Energieeffiziente Abscheidung von hochkonzentrierten flüssigen Aerosolen mit einem Autogenen Raumladungsgetriebenen Abscheider (ARA) Dissertation

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1 Enegieeffiziente Abscheidung von hochkonzentieten flüssigen Aeosolen mit einem Autogenen Raumladungsgetiebenen Abscheide (ARA) Von de Fakultät fü Umweltwissenschaften und Vefahenstechnik de Bandenbugischen Technischen Univesität Cottbus-Senftenbeg zu Elangung des akademischen Gades eines Dokto-Ingenieus genehmigte Dissetation von Magiste Segiy Lebedynskyy aus Chakiw (Ukaine) 1. Gutachte: Pof. D.-Ing. U. Riebel. Gutachte: Pof. D.-Ing. C. Egbes Tag de mündlichen Püfung:

2 ii Vowot Die voliegende Abeit entstand in den Jahen 6-1 wähend meine Tätigkeit als wissenschaftliche Mitabeite am Lehstuhl Mechanische Vefahenstechnik de Bandenbugischen Technischen Univesität Cottbus-Senftenbeg. Mein besondee Dank gilt zunächst meinem Doktovate, Hen Pof. D.-Ing. Ulich Riebel, fü seine Untestützung wähend de Beteuung diese Abeit und fü seinen Einsatz fü die Doktoanden des Lehstuhls. Wähend de Abeit an vielen inteessanten Pojekten des Lehstuhls dufte ich seh viel von ihm fachlich und pesönlich lenen. Ich danke de Seketäin Fau Renate Choyna und dem Labotechnike Hen Fank Schlag fü ihe ständige Hilfsbeeitschaft und Untestützung im wissenschaftlichen Alltag. Ich danke den Mitabeiten de mechanischen Wekstatt Hen Uwe Zensdof und Hen Wilfied Wittkopf fü ihen seh zeitintensiven Einsatz und Untestützung wähend de Auslegung und des Aufbaus zahleiche Laboanlagen und Geäte. Ich danke Hen Joachim Schwentne aus de Elektonikwekstatt fü seine Untestützung wähend de Entwicklung von veschiedenen Elektonikgeäten und Messanodnungen. Fü die angenehme Zusammenabeit möchte ich den ehemaligen und den dezeit noch aktiven Doktoanden des Lehstuhls Goat Stommel, Xiaoai Gou, Shaoliang Wang, Robet Mnich, Calos Moales, Plamen Toshev, Jög Pewin, Andeas Goll, Yui Aleksin und Amanbek Checheibaev ganz hezlich danken. Alpesh Voa danke ich fü seine Hilfe bei de Estellung de Simulation. Meinem ehemaligen Büokollegen Chistian Lübbet danke ich fü sein ansteckendes wissenschaftliches Engagement und unendliche Diskussionen. Meinem Bude Volodymy Lebedynskyy danke ich fü schöne gemeinsame Zeit am Lehstuhl, fü die Untestützung bei de Lösung schwieige Aufgaben und fü die gemeinsamen Fußballspiele. Ich danke de Fa. Kelle-Lufttechnik GmbH und pesönlich den Heen Nobet Fank und Hans-Jög Stabege fü die Mitabeit an dem Pojekt und wünsche viel Efolg auf dem neuen Gebiet de elektostatischen Abscheide. Ich danke den Mitglieden des Püfungsausschusses: dem Zweitgutachte Pof. D.-Ing. C. Egbes, dem Mitglied Pof. D.-Ing. F. Mauß, dem Beisitze D.-Ing. L. Staßbege. Auf de pivaten Ebene möchte ich meine liebsten Fau Yuliya und meine kleinen süßen Tochte Alexanda fü den ständigen Rückhalt hezlich bedanken. Auch meinem Neffen Eick, de Nichte Alicia und de Schwägein Kataina danke ich fü schöne und abwechslungseiche gemeinsame Zeit in Cottbus. Vladyslav Kasnoshchok und Vadym Tykoz danke ich dafü, dass die mich imme wiede von de Abeit künstleisch abgelenkt haben. Ich danke meinen Elten, Volodymi und Lyudmyla Lebedynskyy, fü ihe Untestützung meine Reise nach Deutschland und dafü, dass die imme fü mich da waen. Wolfsbug, Febua 14 Segiy Lebedynskyy

3 1 Inhaltsvezeichnis 1 Einleitung... 3 Elektoabscheide Allgemeines zu den Elektoabscheiden Theoetische Gundlagen Unipolae Patikelaufladung Coona-Entladung Elektische Wind Gundlagen de elektostatischen Abscheidung I-U-Chaakteistik eines patikelfeien Elektoabscheides Elektische Übeschlag im Elektoabscheide Coona Quenching. Das Modell von Lübbet Elektostatische Dispesion Elektostatisches Abtopfen und Elektospay Stand de Technik Mehstufige Elektoabscheide Raumladungsabscheide Ezeugung de Hochspannung mit unipola geladenen Aeosolen Enegievebauch de Abscheidung. Angaben aus de Liteatu Zusammenfassende Bewetung ARA-Konzept. Vountesuchungen Auslegung de ARA-Anlage Stufe. Auflade Ziele de Aufladung Enegiebedaf de Aufladung Steueung des Auflades Auswahl de Auflade-Polaität Tanspot des geladenen Aeosols und begleitende Eeignisse Stufe. ARA-Kollekto Ladungs-Kollektoelektode Elektohydodynamische Effekte am Eintitt in die LKE Elektostatisches Abtopfen in de KE Patikelabscheidung im FE-Beeich Elektische Kapazität und Käfte zwischen Elektoden Entladungskaskade Elektische Isolation Laboanlage fü 1 m³/h Vesuchs- und Messaufbau Laboanlage fü 1 m³/h Testaeosol... 61

4 6.1.3 Scanning Mobility Paticle Size (SMPS) Messung hoch konzentiete geladene Aeosole. Aeosolvedünnung Radioaktives Faaday-Cup Elektomete Egebnisse de Labountesuchungen Untesuchungen zum stomgesteueten Aufladebetieb Mobilitätsmessungen Untesuchungen zu den Entladungsvogängen im ARA-Kollekto Emittlung de Tennkuven Untesuchungen zum Übeschlag im Plattenpaket bei einem unkontollieten Feldaufbau Potentialvelauf de PFE nach dem Abschalten des Auflades Messung de Ozonkonzentation Zusammenfassende Bewetung de Messegebnisse Weitee Untesuchungen zu Aeosolselbstentladung Vesuchsaufbau zu Untesuchung de Aeosolselbstentladung Nachweis von Selbstentladung Einfluss auf die elektostatische Dispesion Elektohydodynamische Stömung duch Selbstentladung Entladungsvelauf Fazit ARA-Pototyp Die Inbetiebnahme des ARA-Pototyps. Untesuchungen im Labo Messungen am Auflade Messungen am ARA-Kollekto Messung de Tennkuven Vesuch zu Untedückung des Coona-Stoms im Plattenpaket duch die Beschichtung von Elektodenkanten mit Isolielack Vesuche zu Beuteilung de elektischen Isolation Messung de Ozonkonzentation D-Modellieung de ARA-Stufe Gleichungssystem Beechnungsalgoithmus Die Geometie und das Gittenetz Modell-Paamete und Randbedingungen Emittlung de Modell-Ausgangsdaten Simulationsegebnisse Bewetung de Egebnisse Zusammenfassung Symbolvezeichnis Liteatu Anhang

5 3 1 Einleitung De dezeitige Entwicklungsstand von elektostatischen Abscheiden bietet dem Endnutze eine Vielfalt von veschiedenen Konzepten und ihen Kombinationen an. Ein- und zweistufige Elektoabscheide, Raumladungsabscheide, Ionisationswäsche (Bioelektogeuchsabscheide) und elektostatisch untestützte Filteanlagen finden den Einsatz in de Industie, de Klimatechnik und auch in den Pivathaushalten. Fü eine optimale Konzept-Auswahl und Auslegung kommen wechselwikende Faktoen wie Investitions- und Betiebskosten, Abgaszusammensetzung und angestebte Reingaswete ins Spiel. Fü die Abscheidung von schwieigen (flüssigen, klebigen und hochkonzentieten) Aeosolen ist de Nass-Elektoabscheide eine Altenative zu den bishe eingesetzten Wäschen und Filteanlagen. Duch den Einsatz eines Elektoabscheides können viel bessee Abscheideleistungen eeicht weden als bei Wäschen, so dass eine Raumluftückfühung emöglicht wüde. Auch de spezifische Enegievebauch de Elektoabscheide liegt mit,5- kwh/1 m³ gegenübe,5-5 kwh/1 m³ bei Wäschen deutlich niedige. Die filtenden Abscheide weisen zwa hohe Abscheidegade auf, haben abe aufgund von seh gehandicapten Abeinigungsmöglichkeiten seh kuze Standzeiten, die bei den Wäschen und den Elektoabscheiden um Gößenodnungen länge sein können. Zugleich hat de Elektoabscheide abe die Nachteile von deutlich höheen Investitionskosten (insbesondee fü kleine Einheiten), und efodet wegen de Hochspannung Fachpesonal fü die Watung. Auch die Möglichkeit eine Raumluftückfühung ist duch die üblicheweise mehfach übe den Toleanzgenzen liegenden Ozonwete stak eingeschänkt. Autogene aumladungsgetiebene Abscheidung (ARA) ist ein neues technisches Konzept, das den Betieb von Elektoabscheiden bei wesentlich niedigen Spannungen und Stomstäken emöglicht, und damit sowohl die Betiebskosten weite senkt, als auch die Investitionskosten deutlich vebilligt. Die stak eduziete Leistungsaufnahme esultiet in eine seh geinge Ozonpoduktion, sodass die Realisieung eine Raumluftückfühung emöglicht wid. Die voliegende Abeit basiet auf den Egebnissen, die im Rahmen eines Industiepojektes gewonnen wuden, das in de Koopeation mit de Fa. Kelle-Lufttechnik GmbH beabeitet und duch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefödet wude. Das Konzept de autogenen aumladungsgetiebenen Abscheidung setzt einen neuen Standad fü hoch effiziente und enegiespaende Abscheidung von schwieigen Aeosolen und bietet entscheidende technisch-witschaftliche Voteile, die de Duchsetzung von kleinen Elektoabscheiden vehelfen sollen. Zielgebiet de Anwendung ist zunächst die Abscheidung von Ölnebeln aus de Metallveabeitung.

6 4 Elektoabscheide.1 Allgemeines zu den Elektoabscheiden Elektoabscheide (bekannt auch als Elektofilte) spielen eine seh goße Rolle in de modenen Gaseinigung. Sie weden zu Reinigung von Industieabgasen eingesetzt, wie z.b. in Kohlenkaftweken, Müllvebennungsanlagen und Zementfabiken. Die Elektofilte eignen sich vo allem fü die Entstaubung von seh goßen Gasmengen, weil sie einen niedigen Duckvelust ezeugen, eine geinge Watung efoden und geingen Lämpegel haben. Auch im kleintechnischen Beeich kommen sie zum Einsatz (Klimatechnik, Automobilindustie). Das Funktionspinzip eines Elektoabscheides kann als Abfolge von vie Schitten dagestellt weden: Ezeugung de Ladungstäge (Gasionen und Elektonen) duch eine Coona- Entladung an eine Spühelektode (SE); Aufladung de abzuscheidenden Patikeln; deen Tanspot im elektischen Feld zu Niedeschlagselektode (NE); Entfenung de abgeschiedenen Patikeln von de Niedeschlagselektode. Je nach Bauweise untescheidet man Platten- bzw. Rohelektofilte (Abbildung -1). Das Rundpofil ist eine Idealfom, wid abe aus witschaftlichen Günden (aufwändige Fetigung; doppelwandige Bauat des Abscheides) nu selten vewendet. Als eine Kompomisslösung weden auch eine hexagonale Roh-Fom [Su81] ode ein wellenfömiges Pofil von Niedeschlagselektoden beim Plattenabscheide eingesetzt [May85]. Reingas SE Rohgas Reingas NE Rohgas SE NE Abbildung -1 Typische Elektoabscheidebauweisen: Roh- und Plattenausfühung Auch das Mateial von Niedeschlagselektoden ist seh vaiabel. Z.B. fü den Einsatz in koosiven Atmosphäen weden oft Elektoden aus Kunststoff vewendet. Auch fü den allgemeinen Gebauch sind diese Elektoden wegen ihe elativ niedige Kosten und kleinee Gewichte von Inteesse. Die Edung von de Elektodenobefläche kann in diesem Fall duch einen Flüssigkeitsfilm efolgen. Auch geinge Filmleitfähigkeiten eichen dabei aus [Wad97]. Duch die Elektodenbeschichtung mit Kunststoffen mit höheem spezifischen Widestand als de de Luft, können elektische Übeschläge vehindet weden und de

7 5 Betieb bei höheen Spannungen emöglicht weden (z. B. in de.stufe eines zweistufigen Abscheides) [Na81]. Die Abeinigung von Niedeschlagelektoden efolgt typischeweise duch das Abklopfen. Vewendung von wellenfömigen Elektodenpofilen begünstigt den Abeinigungsvogang: de Staub fällt in stömungsuhigen Zonen heunte [May85]. Auch die Duckstoß- Abeinigung kann angewendet weden [Rie4]. Im Fall, wenn es um die Abscheidung von Aeosolen geht, die aufgund ihe physikalischen Eigenschaften nicht ode schwe von de Niedeschlagselektode abgeeinigt weden können, weden Nasselektoabscheide eingesetzt. Es wid zwischen kontinuielich und intemittieend abgeeinigten Nasselektofilten unteschieden [Sie91]. Die deutlich geingee Komplexität des Abscheidevogangs im nassen Betieb macht den Nassabscheide fü die Untesuchungen zum Patikeltanspot im elektischen Feld attaktiv: Im Nass-Elektoabscheide kann ein Patikel als abgeschieden gelten, wenn es die Niedeschlagselektode eeicht hat. Die Bildung des Staubkuchens und die damit vebundenen Einwikungen auf den Abscheidevogang weden damit ausgeschlossen. Die Plattenelektoabscheide kommen meistens bei de tockenen Gaseinigung zum Einsatz, die Rohelektoabscheide weden im Gegensatz öfte beim nassen Betieb eingesetzt [Wad97, Sie91]. -Stufige Elektoabscheide Das Konzept zweistufig wude zuest im Jah 191 vom Schmidt [Whi63] entwickelt und patentiet. Die esten Anwendungsgebiete waen auf die Raumlufteinigung in Büos, Kankenhäusen u. a. begenzt. Ab Mitte de 6-e Jahe begann de Einstieg in die Industieanwendungen. Bei den meisten Anwendungen (insbesondee bei Patikelgöße >1µm) veläuft die Patikelaufladung viel schnelle als die Patikelabscheidung aus dem Gasstom (Sättigungsladungszustand wid innehalb von einigen Zehnteln Sekunden eeicht). De Aufladevogang (duch Coona-Entladung) benötigt ein stak inhomogenes elektisches Feld und wid duch den Stomfluss gekennzeichnet, wähend fü die Patikelabscheidung ein stomloses homogenes elektisches Feld auseichend ist. Dementspechend wid übe dem Goßteil de Spühelektodenlänge eines einstufigen Elektoabscheides die Coona-Leistung nicht genutzt. In einem zweistufigen Vefahen weden diese Vogänge getennt (Abbildung -). NE NE Aeosol Reingas Aeosol SE SE Reingas Aufladung und Abscheidung Aufladung Abscheidung Abbildung - Pinzip-Schema de einstufigen und zweistufigen Elektoabscheidung

8 6 Die meisten zweistufigen Roh-EA weden in Industieanwendungen eingesetzt, wo die Elektodenobeflächen kontinuielich vom duch hohe Feuchtegehalte des Gases gebildeten Flüssigkeitsfilm geeinigt weden. Aufgund von eine niedigeen Ozonpoduktion weden -stufige EA fü die Reinigung von Raumluft, als Teil de Klimaanlagen, eingesetzt. Die Ionisationsstufe ist typischeweise positiv [Boe97]. Die Beispiele und Besondeheiten de mehstufigen elektostatischen Abscheidung weden im Kapitel 3.1 weite diskutiet.. Theoetische Gundlagen..1 Unipolae Patikelaufladung Die unipolae Aufladung de Teilchen ist im Rahmen diese Abeit de einzige zum Einsatz kommende Mechanismus. Die typischen Mechanismen zu Patikelaufladung sind Diffusionsund Feldaufladung. Die beiden Mechanismen benötigen die Poduktion von unipolaen Ionen, was in de Regel mithilfe eine Coona-Entladung efolgt. Feldaufladung Die Feldaufladung efolgt duch Ionen, die sich unte de Wikung des staken elektischen Feldes in Richtung Niedeschlagselektode bewegen und auf die Patikel aufteffen. Wenn ein Patikel sich im elektischen Feld befindet wid dieses in Abhängigkeit von de elativen Dielektizitätskonstante und de Ladung des Patikels vefomt (Abbildung -3). p q p n e Abbildung -3 Leitfähiges Teilchen im unifomen Feld (Quelle de negativen Ionen links). Ein ungeladenes Teilchen (links), ein zum Teil geladenes Teilchen (Mitte) und ein Teilchen im Sättigungsladungszustand weden dagestellt [Hin99] Die Feldstäke auf de Obefläche eines sphäischen Teilchens wid nach Pauthenie mit folgende Gleichung beschieben [Pau3]: E E a cos p a 1 p a q p d p. -1 Mit d p -Teilchenduchmesse [m], Dielektizitätskonstante des Mediums. E a -äußeen Feldstäke [V/m], -Winkel, a -

9 7 Wenn das Teilchen seine maximale Ladung eeicht hat, teffen keine Feldlinien auf das Teilchen und ist gleich null. Demzufolge kann die Feldaufladungsgenze als q p,max E d p E a p a 1 p a beechnet weden. Die Patikelaufladung als Funktion de Zeit lässt sich als - q p t q p, max t t Q -3 bescheiben [Rob71]. Dabei ist / Z Q 4 i i - eine Zeitkonstante, Beweglichkeit von Ionen (ca.,15 m²/v s nach [Hin99]) und [1/m³]. Die zeitabhängige Ladung des Teilchens egibt sich damit als n t d e p E a p a 1 p a t 4 t Z i i i Z i - elektische -Ionenaumladungsdichte. -4 Diffusionsaufladung Die Patikelaufladung mit Ionenstom im elektischen Feld wid wenige effektiv mit de Veingeung des Teilchenduchmesses. Infolge ihe themischen Bewegung teffen im Gas vohandene Ionen auf die Patikel. Solange die themische Enegie de Ionen auseicht um die abstoßenden Käfte zwischen dem geladenen Patikel und gleichpoligem Ion zu übewinden, findet die Diffusionsaufladung statt. Die Diffusionsaufladung ist vo allem fü Patikeln untehalb von etwa, µm von Bedeutung. Die Beechnungsmodelle zu Diffusionsaufladung liefen gute Egebnisse nu fü bestimmte Patikelgößen. Die Anzahl de Ladungen, die ein Teilchen wähend de Diffusionsaufladung ewibt, wid nach White als: n t d p k T K e E K ln1 E d p c i e k T N i t -5 beechnet [Whi63]. Mit k - Boltzmann-Konstante [J/K], T - absolute Tempeatu [K], ci - mittlee themische Geschwindigkeit de Ionen [m/s] (4 m/s bei nomalen Bedingungen 1 9 [Hin99]), - Konzentation de Ionen [1/m³], K E 4 91 [Nm²/C²]. Das Modell liefet totz viele Veeinfachungen gute Egebnisse fü Teilchen göße 5 nm. N i

10 8 Die themische Ionen-Geschwindigkeit findet man als [Ada84] c i 8 k T M i N a, -6 mit - molae Ionenmasse [kg/mol] und Das Modell von Aend und Kallmann bescheibt die Ladeate eines Teilchens: M i N a - Avogado-Konstante [1/mol]. dn dt Ni Zi e exp n n e d p 1 k T. -7 Das Modell lässt sich nu numeisch lösen, liefet abe, insbesondee im Patikelbeeich unte 1 nm, viel bessee Egebnisse, als das Modell von White, und wid fü die Bescheibung des Diffusionsanteils im Modell von Lawless fü die kombiniete Aufladung vewendet. Ein hevoagende Übeblick übe vebessete Theoien zu Bescheibung de Diffusionsaufladung findet sich in [Sto6]. Kombiniete Aufladung nach Lawless Die Feldaufladung ist de übewiegende Mechanismus fü Patikeln göße 1 µm und die Diffusionsaufladung fü Patikeln kleine,1 µm. Zwischen diesen Gößen kommen die beiden Mechanismen zum Einsatz. In diesem Beeich egibt sich ein Minimum de elektischen Mobilität (Kapitel..4). Lawless [Law96] entwickelte unte Vewendung von dei dimensionslosen Gößen ein Modell de felduntestützten Diffusionsaufladung. Dimensionslose Ladung: n e. -8 d p k T Dimensionsloses Feld: d p Ea e k T -9 Dimensionslose Zeit: Ni e Zi t -1 Das klassische Kontinuum-Diffusionsaufladungsmodell egibt sich in de dimensionslose Dastellung als: d Be d exp 1-11

11 9 Mit - Benoulli-Funktion. Die Beechnung de Feldaufladung nach Pauthenie folgt: Be 3/ 4 d F, d 1 / 3 fü Fü wid die Teilchenobefläche, die dem Diffusionsstom zu Vefügung steht, mit, 475 f 1,575 fü, 55, beschieben. Somit egibt sich die Ladeate fü elektisch leitfähige Patikeln nach dem Lawless-Modell als: F, F d f d, f Be Be 3 f Be 3 fü Im Fall de dielektischen Teilchen wid de Tem 3 duch p 1 1 p esetzt... Coona-Entladung Die beschiebenen Feld- und Diffusionsaufladungsmechanismen benötigen hohe Konzentationen von unipolaen Ionen, die im Elektoabscheide mithilfe eine Coona- Entladung hegestellt weden. Die Hestellung de Coona-Entladung ist auf die Anwesenheit eines staken inhomogenen elektischen Feldes angewiesen. Solche Felde weden in den Elektoabscheiden mittels spezielle Elektodenanodnungen (Spitze-Platte, Daht-Platte ode Daht-Roh u. a.) hegestellt. Wid an den Daht (ode Spitze) eine Spannung angelegt, so entsteht zwischen dem Daht und dem Roh ein stak heteogenes elektisches Feld, wobei die höchsten Feldstäken auf de Dahtobefläche aufteten (de Daht wid zu sogenannten aktiven Elektode, ode Spühelektode). Ab eine bestimmten Feldstäke (Coona-Einsatzfeldstäke) kommt es zu lokalen Ionisation des Gases, die man als Coona-Entladung bezeichnet. Steigt die Spannung weite, so kommt es zu einem Übeschlag. Fü die Anwendung in Elektoabscheiden ist de Beeich zwischen de Einsatzspannung und Übeschlagsspannung von Inteesse, da die Voausschätzung diese beiden Paamete fü die Elektofilteauslegung notwendig ist. Positive Coona-Entladung Die positive Coona-Entladung wid ezeugt, wenn die aktive Elektode auf positive Hochspannung gelegt wid und die passive Elektode geedet wid (eine gleichwetige Anodnung ist die Edung de aktiven Elektode mit de negativen Hochspannung an de passiven

12 1 Elektode). Die im Gas vohandenen Elektonen weden zu aktiven Elektode hin beschleunigt und ezeugen duch Stoßionisation positive Ionen und eine Elektonenlawine, die sich in Richtung aktive Elektode bewegt: Stoß e M e M Die gebildeten positiven Ionen wanden in Richtung Niedeschlagselektode und dienen zu Patikelaufladung (Abbildung -4).. Aktive Zone E>E Passive Zone E<E + e - Elekton - positives Ion - angeegtes Molekül + * e e e * e e + + e e UV + + e e Abbildung -4 Positive Coona-Entladung Nu in de unmittelbaen Umgebung de aktiven Elektode ist die Feldstäke hoch genug, um die Elektonen auf die Ionisationsenegie zu beschleunigen. Diesen Beeich nennt man aktive Coona-Zone, und e beschänkt sich auf eine seh dünne Schicht um die aktive Elektode. An die aktive Zone schließt sich die passive Zone an, wo nu de Ionentanspot im elektischen Feld stattfindet. Die passive Zone füllt unte nomalen Bedingungen paktisch den gesamten Raum zwischen Spühelektode und Niedeschlagselektode. Die Patikelaufladung und Abscheidung finden hie statt. Es wid zwischen elastischen und unelastischen Stößen von Elektonen und Gasmolekülen unteschieden. Die elastischen Kollisionen veusachen eine Impulsändeung des Elektons, die unelastischen fühen zu Übetagung de kinetischen Enegie auf Gasmoleküle. Daduch können Moleküle angeegt ode ionisiet weden. Die Anzahl von ionisieenden Stößen po Zentimete Diftweg des Elektons bezeichnet man als Ionisationskoeffizient [1/cm]. De Ionisationskoeffizient kann in Abhängigkeit von Duck und Feldstäke mit folgende empiischen Gleichung nach Townsend [Nai95] bestimmt weden: A p exp B p E. -15 T T T / Fü Luft findet man A T =15 [cm -1 To -1 ] und 1< E / p [Vcm -1 To -1 ]<8. T B T =365 [Vcm -1 To -1 ] mit Gültigkeit im Beeich

13 11 Die unelastischen Elekton-Molekül-Stöße können auch zu Anlageung des Elektons an ein Molekül fühen. De Ionenanlageungskoeffizient [1/cm] bezeichnet, analog zum Ionisationskoeffizienten, die Anzahl de Stöße po Zentimete Diftweg, die zu Bildung eines Ions und zum Velust des Elektons fühen. Bei seh hohen elektischen Feldstäken an de Dahtobefläche wid de Ionisationskoeffizient [1/cm] göße als de Ionenanlageungskoeffizient [1/cm]. Die Ionisation des Gases findet statt und eine Elektonenlawine entsteht. Die Zunahme de Elektonenzahl übe die Lauflänge eine Elektonenlawine ist nach [Rai91]: T N e T T dn dx e e N T T. -16 Die wähend de Ionisation entstandenen positiven Ionen besitzen nicht genug Enegie um weitee Ionisationsvogänge zu initiieen. Die neuen Pimäelektonen fü weitee Elektonenlawinen entstehen im Gas hauptsächlich duch den Photoeffekt (UV-Licht, das von hochangeegten Molekülen emittiet wid) [Cha95]. Genauso wie ein angeegtes Molekül Stahlung emittiet, kann ein Molekül duch UV-Licht * angeegt weden: hv M M. Die Photoionisation findet statt, wenn w c L h E P i -17 ist [Nai95]. Mit c L - Lichtgeschwindigkeit im Vakuum [m/s], h P - Planck-Konstante [J s], Wellenlänge de Stahlung [m] und - Ionisationsenegie [J]. Je höhe die Ionisationsenegie ist, desto küze soll die Wellenlänge de fü die Ionisation notwendigen Stahlung sein. E i De Einsatz de positiven Coona-Entladung wid von pe-onset Entladungsaten wie Bust- Pulse und Geige-Pulse begleitet [Ami53]. Negative Coona-Entladung De Entladungsvogang ist gundsätzlich analog zu positiven Coona-Entladung. Im Fall de negativen Coona-Entladung weden zufällig im Gas vohandene Elektonen stak zu Niedeschlagselektode hin beschleunigt. Die beschleunigten Elektonen stoßen mit neutalen Gasmolekülen und schlagen ein weitees Elekton aus, sodass sich zwei Elektonen und ein positives Ion bilden (analog zu positiven Coona-Entladung). Die Elektonenlawine entsteht. Die gebildeten positiven Gasionen wanden zu aktiven Elektode und können dot beim Aufschlag feie Elektonen ezeugen. Alledings ist die Menge de auf diese Weise ezeugten Elektonen venachlässigba klein im Vegleich zu denen, die duch den Fotoeffekt ezeugt wuden. Die feigesetzten Elektonen weden in de passiven Zone von elektonegativen Gasmolekülen (z. B. SO, O, H O, CO, ) eingefangen und bilden negative Ionen, die sich Richtung passive Elektode bewegen (Abbildung -5). w -

14 1 Aktive Zone E>E - UV + + e e + e + e e e * e - - e e e e Passive Zone E<E e - Elekton + - positives Ion * - angeegtes Molekül - - negatives Ion - - Abbildung -5 Negative Coona-Entladung Die negative Coona-Entladung wid auch duch mehee Entladungsaten, wie z.b. Tichel- Pulse, gekennzeichnet. Ausfühliche Infomationen dazu sind in [Loe6, Lam73, Cha95] zu finden. Die elektische Beweglichkeit de negativen Ionen ist mit 1,4 1-4 m²/(vs) höhe als die de positiven Luftionen, die bei 1,6 1-4 m²/(vs) liegt. Zum Vegleich ist die elektische Mobilität eines Elektons 6,7 1 - m²/(vs) [Hin99]. Bei negative Coona können höhee Spannungen (ca. doppelt so hoch als bei positive Coona) und damit auch höhee Abscheidegade eeicht weden. Das ist auch de Gund waum die negative Coona, wenn die Ozonpoduktion keine Rolle spielt, öfte eingesetzt wid [Löf88]. Die Coona-Entladung wid duch die Stom-Spannungs-Chaakteistik chaakteisiet. Weitees hiezu im Kapitel..5. Ozon Eine Vielfalt an chemischen Reaktionen findet innehalb eines ionisieten Gases statt. Diese Reaktionen beziehen atomae Spezies, adikale Spezies, komplexe molekulae Spezies, und auch Elektonen und Ionen ein [Cha95]. Ein wichtiges Beipodukt de Coona-Entladung ist Ozon. Ozon ist eins de stäksten Oxidationsmittel. Ozon kann viele gesundheitliche Pobleme wie Veschäfung von Asthma, Reizung de Atemwege, Husten, Bustschmezen, Atemwegsekankungen und soga Lungenkebs hevoufen [Yu11, Che9, Boe97]. Die esten Untesuchungen zu Ozongeneation in eine Coona-Entladung wuden von Devins im Sauestoff duchgefüht. Die Hauptquelle des atomaen Sauestoffes ist die Dissoziation von O -Molekülen duch den Einschlag von Elektonen [Dev56]: e O O O e. -18

15 13 Die weitee Reaktion zwischen O, O und einem Molekül füht zu Bildung von Ozon: O O M O3 M. -19 Fü die Luft gilt ode [Yeh7]. Yagi [Yag79] fand, dass die Stickstoffoxide ( NO,, ), die in de Coona- Entladung gebildet weden, eine goße Rolle in de Poduktion von Ozon spielen und zu Zestöung von O 3 fühen: M O, O N NO NO 3 und N O 5 NO O NO 3 O, - NO O 3 NO O. -1 Auch die Reaktionen mit angeegten Stickstoff- und Sauestoffmolekülen goße Bedeutung [Che3]: * N, * O sind von e O O * e N N * e e, -, -3 O * O O3 O, -4 N * O N O, -5 N * O NO O. -6 Auf diese Weise weden bis zu 8% von de gesamten Ozonmenge in eine positiven Coona- Entladung und bis zu 9% in eine negativen Coona-Entladung gebildet [Che3]. Mehee Autoen haben einen lineaen Anstieg de Ozonkonzentation mit steigendem Stomfluss beobachtet [Pon97, Hau86, Yag79]. Mit steigendem Coona-Stom wid die Tempeatu des Gases im Plasma ehöht und nu ein Teil de Sauestoffatome eagiet zum Ozon. De Rest von Sauestoffatomen nimmt an de Ozonzestöung teil ode ekombiniet zum Sauestoffmolekül [Yag79, Yeh7]: O O 3 O, -7 O O M O M. -8 Im Hinblick daauf hat es einige Untesuchungen gegeben, die als Ziel die Ozoneduzieung mit Hilfe beheizte Elektoden hatten [Awa75, Lia8, Liu]. Alledings sind die dazu benötigten Elektodentempeatuen (1-5 C) seh hoch, was die Witschaftlichkeit diese Methode veschlechtet. Ein weitee Dissoziationsmechanismus von Ozon efolgt unte Anwesenheit von * Wassedampf. Dabei entsteht ein seh eaktives OH -Radikal [Boe97]: O * H O OH, -9

16 14 OH * O HO * 3 O, -3 * O3 HO OH O *. -31 Die expeimentellen Untesuchungen zeigen, dass bei de negativen Coona-Entladung fünfbis neunmal meh Ozon gebildet wid als bei positive Coona. Dies ist auf die höhee Elektonenmenge zuückzufühen, die zu Bildung vom atomaen Sauestoff dient (Reaktion -18) [Awa75, Boe97]. Die Vegößeung de Elektodenobefläche und damit vebundene Eweiteung vom Plasma füht auch zu Steigung de Ozonpoduktion [Che]. Eine Reihe von Untesuchungen zu Modellieung de Ozonpoduktion wude in den letzten Jahen duchgefüht. Wang [Wan9] simuliete den Einfluss von de Elektodengeometie auf die Ozonbildung. Yu [Yu11] entwickelte ein Modell de Ozongeneation unte Beücksichtigung von den Adsoptions- und Desoptionsaten des Ozons duch die Kammewände. Ein numeisches Modell zu Ozongeneation in de positiven Coona- Entladung wude von Davidson in [Che] vogeschlagen. Im Beeich Klimatechnik wid meistens positive Coona-Entladung eingesetzt. Ozon, das wähend de negativen Entladung entsteht, stöt typischeweise bei de Reinigung von Industieabgasen nicht [Löf88]. Ein ozonfeie, Elektospay-basiete Elektoabscheide wude von Teppe in [Tep7, Tep8] entwickelt und untesucht...3 Elektische Wind Duch die Bewegung de wähend de Coona-Entladung entstandenen Ionen wid eine Stömung veusacht, de sog. elektische Wind. Dieses Phänomen ist fü den gesamten Pozess de elektostatischen Abscheidung von goße Bedeutung. Die dabei gebildete elektohydodynamische Stömung kann eineseits den abgeschiedenen Staub von de Niedeschlagselektode ablösen, was zu Veschlechteung des Abscheidegades füht. Andeseits wid daduch die Stömung des Gases besse veteilt, und Wämetanspot und Stoffaustausch weden deutlich vebesset [Mni9]. Bei den nicht axial-symmetischen Coona-Elektodenanodnungen (z. B. Platten-Elektoabscheide) titt eine EHD-Stömung imme auf [Ada73]. Im Fall eines symmetischen Elektoden-Systems (Daht-Roh-Elektoabscheide) weden die Duckkäfte gleich übe den Umfang veteilt und es wid keine Stömung gebildet. Es können jedoch wegen de am Daht auftetenden hohen Raumladungsdichten die Stömungs-Instabilitäten aufteten [Tu69]. Ab eine axialen Geschwindigkeit von übe 1 m/s wid de Einfluss des elektischen Windes geing. In de voliegenden Abeit wid mit Auflade-Konstuktionen geabeitet, die mit seh hohen Gasgeschwindigkeiten duchstömt weden (5-1 m/s).

17 15..4 Gundlagen de elektostatischen Abscheidung Bewegung submikone Patikeln im elektischen Feld Das Abscheiden von Teilchen im Elektoabscheide beuht auf de elektischen Kaftwikung auf die einzelnen Teilchen. Befindet sich ein Patikel mit Elementaladungen in einem elektischen Feld E [V/m], so wikt auf das Teilchen eine Kaft n F E E ne. -3 Die aus diese Kaft esultieende Patikelgeschwindigkeit wid als W sed necu E ne E B 3 d p -33 beechnet. Mit [m (N s) -1 ]- mechanischen Beweglichkeit des Teilchens, Cu -Cunningham Koektu, - dynamische Viskosität des Gases [Ns/m²]. Die Cunningham-Koektu emöglicht die Vewendung de Gleichung fü seh kleine Patikeln, die mit de mittleen feien Weglänge de Gasmoleküle vegleichbae Göße haben. Man findet B, 5 Cu 1 d p -34 mit - mittlee feien Weglänge. n 1 m d K, -35 mit d -Kollisionsduchmesse [m] (fü Luft 3,7 1-1 m). Die mittlee feie Weglänge fü Luft bei 11 kpa und 93 K betägt,66 µm. Die mittlee feie Weglänge kann an die themodynamischen Zustände angepasst weden [Wil76]: n m - Konzentation von Molekülen [1/m³]; K S s 1 T p T T, p T, p, -36 T p S s 1 T mit S s - Sutheland Konstante [K]. Fü die Luft betägt S s 11 K. Nach Allen und Raabe wid die Cunningham Koektu fü Teilchen kleine,1 µm als: d p Cu 1, 34 15, exp, 39 d -37 p beechnet [Hin99].

18 16 Fü die Bescheibung de Patikelbewegung im elektischen Feld wid de Tem elektische Mobilität benutzt: Z p n e Cu n e B 3 d p. -38 Somit ist W sed Z p E. -39 Die Abbildung -6 zeigt exemplaisch die elektische Mobilität des Teilchens in de Abhängigkeit vom Teilchenduchmesse, geechnet fü die typischen Aufladebedingungen: E =,5 MV/m, elektischen Mobilität. Das theoetisch vohegesagte Mobilitätsminimum wid auch messtechnisch als Minimum des Faktionsabscheidegades nachgewiesen [May85]. N i t =1 13 [s/m³] [Hin99]. Bei etwa, µm befindet sich ein Minimum de 1,E-6 Zp [m²/(v s)]. 1,E-7 Feldaufladung Diffusionsaufladung Kombiniete Aufladung 1,E d p [nm] Abbildung -6 Elektische Mobilität als Funktion de Patikelgöße fü Diffusions-, Feld- und kombiniete Aufladung. Beechnet fü E=5 kv/m; N i t=1 13 s/m³ und ε =3 [Hin99] Analytische Beechnung de Abscheideeffizienz: Deutsch-Gleichung Die Bestimmung des Faktionsabscheidegades eines Elektofiltes kann analytisch mithilfe de Deutsch-Andeson-Gleichung efolgen: T 1 exp AW V sed, -4 mit A - Niedeschlagselektodenfläche [m²], V - Volumenstom [m³/s] und sed W - Wandeungsgeschwindigkeit des Teilchens [m/s] an de Niedeschlagselektode. Diese

19 17 Fomel wude beeits in 19 von Deutsch [Deu] fü eine ideal vemischte Stömung hegeleitet. Unbekannt dabei ist die Wandeungsgeschwindigkeit des Teilchens, die von de Teilchengöße [m], Ladungsmenge und de Feldstäke an de Niedeschlagselektode d p n [V/m] abhängig ist (Gleich. -38 und -39). In de Realität ist sie also vom vogeschalteten Pozess, Patikelgößenveteilung, Staubwidestand, u. a. abhängig. Die effektive Wandeungsgeschwindigkeit wid üblicheweise aus den Abscheidegadmessungen mit de Gleichung -33 emittelt, dabei wid die mittlee Feldstäke eingesetzt [Mil93, Pot75, Wad97, May85]: E NE W sed n e Cu n e Cu Emittel 3 d 3 d p p U d. -41 In de Liteatu sind mehee Vegleiche zwischen den gemessenen und nach Deutsch geechneten Abscheidegaden zu finden. In de Regel wid eine deutlich bessee Abscheidung gemessen. So zeigte Wadenpohl in seinen Untesuchungen fü den Patikelgößenbeeich von,1 bis 1 µm eine deutlich bessee Abscheidung als nach de Deutsch-Gleichung und fü die laminae Stömung beechnet, und fühte diesen Unteschied auf den elektischen Wind und eine höhee, als nach Cochet beechnet, Patikelladung zuück [Wad97]. Die typischen Pobleme de Validieung von Deutsch-Gleichung sind die meistens ungleichmäßige Gasveteilung, Asymmetien im Aufbau (Daht-Platte-Aufbau u.a.) und ungenügende Elektodeneinigung...5 I-U-Chaakteistik eines patikelfeien Elektoabscheides Eine Coona-Entladung wid duch ihe Stom-Spannungs-Chaakteistik chaakteisiet. Fü eine einfache Elektodenanodnung (Daht-Roh) gibt es anwendbae Methoden zu Beechnung de I-U-Chaakteistik. Fü eine komplexe Elektoden-Geometie kann sie expeimentell bestimmt weden. Die Einsatzfeldstäke de Coona-Entladung wid mit de empiischen Gleichung von Peek fü einen glatten Daht emittelt [Whi63]: E A1 A D, -4 mit de elativen Dichte des Gases: p T. -43 p T A1 3, 1 Die Konstanten [Vm -1 ] und [Vm -,5 ] dienen zu Chaakteisieung de Obeflächeneigenschaften de aktiven Elektode und de Gaszusammensetzung. Die Gleichung von Peek wid üblicheweise fü elativ dicke aktive Elektoden vewendet. Fü kleinee Elektodenadien und positive Coona wid ein Gleichungssystem von Rousse angewendet [Clo94]: 6 A 9 1 4

20 18 E E D 4 D 1µm, -44 E E 6, , , 75 D 15µm D 1µm. -45 Das elektische Feld im Elektoabscheide ist stak inhomogen. Untehalb de Einsatzspannung wid die Feldstäke nu duch die Obeflächenladung de Spühelektode gebildet und kann fü und D U U E nach dem Satz von Gauß als E E U ln R D -46 beechnet weden. Mit - Rohadius [m]. Wid die Einsatzspannung eeicht, so kommt es zu Ionisation des Gases in de Nähe de Spühelektode und zu Poduktion de Ladungstäge. Die Ladungstäge stellen iheseits auch ein Feld he. Fü einen patikelfeien Elektoabscheide gilt dann: E E E E D - Dahtadius [m], i R. -47 Wid de Ionenstom in Fom de Kontinuitätsgleichung als I L Z i. E i konst -48 und das Ionenaumladungsfeld als E i 1 R i d D -49 dagestellt, so egibt sich die Gleichung -48 zu I L Z i i U E ln R D 1 R D i d, -5 mit -Länge de Spühelektode [m], Einsatzspannung [V] [Lüb11]. L i -Ionenaumladungsdichte [C/m³], U E -

21 19 Die Ionenaumladungsdichte findet man duch die Ableitung nach : 1 D R E i D i i ln I L U Z I Z L. -51 Damit wid de Velauf de elektischen Feldstäke in de Abhängigkeit vom Koonastom als 1 D R E D i ln U Z L I E -5 gefunden. Fü einen patikelfeien Roh-Daht-Elektoabscheide kann die zum Stom gehöende Spannung als 1 ) ( ln ln D D R D D R D D R D R E c I c I c I c I c I U U mit E i D R U Z L ln c -53 gefunden weden [Lüb11]. Ein Beispiel de Beechnung befindet sich in de Abbildung -7. Es ist esichtlich, dass fü eine Daht-Roh-Geometie und positive Coona eine seh gute Übeeinstimmung de geechneten und gemessenen Stomwete voliegt. Im Fall de negativen Coona ist eine stake Abweichung de Messwete im Beeich kleine Stöme zu sehen. Dieses Vehalten ist auf den Einfluss de themoionischen Feldemission zuückzufühen [Ree97].

22 1,E- 1,E-3 gemessen, pos. Coona gemessen, neg. Coona theoetisch I [A] 1,E-4 1,E-5 1,E U [V] Abbildung -7 Gemessene und beechnete I-U Chaakteistika. Dahtadius,5 mm; Rohadius 7,5 cm; Dahtlänge,6 m; Einsatzspannung 11,9 kv. Theoetische Kuven beechnet mit Z i =1, m²/(v s)..6 Elektische Übeschlag im Elektoabscheide Die maximale Betiebsspannung und somit die Abscheideleistung eines Elektoabscheides wid duch die Übeschlagsspannung begenzt. De elektische Duchbuch wid duch einen Lichtbogen gekennzeichnet. Dabei fließt ein seh hohe Stom bei niedige Spannung und de Elektoabscheide ist wikungslos. Allgemein weden die elektischen Übeschläge in einem Elektoabscheide zugelassen und ihe Häufigkeit wid oft als Steuepaamete kontolliet, sie sind abe unewünscht. Es existieen zwa Theoien zu Bescheibung des elektischen Übeschlags in eine patikelfeien Elektodenanodnung (Theoie von Townsend fü kleine und die Steame-Theoie fü hohe - Podukte [Loe61, Mee53, Nai95]), doch sind diese in einem ealen Elektoabscheide kaum anwendba. p d Geneell wid duch die Anwesenheit von Teilchen im Elektodenzwischenaum die Duchbuchsfeldstäke eduziet. Dabei beeinflussen die leitfähigen Teilchen das dielektische Vehalten de Gase stäke als die nicht leitfähigen. Die Teilchenfom ist dabei auch ein wichtige Fakto [Lag81, Das96, Das]. Die leitfähigen Teilchen können Mikoentladungen ezeugen und daduch Steame bilden, die iheseits zum Übeschlag fühen. Die Möglichkeiten eines patikelinitiieten elektischen Duchschlags in eine Coona-Anodnung weden in [Das96] diskutiet. Die obenewähnten Untesuchungen beziehen sich auf Teilchen göße 1 µm. Kleine Teilchen (<1 µm), zumindest in kleinen Mengen <1 mg/m³, scheinen keinen goßen Einfluss auf die Duchbuchsfeldstäke zu haben [Quelle8 aus Lag81]. Bei goßen Mengen (>1mg/m³) wid auch bei de Anwesenheit von kleinen Patikeln die Reduzieung de Duchschlagsfestigkeit beobachtet [Quelle1 aus Lag81]. Die Duchschlagfestigkeit von Luft hängt auch maßgeblich von de Rauigkeit de Elektodenobefläche ab. An den mikoskopischen Unebenheiten de Obefläche können sich Teilchen anlagen und im Feld Patikel-Ketten bilden, was auch zum dastischen Abfall de

23 1 Duchbuchsfeldstäke füht. Die Duchschlagfestigkeit nimmt mit de Anzahl von Patikeln in de Kette ab. Numeische Beechnungen dazu sind in [Das] zu finden. Die Übeschlagsfeldstäke unteliegt einem deutlichen Polaitätseinfluss. In de Regel wid eine doppelt so hohe Übeschlagsspannung bei negative Polaität de Coona-Entladung beobachtet [Bu35, Das96, Nai95]. Das ist auch de Gund waum in den Fällen, in denen die Ozonpoduktion keine Rolle spielt, die negative Coona eingesetzt wid. In de Liteatu sind veschiedene Angaben zu den mittleen Übeschlagsfeldstäken zu finden. [Han69] nahm in seinen Untesuchungen eine Übeschlagsfeldstäke von kv/cm an. Bei goßem Abstand (3,5-1 cm) im homogenen E-Feld wude von [Boy66] eine Übeschlagsfeldstäke von ca.,8 MV/m gemessen. Anhand de Egebnisse von [Bou93, Whi63] kann fü eine Spitze-Platte Anodnung eine mittlee Feldstäke von,5 MV/m festgestellt weden, die fü beide Polaitäten als quasi übeschlagsfei angenommen weden kann. Im Fall eines mit Teilchen beladenen Abscheides wid eine stake Ehöhung de Feldstäke an de Niedeschlagselektode duch die patikelgebundene Raumladung bedingt. Das kann auch zu einem Übeschlag fühen, de von de Niedeschlagselektode initiiet wid. Lübbet nahm in seine Abeit eine mittlee Feldstäke von,8 MV/m an [Lüb11]...7 Coona Quenching. Das Modell von Lübbet Bei hohen Patikelkonzentationen im Elektoabscheide kann de Coona-Stom bis auf wenige Pozent des Leelaufstoms untedückt weden. Diese Effekt wude beeits von Deutsch in 1931 beobachtet und wid als Coona-Quenching bezeichnet. Wähend diesen Betiebszustandes besteht die Raumladung im Elektodenzwischenaum paktisch nu aus geladenen Patikeln. Die Patikelaufladung duch Ionen ist dabei seh geing und hängt von de Patikelabscheidung ab. Mit dem Poblem des Coona-Quenchings befassten sich zahleiche Autoen in [Mat84, Mil9, Cas84]. Die von ihnen entwickelten Modelle gingen von de Annahme eine festen Raumladungsdichte aus und beinhalteten keine Teilchenladekinetik. Letztendlich fühte Lübbet [Lüb11] in seine Abeit eine Definition des Coona-Quenching ein und entwickelte ein analytisches Beechnungsmodell fü den gequenchten Elektoabscheide mit Beücksichtigung de Teilchenaufladung. Das Modell gilt bei seh kleinen Stömen unte den Annahmen de ideal vemischten Kolbenstömung und de übe den Queschnitt homogen veteilten patikelgebundenen Raumladung. Die Feldstäke in einem mit Teilchen beladenen Daht-Roh Elektoabscheide kann als Summe des statischen Feldes de Spühelektode, des Ionenaumladungsfeldes E i esultiet, vogestellt weden: und des Feldes E p E SE U / ln R /, das aus de patikelgebundenen Raumladung D E E SE E i E p. -54 Fü die Untedückung des Coona-Stoms muss die patikelgebundene Raumladung eine Potenzialdiffeenz veusachen, die de Diffeenz zwischen de Betiebs- und Einsatzspannung entspicht. Unte de Annahme de idealen Quevemischung duch Tubulenz gilt: 4 U p c n e konst. -55 R

24 Die Ionenaumladungsdichte im gequenchten Elektoabscheide ist seh geing und kann venachlässigt weden. Damit ist R D R E U ln U E. -56 Fü die Feldstäke an de Niedeschlagselektode gilt: R D R R E NE U ln U E. -57 Setzt man die Feldstäke in die Gleichung von Deutsch ein (Gleichung -4), so ehält man die zeitliche Ändeung de Patikelkonzentation im gequenchten Abscheide: konst. U ln U d Cu U dt dc D R E R p Unte de oben getoffenen Annahme (Gleichung -55) kann die Daue des Quenching in de Abhängigkeit von de mittleen Patikelladung als D R E D R R R p ln U U Cu U ln e t n c U c d n t gefunden weden. Fü einen Plattenelektoabscheide gilt: const h U p, -6 mit h - halbe Gassenbeite [m]. Bei einem Spühdaht-Spühdaht Abstand b, de bei de Beechnung des mittleen elektischen Feldes an de Niedeschlagselektode bei Coona-Einsatzspannung eingesetzt wid, ist die mittlee Abscheideate eines Platten-Elektoabscheides im gequenchten Zustand: p D E d Cu b U h E h U dt dc Die Quenchdaue im Plattenabscheide egibt sich als

