DE2832238C2

DE2832238C2 - Impaktoranordnung zur Trennung der Partikel eines Aerosols in Korngrößenklassen

Info

Publication number: DE2832238C2
Application number: DE19782832238
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Dipl.-Ing. S. Lazzaro Bompane; Massimo Dipl.-Ing. Ferrara Formignani; Carlo Prof. Melandri; Vittorio Prof. Prodi; Giuseppe Dr. Bologna Tarroni; Tinio de Bologna Zaiacoma
Original assignee: Comitato Nazionale per la Ricerca e per lo Sviluppo dell Energia
Current assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1987-05-14
Also published as: IT1115883B; DE2832238A1; FR2398299B1; FR2398299A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Impaktoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Impaktoren werden vielfach in der Praxis, insbesondere für die Trennung von Aerosolen in Klassen von aerodynamischen Durchmesser verwendet. Sie basieren auf der Trägheit der Partikel in der Suspension. Wenn ein Aerosolstrahl gegen ein Hindernis gerichtet wird, neigen die Partikel dazu, ihre Anfangsgeschwindigkeit sowohl nach Richtung als auch nach Betrag beizubehalten und entfernen sich von den anfänglichen Stromfäden, wobei eine gewisse Anzahl unter ihnen das Hindernis erreicht und sich auf diesem absetzt.

In gleicher Weise sind andere Anordnungen bekannt, in welchen verschiedene Impaktoren in Kaskaden angeordnet sind, was eine Charakterisierung des geprüften Aerosols in einem größeren Dimensionsintervall gestattet. In der Tat gestattet die Verwendung mehrerer in Kaskaden angeordneter Abschnitte mit zunehmend umfassenderen aerodynamischen Charakteristika eine Trennung der Partikel in Körnungsklassen, die stufenweise abnimmt, wobei das erhalten wird, was nachfolgend ein "Spektrum" von Dimensionen genannt wird.

Es ist auf diese Weise möglich, alle chemischen und physikalisch- chemischen Analysen als Funktion der Abmessungen zu beschleunigen, die von großem Interesse zur Bestimmung des durch die Inhalation von Staub bzw. Feststoffpartikeln und allgemeiner zur Charakterisierung von Aerosolen sind.

Diese Anordnungen besitzen im allgemeinen nicht die für ein Meßinstrument notwendige Eigenschaft, eine eindeutige Gesetzmäßigkeit zwischen der Masse der Partikel und der Lage des Niederschlags auf dem Hindernis aufzuzeigen, was aber im wesentlichen notwendig ist bei verschiedenen Verhalten der Partikel als Funktion ihrer Stellung bezüglich einer Strömungsachse.

Ein Impaktor der eingangs genannten Art ist in den nachfolgenden Veröffentlichungen beschrieben: D. Hochrainer, G. Zebel (1970) "Zur Abscheidung von Aerosolteilchen nach ihrer Größe mittels einer neuartigen Impaktordüse", Aerosol Science, Vol. 1, S. 175- 183; G. Zebel, D. Hochrainer (1972) "Zur Messung der Größenverteilung des Feinstaubes mit einem verbesserten Spektralimpaktor"; Staub-Reinhaltung der Luft, Vol. 32, Nr. 3, S. 9-15.

In dem in diesen Publikationen beschriebenen Apparat verläßt ein Aerosolstrahl einen ersten Auslaß von ringförmiger Ausbildung zwischen zwei Strömungen bzw. Strahlen gefilterter Luft, von denen der eine aus einem koaxial zu dem Auslaß angeordneten Rohr austritt und sich im Inneren von jenem befindet und der andere aus einem in gleicher Weise koaxial zu dem Auslaß, aber außerhalb von diesem austritt. Auf diese Weise wird ein rohrförmiger Strahl von Aerosol in "sandwichartiger" Weise zwischen zwei rohrförmigen Strahlen gefilterter Luft erhalten. Die drei Fäden vereinigen sich zu einem einzigen Strahl, der in einen zweiten, konvergenten Auslaß eintritt, dessen Mündung mit kurzem Abstand von einer Platte zum Auftreffen und zum Niederschlag angeordnet ist.

Der Zweck der zwei Strömungen von gefilterter Luft besteht für den inneren Strom darin, die Dispersion des Stroms von Aerosol am Ausgang des Auslasses auszudehnen und folglich die Dispersion der Partikel zu verbessern, die auf die Niederschlagsplatte aufschlagen, und für den äußeren Strom darin, den Strahl von Aerosol derart zu führen, daß die Bildung von Turbulenzen verhindert wird.

