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Dokumentenidentifikation DE102004025208B4 23.03.2006
Titel Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Eigenschaften von Rußpartikeln
Anmelder AVL List GmbH, Graz, AT
Erfinder Schiefer, Erich, Dr., Graz, AT
Vertreter Kohler Schmid Möbus, 72764 Reutlingen
DE-Anmeldedatum 22.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004025208
Offenlegungstag 05.01.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse G01N 7/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 15/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Eigenschaften von Russpartikeln aus Verbrennungsvorgängen, insbesondere des mittleren Partikeldurchmessers durch Bestimmung der Filterbeladung eines Filterpapiers und Ermittlung der Druckverhältnisse am Filterpapier. Ein solches Verfahren ist an sich bekannt aus der EP 0 357 668 B1 und der EP 0 048 237 A2.

In Smokemetern der derzeitigen Generation werden die Schwärzungszahl (FSN) oder die Russemission in mg/m3 mittels der Ablagerung von Partikeln auf einem Filterpapier bestimmt. Durch die Variationsmöglichkeit der Sauglänge oder Saugzeit kann in einem derartigen Verfahren der Messbereich in sehr weiten Grenzen variiert werden. Die Messwerte reichen etwa von FSN 0.001 bis 10, das entspricht Konzentrationsmesswerten von ca. 0.015 bis 30.000 mg/m3.

Die Messung der Größe der emittierten Partikel ist entweder relativ zeitaufwändig oder muss mit relativ komplexen und teils auch sehr teuren Apparaturen durchgeführt werden. Beispiele für derartige Apparaturen sind u. a. Impaktoren, mit dem Nachteil langer Messzeiten und erforderlicher Wägung der gesammelten Partikel, ELPIs („Electrical Low Pressure Impactor"), ein Niederduckimpaktortyp mit dynamischer Messung, des Weiteren Partikel-Mobilitätsanalysatoren wie SMPS („Scanning Mobility Particle Sizer") oder DDMPS („Double Differential Mobility Particle Sizer"), usw.

Die Zusammensetzung der Partikel kann derzeit nur entweder mittels chemischer Extraktion – mittels diverser Lösungsmittel wie Dichlormethan – oder mittels thermogravimetrischer Methoden, also über ein Aufheizen der Proben, festgestellt werden. Hierfür müssen die Partikel mit einem definierten Filter gesammelt, gewogen und eine Analyse nach einer der oben erwähnten Methoden – mit Wägung der Filter nach der Filterbehandlung- durchgeführt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren, mit welchem auf einfache Art und Weise rasch eine relativ genaue Ermittlung der Partikelgröße, allenfalls auch weiterer Kenngrößen, möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Verfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass mittels der Bestimmung des Druckabfalls am Filterpapier und dem Wert der Papierschwärzung PS und/oder der Filterbeladung FB (in mg/m2) bzw. aus dem funktionellen Zusammenhang dieser Größen der mittlere Partikeldurchmesser bestimmt werden kann. In groben Zügen kann auch der Charakter der Partikel (Festkörper oder Flüssigkeit) bestimmt werden, bzw. unter der Annahme einer bestimmten Verteilungsfunktion kann auch ein grober Richtwert für die Partikelanzahl ermittelt werden.

Vorteilhafterweise wird dazu der am Filter bzw. Filterpapier durch die Ablagerung der Partikel hervorgerufenen Differenzdruck bestimmt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Differenzdruck integral bestimmt wird.

Es kann aber auch alternativ dazu der Differenzdruck zeitaufgelöst bestimmt werden. Um die Meßdauer für einen weiten Bereich von Partikel-Konzentrationen in bestimmten Grenzen halten zu können, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Anströmgeschwindigkeit der Filteroberfläche im Bereich von 1 bis 200 cm/sec, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 cm/sec, liegt. Speziell für sehr kleine Konzentrationen, etwa Immissionen von 50 &mgr;g/m3 Ruß oder weniger, können höhere Anströmgeschwindigkeiten erforderlich sein, um in Zeiten von einigen Sekunden bis Minuten einen Meßwert zu erhalten. Bei großen Konzentrationen kann eine Verringerung der Anströmgeschwindigkeit an die untere Grenze eine bessere Selektivität ergeben.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Absolutdruck vor oder nach dem Filter bestimmt.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß der Druck relativ zum Umgebungsluftdruck vor und nach dem Filter oder der Differenzdruck über das Filter und der Absolutdruck der Umgebungsluft bestimmt wird.

