VDI 2066 Blatt 5-1994 Particulate matter measurement - Dust measurement in flowing gases particle size selective measurement by impaction method - Cascade impactor.pdf

1、ICS 13.040.10 VDI-RICHTLINIEN November 1994VEREINDEUTSCHERINGENIEUREMessen von PartikelnStaubmessung in strmenden GasenFraktionierende Staubmessung nach demImpaktionsverfahren KaskadenimpaktorPartlculate Matter MeasurementDust Measurement in Flowing GasesParticle Size Selective Measurement byImpacti

2、on Method - Cascade ImpactorVDI 2066Blatt 5/ Part 5Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishDer Entwurf der Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundesanzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.Inhaltlich berprft und unverndertwei

3、terhin gltig: September 1 999Inhalt SeiteVorbemerkung 21 Grundlage des Verfahrens 42 Funktionsweise, Baueiemente und Ausfhrungsformendes Impaktors 62.1 Funktionsweise 62.2 Bauelemente 72.3 Ausfhrungsformen 83 l/leanordnung 103.1 Gerte und Betriebsmittel 103.2 Aufbau der Meanordnung 134 Vorbereiten u

4、nd Durchfhren der lessung 144.1 Auswahl und Vorbehandeln der Sammelplatten und desEndfilters 144.2 Vorbehandeln der Impaktoreinstze 164.3 Durchfhren der Messung 165 Auswerten der l/ledaten,Berechnen und Darstellen der Meergebnisse 235.1 Allgemeines 235.2 Berechnen des Medianwertes des aerodynamische

5、n Durchmessers einer Impaktorstufe mit mehreren Runddsen . . 235.3 Darstellen des Meergebnisses 256 Verfahrenskenngren und Anwendungsbereiche 266.1 Partikelgrenbereich 276.2 Impaktorbeladung 276.3 Staubgehalt 286.4 Temperaturbereich 296.5 Abgasgeschwindigkeit 296.6 Reproduzierbarkeit und Unsicherhei

6、t 297 Fehlermglichkeiten und Fehlerbewertung 308 Warten und berprfen der Meeinrichtung 328.1 Wartungsarbeiten im Laboratorium 328.2 berprfen der Meeinrichtung vor dem Einsatz 339 Einsatzmglichkeiten 33Schrifttum 34Anhang I Beispiel fr die Auswertung einer Impaktormessung . 35Anhang II Berechnen der

7、dynamischen Viskositt von Gasgemischen 42Anhang III Nomogramm zur Ermittlung des Cunningham-Fak-tors 45The draft of this Guideline has been subject to public scrutinyafter announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).No guarantee can be given with respect to the English translation. The Germ

8、an version of this Guideline shafi be taken asauthoritative.ContentsPreliminary Note . .1 Principle of the Method2 Mode of Operation, Structural Components andImpactor Designs 62.1 Mode of Operation 62.2 Components 72.3 Designs 83 Measuring Arrangement 103.1 Equipment and Working Materials 103.2 Mea

9、suring Setup 134 Preparation and Performance of the Measurement4.1 Selection and Pretreatment of the Collecting Plates and theBackup Filter4.2 Pretreatment of the Impactor Inserts .4.3 Performance of the Measurement . .14141616232323255 Evaluation of the Measured Data,Caiculation and Presentation of

10、 the Results5.1 General5.2 Calculating the Median Value of the Aerodynamic Diameter of an Impactor Stage Containing Round Nozzles . . .5.3 Presentation of the Measuring Results6 Performance Characteristics and Application 266.1 Particle Size Range 276.2 Impactor Load 276.3 Dust Content 286.4 Tempera

11、ture Range 296.5 Waste Gas Velocity 296.6 Reproducibility and Uncertainty 297 Possible Errors and Error Assessment 308 Maintenance and Check of the Measuring Equipment 328.1 Maintenance at the Laboratory 328.2 Checking of the Measuring Equipment before Use 339 Applications 33References 34Appendix I

