DE202015104984U1

DE202015104984U1 - Vorrichtung zum Entfernen von Schwebstaub, insbesondere Feinstaub, aus der Umgebungsluft einer Verkehrsinfrastruktur

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Publication number: DE202015104984U1
Application number: DE202015104984.6U
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Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-09-20
Publication date: 2015-10-19
Anticipated expiration: 2025-09-21

Abstract

Vorrichtung (1) zum Entfernen von Schwebstaub (S), insbesondere Feinstaub (F), aus der Umgebungsluft (U) einer von Kraftfahrzeugen (Kfz) genutzten Verkehrsinfrastruktur (V), insbesondere Straße oder Schienen, wobei mindestens eine Sprüheinrichtung (7) ein flüssiges Lösungsmittel (5), insbesondere Wasser, in einen der Verkehrsinfrastruktur (V) zugeordneten und Umgebungsluft (U) enthaltenen Raum (R) sprüht (S1) und ein Spray und insbesondere ein Aerosol erzeugt, das in der Umgebungsluft (U) in diesem Raum (R) vorhandene schwebende Materialpartikel PM, insbesondere PM10, entfernt (S2).

Description

Technisches Gebiet und Definitionen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen, insbesondere mittels Bindens infolge Adsorption und/oder Absorption, von Schwebstaub, insbesondere Feinstaub, aus der Umgebungsluft einer Verkehrsinfrastruktur.

[1] Schwebstaub ist hier insbesondere eine Sammelbezeichnung für alle festen Materialteilchen, die ebenso als Materialpartikel bezeichnet werden können, in der Luft. Diese Materialpartikel können in die oder in der Luft aufgewirbelt schweben.

Schwebstaub kann ebenso als Gesamtstaub bezeichnet werden. Gesamtstaub kann im Englischen mit „total suspended particulates” bezeichnet und mit TSP abgekürzt werden. Schwebstaub kann zusätzlich zu Staub unter anderem ebenso Rauch und/oder Ruß sein. Zum Schwebstaub gehören als Staubarten ebenso Faserstaub und Gesteinsstaub.
Eine Verkehrsinfrastruktur ist hier insbesondere jede Infrastruktur oder jeder Infrastrukturbestandteil zum Zwecke des Personen- und/oder Gütertransports. In Verbindung mit einem Verkehr von Kraftfahrzeugen sind insbesondere Straßen oder Wege aller Art umfasst, wie es insbesondere Hauptverkehrsstraßen sind, die insbesondere in, um, von oder zu Ballungsräumen, insbesondere über Brücken oder durch Tunnel, geführt sind. Brücken und Tunnel sind damit ebenso Verkehrsinfrastrukturen. In Verbindung mit einem Verkehr von Lokomotiven oder Zügen sind insbesondere Schienentrassen aller Art umfasst.
Umgebungsluft ist hier insbesondere die die Verkehrsinfrastruktur umgebende oder von dieser umschlossene oder auf dieser befindliche Luft. Dies betrifft insbesondere Brücken oder Tunnel und ist insbesondere bei bodenfesten Straßen die über der Straße vorhandene Luft.
Verkehrsinfrastrukturen werden insbesondere von Kraftfahrzeugen genutzt.
Kraftfahrzeuge sind wesentlicher Bestandteil von Rad-Straßen-Systemen und weisen insbesondere Motoren auf. Kraftfahrzeuge können beispielsweise Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Motorfahrräder sein. Kraftfahrzeuge können beim Stehen, beim Anfahren, beim Beschleunigen, beim Fahren, beim Bremsen und beim Anhalten auf oder entlang einer Straße oder eines Weges Materialpartikel in die Umgebungsluft der jeweiligen Straße oder des jeweiligen Weges emittieren.
Kraftfahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren können als Materialpartikel insbesondere infolge unvollständiger Verbrennungsprozesse Ruß, infolge chemischer und/oder thermischer Prozesse Rauch und infolge mechanischer Prozesse und/oder Aufwirbelung Staub emittieren.
Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieben können als Materialpartikel insbesondere infolge chemischer und/oder thermischer Prozesse Rauch und infolge mechanischer Prozesse und/oder Aufwirbelung Staub emittieren.
Insbesondere können bei Kraftfahrzeugen infolge Reibung als Reibungsprodukte Materialpartikel emittiert werden, die beispielsweise aus Metall- und/oder Kunststoffmaterial bestehen oder dieses aufweisen.
Die insbesondere von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel können in Abhängigkeit von deren Durchmessern bei Durchmessern größer circa 10 μm Grobstäube, bei Durchmessern kleiner circa 10 μm inhalierbarer und lungengängiger Feinstaub, bei Durchmessern kleiner circa 2,5 μm ebenso inhalierbarer und lungengängiger Feinstaub und bei Durchmessern kleiner circa 0,1 μm ultrafeine Partikel ebenso inhalierbarer und lungengängiger Feinstaub sein.
Feinstäube sind hier also insbesondere die Sammelbezeichnung für die feinsten festen Materialpartikel, die in der Luft aufgewirbelt lange Zeit schweben können, so dass Feinstäube Bestandteile von Schwebstaub sind. Feinstaub ist ein Teil des Schwebstaubs.
Die Definition des Feinstaubs geht zurück auf den im Jahre 1987 eingeführten „National Air Quality”-Standard für „Particualte Matter”, die als „Materialpartikel” übersetzt werden können, wobei der Standard mit PM-Standard abgekürzt wird, der der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA (Environmental Protection Agency) zugeordnet werden kann. PM₁₀ ist beispielsweise eine Kategorie für Teilchen, deren, insbesondere aerodynamischer, Durchmesser kleiner 10 μm ist.
PM₁₀-Materialpartikel mit, insbesondere aerodynamischen, Durchmessern kleiner 10 μm können insbesondere von Menschen inhaliert werden und relativ einfach in die Lunge, insbesondere von Menschen, gelangen. Insbesondere diese Materialpartikel werden als Feinstaub bezeichnet.
PM_2,5-Materialpartikel mit, insbesondere aerodynamischen, Durchmessern kleiner 2,5 μm sind ebenso inhalierbar und können ebenso in die Lunge, insbesondere von Menschen, gelangen. Ebenso gehören diese Materialpartikel zum Feinstaub.
PM_0,1-Materialpartikel mit, insbesondere aerodynamischen, Durchmessern kleiner 0,1 μm können ebenso als UP-Teilchen, das heißt, als „ultrafeine Materialpartikel” bezeichnet werden und gehören ebenso zum Feinstaub. Der relevante Durchmesser ist hier also kleiner als 100 nm.
PM_0,1-Materialpartikel und PM_2,5-Materialpartikel sind Bestandteile der PM₁₀-Materialpartikel und gehören zu diesen.
Aus gesundheitlicher Sicht ist neben einem biochemisch negativ wirkenden Schadstoffgehalt eines Staubes die Größe der Materialpartikel ein entscheidender Parameter. Materialpartikel PM mit einem als eine wissenschaftliche Grenze genannten Durchmesser von größer 10 μm, die als zum Grobstaub gehörig definiert und zu diesem gezählt werden, können insbesondere stochastisch betrachtet zu einem größeren Anteil noch an Nasenhärchen oder an Schleimhäuten des Nasen-Rachenraums „hängen bleiben” beziehungsweise gebunden werden und von diesen damit aus Atemluft gefiltert werden. Kleinere und kleinste Materialpartikel PM₁₀ können über die Luftröhre und die Bronchien bis tief in die Lunge vordringen. Daher wird Feinstaub ebenso als inhalierbarer oder lungengängiger Feinstaub bezeichnet. Feinstaub kann aufgrund dessen Größe vom menschlichen Auge nicht direkt erfasst oder wahrgenommen werden.
Insbesondere an Straßen mit einem Verkehrsaufkommen von Kraftfahrzeugen ist ein Vorhandensein von Schwebstaub in der Umgebungsluft messbar. Hierzu kann ein der Verkehrsinfrastruktur zugeordnete Raum als Messvolumen definiert werden. Beispielsweise kann ein Messvolumen entlang der Länge einer Straße von 10 m, einer Höhe von 10 m über dem Straßenbelag und mit einer Breite einer zu bewertenden Straße beispielsweise für eine Fahrtrichtung zugrunde gelegt werden.
Ein Verkehrsaufkommen kann beispielsweise mit der Anzahl der über eine quer zur Fahrtrichtung festgelegte Referenzmesslinie fahrenden Kraftfahrzeuge (Kfz) pro Zeiteinheit gemessen werden. Referenzmesslinie bedeutet hier insbesondere, dass auf eine für eine Umweltbelastung relevante Messlinie Bezug genommen wird. Beispielsweise bei einer theoretischen jeweils in einer Fahrtrichtung zweispurigen Musterstraße könnten theoretisch in der Sekunde 2 Kraftfahrzeuge die Referenzmesslinie einer Fahrtrichtung überfahren. In einer Stunde könnten dann 120 Kfz/min × 60 min = 7.200 Kfz die Referenzmesslinie einer Fahrtrichtung überfahren. An einem Tag ergäben sich damit 172.800 Kfz. In beiden Fahrtrichtungen wären dies 345.600 Kfz. In der Praxis dürfte im Durchschnitt über einen jeweiligen Tag verteilt eine kleinere Anzahl von Kraftfahrzeugen Referenzmesslinien von beispielsweise insgesamt vierspurigen Straßen überfahren.
In der Realität existieren stark befahrene Straßen oder Abschnitte von Straßen, wie es beispielsweise Ringstraßen oder Abschnitte von Ringstraßen in oder um Ballungsräumen sind, bei denen beispielsweise zusammen circa 10.000 Kfz bis circa 100.000 Kfz an einem Tag beide Referenzmesslinien der beiden Fahrtrichtungen überfahren können. Derartige Straßen können Beispiele für ein großes Verkehrsaufkommen sein. Je größer die Anzahl der Fahrspuren desto größer kann ein Verkehrsaufkommen sein. Ob ein Verkehrsaufkommen groß ist, kann zudem vom Betrachter und von einer vorhandenen Gesundheitsgefährdung abhängen. So kann ein Verkehrsaufkommen beispielsweise schon mit 5000 Kfz/Tag als groß oder hoch bewertet werden.
Als problematisch erkannt sind aktuell insbesondere die Feinstäube, also die PM₁₀-Teilchen, die in Lungen, insbesondere von Menschen, gelangen können. Es ist bekannt, dass diese Materialpartikel in den Lungen bei einem ungünstigen Verlauf Lungenkrebs verursachen können. Es existieren Statistiken die für räumliche Gebiete und Regionen Anzahlen von Sterbefällen pro Jahr der Luftverschmutzung zuordnen. Des Weiteren sind in den deutschen Medien hinsichtlich einer Gesundheitsbelastung, infolge Feinstaub, Ballungsräume genannt, wie es beispielsweise München, Berlin, Hamburg und Stuttgart sind. Global ist eine Vielzahl von Ballungsräumen betroffen.
Experten im Umweltschutzbereich ist bekannt, dass theoretisch bereits ein erstes Atom einer krebserregenden Substanz einen Krebs auslösen kann.
Die von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel gelangen zuerst in dem Raum der Verkehrsinfrastruktur in die Umgebungsluft. Aufgrund eines großen Verkehrsaufkommens kann sich Schwebstaub bilden, da Kraftfahrzeuge die Umgebungsluft verwirbeln und kontinuierlich Materialpartikel produzieren und diese in die Luft nachfüllen. Damit sind ebenso Feinstäube mit Durchmessern kleiner 2500 nm, insbesondere kleiner 150 nm, in der Umwelt. Mittels der unmittelbaren Umgebungsluft im Raum der Verkehrsinfrastruktur kann Feinstaub durch Bewegung der Umgebungsluft und Bewegung in der Umgebungsluft in an die Verkehrsinfrastruktur angrenzende räumliche Bereiche und weitere darüber hinaus sich erstreckende räumliche Bereiche und Regionen abgegeben werden. Dies kann dazu führen, dass alle Straßen und die gesamte Verkehrsinfrastruktur eines Ballungsraums dazu beitragen, dass der gesamte Ballungsraum Expositionen von Feinstaub ausgesetzt wird, die gesetzliche Grenzwerte überschreiten. Es kann sich beispielsweise eine zusammenhängende Feinstaubwolke oder Feinstaubglocke über einem gesamten Ballungsraum, beispielsweise einer Stadt, ausbilden.
Zur Bewertung, ob ein Verkehrsaufkommen groß ist, können ebenso Messungen von Konzentration von Materialpartikeln in einem Referenzmessvolumen ausgeführt werden. Referenzmessvolumen bedeutet hier insbesondere, dass auf ein für eine Umweltbelastung relevantes Messvolumen Bezug genommen wird.
Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt angesichts der vom Feinstaub ausgehenden Gesundheitsverfahren in deren WHO-Luftgüte-Richtlinien folgende Grenzwerte:

1. Jahresmittel PM₁₀ 20 μg/m³
2. Jahresmittel PM_2,5 10 μg/m³
1. Tagesmittel PM₁₀ 50 μg/m³ ohne Tage, an denen eine Überschreitung zugelassen wird
2. Tagesmittel PM_2,5 25 μg/m³ ohne Tage, an denen eine Überschreitung zugelassen wird.

Diese Richtwerte der WHO liegen damit deutlich unter den rechtswirksamen Grenzwerten der Europäischen Union (EU).
Betroffen von Emissionen von Materialpartikeln von Kraftfahrzeugen sind insbesondere alle Menschen in einem jeweiligen Ballungsraum, beispielsweise Städte oder Städteagglomerationen. Im Jahr 2001 wurden in Deutschland laut dem deutschen Bundesumweltministerium infolge des Straßenverkehrs 42000 t/Jahr Feinstaub emittiert.
Grundsätzlich sind zuerst die Insassen der emittierenden Kraftfahrzeuge der Feinstaub Exposition ausgesetzt, dann die Anwohner zu der Verkehrsinfrastruktur beziehungsweise der Straße sowie letztendlich alle Bewohner des zugehörigen Ballungsraums.
