WO2017001540A1 - Vorrichtung und verfahren zum entfernen von flüchtigen partikeln aus einem probengas - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum entfernen von flüchtigen partikeln aus einem probengas Download PDF

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Athanasios MAMAKOS
Bogdan Valentan
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for removing volatile particles from a sample gas charged with volatile and solid particles, wherein a catalyst connected to a sample gas supply line and a catalyst downstream of the evaporator are provided, and the evaporator is the sample gas heated to convert the volatile particles in the gas phase, and the catalyst removes the gaseous phase transferred volatile particles, wherein the evaporator of the device is designed as Evaporatorrohr with a Evaporatorwand.
  • a compact devolatilization device in a nebulized gas stream charged with volatile and solid particles, e.g. an aerosol, forth.
  • Such a gas stream occurs in particular in the form of exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the volatile particles must be removed in order to prevent falsification of the measurement result caused by these particles.
  • the volatile particles are first heated in an evaporator and thereby converted into the gas phase.
  • the evaporator is followed downstream by a catalyst in which the volatile particles transferred to the gas phase are removed.
  • the device For mobile applications of the device according to AT 13 239 U1, ie in a device which is to be arranged on a vehicle, the device has to be very compact and light in order to be able to accommodate it at all on the vehicle and by the weight of the device Do not over-influence the normal behavior of the vehicle.
  • the size of the device should be as far as possible lent reduced.
  • the components of the device ie evaporator and catalyst, require a certain size or overall length for their function.
  • the evaporator can not be made arbitrarily short, since a sufficient length is necessary to heat the gas flowing through the evaporator to the required temperature (typically 280 ° C to 400 ° C). If the evaporator is too short at a certain flow rate of the gas, it can happen that the subsequent catalyst does not work optimally, since the gas can not be brought to the required temperature. Also, the catalyst can not be made arbitrarily small, since a certain active surface in the catalyst for the catalytic reaction is required.
  • Evaporator a Evaporator core is arranged, which is in thermal contact with the Evaporatorwand and in which at least one axial passageway passage is provided.
  • the method according to the invention is characterized in that the sample gas supplied to the evaporator is divided in the evaporator into a plurality of preferably parallel partial flows, by passing the sample gas through a plurality of axial passageways with heated surfaces in a heated evaporator core of the evaporator, whereby the partial flows are guided and heated over the heated surfaces of the axial passageways.
  • the evaporator is heated via its evaporator wall. Due to the thermal contact of the evaporator core with the evaporator wall, the evaporator core is also heated.
  • the sample gas passes through formed in Evaporatokern axial passageways.
  • the sample gas is divided on the one hand to a plurality of partial flows, the partial flows are all performed on heated surfaces.
  • a very efficient heating of the sample gas can be ensured in the evaporator.
  • the length of the evaporator can thus be reduced, so that the entire device can be made more compact.
  • the many partial flows can reduce the turbulence of the sample gas in the evaporator, which can also reduce associated problems with deposits of particles on the walls of the evaporator.
  • a number of radially projecting webs are provided on the evaporator core distributed over the circumference, which rest at least partially against the Evaporatorwand and is provided in the circumferential direction between the webs at least one axial passageway.
  • a direct heat transfer is realized by heat conduction, which supports the temperature control of Evaporatorkerns.
  • the required axial passageways also form between the webs.
  • a very compact, easy-to-use device results when the evaporator with the Evaporator core is made in one piece by distributed over the circumference at least one axially extending StegausEnglishept to form an axial passageway is provided, the at least one web, the Evaporator and the Evaporatorwand educated .
  • the available flow area through the Evaporator core can be increased if the Evaporator at least one axially continuous recess is provided which forms at least one further axial passageway.
  • a flow-calming section may be provided on the axial end of the evaporator core facing the feed line. This is preferably designed as a tapered axial end of the Evaporator core.
  • the available heated surface in the evaporator can be further increased by a transition region is provided between the supply line and the evaporator, in which the flow cross section of the supply line merges with a larger flow cross-section of the evaporator.
  • the flow of sample gas can be very easily influenced at the entrance to the evaporator when the flow calming section projects at least partially into the transition area or into the transition area and the feed line. Depending on how far the flow calming section protrudes, various effects on the flow will result, thus having a parameter for adjusting the flow to different applications of the device.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention with evaporator with evaporator core
  • FIG. 7 shows a one-piece version of the evaporator Evaporator with core.
  • the device comprises an evaporator 2 and a catalyst 3 arranged downstream thereof.
  • the catalyst 3 can be designed as described in AT 13 239 111.
  • Sample gas for example exhaust gas of an internal combustion engine, is supplied via a supply line 4.
  • To the supply line 4 can be any gas Feeder be connected.
  • the sample gas is supplied to a first diluter unit 5, in which the sample gas is diluted with dilution air.
  • the first diluter unit 5 is optional and may be omitted.
  • the diluted sample gas flows from the first diluter unit 5 into the evaporator 2, in which the volatile constituents of the sample gas are converted into the gas phase, ie volatilized.
  • the volatilization is usually carried out by heating the sample gas in the evaporator 2 to a temperature required for this, which may vary depending on the nature of the sample gas. These volatilized particles are removed in the subsequent catalyst 3 by a catalytic reaction.
  • a second diluent unit 6 Downstream of the catalyst 3, a second diluent unit 6 is arranged, in which sample gas flowing out of the catalyst 3 and released from the volatiles is diluted once more with dilution air.
  • the second diluter unit 6 is optional and may be omitted.
  • the thus purified sample gas is discharged via a discharge line 7 from the device. To the discharge line 7, any gas discharge can be connected, for example, a connection line to a gas analyzer for the analysis of the processed sample gas.
  • Removal is therefore understood to mean a distance which allows the sample gas thus treated to be analyzed in a subsequent gas analyzer without negative disturbances by the volatile particles - for example a removal of at least 90% of the volatiles present.
  • the first diluter unit 5, the evaporator 2 and the catalyst 3 are arranged in a first, heated part of the device 1.
