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Kaskadenimpaktor Ein ist als Impaktor Partikelmessgerät bzw Partikelabscheider ein Gerät zur fraktionierenden Erfassung

Kaskadenimpaktor

Ein Kaskadenimpaktor ist als Impaktor (Partikelmessgerät bzw. Partikelabscheider) ein Gerät zur fraktionierenden Erfassung der Staubmasse in Gasen. Mit seiner Hilfe kann eine Partikelgrößenverteilung in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser ermittelt werden. Ein Kaskadenimpaktor kann sowohl zur Erfassung von Schwebstaub als auch zur Staubmessung in strömenden Gasen eingesetzt werden. Zur Bestimmung der PM10- und PM2,5-Massenkonzentrationen legt die Norm EN ISO 23210:2009-12 einen zweistufigen Kaskadenimpaktor fest. Kaskadenimpaktoren wurden erstmals in einer Veröffentlichung aus dem Jahr 1945 beschrieben.

Messprinzip Bearbeiten

Schematische Darstellung eines Kaskadenimpaktors

Das Messprinzip eines Kaskadenimpaktors beruht darauf, dass Partikel aufgrund ihrer Trägheit plötzlichen Richtungsänderungen der sie mitführenden Strömung nicht oder nur eingeschränkt folgen können und Partikel unterschiedlicher Größe bei gleicher Dichte unterschiedliche Trägheiten aufweisen. Ein Kaskadenimpaktor besteht im Wesentlichen aus mehreren Impaktorstufen, die jeweils aus einer oder mehrerer Düsen und einer Prallplatte bestehen. Ein staubhaltiger Gasstrom wird durch die Düse geleitet und aufgrund der Prallplatte um 90° umgelenkt. Partikel mit zu großer Trägheit können der Strömungsumlenkung nicht folgen und werden auf der Prallplatte abgeschieden. Damit die abgeschiedenen Partikel haften bleiben, befindet sich auf der Prallplatte eine Sammelplatte, die beispielsweise aus Glasfasermaterial bestehen kann.

Ausschlaggebend für die Fraktionierung der Partikel sind Düsenlänge und -weite sowie der Abstand zwischen Prallplatte und Düse. Durch Verringerung der Düsenweite mit jeder Impaktorstufe wird die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert, sodass mit jeder Stufe ein kleinerer Partikeldurchmesser erfasst werden kann. Der letzten Stufe ist ein Filter nachgeschaltet, der die nicht abgeschiedenen Partikel sammeln soll. Die Sammelplatten sowie der Filter werden nach der Beaufschlagung mit Staub gewogen.

Bei den Düsen kann es sich um Bohrungen gleicher Größe, aber auch um Schlitzdüsen handeln. Düsenplatten und Prallplatten können apparativ voneinander getrennt sein, es gibt aber auch Prallplatten, in denen die Düsen der nächsten Stufen eingebaut sind. Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Düsen bewegen sich zwischen 3 m/s und 4 m/s in der ersten Stufe und zwischen 100 m/s und 200 m/s in der letzten Stufe.

Die einzelnen Stufen zeigen keine idealen Trennlinien. Vielmehr kann jeder Stufe ein aerodynamischer Partikeldurchmesser zugeordnet werden, bei dem die Abscheidewahrscheinlichkeit 50 % beträgt. Die Genauigkeit der Wägung ist maßgeblich für die Genauigkeit des Messverfahrens. Da für die Impaktormessung eine ausreichende Staubmasse vorhanden sein muss, ist ein ausreichend großer Gasvolumenstrom notwendig. Dies wird häufig durch eine Vielzahl parallel geschalteter gleichartiger Düsen in einer Impaktorstufe bewerkstelligt.

Mittels Kaskadenimpaktoren lässt sich ein Größenbereich von ca. 20 µm bis hinunter zu 10 nm abdecken. Sie können in heißen, chemisch aggressiven Gasen unmittelbar eingesetzt werden. Hochtemperatur-Kaskadenimpaktoren sind für Temperaturen bis über 1000 °C ausgelegt.