25 3 t n Cu 4 h 4 U U 1 c n e h c EE D h 1 U b 3 d p. -6 Aus diesen Gleichungen ist esichtlich, dass das Coona-Quenchen seh stak von de Abscheide-Geometie abhängt. Die Quenchzeit nimmt mit viete Potenz mit Rohadius bzw. mit dem halben Plattenabstand zu. Die mittlee Teilchenladung ist dabei unbekannt. Da die Patikelkonzentation im gequenchten Abscheide ständig abnimmt und die damit vebundenen Ladungsveluste duch Aufladung wiedegewonnen weden, muss folgende Bedingung efüllt sein: dn c dt dc dt n n. -63 Dabei bescheibt de linke Summand die Aufladekinetik und wid mit den Ladetheoien beschieben. De echte Summand bestimmt die Abscheidekinetik von geladenen Teilchen. Zu Beechnung de Teilchenaufladung wid de Ion-Patikel-Kombinationskoeffizient [Fuc63] benutzt 1 dn 1 dq p e N i, dt i, dt i, dn dt. -64 Hie ist N i, und i, - Ionenkonzentation und Ionenaumladungsdichte in goße Entfenung zum Teilchen. Die Extinktion des ionengetagenen Stoms bescheibt Lübbet [Lüb11] duch folgende Beziehung: I R c d D exp Z i E D I R. -65 De Zusammenhang mit Stom und mittlee Teilchenladung im Quenchzustand ist somit: I D 8 U L n e Cu U E U 3 R d p R ln D 4 U R 1 exp d n e R Z i E D. -66 Bei einem otsunabhängigen Ion-Patikel-Kombinationskoeffizient wid die Gleichung -66 weite zu

26 4 I D U L n e Cu U E U 3 R d p R ln D nez i R U ln D 1 1 U E 8-67 veeinfacht. Bei ideale Quevemischung wid ein diekte Zusammenhang zwischen Stomaufnahme und Teilchenladung beobachtet [Lüb11]. Als das Ende des Coona-Quenchings wid das Eeichen von 5% des Leelaufstoms bei de gleichen angelegten Spannung definiet [Lüb11]. De Abscheide gilt als gequencht solange: I D Quench, 5 I D Leelauf bei U konst. -68 Die besondeen Aufladebedingungen wähend des Coona-Quenching emöglichen eine seh enegieeffiziente Patikelaufladung. Am Ende des Quenchvogangs weden meh als 5% de ewateten Teilchenmaximalladung eeicht, und das bei einem seh geingen Stomfluss. Das macht den Betieb de Aufladestufe eines zweistufigen Elektoabscheides in einem Quench- Regime attaktiv. Dies wid im Kapitel 5.1 ausfühliche gezeigt und diskutiet. Die analytische Lösung ist nu unte Annahme eine übe dem Radius konstanten patikelgebundenen Raumladungsdichte und unte Venachlässigung de Ionenaumladungsdichte möglich. Fü die Bescheibung de Vogänge wähend des Übegangsegimes (die Ionen- und Patikelaumladung im Elektoden-Zwischenaum sind vohanden) ist eine numeische Lösung efodelich. Lübbet stellte in seine Abeit eine eindimensionale Simulation des Rohelektoabscheides da, die Effekte von Patikel- und Ladungsveteilungen, Mischvehalten, Ionenvelusten beim Duchgang duch das Aeosol miteinbezogen hat [Lüb11]. De Pogammalgoithmus (siehe Anhang 1.) wid auf de Basis von MatLab implementiet. Im Rahmen diese Abeit weden alle Abläufe im Auflade nach dem Modell von Lübbet numeisch beechnet...8 Elektostatische Dispesion Die Raumladung in Elektoabscheiden liegt in Fom von Ionen und geladene Patikeln vo und hat einen entscheidenden Einfluss auf viele Vogänge wähend des EA-Betiebs. Die Raumladung in Ionenfom ist aufgund von hohe Ionenbeweglichkeit nu im Coona- Elektoden-Zwischenaum vohanden, sie begenzt den Stomfluss und stabilisiet die Coona-Entladung [Whi63]. Die geladenen Teilchen sind viel langsame als die Ionen und weden mit Gasstom nach weit außehalb vom Elektodenzwischenaum getagen.

27 5 Die Feldstäke, die aus de Raumladung esultiet, wid mit dem Satz von Gauß beschieben: mit p A EdA 1 V dv p, Raumladungsdichte von Patikeln ode Ionen [C/m³]. Fü eine Rohgeometie gilt: E i. -7 Die Feldstäke ist popotional zu Rohadius, siehe Abbildung -8. p E p Abbildung -8 Die aus de patikelgebundenen Raumladung esultieende Feldstäke in einem Roh Eine Wolke von unipola geladenen Teilchen hat eine Tendenz zum Ausweiten wegen de abstoßend wikenden Käfte zwischen diesen Teilchen. Dabei sinkt die Patikelkonzentation mit de Zeit. Fü dieses Vehalten von geladenen Teilchen hat Wolodkewitsch in seinen Untesuchungen [Wol33, Wol33_] den Begiff elektische Diffusion eingefüht. In den späteen Veöffentlichungen, wie z.b. von Kaspe [Kas8] und Salm [Sal9, Sal 93] wid diese Vogang als elektostatische Dispesion bezeichnet. Befinden sich die geladenen Teilchen in einem geschlossenen Volumen, z.b. in einem Kessel, so weden die Patikeln zu den Wänden hinbewegt und dot abgeschieden. Die zeitliche Konzentationsändeung wude von meheen Autoen, wie z.b. in [Wol33, Wil47, Zeb57, Fos58], hegeleitet. Fü ein monodispeses monogeladenes Aeosol gilt: dc dt Cu c n 3 d p e B c n e. -71 Duch die Integation ehält man den Velauf de Patikelkonzentation mit Zeit: c t 1 c 3 1 n e Cu d p. -7 t Bemekenswet ist, dass die Konzentationsändeung unabhängig von de Behältegeometie ist. Die Homogenität de Raumladungsveteilung wid wähend de Patikelabscheidung mit de Zeit nicht veletzt. Ein Beispiel de Konzentationsändeung wähend de elekto-

28 6 statischen Dispesion wid in de Abbildung -9 gezeigt. Es kann eine anfangs hohe Konzentationsändeungsate beobachtet weden, die mit dem Abbau de Patikelkonzentation stak nachlässt. 1,E+14 1,E+14 c [1/m³] 8,E+13 6,E+13 4,E+13,E+13,E t [s] Abbildung -9 Velauf de Patikelgesamtkonzentation wähend de elektostatischen Dispesion von Teilchen. Anfangskonzentation /m³, Teilchenduchmesse nm, Anzahl de Ladungen po Teilchen Fü eine Patikelklasse k in einem polydispesen monogeladenen Aeosol gilt [Fai67]: dc dt k B k c k n e k max k1 c k n e. -73 Teilt man die Gleichung -73 fü Patikelgöße, so bekommt man: j k -Patikelgöße duch die selbe Gleichung fü dc dc k j Bk nck B nc j j Z Z i, k i, j c k c j. -74 Duch die Integation ehält man: Z i, k c c Zi, j c k, k j. -75 c, j Dieses Vehältnis zeigt, dass Teilchen mit eine höheen elektischen Mobilität schnelle abgeschieden weden als die Teilchen mit geingee Mobilität. Allgemein gelten die Gleichungen -71 bis -75 fü ein anfangs ideal vemischtes Aeosol. Die Patikelveluste duch Koagulation, Diffusion und Spiegelladungseffekte bleiben unbeücksichtigt. Auch die möglichen axial wikenden Käfte (bei bestimmten Leitungsgeometien), die Teilchen in Richtung kleinee Raumladungsdichten flussaufwäts bewegen können, können eheblichen Einfluss auf die Beechnungsegebnisse haben [Fai67].

29 7 Fü die zeitliche Ändeung de Raumladungsdichte eines monodispesen monogeladenen Aeosols gilt: d B dt c n 3 e Die Raumladungsveluste in einem monodispesen Aeosol mit eine inhomogenen Ladungsveteilung sind imme höhe als die im Fall eine homogenen Veteilung [Lüb11]: d dt 3 c n e Cu 3 d n 3 c n e Cu 3 d p n h n n n p p mit hn- elativen Häufigkeit de Ladungsklasse n. n, -77 Die elektostatische Dispesion ist nu eine von meheen Mechanismen, die zu Senkung de Aeosolkonzentation fühen. Bei Teilchen kleine,1 µm mit eine geingen Teilchenladung sind die Koagulation und Diffusion zu den Wänden bedeutsam [Kas8]. Geneell wid eine Velangsamung de Koagulation duch die elektostatische Dispesion beobachtet [Zeb57]. Bei geladenen Aeosolen mit niedigen Konzentationen (etwa 1 5 1/cm³) in kleinäumigen Behälten ist die Abscheidung duch Bildkäfte de wikende Mechanismus [Yu77]. In einigen Veöffentlichungen sind expeimentelle Egebnisse zu Patikelabscheidung duch die elektostatische Dispesion zu finden. Kaspe [Kas8] wies in seinen Untesuchungen eine gute Übeeinstimmung de gemessenen und geechneten Dispesionskoeffizienten fü von bis 13 nm unte Beücksichtigung von Sedimentation und Diffusion nach und fand, dass die Gleichung -7 auch fü laminae Stömungspofile gute Egebnisse liefet. Foste [Fos58] emittelte die Patikelgöße und Patikelladung aus de Patikelabscheidung duch Raumladungseffekte in einem geedeten Zylinde. Baat [Ba] modelliete die Patikelpenetation duch einen geedeten Zylinde unte Beücksichtigung von Diffusion. Katze [Kat1] hat die Kollisionsaten und die elektostatische Dispesionsaten von TiO - Agglomeaten theoetisch und expeimentell untesucht. Die elektostatische Dispesion wid gezielt zum Zweck de Gaseinigung [Han69, Bol1, Bol9, Pau1] und zu Vobeugung von Aeosolagglomeation [Xu9] genutzt. Die Raumladungseffekte können ehebliche Fehle bei de Messung von Aeosolen veusachen [Szy85, Ba9_1, Ba9_, Alo]. Das Einatmen von geladenen Teilchen füht zu ehöhten Teilchenablageung in den Lungen [Wil47, Po85, Bai97]. Das sollte bei dem Einsatz von elektischen Abscheiden (insbesondee mehstufige Ausfühungen) und eine Raumluftückfühung beachtet und duch egelmäßige Kontollen übewacht weden. Elektostatische Dispesion und Bildkaft Wenn die Patikelkonzentation von geladenen Teilchen geing ist, wid die Wechselwikung duch Teilchenabstoßung venachlässigba im Vegleich zu Wechselwikung zwischen dem Teilchen und de Wand. Auf ein Teilchen mit Ladungen, das sich in einem leitfähigen geedeten Zylinde mit Radius R befindet, wikt die Bildkaft F [Yu76]: n Bild d p

30 8 F Bild n e 16 R R -78 Mit - adiale Lage des Teilchens [m], - Rohadius [m]. Die aus diese Kaft esultieende Geschwindigkeit des Teilchens wid als R W d B dt Bild F Bild -79 gefunden. Mit 1 B Cu 3 d - Beweglichkeit des Teilchens. p Yu beschäftigte sich in seinen Untesuchungen [Yu76, Yu77, Yu79] mit dem Vegleich de Patikelabscheidung duch Spiegelladungseffekte und duch elektostatische Dispesion. Seine Untesuchungen zeigten, dass die Wahscheinlichkeit de Anlageung eines Teilchens duch Bildkaft unabhängig von de Patikelkonzentation ist und mit Ehöhung von Patikelladung steigt. Nennenswete Geschwindigkeiten eeichen die Teilchen abe nu in de unmittelbaen Wandnähe (wenige µm), siehe Abbildung -1. WBild [m/s],5,4,3,, a [µm] Abbildung -1 Teilchengeschwindigkeit W Bild als Funktion des Abstandes von de Wand. dp=1 µm; n=1..9 Elektostatisches Abtopfen und Elektospay In einem nass betiebenen Elektoabscheide sind die Elektodenobeflächen mit Flüssigkeit benetzt. Gelangt de Flüssigkeitsfilm in den Beeich von hohen Feldstäken (z.b. Spühelektodenobefläche, stak gekümmte Niedeschlagselektodenobefläche), so kann es zum elektostatischen Abtopfen und, unte Umständen, zu Bildung eines Elektospays kommen. Die Abbildung -11 zeigt exemplaisch einige Zestäubungs-Geometien, die je nach Feldstäke am Ende eines Kapillaohes aufteten können.

31 9 Abbildung -11. Unteschiedliche Flüssigkeitsobeflächen beim elektostatischen Zestäuben mit zunehmende Feldstäke (von links nach echts) [Loh] Goßteils findet das Abtopfen in den Beeichen statt, wo die Feldstäken klein sind. Das Abeißen vom Topfen efolgt, wenn die Obeflächenspannungskaft kleine als die Summe aus Schwekaft F F E F g F g und elektische Kaft F E ist [Wal97]:. -8 Diese Vogang ist diskontinuielich und wid lediglich duch das Ansammeln von de Flüssigkeit bewikt. Steigt die Spannung weite, so wid de Abtopfvogang beschleunigt, die Topfen weden kleine und die Abtopffequenz nimmt zu. Bei hohen Feldstäken efolgt das Abtopfen in einem Coona-Modus. Wenn die Abstoßung de gleichnamigen Ladungen im Topfen höhe als die Obeflächenspannung de Flüssigkeit ist, findet de Topfenzefall statt. Bei eine Topfenobefläche betägt die Maximalladung (sog. Rayleigh-Limit): S 4 F q R 8 3, -81 mit - Obeflächenspannung, N/m. Die Feldstäke, die zum Eeichen de Rayleigh-Genze efodelich ist, wid als: E R 3-8 gefunden.

32 Die Leitfähigkeit de Flüssigkeit beeinflusst die Patikelgöße und den Aeosolvolumenstom wähend des Zestäubens. Wähend des Elektospays entstehende Teilchen sind hoch geladen und seh mobil. Diese hochmobilen Teilchen weden schnell im elektischen Feld abgeschieden und beeinflussen diekt die Patikelemission nicht. Alledings kann Bildung des Elektospays an de Niedeschlagselektode zu Patikelumladung (und Entladung), und zu Senkung de Betiebsspannung in de.stufe eines nass betiebenen Elektoabscheides fühen [Fel8]. Beeits bei seh kleinen Feldstäken kann ein Topfen im elektischen Feld Ladungen aufnehmen und diese beim Abtopfen tanspotieen. 3

33 31 3 Stand de Technik In den letzten Jahzehnten wuden viele veschiedene Bauaten und Modelle von Elektoabscheiden entwickelt und untesucht, mit dem Ziel die Abscheideeffizienz zu vebessen und die Einsatzmöglichkeiten auszubeiten. So finden sich umfangeiche Übeblicke von Elektofilte-Entwicklungsichtungen in [Jaw7, Pa97]. In diesem Kapitel wid vo allem auf die Elektoabscheide eingegangen, die einen mehstufigen Aufbau haben und Ähnlichkeiten zu dem im Rahmen diese Abeit entwickelten ARA-Abscheide aufweisen. Auch histoisch gesehen wichtige Entwicklungen weden vogestellt. 3.1 Mehstufige Elektoabscheide Zwa kommen die einstufigen Elektoabscheide am meisten zum Einsatz, es weden dezeit auch zwei- ode mehstufige Elektoabscheide-Konstuktionen öfte eingesetzt. In einem zweistufigen Elektoabscheide weden die Beeiche fü die Patikelaufladung und Patikelabscheidung getennt aufgebaut (Kapitel.1). Als Hauptvoteil von zweistufigen Elektoabscheiden wid imme noch eine deutlich geingee Ozonpoduktion gesehen. Aus diesem Gund wid die positive Elektoabscheide- Polaität bevozugt. Dem eduzieten Enegievebauch wid momentan noch eine untegeodnete Rolle zugeschieben. Zweistufige Aufbau elaubt vo allem die Realisieung viel gößee Abscheidefläche in de.stufe. Als Beispiel wid ein zweistufige Plattenabscheide in de Abbildung 3-1 gezeigt. Die Tennung de Patikelaufladung und de Patikelabscheidung bingt einige schwe zu lösende Aufgaben mit sich. Findet in de Kollektostufe ein Reentainment statt (z.b. wähend de Abeinigung), so können die in den Gasstom zuückgekehten Teilchen nicht meh aufgeladen und abgeschieden weden. Zwa wuden von einigen Autoen (wie z.b. Penney in [Pen89]) spezielle Geäte zu Reinigung von Elektoden vogeschlagen, dennoch weden wegen diese Poblematik die meisten zweistufigen EA nu zu Abscheidung von flüssigen Aeosolen eingesetzt ode nass abgeeinigt. Abbildung 3-1 -Stufige Elektoabscheide. Plattenbauweise [Pa97]

34 3 Eine andee Poblematik wid duch die fetigungstechnischen Möglichkeiten bestimmt Qualität de Blechveabeitung: schafe Kanten und Veuneinigung de Elektodenobeflächen fühen zum ehöhten Stomfluss im de Kollekto-Stufe und somit zu Entladung und Umladung de abzuscheidenden Patikeln. Analog zum Reentainment hat es eine Senkung de Abscheideleistung zu Folge. Auch die maximale Betiebsspannung wid davon beeinflusst. De andee Voteil ist eine viel höhee mögliche Betiebsfeldstäke in de.stufe. Uzhov beichtet übe mittlee Feldstäken im Auflade von 4-5 kv/cm und 8-1 kv/cm im Kollekto [Uzh6]. Zusammen mit kleinen Gassenbeiten im Kollekto egibt sich daduch ein seh effektive Aufbau. Exta kleine Gassenabstände in de.stufe (z.b.,159 cm) elauben den Betieb bei niedigen Spannungen [Pen89]. Dabei können zu hohe Betiebsspannungen in de.stufe Entladungen zwischen Niedeschlagsplatten hevoufen, die Ozon poduzieen (beichtet fü den Plattenabstand von,3 cm in de.stufe) [Hau86]. Abbildung 3- Zweistufige Elektoabscheide in de Kombination mit Wäsche. Roh- Bauweise [Pa97] Ein typische Einsatz von zweistufigen EA ist die Abscheidung von niedig konzentieten submikonen Aeosolen. Es sind auch Veöffentlichungen zu finden, in denen vom Voteil de einstufigen Elektoabscheide-Ausfühung gegenübe zweistufigen gespochen wid. Z.B. veglich [Hua] die Abscheideleistung von ein- und zweistufigen Elektoabscheiden in Bezug auf die Tennung von submikonen Teilchen. Alledings ist dieses Egebnis nu auf eine typischeweise etwas knappe Auslegung de Aufladestufe (wie auch in Abbildung 3-1

35 33 und Abbildung 3- gezeigt) zuückzufühen, da die Aufladung von submikonen Teilchen eine entspechende Zeit benötigt (siehe Kapitel..1). Im Fall, wenn die in de esten Stufe aufgeladenen Teilchen duch die Kollekto-Stufe gelangen, kommt es duch Raumladungseffekte bei eine Raumluftückfühung zu vestäkten Abscheidung von diesen Teilchen an den Raumwänden und deen Veschmutzung [Electically Chaged dust in Rooms, zitiet in Pen89]. Die Vielfalt an veschiedenen Einsatzbedingungen und die damit vebundenen Auslegungs- Poblematiken fühen dazu, dass die modenen Elektoabscheidesysteme öfte als Komplexe von veschiedenen EA-Techniken ealisiet weden [Cha3]. 3. Raumladungsabscheide Obwohl Elektoabscheide eines de effektivsten Mittel fü die Gaseinigung sind, weden sie manchmal wegen hohe Investitionskosten nicht eingesetzt. Als ein einfachee und kostengünstigee Esatz wude von Wilke und Hanson ein Abscheide vogeschlagen, de nu auf de Basis de Raumladungsabscheidung (Kapitel..8) funktioniet [Han69]. Ein deistufige Raumladungsabscheide wid in de Abbildung 3-3 gezeigt. Abbildung 3-3. Deistufige Einzeloh-Raumladungsabscheide nach [Han69] Das patikelbeladene Gas titt in den ohfömigen Kanal ein, wo die festen Patikel duch eine konventionelle Coona-Entladung aufgeladen weden. Danach wid ein aufgeladenes Wasseaeosol duch eine Düse in das Gas eingegeben. Die geladenen Teilchen und Wassetöpfchen weden duch das elektische Feld, das duch ihe Raumladung gebildet wid, zu den geedeten Wänden hin bewegt und dot abgeschieden. Die Raumladungsdichte veinget sich im Laufe de Zeit mit de Vemindeung de Patikel- und Wassetöpfchen- Konzentation und die Abscheideate bicht entspechend ein (Gleichung -7, Abbildung -9). Die fü die Abscheidung notwendigen hohen Raumladungsdichten weden in weiteen Stufen duch das wiedeholte Einspitzen von geladenen Wassetöpfchen in die Gasstömung nachgeliefet. Auf diese Weise weden hohe Abscheidegade (bis 99%) bei elativ kleinen Veweilzeiten eeicht. Als Nachteil des Vefahens ist ein elativ hohe Wassevebauch zu sehen.

36 34 Fü die Reinigung goße Gasstöme wude von Wilke und Hanson noch ein in de Abbildung 3-4 dagestellte Aufbau entwickelt. Um das Eeichen von fü den Übeschlag notwendigen Feldstäken zu vehinden, wude das Volumen nach dem Auflade mit schüttungsatigem leitfähigem Mateial gefüllt. De Einsatz de Schüttung esetzte an de Stelle die Vewendung von kostenintensiven Rohanodnungen. Abbildung 3-4. Mögliche Aufbauten eines mehstufigen Raumladungsabscheides nach [Han69] Bologa entwickelte und beschieb in eine Reihe von Veöffentlichungen [Bol1, Bol5, Bol9] einen CAROLA-Abscheide. Es handelt sich dabei um einen nass betiebenen Raumladungsabscheide in einstufige ode mehstufige Ausfühung (Abbildung 3-5). Abbildung 3-5. CAROLA-Abscheide [Bol5] De Abscheide besteht aus eine Hochgeschwindigkeitsionisationsstufe und eine geedeten feldfeien Stufe, die aus eine tumfömigen Füllköpeanodnung besteht. In de Ionisationsstufe weden Teilchen bei seh hohen Feldstäken von 1-17 kv/cm aufgeladen. In Abhängigkeit von de Rohgaskonzentation ( c m von 1-1 mg/m³ und c n bis /cm³) können mit diesem Abscheide Tenngade von 9-97% in einstufige und bis 99% in zweistufige Ausfühung (zwei in de Reihe geschaltete CAROLA-Abscheide) ezielt weden.