Diese Impaktoren weisen nicht weniger Unzulänglichkeiten als herkömmliche Impaktoren bei der Messung auf, bei der ihre Möglichkeiten der Belastung begrenzt sind, obgleich sie bezüglich jener mit multiblen Bereichen einen großen Fortschritt darstellen. Andererseits bildet sich der Niederschlag in nachteiliger Weise auf einer stark zusammengezogenen Zone unter der Form einer kreisförmigen Krone in der Größenordnung von 1 mm Ausdehnung. Die Analysen sind bei Verwendung eines Mikroskops (optisches oder Elektronenmikroskop) begrenzt. Diese Technik ist mühselig und teuer und nur in besonderen Fällen für die Fabrik- bzw. Werkshygiene von Interesse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Impaktoranordnung der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß eine größere Oberfläche für den Niederschlag von Partikeln zur Verfügung steht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Bevorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft weiterbilden, sind in den nachgeordneten Patentansprüchen enthalten.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Impaktoranordnung erfolgt in der Mündung des zweiten Auslasses eine Ablenkung des Gemischs aus gefilterter Luft und Aerosol zu dem seitlich versetzt angeordneten Filterbereich, wobei sich die Aerosolströmungsfäden unter Einwirkung der Strömungsfäden der gefilterten Luft entsprechend über den Filter bewegen. Die in Suspension in dem Aerosol befindlichen Partikel schlagen sich vorteilhaft in einem gewissen Abstand von der Auslaßöffnung auf dem Filter nieder, wobei dieser Abstand eine direkte und reguläre Funktion der aerodynamischen Abmessungen der entsprechenden Partikel ist.