Varianten Bearbeiten

Der Kaskadenimpaktor hat im Laufe der Zeit zahlreiche Modifikationen und Anpassungen erfahren. Zu den bekannteren Varianten des Kaskadenimpaktors zählen beispielsweise der Berner Impaktor, bei dem zur Erzielung feinerer Partikelfraktionen vier gleichartige Kaskadenimpaktoren parallel geschaltet werden, und der Elektrische Niederdruckimpaktor, der als Kombination aus Kaskadenimpaktor und Aerosolelektrometer arbeitet. Kaskadenimpaktoren werden auch zur Erfassung von Bioaerosolen eingesetzt, indem die Prallplatte aus einem für die erfassten Partikel biologischen Ursprungs geeignetem Substrat besteht.

Zur Bestimmung der PM10- und PM2,5-Massenkonzentrationen bei der Emissionsmessung nach Norm EN ISO 23210:2009-12 ist ein zweistufiger Kaskadenimpaktor zu verwenden. Die Fraktion PM10 wird auf der zweiten Impaktorstufe gesammelt, die Fraktion PM2,5 auf dem Endfilter. Die erste Impaktorstufe dient der Grobabscheidung.

Quarzfeinstaub (PM4) wird ebenfalls mit einem zweistufigen Kaskadenimpaktor erfasst. Hier werden beide Impaktorstufen zur Grobabscheidung verwendet.

Literatur Bearbeiten

  • VDI 2066 Blatt 5:1994-11 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Fraktionierende Staubmessung nach dem Impaktionsverfahren; Kaskadenimpaktor (Particulate Matter Measurement; Dust Measurement in Flowing Gases; Particle Size Selective Measurement by Impaction Method; Cascade Impactor). Beuth Verlag, Berlin. (Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis online)

