DE4218690A1 - Verfahren zur selektiven Verdünnung von Partikelkollektiven und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur se­ lektiven Verdünnung der Größenverteilung von Parti­ keln in einem gegebenen Partikelkollektiv, nämlich einem Aerosol, unter Anwendung der virtuellen Impak­ tortechnik und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren zur gleichmäßigen Verdünnung der Größenver­ teilung von Partikeln in einem gegebenen Partikelkol­ lektiv sind bekannt und finden beispielsweise Anwen­ dung in der Aerosolmeßtechnik, bei der Filterprüfung, im Zusammenhang mit verschiedenen Zerkleinerungstech­ niken, aber auch bei der Pulvertechnologie.

Das grundsätzlich bei solchen Verfahren anstehende Problem liegt darin, daß die Konzentration eines ge­ gebenen Partikelkollektivs in einem Volumenstrom für die gewünschten meßtechnischen Zwecke quantitativ zu hoch und/oder qualitativ zu unterschiedlich ist.

Keine oder nur geringe Probleme bereitet die quanti­ tative Verdünnung von Aerosolen od. dgl. Hier kann beispielsweise durch dosiertes Zumischen von Luft oder Filtration die zu hohe Konzentration des Parti­ kelkollektivs um einen bestimmten Verdünnungsfaktor herabgesetzt werden. Es wird Wert darauf gelegt, daß das Verdünnungsverhältnis so vorgegeben werden kann, daß sich eine möglichst unverfälschte lineare Verdün­ nung ergibt, d. h. daß alle Partikelgrößen um den gleichen Faktor verdünnt werden. In der Praxis hat sich gezeigt, daß hierbei insofern Schwierigkeiten auftreten, als die lineare Verdünnung von Feinfrak­ tionen, also Partikelgrößen von kleiner als ca. 5 µm, relativ problemlos ist, die im Partikelkollektiv vor­ handenen Grobfraktionen mit aerodynamischen Durchmes­ sern größer 5 oder gar 10 µm, jedoch von der linearen Verdünnung abweichen, indem sie bei den bekannten Vorrichtungskonstruktionen stärker zurückgehalten werden, so daß die Bestimmung der Massenkonzentration und Korngrößenverteilung hierdurch verfälscht werden kann.

Beispielsweise bei der Filterprüfung kann ein solches Verhalten nicht hingenommen werden, da die erhaltenen Meßergebnisse dann mit zu großen Fehlern behaftet wären. Bei der Filterprüfung kommt es wesentlich auf den Grad der Fraktionsabscheidung an, d. h. auf die partikelgrößenbezogene Abscheidung, die sich aus der Anzahl in der Größenverteilung des Partikelkollektivs vor dem Filter und dem durchgelassenen Teil des Par­ tikelkollektivs hinter diesem ergibt.