37 35 De spezifische Enegievebauch de Abscheidung betägt 76 J/m³ und ist vegleichba mit konventionellen Elektoabscheiden. Die echt niedigen Abscheidegade vom CAROLA-Abscheide sind eventuell duch eine fehlehafte Konstuktion bedingt: ein goße Hohlaum zwischen de Ionisationsstufe und de Kollektostufe eignet sich ideal fü die Ezeugung de Aeosol-Selbstentladung, die zum Abbau von Netto-Raumladung und anschließendem Zusammenbuch de Abscheidung duch elektostatische Dispesion füht. Mit de Veschäfung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes kommen die Raumladungsabscheide auch fü die Reinigung de Kaminabgase zum Einsatz [Pau1]. Die Abscheidung duch aumladungsgetiebene elektische Felde findet als Synegieeffekt in vielen andeen Vefahen statt, wo das Aeosol zu Vebesseung de Abscheidung zusätzlich aufgeladen wid. Die meist vebeiteten Anwendungs-Beispiele sind: elektostatisch untestützte Filtation [Hel8, Pla], Ionisationswäsche [Pil74, Sie91, Lai97, Lai, Met97] und andee [Ag8]. 3.3 Ezeugung de Hochspannung mit unipola geladenen Aeosolen Beeits im Jah 1845 hat Amstong eine Dampfelektisiemaschine efunden, die mithilfe eines duch Reibung aufgeladenen Dampfes statische Elektizität auf einem isolieten Kessel gebildet hat. Seitdem hat es mehee Abeiten gegeben, die als Ziel die Ezeugung hohe Spannungen mit Hilfe unipola geladene Aeosole hatten. So hat Bukhadt [Bu35] im Jah 1935 mit aufgeladenem Magnesiumoxid-Aeosol an einem Wattefilte Spannungen von 6 kv ezielt und späte mit aufgeladenem Wasse-Aeosol auf einem isoliet aufgehängtem Behälte Spannungen von 4 kv eeicht. Die eeichte Spannung wude duch unkontolliete Entladungsvogänge zwischen dem Behälte und de Ionisationsdüse begenzt. Die Ausnutzung de aufgebauten elektischen Felde fü die Patikelabscheidung wude von Postma et al. in [Pos77] patentiet. Mit Hilfe eine zweistufigen Anodnung, die aus einem Coona-Auflade und eine elektisch esistiven Schüttung bestand, hat e in de. Stufe duch die Abscheidung von geladenen Teilchen in de Schüttung höhee elektische Felde aufgebaut und diese Felde zu vestäkten Teilchenabscheidung genutzt (Abbildung 3-6). Abbildung 3-6. Teilchenabscheidung im selbstaufgebauten elektischen Feld [Pos77]

38 36 Dabei wuden elativ mäßige Effekte ezielt, da die ehöhten Feldstäken nu am Rand de Schüttung ezeugt wuden. De Aufladevogang de Schüttung velief unkontolliet. Es wuden Gesamtabscheidegade von ca. 95 % eeicht. 3.4 Enegievebauch de Abscheidung. Angaben aus de Liteatu. Da de Enegievebauch in eine seh engen Beziehung zu Abscheideleistung, zu Elektoabscheide-Geometie (bzw. Göße) und zu Belastung ist, wäe de alleinige Vegleich von Enegievebäuchen veschiedene Anlagen unvollständig. Leide weden in de Liteatu solche Infomationen im vollen Maß nu selten angegeben. Auch die Angaben zu den Industie-Abscheiden sind viel seltene zu finden, als die de Laboanlagen. Je nach Einsatzgebiet- Nanoaeosole ode nomale Aeosole stellen sich veschiedene Betiebsanfodeungen. Suati in [Su81] gibt einen Enegievebauch von 848 J/m³ fü einen einstufigen und 65 J/m³ fü einen zweistufigen Elektoabscheide an, alledings ohne genaue Angaben zu Abscheideleistung zu machen. Pake in [Pa97] gibt fü eine Abscheideleistung von 99% einen Enegiebedaf von 5 J/m³ und göße fü einen Daht-Roh-Elektoabscheide und von 17 J/m³ und höhe fü einen Daht-Platte-Elektoabscheide an. Entspechend weden 1 J/m³ bei einem Daht-Platte-Elektoabscheide fü die Abscheideleistung von 99,9 % benötigt. Fü einen einstufigen Goßelektofilte zu Abscheidung vom Rauchgas gibt Uzhov einen Enegievebauch von 7 J/m³ an [Uzh6]. De Vegleich wid in de Abbildung 3-7 veanschaulicht. ηt [-] [Pa97] [Bol5] [Su81] 1-Stufig [Su81] -Stufig [Cha9] P [J/m³] Abbildung 3-7 Spezifische Enegiebedaf de Abscheidung. Angaben aus de Liteatu 3.5 Zusammenfassende Bewetung Jedes de dagestellten Elektoabscheide-Konzepte weist einige Stäken und Schwächen auf, die duch die entspechenden Einsatzbedingungen optimal genutzt ode vehindet weden können. Die Raumladungsabscheide haben vegleichsweise geinge Investitionskosten, einen niedigeen Enegievebauch und sind nachüstba. Das Einsatzgebiet bleibt abe totzdem begenzt, da das Funktionspinzip hohe Aeosolkonzentationen benötigt und keine 1%- Abscheidung gewähleisten kann. Vielmeh sind Raumladungsabscheide als Teil de mehstufigen Abscheide geeignet, insbesondee fü die günstige Reduzieung von hohen

39 Teilchenkonzentationen. Die zweistufigen Elektoabscheide können dagegen die maximalen Abscheidegade ezielen, sind auch enegetisch effiziente als die einstufigen, weden abe aufgund de Reentainment-Poblematik in de.stufe meistens fü die Abscheidung von flüssigen Aeosolen eingesetzt. 37

40 38 4 ARA-Konzept. Vountesuchungen Im Vodegund des Pinzips de Autogenen Raumladungsgetiebenen Abscheidung (ARA) steht die Nutzung des Raumladungseffektes in einem mehstufigen Vefahen. Um den Einsatz des ARA-Vefahens zu emöglichen, ist die Anwesenheit eines hochkonzentieten geladenen Aeosols notwendig. In dem Fall, dass die Netto-Ladung des Aeosols geing ist, muss eine Auflade-Stufe ealisiet weden. Im Rahmen diese Abeit wid vom Letzteen ausgegangen und die Beechnungsgundlagen sowohl fü die Aeosolaufladung als auch fü die Aeosolabscheidung weden päsentiet und diskutiet. Die Kenidee des Konzeptes betifft den Aufbau de nach dem Auflade folgenden Kollekto- Stufe und wid in Abbildung 4-1 dagestellt. Die Kollekto-Stufe besteht im Ganzen aus eine vom Gehäuse elektisch isolieten potentialfeien Elektode (weite PFE) und eine Anodnung von Niedeschlagselektoden (NE). PFE LKE FE NE Unipola geladenes Aeosol Reingas Raumladungsabscheidung, Aufladung de PFE Abscheidung im statischen elektischen Feld Abbildung 4-1 Pinzip-Schema de autogenen aumladungsgetiebenen Abscheidung Die potentialfeie Elektode wid nach de Funktion und auch Auslegung in eine Ladungskollektoelektode (LKE) und eine Feldelektode (FE) unteteilt. Die Aufgabe de Ladungs-Kollektoelektode ist das Sammeln von den Ladungen, die vom aufgeladenen Aeosol getagen weden. Dabei umschließt die LKE das geladene Aeosol nach de At eines Faaday-Käfigs, so dass keine elektischen Felde einwiken können, und die aumladungsgetiebene Abscheidung im Inneen de LKE unabhängig vom Potential de gesamten PFE ist. Damit können in de. ARA-Stufe seh hohe Potentiale eeicht weden (Hundete von Kilovolt), die vielfach höhe sein können als die Betiebsspannung de Coona-Entladung, die zu Aufladung des Aeosols eingesetzt wid. Die Funktion de Ladungs-Kollektoelektode ist damit analog de Funktion eines van-de-gaff- Bandgeneatos mit dem Unteschied, dass hie das unipola geladene Aeosol die Rolle des Bandes übenimmt.

41 39 Solch eine unbegenzte Aufladung wüde zum Eeichen von Duchbuchsfeldstäken und eine Entladung von de PFE fühen. Die Begenzung von de Betiebsspannung kann mit Hilfe eine Coona-Anodnung efolgen und wid im Weiteen diskutiet. Die Ladungs-Kollektoelektode wid anschließend elektisch mit de Feldelektode vebunden. Daduch entsteht zwischen de Feldelektode und de geedeten Niedeschlagselektode ein Beeich hohe Feldstäken, in dem auch geing geladene Patikel abgeschieden weden. Die Wiksamkeit des Vefahens ist stak von den Eigenschaften de Isolation und Anwesenheit auseichende patikelgebundene Raumladungsdichten abhängig. Das füht dazu, dass die Elektodeneinigung möglichst beühungslos efolgen soll, um die Entladung de potentialfeien Elektode zu vemeiden. Das gilt vo allem fü den Beeich de Ladungs- Kollektoelektode, da nu hie die Patikelabscheidung auf de PFE stattfindet. Bei de Abscheidung von flüssigen Aeosolen laufen diese selbst von den Elektoden ab, weswegen keine Abeinigung benötigt wid. Deswegen wid de Einsatz des Vefahens zuest nu auf den Beeich flüssige Aeosole beschänkt. Die esten Untesuchungen efolgten mit de in de Abbildung 4- dagestellten Anodnung. Als Auflade dient ein Daht-Roh Elektoabscheide. Die ARA-Stufe wid auf de Basis von zwei koaxialen Roh-Elektoden ealisiet. Die eine davon dient als die potentialfeie Elektode, die andee als das geedete Gehäuse. Die PFE wude auf einem Isolato-Glasoh befestigt und nu bis zu Montagestelle im obeen Dittel duchstömt. Das aus dem Auflade stömende geladene Aeosol titt damit zuest in die PFE ein und wude anschließend duch Öffnungen nach außen umgeleitet und stömte zwischen de PFE und NE. Abbildung 4- ARA-Vovesuchsanlage Die Patikelkonzentation am Austitt wid mit einem Patikelzähle efasst und ist in Abhängigkeit vom PFE-Potential in de Abbildung 4-3 dagestellt. Im Laufe des Vesuchs

42 spezifische Enegiebedaf [J/m³] 4 wid ein lineae Anstieg des PFE-Potentials gemessen. Paallel zum Anstieg des Elektodenpotentials wid die Senkung de Patikelgesamtkonzentation beobachtet. Abbildung 4-3 Konzentationsvelauf am Austitt aus de Vesuchsanlage im Laufe de PFE- Aufladung In einem weiteen Vovesuch wuden zwei unteschiedlich lange Auflade vewendet. Die Betiebspaamete de Auflade wuden so eingestellt, dass eine konstante Reingaskonzentation von 1 4 1/cm³ eingehalten wude. Das Egebnis zeigt, dass die volumenspezifische Leistung näheungsweise umgekeht popotional zu Aufladelänge ist, siehe Abbildung Aufladelänge 1m Aufladelänge m Volumenstom [m³/h] Abbildung 4-4 Spezifische Enegiebedaf fü das Einhalten eine Reingaskonzentation von 1 4 1/cm³ bei veschiedenen Aufladelängen Weitee mögliche Aufbauaten des autogenen aumladungsgetiebenen Abscheides sind im Anhang 1.1 dagestellt. Das Konzept de autogenen aumladungsgetiebenen Abscheidung ealisiet die im Stand de Technik beschiebenen Voteile von Raumladungsabscheiden und zweistufigen

43 Elektoabscheiden: de Einsatz bei hochkonzentieten Aeosolen, geinge Investitionskosten, geinge Enegievebauch. Duch den kontollieten Feldaufbau können im Gegensatz zu den konventionellen Raumladungsabscheiden viel höhee Abscheidegade ezielt weden. 41

44 4 5 Auslegung de ARA-Anlage In diesem Kapitel weden die Beechnungsgundlagen und die wichtigsten technischen Details, die fü die Auslegung eine kompletten ARA-Anlage von Bedeutung sind, vogestellt und diskutiet. Die Wikungsweise de ARA-Anlage lässt sich in folgende Abeits-Schitte unteteilen: Aufladung des Aeosols Tanspot des geladenen Aeosols zu ARA-Kollekto-Stufe Aufladung de potentialfeien Elektode duch die elektostatische Dispesion in de Ladungs-Kollektoelektode Aeosolabscheidung im elektischen Feld zwischen den Feldelektoden und Niedeschlagselektoden Es wid in den oben dagestellten Schitten diskutiet Stufe. Auflade Ziele de Aufladung Als Auflade wid ein Elektoabscheide im gequenchten Betiebsegime vewendet. Die Aufladung des Aeosols in de esten Stufe hat mehee Ziele. Estens, wie in einem konventionellen zweistufigen Elektoabscheide, sollen die Teilchen auf eine elektische Beweglichkeit gebacht weden, auf de sie im elektischen Feld de Kollekto-Stufe abgeschieden weden können. Zweitens, sollen hohe Raumladungsdichten ezeugt weden, die fü die Aufladung de potenzialfeien Elektode des ARA-Kollektos auseichen. De Betieb des Auflades unte Anwesenheit eines hochkonzentieten Aeosols findet im gequenchten Regime statt (siehe Kapitel..7). Die Abbildung 5-1 stellt den typischen zeitlichen Velauf des Stomes und de Patikelaumladungsdichte im Auflade da. Abbildung 5-1 Stom- und Raumladungsdichtenvelauf im gequenchten EA. Einsatzspannung 8 V; Abeitsspannung V; Dahtadius,1mm; Rohadius,1 m; Teilchenduchmesse nm; Anzahlkonzentation /m³. 1-D Simulation nach Lübbet [Lüb11]

45 43 De anfangs fließende Stom (ggf. bis ca.,5 s) dient zu Aufladung von Teilchen und zum Aufbau de patikelgebundenen Raumladung. Duch die ezeugte Teilchenaumladung wid de Stomfluss untedückt (Ionenaumladungsdichte ist venachlässigba klein), und das Coona-Quenching titt auf. Wid die patikelgebundene Raumladung abgebaut, so kommt es zum Stom-Wiedeanstieg (Ionen- und Patikelaumladung liegen vo), und de Übegangsbeeich beginnt. Im Reingasbeeich (ab ca. 97% des Leelaufstomes) dominiet die Ionenaumladung. Im Quenchegime, bei <,5, ist die Teilchenladeate an die Abscheideate de patikelgebundenen Raumladung gebunden (Gleichung -63) und nimmt mit de Teilchenladung zu (Abbildung 5-). Im Übegangsegime (,5< <,97) findet die Velangsamung de Teilchenaufladung mit zunehmende Teilchenladung statt. i i lee i i lee Abbildung 5- Zeitliche Veläufe de mittleen Patikelladung und de Patikelgesamt- Konzentation im gequenchten Elektoabscheide. Einsatzspannung 8 V; Abeitsspannung V; Dahtadius,1mm; Rohadius,1 m; Teilchenduchmesse nm; Anzahlkonzentation /m³. 1-D Simulation nach Lübbet [Lüb11] Fü die Funktion de Kollekto-Elektode ist das -Podukt von besondeem Inteesse, da es fü die Aufladung de potentialfeien Elektode veantwotlich ist (Gleichung -7 und - 76). Die Abbildung 5-3 zeigt den zeitlichen Velauf des -Poduktes und des Stomes im gequenchten Auflade. Das maximale Podukt wid im Übegangsbeeich eeicht, und liegt etwas übe dem von Lübbet als das Ende vom Quenchen definieten Stomwetes (Abbildung 5-4). Eine genaue Voausechnung des optimalen -Poduktes ist alledings nu mit Hilfe eine Simulation ode eines Expeiments möglich. Eine viel einfachee Einschätzung kann übe den Stomwet efolgen: es sollen 1-3% des Leelaufstoms eeicht weden. c n 3 c n 3 c n 3

46 44 i/ilee [-] 1,8,6,4, i/ilee c²n³ Quenchegime Übegangsegime Reingasegime 6,E+9 5,E+9 4,E+9 3,E+9,E+9 1,E+9,E t [s] c²n³ [1/m 6 ] Abbildung 5-3 Stom und c n 3 -Podukt im gequenchten Auflade. Betiebspaamete: Einsatzspannung 8 V; Abeitsspannung V; Dahtadius,1mm; Rohadius,1 m; Teilchenduchmesse nm; Anzahlkonzentation /m³. 1-D Simulation nach Lübbet [Lüb11] c²n³-podukt [1/m 6 ] 6E+9 5E+9 4E+9 3E+9 E+9 1E t [s] c n Abbildung 5-4 c²n³-podukt fü veschiedene Patikelkonzentationen: c n = ; ; 1, /m³. Betiebspaamete: Einsatzspannung 8 V; Abeitsspannung V; Dahtadius,1mm; Rohadius,1 m; Teilchenduchmesse nm; Anzahlkonzentation /m³. Schwaze Punkte kennzeichnen das Quenchende. 1-D Simulation nach Lübbet [Lüb11] In Bezug auf die Patikelabscheideate und somit die Quenchdaue kann eine optimale patikelgößenunabhängige Geometie eines gequenchten Daht-Roh-Elektoabscheides mit Hilfe de Gleichungen -55 bis -57 beechnen weden (Abbildung 5-5). Die maximale Abscheideate sogt fü das schnelle Eeichen des Übegangsegimes und minimiet die Veweilzeit im Auflade [Lüb11].

47 ,,4,6,8,1 -dc/dt*1/b [1/m 4 ] R [m] Rd=,1 mm Rd=,5 mm Rd=,5 mm Rd=1 mm Abbildung 5-5 Abscheideate in einem gequenchten Daht-Roh-Elektoabscheide geteilt duch Teilchenmobilität fü unteschiedliche Aufladeadien. Feldstäke begenzt duch E mittel =,6 MV/m, E NE =,8 MV/m [Lüb11] 5.1. Enegiebedaf de Aufladung Bei de Diffusionsaufladung von nanoskaligen Aeosolen ist das n t -Podukt von Bedeutung (siehe Kapitel..1, Gleichung -7). Dahe ist es vom Inteesse, die Enegieeintäge fü seine Hestellung bei veschiedenen Elektoabscheide-Betiebszuständen zu vegleichen. Unte Vewendung von Gleichungen -47 bis -51 lässt sich die Gesamtladung im Elektodenzwischenaum eines patikelfeien Daht-Roh Elektoabscheides als d I L U Z I Z L I Z L L Q R D D R E i D i R i ln finden. Duch die Integation ehält man die mittlee Ionenaumladungsdichte: R D R i D R E i D i R i R i I Z L I L U Z I Z L I Z L V Q ln. 5- Fü einen gequenchten Elektoabscheide gilt:

48 46 i Q 1 V l I Z i 1 E d. 5-3 Die Feldstäke wid entspechend de Gleichung -56 eingesetzt. Man ehält: I U R E i ln. 5-4 R Z i L 4 U R R U ln D R D Unte de Annahme I gequencht, 5 I lässt sich die mittlee Raumladungsdichte de Ionen lee po Leistung po Mete Spühdaht beechnen (Abbildung 5-6). Es ist bemekenswet, dass in beiden Rand -Betiebszuständen de Enegieeintag zu Hestellung von gleiche Ionenaumladungsdichte sich nu minimal untescheidet. Zwa wid ein etwas höhee Enegieaufwand im Quench-Regime benötig, die Ionenausnutzung ist abe in diesem Regime weit höhe. Abbildung 5-6 Mittlee Ionenaumladungsdichte po Leistung po Mete Spühdaht im leeen und gequenchten Elektoabscheide. Rohadius,1 m; Dahtadius,1 mm; Einsatzspannung 8 V Ein weitee Aspekt, de den Enegiebedaf beeinflusst, ist die Veweilzeit. Allgemein wid die folgende Entwicklung beobachtet: mit steigende Veweilzeit eduziet sich de Enegiebedaf de Abscheidung [Lüb11]. Bei de Abscheidung von nanoskaligen Teilchen kann de Enegievebauch duch die Ändeung de Aufladelänge angepasst weden. Mit de Vegößeung de Spühdahtlänge und einem unveändeten Enegievebauch ehöht sich die Ionenaufenhaltszeit im Elektodenzwischenaum und die Aufladung wid effiziente.

49 Steueung des Auflades Veschiedene Anlagenhestelle haben typischeweise ihe eigene Steueungs-Philosophie. Die meisten Elektoabscheide-Regelungen haben das Ziel, nu wenig untehalb von de Duchbuchsfeldstäke zu abeiten, um die Baugöße möglichst klein halten zu können. Da die Übeschlagsspannung wegen schwankende Betiebsbedienungen nicht konstant ist, weden meistens entwede die Übeschläge zugelassen ode es wid die Betiebsspannung auf einen kleineen Wet abgesenkt [Bat73]. Modene computebasiete Regelungen veabeiten gleichzeitig auch mehee zusätzliche Signale, wie z.b. optische Konzentationsübewachung, Steueung de Elektodenabeinigung u. s. w [Mcl88]. Die existieenden Modelle haben die maximale Abscheideleistung im Visie und können im ARA-Vefahen nicht diekt übenommen weden. Die einfachste Auswahl von Betiebspaameten begenzt sich auf die Ansteueung des Spannungs- ode Stomwetes. Wie in Kapiteln ewähnt, ist es vom Inteesse, den Auflade am Beginn des Übegangsegimes zu beteiben. Im Fall, dass ein Rohgas mit konstante Patikelkonzentation voliegt, lässt sich die Quenchdaue mit Hilfe von im Kapitel..7 dagestellten Zusammenhängen gut abschätzen und ein spannungsgesteuete Aufladebetieb ist möglich (eine konstante Spannung wid angestebt). Wenn alledings die Konzentation des Rohgases sich im Laufe des Betiebes ändet, z. B. stak abnimmt, fließt bei de gleichen Betiebsspannung ein seh hohe Stom im Elektoabscheide, was, estens, enegetisch ineffizient ist, und zweitens, ein seh geinges -Podukt zu Folge hat. In de Folge kann es dazu kommen, dass de Ladungsgewinn in de ARA-Stufe den Ladungsvelust nicht meh abdecken kann, je nach Höhe de Ladungsveluste. In diesem Fall wüde die Betiebsspannung de Kollekto-Stufe und esultieend die Gesamtabscheideleistung sinken. Das Übegangsegime wid duch den steigenden Stomwet gekennzeichnet. Es ist dahe sinnvoll, den Betieb des Auflades bei schwankenden Rohgaskonzentationen stomgesteuet duchzufühen (konstante Stom wid angestebt). De Stomwet soll sich dabei am Wiedeanstieg befinden (Abbildung 5-3). Die expeimentellen Egebnisse dazu finden sich im Kapitel Die Länge des Auflades bei eine stomgesteueten Regelung beeinflusst die Reaktionsschnelligkeit auf die Konzentationsschwankungen. So können in einem Auflade, de eine Veweilzeit hat, die kleine als die Konzentationsändeungsate ist, auch die einzelnen Konzentationspeaks aufgelöst weden. Dagegen bleiben solche kuzfistige Konzentations-schwankungen von einem langen Auflade unbemekt. c n Auswahl de Auflade-Polaität Die Polaität de potentialfeien Elektode ist die des Auflades. Da de elektische Übeschlag im Beeich de Feldelektode mit höhee Wahscheinlichkeit von de veschmutzten Niedeschlagselektode ausgehen kann, weden bei positive PFE-Polaität und entspechend negative Polaität de von de Niedeschlagselektode ausgehenden Entladung höhee mittlee Feldstäken ewatet. Im gequenchten Auflade-Regime efolgt de Übeschlag im Auflade von de Niedeschlagselektode, von dahe wid duch die Vewendung de positiven Coona-Polaität die maximale Betiebsspannung nicht benachteiligt [Lüb11]. Positive Coona-Entladung ist auch im Hinblick auf die Ozonpoduktion im Vegleich zu negativen zu bevozugen.

50 48 5. Tanspot des geladenen Aeosols und begleitende Eeignisse Das Funktionspinzip eines ARA-Abscheides benötigt hohe Raumladungsdichte am Eintitt in die.abscheidestufe. Das gilt insbesondee beim Hochfahen de Anlage auf die Betiebsspannung, fü den weiteen Betieb eichen auch viel niedigee Raumladungsdichten aus. Es düfen dahe keine goßen Veluste duch die Raumladungsabscheidung in de Tanspotleitung zwischen dem Auflade und dem ARA-Kollekto stattfinden. Bei seh hohen Raumladungsdichten ist de Velust von Raumladung vo dem Eintitt in die.stufe dagegen von Voteil, da seh hohe Raumladungsdichten im Plattenpaket Entladungen hevoufen können (Kapitel 5.3.). In einem gequenchten Elektoabscheide können seh hohe patikelgebundene Raumladungsdichten ezeugt weden. Mit Hilfe von Gleichungen , unte Annahmen von E mittel =,6 MV/m und E NE =,8 MV/m [Lüb11], lassen sich die Raumladungsdichten fü unteschiedliche Aufladeadien wie in de Abbildung 5-7 dagestellt beechnen. Es ist esichtlich, dass Raumladungsdichten von übe 1 µc/m³ mit weit vebeiteten Elektoden- Konfiguationen eeicht weden können. 6,E-4 ρp [C/m³] 5,E-4 4,E-4 3,E-4,E-4 1,E-4,E+,5,1,15,,5 R [m] Rd=,1 mm Rd=,5 mm Rd=,5 mm Rd=1 mm Abbildung 5-7 Maximale mittlee patikelgebundene Raumladungsdichte im gequenchten Elektoabscheide als Funktion des Rohadius. Feldstäke im EA begenzt duch E mittel =,6 MV/m, E NE =,8 MV/m [Lüb11] Insbesondee bei den mehstufigen Vefahen, wo die Aufladung und Abscheidung von Teilchen voneinande getennt sind, kann duch eine fehlehafte Auslegung die Selbstentladung des geladenen Aeosols auf dem Weg von de Aufladestufe zu Kollektostufe hevogeufen weden. Eigene Untesuchungen zu Selbstentladung von Aeosolen weden im Kapitel 7 vogestellt und diskutiet.

51 Stufe. ARA-Kollekto De ARA-Kollekto dient zu Abscheidung von hochkonzentieten Aeosolen, die entwede beeits im Betiebsablauf im geladenen Zustand vohanden sind, ode in de esten Elektoabscheide-Stufe aufgeladen weden. Die ARA-Stufe besteht aus eine isolieten potentialfeien Elektode, die je nach Aufbau auf veschiedene Weise mit eine Niedeschlagselektode gekoppelt weden kann. Wie im Kapitel 4 beeits ewähnt, wid die potentialfeie Elektode in zwei Beeiche unteteilt: eine Ladungs-Kollektoelektode und eine Feldelektode. Die Auslegungs- Gundlagen fü die einzelnen Beeiche weden in diesem Kapitel dagestellt. Bei einigen Anwendungen, bei denen keine seh hohen Abscheidegade benötigt weden und de Abscheide kostenspaend gebaut weden soll, kann eine PFE aus Kunststoff eingesetzt weden. De Nachteil besteht dain, dass eine gleichmäßige Veteilung des elektischen Potentials übe die Kunststoff-Obefläche kaum zu eeichen ist. Dies kann mit einem Flüssigkeitsfilm deutlich vebesset weden, alledings wid dabei de Stomabfluss duch das elektostatische Abtopfen ehöht Ladungs-Kollektoelektode Die Funktion de Ladungs-Kollektoelektode ist, wie im Kapitel 4 beeits ewähnt, das Sammeln von elektischen Ladungen fü die Aufladung de gesamten potentialfeien Elektode. Zu Aufladung de potentialfeien Elektode dient de von den geladenen Teilchen getagene Stom I p c n ev V p. 5-5 Die Ladungsmenge, die duch Raumladungsabscheidung in de LKE auf die PFE übegeht, kann wie folgt gefunden weden: I p, zu n e c t LKE LKE p t LKE, 5-6 c LKE n p t LKE - mit - Aeosolveluste in de LKE [1/m³], -mittleen Teilchenladung [-], Veweilzeit des geladenen Aeosols in de Kollektoelektode [s] und - Raumladungsveluste in de LKE [C/m³]. Unte Vewendung von Gleichung -7 mit Annahme ideale Quevemischung ehält man fü ein monodispeses monogeladenes Aeosol I p, zu n e c t LKE ein, LKE c 1 ein, LKE 1 n e Cu 3 d p t LKE, 5-7 mit c ein, LKE -Patikelkonzentation am Eintitt in die LKE [1/m³].