Stand der Technik
Herkömmlicher Weise kann versucht werden die Insassen beziehungsweise die betroffenen Bewohner mit Feinstaubmasken auszustatten. Auf dem Markt sind herkömmliche Masken verfügbar, die beispielsweise Materialpartikelgrößen bis herunter auf insbesondere 150 nm aus der Luft herausfiltern können. Schwierig ist es insbesondere derartige Masken zwischen Mund und Umgebungsluft für ungefilterte Luft dicht zu halten.
Es sind weiterhin Maßnahmen bekannt, mit denen versucht wird, die Emissionen von Feinstaub durch Kraftfahrzeuge direkt mittels Verbesserungen am Kraftfahrzeug zu verringern.
Weitere herkömmliche Maßnahmen sind ein Einführen von Geschwindigkeitsbegrenzungen oder ein Absenken von Geschwindigkeitsgrenzen für Kraftfahrzeuge.
Entsprechend sind große Bevölkerungsanteile Feinstaubexpositionen ausgesetzt.
Aufgabe
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Umweltbelastung durch Emissionen von Materialpartikel, insbesondere Schwebstaub und/oder Materialpartikel PM₁₀, PM_2,5, PM_0,1, durch bewegliche technische Maschinen, insbesondere Kraftfahrzeuge mit Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren, einfach und wirksam zu verkleinern. Die Kraftfahrzeuge werden bei den Emissionen insbesondere auf abreibbaren Materialien – insbesondere Metall- und/oder Kunststoffmaterialien – aufweisenden Radsystemen entlang Verkehrsinfrastrukturen – insbesondere Straßen oder Gleisen – bewegt. Insbesondere bei Straßen mit einem großen Verkehrsaufkommen – beispielsweise bei oder ab durchschnittlich einem Kraftfahrzeug alle 10 Sekunden über 24 Stunden bezogen auf eine Referenzmesslinie – sollen derartige Emissionen einfach, wirksam und kostengünstig kontrolliert werden. Es soll ein Eintrag dieser Materialpartikel PM in biologische Systeme – Pflanzen, Tiere – beispielsweise in Lungen von Lebewesen, beispielsweise von Menschen wirksam verkleinert werden. Es soll, insbesondere bei Temperaturen der Verkehrsinfrastruktur und deren Umgebung, insbesondere der Umgebungsluft, kleiner gleich 0°C, ein Gefrieren eines verwendeten flüssigen Lösungsmittels, insbesondere auf oder an der Verkehrsinfrastruktur, insbesondere der Straße, vermieden werden.
Lösung
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Entfernen von Schwebstaub, insbesondere Feinstaub, aus der Umgebungsluft einer von Kraftfahrzeugen genutzten Verkehrsinfrastruktur, insbesondere Straße, vorgeschlagen, wobei mindestens eine Abgabeeinrichtung ein Extraktionsmitte in einen der Verkehrsinfrastruktur zugeordneten Raum einbringt und in der Umgebungsluft in diesem Raum vorhandene schwebende Materialpartikel PM, insbesondere PM₁₀ oder insbesondere PM_2,5 oder insbesondere PM_0,1, mittels Interaktion mit dem Extraktionsmittel aus der Umgebungsluft des Raumes entfernt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Entfernen von Schwebstaub, insbesondere Feinstaub, aus der Umgebungsluft einer von Kraftfahrzeugen genutzten Verkehrsinfrastruktur, insbesondere Straße, vorgeschlagen, wobei mindestens eine Abgabeeinrichtung ein Extraktionsmittel in einen der Verkehrsinfrastruktur zugeordneten Raum einbringt und in der Umgebungsluft in diesem Raum vorhandene schwebende Materialpartikel PM, insbesondere PM₁₀ oder insbesondere PM_2,5 oder insbesondere PM_0,1, mittels Interaktion mit dem Extraktionsmittel aus der Umgebungsluft des Raumes entfernt werden.
Es ist erkannt worden, dass von Kraftfahrzeugen emittierte Materialpartikel besonders vorteilhaft direkt am Entstehungsort, insbesondere an Straßen mit großem Verkehrsaufkommen, einfach, wirksam und kostengünstig entfernt werden können. Die Emissionen sollen sich nicht über einen festgelegten Raum entlang der jeweiligen Straße hinaus ausbreiten und aus einem derartigen Raum wirksam entfernt werden. Eine Umweltbelastung außerhalb eines derartigen Raumes wird bereits innerhalb dieses Raumes konzentriert wirksam verkleinert.
Da die eine Verkehrsinfrastruktur umgebende Umgebungsluft sich dynamisch ändern kann, wird hier einer Verkehrsinfrastruktur ein Raum zugeordnet, der ein begrenztes Volumen definiert, in dem eine bestimmte Menge der Umgebungsluft vorhanden ist. Bei einer Straße kann der Raum sich als eine längliche Erstreckung mit einer bestimmten Querschnittsfläche und Länge, beispielsweise in Form eines Quaders mit einer bestimmten Breite, Höhe und Länge entlang einer Längsrichtung der Straße erstrecken. Sinnvollerweise enthält ein derartiger Raum hier die schadstoffbelastete Umgebungsluft, aus der Materialpartikel zu entfernen sind.
Mit einem Extraktionsmittel kann eine Extraktion ausgeführt werden, die hier eine Trennung ist, wobei insbesondere von Kraftfahrzeugen emittierte Materialpartikel als zu extrahierende Stoffe aus Umgebungsluft als einem Stoffgemisch oder Stoffgemenge herausgelöst werden. Dabei können die emittierten Materialpartikel als extrahierte Komponenten bei physikalischer Extraktion unverändert verbleiben oder bei chemischer Extraktion infolge einer chemischen Reaktion verändert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die zu extrahierenden Stoffe die insbesondere von Kraftfahrzeugen in einem einer Verkehrsinfrastruktur zugeordneten Raum emittierten Materialpartikel. Das Stoffgemisch oder Stoffgemenge ist hier die in diesem Raum befindliche Luft, und zwar insbesondere die Umgebungsluft in diesem der Verkehrsinfrastruktur zugeordneten Raum.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Extraktionsmittel ein Lösungsmittel sein. Lösungsmittel ist hier allgemein ein Stoff der Feststoffe, und zwar hier die von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel lösen kann, ohne dass es dabei zu chemischen Reaktionen zwischen den gelösten Stoffen der von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel und dem Lösungsmittel als lösendem Stoff kommt. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Stattfinden von unkontrollierbaren chemischen Reaktionen vermieden und eine sich daraus ergebende mögliche zusätzliche Umweltbelastung vermieden werden. Beispielsweise kann ein Magnet magnetische von Kraftfahrzeugen emittierte Materialpartikel entfernen. Wasserdampf eignet sich aufgrund dessen Lungengängigkeit und/oder Inhalierbarkeit hier in Verbindung mit den von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikeln nicht als Lösungsmittel.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abgabeeinrichtung eine Sprüheinrichtung aufweisen, die für eine Tropfenbildung ein flüssiges Lösungsmittel in die Umgebungsluft des Raumes sprüht und dabei insbesondere ein Aerosol erzeugt. Aerosol ist eine Wortkombination aus Luft und Lösung und ist hier das mittels Sprühens des flüssigen Lösungsmittels in die Umgebungsluft des Raums der Verkehrsinfrastruktur erzeugte Gemenge oder Gemisch. Sprühen, das herkömmlicher Weise auch als Zerstäuben bezeichnet wird, ist das Zerteilen einer Flüssigkeit in Tropfen. Das Sprühen in Umgebungsluft erzeugt das Aerosol, das ebenso als Sprüh oder Spray bezeichnet werden kann. In einem monodispersen Aerosol weisen die Tropfen denselben Durchmesser auf. In einem polydispersen Aerosol weisen die Tropfen verschiedene Durchmesser auf. Eine Gesamtheit von Tropfen kann als Tropfenkollektiv bezeichnet werden, das in der Realität insbesondere eine Tropfengrößenverteilung, beispielsweise eine enge Tropfengrößenverteilung, aufweisen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das flüssige Lösungsmittel teilweise oder vollständig Wasser sein. Wasser ist vorteilhaft einfach verfügbar und zugänglich, einfach transportierbar, einfach zur Sprüheinrichtung zuführbar und handhabbar und es ist nicht toxisch. Grundsätzlich können alternativ weitere flüssige anorganische Lösungsmittel verwendet werden, wie es beispielsweise Säuren oder Basen sein können. Grundsätzlich können Lösungsmittel ebenso verflüssigtes Kohlendioxid sein oder organische Lösungsmittel, wie es beispielsweise Alkohole, Terpene, Diethylether, pflanzliche Öle, chlorierte Kohlenwasserstoffe oder n-Hexan sein können. Zu prüfen wären insbesondere deren Verfügbarkeit, Praktikabilität und Umweltverträglichkeit. Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass grundsätzlich ein hier sprühbares flüssiges Lösungsmittel theoretisch auch als eine Suspension oder eine Dispersion bereitgestellt sein kann, falls dies für ein Reinigen der Umgebungsluft von Vorteil wäre, wobei in jedem Fall ein Entstehen von freien aktiven lungengängigen oder inhalierbaren Partikeln, die eingeatmet werden können, verhindert werden muss. Suspension ist ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern, die in der Flüssigkeit aufgeschlämmt und in der Schwebe gehalten werden. Dispersion ist hier insbesondere ein heterogenes Stoffgemisch, wobei mindestens ein Stoff fein verteilt in einen anderen kontinuierlichen Stoff ist, wobei die Stoffe sich nicht ineinander lösen oder sich nicht chemisch miteinander verbinden. Es ist ebenso zu berücksichtigen, dass zusätzliche fein verteilte Festkörper oder Stoffe in der Umgebungsluft optisch wirken und eine jeweilige Sicht von Insassen von Kraftfahrzeugen in der Umgebungsluft beeinträchtigen können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sprüheinrichtung zum Sprühen mindestens eine Druckdüse, insbesondere mindestens eine Einstoff-Druckdüse und/oder mindestens eine Zweistoff-Druckdüse, oder mindestens einen Rotationssprüher oder Vibrationssprüher aufweisen. Diese Ausführungsarten sind vorteilhaft in der Theorie gut verstanden und in der Praxis gut beherrschbar. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann insbesondere das Prinzip des Rayleigh'schen oder laminaren Strahlzerfalls zur Anwendung kommen, wobei die mindestens eine Druckdüse ein Lochblech oder eine Lochplatte, beispielsweise bestehend aus einem Kunststoff, mit einem definierten Durchmesser d des, insbesondere gebohrten, Lochs als Düsenausgang oder Düsenmündung sein kann. Damit kann ein nahezu monodisperses Tropfengrößenspektrum erzeugt werden, das vorteilhaft in etwa natürlichen Regenereignissen entspricht. Entsprechend erscheinen den Fahrern von Kraftfahrzeugen derartige Sprays als Regen und irritieren die Fahrer nicht oder lediglich wenig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der Sprüheinrichtung jeweilige erzeugte Tropfendurchmesser x des flüssigen Lösungsmittels zum Herauslösen oder Entfernen mittels Sorption, insbesondere mittels Adsorption, größer als die Durchmesser der zu entfernenden Materialpartikel PM, insbesondere der PM₁₀ und der PM_2,5 und der PM_0,1, und zwar größer als 10 μm, eingestellt sein. Je größer die Tropfen relativ zu den aufzunehmenden Materialpartikeln PM sind, umso mehr Materialpartikel PM können an den Tropfenoberflächen gebunden und/oder in den Tropfenvolumen aufgenommen werden. Das heißt ebenso, dass mittels eines eingestellten Tropfendurchmessers x, hierzu größere Materialpartikel PM nicht absorbiert werden können und adsorbieren lediglich möglich ist, wenn sich eine Mehrzahl von Tropfen miteinander verbindend an einem jeweiligen Materialpartikel anlagert. Tropfendurchmesser x können für eine gezielte Sorption ausgewählt und eingestellt werden.