Gegenüber der vorbekannten Anordnung steht eine erheblich vergrößerte Oberfläche für den Niederschlag der Partikel zur Verfügung, wodurch sich deutliche Vorteile bei der Auswertung des untersuchten Aerosols hinsichtlich Untersuchungsaufwand und Untersuchungskosten ergeben. Während sich bei der vorbekannten Anordnung Partikel in Form eines Streifens von nur etwa 1 mm Länge in Strömungsrichtung niederschlagen, verteilen sie sich bei der vorliegenden Erfindung bei gleicher Menge von zu analysierendem Aerosol auf einem Streifen mit mindestens der zehnfachen Länge in Strömungsrichtung. Vorteilhaft ist zudem, daß bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das Phänomen des Zurückstoßens von Partikeln und die Gefahr des Zurückprallens derselben eliminiert ist, so daß in günstiger Weise auch eine exaktere Auswertung möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Impaktoranordnung längs einer ersten Symmetrieebene, in der die beiden trichterförmigen Auslässe liegen;
Fig. 2 eine Unteransicht eines scheibenförmigen Filters;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines in Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie angedeuteten Teilschnitts; und
Fig. 4 eine Eichkurve der Impaktoranordnung.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist die erfindungsgemäße Anordnung ein zylinderförmiges Rohr 2 auf, das mit einer nicht dargestellten Quelle gefilterter Luft in Verbindung steht und an einem seiner Enden einen Bund 2&min; besitzt, der nach außen gerichtet ist. In dem Endbereich des Endes mit dem Bund 2&min; ist ein Stopfen 4 eingeführt, der an der inneren Oberfläche des Rohres 2 dicht haftet.
Der Körper des Stopfens 4, genauer in einer seiner beiden Hälften, in welche dieser durch eine diametrale Ebene des Rohres 2 unterteilt ist, ist ein trichterförmiger Auslaß 6 angeordnet, der eine nahezu viereckige bzw. quadratische Mündung 6&min; besitzt.
Der Auslaß 6 weist zwei Symmetrieebenen auf, von denen die erste die Achse des Rohres 2 enthält und von denen die zweite senkrecht zu der ersten Achse ist. Der Auslaß 6 ist zwischen zwei planparallelen Oberflächen und der zweiten Symmetrieebene, ebenso durch zwei in Richtung nach außen gekrümmt konvexe Oberflächen begrenzt. Er bildet vorzugsweise einen Querschnitt, der beispielsweise durch eine kreisringförmige konische bzw. sich erweiternde Kurve gebildet wird, wobei diese beiden Oberflächen sich einander bis zu einer Auslaßöffnung 6&min;&min; nähern. Die Auslaßöffnung 6&min;&min; ist rechteckförmig mit einem Seitenverhältnis von ungefähr 1 : 10.
In einer Einlaßöffnung 6&min; des Auslasses 6 ist ein zweiter Auslaß 8 hineingeführt, der mittels einer Rohrverbindung 10 mit einer zu prüfenden Aerosolquelle in Verbindung steht. Der Auslaß 8 weist ebenfalls zwei Symmetrieebenen auf, von denen die eine mit der ersten Symmetrieebene des ersten Auslasses 6 zusammenfällt, während die zweite parallel zu der zweiten Symmetrieebene des ersten Auslasses 6 angeordnet ist, jedoch in Richtung auf die Achse des Rohres 2 mit einem Abstand versetzt ist, der gleich oder etwas größer an der kleineren Seite der Ausflußöffnung des ersten Abflusses ist. Der Einlaßabschnitt 8&min; des Auslasses 8 ist rechteckförmig, wobei eine Seite des Rechteckes nahezu gleich der Seite der Einlaßöffnung 6&min; des ersten Auslasses 6 ist. Diese Seite bleibt auf der gesamten Länge des Auslasses 8 konstant, während die andere Seite entsprechend kleiner wird bis zu einem Maß in Richtung auf die Auslaßöffnung 8&min;&min; des Auslasses 8, bis sie nicht mehr als ungefähr ¹/₃₀ ihrer anfänglichen Größe aufweist. Für diesen Auslaß 8, wie für den ersten, ist das Profil bzw. der Querschnitt der gekrümmten Wände in gleicher Weise nach innen konvex und kann beispielsweise eine kreisförmige konische oder zulaufende Kurve sein.
Der Auslaß 8 ist durch dünne Wände dergestalt verwirklicht, daß der austretende Flüssigkeitsfaden praktisch genau so groß wie der den Auslaß 6 verlassende Stromfaden ist.
Aus vorstehendem ergibt sich, daß die Projektionen der Auslaßöffnungen 6&min;&min; bzw. 8&min;&min; der beiden Auslässe 6 bzw. 8 sich in einer senkrechten Ebene zu der Achse des Rohres 2 nicht einmal teilweise überlagern bzw. einander decken. Die Projektion der Auslaßöffnung 8&min;&min; ist etwas auf die Achse des Rohres 2 mit Bezug auf jene der Auslaßöffnung 6&min;&min; versetzt. Auf diese Weise berührt der Aerosolstrahl, der aus der Auslaßöffnung 8&min;&min; austritt, die Oberfläche des Auslasses 6 näher an der Achse des Rohres 2 und strömt längs dieser Oberfläche bis an den Ausgang des Auslasses 6.
Vor dem Stopfen 4 ist geringfügig beabstandet ein kreisförmiger Membranfilter 12 mit geeigneter Durchlässigkeit bzw. Porosität angeordnet. Die Filteroberfläche ist auf einem großen Bereich derart abgedichtet, daß ein rechteckförmiger Filter 12&min; in Form eines Fensters verbleibt, dessen große Mittelachse in der ersten Symmetrieebene der Auslässe 6 und 8 angeordnet ist. Das Rechteck erstreckt sich in eine Richtung bis zu einer Entfernung von der Achse des Rohres 2, die nahezu gleich dem Abstand dieser Achse bezüglich der am weitesten innen liegenden Seite der Auslaßöffnung 6&min;&min; ist, und in die andere Richtung ebenso weit, daß sie die Grenzen des Filters bilden. Ein schmaler Zwischenraum 24 zwischen dem Stopfen 4 und dem Filter 12, 12&min; ist derart dicht mittels einer ringförmigen peripheren Dichtung 16 zwischen dem Bund 2&min; des Rohres 2 geschlossen, und der Bund 18&min; im Inneren eines Rohrstutzens 18 ist durch eine periphere Stufe gebildet, die als Sitz für den kreisförmigen Filter 12 dient.
In Strömungsrichtung abwärts von dem Filter 12 verengt sich der innere Bereich des Rohrstutzens 18 konisch bis zur Mündung eines Anschlußrohres 20, mit dem eine Rohrverbindung zur Verbindung mit einer Entnahmequelle verbunden ist. Die Querfläche des Bundes 18&min; ist mit einem Gewinde versehen und ist mit dieser Oberfläche im Eingriff mit dem Gewinde eines Ringes, der den Bund 2&min; des Rohres 2 festlegt. Zwischen den Bünden 2&min; und 18&min; ist eine Garnitur angeordnet, die den Zwischenraum 24 peripher begrenzt.