52 5 Die Aufladung de PFE efolgt, wenn de Ladungsgewinn göße ist als de Ladungsvelust, de duch mehee Eeignisse wie Kiechstöme übe die Isolatoobeflächen, mögliche Entladungen in de Elektodenanodnung und duch das Abtopfen de auf den Elektoden angesammelten Flüssigkeit im elektischen Feld veusacht weden kann: I p,zu I velust I isolato I Entladungen I Abtopfen. 5-8 Die Aufladezeit de Feldelektode bis U FE ist damit als t Aufladung I ( U ) I ( U C U ) I ( U ) I ( U p, zu PFE Isolato PFE Entladungen PFE Abtopfen PFE FE ) 5-9 abgeschätzt weden, mit C - elektische Kapazität de potentialfeien Elektode, [F]. Da die Veluststöme kaum zu beechnen sind und von de angelegten Spannung abhängig sind, kann eine Abschätzung duch die Messung von Stom-Spannungskennlinien de gesamten PFE-Anodnung efolgen. Da in de Regel ein seh stak geladenes Aeosol in die Ladungs-Kollektoelektode stömt, kann bei eine goßäumigen LKE-Auslegung eine Selbstentladung des Aeosols hevogeufen weden. Die Selbstentladung vom Aeosol in de Ladungs-Kollektoelektode wüde zum Anstieg de Auflade-Geschwindigkeit von de PFE fühen Elektohydodynamische Effekte am Eintitt in die LKE Das geladene Aeosol stömt gegen das Potential de Kollektoelektode in die.ara-stufe ein. Bei manchen Konstuktionen ist eine Stömungsumlenkung denkba, was das Umfließen de Kollektostufe und damit die Velangsamung de PFE-Aufladung und die Veschlechteung de Gesamtabscheidung zu Folge hat. Um dieses zu vehinden, soll de dynamische Duck des Gases am Eintitt in die Kollektoelektode deutlich höhe als de gegenwikende elektische Duck p e U p, sein. p d u Elektostatisches Abtopfen in de LKE Die Ladungs-Kollektoelektode ist de einzige Ot, wo die Teilchenabscheidung auf de isolieten potentialfeien Elektode stattfindet. Das hie abgeschiedene Aeosol muss im Laufe des Betiebs von de potentialfeien Elektode abfließen. Duch die Geometie de LKE kann die Ablass-Stelle vogegeben weden. Um einen Ladungstanspot duch die Bildung des Elektospays ode duch das elektostatische Abtopfen zu vehinden, muss de Flüssigkeitsablass in einem Beeich kleine elektische Feldstäken ealisiet weden. Dies wid im Weiteen am Beispiel de ARA-Laboanlage (Kapitel 6) und des Industie-Pototyps (Kapitel 8) gezeigt.

53 Patikelabscheidung im FE-Beeich Die Beechnungsansätze fü die Patikelabscheidung im Feldelektodenbeeich wuden im Kapitel..4 vogestellt. Die Anwesenheit von hohen Raumladungsdichten in de Kollekto-Stufe füht zu Vezeung de elektischen Feldstäke zwischen den Plattenelektoden (Abbildung 5-8). Hie wid mit Raumladungsdichten geechnet, die bei den konventionellen zweistufigen Elektoabscheiden zu ewaten sind, siehe Abbildung 5-7. E [MV/m] 1,8,6,4, ρ= µc/m³ ρ=1 µc/m³ ρ=3 µc/m³ ohne Raumladung s [cm] Abbildung 5-8 Feldstäke zwischen zwei Platten mit und ohne Raumladung. Plattenabstand 5 cm. Mittlee Feldstäke zwischen Elektoden,5 MV/m. -D Simulation im FemLab Die Feldstäke wid in de Nähe de Niedeschlagselektode stak ehöht, was zu Steigung de Teilchen-Abscheideate füht und, wie im Kapitel ewähnt, zu eine von de NE ausgehenden Entladung fühen kann. Bei de Raumladungsdichte von µc hätte es ggf. eine Teilchenabscheidung in Richtung beide Elektoden gegeben. Je nach Veteilung de Raumladung im elektischen Feld, wenn ein Teil des Gasvolumens beeits geeinigt wude, kann eine Laminaisieung de Stömung efolgen Elektische Kapazität und Käfte zwischen Elektoden In den Fällen, wenn die Elektoden nu wenige Befestigungspunkte haben, z.b. aufgehängt sind, können elektische Käfte zwischen Elektoden ihe Bewegung und anschließende Entladung veusachen. Bei de ARA-Anlage gilt das insbesondee fü den Beeich de Feldelektode. Die elektische Kapazität eine Platten-Elektodenanodnung lässt sich wie folgt beechnen: mit [m]. C A FE, gesamt AFE, gesamt, 5-1 s FE, gesamt - Gesamtfläche de Feldelektoden [m²], s -Abstand zwischen de FE und NE

54 F [N] 5 Zwischen den geladenen FE und geedeten NE wikt eine Kaft Abwesenheit vom geladenen Aeosol fü eine FE-Platte als F [N], die unte F 1 U s A FE, beechnet wid. Mit A FE,1 - Fläche eine Feldelektode [m ]. De Zusammenhang zwischen Kaft und elektischen Feldstäke zwischen zwei Elektoabscheideplatten ist beispielhaft fü 1 m² Elektodenfläche bei 4 cm Elektodenabstand in Abbildung 5-9 dagestellt. Im Beeich de typischen Betiebsfeldstäken (,5-,8 MV/m) eeichen die Käfte einen Wet von bis 3 N ,,4,6,8 1 E [MV/m] Abbildung 5-9. Die Anziehungs-Kaft zwischen zwei Plattenelektoden als Funktion de Feldstäke. Elektodenfläche 1 m², Elektodenabstand,4 m. Ohne geladenes Aeosol Entladungskaskade Eine unkontolliete Aufladung de potentialfeien Elektode füht zum Übeschlag und zu ihe vollständigen Entladung duch den beim Übeschlag gebildeten ionisieten Kanal. Eine Möglichkeit zu Begenzung und Einstellung de Betiebsspannung besteht in de Vewendung eine Coona-Anodnung, die die übeschüssigen Ladungen von de potentialfeien Elektode abfühen kann. Die technische Realisieung kann auf veschiedene Weise efolgen. Die Coona-Anodnung kann mit in den Gasaum installiet weden ode übe einen Isolato nach außen mit de PFE elektisch vebunden weden, was die Einstellung de Betiebsfeldstäke einfache macht. Bei einem Betieb mit seh hohen Spannungen (einige hundet Kilovolt) kann eine Kaskaden-Anodnung vewendet weden, um seh hohe elektische Potentiale übe gößee Abstände zu veteilen und zusätzlichen Ladungsvelust duch Obeflächenstöme zu minimieten. Ein Beispiel de Realisieung und de Einstellung eine Coona-Kaskade wid in den Abbildungen 6-3 und 6-4 gezeigt. In dem Fall, dass hohe Raumladungsdichten voliegen, kann de elektische Stom, de duch die aumladungsbedingte Abscheidung von Teilchen in de Ladungs-Kollektoelektode auf die PFE zugeht, höhe sein, als de Stom, de bei de gewünschten Betiebsspannung übe die Entladungs-Kaskade abfließen kann. Damit füht de Anstieg de Raumladungsdichte zum Anstieg de Betiebsspannung. Solche Schwankungen de Betiebsspannung können einige Kilovolt betagen, was im Fall hohe Betiebsfeldstäken zum Übeschlag fühen wüde.

55 53 Duch den Einsatz eine Kaskade mit eine steileen I-U-Chaakteistik weden diese Risiken minimiet. Eine bessee Einstellung de Kaskade wid mit positive Coona-Polaität ewatet, aufgund de besse definieten Einsatzspannung. Ein Betieb ohne Entladungsstecke ist auch denkba, de Abscheidegad wid alledings duch den unkontollieten Stomfluss im Kollekto-Beeich veschlechtet Elektische Isolation Die elektische Isolation ist ein wichtige Bestandteil alle Hochspannungs-Appaate. Die Anfodeungen an einen Hochspannungsisolato sind seh anspuchsvoll: minimale Isolatodicken, dem Einsatz entspechende Zuvelässigkeit und minimale Kosten. Mateialien wie Polyethylen, Polypopylen, PVC weden aufgund gute Veabeitbakeit und elative Peiswetigkeit seh oft eingesetzt. Die Eigenschaften des Isolatos beeinflussen den Abfluss de Ladungen von de PFE. Um den langfistigen Betieb de ARA-Anlage zu emöglichen, ist eine besondee Sogfalt bei de Einichtung de elektischen Isolieung de potentialfeien Elektode notwendig. De elektische Stom übe die Obefläche des Isolatos ist in de Regel einige Gößenodnungen höhe, als de Stom, de duch den Isolatoköpe fließt. Das Umgebungsmedium, vo allem die Feuchte, ist de entscheidende Fakto [Mca91, Mcl65, Saa84]. In de Regel wid die Gültigkeit des Ohm schen Gesetzes angenommen. Es wid zwischen den Obeflächen, wo die Feuchte eineseits in de Fom de einzelnen Topfen und andeeseits in de Fom eines kontinuielichen Flüssigkeitsfilms aufgesammelt weden kann, unteschieden. Im esten Fall ist die Obeflächenleitfähigkeit geing und von de elativen Feuchte fast unabhängig. Im zweiten Fall ist die Obeflächenleitfähigkeit kla definiet und steigt mit de elativen Feuchte [Mcl65]: Ob l GF b F F, 5-1 l F mit GF - Leitwet des Filmes [S], -Länge des Films [m] und - Filmbeite [m]. Zwa epäsentiet diese Wet nicht die tatsächliche Obeflächenleitfähigkeit des Dielektikums, sonden die des Feuchtigkeitsfilms. Diese Wet hängt von dem Absobe ab und wid auf das Mateial bezogen. Diese Definition venachlässigt die Leitfähigkeit des Isolatoköpes [Mca91]. Untesuchungen und Beechnungsansätze zu Ladungsinjektion und zu elektischen Leitung übe Isolatoobeflächen sind in [Pep98] zu finden. De Übeschlag duch das Isolationsmedium wid duch die Duchbuchsfeldstäke chaakteisiet. Fü die üblichen Polymee liegt sie im Beeich zwischen 1 und 9 MV/cm [Ied8]. Die Übeschlagspannung eines Isolatos hängt von vielen Isolato-Paameten wie Geometie, Mateial, Obeflächenbehandlung, At de Vebindung zu Elektode, auch von de Fom de angelegten Spannung und von de Umgebungsat ab. Die Untesuchungen dazu sind in [Mil93, Hew63, Vla95] zu finden. Die Kunststoffisolatoen und Hochspannungseinfühungen sind gegen den Übeschlag übe die Isolatoobefläche anfällig. De Übeschlag übe die Isolatoobefläche wid in de Regel am deifachen Punkt initiiet, wo Isolato, Elektode und die Umgebung in unmittelbae Nähe zueinande sind [Mil93, Mil89, Pep98]. Die Mechanismen, die zum Obeflächen- b F

56 54 Übeschlag fühen, sind die Elektonenkaskade und die Bildung sekundäe Elektonenlawinen [Mil89]. Das typische pe-beakdown Phänomen duch den Isolatoköpe ist das sog. Teeing [Ied8, Eic76, Zel87]. Das ist eine Beschädigung des Dielektikums, die duch die elektische Belastung entsteht und duch Bildung baumfömige Kanäle im Dielektikumsköpe gekennzeichnet wid. Das Entstehen von Bäumen veläuft meistens unte Anwesenheit von patiellen Entladungen [Ke93], auch unte Anwesenheit von Feuchte und Veschmutzungen, und findet meistens echt langsam statt. Beim impulsatigen Anlegen hohe Spannungen kann diese Vogang auch seh schnell velaufen. Dieses Eeignis, abhängig von ewähnten Entstehungsbedingungen, kann sowohl auf de Obefläche, als auch im Inneen des Dielektikums aufteten. Ein wichtige Fakto ist de Zugang von Bäumen zu feien Luft ode zu Wasse-Umgebung [Eic76]. Die Bäume, die auf den feien Obeflächen mit einem unbeschänkten Zugang zu Luft ode Wasse ihen Anfang finden, können duch den ganzen Dielektikum-Köpe wachsen und die Elektoden übebücken. Im Fall, wenn de Baum seinen Anfang in einem Hohlaum ode duch eine Veschmutzung im Inneen des Dielektikums findet, bleibt das Ausmaß vom Teeing meistens klein. Die Mechanismen, die zu Bildung eines Kanals fühen können, sind je nach den Bedingungen seh unteschiedlich. Die gebildeten Kanäle, die duch das Zesetzen des Dielektikum-Mediums entstehen, sind hohl und können die Feuchtigkeit eindingen lassen und damit den Stom duchleiten. Das sind die sogenannten Wassebäume. Das Eindingen de Flüssigkeit wid duch Elektophoese und Dielektophoese bedingt. Duch die Bildung patielle Entladungen an den Spitzen des Baumes wid UV-Licht poduziet, welches zum weiteen Zesetzen von Kunststoff füht. Die Bildung von elektischen Bäumen wid duch lokale Ewämung an den Stellen mit hohe elektische Belastung und entspechende Kompession, Mateialemüdung duch den ständigen Polaisationswechsel (Wechselspannung), duch heiße Elektonen veusacht [Eic76, Ied8]. Um das Entstehen von Kanälen zu vehinden ode zu stoppen, weden die Hohläume mit Öl ode Gas, die eine hohe Duchschlagfestigkeit haben (z.b. SF 6 ode N ), gefüllt [Nit78, Eic76, Saa84]. Angesichts de oben genannten Pobleme können die Hochspannungseinfühungen entspechend dem Einsatzgebiet mit Heizung [Ohl95] ode Luftspülung [Tak84, Kou85, Rus84, Sch6, Rec93, Rau8] ausgestattet weden, um den Zugang von dem zu einigenden Abgas zu Isolatoobefläche zu vemeiden und das Absetzen von Feuchte zu vehinden [Cas1, Whi63]. Die Keamik- und Glasisolatoen besitzen zwa eine seh gute chemische Beständigkeit, haben abe ein goßes Gewicht und sind bei hohen Vibationen büchig. Die Isolatoen aus Kunststoff sind deutlich billige, leichte, haben eine bessee Veabeitbakeit. Die ARA- Laboanlage wid mit duch Luft gespülten Glasisolatoen ausgestattet. Die Beuteilung de Isolation wid im Kapitel 6..6 duchgefüht. Beim ARA-Pototyp weden deutlich veeinfachte Isolatoen aus Polyamid eingebaut. Untesuchungen dazu sind im Kapitel zu finden.

57 55 6 Laboanlage fü 1 m³/h 6.1 Vesuchs- und Messaufbau Laboanlage fü 1 m³/h Das ARA-Konzept wid im zweiten Schitt in Fom eine goßen Laboanlage mit Duchsatz bis 1 m³/h implementiet. De Aufbau wid entspechend dem Kenntnisstand entwofen, um eine möglichst gute Kombination von Hestellungsaufwand und Funktionalität zu ezielen. De paktische Einsatz steht im Mittelpunkt de Untesuchungen. Das Fließbild de gesamten Vesuchsanodnung wid in de Abbildung 6-1 dagestellt. Das mittels Aeosolgeneato hegestellte Aeosol gelangt zuest in eine Kondensationsstecke, wo die gewünschte Konzentation und die Patikelgöße duch die Ändeung de Aeosolveweilzeit und de Dosieung vom Paaffinöl eingestellt weden (Abbildung 7-). Das esultieende Testaeosol wid im weiteen Velauf duch den Auflade und anschließend duch den ARA-Kollekto geleitet. Paaffinöl N Laboluft Aeosolgeneato Laboluft Auflade ARA-Kollekto Ventilato Abluft Abbildung 6-1 Fließbild de Vesuchsanodnung Die Laboanlage besteht aus zwei Stufen: Auflade und ARA-Kollekto. Sie sind in de Abbildung 6- einzeln dagestellt. De Auflade besteht aus vie paallelgeschalteten Daht-Roh-Elektoabscheiden, die einen echteckigen Queschnitt haben. Die echteckige Bauweise ist günstig und lässt die Ausnutzung des ganzen Anlagenvolumens zu. Als Nachteil kann eine kleinee maximale mittlee Raumladungsdichte angesehen weden, da die maximale Betiebsspannung duch den küzesten Abstand zwischen den Elektoden bestimmt wid. De Abstand Daht-Wand betägt 5 cm. Die Spühdähte weden auf den Metallstangen befestigt, die mit Hilfe von Glasisolatoen vom Gehäuse isoliet sind. Die effektive Länge des einzelnen Abscheides ist

58 56 1,6 m. De Dahtduchmesse ist,5 mm. Die Veweilzeit im Auflade bei 1 m³/h betägt,3 s. De Auflade wid mit dem ARA-Kollekto mit eine Rohleitung ( d =, m) vebunden. Die Leitungslänge betägt ca. 1,5 m. Die ARA-Stufe besteht im Goßen aus zwei abwechselnd angeodneten Elektodenpaketen, die sich in einem x 1 x,8 m goßen echteckigen Gehäuse befinden: eine Reihe von potentialfeien Plattenelektoden (8 Stück) wid auf den Glasisolatoen aufgehängt, die geedeten Niedeschlagselektoden (7 Stück) weden am Boden des Gehäuses aufgestellt. De Plattenabstand liegt aus fetigungstechnischen Günden bei 5 cm. Die Plattenabmessungen: 1,7 x,7 m; Plattendicke 1,5 mm. Die Gesamtabscheidefläche betägt 1,4 m². Die Veweilzeit in de Abscheidezone ist 4,6 s. An die Elektodenkanten wuden ohfömige Pofile mit tichtefömige Kollektoelektode mit eingebauten Stömungsveteilen wid mechanisch (und somit elektisch) mit dem potentialfeien Elektodenpaket vebunden. Die Veweilzeit in de Kollektoelektode bei 1 m³/h ist,45 s. Die elektischen Isolatoen bestehen aus Glas und weden mit Duckluft gespült (Abbildung 6-5). De Luftstom wid mit einem Radialventilato mit einem Fequenzumichte ezeugt und gesteuet. Die Voichtungen fü die beühungslose Potentialmessung de PFE und fü den kontollieten Feldaufbau in dem ARA-Kollekto weden in nachfolgenden Kapiteln dagestellt. Die Aeosolgeneato, Aeosolvedünne u.a. weden genaue in Kapiteln beschieben. d =1 cm angeschweißt, um die Ehöhung de Feldstäke zu minimieen. Die

59 57 1.Stufe: Auflade Niedeschlagselektode (geedet) Spühdähte Glasisolato und Hochspannungseinfühung.Stufe: ARA-Kollekto Aufhängung de PFE Hochspannungs- Beühungsschutz Kollektoelektode mit Stömungsveteilung Glasisolato Feldelektoden Niedeschlagselektoden (geedet) Abbildung 6-. Laboanlage fü 1 m³/h

60 58 Entladungskaskade Die technische Realisieung de Coona-Entladestecke ist Abbildung 6-3 dagestellt. Die Entlade-Stecke wid übe ein Hochspannungskabel mit de Elektodenaufhängung elektisch vebunden und befindet sich außehalb vom Vesuchsaufbau. Die Vebindung wid im mit Duckluft gespülten Isolato-Schutzgehäuse ealisiet. Die Coona-Kaskade besteht aus vie Glieden, die jeweils eine Einsatzspannung von ca. 6 kv haben. Die Kaskadengliede sind in einem Glasoh mit gleichen Abständen veteilt. Duch die Vestellung de passiven Elektode des letzten Kaskadenglieds wid die Gesamteinsatzspannung de Entladestecke eingestellt (Abbildung 6-4). Die esultieende Einsatzspannung von 5 kv entspicht de gewünschten Betiebsspannung. Duckluft Coona-Kaskade im Glasoh Oszilloskop Hochspannungsduchfühung Gehäuse (geedet) PFE R Abbildung 6-3 Pinzip-Schema de Übeschussladungsabfuh von de PFE Coona-Kaskade mit eine I [µa] A=,3 cm A=,3 cm A=,6 cm A=,6 cm A=,9 cm A=,9 cm A=1, cm A=1, cm A=1,5 cm A=1,5 cm U [kv] Abbildung 6-4. Gemessene Stom-Spannungskennlinien bei unteschiedlichen Abständen zwischen Elektoden des letzten Kaskadengliedes. Coona-Kaskade aus vie Glieden A

61 59 Messung des elektischen Potentials de PFE Die Potentialmessung de PFE efolgt mit Hilfe eines elektostatischen Voltmetes ISOPROBE Modell 44 de Fa. MONROE ELECTRONICS. Das Voltmete elaubt eine beühungslose Messung elektische Potentiale bis ±3 V mit eine Genauigkeit von,1 V. Mittels des Softwaepakets LabView lässt sich de Velauf des elektischen Potentials mit eine Auflösung von eine Messung po Sekunde aufzeichnen. Die Messsonde des elektostatischen Voltmetes wude in dem Deckel des Schutzgehäuses des Isolatos installiet und befand sich auf einem übeschlagssicheen Abstand von einigen Zentimeten von de metallischen Aufhängung de potentialfeien Elektode (Abbildung 6-5) Elektostatisches Voltmete Rechne (LabView) Duckluft Mess-Sonde Metallische Aufhängung, auf PFE-Potential Gehäuse (geedet) PFE Abbildung 6-5 Messschema des elektischen Potentials de potentialfeien Elektode Da de fü eine Messung voausgesetzte Abstand zwischen de Messsonde und de Messobefläche (einige Millimete) mehfach übeschitten wid, muss duch das manuelle Anlegen de Spannung an die PFE eine Kalibieung duchgefüht weden. Ein Beispiel de Kalibieung des elektostatischen Voltmetes ist in Abbildung 6-6 zu finden. Das aus de Kalibieungskuve emittelte lineae Vehältnis zwischen den gemessenen und ealen Spannungsweten dient de weiteen Datenauswetung. UEV [V] U PFE [kv] Abbildung 6-6 Kalibieung des elektostatischen Voltmetes Uev(Upfe)

62 6 Optimieung de Stömungsveteilung in de.stufe Fü eine optimale Patikelabscheidung im Beeich de Feldelektoden soll eine gleichmäßige Stömungsveteilung gewähleistet weden. Fü diesen Zweck weden Stömungsveteile in die tichtefömige Ladungs-Kollektoelektode eingebaut. Die Stömungsgeschwindigkeiten in de ARA-Stufe weden übe den Anlagenqueschnitt am Austitt aus dem Plattenpaket mit Hilfe eines themischen Anemometes de Fa. Lambecht emittelt. Die Übesicht de Messstellen befindet sich in de Abbildung 6-7. Höhe Beite Abbildung 6-7 Messstellen zu Emittlung von Stömungsgeschwindigkeiten in de ARA-Stufe Die technische Realisieung de Stömungsveteilung efolgt mittels zweie Lochbleche. Das kleine Lochblech mit de elativen Öffnung von 5% wid am Eintitt in die Ladungskollekto-Elektode installiet, das goße Lochblech mit el. Öffnung von 3% am Austitt aus de LKE. Die vewendeten Lochblech-Anodnungen sind in de Abbildung 6-8 dagestellt. a) b) c) Abbildung 6-8 Anodnungen de Veteile-Bleche Die mittlee Stömungsgeschwindigkeit im Plattenpaket betägt,35 m/s. Die emittelten Stömungspofile weden anhand de geometischen Standadabweichungen de Stömungsgeschwindigkeiten beuteilt: a) =1,1; Stömungs-Rezikulation wid beobachtet b) =,63 c) =,