  • a heated base body 8 (one-piece or multi-part), for example made of stainless steel or aluminum, may be provided, in which these components are arranged.
  • the heated base body 8 may, at least partially, be surrounded by a thermal insulation 9.
  • the second diluter unit 6 is arranged in a second unheated part of the device 1.
  • heating cartridges 10, 1 1 can be arranged, with which the main body 8 is heated. It can e.g. a first heating cartridge 1 1 may be arranged approximately at the level of the evaporator 2 for controlling the temperature of the evaporator 2 and a second heating cartridge 10 approximately at the height of the catalyst 3 for controlling the temperature of the catalyst 3. This makes it possible to keep the evaporator 2 and the catalyst 3 at different temperatures.
  • the heating cartridges 10, 1 1 are preferably designed as well-known electric heating cartridges.
  • the evaporator 2 is typically to a temperature range of 150 ° C to Tempered at 400 ° C.
  • the catalyst 3 is typically also heated to a temperature range of 150 ° C to 400 ° C.
  • the first and second dilution units 5, 6 are designed in the embodiment shown as per se known thinner with porous gas lines.
  • the supply line 4 or the discharge line 7 is made porous over a certain length, for example in the form of a plurality of holes in the wall of the respective line.
  • This porous portion of the supply line 4 or the discharge line 7 is surrounded by a sealed or sealed cavity 12, in which the dilution air is supplied under pressure.
  • a dilution air line 13 can open into the respective cavity 12, to which any desired air supply can be connected.
  • a metering valve 14 may be arranged in the dilution air line 13 in order to be able to regulate the amount of dilution air supplied.
  • the execution of the diluting units 5, 6 with porous lines is only an example and in principle any suitable diluting unit, even different diluting units, can be used.
  • the evaporator 2 is essentially formed by a Evaporatorrohr 20 with a Evaporatorwand 29, as shown in Figure 2.
  • the catalyst 3 connects.
  • the feed line 4 opens into the evaporator 2.
  • a transition region 24 is provided on the evaporator tube 20 along which the feed line 4 conically rises from a smaller flow cross section of the feed line 4 to a larger flow cross section of the evaporator tube 20.
  • the evaporator tube 20 is arranged in the heated part of the device 1, preferably in the base body 8 as described above and is in thermal contact with the heated part or the main body 8 via its evaporator wall 29.
  • the evaporator tube 20 is opened by the first heating cartridge 11 brought a required temperature to heat the flowing through the evaporator tube 20 sample gas to volatilize the volatile particles.
  • the first heating cartridge 1 1 directly heat the evaporator tube 20, for example, by being in direct contact with the Evaporatorwand 29 of the evaporator 2.
  • an evaporator core 21 is arranged in the evaporator tube 20 according to the invention.
  • the Evaporator core 21 is in thermal contact with the Evaporatorwand 29.
  • the Evaporatorkern 21 is mitgeBCt.
  • the evaporator core 21 is thus heated to the substantially same temperature as the Evaporatorwand 29.
  • the thermal contact can be made via a direct contact of a part of the Evaporatorkerns 21 with the Evaporatorwand 29 and heat conduction, for example by the Evaporator core 21 on the inside of Evaporatorwand 29 is arranged adjacent.
  • the evaporator core 21 must not close the flow channel through the evaporator 2, which is why a number of axial passageways 30 are provided in the evaporator core 21 through which the sample gas can flow axially through the evaporator 2. Due to the axial passageways 30 of the sample gas stream is thus divided into several partial flows through the Evaporator core. Through the Evaporator core 21 and the axial passageways 30, the heated surface over which flows through the sample gas flowing increases. The sample gas is thus heated more uniformly. At the same time, the evaporator 2 can also be made shorter at a certain flow rate, since a larger heating surface is available.
  • FIG. 3 shows an evaporator core 21 with axial, continuous grooves 26 on the outer peripheral surface 25 as axially continuous recesses, between which radially projecting webs 28 are formed.
  • the evaporator core 21 has distributed over the circumference a plurality of radially projecting webs 28, which can also be used to position the Evaporator core 21 in the Evaporatorrohr 20.
  • the webs 28 are spaced from each other in the circumferential direction and extend over at least part of the axial length of the Evaporatorkerns 21.
  • the webs 28 may also be interrupted in the axial direction one or more times. Thus, at least one web 28 is in direct thermally conductive contact with the Evaporatorwand 29 of the evaporator 2.
  • the thermal contact for example, at least partially over the outer peripheral surface 25 of the Evaporatorkernes 21, which is at least partially formed by the radial ends of the webs 28, are prepared in that the outer peripheral surface 25 rests at least partially against the inside of the evaporator wall 29 of the evaporator tube 20.
  • the thermal contact could also be produced by the flanks of the webs 28. Via this thermally conductive contact, the evacuator core 21 is also heated via the heated evaporator wall 29 of the evaporator 2.
  • the evaporator core 21 is also heated by heat radiation from the hotter evaporator wall 29 of the evaporator tube 20.
  • the evaporator core 21 has essentially the same temperature as the evaporator tube 20 in the main body 8.
  • axial passageways 30 are formed for the flow of sample gas.
  • axially continuous recesses 27 for example, holes, provided that form further axial passageways 30.
  • a flow calming section 23 can be provided on the axial end of the evaporator core 21 facing the feed line 4, which should prevent or at least reduce turbulence in the flow of the sample gas through the evaporator 2.
  • the flow calming section 23 can at least partially project into the feed line 4.
  • the flow calming section 23 is designed as a tapered axial end of the evaporator core 21.
  • the flow-calming section 23 preferably projects axially into the transition region 24 between the supply line 4 and the evaporator tube 20 and thus influences the flow in the transition region 24 in the intended flow-calming manner.
  • FIGS. 4 and 5 show further embodiments of the evaporator core 21.