Zu analysierende Partikelkollektive setzen sich häu­ fig aus sehr unterschiedlichen aerodynamischen Durch­ messerverteilungen zusammen, deren Häufigkeitsdichten keineswegs einer Gaußschen Verteilung entsprechen müssen, sondern stark asymmetrische Kurvenverläufe zeigen oder anderweitig ungleichmäßig sind. Um bei fraktionierten Messungen Aussagen über einzelne Par­ tikelgrößenzahlen mit möglichst geringer Fehlerquote machen zu können, läßt sich das Problem nicht allein durch lineare Verdünnung lösen, sondern es ist anzu­ streben, die Fraktionen mit hoher Partikelkonzentra­ tion weiter zu verdünnen als diejenigen, deren Parti­ kelgrößen nur mit geringer Konzentration vorliegen.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine möglichst gleichmäßige Häufigkeitsverteilung bezüglich der Partikelgrößen für die fraktionierte Konzentrationsbestimmung bereitzustellen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merk­ male erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Aufgabenlösung hin­ sichtlich der erfindungsgemäßen Verfahrensweise erge­ ben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kenn­ zeichnet sich durch die in den Patentansprüchen 7 folgende angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß ein Volumenstrom mit gegebener asymme­ trischer bzw. ungleichmäßiger Partikelgrößenvertei­ lung zunächst beschleunigt wird und in diesem be­ schleunigten Zustand einer Querströmung unterworfen wird, wird es durch die in Abhängigkeit von der Par­ tikelgröße unterschiedliche träge Masse möglich, die kleineren Partikel stärker aus der gegebenen Be­ schleunigungsrichtung abzulenken und damit auszu­ scheiden als die größeren bzw. schwereren. Die Fein­ fraktion ist auf diese Weise quantitativ bevorzugt mit einen ansonsten dosierbaren Teilstrom auszuson­ dern. Der Teilstrom, der die zuvor statistisch ver­ teilt stärkeren Teilchenfraktionen enthält, kann dann durch Einschalten herkömmlicher Filterverfahren abge­ schieden werden. Wenn dieser Teilstrom nunmehr mit­ tels eines Gebläses im Kreis geführt und in den ur­ sprünglichen Volumenstrom zurückgeführt wird, und zwar an einer Stelle, an der er noch nicht der Be­ schleunigung unterworfen ist, dann wird dadurch nicht nur die gewünschte Verdünnung des Gesamtvolumenstro­ mes erreicht, sondern dieser bleibt zusammen mit der vorhandenen Grobfraktion quantitativ unverändert kon­ stant.

Die Partikelgrößenverteilung von in der Praxis gege­ benen Partikelkollektiven zeigt eine verstärkte Häu­ figkeit im Feinfraktionsbereich und eine demgegenüber nur geringe Konzentration im Grobfraktionsbereich. Mittels der an sich bekannten virtuellen Impaktor­ technik läßt sich somit aus einem beschleunigten Vo­ lumenstrom der Massenstrom der Feinfraktion zu einem Grad ausscheiden, der dem Verhältnis des beschleunig­ ten Volumenstroms und der Differenz zwischen be­ schleunigten und quer hierzu abgesaugtem Volumenstrom entspricht. Das partikelfreie Filtrat wird dem ur­ sprünglichen Volumenstrom wieder zugegeben, also in das Partikelkollektiv rückgeführt. Wenn also bei­ spielsweise für die Partikelzählung bzw. die Filter­ prüfung gegebene ursprüngliche Partikelkonzentration in einem Aerosol für die Meßanordnung zu hoch ist und/oder die einzelnen Partikelfraktionen, deren Fraktionsabscheidegrade möglichst genau bestimmt wer­ den muß, zu unterschiedlich sind, dann läßt sich mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise nicht nur do­ sierbar eine meßtechnisch optimale Konzentration für das Partikelkollektiv vorgeben, sondern und insbeson­ dere auch für die einzelnen Fraktionen eine Ver­ gleichmäßigung innerhalb dieses Kollektivs. Hierin liegt ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen partikelgrößenselektiv bezogenen Verdünnung für die Bestimmung der Massenkonzentration und Korngrößenver­ teilung in der Meßtechnik von Aerosolen, Pulvertech­ nologie, Filterprüfung u. dgl. mehr.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beiliegen­ den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei es sich bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nur um eine beispielsweise bevorzugte Ausführungsform handelt. Es bedeuten:

Fig. 1 die Darstellung einer möglichen asymmetri­ schen Häufigkeitsverteilung eines minerali­ schen Aerosols und die Änderung der Häufig­ keitsverteilung durch Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine flußdiagrammartige Darstellung des Verfahrensablaufes nach der Erfindung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorrich­ tung zur partikelgrößenselektiven Verdün­ nung mit schematischer Darstellung der un­ ter Anwendung der Vorrichtung erzielbaren Ergebnisse.