63 61 Im Weiteen wid mit de Anodnung c geabeitet Testaeosol In Bezug auf die beabsichtigte Anwendung des ARA-Vefahens wid fü die Testvesuche ein seh hochkonzentietes nanoskaliges flüssiges Aeosol benötigt. Fü die Expeimente wid ein Paaffinöl-Kondensationsaeosol ezeugt. Im Gegensatz zu Zestäubung ist auf diese Weise hegestelltes Aeosol elektisch neutal. Es wid ein dickflüssiges Paaffinöl vewendet. Siedetempeatu liegt bei 3 C. Die Dichte betägt 89 kg/m³. Die Dielektizitätskonstante ist,. Es wid mit Aeosol-Anzahlkonzentationen von bis zu /m³ geabeitet. Aeosolgeneato De Aeosolgeneato besteht im Wesentlichen aus einem Stickstoff-Vowäme und einem Aeosolvedampfe (Abbildung 6-9). Das N -Inetgas wid vewendet, um die Vebennung vom Öl in de Vedampfungskamme zu vehinden. Im Stickstoffvowäme wid de Stickstoff auf 4 C ewämt ( =1 m³/h) und wid zu Zestäubung von Paaffinöl in de V N Zweistoffdüse genutzt. Anschließend wid das zestäubte Öl auf die Kupfeschüttung gespüht und vedampft dot. Am Austitt aus dem Vedampfe kondensiet wähend de Vemischung mit kalte Umgebungsluft ein seh feines und hochkonzentietes Aeosol. Tempeatu- Regelung Zweistoffdüse Öl Tempeatufühle N bei 4 C Heizpatone Zestäubtes Öl N -Vowäme 36 C Tempeatu- Fühle Kupfeschüttung Heizmanschette N Aeosol Abbildung 6-9 Aeosolgeneato fü hochkonzentiete Aeosole (bis 1 l/h Flüssigkeitduchsatz)

64 6 De entwickelte Aeosolgeneato elaubt die Ezeugung von Aeosolen mit einem Massenstom bis 1 kg/h. Einstellung von Gößenveteilungen des Testaeosols Die vohandenen Kondensationsstecke und Aeosolgeneato elauben eine beite Konzentationseinstellung bei de mittleen Teilchengöße von ca. 1 nm (Abbildung 6-1). Bei einem Duchsatz de ARA-Anlage von 1 m³/h wid daduch eine bis 5-fache Ändeung de Aeosolkonzentation emöglicht. Abbildung 6-1 Testaeosole. Einstellung de Patikelkonzentation und Patikelgöße mittels Veweilzeitstecke. Volumenstom 1 m³/h Scanning Mobility Paticle Size (SMPS) Das Scanning Mobility Paticle Size (SMPS) ist de Ken de vewendeten Patikelmesstechnik. Das SMPS elaubt die Messung von Patikelgößen-Veteilungen im Beeich von 3 nm p 1 nm. Das Geät besteht im Wesentlichen aus einem Impakto, einem Aeosolneutalisato auf de Basis eine K-85-Quelle, einem Diffeential Mobility Paticle Analyse (DMA) und einem Kondensationspatikelzähle (CPC). De Impakto dient zu Abscheidung gößee Teilchen, die außehalb vom Messbeeich liegen, und zu Bestimmung des Aeosolvolumenstoms (duch Messung des Duckvelustes). De Neutalisato dient zum Aufbau eines bekannten Ladungszustandes des Aeosols. In dem DMA weden Teilchen eine bestimmten elektischen Mobilität von dem estlichen Aeosolstom getennt. Anschließend gelangen diese Teilchen in den CPC und weden dot gezählt. d

65 N [1/(cm³ Patikelklasse)] 63 Emittlung de Veteilung de elektischen Teilchenmobilität mit SMPS Wid de adioaktive Neutalisato aus dem Messkeis heausgenommen und wid das unneutalisiete Aeosol in das DMA geleitet, so kann die Veteilung de elektischen Teilchenmobilität emittelt weden. Fü die Auswetung weden die unbeabeiteten SMPS-Messdaten vewendet, die in Fom de Rawcounts (Rohzählungen von Teilchen [1/m³]) als Funktion de Messzeit efasst weden. Die elektische Teilchenbeweglichkeit wid wie folgt beechnet: Z p t Z U p min U exp ln U max min t t t f upscan, 6-1 mit Z p U min V Sheath L ln DMA a U i min. 6- Dabei ist U min Messzeit [s], t f DMA Außenadius [m], Veweilzeiteffekte im SMPS - Anfangsspannung am DMA [V], - intene Vezögeungszeit [s], i - DMA Innenadius [m], U max - Endspannung am DMA [V], V Sheath- Volumenstom im DMA [m³/s], L DMA - DMA Länge [m]. t upscan- Bei den Messungen mit dem SMPS sind seh lange Veweilzeiten von den Aeosolesten in inneen Leitungen und im adioaktiven Neutalisato zu beachten. Insbesondee bei den abwechselnd efolgenden Messungen, wenn die gemessenen Konzentationen sich um einige Gößenodnungen voneinande untescheiden (wie Roh- und Reingas, vedünnte und nicht vedünnte Aeosole), können daduch goße Messfehle aufteten. Eine Messeihe wid exemplaisch in de Abbildung 6-11 gezeigt. a Messung C(3min)/Cmes=,43 C(6min)/Cmes=,17 C(9min)/Cmes=,7 C(1min)/Cmes=, d p [nm] Abbildung 6-11 Messung de estlichen Patikelkonzentation in den SMPS-Leitungen mit de Zeit

66 64 Nach eine Aeosolmessung (im Diagamm als Dateneihe Messung definiet) wude die Laboluft, die duch ein HEPA-Filte vollständig geeinigt wude, gemessen. Es ist esichtlich, dass soga 1 Minuten nach de uspünglichen Messung noch,4% von de uspünglich gemessenen Gesamtkonzentation in den Geäteleitungen vohanden sind. Im Hinblick auf dieses Egebnis weden die SMPS-Messungen in de Reihenfolge steigende Konzentation duchgefüht und entspechende Watezeiten weden eingehalten Messung hoch konzentiete geladene Aeosole. Aeosolvedünnung Eine genaue Messung von hochkonzentieen geladenen Aeosolen efodet die Anwendung von speziellen Maßnahmen und Techniken. Die Teilchenveluste duch Koagulation und elektostatische Dispesion spielen dabei eine entscheidende Rolle und hängen von de Aeosolveweilzeit ab. Die Messung von hochkonzentieten Aeosolen efodet eine Vedünnung. De Messbeeich des SMPS wid duch die maximale Zählate des CPC, die bei 1 4 1/(cm³ Patikelklasse) liegt, und duch die maximale Gesamtkonzentation von etwa 1 6 1/cm³ begenzt. Um den beabsichtigten Abeits-Konzentationsbeeich von bis zu 1 8 1/cm³ abzudecken, wude eine Keislaufvedünnungs-Voichtung gebaut und kalibiet (Abbildung 6-1). V Keislauf Δp V Messgeät V Keislauf Vedünne-Sonde Absolutfilte Aeosol Patikelbeladenes Gas V P obe Abbildung 6-1 Keislaufvedünne Die im geschlossenen Keislauf gepumpte Luft wid mit einem Absolutfilte geeinigt und in die Vedünnungssonde eingefüht. Die Sonde vefügt übe zwei Ausgangs-Öffnungen. An eine davon wid das Messgeät angeschlossen ( d =4 mm). Wid fü die Messung ein Aeosolvolumen aus dem Keislauf entnommen, so wid das gleiche Volumen des unvedünnten Aeosols duch die zweite Öffnung ( d = mm) in den Keislauf zugefüht, mit de Keislaufluft vemischt und somit vedünnt:

67 Vedünnungsfakto [-] N [1/cm³] 65 V Messgeät V Aeosolpo be, 6-3 V Vedünnungsfakto Keislauf V V Aeosolpobe Aeosolpobe. 6-4 De Volumenstom im Keislauf wid mittels de Δp-Messblende efasst. So ein Aufbau hat auch den Voteil, dass die Aeosoleintittsöffnung sich nicht unbemekt zusetzen kann. Bei de Messung wid die Vedünnesonde in den Gasstom eingefüht. Auf diese Weise findet die Vedünnung innehalb von einigen Millisekunden statt (bei einem V =,3 lpm und V Keislauf = m³/h betägt die Veweilzeit des Aeosols vo de Vedünnung,5 ms und die Veweilzeit des vedünnten Aeosols im Keislauf 7 ms). Anhand de Kalibieung de Vedünnungseinichtung wuden die in de Abbildung 6-13 dagestellten Vedünnungsfaktoen gemessen. Die Kalibieung efolgte mit veschiedenen Δp-Weten, de Volumenstom wude nicht beechnet. Die Modellveteilung ist auch im Diagamm abgebildet. Im Weiteen wude mit einem Vedünnungsfakto von 115 geabeitet. Mess 15 3,E ,E+4 1,E+4 p=4 Pa p=3 Pa p=66 Pa Q(dp),E d p [nm] Abbildung 6-13 Gemessene Vedünnungsfaktoen Andee Voteil de Keislaufvedünnung besteht dain, dass de zu vedünnende Pobestom mit dem beeits mit Öldämpfen gesättigten Keislaufstom vemischt wid, so dass die eventuellen Fehle duch das Vedampfen von Öltopfen minimiet weden. Ein andee Ansatzpunkt ist die Vewendung von leitfähigen Schläuchen fü die Pobeleitung. Die Patikelabscheidung in Kunststoffschläuchen kann zu eheblichen Messfehlen fühen [Szy85]. Die Aeosolveluste duch die elektostatische Dispesion lassen sich gut abschätzen (siehe Kapitel..8). Da die Messungen von den Raumladungsdichten und Patikelgößenveteilungen an de gleichen Messstelle efolgen, können die Raumladungsveluste in den Messleitungen mit Hilfe von de Gleichung n e 6-5 n e n e Cu t 3 d t p

68 66 beechnet weden. Als Ladung po Patikel, d p [s] wid die Veweilzeit in de Messleitung eingesetzt, - mittlee Teilchengöße [m]. t n - mittlee Radioaktives Faaday-Cup Elektomete Fü die Messung de patikelgetagenen Raumladungsdichten kommt ein am Lehstuhl vohandenes adioaktives Faaday Cup Elektomete zum Einsatz [Lüb11] (Abbildung 6-14). De Ken des FCE ist eine Am-31 Quelle. Das geladene Aeosol wid duch das FCE geleitet und neutalisiet. De elektische Stom vom Gehäuse de adioaktiven Quelle wid mit einem Elektomete (Fa. Keithley, Model 6514E) gemessen. Duch solchen Aufbau kann die Raumladungsdichte des Aeosols gemessen weden, ohne dass dessen Patikelgößenveteilung beeinflusst wid. geladenes Aeosol neutales Aeosol Elektomete Isolieung Abbildung 6-14 Pinzip-Schema des adioaktiven FCE [Lüb11] 6. Egebnisse de Labountesuchungen 6..1 Untesuchungen zum stomgesteueten Aufladebetieb I-U Kennlinien des Auflades Fü die Expeimente zum stomgesteueten Aufladebetieb weden mittels de Kondensationsstecke Testaeosole veschiedene Anzahlkonzentationen ezeugt, die ähnliche Gößenveteilungen haben (Abbildung 6-1). Die Messung de Stomspannungskennlinien efolgt hochspannungsseitig mit Hilfe eines Hochpäzisions-Netzteils PNC 3-ump de Fa. Heinzinge. Die den Testaeosolen entspechenden Stom-Spannungs-Kennlinien sind in de Abbildung 6-15 dagestellt. Bei de höchsten Aeosolkonzentation von 178 mg/m³ wid die Einsatzspannung scheinba von 11,3 auf 14 kv ehöht. Tatsächlich handelt es sich um Coona-Quenching mit eine stak eduzieten Stomaufnahme.

69 67 Ia [µa] im Leelauf cm=3,8 mg/m³ cm=3 mg/m³ cm=178 mg/m³ U a [kv] Abbildung 6-15 I-U-Kennlinien des Auflades bei veschiedenen Aeosolkonzentationen. Volumenstom 1 m³/h; Dahtadius,5 mm; Abstand Daht-Wand 5 cm; Aufladelänge 6,4 m; Veweilzeit im Auflade,3 s Paametewechselwikungen bei einem stomgesteueten Aufladebetieb Wähend des stomgesteueten Auflade-Betiebs wid ein konstante Stom duch den Elektoden-Zwischenaum angestebt. Dabei ändet sich entspechend de Patikelanzahl und de Patikelladung de Spannungswet. Die Raumladungsdichte und Teilchenladung am Austitt aus dem Auflade sind fü die Aufladung de PFE von Bedeutung. Die Abbildung 6-16 zeigt die gemessenen Raumladungsdichten am Austitt aus dem Auflade bei veschiedenen Auflade-Stömen und Aeosolkonzentationen. Die Veteilungen de Testaeosole sind in de Abbildung 6-1 zu finden. Bei de Teilchenkonzentation von 7, /m³ wid eine hohe Raumladungsdichte von übe 6 µc/m³ gemessen. Bei de kleinsten Patikelkonzentation betägt die patikelgebundene Raumladungsdichte nu wenige µc/m³. ρp [C/m³] 7,E-5 6,E-5 5,E-5 4,E-5 3,E-5,E-5 1,E-5,E I a [ma] cn=,83e1 1/m³ cn=,51e13 1/m³ cn=7,19e13 1/m³ Abbildung 6-16 Raumladungsdichte am Austitt aus dem Auflade bei veschiedenen Stomweten und Aeosolkonzentationen. Volumenstom 1 m³/; Dahtlänge 6,4 m; Dahtadius,5 mm; Abstand Daht-Wand 5 cm

70 68 Die Abbildung 6-17 zeigt gemessene mittlee Teilchenladung bei veschiedenen Aufladestömen. Es ist bemekenswet, dass die mittlee Ladung po Patikel bei höchste Anzahlkonzentation etwas höhe ist, als die bei de mittleen. Das kann mit steigende Feldaufladung eklät weden, da bei hohe Aeosolkonzentation fü den gleichen Stom eine viel höhee Spannung angelegt weden muss. nmittel [-] I a [ma] cn=,83e1 1/m³ cn=,51e13 1/m³ cn=7,19e13 1/m³ Abbildung 6-17 Mittlee Teilchenladung am Austitt aus dem Auflade bei veschiedenen Aeosolkonzentationen. Stomgesteuete Betieb. Volumenstom 1 m³/; Dahtlänge 6,4 m; Dahtadius,5 mm; Abstand Daht-Wand 5 cm Die Abbildung 6-18 zeigt Raumladungsdichten am Austitt aus dem Auflade bei veschiedenen Aeosolkonzentationen. Die Raumladungsdichten weisen eine stake Zunahme im Leistungs-Beeich von bis 5 J/m³. Mit steigende Leistung wid eine fast konstante Raumladungsdichte beobachtet, was auf den Betieb des Auflades im Übegangs- Beeich hindeutet. ρp [C/m³] 7,E-5 6,E-5 5,E-5 4,E-5 3,E-5,E-5 1,E-5,E P a [J/m³] cn=,83e1 1/m³ cn=,51e13 1/m³ cn=7,19e13 1/m³ Abbildung 6-18 Raumladungsdichte am Austitt aus dem Auflade bei veschiedenen Aeosolkonzentationen. Stomgesteuete Betieb. Volumenstom 1 m³/; Dahtlänge 6,4 m; Dahtadius,5 mm; Abstand Daht-Wand 5 cm

71 Aufladung de PFE Das Expeiment efolgt nach dem in de Abbildung 6-5 dagestellten Schema. Die potentialfeie Elektode wid zuest manuell auf Edpotential gelegt. Nach dem Stat des Datenefassungspogamms wid die PFE wiede an die Entladungskaskade angeschlossen und de Anstieg des Elektodenpotentials wid emittelt. Die gemessenen Veläufe des elektischen Potentials fü veschiedene Aeosolkonzentationen sind in de Abbildung 6-19 dagestellt. Die Veteilungen de Testaeosole weden in de Abbildung 6-1 gezeigt. De Vesuch bei auch bei seh kleinen Aeosolkonzentationen stattfindet. Alledings ist die Aufladung extem langsam, sodass die Betiebsspannung von 5 kv est nach einigen Stunden eeicht wüde. Das Expeiment wude aus diesem Gund vo dem Eeichen de Betiebsspannung abgebochen. Im Fall eine kuz- ode langzeitigen Konzentationssenkung wähend des Betiebes wüde de fü die Einhaltung de Betiebsspannung de PFE notwendige Ladungsgewinn gewähleistet. c m =3,8 mg/m³ und c n =, /m³ zeigt, dass die Aufladung de PFE Bei c m =3 mg/m³ und c n =, /m³ wid die Betiebsspannung innehalb wenige Minuten eeicht. Bei höchste Konzentation c m =178 mg/m³ und c n =7, weden die 5 kv innehalb von einigen zehn Sekunden eeicht. Geneell wid bei allen Aeosolkonzentationen gleich am Beginn de Aufladung ein deutlich schnellee Anstieg de Spannung beobachtet. Dies ist auf die anfangs auch im Feldelektodenbeeich stattfindende Raumladungsabscheidung zuückzufühen. Anhand de Gleichung fü elektostatische Dispesion (Gleichung 5-9) lassen sich die Aufladungszeiten wie in Tabelle 1 dagestellt beechnen. Die Beechnung efolgt mit eine Veweilzeit in de LKE von,5 s, de mittleen Patikelgöße von 1 nm und mittlee Teilchenladung entspechend Abbildung Die beechneten Aufladezeiten untescheiden sich deutlich von den gemessenen. De Gund dafü ist die Annahme eine homogenen Ladungsveteilung fü die Beechnung de Aufladezeit. Real ist die Veteilung inhomogen und die Abscheideate in de Tanspotleitung ist damit deutlich höhe als ewatet. U a [kv] 5 3,6 19,7 18,5 17,9 16,9 15,1 14, I a [ma] 4 3 1,7,5,3,1,5 t [s] 5,5 5,15 4,81 4,98 5,9 5,65 6,53 11,3,31 Tabelle 1 Beechnete Aufladezeiten de PFE bei veschiedenen Aufladestömen. Massenkonzentation 178 mg/m³; Volumenstom 1 m³/h; Betiebsspannung 5 kv; mittlee Teilchenduchmesse 1 nm

72 U PFE [kv] U PFE [kv] 7 3 U PFE [kv] cm=3,8 mg/m³ cn=, /m³ t [s] Ia= ma; Ua=16,8 kv Ia=1 ma; Ua=14,8 kv Ia=,5 ma; Ua=13,5 kv Ia=, ma; Ua=1,5 kv Ia=,1 ma; Ua=1,1 kv cm=3 mg/m³ cn=, /m³ 4 6 t [s] Ia=4 ma; Ua=1,9 kv Ia= ma; Ua=18,8 kv Ia=1 ma; Ua=16,3 kv Ia=,5 ma; Ua=15 kv Ia=,3 ma; Ua=14,4 kv Ia=,1 ma; Ua=13,3 kv cm=178 mg/m³ cn=7, /m³ t [s] Ia=4 ma; Ua=5 kv Ia= ma; Ua= kv Ia=1 ma; Ua=19,7 kv Ia=,5 ma; Ua=17,9 kv Ia=,3 ma; Ua=16,9 kv Ia=,1 ma; Ua=15,1 kv Abbildung 6-19 Aufladung de PFE bei veschiedenen Aeosolkonzentationen. Einsatzspannung de Entladestecke 5 kv; Volumenstom 1 m³/h

73 Messung de Raumladungsdichte an de Rohwand eines Elektoabscheides mit echteckigem Queschnitt Die Raumladungsdichte in einem gequenchten Daht-Roh-Elektoabscheide hängt, wie im Kapitel..7 (Gleichung -55) ewähnt, von de angelegten Spannung und dem Rohadius ab. Um das Gleichungssystem eines gequenchten Roh-Daht-Elektoabscheides bei einem echteckigen Abscheidequeschnitt vewenden zu können, wid bei den Beechnungen de Radius eines Rohes eingesetzt, de die gleiche Queschnittsfläche wie de Queschnitt des Rechtecks hat (Äquivalentadius, Abbildung 6-). Es wid davon ausgegangen, dass die Raumladungsdichte wegen de staken Quevemischung duch tubulente Stömung und den elektischen Wind sich nu minimal übe den Rohqueschnitt untescheidet. =5 cm =5,6 cm Abbildung 6- Äquivalentadius fü die Beechnung des echteckigen Auflade-Queschnitts Die Abbildung 6-1 und Abbildung 6- zeigen die gemessenen Raumladungsdichten am Austitt aus dem Auflade, emittelt an den veschiedenen Rohwandsegmenten (Messstellen entspechend de Abbildung 6-3). Die Messungen efolgten mit zwei Aeosolkonzentationen: Die schwaze und die gaue duchgezogenen Linien zeigen die theoetischen Raumladungsdichten, beechnet entspechend fü c m =3 mg/m³, c n =, /m³ und R =5 cm und R =5,6 cm. c m =178 mg/m³, c n =7, /m³. Aus den Diagammen ist esichtlich, dass sich die theoetischen und gemessenen Raumladungsdichten bei hohen U deutlich untescheiden, was dem Betieb des Auflades bei höheen Spannungen im Übegangsbeeich entspicht. Die an veschiedenen Rohwandsegmenten emittelten Raumladungsdichten weichen voneinande, wie ewatet, nu minimal ab und liegen im Mittel an de mit Dieses Egebnis zeigt, dass unte Vewendung des Äquivalentadius die Beechnung von echteckigen Auflade-Queschnitten analog zu den ohfömigen efolgen kann. R =5,6 cm theoetisch beechneten Geaden.

74 7 ρ p [C/m³] 4,E-5 3,5E-5 3,E-5,5E-5,E-5 1,5E-5 1,E-5 5,E-6,E ΔU a [kv] c m =3 mg/m³ c n =, /m³ oh1 oh oh3 oh4 oh5 oh6 theo. =,5 m theo. =,56 m ρ p [C/m³] 8,E-5 7,E-5 6,E-5 5,E-5 4,E-5 3,E-5,E-5 1,E-5,E ΔU a [kv] c m =178 mg/m³ c n =7, /m³ oh1 oh oh3 oh4 oh5 oh6 theo. =,5 m theo. =,56 m Abbildung 6-1 Raumladungsdichte am Austitt aus dem Auflade. Gemessen an den Pobestellen oh1 oh6 bei 1 m³/h. Oben: Massenkonzentation 3 mg/m³, Anzahlkonzentation, /m³. Unten: Massenkonzentation 178 mg/m³, Anzahlkonzentation 7, /m³

75 ρ p [C/m³] 73 ρ p [C/m³] 4,E-5 3,5E-5 3,E-5,5E-5,E-5 1,5E-5 1,E-5 5,E-6,E ΔU a [kv] c m =3 mg/m³ c n =, /m³ oh oh3 theo. =,5 m theo. =,56 m 8,E-5 7,E-5 6,E-5 5,E-5 4,E-5 3,E-5,E-5 1,E-5,E ΔU a [kv] c m =178 mg/m³ c n =7, /m³ oh oh3 theo. =,5 m theo. =,56 m Abbildung 6- Raumladungsdichte am Austitt aus dem Auflade. Gemessen an den Pobestellen oh und oh3 bei 1 m³/h. Oben: Massenkonzentation 3 mg/m³, Anzahlkonzentation, /m³. Unten: Massenkonzentation 178 mg/m³, Anzahlkonzentation 7, /m³ oh3 oh oh4 oh1 oh5 Abbildung 6-3 Auflade-Queschnitt mit angebachten Messstellen oh6

76 n mittel [-] c nges [1/m³] Konzentation und mittlee Teilchenladung am Austitt aus dem Auflade. Vegleich mit dem Modell von Lübbet Aus den am Austitt aus dem Auflade gemessenen Patikelgößenveteilungen und Raumladungsdichten weden die Aeosolgesamtkonzentation und die mittlee Teilchenladung po Teilchen emittelt. In de Abbildung 6-4 weden die gemessenen Daten fü veschiedene Auflade-Betiebspaamete im Vegleich mit den nach dem Modell von Lübbet beechneten Daten gezeigt. Die Beechnung efolgt mit dem Äquivalentadius von 5,6 cm. Veglichen weden die Egebnisse fü ein niedigkonzentietes Aeosol (oben auf dem Bild) und ein hochkonzentietes Aeosol (unten auf dem Bild). 1 cm=3,8 mg/m³; cn=, /m³ 3,E+1 1,5E+1 n mittel [-] nmittel beechnet nmittel gemessen cges beechnet cges gemessen,e+1 1,5E+1 1,E+1 5,E+11 c nges [1/m³],E U a [kv] cm=178 mg/m³; cn=7, /m³ 7,E+13 6,E+13 5,E ,E ,E+13,E+13 cges beechnet cges gemessen 1,E+13,E U a [kv] nmittel beechnet nmittel gemessen Abbildung 6-4 Gemessene und nach dem Modell von Lübbet [Lüb11] beechnete Patikelgesamtkonzentationen und mittlee Teilchenladung bei unteschiedlichen Auflade- Spannungen. Rohadius,56 m; geechnet mit sechs Patikelklassen; Veweilzeit im Auflade,3 s; Einsatzspannung 11,3 kv

77 Rawcounts [1/cm³] 75 De Vegleich zeigt eine seh gute Übeeinstimmung von gemessenen und beechneten Weten sowohl fü das Quench- als auch fü das Übegangs-Regime des Auflades. 6.. Mobilitätsmessungen Ein ausfühliches Bild de Vogänge in de Kollektostufe kann duch die Messungen de Veteilung de elektischen Teilchenmobilität gewonnen weden (Kapitel 6.1.3). Die Messungen efolgen nach dem in de Abbildung 6-5 dagestellten Schema. Das Aeosol, das im Auflade positiv aufgeladen wid, wid unneutalisiet mit negativem DMA efasst. Aeosol Auflade (positiv) ARA-Kollekto Reingas DMA (negativ) CPC Abbildung 6-5 Messschema de Mobilitätsveteilungen Die gemessenen Mobilitätsveteilungen unteschiedlich konzentiete Aeosole vo und nach de ARA-Kollektostufe weden in de Abbildung 6-6 in doppellogaithmische Skalieung dagestellt. Insbesondee bei den Messungen von hochkonzentieten Aeosolen fällt auf, dass die Veteilungen, die nach dem Auflade und nach dem Kollekto emittelt wuden, im Beeich kleine elektische Mobilitäten (1-8 m²/v s) sich deutlich übeschneiden. Das weist auf die Entstehung wenig mobile Teilchen in de Kollekto-Stufe hin. Die Usache dafü können die Entladungen im Plattenpaket und die Aeosolselbstentladung sein. Weitee Untesuchungen hiezu weden im folgenden Kapitel dagestellt. 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 cm=3,8 mg/m³; cn=, /m³ Ia=4 ma; Ua=19,7 kv Ia= ma; Ua=16,9 kv Ia=1 ma; Ua=14,9 kv Ia=,5 ma; Ua=13,5 kv Ia=,3 ma; Ua=1,9 kv Ia=,1 ma; Ua=1 kv nach dem Auflade 1,E+3 1,E+ 1,E+1 nach dem ARA- Kollekto 1,E+ 1,E-9 1,E-8 1,E-7 1,E-6 Z p [m²/(v s)]

78 Rawcounts [1/cm³] 76 Rawcounts [1/cm³] 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+ 1,E+1 cm=3 mg/m³; cn=, /m³ Ia=4 ma; Ua=1,4 kv Ia= ma; Ua=18,6 kv Ia=1 ma; Ua=16,3 kv Ia=,5 ma; Ua=14,9 kv Ia=, ma; Ua=13,7 kv Ia=,1 ma; Ua=13,1 kv nach dem Auflade nach dem ARA- Kollekto 1,E+ 1,E-9 1,E-8 1,E-7 1,E-6 Z p [m²/(v s)] 1,E+8 cm=178 mg/m³; cn=7, /m³ 1,E+7 1,E+6 1,E+5 nach dem Auflade 1,E+4 1,E+3 1,E+ 1,E+1 Ia=4 ma; Ua=5 kv Ia= ma; Ua=1,9 kv Ia=1 ma; Ua=19,6 kv Ia=,5 ma; Ua=17,9 kv Ia=,3 ma; Ua=16,7 kv Ia=,1 ma; Ua=15 kv 1,E+ 1,E-9 1,E-8 1,E-7 1,E-6 Z p [m²/(v s)] nach dem ARA- Kollekto Abbildung 6-6 Mobilitätsveteilungen bei unteschiedlichen Rohgaskonzentationen. PFE- Spannung 5 kv; Volumenstom 1 m³/h 6..3 Untesuchungen zu den Entladungsvogängen im ARA-Kollekto Um die Usache fü das Entstehen von Teilchen mit geinge elektische Mobilität in de Kollektostufe zu finden, weden die in diesem Kapitel dagestellten Expeimente duchgefüht. De Vesuch wid nach dem in de Abbildung 6-7 dagestellten Messschema duchgefüht. Ein neutales Aeosol wid in das Plattenpaket geleitet, an dem die Spannung anliegt. Ewatet wid, dass beeits untehalb de Betiebsspannung zufällige Entladungen, die duch die Veschmutzungen begünstigt weden, zwischen den Elektoden aufteten und, wenn diese von de Niedeschlagselektode ausgehen, Teilchen umladen.

