Probenschläuche und Partikelverluste werden durch die folgenden Mechanismen beeinflusst:
- Diffusion
- Thermophorese
- Sedimentation
- Turbulente Trägheitsablagerung
- Trägheitsablagerung an Rohrkrümmungen
- Durchmesser des Probenrohrs
- Verlust geladener Partikel
- Größe der Probe
Wie Sie sehen, gibt es eine ganze Reihe von Mechanismen! Die gute Nachricht ist, dass sie alle gut erforscht und modelliert wurden, um besser zu verstehen, wie sie ein wesentlicher Faktor für die Unterschiede zwischen den Probenahme- oder Transportsystemen sein können. Lesen Sie im Folgenden mehr über die einzelnen Mechanismen.
Diffusion
Von Diffusion spricht man, wenn sich extrem kleine Partikel (≤ 100 nm Durchmesser) mit einer scheinbar zufälligen Brown’schen Bewegung durch Massenströme bewegen. Im Allgemeinen erfolgt die Bewegung von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration. Die Rohrwände werden zu einer Senke für diese kleinen Partikel, wo sie sich ansammeln, was zu geringen Mengen kleiner Partikelkonzentrationen in der Nähe der Rohrwände führt. Um die Ablagerung an den Rohrwänden durch Diffusion zu verhindern, müssen die Rohre leicht erwärmt werden.
Thermophorese: Thermische Gradienten in Rohren
Bei einem Temperaturgefälle in der Rohrleitung kommt es aufgrund des unterschiedlichen Impulses der Luftmoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen zu einem Nettofluss von Aerosolpartikeln aus den heißen Bereichen in die kalten Bereiche. Wenn die Rohrwände kälter sind als die Luftprobe, werden die Partikel zu den Wänden getrieben, und wenn die Rohrwände wärmer sind als die Luftprobe, werden die Partikel von den Rohrwänden abgestoßen. Partikelverluste aufgrund von Thermophorese sind bei den meisten Systemen mit einem Temperaturunterschied von < 40 °C zwischen den Wänden und dem Aerosol vernachlässigbar.
Sedimentation
Die Sedimentation kann bei Partikeln ≥ 2 – 3 μm, die sich eher an horizontalen Rohroberflächen absetzen, erheblich sein. Diese Partikelablagerung wird in der Regel durch die Schwerkraft verursacht und kann minimiert werden, indem alle Probenröhren nach Möglichkeit vertikal ausgerichtet werden.
Turbulente Trägheitsablagerung
Große Partikel lagern sich mit größerer Wahrscheinlichkeit an den Rohrwänden ab, wenn der Flüssigkeitsstrom (Luft) durch das Rohr nicht laminar ist. Turbulente Strömungen weisen mehr Wirbelströme auf, die dazu führen, dass Partikel aller Größen auf die Röhrenwände auftreffen. Größere Partikel prallen mit relativ hohen kinetischen Kräften auf, und ihre Ablagerung führt zu einer Unterbeprobung dieser Größen. Sobald sich die Partikel an den Wänden des Probenahmerohrs abgesetzt haben, fördert die turbulente Strömung auch den Wiedereintritt größerer Partikel in den Hauptluftstrom zu einem späteren Zeitpunkt, was zu einer Überbeprobung und einer falschen Darstellung der Partikelgrößenverteilung zum Zeitpunkt der Probenahme führen kann.
Trägheitsablagerung in Probenrohrbögen
Trägheitsablagerungen treten immer dann auf, wenn sich ein Rohr in eine bestimmte Richtung biegt. Daher sollten alle Bögen in der Probenleitung eliminiert oder auf ein Minimum reduziert werden, sowohl was die Anzahl der Bögen als auch den Grad der Drehung betrifft. Die Strömungslinien des Luftstroms ändern in den Bögen ihre Richtung, und die Trägheit großer Partikel kann zu groß sein, um ihnen zu folgen, was zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Trägheitsablagerungen an den Rohrwänden in der Biegung führt.
Vergrößerung und Verkleinerung des Probenrohrdurchmessers
Partikelverluste treten immer dann auf, wenn sich der Innendurchmesser des Rohrs vergrößert oder verkleinert. Dies ist auf Impaktion und Ablagerung zurückzuführen. Wenn sich der Rohrdurchmesser vergrößert, vergrößert sich auch die Querschnittsfläche, und es bilden sich Wirbelströme infolge der gekrümmten Strömungslinien des Luftstroms in Richtung der Rohrwand. Dies kann dazu führen, dass sich große Partikel aufgrund ihrer Trägheit ablagern. Wenn sich der Rohrdurchmesser verkleinert, ändert sich die Richtung der Luftstromlinien, und große Partikel können aufgrund ihrer hohen Trägheit nicht mehr folgen. Sie können sich an den Rohrwänden vor der Verengung des Rohrs ablagern.
Verlust geladener Partikel
Der Verlust geladener Partikel kann erheblich sein, wenn die Rohre nicht leitfähig sind (z. B. PTFE). Der Verlust geladener Partikel ist vernachlässigbar bei leitfähigen Schläuchen, die mit leitenden oder ableitenden Fasern imprägniert sind (z. B. Kohlenstofffasern in Bev-a-line), oder wenn der Partikeldurchmesser viel kleiner als der Schlauchdurchmesser ist. Daher tragen größere Rohrdurchmesser und elektrostatisch ableitfähige Transportrohre zur Verringerung der Verluste bei, die zu Zählabweichungen führen, wenn die Partikel eine Ladungsvorspannung tragen.
Überlegungen zur Probengröße
ISO 14644-1 besagt, dass eine statistisch signifikante Probe mindestens 20 Partikel in dem für die Zertifizierung verwendeten Größenkanal erfassen muss. Dies bedeutet oft, dass die größeren Partikelkanäle nicht genügend Partikel in einer 1-Minuten-Probe enthalten, wenn die Durchflussrate relativ niedrig ist (z. B. 0,1 CFM), und es wird empfohlen, ein größeres Probenvolumen zu sammeln. Geringere Probenahmezeiten erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit, dass eine vorübergehende Partikelquelle vom Zähler erfasst wird, was die Partikelgrößenverteilung in Richtung höherer als normaler Werte verzerren kann. Eine Verlängerung der Probenahmezeiten kann dazu beitragen, diese Ereignisse zu normalisieren und die durchschnittlichen Gesamtzahlen pro Volumen zu senken, so dass sie die normale Größenverteilung besser widerspiegeln.
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Partikelverluste in Transportschläuchen können durch eine Kombination verschiedener externer Faktoren entstehen. Um das Risiko und die potenziellen Auswirkungen auf das Endprodukt zu bewerten, ist die Durchführung von Partikeltransporttests unerlässlich. Das Hauptziel dieser Tests ist zweierlei: erstens die Quantifizierung der resultierenden Partikelverluste innerhalb eines Fernentnahmesystems und zweitens die Erbringung eines dokumentierten Nachweises zur Charakterisierung der Effizienz funktionierender und nicht funktionierender Überwachungsprozesse. Durch die Berücksichtigung dieser Aspekte können Hersteller wertvolle Erkenntnisse über die Dynamik des Partikeltransports in ihren Fernentnahmesystemen gewinnen und sicherstellen, dass geeignete Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Produktqualität ergriffen werden.