In Fig. 1 ist die Partikelhäufigkeit, hier ihre Zäh­ lung in Signalen pro Sekunde eines gegebenen Parti­ kelkollektivs mit einem Durchmesser von 0,5 bis grö­ ßer 10 µm auf doppellogarithmischen Skalen darge­ stellt. Die obere durch "*"-Symbole wiedergegebene Kurve entspricht der tatsächlich gegebenen Häufigkeit der unterschiedlichen aerodynamischen Durchmesser der Partikel. Es zeigt sich, daß der interessierende Par­ tikelgrößenbereich um Größenordnungen voneinander abweichende Häufigkeiten besitzt.

Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen mineralischen Teststaub (Air Cleaner Test Dust nach Standard SAE), das Maximum der Häufigkeitsdichtever­ teilung des Partikelkollektivs liegt bei einem aero­ dynamischen Durchmesser von ca. 0,8 µm, während ab ca. 7 µm nur noch 1/100 dieser Partikelzahl mit stark abfallender Tendenz vorhanden ist. Damit liegen im Verhältnis der Partikelverteilung zwischen 0,8 µm und ca. 10 µm bereits zwei Größenordnungen, was für die Messung des Fraktionsabscheidungsgrades von Prüffil­ tern ungünstig ist.

Die in Fig. 1 untere Kurve, d. h. die mit "+"-Symbolen gekennzeichnete Kurve gibt die Partikelgrößenvertei­ lung wieder, wie sie mit dem Ausgangsaerosol unter Anwendung der Erfindung erreicht werden kann. Hierbei erfolgt die Transformation der Größenverteilung von der oberen Kurve zur unteren Kurve durch einmalige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine kas­ kadenförmige Hintereinanderschaltung, also wiederhol­ te Anwendung der Verfahrensschritte auf den Ausgangs­ partikelstrom bringt eine entsprechend höhere Ver­ gleichmäßigung der Partikelverteilung für jede ge­ wünschte Partikelfraktion. Die Kurven zeigen, daß sich ein relativ weicher Übergang zwischen verdünnten und unverdünnten Fraktionen ergibt.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Verfahrensweise vereinfacht wiedergegeben. Danach gelangt das in Fig. 1 dargestellte Partikelkollektiv im Ausführungsbei­ spiel als Ausgangsaerosol mit einem Volumenstrom von 1,7 m³/h durch den Eingang einer weiter nicht darge­ stellten Leitung und wird hier von einem nicht be­ schleunigten Bereich 1 als erster Stufe in einen be­ schleunigten Bereich 2 als zweite Stufe transfor­ miert, um von dort ausgangsseitig bestimmten Meßge­ räten zugeführt werden zu können. Der Übergang von dem beschleunigten Bereich 1 in den nicht beschleuni­ gten Bereich 2 erfolgt über eine Beschleunigungs­ strecke, die hier in Form einer Düse 5 ausgebildet ist, wobei sich jedoch jede andere fokussierende bzw. beschleunigende Einrichtung gleichermaßen eignet. Vorzugsweise rechtwinklig zu dem beschleunigten Volu­ menstrom wird eine Saugkraft auf diesen ausgeübt, so daß die einzelnen Partikel des in ihm beschleunigten Partikelkollektivs in Abhängigkeit von ihrer Träge­ masse abgelenkt und auf ein Filter abgesaugt werden können. Die Anwendung des Prinzips des virtuellen Impaktors sorgt somit dafür, daß die schwereren Par­ tikel, also die Grobfraktion des Partikelkollektivs ihre Flugrichtung behält, während die Feinfraktion teilweise abgelenkt wird. Der Teilstrom wird über das Gebläse 4 im Kreislauf geführt, gefiltert, über einen Einlaß in die Leitung des Volumenstroms zurückgeführt und zwar in den nicht beschleunigten Bereich 1 dieses Volumenstroms. Da das partikelgrößenselektive Verdün­ nungssystem nur die Konzentration der kleinen Parti­ kel reduziert, entsteht die in Fig. 1 dargestellte transformierte Verteilung bei einem Ausgangsvolumen­ strom von wiederum 1,7 m³/h. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Verdünnungsfaktor 30. Damit ergibt sich für die Rezirkulierung bei der am Ausgang erfindungs­ gemäß unveränderten Volumenstrombilanz ein Volumen­ strom von 50 + 1,7 = 51,7 m³/h, der sich aus dem ur­ sprünglichen Volumenstrom und dem rezirkulierten Vo­ lumenstrom zusammensetzt. Das zeigt, daß der größte Teil des Volumenstroms, nämlich 50 m³/h vom Gebläse 4 als Teilstrom ständig aus dem beschleunigten Bereich abgesaugt und in den nicht beschleunigten Bereich rückgeführt wird. Da bei im Winkel zur Beschleuni­ gungsstrecke erfolgender Absaugung nur die feineren Partikel der Strömungsumlenkung folgen, also in den Teilstrom und damit zum Filter 3 gebracht werden, kann nur 1/30 des ursprünglichen Anzahlstromes in die Auslaßdüse gelangen, wobei die Grobfraktion aufgrund ihrer größeren Trägheit in der Hauptströmungsrichtung verbleibt und zu 100% in den Auslaß gelangt. Die Verdünnung im nicht beschleunigten Bereich vor der Düse für die großen Partikel wird also durch die Rückführung vollständig rückgängig gemacht. Das Ver­ dünnungsverhältnis für die Feinfraktion ergibt sich als Quotient aus rezirkuliertem Teilstrom und ur­ sprünglich zugeführtem Volumenstrom.