79 Rawcounts [1/(cm³ Patikelklasse)] 77 Neutales Aeosol ARA-Kollekto (negativ) Reingas DMA (negativ) CPC Abbildung 6-7 Messschema zu Beobachtung de Teilchenaufladung im Plattenpaket 4 3 Ufe=5 kv; Ua= kv Ufe= kv; Ua= kv Ufe=15 kv; Ua= kv 1 1,E-9 1,E-8 1,E-7 1,E-6 Z [m²/(v s)] Abbildung 6-8 Mobilitätsveteilung von Teilchen de zu PFE entgegen gesetzten Polaität am Austitt aus dem Plattenpaket. Plattenabstand 5 cm U PFE =15 kv) wid eine Teilchen- Beeits bei eine mittleen Feldstäke von 3 kv/cm ( aufladung an de Niedeschlagselektode beobachtet. Wid die Feldstäke ehöht (bis 4-5 kv/cm, Unteschied zwischen den Messungen bei 4 und 5 kv/cm wid duch die mit de Ehöhung von de Feldstäke steigende Teilchenabscheidung veusacht. U PFE =-5 kv), so steigt die Anzahl von geladenen Teilchen. De geinge Die Anzahl von gemessenen geladenen Teilchen ist insgesamt seh geing und liegt in diesem Fall bei,14-,4% de Patikelgesamtkonzentation. Dies zeigt, dass de Kollekto bei Voliegen eines neutales Aeosols nu wenig zu Teilchenentladung bzw. Umladung beitägt. Mit geladenen Aeosolen änden sich abe die Feldstäken auch im Kollekto duch den Beitag de Raumladung, und die Aeosolentladung kann zunehmen. Um das zu bestätigen, wid eine Reihe von Expeimenten nach dem in de Abbildung 6-9 dagestellten Schema duchgefüht. Ein negativ geladenes Aeosol wid in den geedeten ARA-Kollekto geleitet und die Mobilitätsveteilung positive Teilchen wid am Austitt aus dem Kollekto emittelt.

80 Rawcounts [1/(cm³ Patikelklasse)] 78 Aeosol Auflade (negativ) ARA-Kollekto (geedet) Reingas DMA (negativ) CPC Abbildung 6-9 Messschema zu Untesuchung de Aeosolselbstentladung in de ARA-Stufe Die Egebnisse de Messung sind in de Abbildung 6-3 dagestellt. Eine goße Anzahl von umgeladenen Patikeln wude gemessen (ca. 4% de Patikelgesamtkonzentation). 9,E+4 6,E+4 Veteile ohne Kantenschutz Veteile mit Kantenschutz 3,E+4,E+ 1,E-9 1,E-8 1,E-7 1,E-6 Z p [m²/(v s)] Abbildung 6-3 Mobilitätsveteilung positive Teilchen am Austitt aus dem geedeten Plattenpaket bei negative Aufladung. Teilchenaumladungsdichte 5 µc/m³ Die positiven Teilchen entstehen eventuell in de Kollektoelektode, die einen goßen Queschnitt hat. Die eingebauten Stömungsveteile haben elativ schafe Kanten, an denen die Aeosol-Selbstentladung entstehen kann. Um diesen eventuellen Entladungsvogang zu hinden, wid an die Blechkanten des Veteiles ein aus isolieendem Kunststoff bestehende Kantenschutz angebacht. Danach ist eine stake Reduzieung de Selbstentladung zu sehen (Abbildung 6-3). Im weiteen Vesuchsvelauf wid die Selbstentladung duch einen vebesseten Kantenschutz bis zu eine Betiebsspannung von 3 kv vollständig untedückt Emittlung de Tennkuven Die Untesuchungen zu Patikelabscheidung efolgten nach dem in de Abbildung 6-31 dagestellten Schema. Die Patikelgößenveteilungen wuden am Austitt aus de ARA- Anlage gemessen. Die Rohgasmessung wude bei U = kv duchgefüht. Die Betiebsspannung de PFE wude mittels Entladestecke auf 6 kv eingestellt. U a = kv und PFE Die Tennkuven fü veschiedene Auflade-Betiebspaamete und die Patikelgößenveteilungen im Rohgas sind in de Abbildung 6-3 dagestellt. Die Messungen haben hohe Abscheidegade gezeigt, die im gesamten Patikelgößenbeeich übe 99,5% liegen. Kein Einfluss de Aufladepolaität wude festgestellt.

81 N [1/(cm³ Patikelklasse)] 79 Aeosol Auflade (p. und n.) ARA-Kollekto Reingas Neutalisato (K 85) DMA (negativ) CPC Abbildung 6-31 Messschema de Patikelgößenveteilungen im Roh- und Reingas 1 14 ηt [-],995,99,985,98,975 Auflade positiv N [(1/cm³ Patikelklasse)], d p [nm] Ia=4 ma; Ua=3,6 kv; Upfe=6 kv Ia= ma; Ua=1,4 kv; Upfe=6 kv Ia=1 ma; Ua=19,9 kv; Upfe=6 kv Ia=,7 ma; Ua=19,3 kv; Upfe=6 kv Ia=,5 ma; Ua=18,5 kv; Upfe=6 kv Ia=,3 ma; Ua=17,8 kv; Upfe=6 kv Ia=,1 ma; Ua=15,6 kv; Upfe=6 kv Rohgas vedünnt 1, ηt [-],99,985,98 Auflade negativ ,975, d p [nm] Ia=4 ma; Ua=3,6 kv; Upfe=6 kv Ia=1 ma; Ua=19,9 kv; Upfe=6 kv Ia=,5 ma; Ua=18,5 kv; Upfe=6 kv Ia=,1 ma; Ua=15,6 kv; Upfe=6 kv Ia= ma; Ua=1,4 kv; Upfe=6 kv Ia=,7 ma; Ua=19,3 kv; Upfe=6 kv Ia=,3 ma; Ua=17,8 kv; Upfe=6 kv Rohgas vedünnt Abbildung 6-3 Tennkuven. Gemessen bei veschiedenen Auflade-Polaitäten. Volumenstom 1 m³/h, Massenkonzentation 178 mg/m³, Anzahlkonzentation 7, /m³

82 8 De massenbezogene Gesamtabscheidegad und die Patikelemission im Reingas sind in de Abbildung 6-33 als Funktion des volumenbezogenen Enegievebauches dagestellt. Die Patikelemission nimmt mit de Ehöhung des Enegiebedafs exponentiell ab. Ein seh hohe Abscheidegad von übe 99,5% wude beeits bei einem Enegievebauch von J/m³ (,3 ma; 17,8 kv) ezielt. Die weitee Ehöhung des Enegieeintages bingt keine Vebesseung de Abscheideleistung. Die Usache dafü sind Entladungen im Plattenpaket de.stufe. c m [mg/m³] 4 3 1,995,99,985, P [J/m³] Massenkonz. Abscheidegad (massenbezogen) 1 η m [-] Abbildung 6-33 Massenkonzentation im Reingas und massenbezogene Abscheidegad als Funktion des spezifischen Enegievebauchs. Massenkonzentation im Rohgas 178 mg/m³, Anzahlkonzentation im Rohgas 7, /m³ 6..5 Untesuchungen zum Übeschlag im Plattenpaket bei einem unkontollieten Feldaufbau De Velauf des elektischen Potentials de potentialfeien Elektode bei de aus de Schaltung heausgenommenen Entladungs-Kaskade ist de Abbildung 6-34 dagestellt. Bei positive Polaität de PFE fühte die unkontolliete Aufladung, wie ewatet, zu einem Übeschlag (bei etwa 34 kv). Bei negative Aufladepolaität stieg die Spannung dagegen nu bis 6 kv und velief schwankend weite, ohne die Duchbuchsspannung zu eeichen.

83 81 UPFE[kV] Übeschlag PFE positiv PFE negativ t [s] Abbildung 6-34 Velauf de Betiebsspannung de PFE bei unteschiedlichen Aufladepolaitäten. Bei de negativen Polaität (gaue Linie) wude keine Übeschlagsspannung eeicht Die anschließende Messung von Stom-Spannungskennlinien des Plattenpakets (Abbildung 6-35) zeigt einen deutlich höheen Stomfluss bei negative Aufladepolaität. Die visuelle Beobachtung hat gezeigt, dass die Entladung an den Abtopfstellen in de Fom eines Elektospays stattfindet. Bei de negativen Elektospaypolaität setzt die Entladung bei viel niedigeen Feldstäken ein. I [µa] PFE positiv PFE negativ U PFE [kv] Abbildung 6-35 I-U-Kennlinien de potentialfeien Elektode Beim manuellen Anlegen von de Spannung wude de Übeschlag bei ca. 34 kv ezeugt, unabhängig von Spannungspolaität. Die Beobachtung hat gezeigt, dass de Übeschlag, wie ewatet, an den Stellen mit de engsten Gassenbeite auftitt. Aufgund von nicht genau definieten Plattenabständen, die z.t. knapp übe 3 cm waen, kann die eeichte Übeschlags- Feldstäke als ca. 1 kv/cm eingeschätzt weden.

84 Potentialvelauf de PFE nach dem Abschalten des Auflades Zu Beuteilung de Isolationsqualität wid ein Vesuch zu Beobachtung des Potentialvelaufes de PFE bei einem evtl. Konzentationsabfall und dem anschließenden Zusammenbuch de Aufladung de PFE duchgefüht. Wähend des Anlagenstillstandes wid die PFE manuell auf Spannung gelegt und das PFE-Potential wid gemessen, siehe Abbildung U [kv] t [h] Abbildung 6-36 Entladung de PFE nach dem Betiebsabbuch De steile Abfall von Spannung wähend de esten Stunde nach dem Abbuch des Betiebs weist auf die Entladungsstöme zwischen de PFE und NE hin. Diese Entladungen sind seh schwach und entstehen übewiegend auf den veuneinigten Elektodenobeflächen und an den Abtopfstellen. Im Weiteen ist ein flachee (vemutlich exponentielle) Abfall zu beobachten, de hauptsächlich duch Kiechstöme auf den Isolatoobeflächen veusacht wid. Aus dem Velauf ist zu sehen, dass einige Stunden nach dem Betiebsabbuch hohe elektische Potentiale auf de PFE vohanden sind. Dies stellt in de Vebindung mit goße elektische Kapazität de Elektode fü das technische Pesonal ein Sicheheitsisiko da, das späte beim Entwuf de Industieanlage behoben weden muss Messung de Ozonkonzentation Die Ozonmessung efolgt mit einem Geät de Fa. Däge, Modell Polyton-, ausgestattet mit einem O 3 -Senso bei einem Volumenstom von 1 m³/h ohne Aeosol. Die Messung wid am Austitt aus dem Auflade duchgefüht. Die Egebnisse de Messung sind in de Abbildung 6-37 dagestellt. De MAK-Genzwet von,1 ppm wid bei negative Aufladepolaität beeits bei einem Stom von 1,8 ma übeschitten. Bei positive Aufladepolaität liegen Ozonwete im gesamten Beeich untehalb vom MAK-Genzwet.

85 83 O 3 [ppm],7,6,5,4,3,,1 neg Coona pos Coona Genzwet I [ma] Abbildung 6-37 Ozonkonzentation bei positive und negative Aufladepolaität. Gemessen hinte dem Auflade ohne Aeosol, bei 1 m³/h. Dahtadius,5 mm, Abstand Daht- Wand 5 cm; Dahtlänge 6,4 m 6.3 Zusammenfassende Bewetung de Messegebnisse Das ARA-Pinzip wude auf de Basis eine goßen Laboanlage mit Duchsatz bis 1 m³/h ealisiet und mit Aeosolen hohe Konzentationen von bis zu 7, /m³ getestet. Hohe Gesamtabscheidegade von übe 99,5% wuden beeits bei einem seh geingen spezifischen Enegievebauch von J/m³ ezielt. Mittels stomgesteuete Aufladeegelung wude de Betieb bei schwankenden Aeosolkonzentationen ealisiet und Voteile wie eine niedige Ozon-poduktion und enegieeffiziente Abscheidung wuden geliefet. Auch bei seh kleinen Rohgaskonzentationen (bis 3,8 mg/m³) wude die Aufladung de PFE gewähleistet. Fü die Beechnung des Aeosolzustandes am Austitt aus dem Auflade hat sich das Modell von Lübbet fü den gequenchten Elektoabscheide als seh gut ewiesen. Fü den echteckigen Auflade-Queschnitt wude unte Vewendung des Äquivalentadius eine gute Übeeinstimmung de beechneten und gemessenen Patikelkonzentationen und mittlee Teilchenladung ezielt, auch bei seh geingen Aeosolkonzentationen (im Übegangsbeeich). Anhand diese Paamete ließ sich die Aufladezeit de PFE echt gut abschätzen. Die Emittlung von Veteilungen de elektischen Teilchenbeweglichkeit vo und nach dem Kollekto liefet ein ausfühliches Bild zu den Vogängen in de Anlage und lässt Pobleme wie Aeosol-Selbstentladung und Elektodenveschmutzung ekennen. Mit positive Aufladepolaität wuden höhee Feldstäken im Kollekto ezielt. Duch den Einsatz de Coona-Kaskade wude eine kontolliete Aufladung de PFE ealisiet. Duch den Einsatz von gespülten Glasisolatoen wude eine gute Isolieung de PFE gewähleistet. Hohe elektische Potentiale wuden noch mehee Stunden nach dem Abschalten des Auflades an de PFE gemessen. Die Labountesuchungen haben gezeigt, dass das ARA-Pinzip sich seh gut fü den beabsichtigten Einsatzbeeich Abscheidung von hochkonzentieten flüssigen Aeosolen - eignet. De Enegiebedaf de Abscheidung ist dabei um Gößenodnungen niedige als bei konventionellen Elektoabscheiden.

86 84 7 Weitee Untesuchungen zu Aeosolselbstentladung Im Kapitel 6 wude beeits die Poblematik de Aeosolselbstentladung aufgezeigt und auch wähend de Untesuchungen an de ARA-Laboanlage expeimentell beobachtet. Zu vetieften Untesuchung de Aeosolselbstentladung und ihe Wikung auf den Abscheidepozess wid eine zusätzliche Reihe von Expeimenten duchgefüht. Ein hoch geladenes Aeosol wid in einen goßäumigen Behälte geleitet. Die Selbstentladung wid an veschiedenen Oten des Behältes duch das Einsetzen eine geedeten Nadelelektode hevogeufen. De Einfluss de Selbstentladung auf den Velauf de Raumladungsdichte im Behälte und die Entladungsfom an de Spitze weden dabei beobachtet. Hintegund Wenn ein geladenes Aeosol sich in einem Volumen befindet, z.b. duch eine ohfömige Leitung stömt, ist die vom Aeosol ezeugte Feldstäke popotional zum Radius de Leitung (Gl. -7). Bei goßen Radien können an den Wänden de Leitung Feldstäken eeicht weden, die fü eine Gasionisation auseichen. So beobachtete Higashiyama in seinen Untesuchungen [Hig1, Hig7] die Entladungen, die duch das Einfühen geedete Elektoden in eine Wolke von geladenen Teilchen hevogeufen wuden. Boschung et al. vesuchten eine blitzatige Entladung in einem mit geladenem Staub gefüllten 6 m³-goßen Behälte zu ezeugen, de Vesuch scheitete abe wegen de elativ niedigen Raumladungsdichten im Behälte (ca.,66 µc/m³) und wegen de wähend des Expeiments auftetenden Selbstentladung [Bos77]. Weitee Infomationen zu Bildung ähnliche blitzatige Entladungen in de Natu sind in [Ha11, Ale8] zu finden. Solche Gasentladungen fühen zum Abbau de Netto-Raumladung duch Umladung und Entladung von geladenen Teilchen. In de Folge füht das bei zweistufigen Elektoabscheiden zu Duchstömung de Kollekto-Stufe duch diese Teilchen. Die Veluste von Raumladung wüden in de ARA-Anlage auch zu Velangsamung de Aufladung de PFE fühen. In einem konventionellen Raumladungsabscheide hätte de stake Velust von Raumladungsdichte den Zusammenbuch de Patikelgesamtabscheidung zu Folge, da mit dem Abbau de Netto-Raumladung auch die fü die Patikelabscheidung notwendige Feldstäke stak abfällt. Die Selbstentladung des Aeosols wid duch die Anwesenheit von Veschmutzungen und schafen Elektoden-Geometien (z.b. Kanten und Ecken) begünstigt. Das soll bei de Auslegung de Vebindungsleitung zwischen de 1.Stufe und.stufe beücksichtigt weden. Wenn die Leitungsgeometie vogegeben ist (z.b. bei de Nachüstung eine bestehenden Anlage mit ARA-Stufe), füht die daduch begenzte Raumladungsdichte zu Limitieung de maximalen mittleen Teilchenladung am Austitt aus dem Auflade: n max E e L Übeschlag c, 7-1 mit Konzentation c [1/m³], Leitungsadius L [m] und E Übeschlag - limitieende Feldstäke an de Leitungs-Wand [V/m]. Wegen de damit vebundenen Veingeung de elektischen Mobilität de Teilchen wüden gößee Veweilzeiten in de nachfolgenden Kollektostufe benötigt. Die Selbstentladung kann vemieden weden, indem goße feie Queschnitte mit eine leitfähigen Schüttung gefüllt weden ode Leitungsausweitungen vemieden weden.

87 Vesuchsaufbau zu Untesuchung de Aeosolselbstentladung De Vesuchsaufbau besteht aus einem Aeosolgeneato (analog zum Kapitel 6), einem Auflade und einem zylindischen Behälte, siehe Abbildung 7-1. De Behälte besteht aus sechs Segmenten, die jeweils eine Höhe von 35 mm und einen Duchmesse von 6 mm haben. Das Gesamtvolumen des Behältes ist 396 l. Bei einem Volumenstom von 5 m³/h egibt sich eine Veweilzeit von,85 s. Das Aeosol stömt seitlich in das untee Segment ein. Die einzelnen Behältesegmente sind voneinande elektisch isoliet, de elektische Stom wid sepaat übe einen 1 kω-messwidestand von einzelnen Segmenten efasst. Die Pobenahme-Stellen weden an die Rohleitung am Eintitt in den Behälte, an die Behälte-Segmente und an die Rohleitung am Austitt aus dem Behälte angebacht und mit P1 bis P6 entspechend de Abbildung makiet. Fü die Aeosolmessung weden das SMPS und de Keislaufvedünne (analog zu den Kapiteln und 6.1.3) eingesetzt. Die Raumladungsdichte wid mit dem adioaktiven Faaday-Cup- Elektomete efasst. Das Aeosol wid im Auflade ( eine Veweilzeit von,8 s hat, und mit Spannungen von bis 35 kv betieben wid, aufgeladen. Die den Betiebsspannungen entspechende Patikelgesamtkonzentationen am Austitt aus dem Auflade, die Raumladungsdichten und die daaus beechneten mittleen Teilchenladungen weden in de und Tabelle dagestellt. Die Gesamtkonzentation wude anhand de Gleichung 6-5 koigiet. Die Patikelgößenveteilungen sind in de Abbildung 7- gezeigt. R =15 mm; D =,5 mm; L =,3 m; U E =11,85 kv), de U Auflade [kv] ρ p [µc/m³] c ges [1/m³] n mittel [-] 1, ,7 1, ,1 5 77,5 1, ,4 3 9,4 1, , 35 15,1 7, , Tabelle Raumladungsdichte, Patikelgesamtkonzentation und mittlee Teilchenladung bei veschiedenen Aufladespannungen. Gemessen bei P1

88 86 Aeosol Auslass P6 Elektische Isolieung P5 P4 P3 Auflade Nadel P Oszilloskop HV Aeosol Einlass P1 1 kω Abbildung 7-1 Vesuchsaufbau zu Beobachtung de Aeosolselbstentladung N [1/(cm³ Patikelklasse)] 6,E+6 5,E+6 4,E+6 3,E+6,E+6 1,E+6 kv kv 5 kv 3 kv 35 kv,e d p [nm] Abbildung 7- Patikelgößenveteilungen bei veschiedenen Aufladespannungen. Gemessen bei P6 7. Nachweis von Selbstentladung De Nachweis von Selbstentladung efolgt nach dem in de Abbildung 7-3 dagestellten Schema. Die Patikeln mit de zum Auflade entgegengesetzten Polaität weden unneutalisiet mit einem DMA efasst. Die Messungen haben gezeigt, dass beeits bei - kv Aufladespannung und Raumladungsdichte von 5,7 µc/m³ positive Teilchen voliegen, siehe Abbildung 7-4. Mit steigende

89 87 Spannung eduziet sich wegen de vestäkten bipolaen Agglomeation die Anzahl von positiven Teilchen. Aeosol Auflade (negativ) Behälte mit Nadel (geedet) Reingas DMA (negativ) CPC Abbildung 7-3 Messschema zum Nachweis von Selbstentladung Abbildung 7-4 Mobilitätsveteilung positive Teilchen bei negative Aufladung. Messstelle P6. Volumenstom 5 m³/h 7.3 Einfluss auf die elektostatische Dispesion Zu Beobachtung des Einflusses von Selbstentladung auf die Raumladungsabscheidung im Behälte wuden die elektischen Stöme von den einzelnen Behältewandsegmenten gemessen. Die gemessenen Wete (nummeiet entspechend den Messstellen P-P5) mit und ohne Selbstentladung sind in de Abbildung 7-5 dagestellt. Eine deutliche Reduzieung de duch Raumladungsabscheidung bedingten elektischen Stöme wid im Fall des Auftetens von Selbstentladung beobachtet. Die Nadelposition ist in de Mitte des.segments.

