DE4415014C2 - Virtueller Impaktor mit schlitzförmigen Düsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen virtuellen Impaktor mit schlitzförmigen Düsen, wie er in der Arbeit "Calibration of a High-Volume, Rectangular-Jet Virtual Impactor", T. J. Overcamp und D. E. Taylor, in "Aerosols in the Mining and Industrial Work Envi­ ronments", Volume 3, herausgegeben von V. A. Marple und B. Y. H. Liu, Ann Arbor Science, Butterworth Ltd, Sevenoaks, UK (1983), beschrieben worden ist.

Virtuelle Impaktoren dienen der Anreicherung von Aerosolteilchen bestimmter Größenordnungen aus Gasen, besonders aus der Umgebungsluft, zum Zwecke der Untersuchung dieser Teilchen. Für sehr starke Anreicherungen auf das Vielhundert­ fache der Ausgangskonzentration sind sehr wirksame mehrstufige virtuelle Impak­ toren mit Hunderten von Düsen entwickelt worden, die jedoch schwierig herzu­ stellen und zu reinigen sind. Die Einzeldüsen können prinzipiell durch leichter her­ zustellende Schlitzdüsen ersetzt werden, dabei treten aber Probleme mit Instabilitä­ ten an den Enden der Schlitze auf.

Impaktoren werden seit etwa 50 Jahren für das Sammeln von Aerosolpartikeln ein­ gesetzt. Der partikel-enthaltende Gasstrom wird dabei durch Düsen in einer Geber­ platte auf eine Empfängerplatte hin beschleunigt. Die mitbeschleunigten Partikel treffen aufgrund ihrer Massenträgheit auf die Empfängerplatte auf und werden dort gesammelt, während das Gas zur Seite ausweicht. Es ist leicht einzusehen, daß nur schwerere Partikel gesammelt werden, während kleinere Partikel unterhalb einer "Abschneideschwelle" vom ausweichenden Gasstrom mit abgeführt werden.

Hat die feste Empfängerplatte an der Stelle, an der die Partikel aufschlagen würden, ein Loch, das aber den Gasstrom der Düse nicht aufnimmt, so entsteht ein "virtueller Impaktor". Die Partikel treten in das Loch ein, während der Gasstrom zur Seite aus­ weicht. Auch hier gibt es eine "Abschneideschwelle" für die Partikel. Befindet sich unter dem Loch eine Kammer, so können Partikel mit einer Größe oberhalb der Ab­ schneideschwelle in der Kammer gesammelt und durch einen viel kleineren Gas­ strom abgeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Partikel in kleinere Gasflüsse hinein zu konzentrieren. Durch mehrstufige Anwendung dieses Prinzips sind sehr hohe Anreicherungen erzielbar, bei denen die Partikelkonzentration leicht ein Mehrhundertfaches der Ausgangskonzentration erreichen kann. Eine sehr gute Erklärung des Prinzips einer Einzeldüse und eine theoretische Durchrechnung fin­ det man in "Virtual Impactor: A Theoretical Study" von V. A. Marple und C. M. Chien, Environmental Science and Technology 14, 976 (1980). Eine Verbesserung der Funktion einer Einzeldüse durch zentrale Zufuhr von Reinluft beschreibt US 4767 524. Ein virtueller Impaktor mit einer Vielzahl parallel eingesetzter Düsen mit zylin­ drischer Anordnung ist in US 4670135 beschrieben.

Für mehrstufige Impaktoren, die die angereicherten Partikel in weiteren Stufen im­ mer konzentrierter anreichern, ist es notwendig, den Gasstrom von Stufe zu Stufe zu verringern. (Unter mehrstufig wird hier nicht das Prinzip verstanden, das im Artikel "Design of a multi-stage virtual impactor" von V. J. Novick et al. in Aerosols, Liu, Pui, and Fissan, Elsevier Publishing Co, 1984, angewendet wird, bei dem sich die Mehrstufigkeit auf das Anreichern verschiedener Partikelfraktionen verschiedener Durchmesser bezieht.) Um gleichbleibende Abschneideschwellen in den einzelnen Stufen zu erreichen, müssen die Düsen und die Sammelbedingungen von Stufe zu Stufe gleich bleiben. Das bedeutet, daß in der ersten Stufe extrem viele Düsen ange­ ordnet sein müssen. In der zweiten Stufe sind sehr viel weniger Düsen erforderlich, in der dritten Stufe im Grenzfall nur noch eine. Gute Ergebnisse mit einer mehr als 200-fachen Anreicherung lassen sich beispielsweise mit 400 Düsen in der ersten Stu­ fe, 20 in der zweiten, und einer Düse in der dritten Stufe verwirklichen, wobei der Luftstrom insgesamt auf etwa 1/400 verringert wird.

