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Design and characterization of the aerosol sampling and vacuum system of the University of Vienna's aerosol observatory
Mickajel Jengojan
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Bernadett Weinzierl
DOI
10.25365/thesis.82175
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10015.09637.944663-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Aerosole beeinflussen das Erdklima maßgeblich durch ihre Wechselwirkung mit einfallender und ausgehender elektromagnetischer Strahlung sowie durch ihren Einfluss auf die Bildung und Eigenschaften von Wolken. Darüber hinaus können Aerosolpartikel negative Auswirkungen auf die Gesundheit von Mensch und Tier haben. Besonders gefährlich sind hohe Konzentrationen kleiner Partikel in dicht besiedelten Gebieten. Folglich ist die Überwachung urbaner Aerosolpartikelkonzentrationen von großer Bedeutung für den Schutz der öffentlichen Gesundheit und die Klimaforschung. Das Aerosol-Observatorium (AerObs) der Universität Wien, das sich auf dem Dach des Gebäudes der Fakultät für Physik befindet, ist mit Instrumenten ausgestattet, welche die Umgebungskonzentration von Partikeln mit Durchmessern kleiner als 2.5 μm (PM2.5) messen. Seit 2024 ist die Universität Wien Teil der Forschungsinfrastruktur Aerosols, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure (ACTRIS) und wurde als nationale Einrichtung (National Facility) anerkannt. Zur Messung der Partikelkonzentration wird Umgebungsaerosol mit einem Einlass angesaugt und über Edelstahlrohre zu Messgeräten wie Kondensationspartikelzählern (Condensation Particle Counters, CPCs) transportiert, die die Partikelkonzentration messen. Durch verschiedene Effekte können jedoch Partikel innerhalb des Einlasssystems verloren gehen. Dadurch unterscheiden sich die Partikelkonzentrationen des transportierten Aerosols von jenen der Umgebungsluft. Um die „wahre" Partikelkonzentration der Umgebungsluft zu bestimmen, müssen die durch das Einlasssystem verursachten Partikelverluste und somit die Einlasseffizienz charakterisiert werden. In dieser Arbeit wird das PM2.5-Transportsystem des AerObs sowohl theoretisch als auch experimentell für Verluste von Silberpartikeln charakterisiert. Die theoretische Charakterisierung erfolgt mittels der Particle Loss Calculator Software (PLC), während die experimentelle Charakterisierung mit dem TSI Aerosol Elektrometer 3068B sowie vier Grimm 5410 CPCs mit Cutoff-Durchmessern von 4.5 nm, 7 nm und zweimal 10 nm durchgeführt wird. Silberpartikel werden mit dem Catalytic Instruments Silver Particle Generator (SPG) erzeugt. Ein Differentieller Mobilitätsanalysator (RAX-DMA) selektiert einen schmalen Bereich elektrischer Mobilitätsdurchmesser und isoliert so aus polydispersem Silberaerosol ein monodisperses Aerosol. Auf diese Weise wird die größenabhängige Transporteffizienz des PM2.5-Transportsystems ermittelt. Darüber hinaus wird die Aufteilungsleistung der im PM2.5-Einlasssystem verbauten Flussteilers (Flow Splitter) mithilfe des TSI Aerosol Elektrometer 3068B und zweier TSI 3772-CEN CPCs bestimmt. Um zudem die Anforderungen von ACTRIS zu erfüllen, muss das AerObs ausreichendene Volumenstromstärke und Vakuum für die zahlreichen bestehenden Geräte sowie mögliche künftige Erweiterungen bereitstellen. Daher wird die Leistung der neuen MINK MV 0060 D Synchro Dry Klauenvakuumpumpen im Vakuumsystem des AerObs für verschiedene Einlass- Volumenstromstärken charakterisiert. Um darüber hinaus zu bestimmen, welche Bauteilkonfigurationen und -dimensionen ein ausreichendes Vakuumniveau in der Abluftleitung erzielen, werden die Reibungsdruckverluste für verschiedene Konfigurationen mithilfe eines selbst entwickelten Algorithmus berechnet. Daraus ergibt sich eine berechnete Druckverteilung innerhalb des gesamten PM2.5-Einlass-, Abluft- und Vakuumsystems. Zusätzlich wird der absolute Druck mittels Jumo Delos SI 488 Drucksensoren an zwei Punkten des Vakuumsystems gemessen, um die Gültigkeit der Berechnungen zu bestätigen. Die Ergebnisse zeigen, dass im untersuchten Größenbereich von 7.5 bis 300 nm die experimentell gemessenen und die theoretisch vorhergesagten Transporteffizienzen übereinstimmen, wobei die Partikelverluste bei kleineren Größen aufgrund von Diffusion zunehmen. Je nach durchflossener Transportleitung lagern sich etwa 14 bis 30 % der Silberpartikel mit elektrischen Mobilitätsdurchmessern von 7.5 und 9 nm an den Wänden des Transportsystems ab. Zudem wird beobachtet, dass der Catalytic Stripper, der stromaufwärts eines der CPCs eingebaut ist, die Transporteffizienz von Silberpartikeln je nach Partikelgröße um weitere 15 bis 25 % reduziert. Des Weiteren zeigen die Experimente, dass die im Aufbau verwendeten Dreiwege-Flussteiler bei der Aufteilung des Aerosols keine signifikante Präferenz für einen bestimmten Zweig aufweisen. Darüber hinaus sind die den Flussteilern zuzuschreibenden Partikelverluste vernachlässigbar, da sie innerhalb der Messunsicherheit liegen. Die Druckanalyse zeigt, dass die Vakuumpumpen ausreichendes Vakuum für die geplante Erweiterung des AerObs bereitstellen, sofern die Abluftleitungen einen ausreichenden Durchmesser aufweisen. 1/2-Zoll-Schläuche aus Perfluoralkoxy-Polymer (PFA, 1/2 inch) sind gut für das erforderliche Vakuum stromabwärts der verbauten kritischen Düsen und Messgeräte geeignet, die einen Druck von unter etwa 500 hPa benötigen, um eine konstante Durchflussrate zu gewährleisten. Zusätzlich identifizierte die Druckverteilungsanalyse einen erheblichen Druckverlust im angeschlossenen Catalytic Vapor Filter - 400 (CVF-400), der davon abhängt, ob das Gerät ein- oder ausgeschaltet ist, was darauf hindeutet, dass die erhöhte Temperatur des CVF-400 zu einer höheren Volumenstromstärke und somit zu größeren Reibungsdruckverlusten führt.