12、Example of Evaluating the Impactor Measurement . 35Appendix II Caiculation of the Dynamic Viscosity of Gas Mix-tures 42Appendix III Nomogram for the Determination of the Cunning-ham Factor 45Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DINArbeitsgruppe Staubmessungen in strmenden Gasenim Ausschu Messe

13、n von PartikelnVDI-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 4B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-2- VDI 2066 Blatt 5 /Part 5 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1994VorbemerkungBei

14、 der Emission von Stuben ist dem Feinstaubanteil wegen seiner Bedeutung fr die Lufthygiene besondere Beachtung zu schenken. In diesem Zusammenhang sind die Lungengngigkeit, die geringeSinkgeschwindigkeit in der Atmosphre und die Anreicherung von Schwermetallen im Bereich kleinerPartikelgren zu nenne

15、n.In der Ersten Allgemeinen Verwaltungsvorschriftzum Bundes-Immissionsschutzgesetz (TA Luft) werden daher der Gesamtstaubgehalt und der Feinstaubgehalt der Abgase industrieller und gewerblicher Anlagen begrenzt 1. Darin wird der Feinstaubgehalt auf Partikeldurchmesser von 5 bzw.10 lim bezogen. Es bl

16、eibt allerdings offen, wie dieTeilchendurchmesser zu definieren sind, welcheStoffdichte zur Beschreibung herangezogen werdensoll und welches Meverfahren angewendet werdenkann.In der Richtlinie VDI 3491 Bl. 1 2 werden 19 verschiedene Partikeldurchmesser definiert. In Verbindung mit verschiedenen Meng

17、enmaen, z.B. Anzahl,Volumen und Masse, ergibt sich eine Vielzahl anMgHchkeiten der Messung und Darstellung einerPartikelgrenverteilung. Bei Emissionsmessungenbietet sich zur Beschreibung der Partikelgre deraerodynamische Durchmesser an. Er beschreibt frPartikeln im Bereich ber 0,5 |im Durchmesser da

18、sVerhalten der Partikeln im gasgetragenen Zustand.Im Sinne der TA Luft sollten zur Beschreibung derPartikelgrenverteilung Massenanteile herangezogen werden.Entsprechend den Anforderungen der jeweiligenAufgabenstellung ist die Anzahl der einsetzbarenMeverfahren eingeschrnkt. Es ist anzustreben, diePa

19、rtikelgre unmittelbar im gasgetragenen Zustandzu messen. Fr die meisten zu diesem Zweck verwendeten Megerte, wie z.B. Streulichtmegerte, Diffusionsbatterien, elektrostatische Aerosolanalysatoren und Aerosolzentrifugen, ist eine Probenahmeber eine Entnahmesonde notwendig, da die Gertenicht unmittelba

20、r im Abgaskanal eingesetzt werden.Preliminary NoteWith dust emissions, particular attention should bepaid to the proportion of fine dust, which may con-siderably affect the quahty of the air. Reference hasto be made in this connection to the thoracic penetration, the low Sedimentation velocity in th

21、e atmo-sphere and the concentration of heavy metals onsmall particles.For the above mentioned reason the total and thefine dust content of industrial waste gases have beenlimited by the Technical Instructions on Air QualityControl within the Federal Immission Control Act(Erste Allgemeine Verwaltungs

22、vorschrift zumBundes-Immissionsschutzgesetz TA Luft) 1, inwhich fine dust refers to particles having diametersof 5 Jim and/or 10 jim. However, nothing has beenstipulated as to how particle diameters have to bedefined, what density the definition has to be basedon and which method of measurement has

23、to be ap-phed.Guideline VDI 3491 Part 1 2 defines 19 differentparticle diameters. In combination with various unitsof quantity, such as the number, volume and mass,numerous ways are obtained for measuring and pre-senting the particle size distribution. For emissionmeasurements, the aerodynamic diame