Die 400 Düsen in der Geberplatte der ersten Stufe des obigen Beispiels, und die kor­ respondierenden Empfängerdüsen in der Empfängerplatte, die außerordentlich ge­ nau zueinander justiert sein müssen, sind schwer herzustellen. Auch die Reinigung zwischen den Betriebsphasen ist schwierig. Es ist daher mit Erfolg der Versuch un­ ternommen worden, die Vielzahl der runden Einzeldüsen durch eine einzige Schlitz­ düse zu ersetzen. Eine Untersuchung der Eigenschaften findet sich in der eingangs zitierten Arbeit.

Die Enden des Schlitzes führen zu sehr instabilem Arbeiten des Impaktors. Es ist außerdem schwierig, in der Nähe des Schlitz-Endes die gleiche Abschneidegrenze zu erhalten, die der übrige Schlitz ergibt. Es ist zwar eine Form der Schlitz-Enden bekannt geworden, die solche Nachteile zu einem guten Teil vermeidet, indem eine etwa herz- oder kolbenförmige Ausbildung des Endes vorgenommen wurde (der Schlitz hat dann etwa die Form eines Knochens), aber damit ist die Produzierbarkeit und Justierbarkeit wieder schwieriger geworden. Außerdem bietet das Sammeln der Partikel in der Impaktorkammer bei einem langen Schlitz Schwierigkeiten, da die Zuführung zur nächsten Stufe schwierig wird und viele Partikel an der Wand der Kammer haften bleiben. Mehrere kurze Schlitze erhöhen die Probleme an den Schlitz-Enden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine leicht herstellbare und stabil arbeitende Dü­ senanordnung für den hohen Gasstrom einer ersten Impaktorstufe zu finden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, die Vielzahl von Düsen einer ersten Im­ paktorstufe wie bereits bekannt durch eine oder mehrere schlitzförmige Geber- und Empfängerdüsen zu ersetzen, die jedoch nicht linear geformt sind, sondern kreis­ ringförmig und die zur Vermeidung der Stabilitätsprobleme an ihren Enden zu ei­ nem Vollkreis geschlossen sind. Dabei sind die inneren und äußeren Düsenränder, die jetzt keine Verbindung mehr zueinander haben, in ihrer Position zueinander durch mechanische Halteglieder zu fixieren.

Eine Ausführungsform der Erfindung trägt in den beiden Impaktorplatten je einen zentriert angebrachten kreisringförmigen Schlitz. Dabei werden die Platten durch den Schlitz in je einen Innenring und einen Außenring geteilt, die mechanisch wie­ der miteinander verbunden werden müssen, um die Düsenränder genau zueinander fixiert zu halten. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind nun Innen- und Au­ ßenring der Geberplatte über U-förmige Haltebrücken miteinander verbunden. Die dem Schlitz zugekehrten Innenseiten der Haltebrücken sind zu einer scharfen Schneide mit einem Winkel kleiner als 90° geformt (siehe Querschnitt), um einen einwandfreien Impaktorbetrieb des Schlitzes ohne Störungen des Gasflusses zu er­ möglichen. Innen- und Außenring der Empfängerplatte sind mit den entsprechen­ den Teilen der Geberplatte über Abstandsstücke verschraubt, um eine gute Justie­ rung der Schlitze zueinander zu ermöglichen. Der Innenring der Geberplatte hat eine Saugöffnung mit einer Schlaucholive, über die die Absaugung derjenigen Gas­ menge erfolgt, die bei Betrieb der Einheit zum Innenteil des Kreisschlitzes hin aus­ weicht. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung sind die Empfängerplatten durch Haltebrücken verbunden, so daß ein freier Zutritt des Gases zu den Schlitzdü­ sen der Geberplatte gewährleistet ist.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform hat Impaktorplatten geringeren Durch­ messers. Diese tragen in einem Impaktor-Rahmenplattenpaar mehrere (beispiels­ weise vier) Schlitzeinheiten mit je einem kreisförmigen Düsenschlitz. Jede Schlitz­ einheit besteht aus einer Teil-Geberplatte und einer Teil-Empfängerplatte, die je­ weils einen kreisförmigen Schlitz tragen. Jede dieser Schlitzeinheiten kann als fertig montierte und justierte Einheit in die Impaktor-Rahmenplatten eingesetzt werden.