Abstract
(Englisch)
Aerosols significantly influence Earth’s climate by interacting with incoming and outgoing electromagnetic radiation and affecting cloud formation and characteristics. Furthermore, aerosol particles can have a negative impact on human and animal health. Especially hazardous are high concentrations of small particles in densely populated areas. Consequently, monitoring urban aerosol particle concentrations is of great importance to public health protection and exposure assessment as well as climate research. The University of Vienna’s Aerosol Observatory (AerObs), located on the rooftop of the Faculty of Physics building, is equipped with instruments that monitor the ambient number concentration of particulate matter smaller than 2.5 μm in diameter (PM2.5). Since 2024, the University of Vienna has been part of the Aerosols, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure (ACTRIS) and has been recognized as a National Facility. For the particle concentration measurement, ambient aerosol is sampled with an inlet and transported with stainless steel tubes to measuring devices such as Condensation Particle Counters (CPCs) that monitor the particle number concentration. However, through various effects, particles can be lost within the sampling system. As a result, particle concentrations of transported aerosol differ from those in ambient air. To determine the "true" ambient aerosol particle number concentration, the particle losses attributable to the sampling system and thus the sampling efficiency must be characterized. In this thesis, the PM2.5 transport system of the AerObs is theoretically as well as experimentally characterized for particle losses using monodisperse silver particles. The theoretical characterization is conducted, using the Particle Loss Calculator software (PLC), whereas the experimental characterization is performed with the TSI Aerosol Electrometer 3068B and four Grimm 5410 CPCs with cutoff diameters of 4.5 nm, 7 nm and two at 10 nm. Silver particles are generated with the Catalytic Instruments Silver Particle Generator (SPG). A Differential Mobility Analyzer (RAX-DMA) selects a narrow electrical mobility diameter range from the polydisperse silver aerosol, thereby extracting a monodisperse aerosol fraction. Thus, the size-dependent transport efficiency of the PM2.5 transport system is assessed. Furthermore, the splitting performance of the flow splitters, incorporated into the PM2.5 sampling system, is determined using the TSI Aerosol Electrometer 3068B and two TSI 3772-CEN CPCs. Additionally, to fulfill the requirements of ACTRIS, the AerObs must provide adequate flow and vacuum for the numerous existing devices and potential additions. Therefore, the performance of the new MINK MV 0060 D Synchro Dry claw vacuum pumps within the AerObs vacuum system is characterized for various inlet flow rates. To further determine which component configurations and dimensions achieve a sufficient vacuum level in the exhaust line, the frictional pressure losses for various setups are calculated using a self-developed algorithm. This provides a calculated pressure distribution within the entire PM2.5 sampling, exhaust and vacuum system. In addition, the absolute pressure is measured using Jumo Delos SI 488, at two points of the vacuum system to confirm the validity of the calculations. Results show that experimentally measured and theoretically predicted transport efficiencies agree, over the investigated diameters between 7.5 and 300 nm. Particle losses increase with decreasing particle diameters due to diffusion. Depending on the transport line through which they flow, approximately 14 to 30 % of silver particles with electrical mobility diameters of 7.5 and 9 nm are deposited on the walls of the transport system. It is also observed that the Catalytic Stripper incorporated upstream of one of the CPCs reduces the transport efficiency of silver particles by an additional 15 to 25 % depending on particle size. Furthermore, experiments show that the three-way splitters used in the setup exhibit no significant preference for any branch when dividing the aerosol. In addition, particle losses attributable to the splitters are negligible, because they lie within the uncertainty of the measurement. The pressure analysis shows that the vacuum pumps provide sufficient vacuum for the planned AerObs extension, provided the exhaust lines have an adequate diameter. Perfluoroalkoxy alkane (PFA, 1/2 inch) tubes are well suited for the required vacuum downstream of the incorporated critical orifices and measurement devices, which require a pressure below approximately 500 hPa to ensure a constant flow rate. Additionally, the pressure distribution analysis identified a considerable pressure loss in the connected Catalytic Instruments’ Catalytic Vapor Filter - 400 (CVF- 400) that depends on whether the device is switched on or off, suggesting that the increased temperature of the CVF-400 increases the flow rate, which increases frictional pressure losses.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Aerosolphysik Partikelverluste Vakuumsystem Einlasssystem Atmosphärenphysik Druckverluste Transporteffizienz
Schlagwörter
(Englisch)
aerosol physics particle losses particle deposition vacuum system sampling system transport efficiency pressure losses atmospheric science
Autor*innen
Mickajel Jengojan
Haupttitel (Englisch)
Design and characterization of the aerosol sampling and vacuum system of the University of Vienna's aerosol observatory
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
vi, 72 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Bernadett Weinzierl
Klassifikation
33 Physik > 33.99 Physik. Sonstiges
AC Nummer
AC18055918
Utheses ID
82865
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |