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Mehrstufiges Probeentnahmegerät zum Sammeln von festen und
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flüssigen Luftverunreinigungen Die Erfindung betrifft ein Probeentnahmegerät
zum Sammeln von festen und flüssigen Luftverunreinigungen, dessen Wirkungsweise
auf dem Zentrifugal- und Impaktionsprinzip beruht. Das Gerät kann insbesondere bei
Emissions- und Immissionsmessungen, bei der Prüfung von Luftverunreinigungen an
Arbeitsplätzen, sowie bei Trägergasen hoher Temperatur mit sehr gutem Wirkungsgrad
eingesetzt werden.
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Die herkömmlichen Probeentnahmegeräte, die nach dem Zentrifugal-oder
dem Impaktionsprinzip arbeiten, erreichen bei einer beschränkten Staubbelastung
und in einem bestimmten
Fraktionsbereich einen recht befriedigenden
Wirkungsgrad.
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Solche Anlagen werden zum Beispiel in der ungarischen Patentschrift
Nr. 159.497, in der DDR-Patentschrift Nr. 115.212, sowie in den USA-Patentschriften
Nr. 3 795 135 und 3 741 001 erläutert.
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Diejenigen Geräte, welche nach dem Zentrifugalprinzip arbeiten, müssen
- um einen annehmbaren Abscheidegrad zu erreichen -einen sehr kleinen Zufuhrkanal
aufweisen, so daß dadurch die Menge der gesammelten Probe stark beschränkt wird.
Sie können also von vornherein nicht dort eingesetzt werden, wo -der Ver--unreinigungsgehalt
(Schmutzstoffkonzentration) der Luft oder des Gases niedrig ist (unter 50 mg/m3).
Infolge der kleinen Ansaugöffnung ist nämlich die durchgesogene Luftmenge recht.gering
und die Menge des im Gerät abgeschiedenen Stoffes ist dementsprichend wenig, so
daß sie praktisch zur weiteren Analyse ungeeignet ist. Andererseits ist diese kleine
Probenmenge im Vergleich zu der im Drillkanal abgesetzten und nicht mehr meßbaren
Stoffmenge so unbedeutend gering, daß dadurch die Genauigkeit der Messung schon
unzulässigerweise beinflußt wird. Diese Nachteile können in den meisten Fällen auch
durch die Verlängerung der Absaugzeit nicht beseitigt werden, weil die Zeit der
Probeentnahme durch mehrere Umstände (z.B. durch die Betriebstechnologie) bestimmt
und begrenzt wird.
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Ein weiterer Nachteil der Probeentnahmegeräte nach dem Zentrifugalprinzip
besteht darin, daß der Abscheidewirkungsgrad des Gerätes bei Verunreinigungsstoffen,
deren Fraktion unter 1'um liegt, sehr schnell abnimmt.
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Diejenigen Probeentnahmegeräte, die nach dem Impaktionsprinzip arbeiten,
haben den Nachteil, daß sie bei einer hohen Staubbelastung nur eine kurze Probeentnahme
ermöglichen, weil das Gerät eine geringe Staublagerungskapazität besitzt.
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Ein weiterer Nachteil dieser Geräte besteht darin, daß sie die strömungstechnischen
Voraussetzungen einer wirksamen Impaktionsabscheidung - besonders im Bereich der
kleinsten Teilchen - nicht völlig sichern können, da die Ausbildung eines optimalen
Radius für die kreisförmigen Düseneintrittsöffnungen der einzelnen Abscheidestufen
der kleinsten, Körner (unter 1 um) mit den heute bekannten Herstellungsverfahren
praktisch undurchführbar ist.
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Bei der Sammlung von haftenden Feststoffen ist die Reinigung der kreisförmigen
und recht kleinen Düsen der bekannten Impaktionsgeräte relativ umständlich.