24、ter is suitablefor defining the particle size. It describes the behav-iour of gas-borne particles having a diameter of morethan 0.5 |im. In accordance with TA-Luft mass frac-tions should be used for describing the particle sizedistribution.The number of appHcable methods of measurementis limited by

25、the requirements of the measuring testto be solved. In general it is desirable to measurethe particle size while the particle is still suspendedin the gas. However most measuring Instrumentsused for this purpose, such as those based on lightscattering, diffusion batteries, electrostatic aerosolanaly

26、zers and aerosol centrifuges, require samplingby means of the extraction probe, since the Instruments cannot be used directly in the waste gas duct.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vor

27、behalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 994 VDI 2066 Blatt 5/Part 5 - 3 -Es hat sich gezeigt, da fr Partikeln ber 3 |Limgroe Erfassungsverluste durch Anlagerung einesTeils der Stube an den Wandungen von Sonde undMegerteeinla auftreten. Der Anwendungsbereichdieser Meverfahren beschrnkt sich

28、 daher auf Partikeln unter 3 jim. Bei Emissionsmessungen an ge-werbhchen und industriellen Anlagen sind Partikelnim Bereich kleiner als 1 jiim bis 100 |im zu erwarten.Die vorgenannten Aerosolmegerte knnen in heien und chemisch aggressiven Abgasen in der Regelnicht verwendet werden. Eine starke Abkhl

29、ung desentnommenen Teilstromes verbietet sich, da dieKondensation von Feuchtigkeit und Abgasbegleitstoffen das Grenspektrum der Partikeln verndernkann.Nach dem heutigen Stand der Metechnik eignensich Kaskadenimpaktoren fr eine Teilstromentnahme im Sinne der Richtlinie VDI 2066 Bl. 1 3und gleichzeiti

30、ge Trennung in Fraktionen. Sie knnen auerdem in heien, chemisch aggressiven Gasen unmittelbar eingesetzt werden.Bei Messungen mit Kaskadenimpaktoren in Verbindung mit gravimetrischer Auswertung ergeben sichMassenverteilungen hinsichtlich des aerodynamischen Durchmessers der Partikeln. Dieses Verfahr

31、en ersetzt jedoch nicht die Messung des Gesamtstaubgehaltes im Sinne der Richtlinie VDI 2066Bl. 2 4.Umrechnungen in andere Partikelgrenmae sindnur in Ausnahmefllen und mit Hilfe zustzlicherInformationen ber weitere Eigenschaften, wie z.B.Dichte und Formfaktoren der Staubpartikeln, mglich.Wie bei all

32、en Aerosolmegerten sind der Anwendbarkeit von Kaskadenimpaktoren Grenzen gesetzt.Dies gilt fr den Partikelgrenbereich, die Feststoffkonzentration und die Eigenschaften des Trgergases. Kaskadenimpaktoren trennen je nach Bauart, Gaszustand und Partikeleigenschaften die Partikeln in mehrere Fraktionen

33、zwischen etwa 0,5 imund 15 im auf. Grere Partikeln (ber 10 |xm) stren die Fraktionierung und mssen durch einen Vorabscheider abgetrennt werden.Fr spezielle Meaufgaben knnen Niederdruck-Impaktoren“ mit einem zu kleineren Partikeln verschobenen Mebereich eingesetzt werden. Gertedieses Typs werden in d

34、er vorliegenden Richtlinienicht behandelt.Grundstzlich ist der Einsatz von Impaktoren nichtauf den in dieser Richthnie beschriebenen Anwendungsbereich beschrnkt. Impaktoren knnen z.B.auch zur Messung auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik eingesetzt werden.It has been found that measuring of particles

35、 largerthan 3 jim is affected by parts of the dust being de-posited on the walls of the probe and of the measuring Instrument inlet. The application of these meth-ods of measurement is therefore limited to particlesbelow 3 |im. For emission measurements in in-dustrial plants, the presence of particl