Um alle Parameter des Gasflusses korrekt für die Messung berücksichtigen zu können, ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß die Temperatur nahe der Filteroberfläche bestimmt wird.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren derart ausgeführt, daß die Filtertemperatur und/oder die Innentemperatur des Meßgerätes konstant gehalten wird.

Dabei wird vorzugsweise der Filter auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 50 bis 190°C, vorzugsweise von 60 bis 70°C, gehalten.

In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur des partikelbeladenen Meßgases auf dieselbe Temperatur wie der Filter und/oder die Innentemperatur des Meßgerätes geregelt.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Änderungen der Sauglänge relativ zur Sauglänge bei Messungen an reinen Papieren in Reinstluft bestimmt, wobei korrespondierende Werte immer auf dieselben Rahmenbedingungen bezogen werden.

Vorteilhafterweise ist beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß die Messung zumindest bei einem vorbestimmten Differenzdruckwert am Filterpapier erfolgt.

Dabei liegen bei bevorzugten Ausführungsformen diese vordefinierten Differenzdruck-Schwellwerte im Bereich von 0 bis 300 mbar, vorzugsweise im Bereich von 25 bis 200 mbar.

Alternativ zur Vorgabe eines bestimmten Differenzdruckes kann auch vorgesehen sein, daß die Messung bei zumindest einem vorbestimmten Unterdruckwert nach dem Filter erfolgt.

In diesem Fall liegen diese vordefinierten Unterdruck- Schwellwerte im Bereich von 50 bis 450 mbar, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 300 mbar.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zumindest bei zwei unterschiedlichen Sauglängen gemessen.

Es kann auch vorgesehen sein, daß zumindest bei zwei unterschiedlichen Differenzdrücken und/oder Unterdrücken gemessen wird.

Vorteilhafterweise kann auch eine Verfahrensvariante verwirklicht werden, bei der die Änderung des Differenzdruckes am Filterpapier und/oder des Unterdruckes nach dem Filterpapier mit der Filterbeladungsdauer und der am Ende der Beladung des Filters festgestellte Wert der Filterbeladung ermittelt werden.

In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei in den Zeichnungsfiguren erläuternde Diagramme dazu dargestellt sind.

So zeigt die 1 den Zusammenhang zwischen Filterbeladung und der mittleren Partikelgröße, die 2 ist ein Diagramm für die Abhängigkeit zwischen Partikeldurchmesser und gemessener Filterbeladung bei unterschiedlichen Drücken, den Zusammenhang zwischen dem Unterdruck am Filter und der gemessenen Papierschwärzung für verschiedene Partikelgrößen zeigt die 3, das in 4 dargestellte Diagramm entspricht der 3 für die Zusammenhänge für die Filterbeladung FB in mg/m2, 5 zeigt den Zusammenhang zwischen Sauglängenänderung und Partikeldurchmesser, das Diagramm der 6 zeigt die Filterflächenbeladungen bei verschiedenen Differenzdrücken am Filterpapier, und 7 ist ein Diagramm einer typischen Partikel-Größenverteilung.

Die 1 zeigt für eine feste voreingestellte Unterdruckschwelle von 100 mbar nach dem Filterpapier, bezogen auf einen vorbestimmten Anfangswert, den Zusammenhang zwischen Partikeldurchmesser (in nm) und Filterbeladung (in mg/m2). Messungen von verdünnten und unverdünnten Partikeln. Unverdünnte Partikel bezeichnet die Partikel in der Form und Konzentration, wie sie bei etwa der Verbrennung im Motor entstehen, während durch Mischen mit reiner Luft oder reinem Inertgas erforderlichenfalls eine Verdünnung der Konzentration erzielt werden kann, was mit „verdünnten Partikeln" bezeichnet wird. Eine Verdünnung hat meist zur Folge, dass die mittleren Partikeldurchmesser, welche an einer vorbestimmten Probeentnahmestelle für die Messung entnommen werden, kleiner sind als im unverdünnten Fall, was auch aus dem Diagramm der 1 hervorgeht. Durch die Verdünnung wird nämlich das Agglomerieren der beim Verbrennungsprozeß entstehenden Primärpartikel mit Durchmessern von typischerweise ca. 10 bis 20 nm vermindert, welcher Agglomerationsprozeß sonst auf dem Weg der Partikel zur Probenentnahmestelle und weiter zur Meßzelle stattfindet.

Die Messungen erfolgten hier vollautomatisch, solange, bis – beginnend ab einem bestimmtem Anfangsunterdruck welcher durch die Gasströmung selbst verursacht wird – durch die Ablagerung Partikel am Filterpapier ein Unterdruckanstieg von 100 mbar erreicht wird, dann wird der Schwärzungsgrad des Filterpapieres (=Papierschwärzung) gemessen, und damit aus dem gesamten Saugvolumen bzw. der Sauglänge die Filterbeladung mit „Ruß", in mg/m2, berechnet.

Die Meßwerte wurden mit einem CAST Partikelgenerator erhalten. Der Kohlenstoffanteil der Partikel war größer, ca. 70% der Gesamtpartikel (gemessen mittels Extraktionmethode mit Dichlormethan), bzw. > 85% laut thermogravometrischer Methode. Die Partikeldurchmesser (unverdünnt) stammen aus SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) Daten, die verdünnten Werte sind aus ähnlichen Vergleichsmessungen verdünnt/unverdünnt (mit DDMPS) extrapoliert worden.

Die 2 zeigt den äquivalenten Zusammenhang für verschiedene Differenzdruckschwellen am Filterpapier. Die Punkte sind Punkte, kalkuliert durch Interpolation aus realen Meßdaten bei unterschiedlichen Druckabfällen an Filterpapieren. Daten gemessen mit einem Smokemeter 4155. Der dargestellte Parameter „Differenzdruck" ist der Druckabfall über das Filterpapier, welcher von abgelagerten Partikeln hervorgerufen wird.

Je nach Anströmgeschwindigkeit wird einerseits durch den Strömungswiderstand des Filterpapiers als auch durch die abgelagerten Partikel ein bestimmter Anteil des Druckabfalls am Filterpapier hervorgerufen. Mit steigender Anströmgeschwindigkeit wird (quadratischer Effekt) der Druckabfall höher, während zusätzlich auch mehr Partikelmasse abgelagert wird, sodaß rasch ein entsprechend großes Signal erhalten werden kann. Der insgesamt gemessene Druckabfall wird durch den konstanten Druckabfall am Filter durch das Meßgas selbst, von der Menge und der Packungsdichte der daran abgelagerten Partikel, der Dichte des Meßgases und der Anströmgeschwindigkeit definiert. Der Differenzdruck ist dabei bei konstanter Beladung ebenfalls konstant.

Die Kurven und Zusammenhänge der 1 und 2 sind gegeben für monomodale Partikelgrößenverteilungen (typisch log normal Verteilungen), und einem Ruß/Festkörperanteil von größer ca. 30% bis 100%.

Daß diese Zusammenhänge aber auch über andere Meßwerte des Smokemeters erhalten werden können, wird in verschiedenen Beispielen und Auswertemethoden wie im folgenden erläutert dargestellt.

Der Zusammenhang zwischen Papierschwärzung (PS) und Filterbeladung (FB) ist durch folgende Relation gegeben:

PS = 10 für vollkommene Schwärzung des Papiers (Reflektivität = 0%), PS = 0 für weißes nicht geschwärztes Papier (Reflektivität = 100%).