Als einfaches und wirksames Mittel eines Herauslösens der von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel ist Sorption als Oberbegriff für Adsorption und Absorption besonders vorteilhaft. Adsorption bezeichnet allgemein eine Anreicherung einer ersten Phase an einer Grenzfläche zu einer zweiten Phase, hier insbesondere von festen, insbesondere zerteilten, Materialpartikel an einer Oberfläche eines zerteilten, versprühten, flüssigen Lösungsmittels. Es werden hier die von den Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel an den Oberflächen insbesondere von Wassertropfen angelagert und damit adsorbiert. Absorption bezeichnet allgemein eine Anreicherung einer ersten Phase in einem Innenraum einer zweiten Phase, insbesondere von festen, insbesondere zerteilten, Stoffen in dem Inneren eines zerteilten, versprühten, flüssigen Lösungsmittels. Es werden hier die von den Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel insbesondere von Wassertropfen aufgenommen und damit absorbiert. Phase von Materie oder Material ist hier insbesondere ein räumlicher Bereich der Materie mit gleichartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften, insbesondere ein homogener Aggregatzustand der Materie oder des Materials. Grundsätzlich können ebenso innerhalb eines Materials im selben Aggregatzustand mehrere Phasen mit verschiedener Ordnung auftreten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sollen mittels der Sprüheinrichtung jeweilige Tropfendurchmesser x zur Vermeidung einer Lungengängigkeit und/oder Inhalierbarkeit, größer als 10 μm, erzeugt werden. Entsprechend ist hierzu ebenso Wasser als Lösungsmittel vorteilhaft, da mittels herkömmlicher Sprüheinrichtungen nicht lungengängige und/oder nicht inhalierbare Tropfen, mit Durchmessern größer als 10 μm, erzeugt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der Sprüheinrichtung jeweilige erzeugte Tropfendurchmesser x, beispielsweise zur Vergrößerung einer visuellen Durchsichtigkeit oder Transparenz, kleiner als ein Sichtschwelldurchmesser, beispielsweise kleiner als circa 100 μm, erzeugt werden. Je größer die Tropfen umso mehr Licht, insbesondere Sonnenlicht, reflektieren, streuen oder brechen diese. Je größer die Tropfen, umso mehr Materialpartikel können diese binden, so dass diese sichtbar werden können. Ein geeigneter Sichtschwellendurchmesser kann experimentell oder mittels einer Simulation ermittelt werden. Fahrer von Kraftfahrzeugen sollen durch die Tropfen in Ihrer Sehfähigkeit nicht beeinträchtigt werden. Dies kann zusätzlich in Verbindung mit einer Geschwindigkeitsbegrenzung, beispielsweise auf 50 km/h oder 30 km/h, für einen relevanten Straßenabschnitt geschaffen werden, da dadurch weniger Tropfen optisch relevant sind. Theoretisch wäre in diesem Zusammenhang die Verwendung von Wasserdampf vorteilhaft, da dieser unsichtbar ist und auf diese Weise einen Fahrer eines Kraftfahrzeuges nicht in der Sicht behindert. Problematisch ist allerdings auch hier die Lungengängigkeit und/oder Inhalierbarkeit von Wasserdampf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können jeweilige erzeugte Tropfendurchmesser x mittels Auswahl eines Durchmessers d einer Mündung oder Öffnung einer jeweiligen Düse eingestellt werden. Dies ist besonders einfach ausführbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Tropfendurchmesser x mittels Auswahl von Durchmessern d ≈ x/1,89 einer Mündung einer jeweiligen Düse eingestellt werden. Dies gilt insbesondere für Wasser als ein flüssiges Lösungsmittel.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können wirkende Düsendurchmesser d im Bereich von circa 10 μm/1,89 bis circa 100 μm/1,89 ausgebildet sein. Dies bedeutet insbesondere 5,29 μm ≤ d ≤ 52,91 μm. Beispielsweise kann ein verwendeter Düsenöffnungsdurchmesser 50 μm sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Tropfen mit einem jeweils gleichen Tropfendurchmesser x und damit ein monodisperses Aerosol mit gleicher Tropfengröße erzeugt und aus der Umgebungsluft gezielt Materialpartikel mit zu der einen Tropfengröße kleineren Partikelgrößen mit zugehörigen Durchmessern entfernt werden. Vorteilhaft wirkende Tropfendurchmesser x können zusätzlich unter Laborbedingungen ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sprüheinrichtung eine Druckerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Pumpe, die elektrisch oder mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben werden kann, zum Bereitstellen einer Druckdifferenz Δp aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Sprüheinrichtung das flüssige Lösungsmittel aus einem Zwischenbehälter und/oder einer Versorgungsleitung zugeführt werden. Dies kann abhängig von der benötigten Menge an dem flüssigen Lösungsmittel bestimmt werden. Versorgungsleitungen können einfach an kommunale Anschlüsse angeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sprüheinrichtung das flüssige Lösungsmittel in eine längliche Sprühleitung drücken, die entlang deren Länge angeordnete Düsen aufweist. Dies ist eine einfach herzustellende und kostengünstige Ausgestaltung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann sich eine Vielzahl von flexiblen längliche Sprühleitungen, insbesondere entlang eines Bogens, sich von einem Rand einer Straße in Richtung zu einen gegenüberliegenden Rand der Straße entlang der Straße erstrecken. Damit kann über eine Breite einer Straße und entlang dieser Straße einfach und wirksam der Raum R besprüht werden. Sprüheinrichtungen können auf diese Weise einfach als Module zu einem Sprühsystem erweitert werden und sind somit zur Reinigung für beliebige Verkehrsinfrastrukturen mit beliebigen Straßenlängen verwendbar. Es sind keine Halterungen für Bögen erforderlich. Fixiergewichte am jeweiligen Fuß einer Sprüheinrichtung können ausreichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Verkehrsinfrastruktur V ein Straßentunnel sein und die Schwebstaub S enthaltene Umgebungsluft U des Raumes R kann mittels einer eine Strömung erzeugenden Einrichtung in mindestens einen separaten Extraktionsraum bewegt werden, in dem das Extraktionsmittel eingebracht wird, wobei die Umgebungsluft gereinigt wird. Dabei können Druck und/oder Temperatur in dem separaten Extraktionsraum zur Vergrößerung der Löslichkeit der zu extrahierenden von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel zusätzlich eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Verkehrsinfrastruktur V derart angepasst sein, dass die die herausgelösten Materialpartikel PM bindenden flüssigen Lösungsmitteltropfen aufgrund der Schwerkraft und Strömungen in der Umgebungsluft, zu Oberflächen und/oder Volumina der Verkehrsinfrastruktur V bewegt und von dieser, insbesondere mittels Sorption, aufgenommen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Verkehrsinfrastruktur V derart angepasst sein, dass die aufgenommenen Lösungsmitteltropfen wieder zu einer flüssigen Lösungsmittelansammlung zusammengefasst als flüssiges Lösungsmittel zu einer Kanalisation oder an einen Straßenrand abgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die herausgelösten Materialpartikel PM mit dem flüssigen Lösungsmittel in die Kanalisation abgeführt werden. Letzteres hat den Vorteil, dass wenn die Sprüheinrichtungen abgeschaltet werden und die Umgebungsluft und die Verkehrsinfrastruktur, beispielsweise ein Straßenbelag, wieder trocknen, die Materialpartikeln PM nicht wieder von der Verkehrsinfrastruktur V in die Umgebung zurück emittiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das flüssige Lösungsmittel ein Gefrierschutzmittel aufweisen. Ein Gefrierschutzmittel ist ein Stoff, der den Gefrierpunkt eines anderen Stoffes herabsetzt. Die Wirkung ist vom verwendeten Gefrierschutzmittel und dessen Konzentration im anderen Stoff abhängig. Das Gefrierschutzmittel kann als Konzentrat bereitgestellt sein, das mit einem festgelegten Mischungsverhältnis mit dem anderen Stoff vermengt wird. Je größer die Menge an zugeführtem Gefrierschutzmittel ist, desto kleiner kann die Temperatur sein, bei der der andere Stoff gefriert. Eine Lösung aus Gefrierschutzmittel und dem anderen Stoff bleibt dann unter jeweils noch niedrigeren Temperaturbedingungen flüssig. Beispiele für Gefrierschutzmittel sind Glycerin, Ethylen-Glykol und/oder Ethanol, die sich insbesondere für Wasser als flüssiges Lösungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung eignen.
Grundsätzlich können weitere Additive dem erfindungsgemäßen Lösungsmittel zugeführt werden, beispielsweise Rostschutzmittel, zum Schutz von metallischer Bestandteile der Verkehrsinfrastruktur oder von Karosserien oder Karosseriebestandteilen von Kraftfahrzeugen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. 1 zeigt die Vorrichtung 1 zum Entfernen von Schwebstaub S, insbesondere Feinstaub F, aus Umgebungsluft U einer von Kraftfahrzeugen Kfz genutzten Verkehrsinfrastruktur V, insbesondere einer Straße, wobei mindestens eine Abgabeeinrichtung in Ausgestaltung einer Sprüheinrichtung 7 ein Extraktionsmittel in Ausgestaltung eines flüssigen Lösungsmittels 5 in einen der Verkehrsinfrastruktur V zugeordneten und hier über dieser liegenden Raum R einbringt und in der Umgebungsluft U in diesem Raum R vorhandene schwebende Materialpartikel PM, insbesondere PM₁₀, PM_2,5 und PM_0,1, mittels Interaktion mit dem flüssigen Lösungsmittel 5 aus der Umgebungsluft U des Raumes R entfernt werden.
Die Abgabeeinrichtung in Ausgestaltung einer jeweiligen Sprüheinrichtung 7 sprüht ein zerteiltes flüssiges Lösungsmittel 5 in Form von Tropfen in die Umgebungsluft U des Raumes R, wobei ein Spray und insbesondere ein Aerosol erzeugt werden.
Als flüssiges Lösungsmittel 5 kann besonders vorteilhaft Wasser teilweise oder vollständig verwendet werden. Wasser kann beispielsweise auf einfache Weise und in großen Volumenströmen bereitgestellt werden.
Bezugszeichen 7 bezeichnet eine verwendete Sprüheinrichtung 7. Für ein Sprühen eines flüssigen Lösungsmittels kann hier insbesondere eine mechanische Sprühtechnik angewendet werden, die herkömmlicher Weise auch als Zerstäubungstechnik bezeichnet wird, wobei Flüssigkeiten, Suspensionen oder Dispersionen in Tropfen zerteilt werden können. Mittels Sprühens und damit mittels der Tropfenerzeugung können freie und insbesondere für eine Adsorption nutzbare Oberflächen sowie insbesondere für eine Absorption nutzbare Volumen bereitgestellt werden, so dass Wärmeaustauschvorgänge und hier insbesondere die für das Reinigen von Umgebungsluft und Entfernen der insbesondere von Kraftfahrzeugen emittierten Materialpartikel PM aus der Umgebungsluft U notwendige Stoffaustauschvorgänge wirksam implementiert werden können.
Zum Sprühen und somit zum Ausbilden neuer freier Oberflächen muss dem flüssigen Lösungsmittel Energie beziehungsweise Arbeit zugeführt werden. Diese dient dazu, die wirksame Oberflächenspannung zu überwinden. Für die aufzubringende Arbeit gilt in erster Näherung W_σ ≈ σA_S (1) mit W_σ ist die aufzubringende Arbeit, σ ist die Oberflächenspannung des flüssigen Lösungsmittels, A_S ist die erzeugte Sprayoberfläche.
Eine einfache Möglichkeit – insbesondere monodisperse – Tropfen zu erzeugen, besteht darin, das flüssige Lösungsmittel im Erdschwerefeld mit der Beschleunigung g und einer sehr kleinen Fließgeschwindigkeit v aus einer Kapillare mit einem Innendurchmesser D abtropfen zu lassen. Eine Kapillare ist ein sehr feiner, langgestreckter Hohlraum. Im Falle einer Nichtbenetzung zwischen dem flüssigen Lösungsmittel und dem Material, aus dem die Kapillare besteht, resultiert hieraus ein theoretischer Tropfendurchmesser x von X = ∛6Dσ/ρg (2) mit x ist der theoretische Tropfendurchmesser, D ist der Innendurchmesser der Kapillare, σ ist die Oberflächenspannung des flüssigen Lösungsmittels, ρ ist die Dichte des flüssigen Lösungsmittels als strömendes Medium, g ist die Erdfallbeschleunigung.
In der Praxis weisen die Tropfen etwas kleinere Durchmesser als die hier berechneten auf. Dies liegt daran, dass das Ablösen eines einzelnen Tropfens von der Kapillare und das Formen nicht in eine ideale Kugelform erfolgt, sondern der einzelne Tropfen etwas eingeschnürt wird. Ein gewisser Teil des flüssigen Lösungsmittels strömt in die Kapillare zurück. Ein Erzeugen von kleinen Tropfen mit relativ großem Volumenstrom ist allerdings mit diesem theoretisch möglichen Verfahren jedoch kaum praktikabel.
Eine technisch praktikable Sprüheinrichtung 7 kann nach der Art der Energiebereitstellung zur Erzeugung eines Sprays und damit nach der Art, wie die Arbeit W_σ aufgebracht wird, insbesondere aus folgenden drei Gruppen ausgewählt werden, die hier als mögliche Ausführungsbeispiele für Sprüheinrichtungen 7 verwendet werden können.
Eine erste Gruppe nutzt zur Tropfenbildung die kinetische Energie, die, insbesondere mittels einer Druckdifferenz Δp, auf das, insbesondere auf eine beim Austritt aus einer Düsenöffnung erreichte Austrittsgeschwindigkeit v, beschleunigte flüssige Lösungsmittel übertragen wurde. Das flüssige Lösungsmittel wird bei einer Sprüheinrichtung 7 gemäß der ersten Gruppe direkt oder indirekt mit einer Druckdifferenz Δp beaufschlagt. Hieraus resultiert eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Lösungsmittels. Hier wird für diese praktikable technische Ausgestaltung einer verwendbaren Sprüheinrichtung 7 anstelle einer allgemeinen Kapillare eine insbesondere im Herstellungsmaterial und -verfahren und/oder in der Formgebung insbesondere im Innendurchmesser D und/oder in der Länge des Hohlraums relativ dazu technisch angepasste Düse verwendet.
Eine zweite Gruppe nutzt zur Tropfenbildung die kinetische Energie, die mittels Beaufschlagung auf ein rotierendes Objekt auf das, insbesondere auf eine beim Ablösen von einem Rand des rotierenden Objekts erreichte Fluchtgeschwindigkeit v, beschleunigte flüssige Lösungsmittel übertragen wurde.
Eine dritte – hier noch weiter auf deren Praktikabilität hin zu prüfende – Gruppe nutzt zur Tropfenbildung die mittels einer mechanischen Vibrationseinrichtung auf das flüssige Lösungsmittel 5 übertragene kinetische Vibrationsenergie. Sprüheinrichtungen 7 aus der zweiten und der dritten Gruppe werden herkömmlicher Weise auch mechanische Sprüher genannt.
Grundsätzlich können als Sprüheinrichtungen 7 gemäß 1 alle physikalisch möglichen Einrichtungen zum Sprühen und zur Erzeugung von Tropfen von flüssigen Lösungsmitteln 5 verwendet werden.
Die Sprüheinrichtung 7 kann zur Tropfenbildung das flüssige Lösungsmittel vor Erzeugung eines Sprays zunächst in der Form eines Strahles oder in der Form einer Lamelle oder in Form von Wellen erzeugen.
Ein austretender Strahl des flüssigen Lösungsmittels oder eine Lamelle des flüssigen Lösungsmittels oder Wellen des flüssigen Lösungsmittels zerfallen insbesondere aufgrund einer turbulenten oder laminaren Strömung zu einzelnen Tropfen und bilden das Spray. Des Weiteren sind aerodynamische Effekte infolge von Wechselwirkungen mit der Umgebungsluft U des Raums R bei der Tropfenbildung zu berücksichtigen.