Selbstverständlich ergibt sich die Möglichkeit, zwei oder mehrere Anordnungen nach Fig. 2, die auf unter­ schiedliche Trenndurchmesser einstellbar sind, hin­ tereinander zu schalten. Beispielsweise kann in einer ersten Stufe die Partikelfraktion kleiner 3 µm selek­ tiv um den Faktor 10 verdünnt werden. Eine zweite nachgeschaltete Anordnung kann so dimensioniert sein, daß alle Partikel kleiner 6 µm ebenfalls um den Faktor 10 verdünnt usw. Insgesamt ergäbe sich daraus eine Verdünnung um den Faktor 100, 1.000 usw. für die Par­ tikelfaktoren der jeweiligen Partikelfraktionen. Die rezirkulierte und zu filtrierende Verdünnungsluft beträgt bei einem Einlaßvolumenstrom von 1 m³/h nur 20 m³/h im Vergleich von 100 m³/h bei einer einstufi­ gen partikelgrößenselektiven Verdünnung.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird das ursprüngliche Aerosol zunächst bezüglich der Feinfraktion verdünnt und anschließend der Gesamt- Fraktion mit den groben Partikel wieder zugegeben, so daß die Grobfraktion wieder auf den ursprünglichen Eingangskonzentrationswert angereichert ist.

