| |
|
Dissertation angenommen durch: Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, 2001-12-10
BetreuerIn: Prof. Dr.-Ing. Heinz Fißan , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Heinz Fißan , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr. phil. Gerhard Kasper , Universität Karlsruhe, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik
Schlüsselwörter in Deutsch: Partikelabscheidung, elektrisch unterstützte Filtration, Diffusion, Beladung
Schlüsselwörter in Englisch: electric field, electrified filtration, particle capture, loading, brownian motion
|
|
| |
|
Abstrakt in Deutsch
Faserfilter werden technisch genutzt, um Partikel aus Gasströmen abzuscheiden. Große Partikel werden aufgrund der Siebwirkung an der Oberfläche des Filters abgeschieden, wogegen kleinere Partikel in den Filter eindringen und durch unterschiedliche Kraftwirkungen auf Filterfasern transportiert werden. Treffen submikrone Partikel auf Filterfasern, so bleiben diese dort in der Regel haften und gelten als abgeschieden. In dieser Arbeit wird ein erweitertes Modell derPartikelabscheidung vorgestellt, das erstmalig sowohl mechanischePartikelabscheidemechanismen (Impaktion, Interzeption und Diffusion) als auch elektrische Abscheidemechanismen (durch Coulombkräfte, Dipolkräfte und Spiegelladungskräfte) gekoppelt betrachtet. Das Modell beruht auf der Auswertung von Partikeltrajektorien (Partikelbahnen) in der Nähe von Fasern. Besonders der im submikronen Partikelgrößenbereich starke Einfluß der Diffusion (Brown'sche Bewegung) wurde in dem vorgestellten Traktorienmodell integriert. Das Modell erlaubt unter Kenntnis der Eigenschaften (elektrischer Ladungszustand) des zu filternden Aerosols eineVorhersage des Einflusses elektrischer Abscheideeffekte auf dieAbscheideleistung unbeladener Filter. Zur Absicherung des Modells wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die seine Gültigkeit bestätigen. Das Modell erlaubt zudem eine Vorhersage der Partikeldeposition in der Tiefe des Filters für den unbeladenen Fall. Der Einzelfaserabscheidegrad erhöht sich bei vorhandenem elektrischen Feld für geladene Partikel im Vergleich zuungeladenen Partikeln. Die geladenen Partikel werden hauptsächlichanströmseitig in den ersten Filterschichten abgeschieden. Zudem findet die Partikeldeposition im elektrischen Feld vorwiegend in der Nähe der Staupunkte der umströmten Faser statt, was ein 'stromlinienförmiges' Wachstum der Faser bewirkt. Dieser Fall führt zu einem geringeren Anstieg des Druckabfalls über dem Filter mit zunehmender Beladung und konnte in Beladungsexperimentennachgewiesen werden. Die Ergebnisse der Beladungsexperimente zeigen, daß der Einfluß elektrischer Felder auf die Filtrationseigenschaften besonders deutlich bei unbeladenen bzw. schwach beladenen Filtern ist. Sind die Partikel elektrisch geladen, ist es möglich die Filtergüte eines Filters durch Anlegen eines elektrischen Feldes mehr als zu verdoppeln. Die größten Verbesserungen derFiltrationseigenschaften durch Anlegen eines elektrischen Feldes sind bei Filtern mit offener Struktur (geringe Packungsdichte), bei groben Fasern mit Durchmessern > 5µm mit möglichst hoher Polarisierbarkeit (eps_r >2) zu erzielen. Zudem sollten die Partikel möglichst hoch elektrisch aufgeladen und die Anströmgeschwindigkeit des Filters möglichst gering (< 5cm/s) sein.
Abstrakt in Englisch
The filtration efficiency of fibrous filters shows in the submicron particle regime a bold reduction. The reason for this behavior isthe transition from interceptional to diffusional particle capture. Particle size dependent filtration mechanisms cause a minimum infiltration efficiency at particle sizes about 0,2 micrometer. Previous investigations have shown that a reduction of particlepenetration, i. e. enhancement of filtration efficiency due to variation of the filterstructure (diameter of fibres, packing density, depth of filterlayer) results in a higher resistance to flow and causes a higher pressure drop. Another way to improve filtration efficiency without changing the filter structure is the use of additional electric particle capture mechanisms. The main advantage is the higher filtration efficiency without increasing the pressure drop. Today electric particle capture mechanisms are mainlyapplied in electret filters, which consist of electric inhomogeneous charged fibres. However, the fibres of electret filters loose theircharge with time and particle loading. The electric field inside the filter layer will be neutralized so that filtration efficiencydecreases. To avoid this disadvantage a new type of filter can be used, in which dielectric fibres become polarized by an externalelectric field. This field maintains an inhomogeneous electric field inside the filter layer. Aim of this thesis is the development of anew filter, which will be optimized for filtration efficiency without increased pressure drop in conjunction with external electric fields. The new filter will be produced with alternating thin translucent conducting layers and filterlayers of dielectric fibres. In that way it will be possible to obtain strong electric fields at low applied voltages inside the filter layers. The applied voltage should be in the range of 220V. The flow direction is perpendicular to the layers and parallel to the direction of the electric field.
|
|