  • a plurality of radially projecting webs 28 are arranged distributed over the circumference. The radially outer ends of the webs 28 form the outer peripheral surface 25 of the Evaporatorkernes 21 through which the Evaporator core 21 can be positioned and held in the Evaporatorrohr 20 again.
  • axially continuous recesses 27 may be provided in the evaporator core 21 for the formation of further axial passageways 30 (FIG. 5).
  • the evaporator core 21 again has a flow calming section 23 in the form of a pointed axial end at one axial end.
  • FIG. 1 Another possible embodiment of the evaporator core 21 is shown in FIG.
  • This evaporator core 21 has a star-shaped base surface with a plurality of radially projecting webs 28, which form the outer peripheral surface 25 of the Evaporatorkernes 21 at their radial ends.
  • the star-shaped base surface is extruded along the longitudinal axis of the Evaporatorkernes 21, wherein, as in Figure 6, each cross-section can also be rotated about the longitudinal axis by an angle.
  • the webs 28 can also be tapered tapering at an axial end in order to form a flow calming section 23.
  • the axial passageways 30 arise for the sample gas.
  • recesses 27 may be provided in the Evaporator core 21 to form additional axial passageways 30.
  • a closed outer circumferential surface 25 on the evaporator core 21 which is at least partially in thermal contact with the inside of the evacuator wall 29.
  • a number of axially continuous recesses 27 are then provided to form further axial passageways 30.
  • the Evaporatorkern 21 with the webs 28 is always made in one piece in the described embodiments. In principle, it is also possible to produce the Evaporator core 21 in several parts.
  • the evaporator core 21 is a separate component which is inserted into the evaporator tube 20.
  • the evaporator tube 20 and the Evaporator core 21 may also be made in one piece, for example as a casting or milled from the solid component, as will be described with reference to FIG.
  • the evaporator 2 in the evaporator 2 as axially continuous recesses distributed over the circumference a plurality of axially continuous web recesses 31 inserted. works, which form the webs 28 and thus also axial passageways 30 between the webs 28.
  • the above-described axial passageways 30 in the evaporator 2 are preferably designed such that they also have a flow-calming effect on the flow of the sample gas through the evaporator 2.
  • turbulence in the flow through the evaporator 2 should thus be avoided or at least reduced in order to counteract deposits of particles in the sample gas on the walls of the evaporator 2.
  • This flow section 32 is preferably designed as an axial extension of the evaporator tube 20 that projects beyond the axial end of the evaporator core 21.
  • the device for removing volatile particles from a sample gas can be easily adapted to different applications.

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Abstract

Um ein Probengas in einem Evaporator effizient erwärmen zu können, ist vorgesehen, dass im Evaporator (2) ein Evaporatorkern (21) angeordnet ist, der in thermischen Kontakt mit der Evaporatorwand (29) steht und in dem zumindest ein axialer Durchtrittskanal (30) vorgesehen ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen von flüchtigen Partikeln aus einem Probengas
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen von flüchtigen Partikeln aus einem Probengas, das mit flüchtigen und festen Partikeln geladen ist, wobei ein mit einer Zuführleitung für das Probengas verbundener Evaporator und stromabwärts vom Evaporator ein Katalysator vorgesehen sind und der Evaporator das Probengas erwärmt, um die flüchtigen Partikel in die Gasphase überzuführen, und der Katalysator die in die Gasphase überführten flüchtigen Partikel entfernt, wobei der Evaporator der Vorrichtung als Evaporatorrohr mit einer Evaporatorwand ausgeführt ist. Aus der AT 13 239 U1 geht eine kompakte Vorrichtung zum Entfernen von flüchtigen Bestandteilen in einem mit flüchtigen und festen Partikeln geladenen, unverdünnten Gasstrom, wie z.B. ein Aerosol, hervor. Ein solcher Gasstrom kommt insbesondere in Form von Abgas eines Verbrennungsmotors vor. Um einen solchen Gasstrom in einem Gasanalysator, z.B. ein Partikelzähler zur Bestimmung der Partikelkonzentration, analysieren zu können, müssen die flüchtigen Partikel entfernt werden, um durch diese Partikel verursachte Verfälschungen des Messergebnisses zu verhindern. In der AT 13 239 U1 werden die flüchtigen Partikel zuerst in einem Evaporator erhitzt und dadurch in die Gasphase überführt. An den Evaporator schließt stromabwärts ein Katalysator an, in dem die in die Gasphase überführten flüchtigen Partikel entfernt werden. Für mobile Anwendungen der Vorrichtung nach der AT 13 239 U1 , also in einem Gerät, das an einem Fahrzeug angeordnet werden soll, muss die Vorrichtung sehr kompakt und leicht ausgeführt sein, um diese überhaupt am Fahrzeug unterbringen zu können und um durch das Gewicht der Vorrichtung das normale Verhalten des Fahrzeugs nicht zu stark zu beeinflussen. Aufgrund dieser Anforderungen soll die Baugröße der Vorrichtung so weit wie mög- lieh reduziert werden. Allerdings benötigen die Komponenten der Vorrichtung, also Evaporator und Katalysator, für ihre Funktion eine gewissen Baugröße bzw. Baulänge. Der Evaporator kann nicht beliebig kurz gemacht werden, da eine ausreichende Länge notwendig ist, um das durch den Evaporator strömende Gas auf die benötigte Temperatur (typisch 280°C bis 400°C) zu erhitzen. Ist der Evaporator bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu kurz, kann es passieren, dass der nachfolgende Katalysator nicht optimal arbeitet, da das Gas nicht auf die benötigte Temperatur gebracht werden kann. Auch der Katalysator kann nicht beliebig klein gemacht werden, da eine bestimmte aktive Oberfläche im Katalysator für die katalytische Reaktion erforderlich ist.
Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine besonders kompakte Anordnung, und ein zugehöriges Verfahren zum effizienten Erwärmen des Probengases, aus Eva- porator und Katalysator zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem Probengas anzugeben, die insbesondere in mobilen Anwendungen einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Evaporator ein Evaporatorkern angeordnet ist, der in thermischen Kontakt mit der Evaporatorwand steht und in dem zumindest ein axialer Durchtrittskanals vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das dem Evaporator zugeführte Probengas im Evaporator in eine Mehrzahl von vorzugsweise parallel verlaufenden Teilströmungen aufgeteilt wird, indem das Probengas in einem beheizten Evaporatorkern des Evaporators durch eine Mehrzahl von axialen Durchtrittskanälen mit beheiz- ten Oberflächen geführt wird, wodurch die Teilströmungen über die beheizten Oberflächen der axialen Durchtrittskanälen geführt und erwärmt werden.
Der Evaporator wird über dessen Evaporatorwand beheizt. Durch den thermischen Kontakt des Evaporatorkerns mit der Evaporatorwand wird auch der Evaporatorkern mitgeheizt. Das Probengas tritt durch im Evaporatokern ausgebildeten axialen Durchtrittskanälen hindurch. Damit wird das Probengas einerseits auf mehrere Teilströmungen aufgeteilt, wobei die Teilströmungen allesamt über beheizte Oberflächen geführt werden. Somit kann eine sehr effiziente Erwärmung des Probengases im Evaporator sichergestellt werden. Die Baulänge des Evaporators kann damit reduziert werden, womit auch die gesamte Vorrichtung kompakter ausgeführt werden kann. Darüber hinaus können durch die vielen Teilströmungen Turbulen- zen des Probengases im Evaporator reduziert werden, womit damit auch verbundene Probleme mit Ablagerungen von Partikeln an den Wandungen des Evaporators verringert werden können.
Vorzugsweise sind am Evaporatorkern über den Umfang verteilt eine Anzahl von radial abstehenden Stegen vorgesehen, die zumindest teilweise an der Evaporatorwand anliegen und in Umfangsrichtung zwischen den Stegen zumindest ein axialer Durchtrittskanal vorgesehen ist. Durch die Stege kann der Evaporatorkern auf einfache Weise im Evaporatorrohr positioniert und gehalten werden, wobei gleichzeitig auch ein direkter Wärmeübergang durch Wärmeleitung realisiert wird, was die Temperierung des Evaporatorkerns unterstützt. Zwischen den Stegen bilden sich gleichzeitig aber auch die benötigten axiale Durchtrittskanäle aus. Eine sehr kompakte, einfach zu handhabende Vorrichtung ergibt sich, wenn der Evaporator mit dem Evaporatorkern einteilig ausgeführt ist, indem über den Umfang verteilt zumindest eine axial durchgehende Stegausnehmungen zur Ausbildung eines axialen Durchtrittskanals vorgesehen ist, die den zumindest einen Steg, den Evaporatorkern und die Evaporatorwand ausgebildet . Die verfügbare Strömungsfläche durch den Evaporatorkern kann vergrößert werden, wenn im Evaporatorkern zumindest eine axial durchgehende Ausnehmung vorgesehen ist, die zumindest einen weiteren axialen Durchtrittskanal ausbildet. Durch die Erhöhung der Anzahl der Teilströmungen durch den Evaporatorkern kann die Strömungsgeschwindigkeit des Teilströme durch den Evaporatorkern verringert werden, womit turbulente Strömungen, die zu Partikelablagerungen führen können, vermeiden oder zumindest verringert werden können.
Um am Eingang zum Evaporator Turbulenzen und damit verbundene Partikelablagerungen zu vermeiden, oder zumindest zu verringern, kann am der Zuführleitung zugewandten axialen Ende des Evaporatorkerns ein Stromungsberuhigungsabschnitt vorgesehen ist. Dieser ist vorzugsweise als spitz zusammenlaufendes axiales Ende des Evaporatorkerns ausgeführt.
Die verfügbare beheizte Oberfläche im Evaporator kann zusätzlich vergrößert werden, indem zwischen der Zuführleitung und dem Evaporator ein Übergangsbereich vorgesehen ist, in dem der Strömungsquerschnitt der Zuführleitung auf einen größeren Strömungsquerschnitt des Evaporators übergeht.
Die Strömung des Probengases kann am Eingang zum Evaporator sehr einfach beeinflusst werden, wenn der Stromungsberuhigungsabschnitt zumindest teilweise in den Übergangsbereich oder in den Übergangsbereich und die Zuführleitung hineinragt. Je nachdem wie weit der Stromungsberuhigungsabschnitt hineinragt, werden sich verschiedene Auswirkungen auf die Strömung ergeben, womit man einen Parameter zum Anpassen der Strömung auf verschiedene Anwendungen der Vorrichtung hat.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Evaporator mit Evaporatorkern,
Fig.2 eine Detailansicht des Evaporators mit Evaporatorkern,
Fig.3 bis 6 vorteilhafte Ausgestaltungen des Evaporatorkerns und
Fig.7 eine einteilige Ausführung des Evaporators mit Evaporatorkern.
In Fig.1 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Entfernung der flüchtigen Partikel (z.B. Kohlenwasserstoffe, S03, H2S04, wie typischerweise in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthalten) aus einem Probengas, das flüchtige und feste Partikel enthält, gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Evaporator 2 und einen stromabwärts davon angeordneten Katalysator 3. Der Katalysator 3 kann wie in der AT 13 239 111 beschrieben ausgeführt sein. Über eine Zuführleitung 4 wird Probengas, beispielsweise Abgas eines Verbrennungsmotors, zugeführt. An die Zuführleitung 4 kann eine beliebige Gas- Zuführung angeschlossen werden. Das Probengas wird einer ersten Verdünnereinheit 5 zugeführt, in der das Probengas mit Verdünnungsluft verdünnt wird. Die erste Verdünnereinheit 5 ist optional und kann auch weggelassen werden. Das verdünnte Probengas strömt von der ersten Verdünnereinheit 5 in den Evaporator 2, in dem die flüchtigen Bestandteile des Pro- bengases in die Gasphase überführt, also verflüchtigt werden. Das Verflüchtigen erfolgt in der Regel durch Erwärmung des Probengases im Evaporator 2 auf eine dafür benötigte Temperatur, die je nach Beschaffenheit des Probengases variieren kann. Diese verflüchtigten Partikel werden im nachfolgenden Katalysator 3 durch eine katalytische Reaktion entfernt. Stromabwärts des Katalysators 3 ist eine zweite Verdünnereinheit 6 angeordnet, in der aus dem Katalysator 3 ausströmendes und von den flüchtigen Bestandteilen befreites Probengas ein weiteres Mal mit Verdünnungsluft verdünnt wird. Die zweite Verdünnereinheit 6 ist optional und kann auch weggelassen werden. Das derart aufbereitete Probengas wird über eine Abführleitung 7 aus der Vorrichtung abgeführt. An die Abführleitung 7 kann eine beliebige Gasabführung angeschlossen werden, beispielsweise eine Verbindungsleitung zu einem Gasanalysator zur Analyse des aufbereiteten Probengases.