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Die erwähnten Nachteile der bekannten Gerätetypen beschränkt die Anwendungsmöglichkeitendieser
Einrichtungen sehr stark.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines neuen Probeentnahmegerätes,
das die Nachteile der bekannten Typen sowie deren Beschränkung in bezug auf die
Anwendung beseitigt, bzw. auf ein -Minimum reduziert sowie einfach und wirtschaftlich
herstellbar ist, einen geringeren Strömungswiderstand (2000 N/m2) aufweist und eine
beliebige Wahl der Probeentnahmestelle ermöglicht.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß es eine Zentrifugalabscheidekammer,
ein konstruktionsmäßig und strömungstechnisch dieser Zentrifugalabscheidekammer
anschließendes und als Düse der ersten Impaktorstufe ausgebildetes Entlüftungsrohr,
einen oder mehrere ringförmige Spalte bildende Spaltimpaktorringe sowie Staubspeichereinsätze
aufweist, wobei die Spaltimpaktorringe und/oder die Staubspeichereinsätze mit einer
die Abscheidewirkung und die Staubspeicherkapazität erhöhenden Fasermenge versehen
sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht innerhalb eines annehmbaren
Wirkungsgradbereiches eine langzeitige Probeentnahme (z.B. 24 Stunden) in beliebigen
Staubkonzentrationsbereichen (1 mg/m3 - 20 000 mg/m3) und beliebigen Korngrößenbereichen
(über 0,1 ,zum). Sie ist weiterhin sowohl zur Abscheidung und Sammlung einer großen
Stoffmenge (40 g) innerhalb. der erwähnten Bereiche als auch zu einer Fraktionsanalyse
ohne Eingriff im Teilchenbereich über 0,11um geeignet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereinigt ferner die bekannten Zentrifugal-
und Impaktionsabscheidemethoden in einem konstruktiv und strömungstechnisch einheitlichen
Gerät.
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Durch die gemeinsame Anwendung der beiden Methoden in einem Gerät
können gegenüber bekannten Vorrichtungen wesentliche neue Vorteile erzielt werden.
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Über die vorteilhafte Vereinigung der Zentrifugal- und Impaktionsabscheidemethoden
hinaus enthält die prinzipielle konstruktive Gestaltung der Vorrichtung derart neue
Eigenschaften, daß einerseits die Vergrößerung des Anwendungsbereiches des Gerätes
und andererseits die Vereinfachung der Herstellung erreicht wird.
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Die doppelte Abscheidewirkung, die als Ergebnis der zweckmäßigen Verknüpfung
der bekannten Vorrichtungselemente zu einer neuartigen Konstruktionseinheit führte,
ermöglicht eine lange kontinuierliche oder periodische Sammlung größerer Stoffmengen
(20 bis 40 g) sogar im Falle einer größeren Staubbelastung (bis zu einem Bereich
von 10 000 bis 20 000 mg/m3).
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Die zweckmäßige Vereinigung der beiden Abscheidemethoden ermöglicht
gegenüber den bekannten Vorrichtungen in einem wesentlich breiteren Fraktionsbereich
die Erreichung eines
befriedigenden Abscheidewirkungsgrades. Außerdem
ist das erfindungsgemäße Gerät wenigerempfinblich gegenüber Änderungen in der Verunreinigungskonzentration.
Die konstruktive Gespaltung des Gerätes und die Verknüfung der beiden Abscheidemethoden
ermöglichen auch die Ablagerung einer größeren Stoffmenge.
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Zur erhöhten Abscheidewirkung und Speicherkapazität trägt erfindungsgemäß
auch eine speziell angeordnete Fasermenge bei. Die vorteilhafte Wirkung der doppelten
Abscheidung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Teilchen größerer Kornabmessung
der durch das Ansaugrohr einströmenden, verunreinigten Luft in einer Zentrifugalabscheidekammer
großer Speicherkapazität ausgeschieden werden, wobei diese Kammer zur besseren Abscheidung
zweckmäßigerweise mit einer Anzahl von Aufpralleinsätzen versehen ist. Das hat zur
Folge, daß die weiterströmende Luft nur die feineren Fraktionen des Verunreinigungsstoffes
enthält. Dadurch wird erreicht, daß das Medium,.das durch ein Entlüftungsrohr in
die Impaktionsabscheidekammer gelangt, mit Rücksicht auf die in diesem Raum angeordneten
Staubspeicherelemente kleiner Speicherkazazität schon eine derart kleine Staubbelastung
hat, die auch eine Probeentnallme über eine längere Zeitspanne ohne Verstopfung
der Speicherteile ermöglicht, ohne daß eine wesentliche Verschlechterung des Abscheidewirkungsgrades
eintritt.
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Die strömungstechnische Einheitlichkeit der doppelten Abscheidung
und deren vorteilhafte Wirkung werden dadurch sichergestellt, daß das Entlüftungsrohr
des Zentrifugalabscheideraumes als Düse der ersten Impaktorstufe ausgebildet ist.
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Die Impaktionswirkung bei der Teilchenabscheidung kann - vor allem
im Bereich der kleinen Körner (unter 20 ,um) - gegenüber
den bekannten
Geräten erfindungsgemäß dacurch wesentlich erhöht werden, daß die Blenden (Düsen),
die d e Impaktionswirkung hervorrufen, nicht als abgerundete Borungen, sondern als
ringförmige Spalten mit abgerundeten Kanten ausgebildet sind, wobei die Spalten
zwischen den einzelnen Spaltimpaktorringen der Vorrichtung entstehen.
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Durch diese Lösung ist die Fertigung von Düsenöffnungen optimaler
Abmessung und Abrundung verfahrenstechnisch wesentlich einfacher und die Sicherung
der zur günstigsten Impaktionswirkung bei der Abscheidung notwendigen strömungstechnischen
Bedingungen leichter geworden. Durch die Anwendung des Ringspaltes kann die Gefahr
von Verstopfungen praktisch beseitigt werden, die bei kleinen Düsen herkömmlicher
Geräte im Falle der Abscheidung haftender Verunreinigungsstoffe häufig zu Betriebsstörungen
führt.
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Durch das erfindungsgemäße Probeentnahmegerät wird auch ein weiterer
Nachteil der bekannten Impaktionsgeräte beseitigt, bei denen auf der glatten polierten
Impaktorplatte (Aufprallplatte) schon nach einer relativ kurzen Absaugung eine Sättigung
auftritt. Dies bedeutet, daß die weiteren abzuscheidenden Teilchen nicht mehr auf
der Impaktorplatte verbleiben, sondern vielmehr durch die Gasströmung mitgenommen
werden. In solchen Fällen ist eine wesentliche Verschlechterung des Abscheidegrades
(oder Fraktionsabscheidegrades) die Folge, so daß die Probeentnahme beendet werden
muß.
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Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch behoben, daß zweckmäßigerweise
senkrecht auf die Oberfläche der glatten Spaltimpaktorringe und Staubspeichereinsätze,
jedoch höchstens um 30° davon abweichend. eine aus speziellem Material (z.B. aus
wärmebeständigem Kunststoff) gefertigte Fasermenge aufgetragen wird. Der mit der
Fasermenge ergänzte Impaktionsabscheider erhöht über seine wesentlich größere Staubspeicherkapazitt
hinaus den Franktionsabscheidegrad
und zugleich auch den Wirkungsgrad
des Probeentnahmegerätes, weil die Fasermenge teils infolge des Aufpralles, teils
infolge des Filtereffektes auch in der Abscheidung mitwirkt. So erhöht sich wesentlich
der Fraktionsabscheidungsgrad des Gerätes, was zugleich auch eine Fraktionsanalyse
ohne Eingriff - mit ausreichender Effektivität - ermöglicht.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in dem erfindungsgemäßen
Probeentnahmegerät eine mit Aufpralleinsätzen versehene Zentrifugalabscheidekammer
großer Staubspeicherkapazität mit einem mehrstufigen Spaltimpaktor verbunden ist,
wobei die Oberflächen der Spaltimpaktorringe und/oder der Staubspeichereinsätze
der einzelnen Impaktorstufen mit einer die Staubspeicherkapazität erhöhenden Fasermenge
versehen sind und die Staubspeichereinsätze als Düsen der nächsten Impaktorstufen
ausgebildet sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise
geschnitten, Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. 1 in der Ebene A-A
in einem größeren Maßstab, Fig. 3 einen Querschnitt der Vorrichtung nach Fig.. 1
in der Ebene B-B in einem größeren Maßstab.
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Das erfindungsgemäße Probeentnahmegerat besteht im wesentlichen aus
einer Zentrifugalabscheidekammer 2 mit zylindrischen Aufpralleinsätzen 4, aus einem
als Düse der ersten Impaktorstufe ausgebildeten Entlüftungsrohr 7, sowie aus einer
oder
mehreren Impaktionsabscheidekammern 9 mit Spaltimpaktorringen 10 und Staubspeichereinsätzen
11, wobei die letzteren als Düsen der nächsten Impaktorstufen ausgebildet sind.
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Die Spaltimpaktorringe 10 und/oder die Staubspeichereinsätze 11 sind
mit einer zweckmäßig senkrecht stehenden Fasermenge 14 versehen. Zur Einleitung
der Luft oder der Gasprobe weist die Einrichtung ein tangential angeordnetes, auswechselbares,
zylindrisches Ansaugrohr 1 auf. Die Zentrifugalabscheidekammer 2 ist von der Seite
durch einen Deckel 3 und eine Abschlußmutter 6 abgeschlossen. Die Aufpralleinsätze
4 sind durch eine Einsatzhalterung 5 fixiert. Das Entlüftungsrohr 7 ist durch Vorsatzmuttern
8 an der Zentrifugalabscheidekammer 2 befestigt. Die zylinderförmigen Impaktionsabscheidekammern
9 sind zerlegbar mit der Zentrifugalabscheidekammer 2 bzw. miteinander verbunden.
An die letzte Impaktorstufe ist ein Absaugrohr 13 angeschlossen.
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Das erfindungsgemäße Probeentnahmegerät wird durch den Druckunterschied
in Betrieb gesetzt, der durch eine strömungstechnische Vorrichtung, z.B. einen Ventilator
oder einen Ejektor,hergestellt wird. Die zu prüfenden Luftproben oder Gasgemische,
die auch feste und flüssige Stoffe enthalten, werden durch das zylinderförmige Ansaugrohr
1 angesaugt und gelangen in die Zentrifugalabscheidekammer 2, wo die größeren Teilchen
infolge der beim Rotieren des Mediums auftretenden Zentrifugalkraft an den Aufpralleinsätzen
4 ausscheiden.
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Die kleineren Teilchen strömen von hier mit dem Trägermedium durch
das Entlüftungsrohr 7 hindurch in Richtung der ersten Spaltimpaktorringe 10. Das
Entlüftungsrohr 7 ist als Düse ausgebildet, wodurch auf der Fasermenge t4, d.e Erhöhung
der Staubspeicherkapazität auf die Oberfläche der Spaltimpaktorringe 10 aufgetragen
wurde, weitere Kornfraktionen ausgeschieden werden ... Die noch nicht ausgeschiedenen
Teilchen strömen beschleunigt durch den ringförmigen Spalt der Spaltimpaktorringe
10 auf die Fasermenge des Staubspeichereinsatzes
11. Hier werden
infolge des Impaktions- und Filtereffektes weitere Fraktionen abgesetzt. Die Anzahl
der in Reihe geschalteten Impaktorstufen hängt von der Abmessung des abzuscheidenden
Grenzkornes ab. Das bis zur Grenzkornabmessung gesäuberte strömende Medium kommt
aus der letzten Impaktorstufe durch das Absaugrohr 13, den Mengenmesser, den Regler
und die den Druckunterschied erzeugenden Vorrichtung ins Freie oder in den Hauptgasstrom.
Das erfindunsgsgemäße Probeentnahmegerät kann in Abhängigkeit von den Meßumständen
aus säure- und wärmebeständigem Stahl oder Kunststoff gefertigt werden. Das Material
der Fasermenge wird den physikalischen-chemischen Eigenschaften des Verunreinigungsstoffes
entsprechend ausgewählt. So können zum Beispiel die wärme- und chemikalienbeständigen
Kunstfasern breite Anwendung finden.
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