Fig. 3 zeigt schematisiert den Vorrichtungsaufbau für das Verfahren zur partikelgrößenselektiven Verdünnung von Partikelkollektiven mit unregelmäßigen Häufig­ keitsverteilungen. Von einem nicht dargestellten Staubgenerator wird pro Stunde 1 m³ eines Testaero­ sols erzeugt, dessen Anzahlgrößenverteilung bezüglich des Partikelspektrums demjenigen von Fig. 1 ent­ spricht. Zwischen dem vom Staubgenerator kommenden Eingang der Leitung für diesen Volumenstrom und dem zum Meßgerät führenden Ausgang dieses mengenmäßig gleichen Volumenstroms liegt die Anordnung gemäß Fig. 2, für die die Aufteilung in einen nicht beschleunig­ ten und einen beschleunigten Bereich wesentlich ist. Die Beschleunigungsstrecke ist hier durch eine Fokus­ sierung des Volumenstromes mittels einer Düse reali­ siert. Unmittelbar im Düsenbereich der Beschleuni­ gungsstrecke befindet sich in der Leitung des Volu­ menstroms ein Gasauslaßstutzen, durch den senkrecht zur Beschleunigungsrichtung ein Teilvolumenstrom ab­ gesaugt wird und mittels eines Gebläses durch ein Absolutfilter hindurchgesaugt wird. Im Düsenbereich bewirkt die Absaugung vorzugsweise die Umlenkung und Mitnahme der Feinfraktion und das Filter hält diese Feinfraktion zurück, so daß filtrierte partikelfreie Luft über einen Gaszuführungsstutzen in den nicht be­ schleunigten Bereich des Volumenstroms zurückfließt. Das Leitungssystem, welches den Teilstrom über den Gasauslaßstutzen entnimmt und über den Gaszuführungs­ stutzen dem ursprünglichen Volumenstrom wieder zu­ führt, führt den Teilvolumenstrom somit im Kreislauf, ohne daß quantitative Änderungen zu verzeichnen sind. Fig. 3 zeigt die Mengenverhältnisse wie vorstehend beschrieben und die sich ergebenden verbesserten Men­ genverhältnisse für die Fein- und Grobstaubfraktion im Verhältnis zum ursprünglichen Zustand. Es ist er­ sichtlich, daß sich der Feinstaubanteil derart ver­ dünnen läßt bzw. der Großstaubanteil derart anrei­ chern läßt, daß Gleichgewichtsbedingungen zwischen Fein- und Grobfraktion hergestellt werden können. Das Verdünnungsverhältnis läßt sich beispielsweise auch, im Falle der Verwendung einer Düse, durch die Ände­ rung des Düsendurchmessers einstellen.

Claims (11)

1. Verfahren zur selektiven Verdünnung der Größen­ verteilung von Partikeln in einem gegebenen Par­ tikelkollektiv, nämlich einem Aerosol, unter Anwendung der virtuellen Impaktortechnik, dadurch gekennzeichnet,
daß ein das gegebene Partikelkollektiv mitfüh­ render Volumenstrom beschleunigt wird,
daß ein Teilstrom im Winkel zur Beschleunigungs­ richtung aus dem beschleunigten Volumenstrom geführt wird, und
daß der Teilstrom partikelfrei in den noch nicht beschleunigten Teil des Volumenstroms zurückge­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem im Winkel zur Beschleunigungsrichtung aus dem Volumenstrom abgeführten Teilstrom wesentlich die Feinfrak­ tion mitgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kreislauf geführte, aus dem beschleunigten Volumenstrom abgezweigte Teilstrom über ein Absolutfilter geleitet und vor der Beschleunigung dem Volumen­ strom als Verdünnungsluft wieder zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung des Volumenstroms durch seine Fokussierung vor­ genommen wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom aus dem beschleunigten Volumenstrom in einem Winkel, der im wesentlichen senkrecht zur Beschleuni­ gungsrichtung steht, abgesaugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis zwischen ursprünglich zugeführtem Volumenstrom und im Kreislauf geführten Teilstrom so einge­ stellt wird, daß der hieraus resultierende, Meß­ zwecken zuführbare Gesamtstrom bei konstantem Anteil der Grobfraktion den Grad der selektiven Verdünnung der Feinfraktion bestimmt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, bestehend aus einer das gegebene Partikelkollektiv in einem Volumenstrom führenden Leitung, mit Gaseinlaß- und Gasauslaß­ stutzen, wenigstens einem Partikelfilter und einem virtuellen Impaktor, sowie einem Gebläse, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung eine den Volumenstrom be­ schleunigende Einrichtung eingefügt ist, und daß in Strömungsrichtung hinter der Beschleuni­ gung ein Abzweig, über den ein Teilstrom des Volumenstroms abgeführt und vor der Beschleuni­ gung ein Einlaß, durch den der im Kreislauf ge­ führte Teilstrom wieder zuführbar ist, vorgese­ hen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der rückführenden Leitung des Teilstroms eine Filtereinheit und ein Gebläse vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An­ sprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungs­ einrichtung eine fokussierende Düse ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse in ihrem Durchmesser verstellbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheit ein Linearfilter für die Feinfraktionen des ge­ gebenen Partikelkollektivs ist.