Hierzu ist anzumerken, dass es nicht möglich ist, sämtliche im Probengas enthaltenen flüchtigen Partikel vollständig zu entfernen. Unter„Entfernen" wird daher eine Entfernung verstanden, die es erlaubt, das derart aufbereitete Probengas in einem nachfolgenden Gasanalysator ohne negative Störungen durch die volatilen Partikel zu untersuchen - beispielsweise eine Entfernung von zumindest 90% der enthaltenen flüchtigen Partikel.
Die erste Verdünnereinheit 5, der Evaporator 2 und der Katalysator 3 sind in einem ersten, beheizten Teil der Vorrichtung 1 angeordnet. Hierzu kann ein beheizter Grundkörper 8 (einteilig oder mehrteilig), beispielsweise aus Edelstahl oder Aluminium, vorgesehen sein, in dem diese Komponenten angeordnet sind. Der beheizte Grundkörper 8 kann, zumindest teilweise, auch von einer thermischen Isolierung 9 ummantelt sein. Die zweite Verdünnereinheit 6 ist in einem zweiten ungeheizten Teil der Vorrichtung 1 angeordnet.
Am beheizten Grundkörper 8 können Heizpatronen 10, 1 1 angeordnet sein, mit denen der Grundkörper 8 beheizt wird. Es kann z.B. eine erste Heizpatrone 1 1 in etwa auf Höhe des Evaporators 2 zum Temperieren des Evaporators 2 und eine zweite Heizpatrone 10 in etwa auf Höhe des Katalysators 3 zum Temperieren des Katalysators 3 angeordnet sein. Das erlaubt es, den Evaporator 2 und den Katalysator 3 auf unterschiedlichen Temperaturen zu halten. Die Heizpatronen 10, 1 1 sind vorzugsweise als hinlänglich bekannte elektrische Heizpatronen ausgeführt.
Für die Verwendung der Vorrichutng 1 für ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine als Probengas wird der Evaporator 2 typischerweise auf einen Temperaturbereich von 150°C bis 400°C temperiert. Der Katalysator 3 wird typischerweise ebenfalls auf einen Temperaturbereich von 150°C bis 400°C temperiert.
Die erste und zweite Verdünnereinheiten 5, 6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als an sich bekannter Verdünner mit porösen Gasleitungen ausgeführt. Hierbei ist die Zuführleitung 4 oder die Abführleitung 7 über eine gewisse Länge porös ausgeführt, beispielsweise in Form einer Mehrzahl von Bohrungen in der Wand der jeweiligen Leitung. Dieser poröse Abschnitt der Zuführleitung 4 oder der Abführleitung 7 ist von einem abgeschlossenen bzw. abgedichteten Hohlraum 12 umgeben, in dem die Verdünnungsluft unter Druck zugeführt wird. Dazu kann in den jeweiligen Hohlraum 12 eine Verdünnungsluftleitung 13 münden, an die eine beliebige Luftzuführung angeschlossen werden kann. Vor dem jeweiligen Hohlraum 12 kann in der Verdünnungsluftleitung 13 auch ein Dosierventil 14 angeordnet sein, um die Menge der zugeführten Verdünnungsluft regeln zu können.
Die Ausführung der Verdünnereinheiten 5, 6 mit porösen Leitungen ist nur beispielhaft und es kann grundsätzlich jede beliebige geeignete Verdünnereinheit, auch unterschiedliche Verdünnereinheiten, eingesetzt werden.
Der Evaporator 2 wird im Wesentlich durch ein Evaporatorrohr 20 mit einer Evaporatorwand 29 ausgebildet, wie in Fig.2 gezeigt. Am stromabwärtigen Ende des Evaporatorrohres 20 schließt der Katalysator 3 an. Am stromaufwärtigen Ende mündet die Zuführleitung 4 in den Evaporator 2. Dazu ist am Evaporatorrohr 20 ein Übergangsbereich 24 vorgesehen, entlang dem die Zuführleitung 4 kegelförmig von einem kleineren Strömungsquerschnitt der Zuführleitung 4 auf einen größeren Strömungsquerschnitt des Evaporatorrohres 20 aufgeht.
Das Evaporatorrohr 20 ist im beheizten Teil der Vorrichtung 1 , vorzugsweise im Grundkörper 8, angeordnet wie oben beschrieben und steht über seine Evaporatorwand 29 in thermischen Kontakt mit dem beheizten Teil bzw. dem Grundkörper 8. Das Evaporatorrohr 20 wird durch die erste Heizpatrone 1 1 auf eine benötigte Temperatur gebracht, um das durch das Evaporatorrohr 20 strömende Probengas zum Verflüchtigen der flüchtigen Partikel zu erwärmen. Dazu kann die erste Heizpatrone 1 1 das Evaporatorrohr 20 direkt erwärmen, beispielsweise indem es in direktem Kontakt mit der Evaporatorwand 29 des Evaporators 2 steht. Es ist aber auch eine auch indirekt Heizung des Evaporators 2 möglich, indem die Heizpatrone 1 1 den Grundkörper 8 erwärmt und der Evaporator 2 über seine Evaporatorwand 29 im Grundkörper 8 angeordnet ist, womit ein Wärmeübergang vom Grundkörper 8 auf den Evaporator 2 sichergestellt ist.
