DE3543489A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufsammeln von wassertropfen aus nebel- oder bodennahen wolken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufsammeln von Wassertropfen aus Nebel- oder bodennahen Wolken durch Abscheidung aus einem Luftstrom an einer Serie von Prallflächen in einem Gehäuse.

Die Analyse von Schadstoffgehalten in boden­ nahen Kondensationen wie Nebelbänken oder bodennahen Wolken spielt eine bedeutende Rolle für den Umweltschutz.

Man hat daher bereits unterschiedliche Vorrichtungen entwickelt, solche Flüssig­ keitströpfchen im freien Felde abzuscheiden, wobei zwischen passiven Kollektoren und aktiven Kollektoren unterschieden wird.

So beschreiben R. E. Falconer u.a. im J. Geophys. Res. 85 (1980) 7465 f. einen Kollek­ tor, bei dem Teflonfäden zwischen Scheiben ausgespannt sind, die einen Abstand von 1 m haben. Dieser Kollektor hat den Nachteil, daß an den Fäden auch eine wesentliche Aerosolteilchenabscheidung stattfindet und die Fortführung des abgeschiedenen Wassers wegen der großen Fadenlänge erheb­ liche Zeit in Anspruch nimmt, in der aus der Luft weitere Spurengase aufgenommen werden können.

Von den aktiven Kollektoren sind solche mit rotierenden Flächen in Form von Prall­ armen zu nennen, an denen die Tröpfchen gesammelt werden (siehe z.B. D. J. Jacob u.a. Sci. Technol. 18 (1984) 827f.) sowie "jet impactors" (K. R. May, Q. J. R. Meteorol. Soc. 87 (1961) 535 und U. Katz, "Communi­ cations de la 8ième conference sur la Physique des Nuages". Clermont-Ferrand, Frankreich (1980) 697f.), die nicht für alle Standorte geeignet sind, insbesondere nicht auf TV-Türmen (aus Sicherheitsgründen oder wegen der notwendigen Stromversorgung).

Es gibt insgesamt eine große Vielzahl von unterschiedlichsten Kollektoren, die sich diverser Abscheidungs- und Sammeleffekte bedienen. Ein Überblick über die unter­ schiedlichen Bemühungen zur Entwicklung brauchbarer Kollektoren ist dem Aufsatz von H.-W. Georgii u.a. in "Staub" 45 (1985) S. 260f. zu entnehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren und eine möglichst allgemein unter unterschiedlichen Bedingungen (bei Nebelbänken, Wolken, Wind, stehender Luft etc.) einsetzbare Vorrichtung zum mög­ lichst effektiven, selektiven und definiert erfaßbaren Aufsammeln von feinen Nebel­ und Wolkentröpfchen (insb. mit Größen im Bereich von 5 bis 50 µm) zu entwickeln, wobei gleichzeitig sowohl eine möglichst gute Kontaminationsfreiheit und kurze Be­ netzungszeit angestrebt werden als auch eine möglichst hohe Sammelkapazität und -effektivität.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gehäuse ständig in Windrichtung gedreht wird.

Eine dafür geeignete Vorrichtung mit einer Serie von Prallflächen in einem Kasten mit Ventilator ist gekennzeichnet durch eine Rotationslagerung des Kastens mit Windfahne, die eine automatische Einstelllung in Windrichtung bewirkt.

Als Prallflächen können dabei unterschied­ liche Anordnungen wie Scheiben oder Netze dienen, insbesondere aber "Fadenrosten" aus parallel über einen Rahmen gespannten Vertikalfäden.

Ausgestaltungen dieser Vorrichtung gehen aus den Patentansprüchen 3 bis 9 hervor.

Beim erfindungsgemäßen Kollektor wird durch die Rotationsmontage mit Windfahne erreicht, daß sich das Gerät stets selbsttätig in Windrichtung dreht, was für die fehlerfreie Tröpfchensammlung an den Drähten von erheb­ licher Bedeutung ist, da sonst nicht zu vernachlässigende Verluste oder auch zusätz­ liche Abscheidungen durch entsprechende Querkomponenten der Strömung auftreten.

Zweckmäßigerweise ist der erfindungsgemäße Kollektor relativ klein (insb. mit Fadenrost­ flächen nicht größer als etwa 10 × 10 cm) und batteriegetrieben, so daß die "Wind­ fahnenausführung" unproblematisch ist und in Anbetracht der relativ geringen Fadenlänge keine wesentliche Zusatzverunreinigung des Wassers durch nachträgliche Aufnahme von Verunreinigungen aus dem Gasraum erfolgt. Durch eine geneigte Anordnung der Fadenroste und ihrer Unterkanten wird ein günstiger Abzug des aufgesammelten Wassers zum Kasten­ boden und zur Sammelflasche hin erreicht.

Weitere Besonderheiten sind aus der nachfol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels zu entnehmen, das sich auf die ange­ fügte schematische Darstellung eines erfin­ dungsgemäßenn Kollektors (Fig. 1) bezieht.

Fig. 2 zeigt die (berechnete) Abscheidungs­ effektivität (in %) eines Fadens in Abhängig­ keit von der Stokes-Zahl bzw. vom Tröpfchen­ durchmesser für unterschiedliche "Flächen­ deckungen" der in eine Ebene projizierten Fäden.