Diese im Diagramm der 3 dargestellten Funktionen geben den Zusammenhang zwischen Druckänderung und der Papierschwärzung PS und damit der FB an, wobei als Parameter die Partikelgröße und die Partikelart (HC) angeführt sind.

Das Diagramm der 4 entspricht, wobei nun aber die Zusammenhänge für die Filterbeladung FB in mg/m2 gegeben sind, der 3. Die Kreuzungspunkte bei 50, 100 und 150 mbar ergeben die in 1 und 2 dargestellten Zusammenhänge.

In den 3 und 4 ist zusätzlich auch noch der Zusammenhang für Partikel von 58nm mittlere Größe, welche zu mehr als 90% aus teerartigen Kohlenwasserstoffen (HC) bestehen, dargestellt. Diese von HC dominierten Partikel sind zwar nicht durch die in Bild 1 und 2 dargestellten Kurven charakterisiert, aber der funktionelle Zusammenhang zwischen der Änderung des Unterdruckes und der Filterbeladung ist für diese Partikel durch einen strengen Lambert Beerschen Zusammenhang gegeben, so daß diese Partikel ebenfalls eindeutig zuzuordnen sind, indem Meßwertdaten – gemessen bei verschiedenen Unterdrücken – oder eine Analyse der zeitlichen Druckänderung zusammen mit der Filterbeladung, für die Überprüfung herangezogen werden.

Komplexer zusammengesetzte Partikel können damit mittels einer Analyse der Zusammensetzung der Kurvenfunktionen ebenfalls charakterisiert werden.

Die in den 3 und 4 scheinbar vorhandene Meßwertungenauigkeit wird nur durch eine bei den Messungen vorhandene Meßwertungenauigkeit der Differenzdruckmessung vorgetäuscht.

In Bezugnahme auf die 5 wird eine weitere Möglichkeit zur Analyse der Zusammenhänge dargestellt. Dabei wird die Änderung der Sauglänge bei Messungen mit Partikeln in Abhängigkeit von der Papierschwärzung PS betrachtet. Die Änderung der Sauglänge ist in % dargestellt, relativ zur Sauglänge am selben Filterpapier, aber in Reinstluft, und mit derselben Zeitdauer mit welcher die Partikel gemessen wurden.

Die Sauglänge ist dabei die Länge der Gassäule in m, cm oder mm welche bei der Messung über das Filterpapier gezogen wurde.

Algorithmus:
  • LR(t) Referenz- Sauglänge bei Saugzeit/Meßzeitdauer t ohne Partikelbeladung
  • LM(t) Mess- Sauglänge mit Saugzeit t, bei der Partikelmessung.
  • PS gemessene Papierschwärzung (PS 10 = 100% Reflektivitätsverlust, = 0% Reflektivität)
  • Änderung der SL: = 100·(LM(t) – LR(t))/LR(t)(2)

Aus dieser Darstellungsart ist ebenso wie für die Diagramme der 1 und 2 ein ähnlicher, aber nicht vollkommen identischer Zusammenhang herstellbar. Ebenso wie in 3 und 4 ist auch in 5 ist ersichtlich, daß der Zusammenhang für die HC Partikel hier ebenfalls deutlich anders verläuft als für die festkörperartigen Rußpartikel welche von Kohlenstoff dominiert werden.

Als Alternative zur Sauglänge kann auch das Saugvolumen (oder auch die Dauer der Saugzeit) als Parameter verwendet werden, wobei folgender Zusammenhang zwischen Sauglänge und Saugvolumen besteht: Saugvolumen = Sauglänge·Querschnittsfläche des Filterpapiers(3)

Wobei die maßgebliche Querschnittsfläche des Filterpapiers die Fläche ist durch welche die Partikel gesaugt und darauf abgelagert werden, und die Papierschwärzung in PS hervorrufen.