Die Schlitzeinheiten haben für die beiden Impaktorplatten je einen Innenring und einen Außenring. Innen- und Außenring der Teil-Geberplatte sind wieder über U-förmige Haltebrücken miteinander verbunden. Auch hier sind diese Haltebrücken zum Schlitz hin angeschärft, um einen einwandfreien Impaktorbetrieb des Schlitzes ohne turbulente Störungen zu ermöglichen. Innen- und Außenring der Teil-Empfän­ gerplatte sind mit den entsprechenden Teilen der Teil-Geberplatte über Abstands­ stücke verschraubt. Der Innenring der Teil-Geberplatte hat eine Ansaugöffnung mit einer Schlaucholive, über die die Absaugung desjenigen Teiles des Gasstromes er­ folgt, der bei Betrieb der Einheit zum Innenteil des Kreisschlitzes hin ausweicht. Die Impaktorkammer unter der Empfängerplatte hat in einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform eine nach unten sich konisch verengende Form eines Kegelstumpfes, die in der unteren Fläche des Kegelstumpfes die zweite Stufe des Impaktors mit den entsprechenden Düsen trägt. Hier werden bevorzugt runde Einzeldüsen verwendet, um das Absaugen aus dem Inneren eines kreisförmigen Schlitzimpaktors zu vermei­ den. Die konische Form führt den leichten Gasstrom in der Kammer, und damit auch die Partikel, zu dieser zweiten Stufe am unteren Ende.

Damit sich die Partikel, die nach dem Abbremsen in der Kammer eine endliche Sinkgeschwindigkeit haben, nicht an den konischen Wänden absetzen, wird die Wand durch tangentiale Schlitze zum spitzen Ende des Konus hin mit Gas bespült. Die Sinkgeschwindigkeit der Partikel ist nicht sehr groß, sie beträgt für kugelförmi­ ge Partikel normaler Dichte mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern etwa 3 Millimeter pro Sekunde, bei 5 Mikrometern Durchmesser nur noch 0,8 Millimeter pro Sekunde, und bei 2 Mikrometern Durchmesser etwa 0,13 Millimeter pro Sekun­ de. Daher braucht die Geschwindigkeit der Wandspülung nicht sehr groß zu sein. Diese Wandspülung verhindert das Absetzen der Partikelchen und führt sie der zweiten Impaktorstufe zu.

Wird eine Ausführungsform mit mehreren kreisringförmigen Schlitzdüsen verwen­ det, so braucht die Wandspülung nur dort erfolgen, wo durch die Anordnung der kreisringförmigen Schlitze die Möglichkeit einer Berührung der Aerosolteilchen mit den Wänden gegeben ist.

Fig. 1 zeigt eine Geberrahmenplatte 1 und eine Empfängerrahmenplatte 2, in die eine Schlitzeinheit eingesteckt ist. Die Schlitzeinheit besteht aus folgenden Teilen: Die Empfänger-Innenplatte 3 und die Empfänger-Ringplatte 4 sind über Abstands­ stücke 5 und 6 mit Geber-Ringplatte 7 und Geber-Innenplatte 8 verschraubt. Geber- Ringplatte 7 und Geber-Innenplatte 8 sind über Bügel 9 miteinander verbunden. Die Bügel 9 sind auf der dem Schlitz zugewandten Seite zu einer scharfen Schneide ge­ formt, um in der zuströmenden Luft keine Wirbel zu bilden. Die Zuführung zu dem Geberschlitz 10 ist aus dem gleichen Grund gerundet. Der Empfängerschlitz 11 hat scharfe Schneiden. Die Absaugung 12 führt die nach innen ausweichende Luft ab. An der Stelle 13 ist der Querschnitt der Bügel 9 wiedergegeben, aus dem die keil­ förmige Schneide an der Innenseite der Bügel ersichtlich wird.

Ein bevorzugte Ausführungsform für die Sammlung von Partikeln oberhalb von 2,5 Mikrometern Durchmesser aus einem Luftstrom von 1,2 Kubikmeter pro Minute besteht in der Anordnung von 4 Schlitzeinheiten mit ringförmigen Schlitzen von et­ wa 55 Millimeter Durchmesser in einem Rahmenplattenpaar 1, 2. Die Geberschlitze 10 haben eine Breite von 1,1 Millimeter, die Empfängerschlitze 11 sind 1,5 Millimeter breit. Der Abstand der Schlitzkanten beträgt 1,8 Millimeter. Die Schlitze müssen auf 0,1 Millimeter genau mittig zueinander justiert sein. Es ergibt sich daraus eine Ab­ schneideschwelle von 2,5 Mikrometer für den aerodynamischem Durchmesser von Partikeln normaler Dichte.

Soll die Abschneideschwelle tiefer liegen, so ist das unter Verringerung des Luft­ stroms durch feinere Schlitze zu erreichen. Die Verringerung des Luftstroms kann andererseits wieder durch Verlängerung der gesamten Schlitzlänge ausgeglichen werden.

Mit einer Wandspülung von 2 Litern pro Minute und einer Geschwindigkeit von etwa 40 Millimetern pro Sekunde werden Partikel bis 10 Mikrometer Durchmesser ohne Ablagerungen zur zweiten Stufe geführt. Mit einer zweiten Stufe aus 19 Düsen zu je 1,1 Millimetern Durchmesser ergibt sich ein Ausgangsstrom von nur 2 Litern pro Minute, der etwa 55% aller Partikel des Eingangsstroms oberhalb der Abschnei­ deschwelle führt.

Um den Eingangsstrom von 1,2 Kubikmeter pro Minute aufrechtzuerhalten, ist ein Unterdruck von etwa 8 Millibar unter Außendruck zu erzeugen.

Um eine Verschmutzung der Düsen mit Flusen und Fasern, aber auch mit großen pflanzlichen Pollen zu vermeiden, wird ein Filter mit einer oberen Durchlaßschwelle von etwa 10 Mikrometern vorgeschaltet. Dieses Filter hat eine reine Schutzfunktion, es ist sonst ohne Wirkung.

Claims (10)

1. Virtueller Impaktor für die Anreicherung von Aerosolteilchen, enthaltend eine Geberplatte (1) mit schlitzförmigen Geberdüsen (10) und eine dazu parallele Empfängerplatte (2) mit schlitzförmigen Empfängerdüsen (11), eine Impaktorkam­ mer mit gedrosselten Auslaßöffnungen hinter den Empfängerdüsen, eine Absau­ gung zwischen den Platten und eine Absaugung an den gedrosselten Auslaßöffnun­ gen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze der Geber- und Empfängerdüsen (10, 11) kreisringförmig ausgebil­ det und innere (3, 8) und äußere (4, 7) Düsenränder in ihrer Position zueinander durch mechanische Halteglieder fixiert sind.

2. Virtueller Impaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ saugung zwischen den beiden Impaktorplatten vom Rande der Platten her und durch Saugöffnungen (12) im Zentrum der kreisförmigen Schlitzdüsen erfolgt.

3. Virtueller Impaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saug­ öffnungen (12) in der Geberplatte (1) angebracht sind.

4. Virtueller Impaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mechanischen Halteglieder zur Fixierung der Position der Düsenränder als U-förmige Haltebrücken (9) ausgebildet sind.

5. Virtueller Impaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mechanischen Halteglieder zur Fixierung der Position der Düsenränder aus U-förmigen Haltebrücken (9) und aus Abstandsstücken (5, 6) zwi­ schen Geber- (1) und Empfängerplatten (2) ausgebildet sind.

6. Virtueller Impaktor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dem Schlitz (10) zugekehrten Innenseiten der U-förmigen Halte­ brücken (9) zu einer scharfen Schneide mit einem Winkel kleiner als 90 Grad ge­ formt sind.

7. Virtueller Impaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Impaktorkammer hinter den Empfängerdüsen (11) konisch geformt ist, wobei der Konus die Aerosolteilchen zu den Ausgangsöffnungen der Kammer führt.

8. Virtueller Impaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die koni­ schen Wände der Impaktorkammer mit einer Wandspülung aus Gas versehen sind, die Wandberührungen der Aerosolteilchen verhindern und die Aerosolteilchen zu den Auslaßöffnungen führen.

9. Virtueller Impaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandspülung mit Gas nur dort vorgesehen ist, wo durch die Anordnung der kreis­ ringförmigen Schlitze die Möglichkeit einer Berührung der Aerosolteilchen mit den Wänden gegeben ist.

10. Virtueller Impaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen der Impaktorkammer als Geberdüsen (10) einer nachfolgenden Impaktorstufe ausgebildet sind.