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ Lothar Laskus, Dieter Bake: Erfahrungen bei der Korngrößenanalyse von Luftstäuben mit dem Andersen-Kaskadenimpaktor. In: Staub – Reinhalt. Luft. 36, Nr. 3, 1976, ISSN 0949-8036, S. 102–106.
  2. ↑ VDI 2066 Blatt 5:1994-11 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Fraktionierende Staubmessung nach dem Impaktionsverfahren - Kaskadenimpaktor (Particulate Matter Measurement; Dust Measurement in Flowing Gases; Particle Size Selective Measurement by Impaction Method - Cascade Impactor). Beuth Verlag, Berlin, S. 3.
  3. ↑ DIN EN ISO 23210:2009-12 Emissionen aus stationären Quellen; Ermittlung der Massenkonzentration von PM10/PM2,5 im Abgas; Messung bei niedrigen Konzentrationen mit Impaktoren (ISO 23210:2009); Deutsche Fassung EN ISO 23210:2009. Beuth Verlag, Berlin, S. 13.
  4. Axel Berner: Zur Theorie der Messung von Aerosolgrößenverteilungen mittels einfacher und vielfacher Kaskadenimpaktoren. In: Staub – Reinhalt. Luft. 36, Nr. 9, 1976, ISSN 0949-8036, S. 385–390.
  5. Sheldon Kay Friedlander: Smoke, Dust, and Haze - Fundamentals of Aerosol Dynamics. John Wiley & Sons, New York 1977, ISBN 0-471-01468-0, S. 164.
  6. Günter Baumbach: Luftreinhaltung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York 1992, ISBN 3-540-55078-X, S. 214.
  7. Carsten Möhlmann, Johannes Pelzer, Albert Hellmann, Jens Niklas: Messtechnische Bestimmung von ultrafeinen und Nanopartikeln bei mechanischen Bearbeitungsverfahren von Nanomaterialien und deren Kompositen. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 72, Nr. 11/12, 2012, ISSN 0949-8036, S. 463–465.
  8. Thomas Brunner, Juergen Fluch, Ingwald Obernberger, Ragnar Warnecke: Investigations of aerosol formation pathways during MSW combustion based on high-temperature impactor measurements. In: Fuel Process. Technol. 105, 2013, ISSN 0378-3820, S. 154–160.
  9. Axel Berner: Praktische Erfahrungen mit einem 20-Stufen-Impaktor. In: Staub – Reinhalt. Luft. 32, Nr. 8, 1972, ISSN 0949-8036, S. 315–320.
  10. VDI 3867 Blatt 6:2012-12 Messen von Partikeln in der Außenluft; Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung von Aerosolen; Elektrischer Niederdruckimpaktor (ELPI) (Measurement of particles in ambient air; Determination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols; Electrical Low Pressure Impactor (ELPI)). Beuth Verlag, Berlin, S. 3.
  11. James H. Vincent: Aerosol Sampling - Science, Standards, Instrumentation and Applications. John Wiley & Sons, Chichester 2007, ISBN 978-0-470-02725-7, S. 481.
  12. Astrid C. John, Thomas A. J. Kuhlbusch, Heinz Fißan, Günter Bröker, Karl-Josef Geueke: Entwicklung eines PM 10/PM 2.5-Kaskadenimpaktors zur Messung der Emission von Feinstäuben. In: Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft. 59, Nr. 11/12, 1999, ISSN 0949-8036, S. 449–454.
  13. VDI 2066 Blatt 10:2004-10 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Messung der Emissionen von PM10 und PM2,5 an geführten Quellen nach dem Impaktionsverfahren (Particulate matter measurement; Dust measurement in flowing gases; Measurement of PM10 and PM2,5 emissions at stationary sources by impaction method). Beuth Verlag, Berlin, S. 10.
  14. VDI 2066 Blatt 11:2018-05 Messen von Partikeln; Staubmessung in strömenden Gasen; Messung der Emissionen von kristallinem Siliziumdioxid (Quarz und Cristobalit) in der PM4-Fraktion (Particulate matter measurement; Dust measurement in flowing gases; Measurement of emissions of crystalline silicon dioxide (quartz and cristobalite) in the PM4 fraction). Beuth Verlag, Berlin, S. 10.