Über diesen Effekt, daß Festkörperpartikel sich Betreff des Verhaltens zwischen Unterdruck und Papierschwärzung und/oder dem Sauglängen- Änderungsverhalten über der Saugzeit- Dauer funktionell anders verhalten als „weiche" flüssige oder quasiflüssige Partikel wie Kondensattröpfchen oder HC- dominierte Partikel, kann über einen definierten Testalgorithmus auch noch zusätzlich – zumindest grob – bestimmt werden, ob die gemessen Partikel Feststoff oder Flüssigkeitscharakter aufweisen.

Damit kann unterschieden werden, ob die gemessenen Partikel primär aus allfällig kondensierten HCs wie Kraftstoff /Öl/HC- Kondensat oder Kohlenstoff bestehen.

Zusätzlich ist als weiterer Parameter beim Vorhandensein von primär „flüssigen" Partikeln festzustellen, daß das Absorptionsverhalten bzw. die Papierschwärzung in Abhängigkeit vom Saugvolumen einem anderen funktionalen Zusammenhang als bei primär von festem Kohlenstoff dominierten Partikel genügt, so daß auch aus diesem Verhalten die Partikel charakterisiert werden können.

Das optische Verhalten bei Dominanz von „flüssigen" absorbierenden Partikeln welche auf Filterpapieren abgelagert werden, genügt über weite Bereiche bis zu Papierschwärzungen PS > 5 einem Beer – Lambertschen Zusammenhang zwischen Papierschwärzung PS, Sauglänge L und Konzentration der Partikel im Meßgas. (100 – PS·10) = 100·EXP(–k·L) oder (100 – PS·10) = 100·EXP(-Konz·Qext·L)(4) wobei der Extinktionskoeffizient k in m-1 proportional der Konzentration (Konz.) in g/m3 ist, Qext = der Extinktionsquerschnitt der Partikel (Materialkonstante) in m2/g, L ist die Sauglänge in m. Die Relation zwischen Konzentration und Filterbeladung FB ist gegeben mit: Konzentration [in g/m3] ist proportional FB [in g/m2] / Sauglänge [in m](5)

Der sich für die HC Partikel ergebende Zusammenhang nach Gleichung 4 ist nicht identisch mit dem Formalismus der Gleichung 1 und 5 für festkörperartige Rußpartikel, so daß aus diesen Abweichungen bei unterschiedlichen Saugzeiten die Partikelart mit unterschieden werden kann.

Für festkörperartige Partikel wie dem Kohlenstoff ist durch die strukturierte Ablagerung der Partikel auf der Filteroberfläche, welche eine granulationsartige optische hell/dunkel Struktur auf der Filteroberfläche hervorruft, ein abweichender Zusammenhang gegeben (– beschrieben durch den Formalismus in Gleichung 1 –), wodurch Abweichungen vom Beer – Lambertschen Zusammenhang der Lichtabsorption (und der Lichtreflexion) hervorgerufen werden.

Prinzipiell kann aber aus denselben Gründen auch aus diesen Meßdaten, bei Messung der Papierschwärzung bei unterschiedlichen Saugvolumina, der Kalkulation des funktionellen Zusammenhangs zwischen PS und Sauglänge und der Abweichungen relativ zum Lambert Beerschen Zusammenhang, bzw. der Abweichungen zum Formalismus laut Gleichung 1, ebenfalls die Partikelgröße und auch die Partikelzusammensetzung festgestellt werden.

In einzelnen Fällen können bei Emissionsmessungen von Partikeln auch bimodale Partikelverteilungen auftreten. In 6 ist dargestellt, wie auch solch komplexe Verteilungsfunktionen mittels dieser Methode zumindest für feststoffartige Rußpartikel noch korrekt zuzuordnen sind.