36、es smaller than1 im and up to 100 im is to be expected.Normally, the above mentioned aerosol Instrumentscannot be used in hot and chemically aggressivewaste gases. Heavy cooling of the extracted samplegas stream is not allowed since condensation of themoisture and other substances carried along with

37、waste gas could alter the particle size spectrum.According to the latest State of the art, cascade im-pactors are considered as suitable for the extractionand simultaneous fractionation of sample gasstreams for the purpose specified in GuidelineVDI 2066 Part 1 3. Moreover, they can be useddirectly i

38、n hot and chemically aggressive gases.When applying cascade impactors in combinationwith gravimetric evaluation, it is possible to obtainthe mass distributions related to the aerodynamicparticle diameter. This is, however, no Substitute forthe measurement of the total dust content as perGuideline VD

39、I 2066 Part 2 4.Conversion to other particle measures can only becarried out in exceptional cases and with the helpof additional Information on further properties, suchas mass density and particle shape factors of the dust.As with all aerosol measuring instruments, limits areset to the applicabihty

40、of cascade impactors by theparticle size rnge, the mass concentration of particles and the properties of the carrier gas. Dependingon the condition of the gas, the particle properties,and the design, cascade impactors will collect theparticles and segregate them into various fractionsbetween 0.5 |im

41、 and 15 jim. Coarser particles (largerthan 10 im) affect the fractionating process and haveto be removed by means of a preseparator.For special applications, “low pressure impactors“with a special measuring rnge for smaller particlesmay be used. Instruments of this type are, however,not dealt with h

42、ere.The use of impactors is, of course, not limited tothe applications described in this Guideline. Thus,for instance, impactors may be used in field of theprocess technology.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - S

43、tand 2016-11-4- VDI 2066 Blatt 5/Part 5 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 19941 Grundlage des VerfahrensZur Gewinnung partikelgrenabhngiger Staubfraktionen wird bei Impaktoren die unterschiedlicheTrgheit von Partikeln ausgenutzt. Eine Impaktor-stufe besteht prinzipiell aus d

44、en Elementen Dse undPrallplatte. Partikeln mit ausreichender Trgheit desin der Dse beschleunigten Partikelkollektivs treffenauf die Prallplatte auf (siehe Bild 1) und werden dortgesammelt.1 Principle of the MethodImpactors make use of the different inertia of parti-cles to fractionate the dust accor

45、ding to particle sizes.The basic impactor stage components are the nozzleand impact plate. When accelerated in the nozzlethose particles which have sufficient inertia strike theimpact plate (see Fig. 1) where they are collected.Prallplatte Flugbahn einerimpaktierten Partikel Sammelplatte(z.B. Glasfa

46、sermaterialII 1 im Ii hn sNozzleStream- tlines/u Trajectory of a non-impacted particle0,25, 0,50.25, 0.5 10000) treten Abweichungen in Richtung auf kleinere Stokes-Zahlen auf. Groe Reynolds-Zahlen sollten aber generell wegen der bei hohen Gasgeschwindigkeitenauftretenden Abblasevorgnge von Partikeln

47、 auf derPrallplatte vermieden werden.Abweichungen in Richtung auf grere Stokes-Zahlen, die auch experimentell beobachtet wurden, treten bei Reynolds-Zahlen unter 100 auf.Median values of the Stokes number determined byexperiments 7 (see Section 5.2) are used as a basisfor the practical evaluation of

48、 impactor measurements while the cut diameter /aeso of an impactorstage is determined in accordance with equation (5).The influence of the Reynolds number on the medianvalue St50 may be neglected within the rnge of100 10000) deviation towards smaller Stokes numbers will occur.However, large Reynolds

49、 numbers should generallybe avoided to prevent particle blowoff from the im-pact plate because of the high gas velocities.Deviations towards larger Stokes numbers, whichhave also been observed in experiments, occur withReynolds numbers of less than 100.2 Funktionsweise, Bauelemente undAusfhrungsformen des impaictors2.1 FunktionsweiseEin staubbeladener Ga