90 88 I [µa] 1,4 1, 1,8,6,4, ρ=5,7 µc/m³ ohne Selbstentladung ρ=5,7 µc/m³ mit Selbstentladung ρ=15,1 µc/m³ ohne Selbstentladung ρ=15,1 µc/m³ mit Selbstentladung Segmentnumme Abbildung 7-5 Elektische Stöme von einzelnen Behältesegmenten, veusacht duch elektostatische Dispesion. Spitze in de Behältemitte 7.4 Elektohydodynamische Stömung duch Selbstentladung Da die genaue Messung de Raumladungsdichte im Inneen des Behältes nicht möglich ist (eine duch die glatte Behältewand eingefühte Sonde wüde wie eine Spitze wiken und kann die Selbstentladung und vestäkte Teilchenabscheidung hevoufen), wid die Raumladungsdichte zuest nu an de Behältewand gemessen, siehe Abbildung 7-6. ρp [µc/m³] ohne Selbstentladung mit Selbstentladung Messpunkt Abbildung 7-6 Raumladungsdichte an de Behältewand, gemessen an den Messstellen P- P6. Spitze in de Behältemitte Das Egebnis zeigt einen unewatet ähnlichen Velauf von gemessenen Raumladungsdichten in den Fällen mit und ohne Selbstentladung, was dem gemessenen Einfluss auf die elektostatische Dispesion widespicht. Um diese Unstimmigkeit genaue zu untesuchen, wid eine Messung de Raumladungsdichte an de Pobenamestelle P6 duchgefüht. De kleine Rohqueschnitt ( =7,5 cm) elaubt an diese Stelle das Einfühen de Messsonde in das Roh, ohne das Egebnis dabei zu vefälschen. Die gemessenen Raumladungsdichten übe den Rohadius sind in de Abbildung 7-7 dagestellt. Das Egebnis zeigt eine homogene

91 89 Raumladungsveteilung im Roh bei dem Vesuch ohne Nadelelektode (keine Selbstentladung). Mit de in de Behältemitte installieten Nadelelektode wid eine deutliche Reduzieung de Raumladung in de Rohmitte festgestellt. Bei de Selbstentladung wid offenba die Raumladungsdichte nahe de Nadel eduziet. Das füht dazu, dass de in de Mitte des Behältes gebildete Raum mit neutalisietem und entladenem Aeosol von einem Ringaum mit hoch geladenem Aeosol umgeben ist. Diese Veteilung ist stabil und eeicht die Pobenahme-Stelle P6. Wid die Nadelelektode an de Vode- ode Hintewand des Behältes installiet, so weden ähnliche, abe etwas wenige ausgepägte Raumladungsdichtepofile bei P6 gemessen. Die Nadelposition an de Behältewand füht zu eine exzentischen Raumladungsveteilung und veusacht eine Vemischung des Aeosols im Behälte, siehe Abbildung 7-8. Abbildung 7-7 Veteilung de Raumladungsdichte übe den Rohqueschnitt. Gemessen an P6 Nadel Behälte Abbildung 7-8 Entstehung de EHD-Stömung bei eine exzentischen Raumladungsveteilung im Behälte

92 9 7.5 Entladungsvelauf Zu Beobachtung des Entladungsvelaufs wid de Stom an de Nadel-Elektode mit einem Oszilloskop efasst. De Velauf fü beide Aeosolpolaitäten ist in de Abbildung 7-9 dagestellt. Die Entladung veläuft impulsatig. Die Impulsfequenz ist übe 3 khz. Die Stompeaks eeichen bis 6 µa. De gleiche Velauf wid fü beide Aufladepolaitäten beobachtet, die einzelnen Impulse sind im Vegleich in de Abbildung 7-1 dagestellt. 8 6 positives Aeosol negatives Aeosol I [µa] 4,,4,6,8 1 t [ms] Abbildung 7-9 Zeitliche Velauf de Selbstentladung an de Spitze fü ein positiv und negativ geladenes Aeosol. Gemessen übe 1 kω Messwidestand I [µa] positives Aeosol negatives Aeosol,1,,3 t [ms] Abbildung 7-1 Vegleich de einzelnen Entladungspiks beim positiv und negativ geladenen Aeosol. Gemessen übe 1 kω Messwidestand Wähend eines Impulses fließt die Ladungsmenge von etwa,5 nc. Bei eine Raumladungsdichte in de Umgebung de Nadel-Elektode von 53 µc/m³ (emittelt mit Gleichung 6-5) ist das wähend des einzelnen Impulses entladene Aeosolvolumen gleich 9,4 cm³. Das neutalisiete Volumen ist auf den esten Blick seh klein, füht abe aufgund de hohen Entladungsfequenz in den Gesamtabbau von Netto-Raumladung von 5 %. Die Veschiebung des Gases wähend de Impulsdaue von,3 ms betägt nu 4 µm, abe die Entladung dingt offenba totzdem weit in das Aeosolvolumen ein.

93 91 Unte Annahme de Selbstentladungs-Spannung von kv lässt sich eine Enegie von,1 mj po Impuls abschätzen. Diese Wet liegt im Beeich de Mindestzündenegie von extem zündempfindlichen Stäuben (<3 mj). 7.6 Fazit Die Selbstentladung ist ein unewünschte Effekt, de in vielen mehstufigen Elektoabscheide-Aufbauten aufteten kann und einen signifikanten Velust de Abscheideleistung veusachen kann. Insbesondee gefähdet sind Raumladungsabscheide und mehstufige Abscheide, die bei hohen Aeosol-Konzentationen eingesetzt weden. Die Untesuchung hat gezeigt, dass die Entladung impulsatig mit eine Fequenz von übe 3 khz veläuft. De Velauf ist polaitätsunabhängig. De wähend de Selbstentladung veusachte Velust de Netto-Raumladungsdichte füht zu dastischen Velangsamung de elektostatischen Dispesion. Die wähend de Selbstentladung gebildeten Ungleichmäßigkeiten de Raumladungsdichte- Veteilung können zu Bildung von EHD-Stömungen fühen.

94 9 8 ARA-Pototyp Anhand de wähend de Labountesuchungen gewonnenen Ekenntnisse wude in Zusammenabeit mit de Fima Kelle-Lufttechnik GmbH ein Pototyp de ARA-Anlage entwickelt und dem LS MVT zu Epobung beeitgestellt. De ARA-Pototyp wid in de Abbildung 8-1 schematisch dagestellt. Die technischen Daten des Pototyps sind im Vegleich mit denen de Laboanlage in de Tabelle 3 dagestellt. Insgesamt wude duch die Veingeung des Elektodenabstandes im Plattenpaket, duch die Veingeung des feldfeien Ladungskollektobeeiches und die Veingeung de Aufladegöße ein deutlich kompaktee Aufbau ezielt. Paamete Laboanlage Pototyp Auflade VWZ im Auflade,3 s,15 s Anzahl de Kanäle im Auflade 4 7 Aufladelänge 1,6 m,6 m Aufladeadius Rechteckig, a=,1 m Rechteckig, a=,1 m Dahtadius,5 mm,5 mm ARA-Kollekto VWZ im Kollekto 6 s s Gesamtfläche de NE 1 m² 1,57 m² Elektodenabstand 5 cm cm Duchstömungsgeschwindigketi,4 m/s,36 m/s SCA 75 m²/m³/s 77,65 m²/m³/s El. Kapazität de PFE 5,3 nf 1,4 nf (bei mm Plattendicke) Tabelle 3 Technische Paamete de ARA-Laboanlage und des ARA-Pototyps im Vegleich Das Abgas gelangt duch eine Rohleitung in den Auflade. Am Eintitt in den Auflade befindet sich als Spänevoabscheide eine Dahtgestick-Kassette, die zu Abscheidung von goben Teilchen (wie Spänen und andeen Poduktionsesten) dient und den Veuneinigungen de Elektodenobeflächen vobeugt. Die Kassette lässt sich leicht ausbauen und einigen. De Auflade besteht aus 7 echteckigen paallel geschalteten Kanälen ( a =1 cm), in denen die Spühdähte ( s. Die Einstömung in die ARA-Stufe efolgt übe ein Lochblech, das die Funktion eines Stömungsveteiles hat und austauschba ist. Die zweite Funktion des Lochbleches ist die Teilung des Leevolumens und somit das Vobeugen von Aeosol-Selbstentladung. D =,5 mm) gespannt weden. Die Veweilzeit im Auflade betägt,151

95 93 Abbildung 8-1 Pototyp ARA fü 1 m³/h. Hestelle: Fa. Kelle-Lufttechnik GmbH Die Abscheidung des geladenen Aeosols findet im Plattenpaket statt, das aus abwechselnd angeodneten potentialfeien und Niedeschlagselektoden besteht (siehe Abbildung 8-). De Plattenabstand betägt mm. Aus Sicheheitsgünden wid das Plattenpaket mit zwei Kontakten vesehen, die beim Öffnen de Tü die PFE entladen. PFE-Entladungskontakte Abbildung 8- Aufbau des Plattenpakets Die Niedeschlagselektode und die potentialfeie Elektode sind einzeln in de Abbildung 8-3 dagestellt. Die Öffnungen dienen de Duchfühung von Elektoden-Befestigungsstangen und haben eine Topfen-Fom, um den kontinuielichen Abfluss des abgeschiedenen Aeosols zu

96 94 gewähleisten. Die untee Seite de Niedeschlagselektoden hat einen deieckigen Ausschnitt, um die abgeschiedene Flüssigkeit zu den Wänden abfließen zu lassen und das Abtopfen im E-Feld zu vehinden. Gleichzeitig wid duch die Veküzung de Niedeschlagselektode de feldfeie Beeich gebildet, de de Aufladung de PFE dient und die Funktion de Ladungs- Kollektoelektode hat (siehe zum Kapitel 5.3.1). Die feistehenden Ecken de PFE weden abgeundet, um hohe lokale Feldstäken zu vemeiden. Fü die Anodnung de Elektoden siehe auch Anhang 1.3. Abbildung 8-3 Elektoden-Platten im Detail. Links: Niedeschlagselektode, echts: potentialfeie Elektode Die elektische Isolation de potentialfeien Elektodenanodnung wid auf de Basis von Isolatoen aus Polyamid ealisiet, siehe Abbildung 8-4. Ein Isolatoteil (links auf dem Bild) wid duch das Außengehäuse des Plattenpakets duchgefüht und in das andee Isolatoteil (echts auf dem Bild) aufgesteckt. Duch die Öffnung in de Mitte wid die Gewindestange duchgefüht und befestigt. Gehäuse PFE Abbildung 8-4 Polyamid-Isolatoen und ih Montage-Schema

97 I [ma] 95 Am Austitt aus de Anlage wid als Sicheheitsmaßnahme ein Schwebstofffilte eingebaut, de bei einem Ausfall de Anlage die Emissionen vehinden soll. Die Spannungsvesogung wid auf de Basis eines Hochspannungsmoduls ealisiet, das mit konstante Spannung von kv abeitet. De Abtanspot des abgeschiedenen Öls efolgt mit eine Schlauchpumpe, die am Boden de Anlage installiet wid. Das elektische Potential de PFE wid mit einem Feldstäkemessgeät efasst und übewacht. De Volumenstom bis 15 m³/h wid mittels eines Radialventilatos (1,5 kw) mit Fequenzumichte gefödet. 8.1 Die Inbetiebnahme des ARA-Pototyps. Untesuchungen im Labo De ARA-Pototyp wude im Labo in Betieb genommen. Wähend de Inbetiebnahme wuden alle wichtigen Anlagenkomponenten auf die ichtige Funktion übepüft und Expeimente zu Bestimmung de Abscheideeffizienz wuden duchgefüht Messungen am Auflade Die gemessenen Stom-Spannungskennlinien des Auflades im Leelauf weden in de Abbildung 8-5 dagestellt. Die Einsatzspannung liegt bei 11,3 kv. 4 3 pos neg U [kv] Abbildung 8-5 Stom-Spannungskennlinien des Auflades im Leelauf. Volumenstom 1 m³/h Zu Übepüfung de Funktionsweise einzelne Auflade-Kanäle wude die Raumladungsdichte am Austitt des jeweiligen Kanals emittelt. Die gemessenen Wete sind nahezu gleichveteilt, siehe Abbildung 8-6.

98 96 ρ p [µc/m³] Ia=,5 ma; Ua=18,6 kv Ia=1 ma; Ua=,5 kv Auflade-Segment Abbildung 8-6 Raumladungsdichte am Austitt des Auflades bei veschiedenen Betiebspaameten. Volumenstom 1 m³/h, Massenkonzentation 15 mg/m³ 8.1. Messungen am ARA-Kollekto Im Rahmen de Labountesuchungen wuden zwei Ausfühungen des Elektoden- Plattenpakets mit veschiedenen Stäken de Elektoden epobt, fü die technischen Details siehe Tabelle 4. Plattenpacket N. 1 N. Elektodendicke,5 mm mm Anzahl de PFE 19 Anzahl de NE Gesamtfläche von NE,7 m² 1,57 m² Tabelle 4 Technische Paamete von epobten Plattenpaketen Die gemessenen Stom-Spannungskennlinien beide Plattenpakete sind in de Abbildung 8-7 dagestellt. Die Kennlinien wuden vo de Inbetiebnahme und nach zwei Tagen des Betiebs aufgenommen. Wähend des Betiebes wude duch das abwechselnde Anlegen de Hochspannung die Abscheidung sowohl an den Niedeschlagselektoden als auch an Feldelektoden ezielt. Es wid eine deutliche Mindeung des elektischen Stomes duch die Bildung eines Ölfilms auf den Elektodenobeflächen im Laufe des Betiebs festgestellt.

99 I [µa] I [µa] pos neg pos nach Tagen neg nach Tagen Elektodendicke,5 mm U [kv] pos neg pos nach Tagen neg nach Tagen Elektodendicke mm U [kv] Abbildung 8-7 Ändeung von Stom-Spannungskennlinien des Plattenpakets nach einem zweitägigen Betieb Aus den Stom-Spannungskuven ist es esichtlich, dass die Einsatzspannung bei mm Elektodendicke etwas höhe liegt, als bei de,5 mm Ausfühung. Die Messungen des Velaufes des elektischen Potentials de PFE haben einen seh instabilen Velauf de Betiebsspannung des Plattenpakets mit,5 mm Elektodenstäke gezeigt, siehe Abbildung 8-8. Diese Velauf wid evtl. duch das Abtopfen von abgeschiedenem Öl veusacht. Bei dem Elektoden-Paket mit mm Blechstäke wude kein Einfluss des Abtopfens festgestellt. Dieses Paket wude fü die Duchfühung weitee Vesuche ausgewählt.

100 98 UPFE [kv] t [s] Abbildung 8-8 Velauf des elektischen Potentials de PFE bei de Aufladung und im Laufe des Betiebs.,5 mm-ausfühung des Plattenpakets. Einsatzspannung de Entladestecke 9,5 kv Die gemessenen Aufladegeschwindigkeiten bei dem mm-plattenpaket bei veschiedenen Aeosolkonzentationen sind in de Abbildung 8-9 dagestellt. De Potentialanstieg ist nicht linea und wid mit steigende Spannung langsame. Als Usache dafü kann de Einfluss des PFE-Potentials auf die Einstömung in den Ladungskollekto, auf die ehöhte Teilchenabscheidung am Stömungs-veteile und auf die ehöhten Ladungsveluste übe Isolato- Obeflächen sein cm=18 mg/m³ Ia=1 ma; Ua=3,3 kv Ia=,5 ma; Ua=,75 kv 1 Ia=,3 ma; Ua=19,3 kv t [s] UPFE [kv] UPFE [kv] 9 8 cm=8 mg/m³ Ia=1 ma; Ua=,3 kv Ia=,5 ma; Ua=18,1 kv 1 Ia=,3 ma; Ua=16,7 kv t [s] Abbildung 8-9 Aufladung de PFE bei veschiedenen Aufladepaameten. Plattendicke mm, Einsatzspannung de Entladestecke 8,5 kv Bei niedige Aeosolkonzentation von 8 mg/m³ dauet die Aufladung etwa doppelt so lange als im Fall eines hochkonzentieten Aeosols (18 mg/m³). Das Betiebspotential wid innehalb von 1- Minuten eeicht.

101 ηt[-] N [1/(cm³ Patikelklasse)] Messung de Tennkuven Die Messungen von Tennkuven efolgten mit einem SMPS und dem im Kapitel dagestellten Vedünnungssystem am Austitt aus de Anlage. Wähend de Messungen wid de Schwebstofffilte ausgebaut. Die Egebnisse sind in Abbildung 8-1 gezeigt. Insgesamt wid eine Abscheideleistung analog zu ARA-Laboanlage beobachtet. Es weden Abscheidegade von bis zu 99,9 Pozent übe den gesamten Patikelgößenbeeich gemessen. 1 c m =8 mg/m³,e+4 ηt[-],99,98,97,96 Ia=1 ma; Ua= kv; Upfe=1 kv Ia=,5 ma; Ua=18 kv; Upfe=1 kv Ia=,3 ma; Ua=16,7 kv; Upfe=1 kv Ia=1 ma; Ua= kv; Upfe=8,5 kv Ia=,5 ma; Ua=18 kv; Upfe=8,5 kv Ia=,3 ma; Ua=16,7 kv; Upfe=8,5 kv Rohgas, vedünnt 1,6E+4 1,E+4 8,E+3 4,E+3,95,E dp [nm] N [1/(cm³ Patikelklasse)] 1,99 c m =18 mg/m³,e+4 1,6E+4,98 1,E+4,97 Ia=1 ma; Ua=3,5 kv; Upfe=1 kv Ia=,5 ma; Ua=,6 kv; Upfe=1 kv 8,E+3 Ia=,3 ma; Ua=19,6 kv; Upfe=1 kv,96 Ia=1 ma; Ua=3,5 kv; Upfe=8,5 kv Ia=,5 ma; Ua=,6 kv; Upfe=8,5 kv 4,E+3 Ia=,3 ma; Ua=19,6 kv; Upfe=8,5 kv Rohgas, vedünnt,95,e dp [nm] Abbildung 8-1 Tennkuven, gemessen am Austitt aus dem ARA-Pototyp bei veschiedenen Aeosolkonzentationen. Volumenstom 1 m³/h Vesuch zu Untedückung des Coona-Stoms im Plattenpaket duch die Beschichtung von Elektodenkanten mit Isolielack Wie im Kapitel ewähnt, hängt die maximale Spannung de PFE auch von dem elektischen Stom ab, de duch die Entladungen im Plattenpaket veusacht wid. Als die fü die Entladungsbildung anfälligste Stelle weden die Elektodenkanten gesehen. Duch das Anschweißen von ohfömigen metallischen Pofilen an die Elektodenkanten wuden in de Kollektoelektode de Laboanlage Feldstäken bis zu 8 kv/cm eeicht. Alledings ist das

102 1 Anbingen von Pofilen technisch seh aufwendig und bei goßen Plattenzahlen und kleinen Plattenabständen kaum ealisieba. Als eine andee Option, die Entladungen an den Elektodenkanten zu untedücken, wude ein Vesuch untenommen, diese mit einem Isolielack mit hohe Duchschlagfestigkeit (4-6 kv/mm) zu beschichten. Aufgund de kleinen Elektodendicke (ggf.,5 mm) konnte keine vollständige Beschichtung de Kanten gewähleistet weden. An einigen Stellen agte die metallische Elektodenobefläche aus de Lackschicht heaus. Als Egebnis wude eine dastische Senkung de Coona-Einsatzspannung und Ehöhung des Stomflusses im Plattenpaket festgestellt, siehe Abbildung Als Usache dafü kann ein wechselwikende Effekt angesehen weden, de duch die Anlageung von Ladungen de zu Elektode entgegengesetzten Polaität auf de Isolieschicht und somit zu Vestäkung des elektischen Feldes an de Kante füht (wie in de Abbildung 8-1 fü die PFE-Kante schematisch dagestellt). Ein seh geinge und auch bei kleinen Spannungen vohandene Stomfluss an veuneinigten Stellen de Elektoden liefet Ladungen, die sich an de Lackschicht ansammeln und das Feld an de Kante vestäken, so dass eine von de Kante ausgehende Entladung gezündet wid. Im nächsten Schitt pendelt die Entladung auf die gleiche Weise zu Gegenelektode. IPFE [µa] ,1,1,1 vo de Lackieung nach de Lackieung Lack entfent UPFE [kv] Abbildung 8-11 Stom-Spannungs-Kennlinien des Plattenpakets vo und nach de Lackieung von Elektodenkanten

103 U [kv] 11 PFE NE Isolielack Isolielack NE Abbildung 8-1 Schematische Dastellung de Entwicklung des elektischen Feldes an den mit Isolielack beschichteten Elektodenkanten Vesuche zu Beuteilung de elektischen Isolation Die eingesetzten Polyamid-Isolatoen weden wähend des Betiebes dem patikelbeladenen Gas ausgesetzt. Nach zwei Wochen Betieb wude ein Expeiment analog zu dem im Kapitel 6..6 duchgefüht. Wähend des Stillstandes de Anlage wude die potentialfeie Elektode manuell aufgeladen und de zeitliche Abfall de Spannung wude aufgezeichnet, siehe Abbildung Messung 1 Messung,1,,3,4,5 t [h] Abbildung 8-13 Zeitliche Velauf des Potentials de PFE beim ausgeschalteten Auflade Bei de gemessenen elektischen Kapazität de Elektodenanodnung von 1,4 nf lässt sich die Abhängigkeit des Anodnungs-Gesamtwidestandes von de angelegten Spannung wie in de Abbildung 8-14 dagestellt beechnen. Solange keine Entladungen aufteten, wid ein konstante Widestandsvelauf beobachtet. De Isolationsgesamtwidestand betägt ca Ohm.

104 1 O3 [ppm] 1,E+13 R [Ohm] 1,E+1 1,E+11 1,E UPFE [kv] Abbildung 8-14 Gesamtwidestand de Elektodenanodnung als Funktion de Spannung Um die Beständigkeit de Polyamid-Isolatoen bezüglich de Obeflächen-Entladungen zu übepüfen, wude ein Expeiment analog zum in de Abbildung 8-4 dagestellten Montageschema aufgebaut. An die PFE wude die Hochspannung von ca. 3 kv angelegt (die Betiebsspannung wude dabei deifach übeschitten), um die Entladungen hevozuufen. Nach meheen Stunden wude die Stom-Spannungskennlinie de Anodnung eneut aufgenommen. Zwa wuden unte dem Mikoskop stellenweise Vefäbungen de Isolatoobefläche beobachtet, abe die Bildung von elektischen Bäumen wude nicht nachgewiesen und es wude keine messbae Veändeung de Obeflächenleitfähigkeit festgestellt Messung de Ozonkonzentation Die Egebnisse de Messung de Ozonkonzentation bei veschiedenen Aufladepaameten sind in de Abbildung 8-15 dagestellt. Die Egebnisse sind analog zu den Labountesuchungen: Bei negative Auflade-Polaität wid de MAK-Wet fü Ozon (,1 ppm) beeits bei 1,5 ma Aufladestom übeschitten. Bei positive Coona Ozon-Wete im zulässigen Beeich.,5,4,3 pos. Koona ohne Aeosol neg. Koona ohne Aeosol pos. Koona mit Aeosol neg. Koona mit Aeosol,, Ia [ma] Abbildung 8-15 Ozonkonzentation mit und ohne Aeosol bei positive und negative Aufladepolaität. Dahadius,5 mm; Dahtlänge 4, m; Abstand Daht-Wand 5 cm; Volumenstom 1 m³/h; Massenkonzentation 18 mg/m³

105 13 Bei de Messung mit Aeosol wid eine Senkung de Ozon-Emission beobachtet. Bei ausgeschaltetem Auflade und an die PFE angelegte Spannung wude im ganzen Betiebsspannungsbeeich (bis 1 kv) kein Ozon gemessen D-Modellieung de ARA-Stufe Ziele de Simulation Zu Nachpüfung und Veanschaulichung de Funktionsweise des autogenen aumladungsgetiebenen Abscheides wid eine 3-D-Simulation de.stufe des ARA-Pototyps ealisiet. Simuliet wid de in de Abbildung 8-16 dagestellte Anlagenbeeich. Die Laufzeit de Simulation beschänkt sich auf das Eeichen des Betiebspotentials an de potentialfeien Elektode. Die Simulation efolgt mit Hilfe des Simulationssoftwaepakets OpenFOAM. De Solve fü die EHD-Stömung wid auf de Basis des Standad-Solves pimplefoam fü inkompessible hydodynamische Stömung, das nach dem Algoithmus PIMPLE (PISO + SIMPLE) funktioniet, entwickelt. Im Gegensatz zu ARA-Laboanlage titt im ARA-Pototyp das geladene Aeosol nicht sofot in einen feldfeien Raum de Ladungs-Kollektoelektode, sonden muss zuest den Beeich mit eine seh hohen Feldstäke übewinden. Hie teten elektohydodynamische Effekte auf, die die PFE-Aufladung beeinflussen können. Im Laufe de Aufladung de PFE steigt die Feldstäke am Aeosoleinlass (Stömungsveteile), was zu eine ehöhten Teilchenabscheidung an diese Stelle fühen kann. Abbildung 8-16 De zu modellieende Anlagenbeeich