Bei einer Düsen gemäß der ersten Gruppe verwendenden Sprüheinrichtung 7 hängen eine Austrittsgeschwindigkeit v des flüssigen Lösungsmittels aus einer Düsenmündung, deren Kontur und das erzeugte Tropfengrößenspektrum von einer Vielzahl von Einflussgrößen ab. So spielen unter Anderem insbesondere die Druckdifferenz Δp, sogenannte rheologische Eigenschaften des flüssigen Lösungsmittels und die geometrische Ausgestaltung der Düse selbst eine wichtige Rolle. Eine bestimmte insbesondere mittels der Druckdifferenz Δp und der Dichte ρ des flüssigen Lösungsmittels berechenbare maximale Austrittsgeschwindigkeit v_max kann nicht überschritten werden. v_max = √2Δp/ρ (3) mit: v_max ist die maximale Austrittsgeschwindigkeit, Δp ist die von einer Druckerzeugungseinrichtung 9 bereitgestellte Druckdifferenz, ρ ist die Dichte des flüssigen Lösungsmittels.
Besonders vorteilhaft können mittlere und große Volumenströme viskoser oder niedriger viskoser flüssiger Lösungsmittel, beispielsweise von Wasser mit einer Dichte ρ_W = 0,999841 bis 0,995649 Kg/dm³ bei Tempertaturen von 0 bis 30°C, zu feinen Tropfen gesprüht werden. Hierfür sind lediglich relativ niedrige Druckdifferenzen Δp erforderlich und es kann ein kleinster Strömungsquerschnitt innerhalb einer Düse relativ groß sein. Ein kleinster Strömungsquerschnitt innerhalb einer Düse ist üblicherweise am Ausgang der Düse.
Eine Strömung, insbesondere Düsenströmung, des flüssigen Lösungsmittels kann mittels der einen Turbulenzgrad beschreibenden und berechenbaren Reynolds-Zahl Re beschrieben werden. Re = Lρv/η (4), wobei L eine charakteristische Länge ist, die für eine jeweilige Problemstellung definierbar und bei einer Strömung einen jeweiligen Körper beschreibt und hier bezüglich einer Düsenströmung ein Innendurchmesser einer Düse sein kann, ρ die Dichte des flüssigen Lösungsmittels ist, v die relative Strömungsgeschwindigkeit zwischen dem flüssigen Lösungsmittel und dem Körper beziehungsweise der Düse ist, und η die dynamische Viskosität des flüssigen Lösungsmittels ist.
Die dynamische Viskosität beispielsweise von Wasser η_W ist 1,002 mPa s bei 20°C und 1,792 mPa s bei 0°C.
Bei einer Reynolds-Zahl Re von im Betrag kleiner 2300 liegt praktisch eine laminare Düsenströmung des flüssigen Lösungsmittels vor, wobei dann die erzeugten Tropfen relativ groß sind und dann ein Erzeugen eines Sprays mit relativ kleinen Tropfen schwieriger wird. Je laminarer die Düsenströmung, umso größer können die erzeugten Tropfen sein.
Die sogenannte Ohnesorge-Zahl Oh beschreibt zusätzlich das Aufbrechen von Flüssigkeitsstrahlen oder Lamellen des flüssigen Lösungsmittels zu Tropfen und beschreibt den Einfluss der Zähigkeit oder Viskosität des flüssigen Lösungsmittels bei der Deformation der Tropfen. Oh = n/√Lρσ (5), wobei η die dynamische Viskosität des flüssigen Lösungsmittels ist, L eine charakteristische Länge ist, die für eine jeweilige Problemstellung definierbar und bei einer Strömung einen jeweiligen Körper beschreibt und hier bezüglich einer Düsenströmung ein Innendurchmesser einer Düse sein kann, ρ die Dichte des flüssigen Lösungsmittels ist und σ die Oberflächenspannung des flüssigen Lösungsmittels ist.
Bei Wasser ist die Oberflächenspannung σ_W = 0,0756 N/m bei 0°C; 0,0727 N/m bei 20°C; 0,0678 N/m bei 50°C; 0,0588 N/m bei 100°C.
Ein aus einem Ausgang einer Düse oder einer Düsenmündung austretender laminarer Flüssigkeitsstrahl des flüssigen Lösungsmittels zerfällt unter bestimmten Bedingungen zu annähernd monodispersen Tropfen. Dieser Zerfallsmechanismus ist als Rayleigh'scher oder laminarer Strahlzerfall bekannt. Je höher die Viskosität des flüssigen Lösungsmittels, umso feiner können die erzeugten Tropfen sein. Ursache hierfür ist, dass aufgrund der wirksamen Erdbeschleunigung der Flüssigkeitsstrahl des flüssigen Lösungsmittels mit zunehmender Entfernung von der Düsenmündung immer schneller fließt. Nach den Regeln der sogenannten Kontinuitätsgleichung geht dieses einher mit einer Abnahme des Strahldurchmessers. Zerfällt ein derartig dünner Flüssigkeitsstrahl, resultieren hieraus entsprechend kleine Tropfendurchmesser x des flüssigen Lösungsmittels. Ein Tropfendurchmesser x kann für ein niederviskoses flüssiges Lösungsmittel, wie es beispielsweise Wasser ist, in guter Näherung folgendermaßen berechnet werden: x ≈ 1,89d (6), wobei d hier den Durchmesser des Düsenausgangs beschreibt, der ebenso Düsenmündung oder Düsenöffnung genannt werden kann. Bei einem Zerfall höher viskoser flüssiger Lösungsmittel 5 sind zudem relevante rheologische Eigenschaften zu berücksichtigen.
Turbulente Flüssigkeitsstrahlen bildende Düsen können im Gegensatz zu laminaren insbesondere kompaktere Flüssigkeitsstrahlen erzeugen, wobei insbesondere impulsreichere Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden können.
Lamellenbildende Düsen sind beispielsweise Flachstrahl- und Hohlkegel-Druckdüsen sowie Zungen- und Kegeldüsen. An der Düsenmündung einer derartigen Düse kann eine Lamelle des flüssigen Lösungsmittels mit einer Lamellendicke δ ausgebildet werden. Die Lamelle zerfällt infolge verschiedener Zerfallsmechanismen zu dem Spray.
Die sogenannte Weber-Zahl We erfasst die Oberflächenkraft und die Trägheitskraft des flüssigen Lösungsmittels bei der Deformation von Tropfen und dient als ein Maß für eine Tropfenverformung und insbesondere zur Charakterisierung einer Qualität eines Sprays und ist hier: We = v²Lρ/σ = (Oh·Re)² (7), wobei v die relative Strömungsgeschwindigkeit zwischen Umgebungsluft und den Tropfen ist, L eine charakteristische Länge ist, die für eine jeweilige Problemstellung definierbar und bei einer Strahlbildung eine Strahldicke sein kann und hier bezüglich der Lamellenbildung eine Lamellendicke δ ist, ρ die Dichte des flüssigen Lösungsmittels ist und σ die Oberflächenspannung des flüssigen Lösungsmittels ist.
Die verschiedenen Zerfallsmechanismen einer Lamelle zu dem Spray können überschlägig als Betrag der Weber-Zahl We in vier Bereiche eingeteilt werden:
Eine Weber-Zahl We kleiner 2 bedeutet, dass ein Ausbilden einer Lamelle noch nicht möglich ist. Eine Weber-Zahl We kleiner 1640 bedeutet, dass durch Zerfall der Lamelle infolge einer Randwulstkontraktion und einer eventuellen Lochbildung relativ grobe Tropfen entstehen. Eine Weber-Zahl We größer 1640 beschreibt ein aerodynamisches Zerwellen der Lamelle, bei einer starken Interaktion mit der Umgebungsluft, wobei relativ feine Tropfen des flüssigen Lösungsmittels ausgebildet werden. Eine Weber-Zahl We viel größer als 1640 beschreibt einen zunehmend durch turbulente Effekte bestimmten Zerfall der Lamelle, wobei feine Tropfen entstehen.
Bei einer Hohlkegel-Druckdüse kann entweder mittels spezieller Drallkörper innerhalb der Düse oder mittels tangentialer Eintritte in eine sogenannte Drallkammer erreicht werden, dass das flüssige Lösungsmittel nicht einen Düsenaustrittsdurchmesser vollständig ausfüllt. Es kann somit eine relativ dünne Flüssigkeitslamelle ausgebildet werden, die zu feinen Tropfen zerfällt. Bei Tangential-Hohlkegel-Druckdüsen können somit verhältnismäßig große Strömungsquerschnitte verwendet werden. Dieses minimiert die Verstopfungsneigung der Düse bei einem verunreinigten flüssigen Lösungsmittel 5. Bei den Hohlkegel-Druckdüsen ist ein Berechnen des Volumenstroms als Funktion der Druckdifferenz Δp sowie der Dichte ρ und der Viskosität des flüssigen Lösungsmittels aufwändig. Zu beachten ist ferner ein sogenanntes Hohlkegel-Druckdrüsen-Paradoxon, das besagt, dass im Gegensatz zu Düsen mit vollständig gefülltem Düsenaustritt der Volumenstrom mit zunehmender Viskosität des flüssigen Lösungsmittels zunächst ansteigt. Bei abnehmender Viskosität hingegen sinkt der Volumenstrom des flüssigen Lösungsmittels. Diese führt beispielsweise dazu, dass bei einer Vorerwärmung eines höher viskosen flüssigen Lösungsmittels bei einer definierten Druckdifferenz Δp der Volumenstrom dieses flüssigen Lösungsmittels abnimmt. Viskosität ist hier ein Maß für die Zähflüssigkeit des flüssigen Lösungsmittels. Wasser ist eine niederviskose Flüssigkeit.
Die meisten lamellenbildenden Düsen erzeugen bei identischen Betriebsbedingungen und gleicher Rheologie des flüssigen Lösungsmittels deutlich feinere Tropfen als strahlenbildende Strahl- und Turbulenzdüsen.
Eine Sprüheinrichtung 7 der ersten Gruppe kann beispielsweise als sogenannte Einstoff-Druckdüse ausgeführt sein. Hierbei wird die kinetische Energie für die Tropfenbildung direkt dem flüssigen Lösungsmittel als einzigen Stoff übertragen. Das heißt die Druckdifferenz Δp wirkt direkt auf das flüssige Lösungsmittel.
Eine Sprüheinrichtung 7 der ersten Gruppe kann alternativ zur Einstoff-Düse als sogenannte Zweistoff-Düse ausgeführt sein. Hierbei wird die kinetische Energie für die Tropfenbildung indirekt über ein zweites Medium zu dem flüssigen Lösungsmittel übertragen. Das heißt, beispielsweise eine Druckdifferenz Δp oder ein Anteil davon wirkt indirekt auf das flüssige Lösungsmittel. Es wird das Prinzip einer sogenannten Strahlpumpe angewendet, wobei die Pumpwirkung mittels des zweiten Mediums, das ebenso als Treibmedium bezeichnet wird, erzeugt wird, das mittels Impulsaustausch das flüssige Lösungsmittel, das hier ebenso als Saugmedium bezeichnet werden kann, ansaugt, beschleunigt und verdichtet oder fördert. Das flüssige Lösungsmittel sollte unter einen ausreichenden Druck stehen.
Bei Zweistoff-Düsen verwendenden Sprühern dient also ein mit hoher Geschwindigkeit strömender zusätzlicher Gasmassenstrom, der insbesondere vorteilhaft ein einfach zu erzeugender Luftmassenstrom sein kann, als Energielieferant für das Sprühen des flüssigen Lösungsmittels. Dieses bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zu Einstoff-Druckdüsen auch kleinere Volumenströme an, insbesondere höher viskosen, flüssigen Lösungsmitteln zu einem Tropfengrößenspektrum mit kleinen Tropfendurchmessern vernebelt werden können. Eine wichtige Rolle spielt hierbei das Massenstromverhältnis μ zwischen dem Gas g und dem flüssigen Lösungsmittel. μ = m ._g/m . (8)
Dieses Massenstromverhältnis μ wird auch als Beladung bezeichnet. Tendenziell werden mit zunehmender Beladung die erzeugten Tropfen kleiner (feiner). Je größer die Beladungszahl wird desto mehr Spielraum hat man bezüglich der Massenströme für einen konstanten charakteristischen Tropfendurchmesser.
Es können Zweistoff-Düsen mit einer äußeren Mischung verwendet werden. Das flüssige Lösungsmittel und das Treibmedium treffen dabei erst außerhalb der Düse in Wechselwirkung miteinander. Häufig anzutreffen ist hier die sogenannte Prefilming-Düse. Das flüssige Lösungsmittel tritt hier nahezu drucklos im Zentrum der Düse aus. Das Treibmedium strömt mit hoher Geschwindigkeit aus einem umgebenden Ringkanal. Hieraus resultiert im Nahbereich der Düsenmündung, die ebenso Düsenausgang oder Düsenaustritt genannt werden kann, ein Unterdruck, welcher das flüssige Lösungsmittel auf einer sogenannten Prefilming-Fläche als Film ausbreitet. Dieser dünne Film trifft auf das mit hoher Geschwindigkeit strömende Treibmedium beziehungsweise Gas und wird zu kleinen (feinen) Tropfen zerteilt. Unter bestimmten Bedingungen arbeitet dieser Düsentyp selbstansaugend.
Es können Zweistoff-Düsen mit einer inneren Mischung verwendet werden. Bei dieser Düsenbauart erzeugt man bereits im Inneren der Düse ein Zweiphasen-Gemisch des flüssigen Lösungsmittels mit dem zusätzlichen Treibmedium. Dieses weist eine geringe Schallgeschwindigkeit auf. In einer sogenannten Düsenaustrittsebene resultiert hieraus ein so genannter Drucksprung. Tropfen mit einem kritischen Durchmesser erfahren hierdurch eine weitere Zerteilung und tragen zu einem hohen Feinanteil an Tropfen im Spray bei. Im Gegensatz zu den Zweistoff-Düsen äußerer Mischung müssen Druck des Treibmediums oder Treibgases und Druck des flüssigen Lösungsmittels aufeinander abgestimmt werden. Insofern ist ein höherer regelungstechnischer Aufwand erforderlich.
Gemäß der zweiten Gruppe kann die Sprüheinrichtung 7 ein rotierendes Objekt verwenden. Die Sprüheinrichtung 7 nutzt dabei als Rotationssprüher die kinetische Energie des von dem rotierenden Objekt in Form eines Strahles oder in Form einer Lamelle weggeschleuderten flüssigen Lösungsmittels zur Erzeugung eines Sprays. Diese Ausführungsform der sogenannten Rotationssprüher zählt ebenso zu den mechanischen Sprüheinrichtungen.
Beispielsweise kann eine rotierende Scheibe oder ein Becher nahezu drucklos mit dem flüssigen Lösungsmittel beaufschlagt werden. Das flüssige Lösungsmittel wird aufgrund von Haftbedingungen zum Rand hin beschleunigt. Es bildet je nach Betriebsbedingungen einzelne Flüssigkeitsstrahlen in Form von Flüssigkeitsfäden oder eine Lamelle aus. Diese zerfallen in einer bestimmten Entfernung vom Rand des Sprühers zu Tropfen.
Rotationssprüher sind vorteilhaft nahezu verstopfungsfrei, da keine kritischen Querschnitte erforderlich sind. Zudem reinigen sich diese infolge der Zentrifugalbeschleunigung selbstständig, wenn die Zufuhr des flüssigen Lösungsmittels unterbrochen wird. Aus diesem Grund kann ein derartiger Rotationssprüher zum Sprühen von Suspensionen eingesetzt. Besonders interessant ist, dass eine derartige Sprüheinrichtung 7 unter bestimmten Umständen vorteilhaft in der Lage ist, ein nahezu monodisperses Spray zu erzeugen. Je nach Betriebsbedingung treten an einem Rotationssprüher folgende Tropfenbildungsmechanismen auf, und zwar Abtropf-Vorgänge, die eine bimodale Tropfengrößenverteilung ermöglichen; ein Fadenzerfall, wobei nahezu monodisperse Tropfen entstehen; eine Lamellenbildung, wobei sich Tropfengrößenverteilungen ähnlich wie bei Lamellen bildenden Einstoff-Druckdüsen ergeben.
Die Sprüheinrichtung 7 kann als Rotationssprüher 7 im Betriebsbereich des Fadenzerfalls für ein gleichmäßiges Oberflächenbesprühen eingesetzt werden, beispielsweise falls zusätzlich zum Sprühen in den Raum eine Oberfläche, beispielsweise eines jeweiligen Kraftfahrzeuges, besprüht werden soll, an der Feinstaub konzentriert ist. Ein zusätzliches, insbesondere elektrostatisches, Führen der Tropfen kann hierbei einen unerwünschten sogenannten Overspray-Effekt minimieren.
Gemäß der dritten Gruppe kann die Sprüheinrichtung 7 ein Vibrationssprüher, der jedoch Kapillareffekte nutzt, sein. Eine Tropfenbildung erfolgt hierbei mittels mechanischer Schwingungen, insbesondere mit Frequenzen von bis zu 3 MHz, die auf einen Flüssigkeitsfilm übertragen werden. Diese Schwingungen können beispielsweise mittels piezokeramische Elemente erzeugt werden, die elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen umwandeln. Diese können an der Oberfläche des Flüssigkeitsfilmes zur Ausbildung von Wellen, insbesondere Kapillarwellen, führen, die sich mit steigender Anregungsfrequenz exponentiell aufrichten. In Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz können Tropfen mit einem bestimmten Durchmesser x erzeugt werden. Dieser verkleinert sich mit größer werdender Anregungsfrequenz beziehungsweise mit sich vergrößernder Dichte ρ und sich verkleinernder Oberflächenspannung σ des flüssigen Lösungsmittels. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine derartige Sprüheinrichtung 7 ebenso hier insbesondere Tropfengrößen mit Durchmessern von größer 10 μm bis kleiner 100 μm bereitstellen.
Vibrationssprüher sollen keine Schallwellen im Infraschallbereich und im Hörbereich des Menschen erzeugen. Auf diese Weise soll eine weitere Umweltbelastung vermieden werden. Ebenso sollen keine Schallwellen in bestimmten Ultraschallbereichen erzeugt werden, da eine Höhrbarkeit für bestimmte Tiere, insbesondere für Hunde, gegeben sein kann. Vorteilhafte Anregungsfrequenzen können experimentell ermittelt werden. Ebenso ist zu ermitteln, ob ein Erzeugen von kleinen Tropfen mit großem Volumenstrom mittels dieses theoretisch möglichen Verfahrens praktikabel ist.
Grundsätzlich sind als die Sprüheinrichtung 7 ebenso sogenannte Sonderzerstäuber einsetzbar, wie es Zerstäuber sind, die nach dem Prinzip der elektrostatischen Zerstäubung funktionieren.
Die jeweilige Sprüheinrichtung 7 gemäß 1 sprüht Tropfen oder Tröpfchen des flüssigen Lösungsmittels 5 in den Raum R, der mit Umgebungsluft U gefüllt ist, wobei dies in 1 durch dünne Pfeile dargestellt ist.
Gemäß 1 können sich die von Kraftfahrzeugen Kfz emittierten Materialpartikel PM auf den Tropfen an deren Oberfläche anlagern und damit adsorbiert werden und/oder von den Tropfen in deren Inneren aufgenommen und damit absorbiert werden, wobei die Tropfen erhalten bleiben. Infolge der Adsorption oder Absorption werden die von Kraftfahrzeugen Kfz emittierten Materialpartikel PM im Raum derart zusammengefasst und verdichtet, dass Massenagglomerationen gebildet werden, deren zusammenwirkenden Gesamtmassen größer werden. Aufgrund der Erdanziehung wird ebenso die Gewichtskraft derartiger Massenagglomerationen größer, so dass diese auf den Boden in dem Raum absinken, wobei dies in 1 durch dicke Pfeile dargestellt ist, und zwar hier insbesondere auf die Straße beziehungsweise auf einen Straßenbelag. Des Weiteren bewirken – insbesondere infolge der Bewegungen der Kraftfahrzeuge Kfz – Strömungen in der Umgebungsluft U einen Transport der mit den Materialpartikeln PM beladenen Tropfen zu Flächen und/oder Volumina der Verkehrsinfrastruktur V, die hier eine vierspurige Straße mit jeweils zwei Fahrbahnen in eine Richtung ist.
Eine Sprüheinrichtung 7 gemäß 1 weist eine Druckerzeugungseinrichtung 9 zum Bereitstellen einer Druckdifferenz Δp auf. Die Sprüheinrichtung 7 drückt oder saugt das flüssige Lösungsmittel aus einem Zwischenbehälter 11, der zusätzlich von einer hier nicht dargestellten Versorgungsleitung 13 versorgt werden kann. Die Sprüheinrichtung 7 kann zur sicheren Positionierung zusätzlich Gewichte in den hier als Quadrate dargestellten Grundkörpern aufweisen, damit Wind die jeweiligen hier zwei Sprüheinrichtungen 7 nicht einfach wegbewegen kann. Zusätzliche mechanische Halterungen können ebenso eine jeweilige Sprüheinrichtung 7 vor unerwünschtem Bewegen schützen. Die beiden Sprüheinrichtungen 7 gemäß 1 drücken jeweils das flüssige Lösungsmittel 5 vom Boden, auf dessen Höhe in etwa ein jeweiliger Zwischenbehälter 11 angeordnet sein kann, in eine längliche Sprühleitung 15, die entlang deren Länge angeordnete Düsen aufweist. Aus diesen Düsen wird das flüssige Lösungsmittel 5 in Tropfenform in die Umgebungsluft U gesprüht, wobei dies durch die dünnen Pfeile veranschaulicht ist. 1 zeigt links und rechts am Straßenrand die zwei Sprüheinrichtungen 7 mit zwei flexiblen länglichen Sprühleitungen 15, die hier die Form eines jeweiligen Bogens aufweisen, der sich von einem Rand einer Straße in Richtung zu einen gegenüberliegenden Rand der Straße entlang der Straße erstrecken. Auf diese Weise können die Emissionsquellen wirksam eingegrenzt und/oder umfasst werden.
Die jeweilige Sprüheinrichtung 7 weist hier zum Sprühen eine Mehrzahl von Druckdüsen auf, die insbesondere jeweils mittels einer Lochplatte erzeugt sind. Damit kommt hier gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach 1 das Einstoff-Druckdüsen-Prinzip zur Anwendung.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Zu 1 gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Elemente in Bezug auf eine Verkehrsinfrastruktur V.
Die Verkehrsinfrastruktur V ist gemäß 2 ein Straßentunnel, wobei die Schwebstaub S enthaltene Umgebungsluft U des Raumes R hier mittels zwei jeweils eine Strömung erzeugenden Einrichtungen 17 in einen separaten Extraktionsraum 19 bewegt wird, in dem das flüssige Lösungsmittel 5 eingebracht wird, wobei dies Luft gereinigt und wieder in den Tunnel abgegeben wird.
Jeweilige Sprüheinrichtungen 7 drücken das flüssige Lösungsmittel in eine längliche Sprühleitung 15, die entlang deren Länge angeordnete Düsen aufweist. Es kann eine Vielzahl von länglichen Sprühleitungen 15 im Tunnel oberhalb an einer Decke und/oder seitlich an Seitenwänden, derart angeordnet werden, dass der gesamte Raum R zur Reinigung und Lösung hinreichend eingesprüht wird.
Die Verkehrsinfrastrukturen V sind derart angepasst oder meistens bereits derart ausgestaltet, dass die die herausgelösten Materialpartikel PM bindenden flüssigen Lösungsmitteltropfen aufgrund der Schwerkraft und Strömungen in der Umgebungsluft U zu Oberflächen und/oder Volumina der Verkehrsinfrastruktur V bewegt und von dieser, insbesondere mittels Sorption, aufgenommen werden. Grundsätzlich sind die Materialpartikel PM dann gebunden, solange die Oberflächen und/oder Volumina im Falle von Wasser als Lösungsmittel nass sind beziehungsweise solange die Sprüheinrichtungen 7 sprühen und eine Benetzung der Oberflächen und/oder Volumina mit dem flüssigen Lösungsmittel 5 bereitstellen.
Die Verkehrsinfrastrukturen V sind derart angepasst oder meistens bereits derart ausgestaltet, dass die aufgenommenen Lösungsmitteltropfen wieder zusammengefasst als flüssiges Lösungsmittel, insbesondere zusammen mit den herausgelösten Materialpartikel PM, zu einer Kanalisation 21 abgeführt werden. Dies ist 2 mittels dicke horizontal Pfeile veranschaulicht.
Grundsätzlich können nachfolgend noch Trennverfahren angewendet werden, wie es beispielsweise Filtration oder Fällung sein können, zum Trennen der in dem Extraktionsmittel gelösten extrahierten Komponente von dem Extraktionsmittel, das heißt zum erneuten Trennen der in dem nicht mehr tropfenförmigen flüssigen Lösungsmittel 5 gelösten Materialpartikel PM von dem nicht mehr tropfenförmigen und aus der Kanalisation entnommenen flüssigen Lösungsmittel 5.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Zu 1 gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Elemente in Bezug auf eine Verkehrsinfrastruktur V. Die Verkehrsinfrastruktur V ist hier eine mittels eines Querelementes, das beispielsweise eine Brücke oder eine Beschilderung sein kann, überbrückte Straße. Die Sprüheinrichtungen 7 können an diesem Querelement befestigt sein und von oben die den Schwebstaub S enthaltene Umgebungsluft U des Raumes R reinigen oder säubern.
3 zeigt zwei Sprüheinrichtungen 7, denen mindestens eine Druckerzeugungseinrichtung 9 zum Bereitstellen einer Druckdifferenz Δp zugeordnet ist. Den beiden Sprüheinrichtung 7 wird das flüssige Lösungsmittel 5 mittels einer gemeinsamen in das Querelement integrierten Versorgungsleitung 13 zugeführt. Die jeweilige Sprüheinrichtung 7 drückt das flüssige Lösungsmittel 5 hier in zwei horizontal angeordnete längliche Sprühleitungen 15 drückt, die entlang deren Länge angeordnete Düsen aufweist, aus deren Ausgängen ein jeweiliges Spray erzeugt wird, die sich in der Umgebungsluft U des Raums R zu einem Gesamtspray ergänzen. Einige der Sprührichtungen sind mittels kurzer dünner Pfeile veranschaulicht. Mit Materialpartikel PM beladene Tropfen können von Oberflächen von Kraftfahrzeugen Kfz aufgenommen und sich zu Flüssigkeitsansammlungen vereinigen. Infolge der Schwerkraft werden Flüssigkeitsansammlungen auf den Kraftfahrzeugen Kfz weiter in Richtung auf den Boden bewegt. Ebenso die mit den Materialpartikeln PM beladenen Tropfen des flüssigen Lösungsmittels 5, die direkt auf den Boden gelangen, können sich, insbesondere aufgrund der hin zu einem minimalen Volumen einer Flüssigkeit wirkenden jeweiligen Oberflächenspannung σ des flüssigen Lösungsmittels 5, zu jeweiligen größeren Flüssigkeitsansammlungen vereinigen, die umgangssprachlich Lachen oder Pfützen genannt werden können. Darüber fahrende Kraftfahrzeuge Kfz können darauf mechanisch einwirken, bei ausreichender Menge an flüssigem Lösungsmittel 5 im Raum R bleiben die Materialpartikel PM jedoch in den größeren Flüssigkeitsansammlungen gebunden. Eine jeweilige Straßenoberfläche kann zur Abführung von Regenwasser zum jeweiligen Straßenrand hin leicht bergab geneigt sein. Auf diese Weise können die größeren Flüssigkeitsansammlungen des flüssigen Lösungsmittels 15 ebenso in eine Kanalisation 21 oder an einen Straßenrand abgeführt und entsorgt werden. Deshalb ist ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines geeigneten flüssigen Lösungsmittels 5 ebenso dessen Unbedenklichkeit für die Umwelt. Entsprechend wird ebenso hier Wasser als besonders vorteilhaftes flüssiges Lösungsmittel 5 vorgeschlagen. Das Absinken der Tropfen ist mittels dicker vertikaler Pfeile veranschaulicht. Die Entsorgung von Strömen des flüssigen Lösungsmittels 5 in die Kanalisation 21 ist mit dicken horizontalen Pfeilen veranschaulicht.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Zu 1 gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Elemente in Bezug auf eine Verkehrsinfrastruktur V. Die Verkehrsinfrastruktur ist hier schematisch dargestellt eine vierspurige Straße. Es ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt die in beide Fahrtrichtungen jeweils zweispurig verlaufenden Straße dargestellt. Dies kann beispielsweise eine Ringstraße in einem Ballungsraum, beispielsweise mit mehr als 1 Millionen Einwohnern, mit einem hohen Verkehrsaufkommen sein.
4 zeigt auf der rechten Seite quer zum Straßenverlauf eine relativ dicke Linie, die hier eine Referenzmesslinie RML zur Erfassung einer Verkehrsbelastung ist. Beispielsweise können an einem Tag bis zu circa 50.000 Kraftfahrzeuge Kfz diese Referenzmesslinie RML in beiden Fahrtrichtungen überfahren. Eine genauere Bestimmung des Verkehrsaufkommens kann beispielsweise mittels ein jeweiliges Überfahren erfassenden Lichtschranken ausgeführt werden.
Von oben ist mittels eines Quadrates als ein Musterraum R_m ein würfelförmiger Raum R im Querschnitt dargestellt. Ein derartiger Musterraum R_m kann sich beispielsweise 10 m entlang des Straßenverlaufs, 10 m quer zum in 4 schematisch dargestellten Straßenverlauf und 10 m in die Höhe zur Straßenoberfläche erstrecken. Auf diese Weise kann ein derartiger Musterraum R_m einfach in der Realität, beispielsweise mittels Markierungen, an einer realen Straße festgelegt und definiert werden. Dieser Musterraum R_m definiert hier damit ein begrenztes Volumen von 1000 m³. In diesem Musterraum R_m ist zu einem Zeitpunkt t_p eine bestimmte Masse an Umgebungsluft U vorhanden. Aufgrund von Luftströmungen, beispielsweise infolge Wind, ist die in dem Musterraum Rm befindliche Umgebungsluft U zeitlich veränderlich.
4 zeigt in dem Quadrat des Raumes R zwei Sprüheinrichtungen 7, die die beiden Sprüheinrichtungen 7 gemäß 1 sein können, die hier nun von oben betrachtet werden können. Die zwei Sprüheinrichtungen 7 weisen hier die flexiblen länglichen Sprühleitungen 15 auf, die sich entlang eines Bogens jeweils von einem Rand der Straße in Richtung zu dem gegenüberliegenden Rand der Straße erstrecken. Die Sprühleitungen 15 können beispielsweise aus Kunststoff bestehende Kanäle oder Rohre sein, die bei Wind einfach mitschwingen können. Die jeweiligen Düsen können vorteilhaft Lochbleche sein, die in die Rohre einfach integriert und fixiert werden können. Derartige Lochbleche können bei Verwendung von Wasser als flüssiges Lösungsmittels 5 natürlichen Regen auf einfache Weise nachbilden. Damit werden Insassen von Kraftfahrzeugen bei einem unerwarteten Besprühen nicht übermäßig irritiert. Die Düsen können vorteilhaft für ein gleichmäßiges Besprühen des Raumes R in regelmäßigen Abständen entlang des jeweiligen Bogens positioniert sein. Da in den oberen Abschnitten zum Sprühdruck die Schwerkraft hinzukommt, sind die oberen horizontal orientierten Lochbleche besonders vorteilhaft für ein vollständiges Verteilen des flüssigen Lösungsmittels 5 im Raum R. Entsprechend kann die Düsenanzahl pro Länge einer Sprühleitung 15 zu einem oberen Bereich eines jeweiligen Bogens vergrößert vorgesehen sein. Ein jeweiliger Bogen erstreckt sich in dem Raum R bis zu einer bestimmten Höhe h, die für den einen von dem flüssigen Lösungsmittel 7 vollgefüllten Sprühleitung 15 aufgebauten Druck p wesentlich ist. Das flüssige Lösungsmittel 5 bildet hier in einem Rohr eine sogenannte Säule aus. p = F/A = mg/A = ρV_sg/A = ρhg (9), wobei p der von der Säule des flüssigen Lösungsmittels aufgebaute Druck ist, F ist die durch die Säule aufgebaute Kraft, A ist die Querschnittsfläche der Sprühleitung, m ist die Masse der Säule, g ist die Erdfallbeschleunigung, ρ ist die Dichte des flüssigen Lösungsmittels, V_s ist hier das Volumen der Säule, h ist die maximale Höhe bis zu der sich die Säule hier ausgehend von der Oberfläche der Straße erstreckt, von der hier angenommen eine Druckerzeugungseinrichtung 9 für ein Gleichgewicht, bei dem das flüssige Lösungsmittel 5 verharrt, den Gegendruck zum Druck p aufbaut.
Das flüssige Lösungsmittel 5 wird aus den beiden Sprüheinrichtungen 7 in Form von Tropfen in den Musterraum R_m eingebracht. Dies ist in 4 mittels der Verteilung des Bezugszeichens 5 im Raum R_m veranschaulicht.
Bei einer angenommenen Belastung der zu einem Zeitpunkt t_p in dem Musterraum R_m mit dem Volumen von 1000 m³ vorhandenen Umgebungsluft U mit Materialpartikel PM₁₀ von 100 μg/m³ ergibt sich in dem hier definierten Musterraum R_m eine Gesamtmasse an 100000 μg = 100 mg an feinverteilten Materialpartikeln PM₁₀.
Für eine beispielhafte Auslegung der beiden Sprüheinrichtungen 7 soll die Gesamtmasse der feinverteilten Materialpartikel PM₁₀ in dem Musterraum R_m auf den gemäß der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlenen 1. Tagesmittel-Wert von 50 μg/m³ an PM₁₀ auf 50000 μg = 50 mg der feinverteilten Materialpartikeln PM₁₀ verkleinert werden.
Fraglich ist, wie groß der von den beiden Sprüheinrichtungen bereitgestellte Volumenstrom V . an flüssigem Lösungsmittel 5 sein muss, um 50000 μg = 50 mg feinverteilte Materialpartikel PM₁₀ aus 1000 m³ des Musterraums R_m herauszulösen? Die Bindungswirkung, die mittels Sorption bewirkt wirkt, hängt insbesondere von den Durchmessern der Tropfen im Spray ab. Eine Optimierung kann insbesondere experimentell unter Laborbedingungen ausgeführt werden.
Es ist für eine wirksame Adsorption naheliegend, die Durchmesser der aufnehmenden Tropfen größer als die Durchmesser der aufzunehmenden Materialpartikel PM zu erzeugen. Je größer die Durchmesser der Tropfen relativ zu den Durchmessern der Materialpartikel PM sind, umso größer kann die Anzahl, der sich an der Oberfläche der Tropfen anlagernden Materialpartikel PM sein. Entsprechend vorteilhaft ist es, wenn die Sprüheinrichtungen 7 jeweilige Tropfendurchmesser x zum Herauslösen insbesondere mittels Adsorption größer als die Durchmesser der zu entfernenden Materialpartikel PM, insbesondere der PM₁₀ und der PM_2,5 und der PM_0,1, und zwar immer größer 10 μm erzeugt. Zudem müssen die von den Sprüheinrichtungen 7 erzeugten jeweiligen Tropfendurchmesser x ebenso aus gesundheitlichen Gründen zur Vermeidung einer Lungengängigkeit und/oder Inhalierbarkeit der Tropfen des flüssigen Lösungsmittels 5 auf jeden Fall größer als 10 μm sein. Entsprechend kann zunächst gesagt werden, dass je größer als 10 μm die erzeugten Tropfendurchmesser x sind, umso vorteilhafter. Allerdings verkleinert sich mit größer werdendem Tropfendurchmesser x ebenso die mittels der Gesamtheit der Tropfen im Musterraum R_m erzeugte für eine Adsorption notwendige Oberfläche A_S, die die erzeugte Sprayoberfläche aus der Formel (1) ist.
Des Weiteren können Tropfen optische Effekte verursachen, wie es beispielsweise Brechung oder Reflexion, insbesondere an den Oberflächen der Tropfen, sind, die ebenso hinsichtlich deren Wirkung auf Insassen von Fahrzeugen berücksichtigt werden müssen. Ebenso können diese Effekte in der Gesamtheit für ein Spray experimentell und unter Laborbedingungen erfasst werden. Es wird angenommen, dass Tropfen mit größer werdenden Tropfendurchmessern vom menschlichen Auge einfacher erfasst werden können. Mit kleiner werdender Tropfengröße wird die ebenso optisch wirkende Sprayoberfläche größer.
Aufgrund der infolge eines größer werdenden Tropfendurchmessers x kleiner werdenden für eine Adsorption wirkenden Sprayoberfläche A_s, wird hier für den von den Sprüheinrichtungen 7 erzeugten jeweiligen Tropfendurchmesser x vorgeschlagen, diesen auf kleiner als circa 100 μm einzugrenzen.
Bei den Sprüheinrichtungen 7 kann ein jeweiliger erzeugter Tropfendurchmesser x mittels Auswahl eines Durchmessers der jeweiligen Düsenöffnung eingestellt werden. Mittels Formel (6) wird damit ein jeweiliger Düsenöffnungsdurchmesser im Bereich von circa 5,29 μm für x = 10 μm bis circa 52,91 μm für x = 100 μm vorgeschlagen.
Die Tropfen können bei einer Gleichheit aller Düsenöffnungsdurchmesser mit einem jeweils gleichen Tropfendurchmesser x und damit in der Gesamtheit als ein monodisperses Spray oder monodisperses Aerosol mit einer einheitlichen Tropfengröße erzeugt werden.
Erzeugte Tropfen können ideal als Kugeln, insbesondere als vollständig aus dem flüssigen Lösungsmittel 5 bestehende massive Kugel, angenommen werden, wobei bei einem Tropfendurchmesser x folgende Oberfläche O gegeben ist: O = πx² (10), mit der Kreiszahl π und dem Tropfendurchmesser x.
Bei einem Tropfendurchmesser x = 10 μm = 10·10^–6 m ergibt sich eine Tropfenoberfläche von circa 3,14·10^–10 m². Bei einem Tropfendurchmesser von x = 100 μm = 100·10^–6 m ergibt sich eine Tropfenoberfläche von circa 3,14·10^–8 m² = 31,4 nm². Letztere wird für die weitere Berechnung verwendet.
Ein Materialpartikel PM₁₀ kann beispielsweise einen Durchmesser d_p von annähernd 10 μm = 10·10^–6 m aufweisen. Vereinfacht kann ein derartiges Materialpartikel PM₁₀ ebenso als kugelförmig angenommen werden. Es wird hier angenommen, dass ein derartiges Materialpartikel PM₁₀ bei einer Adsorption an einer Oberfläche eines Tropfen, auf diesem einen Flächenbereich belegt, der der maximalen Querschnittsfläche A_p des Materialpartikels nach folgender Formel entspricht: A_p = d_p ²π/4 (11), wobei A_p die maximale Querschnittsfläche eines Materialpartikels ist, d_p ist der Durchmesser des Materialpartikels, π ist die Kreiszahl.
Ein Materialpartikel PM₁₀ mit dem Durchmesser d_p = 10 μm = 10·10^–6 m hat damit eine theoretisch für eine Adsorption angenommene wirkende Fläche A_p = 100·10^–12 m² π/4 = 78,5·10^–12 m². Entsprechend könnte mit Bezug auf einen Tropfen mit einer Oberfläche von 3,14·10^–8 m² = 31,4 nm² eine theoretische Anzahl von, mittels Division ermittelten, 400 Materialpartikel PM₁₀ an der Oberfläche dieses Tropfen gebunden werden. Für die Praxis wird für reale Adsorptionsbedingungen eine kleiner Anzahl von tatsächlich gebundenen Materialpartikeln PM₁₀ pro Tropfen erwartet, wobei hier mit einem Gewichtungsfaktor von 0,01 und damit mit einer Anzahl von 4 gebundenen Materialpartikel PM₁₀ je Tropfen weiter gerechnet wird. Das Material von Materialpartikel kann Metalle und/oder Kunststoffe aufweisen. Eisen kann beispielsweise eine Dichte ρ_Fe von 7,4 Kg/dm³ aufweisen. Gummi hat eine Dichte ρ_Gu von 0,92 Kg/dm³ = 920 g/(10^–1 m)³ = 920·10³ g/m³.
Die hier für eine Berechnung ausgewählten Materialpartikel PM weisen mit dem Durchmesser d_p = 10 μm = 10·10^–6 m ein idealisiertes Volumen V_p gemäß folgende Formel auf: V_p = d_p ³π/6 (12), mit: V_p ist hier ein theoretisches, angenähertes Partikelvolumen, d_p ist der gewählte Partikeldurchmesser, π ist die Kreiszahl.
Es ergibt sich ein jeweiliges Partikelvolumen von V_p = 1000·10^–18 m³·π/6 = 523,60·10^–18 m³ und einer Anzahl von 4 gebundenen Materialpartikeln ergibt sich ein je Tropfen gebundenes Volumen von 2094,40·10^–18 m³, wobei dies beispielsweise bei einer vorstehend genannten Gummidichte von 920·10³ g/m³ eine je Tropfen gebundene Masse von 2094,40·10^–18 m³·920·10³ g/m³ = 1926848·10^–15 g an Gummi ergibt.
Zur Entfernung von 50000 μg = 50 mg feinverteilten Materialpartikel PM aus 1000 m³ des Musterraums R_m werden rechnerisch 50·10^–3 g/1926848·10^–15 g ≈ 25949115 Tropfen benötigt, wobei sich mit dem ebenso aus Formel (12) aus dem Tropfendurchmesser x = 100 μm berechenbaren Tropfenvolumen von V_T = (100·10^–6 m)³ π/6 = 1000000 am³ π/6 = 523598,78 am³ = 523598,78·10^–18 m³, ein benötigtes Gesamtvolumen an flüssigem Lösungsmittel 5 von circa 25949115·523598,78·10^–18 m³ = 13587·10^–9 m³ = 13587·10^–9·(10 dm)³ = 13587·10^–6 dm³ = 13,587·10^–3 dm³ ≈ 14 ml ergibt.
Diese Menge an flüssigem Lösungsmittel 5 wird hier also theoretisch rechnerisch in Form eines Sprays mit 100 μm-Tropfen in den Musterraum R_m des Volumens von 1000 m³ fein verteilt zum Herauslösen und Entfernen benötigt.
Wird beispielsweise eine Reinigungsleistung von 50 mg in einer Minute gefordert, da die den Musterraum R_m durchfahrenden Kraftfahrzeuge Kfz beispielsweise ebenso diese Masse an Materialpartikel/Minute emittieren, ist ein Volumenstrom V . an flüssigem Lösungsmittel 5 in den Musterraum R_m von 14 ml/min beispielsweise für eine Dauer von 12 Stunden von den beiden Sprüheinrichtungen 7 einzubringen. Dies wären circa 840 ml/h und ungefähr 10 Liter/12 h und ungefähr 20 Liter/24 h. Bei zwei den Musterraum Rm besprühenden Sprüheinrichtungen 7 müsste eine einzelne Sprüheinrichtung 7 hier dann für eine Verkleinerung einer Feinstaubbelastung infolge eines konstanten Verkehrs von die Referenzmesslinie RMZ überfahrenden Kraftfahrzeugen also circa 10 Liter/24 h in ein halbes Volumen des Musterraums R_m einsprühen.
Mittels einer Abfolge von mittels Sprüheinrichtungen 7 besprühten Musterräumen R_m entlang einer Straße kann eine jeweilige Schwebstaubbelastung, und insbesondere eine jeweilige Feinstaubbelastung gezielt, verkleinert werden.
Fraglich ist nun, auf welche bereitzustellende Leistung P_mech eine einer Sprüheinrichtung 7 zugeordnete Druckerzeugungseinrichtung 9 auszulegen ist.
Gemäß der mit Bezug auf Kapillaren genannten Formel (1) kann die von einer Druckerzeugungseinrichtung 9 für eine jeweilige mit mindestens einer Düse ausgebildete Sprüheinrichtung 7 aufzuwendende Arbeit W aus der Oberflächenspannung σ des flüssigen Lösungsmittels 5 und der zu erzeugenden Sprayoberfläche A_S abgeleitet werden.
Es wird hier angenommen, dass bei einer technischen Düse die erforderliche Arbeit größer als bei einer Kapillare ist, beispielsweise um einen Faktor k > 1 größer sein könnte. Für Wasser als Lösungsmittel 5 wird eine Oberflächenspannung σ_W = 0,0727 N/m bei 20°C zugrunde gelegt. A_s als benötigte Sprayoberfläche kann mit dem Tropfendurchmesser x = 100 μm gemäß dem vorstehenden Rechenbeispiel folgendermaßen berechnet werden, und zwar A_s = Tropfenoberfläche·Tropfenanzahl = 3,14·10^–8 m²·25949115 = 0,81521549 m². Entsprechend wäre eine erforderliche Arbeit zum Zerteilen von Wasser in die Tropfen W = 0,0727 N/m·0,81521549 m² = 0,059266166 Nm. Dieser Wert kann für eine Anpassung an eine Düse mit einem Faktor k = 100 multipliziert werden, damit dann ebenso relativ große Volumenströme berücksichtigt sind. Soll diese Arbeit innerhalb von einer Minute geleistet werden, sollten einen Musterraum R_m zugeordnete, hier zwei, Druckerzeugungseinrichtungen 7 zusammen eine mechanische Leistung P_mech ≈ 0,098777 W ≈ 99 mW bereitstellen.
Eine andere Möglichkeit einer Annäherung an eine von einer Druckerzeugungseinrichtung 9 bereitzustellenden Pumpenleistung P_mech ist folgende: Druckerzeugungseinrichtungen 9 können beispielsweise als hydrostatisch wirkende Verdrängerpumpen ausgeführt sein, die mittels mechanischer Verdrängung, beispielsweise mittels Kolben, einfach drehzahlregelbar und selbstansaugend sind und je Stufe einen Druck bis zu 10000 bar erzeugen können. Alternativ können hydrodynamisch wirkende Kreiselpumpen verwendet werden, die Rotationsenergie in Druck umsetzen, ebenso einfach drehzahlregelbar sind und Wirkungsgrade bis 70% bereitstellen können. Kreiselpumpen können deren hydrodynamische Leistung insbesondere mittels großer Drehzahlen bereitstellen und können deshalb infolge eines kleinen Platzbedarf kompakter und damit mobiler als Verdrängerpumpen bereitgestellt werden. Entsprechend sind für mittels Kreiselpumpen ausgeführte Sprüheinrichtungen 7 Anschaffungskosten und Kapitaldienst kleiner als für Verdrängerpumpen. Bei einer Pumpe kann ein Volumenstrom V . direkt proportional zu deren Drehzahl bereitgestellt werden. Eine mechanische Pumpenleistung P_mech kann folgendermaßen beschrieben werden: P_mech = Δp·V . (13), wobei Δp die von einer Druckerzeugungseinrichtung 9 bereitgestellte Druckdifferenz ist, und mit V . der bereitzustellende Volumenstrom angegeben ist.
Eine erzeugte Druckdifferenz Δp kann beispielsweise 2 bar sein. Ein Volumenstrom V . kann beispielsweise für eine Sprüheinrichtung 7 die vorstehend errechneten 14 ml/60 s sein. Damit sollten die Pumpen für einen Musterraum R_m zusammen eine mechanische Leistung P_mech = 2·10⁵ N/m²·14·10^–3 dm³/60 s = 28·10²·10^–3 Nm/60 s = 2,8 Nm/60 s = 0,046 W = 46 mW bereitstellen. Wird eine größere Druckdifferenz Δp = 4 bar gefordert, ergeben sich 92 mW. Bei mit Elektromotoren betriebenen Pumpen kann für eine Ermittlung einer bereitzustellenden elektrischen Leistung P_el folgende Formel herangezogen werden: P_el = U·I (14), wobei P_el die bei einer Pumpe einer Sprüheinrichtung 7 mit Elektromotor zum Betrieb benötigte elektrische Leistung ist, U die angelegte elektrische Spannung, I der zum Betrieb fließende elektrische Strom.
Bei einem Wirkungsgrad der Pumpe w = P_mech/P_el (15) beispielweise von w = 50%, muss für zwei Sprüheinrichtungen 7 mit zusammen P_mech = 100 mW eine elektrische Leistung P_el von 200 mW bereitgestellt werden. Diese kann beispielsweise von einem Solarmodul bereitgestellt werden. Beispielsweise bei einer relativ schwachen („30%-igen”) Sonneneinstrahlung von 300 W/m² Modulfläche und einem Solarmodulwirkungsgrad von 10% sind bei 1 m² Solarmodulfläche 30 W elektrische Leistung P_el verfügbar. Auf diese Weise könnten theoretisch 300 Sprüheinrichtungen 7 elektrisch leistungsversorgt werden. Vorteilhaft ist es, dass ein Sprühen bei Regen nicht erforderlich ist und eine aufgrund der Bewölkung verursachte Verkleinerung der bereitgestellten Leistung eines Solarmoduls damit kein Problem ist. Grundsätzlich können für eine elektrische Leistungsversorgung von Elektropumpen alternativ oder kumulativ ebenso Batterien, Akkumulatoren und/oder Elektroversorgungskabel verwendet werden.
Bei größeren bereitzustellenden Volumenströmen V ., beispielsweise von 100 ml/60 s können alle geforderten Leistungswerte derart um einen Faktor 7,14 oder 10 vergrößert angenommen sein, dass mit Bezug auf den Musterraum R_m für hier beide Sprüheinrichtungen 7 P_mech ≈ 1 W und P_el ≈ 2 W sein können und von einem Solarmodul dann 30 Sprüheinrichtungen 7 elektrisch leistungsversorgt werden können.
Grundsätzlich kann ein Musterraum R_m alternativ lediglich von einer entsprechend dimensionierten Sprüheinrichtung 7 besprüht werden. Eine derart – im Vergleich zu zwei getrennten Sprüheinrichtungen 7 – leistungsverdoppelte Sprüheinrichtung 7 kann damit beispielsweise innerhalb von 12 h Betriebsdauer Volumina von 10 Liter bis 72 Liter oder bis 100 Liter oder mehr an flüssigem Lösungsmittel 5 verbrauchen. Diese Volumina können aus einem jeweiligen Zwischenbehälter 11 oder mittels Versorgungsleitungen 13 herangefördert werden. Es ergibt sich bei 10 Liter ein Volumenstrom V . = 10·1000 ml/(12·60·60 s) = 14 ml/60 s. Bei 100 Liter ergibt sich V . = 140 ml/60 s.
Abschließend wird noch einmal darauf hingewiesen, dass analog zu Gartenbesprühungsanlagen die Verwendung von herkömmlichen Lochblechen oder Lochplatten, beispielsweise aus Eisen, Stahl, Aluminium als Metalle oder PVC als Beispiel für einen Kunststoff bestehend, als jeweilige Düsen einen natürlichen Regen auf besonders einfache Weise nachbilden. Entsprechend ist eine derartige Ausgestaltung bei praxisbezogener Anpassung von aufzubauendem Differenzdruck Δp und aus einem jeweiligen Zwischenbehälter 11 oder mittels Versorgungsleitungen 13 heran zu fördernden Volumenströme besonders einfach auszubilden und deswegen vorteilhaft. Die Nachbildung von Regel ist vorteilhaft, da Insassen von Kraftfahrzeugen nicht zu sehr irritiert sind, wenn diese in ein Spray fahren, und da eine Reinigungswirkung von natürlichem Regen für Feinstaub bekannt ist. Entsprechend können die Durchmesser erzeugter Tropfen, denen von Regen, insbesondere stochastisch, angepasst werden.
Zur Nachbildung von Regen können in dem Musterraum R_m die Sprüheinrichtungen 7 derart eingestellt sein, dass sich natürliche Niederschlagsmengen in dm³/m²h (Niederschlag/Bodenfläche und Stunde), insbesondere im Bereich von 5 mm/h bis 30 mm/h, beziehungsweise ergeben. In einem Musterraum R_m ist die Bodenfläche 100 m², auf die dann beispielsweise 100 Liter in 12 h fallen würden. Dies entspricht 100·(0,1 m)³/(100 m²·12 h) = 0,001 m/12 h = 1 mm/12 h. Für eine Niederschlagsmenge von 5 mm/h ist dann ein einzusprühendes Volumen von 60·100 Liter = 6000 Liter in 12 h erforderlich. Ein benötigter Volumenstrom V . wäre dann 8,33 Liter/Minute = 8333 ml/60 s. Insbesondere zur Nachbildung von Regen können jeweilige Düsenöffnungsdurchmesser ebenso im Bereich von größer 52,91 μm (für jeweilige Tropfendurchmesser x = 100 μm), beispielsweise bis circa 530 μm (für jeweilige Tropfendurchmesser bis circa x = 1 mm) oder bis circa 5,3 mm (für jeweilige Tropfendurchmesser bis circa x = 1 cm) oder sogar darüber ausgewählt werden.
Entsprechend muss dann die erforderliche elektrische Leistung P_el für die dann geforderte mechanische Leistung P_mech vergrößert werden. Alternativ kann für eine konstante Leistung gegebenenfalls stattdessen der Differenzdruck Δp verkleinert werden, falls die dann erzeugte maximale Austrittsgeschwindigkeit v_max gemäß Formel (3) noch ausreicht.
Fraglich ist hierfür, wie groß der Differenzdruck Δp sein sollte, um eine hinreichende Sprayverteilung im Musterraum R_m und ein hinreichendes Überdecken des Bodens im Musterraum R_m sicherzustellen. Wenn alle Düsen von oben vertikal nach unten auf den Boden sprühen können und sich die Sprühleitung(en) 15 über die gesamte Breite der Straße erstrecken, muss der Differenzdruck Δp zunächst mit Bezug auf Formel (9) für das Aufbauen der Säule bis zur Höhe h = 10 m für Wasser bei 20C° folgendermaßen sein: Δp = 0,9982 Kg/(0,1 m)³·10 m·9,81 N/Kg = 90836 N/m² ≈ 0,91 bar. Liefert eine Pumpe 2 bar stehen noch 1,09 bar für die Sprayerzeugung zur Verfügung, so dass gemäß Formel (3) eine maximale Austrittsgeschwindigkeit von v_max ≈ √(2·1,09·10⁵ N/m²)/(0,9982 Kg/(0,1 m)³) ≈ 14,78 m/s erreicht werden kann, mit der die Tropfen des Sprays aus einer Düse austreten. Bei einer Breite des Musterraums von 10 m und einer Pumpe mit einem erzeugten Differenzdruck Δp = 2 bar kann bereits bei einem horizontalen Sprühen vom Straßenrand mittels einer Sprüheinrichtung 7 die gesamte Straßenbreite vom Spray überdeckt werden. Es kann der Differenzdruck Δp je nach einer konkreten Aufgabenstellung, insbesondere je nach einer notwendigen Sprühweite, also einer Weite bis zu der Tropfen gesprüht werden sollen, gewählt werden.
Ebenso kann von den Emissionswerten der Hersteller von Kfz/Km errechnet werden, wie groß eine Sorptionskraft eines erzeugten Sprays sein sollte, insbesondere damit zumindest ein Gleichgewicht von Emission und Adsorption erzielt wird. Es sind beispielsweise Emissionswerte von 159 g/km für CO2-Emissionen von Kfz-Herstellern genannt. Entsprechend kann dann ein Eintrag von Materialpartikeln PM in einen Musterraum R_m hochgerechnet werden.
Die vorstehend durchgeführten und dargestellten Berechnungen für einen möglichen Volumenstrom V . und einen möglichen Differenzdruck Δp sind lediglich als Beispiele anzusehen, wie für eine reale Straße eine Vorrichtung 1 und darauf begründet ein Modulsystem mit Sprüheinrichtungen 7 mit Druckerzeugungseinrichtungen 9 zum Herauslösen von Staub aus der Umgebungsluft U einer Straße eingerichtet und dimensioniert werden kann. Aufgrund dieser expliziten Berechnungen ist eine einfache Herleitung für einen tatsächlich erforderlichen Volumenstrom V . und einen tatsächlich erforderlichen Differenzdruck Δp ausführbar. Überdimensionierungen können aufgrund der gegebenen Berechnungsmöglichkeiten vermieden werden, um unnötig Ressourcen an Material, Energie und Geld zu vergeuden. Entsprechende Anpassungen können mit dem Wissen eines Fachmanns auf dem Gebiet der Zerstäubungstechnik mit Bezug auf vorstehende Formeln und Berechnungen im Rahmen der Offenbarung dieser Schrift einfach und nachvollziehbar vorgenommen werden.
Für einen jeden realen Musterraum R_m können herkömmliche Messungen für eine jeweilige tatsächliche Schwebstaubbelastung, insbesondere Feinstaubbelastung, ausgeführt werden. Derartige Messwerte können ebenso für eine Auslegung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und deren Betriebsparameter, wie es beispielsweise Anzahl und Art der Sprüheinrichtungen 7 und/oder deren jeweilige Differenzdrücke Δp und Volumenströme V . sind, verwendet werden. Mittels kontinuierlicher oder regelmäßiger diskreter Messungen können Sprüheinrichtungen zusätzlich geregelt werde. Sprüheinrichtungen 7 können von jeweiligen separaten Steuerungseinrichtungen 23 oder von einer zentralen Steuerungseinrichtung, beispielsweise mittels Funk, gesteuert oder geregelt werden.
Module, die einen jeweiligen Musterraum R_m reinigen, können entlang einer Straße angeordnet werden. Dabei kann ein Schwebstaub und Feinstaub aus Straßenabschnitten mit einer Länge von einigen 100 m bis hin zu einem oder mehreren km wirksam und kostengünstig herausgelöst werden.
Gemäß 4 sind jeweils zwei beispielsweise gemäß 1 dargestellte Sprüheinrichtungen 7 einem Raum R der Straße zugeordnet, wobei diese Paare entlang der Straße für weitere Räume R modulartig wiederholt angeordnet und fixiert werden können. Die Abstände der Module entlang der Straße können entsprechend der Größe der zu reinigenden Räume R gewählt werden.
Gemäß 4 sind die drei im Bild unten entlang einer horizontalen Linie und ebenso außerhalb des Musterraumes R_m separate Sprüheinrichtungen 7, die das flüssige Lösungsmittel 5 jeweils aus deren Zwischenbehältern 11 verwenden. Entsprechend ist eine Betriebsdauer zeitlich begrenzt, da ohne Nachfüllen der Zwischenbehälter 11 das flüssige Lösungsmittel 5 aufgebraucht wird. Die drei im Bild oben entlang einer horizontalen Linie und ebenso außerhalb des Musterraumes R_m angeordnete Sprüheinrichtungen 7 sind alle an einer gemeinsamen Versorgungsleitung 13 angeschlossen, die die Sprüheinrichtungen 7 kontinuierlich und zeitlich nicht begrenzt mit dem flüssigen Lösungsmittel 5 versorgen können. Entsprechend kann hiermit ein Dauerbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 geschaffen werden. Zudem können mehrere Sprüheinrichtungen 7 von einer einzigen Druckerzeugungseinrichtung 9 über die Versorgungsleitung 13 mit einer jeweiligen Druckdifferenz Δp beaufschlagt werden. Bei Verwendung von Elektropumpen können diese ebenso mittels wieder aufladbaren Akkus elektrisch leistungsversorgt werden. 21 bezeichnet eine jeweilige Kanalisation.
Bei Regen können die Sprüheinrichtungen 7 und die dazugehörigen Druckerzeugungseinrichtung 9 abgeschaltet und danach wieder eingeschaltet werden. Das Wiedereinschalten kann zeitlich verzögert ausgeführt werden, beispielsweise nach zwei oder fünf Stunden, oder erst nach einer bestimmten allgemeinen Sonneneinstrahlungsleistung. Ebenso kann eine Feuchtemessung einer jeweiligen Umgebungsluft U eines Raumes R einen Betrieb einer jeweiligen Sprüheinrichtung 7 steuern. So kann eine Sprüheinrichtung 7 allgemein bei Erreichen einer bestimmten Feuchte der Umgebungsluft U in dem jeweiligen Musterraum R_m abgeschaltet werden. Die Sprüheinrichtungen 7 können mittels Photovoltaikanlagen einfach elektrisch leistungsversorgt werden, da bei Regen und dann bei fehlender Leistungsversorgung durch die Solarzellen die Sprüheinrichtungen 7 nicht eingeschaltet sein müssen.
Die Sprüheinrichtungen 7 und/oder die Druckerzeugungseinrichtungen 9 können mittels elektronischen Steuerungseinrichtungen 23 automatisch oder manuell gesteuert und/oder geregelt werden. Die Steuerungseinrichtungen können beispielsweise Elektromotoren, Ventile und/oder Sensoren ein- und/oder ausschalten und/oder leistungsversorgen. Jeder Vorrichtung 1 kann eine Steuerungseinrichtung 23 zugeordnet sein, die zusätzlich zentral mittels einer Hauptsteuerungseinrichtung, beispielsweise mittels Funk, angesteuert werden können. Dies ist in 4 mittels Pfeilen an einer Steuerungseinrichtung 23 dargestellt. Steuerungseinrichtungen 23 können auf einer Grundlage von Zeitwerten und/oder Luftfeuchtewerten Elektromotoren steuern.
Eine Steuerung ist besonders einfach und Kosten, Material und Energie sparend, wenn die Sprüheinrichtungen 7 lediglich innerhalb eines Feuchtebereichs, insbesondere eines Bereiches der relativen Feuchte der Umgebungsluft U in dem betreffenden Raum R eingeschaltet sind. Die Steuerungseinrichtungen 23 schalten die Sprüheinrichtungen 7 mittels Feuchtemessungen lediglich dann ein, wenn die relative Feuchte beispielsweise unter 80%, insbesondere unter circa 70% oder unter circa 50% der Umgebungsluft U für einen Raum R ist, und entsprechend wieder aus. Je größer die absolute oder relative Feuchte, im Extremfall bei Regen, desto größer kann die Anzahl der in der Umgebungsluft U des Raumes R natürlich geschaffenen Wassertropfen sein. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Verringerung einer Feinstaubbelastung eine natürliche Tropfenbildung unterstützen.
Ebenso ist eine Steuerung auf der Grundlage von PM-Messwerten ausführbar. Weitere Messwerte für die Steuerungseinrichtungen 23 können beispielsweise Helligkeitsmesswerte, Temperaturmesswerte, Schalldruckmesswerte und/oder Kameramesswerte sein, die mittels entsprechender Messeinrichtungen, beispielsweise Sensoren und/oder Kameras, erfasst werden können. Es sind beliebig viele Steuerungsarten anwendbar, die ein Emissionsverhalten von Kraftfahrzeugen oder Zügen oder allgemeine Umweltparameter berücksichtigen. Leistungsversorgungseinrichtungen 25 zur Bereitstellung elektrischer Energie und Leistung zum Betreiben der Steuerungseinrichtungen 23, Elektromotoren, Sensoren und weiterer elektrischer Komponenten der Vorrichtungen 1 können beispielsweise Batterien, Akkumulatoren, Solarzellen, Windkraftanlagen, und/oder Trafo- und Verteilerstationen eines elektrischen Nieder- oder Mittelspannungsnetzes sein.
5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Mittels erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1, beispielsweise gemäß den vorhergehenden 1 bis 4, wird mit einem ersten Schritt S1 ein Entfernen von Schwebstaub S, insbesondere Feinstaub F, aus der Umgebungsluft U einer von Kraftfahrzeugen Kfz genutzten Verkehrsinfrastruktur V, insbesondere einer Straße ausgeführt, wobei mindestens eine Abgabeeinrichtung ein Extraktionsmittel, insbesondere in Ausgestaltung eines flüssigen gesprühten Lösungsmittels 5, in einen der Verkehrsinfrastruktur V zugeordneten Raum R einbringt. Mittels eines zweiten Schrittes S2 werden in der Umgebungsluft U in diesem Raum R vorhandene schwebende Materialpartikel PM, insbesondere PM₁₀ und PM_2,5 und PM_0,1, mittels Interaktion mit dem Extraktionsmittel aus der Umgebungsluft U des Raumes R entfernt. Bei einem dritten Schritt S3 ist die Verkehrsinfrastruktur V derart angepasst, dass die die herausgelösten Materialpartikel PM bindenden flüssigen Lösungsmitteltropfen aufgrund der Schwerkraft und Strömungen in der Umgebungsluft U zu Oberflächen und/oder Volumina der Verkehrsinfrastruktur V bewegt und von dieser, insbesondere mittels Sorption, aufgenommen werden können. Dies ist in der Regel bei den meisten Verkehrsinfrastrukturen V bereits der Fall. Grundsätzlich ist mit dem Schritt S3 eine Möglichkeit einer Entsorgung gegeben, wenn bei Verwendung von Wasser als flüssiges Lösungsmittel 5, die Verkehrsinfrastruktur V immer mit Wasser besprüht wird, so dass die Materialpartikel PM immer an Oberflächen und/oder Volumina gebunden bleiben.
6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das in den ersten drei Schritten S1, S2 und S3 denen gemäß der 5 gleicht. Mit einem vierten Schritt S4 wurde die Verkehrsinfrastruktur V derart angepasst, dass die aufgenommenen Lösungsmitteltropfen wieder als zusammengefasste flüssige Ansammlungen des Lösungsmittels 5, insbesondere zusammen mit den herausgelösten Materialpartikel PM, zu einer Kanalisation 21 abgeführt und entsorgt wird.

[1] Definitionen und Richtwerte wurden dem deutschen Wikipedia unter www.de.wikipedia.org entnommen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Entfernen von Schwebstaub (S), insbesondere Feinstaub (F), aus der Umgebungsluft (U) einer von Kraftfahrzeugen (Kfz) genutzten Verkehrsinfrastruktur (V), insbesondere Straße, wobei mindestens eine Abgabeeinrichtung ein Extraktionsmittel in einen der Verkehrsinfrastruktur (V) zugeordneten Raum (R) einbringt (S1) und in der Umgebungsluft (U) in diesem Raum (R) vorhandene schwebende Materialpartikel PM, insbesondere PM₁₀ oder insbesondere PM_2,5 oder insbesondere PM_0,1, mittels Interaktion mit dem Extraktionsmittel aus der Umgebungsluft (U) des Raumes (R) entfernt (S2) werden. Besonders vorteilhaft wird ein Schwebstaub (S) direkt am Entstehungsort, nämlich an einer viel befahrenen Straße, der Umgebungsluft (U) entzogen, so dass Materialpartikel PM nicht in großen Mengen in Lungen gelangen und dort Krebs auslösen können. Die Erfindung ist besonders auf stark befahrene Ringstraßen in Ballungsräumen anwendbar.

Claims

Vorrichtung (1) zum Entfernen von Schwebstaub (S), insbesondere Feinstaub (F), aus der Umgebungsluft (U) einer von Kraftfahrzeugen (Kfz) genutzten Verkehrsinfrastruktur (V), insbesondere Straße oder Schienen, wobei mindestens eine Sprüheinrichtung (7) ein flüssiges Lösungsmittel (5), insbesondere Wasser, in einen der Verkehrsinfrastruktur (V) zugeordneten und Umgebungsluft (U) enthaltenen Raum (R) sprüht (S1) und ein Spray und insbesondere ein Aerosol erzeugt, das in der Umgebungsluft (U) in diesem Raum (R) vorhandene schwebende Materialpartikel PM, insbesondere PM₁₀, entfernt (S2).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprüheinrichtung (7) zum Sprühen mindestens eine, insbesondere mittels einer Lochplatte oder Lochbleches erzeugte, Druckdüse, insbesondere mindestens eine Einstoff-Druckdüse, oder mindestens einen Rotationssprüher aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprüheinrichtung (7) jeweilige Tropfendurchmesser (x) zum Herauslösen (S2) mittels Sorption, insbesondere mittels Adsorption, größer als die Durchmesser der zu entfernenden Materialpartikel PM, insbesondere PM₁₀ und der PM_2,5 und der PM_0,1, und zwar größer als 10 μm, und insbesondere kleiner als circa 100 μm erzeugt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenöffnungsdurchmesser d einer Austrittsöffnung einer jeweiligen Druckdüse im Bereich von circa 10 μm/1,89 = 5,29 μm bis circa 100 μm/1,89 = 52,91 μm gewählt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprüheinrichtung (7) das flüssige Lösungsmittel (5) aus einem Zwischenbehälter (11) und/oder einer Versorgungsleitung (13) zugeführt wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprüheinrichtung (7) das flüssige Lösungsmittel in eine längliche Sprühleitung (15) drückt, die entlang deren Länge angeordnete Düsen aufweist, wobei sich eine Vielzahl von, insbesondere flexiblen, länglichen Sprühleitungen (15), insbesondere entlang eines Bogens, sich von einem Rand der Verkehrsinfrastruktur in Richtung zu einen gegenüberliegenden Rand der Verkehrsinfrastruktur und entlang der Verkehrsinfrastruktur erstrecken.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkehrsinfrastruktur (V) ein Straßentunnel ist und die Schwebstaub (S) enthaltene Umgebungsluft (U) des Raumes (R) mittels einer eine Strömung erzeugenden Einrichtung (17) in mindestens einen separaten Extraktionsraum (19) bewegt wird, in dem das Lösungsmittel (5) eingebracht wird, wobei die Umgebungsluft gereinigt wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (23) die Sprüheinrichtung(en) (7) zum Sprühen des flüssigen Lösungsmittels (5) aufgrund von mittels Feuchtemesseinrichtungen erfassten Feuchtewerten der Umgebungsluft (U) und/oder mittels einer Zeitschaltung ein- und/oder ausschaltet.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Lösungsmittel (5) ein Gefrierschutzmittel aufweist.