Um eine bessere und gleichmäßigere Erwärmung des Probengases im Evaporator 2 sicherzustellen, ist im Evaporatorrohr 20 erfindungsgemäß ein Evaporatorkern 21 angeordnet. Der Evaporatorkern 21 ist in thermischen Kontakt mit der Evaporatorwand 29. Über den thermischen Kontakt mit der Evaporatorwand 29, die im beheizten Grundkörper 8 angeordnet ist, wird der Evaporatorkern 21 mitgeheizt. Der Evaporatorkern 21 wird damit auf die im Wesentlichen selbe Temperatur temperiert wie die Evaporatorwand 29. Der thermische Kontakt kann dabei über einen direkten Kontakt eines Teils des Evaporatorkerns 21 mit der Evaporatorwand 29 und Wärmeleitung hergestellt werden, beispielsweise indem der Evaporatorkern 21 an der Innenseite der Evaporatorwand 29 anliegend angeordnet ist. Denkbar ist aber auch ein indirekter thermischer Kontakt zwischen Evaporatorkern 21 und Evaporatorwand 29, beispielsweise durch von der Evaporatorwand 29 ausgehenden Wärmestrahlung, die den Evaporatorkern 21 erwärmt. Vorzugsweise wird mit dem Evaporatorkern 21 sowohl die Wärmeleitung, als auch die Wärmestrahlung zum Temperieren des Evaporatorkerns 21 ausgenutzt.
Der Evaporatorkern 21 darf den Strömungskanal durch den Evaporator 2 natürlich nicht verschließen, weshalb im Evaporatorkern 21 eine Anzahl von axialen Durchtrittskanälen 30 vor- gesehen sind, durch die das Probengas axial durch den Evaporator 2 durchströmen kann. Aufgrund der axialen Durchtrittskanäle 30 wird der Probengasstrom damit auf mehrere Teilströmungen durch den Evaporatorkern aufgeteilt. Durch den Evaporatorkern 21 und die axialen Durchtrittskanäle 30 wird die beheizte Oberfläche, über die das durchströmende Probengas strömt, vergrößert. Das Probengas wird damit gleichmäßiger erwärmt. Gleichzeitig kann der Evaporator 2 bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit damit auch kürzer gebaut werden, da eine größere Heizfläche verfügbar ist.
Nachfolgend werden mit Bezugnahme auf die Figuren 3 bis 7 beispielsweise vorteilhafte Ausgestaltungen eines Evaporators 2 bzw. eines Evaporatorkerns 21 beschrieben.
Fig.3 zeigt einen Evaporatorkern 21 mit axialen, durchgehenden Nuten 26 an der äußeren Umfangsfläche 25 als axial durchgehende Ausnehmungen, zwischen denen radial abstehende Stege 28 ausgebildet werden. Der Evaporatorkern 21 hat dadurch über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von radial abstehenden Stegen 28, die auch genutzt werden können, um den Evaporatorkern 21 im Evaporatorrohr 20 zu positionieren. Die Stege 28 sind dazu in Umfangsrichtung beabstandet voneinander angeordnet und erstrecken sich zumindest über einen Teil der axialen Länge des Evaporatorkerns 21. Die Stege 28 können in axialer Richtung auch ein- oder mehrmals unterbrochen sein. Damit ist zumindest ein Steg 28 in direkten thermisch leitenden Kontakt mit der Evaporatorwand 29 des Evaporators 2. Der thermische Kontakt kann beispielsweise zumindest teilweise über die äußere Umfangsfläche 25 des Evaporatorkernes 21 , die zumindest teilweise von den radialen Enden der Stege 28 gebildet wird, hergestellt werden, indem die äußere Umfangsfläche 25 zumindest teilweise an der Innenseite der Evaporatorwand 29 des Evaporatorrohrs 20 anliegt. Es ist aber auch denkbar, an der radial inneren Umfangsfläche des Evaporatorrohres 20 axiale Nuten vorzusehen, in denen die Stege 28 des Evaporatorkernes 21 eingreifen, womit eine Verdrehsicherung des Evaporatorkerns 21 erzielt wäre. Der thermische Kontakt könnte dabei auch durch die Flanken der Stege 28 hergestellt werden. Über diesen thermisch leitenden Kontakt wird der Eva- poratorkern 21 über die beheizten Evaporatorwand 29 des Evaporators 2 mitgeheizt. Der Evaporatorkern 21 wird aber natürlich auch durch Wärmestrahlung von der heißeren Evaporatorwand 29 des Evaporatorrohrs 20 erwärmt. Der Evaporatorkern 21 hat dadurch im Wesentlichen dieselbe Temperatur wie das Evaporatorrohr 20 im Grundkörper 8.
Zusätzlich werden im Evaporatorkern 21 in Umfangsrichtung gesehen zwischen den Stegen 28 eine Mehrzahl von axialen Durchtrittskanälen 30 zum Durchströmen von Probengas ausgebildet. Zusätzlich sind hier im Evaporatorkern 21 axial durchgehende Ausnehmungen 27, beispielsweise Bohrungen, vorgesehen, die weitere axiale Durchtrittskanäle 30 ausbilden.