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Ein Kaskadenimpaktor ist als Impaktor Partikelmessgerat bzw Partikelabscheider ein Gerat zur fraktionierenden Erfassung der Staubmasse in Gasen Mit seiner Hilfe kann eine Partikelgrossenverteilung in Abhangigkeit vom Partikeldurchmesser ermittelt werden Ein Kaskadenimpaktor kann sowohl zur Erfassung von Schwebstaub 1 als auch zur Staubmessung in stromenden Gasen 2 eingesetzt werden Zur Bestimmung der PM10 und PM2 5 Massenkonzentrationen legt die Norm EN ISO 23210 2009 12 einen zweistufigen Kaskadenimpaktor fest 3 Kaskadenimpaktoren wurden erstmals in einer Veroffentlichung aus dem Jahr 1945 beschrieben 4 Inhaltsverzeichnis 1 Messprinzip 2 Varianten 3 Literatur 4 EinzelnachweiseMessprinzip Bearbeiten nbsp Schematische Darstellung eines KaskadenimpaktorsDas Messprinzip eines Kaskadenimpaktors beruht darauf dass Partikel aufgrund ihrer Tragheit plotzlichen Richtungsanderungen der sie mitfuhrenden Stromung nicht oder nur eingeschrankt folgen konnen und Partikel unterschiedlicher Grosse bei gleicher Dichte unterschiedliche Tragheiten aufweisen Ein Kaskadenimpaktor besteht im Wesentlichen aus mehreren Impaktorstufen die jeweils aus einer oder mehrerer Dusen und einer Prallplatte bestehen Ein staubhaltiger Gasstrom wird durch die Duse geleitet und aufgrund der Prallplatte um 90 umgelenkt Partikel mit zu grosser Tragheit konnen der Stromungsumlenkung nicht folgen und werden auf der Prallplatte abgeschieden Damit die abgeschiedenen Partikel haften bleiben befindet sich auf der Prallplatte eine Sammelplatte die beispielsweise aus Glasfasermaterial bestehen kann Ausschlaggebend fur die Fraktionierung der Partikel sind Dusenlange und weite sowie der Abstand zwischen Prallplatte und Duse Durch Verringerung der Dusenweite mit jeder Impaktorstufe wird die Stromungsgeschwindigkeit vergrossert sodass mit jeder Stufe ein kleinerer Partikeldurchmesser erfasst werden kann 1 Der letzten Stufe ist ein Filter nachgeschaltet der die nicht abgeschiedenen Partikel sammeln soll Die Sammelplatten sowie der Filter werden nach der Beaufschlagung mit Staub gewogen Bei den Dusen kann es sich um Bohrungen gleicher Grosse aber auch um Schlitzdusen handeln Dusenplatten und Prallplatten konnen apparativ voneinander getrennt sein es gibt aber auch Prallplatten in denen die Dusen der nachsten Stufen eingebaut sind Die Stromungsgeschwindigkeiten in den Dusen bewegen sich zwischen 3 m s und 4 m s in der ersten Stufe und zwischen 100 m s und 200 m s in der letzten Stufe 5 Die einzelnen Stufen zeigen keine idealen Trennlinien Vielmehr kann jeder Stufe ein aerodynamischer Partikeldurchmesser zugeordnet werden bei dem die Abscheidewahrscheinlichkeit 50 betragt 6 Die Genauigkeit der Wagung ist massgeblich fur die Genauigkeit des Messverfahrens Da fur die Impaktormessung eine ausreichende Staubmasse vorhanden sein muss ist ein ausreichend grosser Gasvolumenstrom notwendig Dies wird haufig durch eine Vielzahl parallel geschalteter gleichartiger Dusen in einer Impaktorstufe bewerkstelligt Mittels Kaskadenimpaktoren lasst sich ein Grossenbereich von ca 20 µm bis hinunter zu 10 nm abdecken 7 Sie konnen in heissen chemisch aggressiven Gasen unmittelbar eingesetzt werden 2 Hochtemperatur Kaskadenimpaktoren sind fur Temperaturen bis uber 1000 C ausgelegt 8 Varianten BearbeitenDer Kaskadenimpaktor hat im Laufe der Zeit zahlreiche Modifikationen und Anpassungen erfahren Zu den bekannteren Varianten des Kaskadenimpaktors zahlen beispielsweise der Berner Impaktor bei dem zur Erzielung feinerer Partikelfraktionen vier gleichartige Kaskadenimpaktoren parallel geschaltet werden 9 und der Elektrische Niederdruckimpaktor der als Kombination aus Kaskadenimpaktor und Aerosolelektrometer 10 arbeitet Kaskadenimpaktoren werden auch zur Erfassung von Bioaerosolen eingesetzt indem die Prallplatte aus einem fur die erfassten Partikel biologischen Ursprungs geeignetem Substrat besteht 11 Zur Bestimmung der PM10 und PM2 5 Massenkonzentrationen bei der Emissionsmessung nach Norm EN ISO 23210 2009 12 ist ein zweistufiger Kaskadenimpaktor zu verwenden 3 Die Fraktion PM10 wird auf der zweiten Impaktorstufe gesammelt die Fraktion PM2 5 auf dem Endfilter 12 13 Die erste Impaktorstufe dient der Grobabscheidung Quarzfeinstaub PM4 wird ebenfalls mit einem