Fig. 3 zeigt die experimentell ermittelten Tropfenflüsse vor und hinter der Fadenrost­ batterie des beschriebenen Sammlers, wobei die schraffrierten Flächen die Differenz wiedergeben, die darüber angegebenen Zahlen­ werte die Abscheidungseffektivität (in %).

Der Kollektor 1 gemäß Fig. 1 hat ein Gehäuse 2 von 30 × 13 × 16 cm in dem sechs Polyvinyl­ chloridrahmen 3 hintereinander angeordnet sind, die Polytetrafluoräthylenfäden (PTFE- Fäden) 4 tragen. Die PTFE-Fäden haben einen Durchmesser von 0,5 mm und einen seitlichen Abstand von 3 mm innerhalb des Rosts und einen Abstand von 10 mm in Strömungsrichtung (zum Ventilator 5 hin).

Die Fäden 4 sind derart versetzt angeordnet (siehe den vergrößerten Ausschnitt aus einem Horizontalschnitt durch die Fadenrost­ batterie), daß die Projektion in Strömungs­ richtung auf eine gemeinsame Fläche eine praktische Flächendeckung ergibt.

Das Fenster des einzelnen Fadenrahmens 3 hat eine Breite von 10 cm und eine Höhe von 12,5 cm an der langen und 10 cm Höhe an der kurzen Seite. Damit ergibt sich eine Neigung inner­ halb der Rostfläche zur rechten unteren Ecke hin, wobei die Rahmen selbst zusätzlich um einen Winkel von 15° gegen die Vertikale geneigt sind.

Die Neigung der Unterkante der Rahmen und die Neigung der Rahmenbatterie gegen die Horizontale beschleunigen den Ablauf des gesammelten Wassers, so daß im Verein mit der kurzen Länge der Sammelfäden 4 erreicht wird, daß die abgeschiedenen Tropfen nur relativ kurze Zeit der Umgebungsluft ausge­ setzt sind. Ferner wird durch die damit gegebene gewisse Drainagewirkung ein Wieder­ abreißen von Tropfen vermindert.

Das aufgesammelte Wasser fließt aus einer (geneigten) unteren Rinne 6 über kurze (nicht sichtbare) PTFE-Schläuche und einen wiederum geneigten (nicht sichtbaren) Sam­ melkanal in eine Polyäthylen-Sammelflasche 7 von 50 ml.

Der Ventilator 5 sorgt für einen Luftstrom von wenigstens 1,4 m/s, bei dem eine Probe von 5 ml Volumen innerhalb von 12 Minuten gesammelt werden kann, unter der Annahme eines Flüssig-Wassergehalts von 0,5 g/m³.

Der Kollektor 1 besitzt eine Rotationslage­ rung B und eine Windfahne 9 und dreht sich damit selbsttätig in Windrichtung. Ecken und Kanten des Kollektors sind insb. im Einlaufbereich abgerundet. Eine Klappe 10 schließt den Kollektoreingang normaler­ weise während der Trockenperioden ab und wird, gesteuert von einem Nebelsensor, automa­ tisch geöffnet. Auf diese Weise wird eine Kontamination des Innenraums durch Aerosolpar­ tikeln während der Trockenperioden minimali­ siert.

Nachfolgende Tabelle zeigt experimentell ermittelte Werte für die Flüssigkeitsabschei­ dung mit Hilfe der Fadenrostbatterie bei unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten.

Tabelle: Mittelwerte für den Flüssigwassergehalt und den mittleren Tropfendurchmesser vor (v) und hinter (h) der Fadenrostbatterie bei unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten

Claims (9)

1. Verfahren zum Aufsammeln von Wassertropfen aus Nebel- oder bodennahen Wolken durch Abscheidung aus einem Luftstrom an einer Serie von Prallflächen in einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ständig in Windrichtung gedreht wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Serie von Prall­ flächen in einem Kasten mit Ventilator, gekennzeichnet durch eine Rotationslagerung des Kastens mit Windfahne, die eine automatische Einstellung in Windrichtung bewirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallflächen durch eine Serie von in dem Kasten hintereinander angeordneten Verti­ kalfadenrosten vor dem Ventilator gebildet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, ge­ kennzeichnet durch einen Kasteneingangsdeckel mit Öffnungsmechanismus, der von einem Nebelsensor gesteuert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine (in der Projektion) flächen­ deckende Versetztanordnung der Vertikalfäden in den hintereinander geschalteten Rosten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vertikalfaden­ roste im horizontal gelagerten Kasten geneigt angeordnet sind, insbesondere mit einem Neigungswinkel von etwa 15° gegen die Ver­ tikale.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rostrahmen eine Ablaufrinne am unteren Fadeneinlauf haben, die zur Ableitung des an den Fäden abgeschiedenen Wassers in Ablaufkanäle zu einer Sammelflasche hin gegen die Horizon­ tale geneigt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fadenroste Abmes­ sungen in der Größenordnung von 10 cm × 10 cm haben und die Fäden aus Polytetrafluoräthylen bestehen, einen Durchmesser von 0,5 mm haben und einen Abstand von 3 mm innerhalb des Rosts sowie 10 mm als Zwischenrostab­ stand.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilator zur Erzeugung von Luftgeschwindigkeiten von mindestens 1,4 m/s ausgelegt ist.