Durch den Evaporatorkern 21 kann eine weitere wichtige Funktion realisiert werden. Insbesondere im Übergangsbereich 24 zwischen den unterschiedlichen Strömungsquerschnitten kann es zu Turbulenzen in der Strömung des Probengases kommen. Diese Turbulenzen können zu Ablagerungen der im Probengas enthaltenen Partikel an den Wandungen der Zuführleitung 4 und/oder des Evaporatorrohres 20 führen. Solche Ablagerungen verfälschen nachfolgende Gasanalysen des Probengases und führen zur Verschmutzung der Vorrichtung 1 und sind deshalb prinzipiell unerwünscht. Um dem entgegenzuwirken kann am der Zuführleitung 4 zugewandten axialen Ende des Evaporatorkerns 21 ein Strömungsberuhigungsabschnitt 23 vorgesehen sein, der Turbulenzen in der Strömung des Probengases durch den Evaporator 2 verhindern oder zumindest reduzieren soll. Der Strömungsberuhigungsabschnitt 23 kann dabei zumindest teilweise auch in die Zuführleitung 4 hineinragen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist der Strömungsberuhigungsabschnitt 23 als spitz zulaufendes axiales Ende des Evaporatorkernes 21 ausgeführt. Der Strömungsberuhigungsabschnitt 23 ragt vorzugsweise axial in den Übergangsbereich 24 zwischen der Zuführleitung 4 und dem Evaporatorrohr 20 hinein und beeinflusst damit die Strömung im Übergangsbereich 24 in der beabsichtigten strömungsberuhigenden Weise. In den Fig.4 und 5 sind weitere Ausgestaltungen des Evaporatorkerns 21 dargestellt. Am Evaporatorkern 21 sind über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von radial abstehenden Stegen 28 angeordnet. Die radial äußeren Enden der Stege 28 bilden die äußere Umfangsfläche 25 des Evaporatorkernes 21 , über die der Evaporatorkern 21 wieder im Evaporatorrohr 20 positioniert und gehalten werden kann. In Umfangsrichtung zwischen den Stegen 28 wer- den axiale Durchtrittskanäle 30 für das Probengas ausgebildet. Zusätzlich können im Evaporatorkern 21 auch axial durchgehende Ausnehmungen 27 zur Ausbildung weiterer axialer Durchtrittskanäle 30 vorgesehen sein (Fig.5). Der Evaporatorkern 21 hat an einem axialen Ende wieder einen Strömungsberuhigungsabschnitt 23 in Form eines spitz zulaufenden axia- len Endes.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung des Evaporatorkernes 21 zeigt die Fig.6. Dieser Evaporatorkern 21 hat eine sternförmige Grundfläche mit einer Mehrzahl von radial abstehenden Stegen 28, die an ihren radialen Enden die äußere Umfangsfläche 25 des Evaporatorkernes 21 bilden. Zur Ausbildung des zylinderförmigen Evaporatorkernes 21 wird die sternförmige Grundfläche entlang der Längsachse des Evaporatorkernes 21 extrudiert, wobei, wie in Fig.6, jeder Querschnitt auch noch um die Längsachse um einen Winkel verdreht werden kann. Damit entstehen über die axiale Länge des Evaporatorkernes 21 wendelartig verwundene Stege 28. Um in den Übergangsbereich 24 axial hineinragen zu können, können die Stege 28 an einem axialen Ende auch spitz zusammenlaufend abgeschrägt sein, um einen Strömungsberuhigungsabschnitt 23 auszubilden. In Umfangsrichtung zwischen den Stegen 28 entstehen die axialen Durchtrittskanäle 30 für das Probengas. Auch hier könnten noch Ausnehmungen 27 im Evaporatorkern 21 vorgesehen sein, um zusätzliche axiale Durchtrittskanäle 30 auszubilden.
Es ist aber auch denkbar, am Evaporatorkern 21 eine geschlossene äußere Umfangsfläche 25 vorzusehen, die zumindest teilweise in thermischen Kontakt mit der Innenseite der Eva- poratorwand 29 steht. Im Evaporatorkern 21 sind dann eine Anzahl von axial durchgehenden Ausnehmungen 27 zur Ausbildung weiterer axialer Durchtrittskanäle 30 vorgesehen sein.
Gleichfalls ist es denkbar, den Evaporatorkern 21 auch ohne direkten Kontakt mit der Eva- poratorwand 29 im Evaporatorrohr 20 zu positionieren. In diesem Fall wäre der thermische Kontakt nur durch Wärmestrahlung sichergestellt.
Der Evaporatorkern 21 mit den Stegen 28 ist in den beschriebenen Ausgestaltungen immer einteilig ausgeführt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Evaporatorkern 21 mehrteilig zu fertigen.
In den beschriebenen Ausgestaltungen des Evaporatorkernes 21 nach den Fig.3 bis 6 ist der Evaporatorkern 21 ein separater Bauteil, der in das Evaporatorrohr 20 eingesetzt wird. Das Evaporatorrohr 20 und der Evaporatorkern 21 können aber auch einteilig ausgeführt sein, beispielsweise als Gußteil oder aus dem Vollen gefräster Bauteil, wie anhand von Fig.7 beschrieben wird. Hierzu sind im Evaporator 2 als axial durchgehende Ausnehmungen über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von axial durchgehenden Stegausnehmungen 31 einge- arbeitet, die die Stege 28 und damit auch axiale Durchtrittskanäle 30 zwischen den Stegen 28 ausbilden. In Umfangsrichtung zwischen diesen Stegausnehmungen 31 entstehen dabei radiale Stege 28, die die damit gleichzeitig ausgebildete Evaporatorwand 29 mit dem verbleibenden Evaporatorkern 21 verbinden. Über die Stege 28 ist die thermische Verbindung zwischen der beheizten Evaporatorwand 29 und dem Evaporatorkern 21 hergestellt. Im Falle der einteiligen Ausführung kann auch nur ein einziger Stege 28 vorgesehen sein, um den Evaporatorkern 21 im Evaporatorrohr 20 zu positionieren. Zumindest das der Zuführleitung 4 zugewandte Ende des Evaporatorkerns 21 kann zur Ausbildung des Strömungsberuhi- gungsabschnittes 23 entsprechend geformt sein, z.B. wie in Fig.7 kegelförmig zum axialen Ende hin spitz zusammenlaufend. Auch in diesem Ausführungsbeispiel könnten zusätzliche axial durchgehende Ausnehmungen 27 im Evaporatorkern 21 vorgesehen sein, um zusätzliche axiale Durchtrittskanäle 30 auszubilden.