Die in 6 dargestellten „weißen" Linien zeigen die Zusammenhänge für monomodale Partikel mit log Normal- Verteilungen der Partikelgrößen um den mittleren Partikeldurchmesser (= Durchmesser nm in der Grafik). Für die unterschiedlichen Unterdrücke ergibt sich für monomodale Partikel immer derselbe Durchmesser, unabhängig vom Differenzdruck am Filter. Die „orange" Linie zeigt die ermittelten Partikeldurchmesser bei verschiedenen Differenzdrücken für eine bimodale Partikelverteilung. Es ist eine deutliche Abweichung von den „geraden" zu sehen, wobei bei 50 mbar ein Partikeldurchmesser von 80 nm, bei 150mbar ein Durchmesser von 145nm resultiert. (Die Partikel setzten sich etwa 1:1 aus Partikel mit ca. 60 nm und ca. 220nm mittleren Durchmessers zusammen). Das heißt bei kleinen Unterdrücken wird der Differenzdruck am Filter von der kleinen Partikelfraktion dominiert, bei großen Differenzdrücken dominiert der Mittelwert beider Fraktionen (60 + 145 nm = 205 nm).

Weiters ist mittels der Verwendung verschiedener Arten von Filterpapieren – mit unterschiedlichen Partikelabscheideeffizienzen – auch noch der Bereich für die Feststellung von Partikeldurchmessern von anderen Rußquellen, welche Rußpartikel mit wesentlich größeren oder auch wesentlich kleineren Durchmessern emittieren, zusätzlich adaptierbar.

Die Meßwerte der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in den Diagrammen der 1 bis 6 erläutert sind, wurden mit einem Filterpapier gemessen, welches einen Filterabscheidegrad von 50% für DOP Normpartikel von 300 nm aufweist. Alle Messungen wurden bei einer Temperatur von 64°C durchgeführt.

Mittels der Schwärzungszahl einerseits und der daraus resultierenden Partikelkonzentration der Rußpartikel in mg/m3 (=Filterbeladung·Sauglänge in m) und andererseits des mittleren Partikeldurchmessers, kann weiters noch – unter der Annahme einer typischen Partikelverteilung, normalerweise eine log Normal Verteilung – auch ein Richtwert für die Partikelanzahl angegeben werden. 7 zeigt beispielsweise eine typische Partikel- Größenverteilung für Partikel von ca. 110 nm mittlerem Durchmesser. Aus der gemessenen Gesamtmasse am Filter, dem mittleren Durchmesser und der Annahme einer derartigen typischen log Normal Verteilung kann eine Gesamtpartikelanzahl berechnet werden.

Da der Zusammenhang zwischen Partikeldurchmesser, Partikelart und mittlerer Partikelgröße mit dem Differenzdruck am Filterpapier bzw. mit der Änderung dieses Differenzdruckes am Filterpapier während der Messung auch für gravimetrische Messungen gilt, kann mittels ähnlicher bzw. äquivalenter Methodiken – der Messung der Masse der unlöslichen und der löslichen Bestandteile von an einem Filter abgelagerten Partikel – und der Messung des Differenzdruckes am Filter zu verschiedenen Zeitpunkten der Filterbeladung oder der Messung der Änderung des Differenzdruckes/(Zeiteinheit und Massenbeladungseinheit) während der Filterbeladung die Information betreff des mittleren Partikeldurchmessers ebenfalls eruiert werden.

Grundsätzlich ist diese Methodik der Partikelgrößenbestimmung auch allgemein und auch nicht nur für Rußpartikel anwendbar, wenn gleichzeitig mit einer Massenbestimmung (gravimetrisch, durch Wägung oder auch durch andere Methoden wie z.B. Infrarotabsorption oder Opacimetrie......, welche Werte liefern welche proportional der Masse oder der Konzentration sind) auch die Änderung des Differenzdruckes während der Beladung des oder der Filter als Meßparameter mitbestimmt wird.

Für komplexere Partikelzusammensetzungen (Bimodale Partikelverteilungen, mit/ohne HCs, mit/ohne Sulfate...) können zur zusätzlichen Selektion der Parameter gleichzeitige, parallele Messungen über zwei oder auch mehrere Filter durchgeführt werden und über die zeitlichen Abhängigkeiten der Meßgrößen Partikeldurchmesser und Art bestimmt werden. Sofern sich während der Messung die Partikelart und/oder Zusammensetzung nicht ändert können die Messungen natürlich auch nacheinander erfolgen.