zweistufigen Kaskadenimpaktor erfasst Hier werden beide Impaktorstufen zur Grobabscheidung verwendet 14 Literatur BearbeitenVDI 2066 Blatt 5 1994 11 Messen von Partikeln Staubmessung in stromenden Gasen Fraktionierende Staubmessung nach dem Impaktionsverfahren Kaskadenimpaktor Particulate Matter Measurement Dust Measurement in Flowing Gases Particle Size Selective Measurement by Impaction Method Cascade Impactor Beuth Verlag Berlin Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis online Einzelnachweise Bearbeiten a b Lothar Laskus Dieter Bake Erfahrungen bei der Korngrossenanalyse von Luftstauben mit dem Andersen Kaskadenimpaktor In Staub Reinhalt Luft 36 Nr 3 1976 ISSN 0949 8036 S 102 106 a b VDI 2066 Blatt 5 1994 11 Messen von Partikeln Staubmessung in stromenden Gasen Fraktionierende Staubmessung nach dem Impaktionsverfahren Kaskadenimpaktor Particulate Matter Measurement Dust Measurement in Flowing Gases Particle Size Selective Measurement by Impaction Method Cascade Impactor Beuth Verlag Berlin S 3 a b DIN EN ISO 23210 2009 12 Emissionen aus stationaren Quellen Ermittlung der Massenkonzentration von PM10 PM2 5 im Abgas Messung bei niedrigen Konzentrationen mit Impaktoren ISO 23210 2009 Deutsche Fassung EN ISO 23210 2009 Beuth Verlag Berlin S 13 Axel Berner Zur Theorie der Messung von Aerosolgrossenverteilungen mittels einfacher und vielfacher Kaskadenimpaktoren In Staub Reinhalt Luft 36 Nr 9 1976 ISSN 0949 8036 S 385 390 Sheldon Kay Friedlander Smoke Dust and Haze Fundamentals of Aerosol Dynamics John Wiley amp Sons New York 1977 ISBN 0 471 01468 0 S 164 Gunter Baumbach Luftreinhaltung 2 Auflage Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1992 ISBN 3 540 55078 X S 214 Carsten Mohlmann Johannes Pelzer Albert Hellmann Jens Niklas Messtechnische Bestimmung von ultrafeinen und Nanopartikeln bei mechanischen Bearbeitungsverfahren von Nanomaterialien und deren Kompositen In Gefahrstoffe Reinhalt Luft 72 Nr 11 12 2012 ISSN 0949 8036 S 463 465 Thomas Brunner Juergen Fluch Ingwald Obernberger Ragnar Warnecke Investigations of aerosol formation pathways during MSW combustion based on high temperature impactor measurements In Fuel Process Technol 105 2013 ISSN 0378 3820 S 154 160 Axel Berner Praktische Erfahrungen mit einem 20 Stufen Impaktor In Staub Reinhalt Luft 32 Nr 8 1972 ISSN 0949 8036 S 315 320 VDI 3867 Blatt 6 2012 12 Messen von Partikeln in der Aussenluft Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrossenverteilung von Aerosolen Elektrischer Niederdruckimpaktor ELPI Measurement of particles in ambient air Determination of the particle number concentration and number size distribution of aerosols Electrical Low Pressure Impactor ELPI Beuth Verlag Berlin S 3 James H Vincent Aerosol Sampling Science Standards Instrumentation and Applications John Wiley amp Sons Chichester 2007 ISBN 978 0 470 02725 7 S 481 Astrid C John Thomas A J Kuhlbusch Heinz Fissan Gunter Broker Karl Josef Geueke Entwicklung eines PM 10 PM 2 5 Kaskadenimpaktors zur Messung der Emission von Feinstauben In Gefahrstoffe Reinhalt Luft 59 Nr 11 12 1999 ISSN 0949 8036 S 449 454 VDI 2066 Blatt 10 2004 10 Messen von Partikeln Staubmessung in stromenden Gasen Messung der Emissionen von PM10 und PM2 5 an gefuhrten Quellen nach dem Impaktionsverfahren Particulate matter measurement Dust measurement in flowing gases Measurement of PM10 and PM2 5 emissions at stationary sources by impaction method Beuth Verlag Berlin S 10 VDI 2066 Blatt 11 2018 05 Messen von Partikeln Staubmessung in stromenden Gasen Messung der Emissionen von kristallinem Siliziumdioxid Quarz und Cristobalit in der PM4 Fraktion Particulate matter measurement Dust measurement in flowing gases Measurement of emissions of crystalline silicon dioxide quartz and cristobalite in the PM4 fraction Beuth Verlag Berlin S 10 Normdaten Sachbegriff GND 4487333 5 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Kaskadenimpaktor amp oldid 208989399