und einem Wendeldurchmesser, wobei das Rohr eine Innenfläche mit einem Eingang, der zum Empfang eines Stroms ausgeführt ist, und einem Ausgang enthält, wobei das Rohr eine Länge zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufweist; Benetzen der Innenfläche mit einem kondensierenden Fluid über die gesamte Rohrwendel; Erwärmen des Rohrs entlang einem ersten Längsteil des Rohrquerschnitts, wobei der erste Teil des Rohrquerschnitts eine erste bogenförmige Querschnittsstelle entlang der Länge des Rohrs aufweist; gleichzeitig mit dem Erwärmen Kühlen des Rohrs entlang mindestens einem zweiten Längsteil des Rohrquerschnitts, wobei sich der zweite Teil des Rohrquerschnitts an einer zweiten bogenförmigen Querschnittsstelle entlang der Länge des Rohrs befindet; und Einleiten des Stroms in einen Innenraum des Rohrs am Eingang, wobei sich der Strom zum Ausgang bewegt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren Benetzen der Innenfläche mit Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Rohr einen zylindrischen Querschnitt aufweist und das Verfahren Erwärmen sowohl des ersten Teils des Rohrs als auch des zweiten Teils des Rohrs durch Erwärmen einander gegenüberliegender Seiten des Rohrs in einer Bogenlänge in einem Bereich von 130–170° umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das Erwärmen des ersten Teils und Kühlen des zweiten Teils des Rohrs derart umfasst, dass sich der erste Teil und der zweite Teil in einander gegenüberliegender Beziehung bezüglich des Umfangs des Rohrs bezüglich eines Ursprungs befinden, wobei die Rohrwendel in einer Ebene gebildet ist, wobei der Ursprung in einer Ebene durch die Mitte der Ebene der Rohrwendel ausgerichtet ist, und Erwärmen des ersten Teils mit einer axialen Position zwischen 20 und 140° bezüglich des Ursprungs und Kühlen des zweiten Teils mit einer axialen Position zwischen 200 und 340° bezüglich des Ursprungs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das Erwärmen des ersten Teils und Kühlen des zweiten Teils des Rohrs derart umfasst, dass der erste Teil und der zweite Teil in einander gegenüberliegender Beziehung bezüglich des Umfangs des Rohrs bezüglich eines Ursprungs angeordnet sind, wobei die Rohrwendel in einer Helix gebildet ist, wobei der Ursprung in einer Ebene parallel zu einer eine Mitte der Helix durchquerenden Achse ausgerichtet ist, Erwärmen des ersten Teils zur Bildung des ersten Teils an einer axialen Stelle zwischen 20 und 140° bezüglich des Ursprungs und Kühlen des zweiten Teils zur Bildung des zweiten Teils an einer axialen Stelle zwischen 200 und 340° bezüglich des Ursprungs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Einleitens Bereitstellen eines teilchenhaltigen Stroms auf einer Temperatur von ca. 20–25°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Erwärmen Erwärmen des ersten Teils auf eine Temperatur von ca. 60°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kühlen Kühlen des zweiten Teils auf eine Temperatur von ca. 20°C umfasst.
Verfahren zum Vergrößern von Teilchen in einem Strom, aufweisend: Einleiten des Stroms in eine Rohrwendel mit einer benetzten Innenfläche, wobei das Rohr zum Leiten des Stroms in eine Axialrichtung entlang der Innenfläche des Rohrs konfiguriert ist; und Steuern der Innenflächentemperaturen der Rohrwendel an Querschnittswinkelpositionen des Rohrs, wobei das Steuern Bogenwandtemperaturen in gegenüberliegenden Axialbereichen des Rohrs über einen Großteil der Länge des Rohrs bereitstellt, wobei die Differenz der Bogenwandtemperaturen mindestens 30°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Steuerns Folgendes umfasst: Erwärmen eines ersten Axialbereichs des Rohrs entlang einem ersten Teil eines Rohrdurchmessers, wobei der erste Teil des Rohrdurchmessers eine erste Winkelposition entlang der Länge des Rohrs aufweist; und gleichzeitiges Kühlen eines zweiten Axialbereichs des Rohrs entlang mindestens einem zweiten Teil des Rohrdurchmessers, wobei sich der zweite Teil des Rohrdurchmessers in einer zweiten Winkelposition entlang der Länge des Rohrs befindet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Erwärmen Erwärmen des ersten Axialbereichs des Rohrs derart umfasst, dass der erste Axialbereich eine axiale Position zwischen 20 und 140°C bezüglich eines Ursprungs einnimmt, und das Kühlen Kühlen des zweiten Axialbereichs derart umfasst, dass der zweite Axialbereich eine axiale Position zwischen 200 und 340° bezüglich des Ursprungs einnimmt, wobei der Ursprung in einer Ebene durch die Mitte der Ebene der Rohrwendel ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Erwärmen Erwärmen des ersten Axialbereichs des Rohrs derart umfasst, dass der erste Axialbereich eine axiale Position zwischen 20 und 140°C bezüglich eines Ursprungs einnimmt, und das Kühlen Kühlen des zweiten Axialbereichs derart umfasst, dass der zweite Axialbereich eine axiale Position zwischen 200 und 340° bezüglich des Ursprungs einnimmt, wobei die Rohrwendel als eine Helix ausgebildet ist, wobei der Ursprung in einer Ebene parallel zu einer eine Mitte der Helix durchquerenden Achse ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Verfahren Benetzen der Innenfläche mit Wasser umfasst.