Beispiel

Gemäß den Prinzipien vorliegender Erfindung ist ein Trägheitsspektrometer verwirklicht, welches die nachfolgenden Charakteristika aufweist:
Der erste Auslaß 6 weist eine Eingangsöffnung 12 × 12 mm, eine Länge von 32 mm und eine Mündungsöffnung von 1,2 × 12 mm auf.
Der zweite Auslaß 8 mit der Länge von 20 mm weist eine Eingangsöffnung 8&min; von 8 × 12 mm und eine Auslaßöffnung 8&min;&min; von 0,3 ×12 mm auf und mündet in den ersten Ablauf 6 mit einem Abstand von 17 mm bezüglich der Öffnung 6&min; des ersten Ablaufes 6. Die zweite Symmetrieebene des zweiten Auslasses 8 ist um 1,5 mm in Richtung auf die Achse des Rohres 2 bezüglich der analogen Symmetrieebene des zweiten Auslasses 8 versetzt.
Der fensterförmige Filter 12&min; des scheibenförmigen Filters 12 ist ein Rechteck von 12 × 27 mm, wobei eine der kleinen Seiten des Rechteckes von der Achse des Rohres 2 mm weniger als die innere Seite der Auslaßöffnung 6&min;&min; des ersten Auslasses 6 entfernt ist. Die Beziehung zwischen der Auslaßöffnung 6&min;&min; des ersten Auslasses 6 und jener (8&min;&min;) des zweiten (8) ist gleich "4". Der Abstand zwischen der Auslaßöffnung 6&min;&min; des ersten Auslasses 6 und der oberen Ebene des scheibenförmigen Filters 12 beträgt 1,8 mm.
Der unterhalb des Filters 12 angelegte Unterdruck wird auf einem Wert gehalten, der für eine Durchflußmenge von 10 l/min sorgt.
Unter solchen Bedingungen ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der gefilterten Luft und des Aerosols gleich 11 m/s. Die Durchflußleistung des zweiten Auslasses 8 ist ungefähr gleich 10 % jener des ersten Auslasses 6.
Die Meßkurve der beschriebenen Anordnung mit einem Aerosol eines Natriumchlorids ist in Fig. 4 aufgetragen. Auf der Abszisse sind mit d (in mm) die Abstände der Ver- bzw. Absetzung mit Bezug auf die orthogonale Projektion des Aerosolstrahls auf die Ebene des Filters angegeben, wobei die Abstände auf der Längsmittellinie des Filterrechtecks angegeben sind, und auf der Ordinate sind mit l (in µm) die reellen Abmessungen der Einkristalle von Natriumchlorid, die die Partikel bilden. Die durch Elektromikroskopie erhaltenen Daten sind mit Sternchen angegeben, wohingegen jene durch optische Mikroskopie erhaltenen Werte mit kleinen Karrees angegeben sind. So läßt sich feststellen, daß der Zwischenraum der Abstände die die Arbeits- bzw. Gewerbehygiene interessierende Körnung umfaßt. Es ist andererseits möglich, auf der Oberfläche des Niederschlags eine genügende Anzahl von Flächen abzustecken, um beispielsweise eine Verteilung der abgegebenen Aerosolmenge bzw. Masse als Funktion der Abmessungen zu erhalten.
Insbesondere könnte diese Technik im Fall einer radioaktiven Verseuchung bzw. -Kontamination die Analysevorgänge enorm vereinfachen. Tatsächlich könnte man dann im Inneren des gesamten Niederschlags nicht zerstörende Proben im Hinblick darauf entnehmen, die die gesamte Aktivität in der Luft betreffenden Werte zu erhalten, wobei dieser Wert im allgemeinen der Bedingung genügt, daß die Kontrolle in befriedigender Art und Weise durchgeführt wird. Dies trifft nur zu, wenn die gesamte Aktivität vorherbestimmte Werte überschreitet, so daß es von Interesse ist, die Korngrößen zu erhalten, die währenddessen immer teurer zu erhalten sind. Die Anordnung kann also immer Informationen über die Korngröße der in Suspension bei der Messung befindlichen Partikel liefern, wenn es absolut notwendig ist, das toxologische Risiko der Kontamination durch Aerosol zu bestimmen, es aber möglich ist, den Fall zu trennen, wenn die Werte der Korngrößen äußerst notwendig sind. Die Erfindung gestattet also den Betrag an Ausgaben für die Kontrolle der Umgebung merklich zu reduzieren.