Die oben beschriebenen axialen Durchtrittskanäle 30 im Evaporator 2 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass auch diese eine strömungsberuhigende Wirkung auf die Strömung des Probengases durch den Evaporator 2 haben. Insbesondere sollen damit Turbulenzen in der Strömung durch den Evaporator 2 vermieden oder zumindest verringert werden, um Ablagerungen von Partikel im Probengas an den Wandungen des Evaporators 2 entgegenzuwirken.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungen des Evaporators 2 bzw. des Evaporatorkern 21 mit axialen Durchtrittskanälen 30, die sich über einen Großteil der axialen Länge des Evapora- tors 2 erstrecken, da damit die beheizte Oberfläche im Evaporator 2 vergrößert wird und das Probengas besser und gleichmäßiger erwärmt wird. Das durch den Evaporator 2 durchströmende Probengas wird durch die Durchtrittskanäle 30 in eine Mehrzahl von parallelen Strömungen aufgeteilt, die alle in Kontakt mit der beheizten Oberfläche im Evaporator 2 stehen. Auch dadurch wird eine effiziente und gleichmäßige Erwärmung des durchströmenden Pro- bengases erzielt.
Zwischen dem Evaporator 2 und dem Katalysator 3 gibt es vorzugsweise einen Strömungsabschnitt 32 (Fig.2), in dem sich die parallelen Teilströme durch den Evaporatorkern 21 wieder zu einem Strom an Probengas vereinen, um den Katalysator 3 über den gesamten Querschnitt anzuströmen. Dieser Strömungsabschnitt 32 ist vorzugsweise als axiale, über das axiale Ende des Evaporatorkerns 21 hinausragende Verlängerung des Evaporatorrohrs 20 ausgeführt.
Durch Austauschen des Evaporatorkerns 21 und/oder durch axiale Verstellung des Evaporatorkerns 21 im Evaporatorrohr 20 (womit festgelegt wird, wie weit der Strömungsberuhi- gungsabschnitt 23 in den Übergangsbereich 24 bzw. in die Zuführleitung 4 hineinragt) kann die Vorrichtung zum Entfernen von flüchtigen Partikeln aus einem Probengas einfach auf verschiedene Anwendungen angepasst werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Entfernen von flüchtigen Partikeln aus einem Probengas, das mit flüchtigen und festen Partikeln geladen ist, wobei in der Vorrichtung (1 ) ein mit einer Zuführleitung (4) für das Probengas verbundener Evaporator (2) und stromabwärts vom Evaporator (2) ein Katalysator (3) vorgesehen sind und der Evaporator (2) das Probengas erwärmt, um die flüchtigen Partikel in die Gasphase überzuführen, und der Katalysator (3) die in die Gasphase überführten flüchtigen Partikel entfernt, wobei der Evaporator (2) als Evaporatorrohr
(20) mit einer Evaporatorwand (29) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Evaporator (2) ein Evaporatorkern (21 ) angeordnet ist, der in thermischen Kontakt mit der Evaporatorwand (29) steht und in dem zumindest ein axialer Durchtrittskanal (30) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Evaporatorkern
(21 ) über den Umfang verteilt eine Anzahl von radial abstehenden Stegen (28) vorgesehen sind, die zumindest teilweise an der Evaporatorwand (29) anliegen und in Umfangsrichtung zwischen den Stegen (28) zumindest ein axialer Durchtrittskanal (30) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Evaporator (2) mit dem Evaporatorkern (21 ) einteilig ausgeführt ist, indem über den Umfang verteilt zumindest eine axial durchgehende Stegausnehmungen (31 ) zur Ausbildung eines axialen Durchtrittskanals (30) vorgesehen ist, die den zumindest einen Steg (28), den Evaporatorkern (21 ) und die Evaporatorwand (29) ausbildet .
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im
Evaporatorkern (21 ) zumindest eine axial durchgehende Ausnehmung (27) vorgesehen ist, die zumindest einen weiteren axialen Durchtrittskanal (30) ausbildet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am der Zuführleitung (4) zugewandten axialen Ende des Evaporatorkerns (21 ) ein Strömungsbe- ruhigungsabschnitt (23) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsberuhi- gungsabschnitt (23) als spitz zusammenlaufendes axiales Ende des Evaporatorkerns (21 ) ausgeführt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zuführleitung (4) und dem Evaporator (2) ein Übergangsbereich (24) vorgesehen ist, in dem der Strömungsquerschnitt der Zuführleitung (4) auf einen größeren Strömungsquerschnitt des Evaporators (2) übergeht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsberuhi- gungsabschnitt (23) zumindest teilweise in den Übergangsbereich (24) oder in den Über- gangsbereich (24) und die Zuführleitung (4) hineinragt.
9. Verfahren zum Entfernen von flüchtigen Partikeln aus einem Probengas, das mit flüchtigen und festen Partikeln geladen ist, wobei das Probengas in einem Evaporator (2) erwärmt wird, um die flüchtigen Partikel in die Gasphase überzuführen, und das erwärmte Probengas mit den in die Gasphase überführten flüchtigen Partikel in einem stromabwärts anschließen- den Katalysator (3) entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Evaporator (2) zugeführte Probengas im Evaporator (2) in eine Mehrzahl von vorzugsweise parallel verlaufenden Teilströmungen aufgeteilt wird, indem das Probengas in einem beheizten Eva- poratorkern (21 ) des Evaporators (2) durch eine Mehrzahl von axialen Durchtrittskanälen (30) mit beheizten Oberflächen geführt wird, wodurch die Teilströmungen über die beheizten Oberflächen der axialen Durchtrittskanälen (30) geführt und erwärmt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Evaporatorkern (21 ) durch thermischen Kontakt mit der beheizten Evaporatorwand (29) beheizt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströmungen nach dem Evaporator (2) und vor dem Katalysator (3) wieder zu einer gemeinsamen Strömung zusammengeführt werden.
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