Abschließend sei noch erwähnt, dass neben der herkömmlichen Filtern und Filterpapieren für das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem Membranfilter und Sinterfilter aus Polymeren und metallischen Werkstoffen verwendet werden können.

Die Faserfilter aus Baumwolle oder Glasfaser haben selbst einen geringen Druckabfall auch bei größeren Gasflüssen, können damit sehr viel Material unterschiedlichster Körnungen/Durchmesser sehr schnell auf den Faseroberflächen abscheiden.

Glasfaserfilter mit/ohne Polymerbeschichtung können bis 190 °C thermostatisiert werden – falls erforderlich – und sind chemisch inert. Die angesprochenen Baumwollfilter sind für die "Rußmessung" nach der Filtermethode normiert.

Durch Verwendung verschiedener Filter mit unterschiedlichen Partikelabscheidecharakteristiken wird außerdem ermöglicht die Effizienzen der Abscheidung für bestimmte Partikelgrößen oder Partikelarten zu ändern bzw. anzupassen. Damit ist/wäre es auch möglich durch das verwendete Papier Spezialerfordernissen beim Messen entweder von sehr kleinen oder sehr großen Partikelgrößen oder auch bestimmten Partikelarten (Kohlenwasserstoffe, Teere, Sulfate, Aerosole, ....Staub, mehr oder weniger gemischt mit Ruß) zu entsprechen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Eigenschaften von Russpartikeln aus Verbrennungsvorgängen, insbesondere des mittleren Partikeldurchmessers, durch Bestimmung der Filterbeladung eines Filterpapiers und Ermittlung der Druckverhältnisse am Filterpapier, dadurch gekennzeichnet, dass die Übereinstimmung mindestens eines Wertepaares von Filterbeladung und Druckverhältnis mit dem Verlauf vorher bestimmter Funktionen überprüft wird, welche Funktionen die Filterbeladung und die Druckverhältnisse verknüpfen und deren Lage durch den mittleren Partikeldurchmesser und die Partikelart als Parameter gegeben ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck am Filterpapier bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck integral bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck zeitaufgelöst bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutdruck vor oder nach dem Filter bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck relativ zum Umgebungsluftdruck vor und nach dem Filter bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck über das Filter und der Absolutdruck der Umgebungsluft bestimmt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der Sauglänge relativ zur Sauglänge bei Messungen an reinen Papieren in Reinstluft bestimmt wird, wobei korrespondierende Werte immer auf dieselben Rahmenbedingungen bezogen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung zumindest bei einem vorbestimmten Differenzdruckwert am Filterpapier erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese vordefinierten Differenzdruck-Schwellwerte im Bereich von 0 bis 300 mbar, vorzugsweise im Bereich von 25 bis 200 mbar liegen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bei zumindest einem vorbestimmten Unterdruckwert nach dem Filter erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese vordefinierten Unterdruck- Schwellwerte im Bereich von 50 bis 450 mbar, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 300 mbar liegen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei zwei unterschiedlichen Sauglängen gemessen wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei zwei unterschiedlichen Differenzdrücken und/oder Unterdrücken gemessen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Differenzdruckes am Filterpapier und/oder des Unterdruckes nach dem Filterpapier mit der Filterbeladungsdauer und der am Ende der Beladung des Filters festgestellte Wert der Filterbeladung ermittelt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterbeladung aus vorbestimmten Funktionen über die Papierschwärzung ermittelt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmgeschwindigkeit der Filteroberfläche im Bereich von 1 bis 200 cm/sec, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 cm/sec, liegt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtertemperatur und/oder die Innentemperatur des Messgerätes konstant gehalten werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 50 bis 190°C, vorzugsweise von 60 bis 70°C, gehalten wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des partikelbeladenen Messgases auf dieselbe Temperatur wie das Filter und/oder die Innentemperatur des Messgerätes geregelt wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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