Claims

1. Impaktoranordnung zur Trennung der Partikel eines Aerosols in Körnungsklassen, bestehend aus einem trichterförmigen Auslaß (8) mit einer Auslaßöffnung (8&min;&min;) für das Aerosol und einem trichterförmigen Auslaß (6) mit einer Auslaßöffnung (6&min;&min;) für gefilterte Luft, wobei die Auslaßöffnung (8&min;&min;) für das Aerosol in Strömungsrichtung vor der Auslaßöffnung (6&min;&min;) für die gefilterte Luft angeordnet ist, und wobei das aus der Auslaßöffnung (6&min;&min;) durch Ansaugen austretende Gemisch aus gefilterter Luft und Aerosol auf eine ebene Prallplatte mit einem Filter (12&min;) trifft, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auslaßöffnungen (6&min;&min;, 8&min;&min;) rechteckförmig ausgebildet sind;
daß die Auslaßöffnung (8&min;) für das Aerosol gegenüber der Auslaßöffnung (6&min;&min;) für die gefilterte Luft derart versetzt ist, daß ihre Projektion auf die die Auslaßöffnung (6&min;&min;) aufweisende Ebene sich nicht einmal teilweise mit der Auslaßöffnung (6&min;&min;) deckt;
daß der Filter (12&min;) in der Prallplatte rechteckig ausgebildet ist, wobei die Länge einer Seite des Filters (12&min;) der Länge der größeren Seite der Auslaßöffnungen (6&min;&min;, 8&min;&min;) entspricht und die Länge seiner anderen Seite wenigstens doppelt so groß ist;
daß der Filter (12&min;) außerhalb der Projektion der Auslaßöffnung (6&min;&min;) auf die die Prallplatte aufweisende Ebene angeordnet ist und sich von einer zur längeren Seite der Projektion parallel verlaufenden Seite in Richtung des Versatzes der Auslaßöffnungen (6&min;&min;, 8&min;&min;) erstreckt;
daß der Zwischenraum zwischen der Auslaßöffnung (6&min;&min;) und der Prallplatte umfangsseitig geschlossen ist; und
daß in Strömungsrichtung hinter dem Filter (12&min; ) ein Unterdruck anliegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (6&min;&min;, 8&min;&min;) eine gleich lange Rechteckseite aufweisen, wobei die Auslaßöffnung (6&min;&min;) für gefilterte Luft größer als die Auslaßöffnung (8&min;&min;) für das Aerosol ist, und daß die Längsmittellinie des rechteckigen Filters (12&min;) zu der längeren Seite der Projektion der Auslaßöffnung (8&min;&min;) auf die die Auslaßöffnung (6&min;&min;) aufweisende Ebene weist.

3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Auslaßöffnung (6&min;&min;) in einem Teil eines zweiteiligen, das Ende eines zylindrischen Rohres (2) schließenden Stopfens (4) liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte als kreisförmiger abgedichteter Filter (12) ausgebildet ist, in dessen Oberfläche der rechteckige Filter (12&min;) ausgespart ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kreisförmige Filter (12) in einer Aussparung im Innern eines ein Bund (18&min;) aufweisenden Rohrstutzens (18) angeordnet ist, der mittels eines Ringes bzw. einer Überwurfmutter mit dem zylindrischen Rohr (2) verbunden ist, und daß eine umlaufende Dichtung (16) zwischen dem Bund (18&min;) des Rohrstutzens (18) und einem Bund (2&min;) am entsprechenden Ende des Rohres (2) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge des Aerosols durch die Auslaßöffnung (6&min;&min;) in der Größenordnung von 10% der Durchflußmenge der gefilterten Luft durch diese Auslaßöffnung (6&min;&min;) liegt.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Auslaßöffnung (6&min;&min;) für die gefilterte Luft und der der Auslaßöffnung (8&min;&min;) für Aerosol 4 : 1 beträgt.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Auslaßöffnung (6&min;&min;) und der oberen Fläche des Filters (12&min;) 1,8 mm beträgt.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die trichterförmige Ausbildung der Auslaßöffnungen (6&min;&min;, 8&min;&min;) eine konvexe Krümmung in das Innere mittels zweier einander gegenüberliegenden Wände aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil bzw. der Querschnitt der gekrümmten Wände dem Verlauf einer konischen Kurve folgt.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der gekrümmten Wände den Verlauf einer Kreisevolvente darstellt.