Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Abscheide ... · • vollständige Kristallisation erst bei Unterschreitung der relativen Effloreszenzfeuchte(ERH) • ERH für 80

Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. Luftreinhaltung & Filtration

2. Sitzung des Projektbegleitenden Ausschusses Kaiserslautern, 29. Januar 2018

Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Abscheide- verhalten neuer und gealterter Elektretfilter Laufzeit: 01.09.2016 – 28.02.2019

S. Schumacher, R. Jasti, C. Asbach K. Schmidt, M. Kerner, A. Hellmann, S. Antonyuk

Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik

S. Schumacher et al. 2

Ziel des Vorhabens und Lösungsweg

• grundlegendes Verständnis zu Ladungsverteilung, Abscheidung und Langzeitstabilität

• kombinierter Ansatz aus Experimenten und Simulationen

Themenkomplex 2:Experimentelle Untersu-

chungen der Filtereffizienz

AP2: Untersuchungen an RondenAP3: Untersuchungen an

konfektionierten Filtern

Themenkomplex 3:Modellierung

AP4: Einbindung der experimentell ermittelten Ladungsverteilung

AP5: Mikroskalige Berechnung der Partikelabscheidung

Themenkomplex 4:Langzeitstabilität

der Elektretwirkung

AP6: Entladung durch PartikelAP7: Umwelteinflüsse im Betrieb (rF, T)AP8: Lagerung

Themenkomplex 1:Ladungsverteilung im Filter

AP1: Lokalisierung der Ladung im Filter

stetigerVergleich

Inputparameter

abwechselndMessung und

Konditionierung

Simulationdes Alterungs-

verhaltens

Fokus der ersten PA-Sitzung am IUTA

Fokus der heutigen PA-Sitzung


Übersicht

• Entwicklung und Charakterisierung eines Diffusionsaufladers

• Messungen an drei verschiedenen Kfz-Innenraumfiltern

• Charakterisierung des Druckverlusts

• Abscheideeffizienz für verschiedene Partikelladungszustände

• NaCl

• DEHS

• Charakterisierung des Oberflächenpotentials

• Abscheideeffizienz für verschiedene Filterladungszustände

• Entladung durch Tränken in Isopropanol

• Entladung in mit Isopropanol gesättigter Luft

• Änderung der mittleren Partikelladung hinter dem Filter

Vergleich

Vergleich

Das Ergebnis jeder ernsthaften Forschung kann nur sein, zwei Fragen zu entwickeln, wo vorher nur eine stand.

(Thorstein Veblen)


Entwicklung eines Diffusionsaufladers

• basierend auf einem Konzept von Ana Maria Todea (Projekt BUONAPART-E)

Hochspannung

Einlass Druckluft

Einlass Aerosol

Auslass Aerosol

flexibler Aufbau aus KF-Komponenten

KF 40

KF 16



• als Spitzen ursprünglich kommerzielle REM-Kathoden aus Wolfram geplant

→ sehr definierte und scharfe Spitze → hohe Feldstärke und Ionenemission

• Problem: Spitzen zu kurz, Wolfram-Verbindungen schwer zu löten, Ausrichtung schwierig

→ Verwendung eines durchgehenden, angespitzten 1 mm Wolframdrahts

angespitzter Wolframdraht REM-Spitzen und Teflonfixierung



• Koronanadel sollte ursprünglich vor wechselbarer, kleiner Düse platziert werden

→ hohe Strömungsgeschwindigkeit, um Ionenabscheidung an Wänden zu minimieren

-60

-40

-20

0

20

40

60

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

Emiss

ions

stro

m [µ

A]

Spannung [kV]

konisches Verbindungsstück, 2 mm Düse

-60

-40

-20

0

20

40

60

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

Emiss

ions

stro

m [µ

A]

Spannung [kV]

konisches Verbindungsstück, 4 mm Düse

-60

-40

-20

0

20

40

60

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

Emiss

ions

stro

m [µ

A]

Spannung [kV]

kein Verbindungsstück, keine Düse

• negative Korona effizienter, aber weniger stabil und mehr Ozon-Produktion

4mm 2mm 1mm

• Problem: Überschläge, Deposition von Partikeln, Positionierung schwierig

→ Weglassen der Düse und des konischen Verbindungsstücks


Charakterisierung mit einem NaCl-Aerosol

• gleichzeitige Messung von Partikelstrom und Anzahlkonzentration

CPC

Elektrometer

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

Part

ikelst

rom

[fA]

Spannung [kV]


0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.001.10

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

Part

ikelko

nzen

trat

ion

[105

cm-3

]

Spannung [kV]


• Bestimmung der mittleren Ladung pro Partikel

Wirkung als Elektroabscheider

N

PP CQ

Iq⋅

= (QElektrometer = 0,6 l/min)

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]


• Diffusionsauflader lädt Partikel effizient auf

• Ladungszustand noch nicht vollständig gesättigt bei maximal anlegbarer Spannung

→ nicht problematisch für spätere Messungen


Vergleich mit Literaturwerten

• Modaldurchmesser ca. 80 nm, in Sättigung mindestens 6 Elementarladungen pro Partikel

• nach Literatur für miniaturisierte Diffusionsauflader nur 2 Elementarladungen erwartet

M. Fierz et al. Aerosol Sci. Technol. 45 1 (2011) H. Kaminski et al. Aerosol Sci. Technol. 46 708 (2012)

• Elektrometer/CPC mit Zweitgeräten verglichen

→ keine signifikanten Abweichungen

• polydisperses statt monodisperses Aerosol

→ leicht höhere mittlere Ladung (ca. 2,8 e) 0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

1 10 100 1000 10000

dq/d

log(

d p) [

e/cm

³ ]

Partikeldurchmesser [nm]

Ladungsgrößenverteilung


Einfluss der Trocknung des Aerosols

• vollständige Kristallisation erst bei Unterschreitung der relativen Effloreszenzfeuchte (ERH)

• ERH für 80 nm NaCl-Partikel bei etwa 45 % rF (Wert leicht partikelgrößenabhängig)

G. Biskos et al. Aerosol Sci. Technol. 40 97 (2006)

ca. 64% rF ca. 48% rF

Atomizer

ca. 40% rF Diffusions-

trockner Diffusions-

auflader Trockenstrecke

(Umgebung ca. 44% rF)

• keine vollständige Trocknung bei Eintritt in den Auflader

→ Partikel bei Aufladung größer als später gemessen

• vielleicht Aufladung aber auch effizienter als erwartet (hängt von Verweilzeit x Ionenkonzentration ab)

NaCl NaCl


-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]


• DEHS → CMD = 280 nm, σ = 2.0

→ 20,5 / -26,6 e bei ± 5 kV

• erwartet ca. 12,4 e 0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

1 10 100 1000 10000

dN/d

log(

d p) [

cm-3

]


Anzahlgrößenverteilung

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]


• NaCl (200 g/l) → CMD = 84 nm, σ = 2.0

→ 5,9 / -7,1 e bei ± 5 kV

• erwartet ca. 3,2 e 0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

1 10 100 1000 10000

dN/d

log(

d p) [

cm-3

]



Mittlere Ladung für größere Partikel

• NaCl (50 g/l) → CMD = 78 nm, σ = 1.9

→ 4,5 / -5,3 e bei ± 5 kV

• erwartet ca. 2,8 e -40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]


0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

1 10 100 1000 10000

dN/d

log(

d p) [

cm-3

]



• Fazit: effiziente Bereitstellung unipolar geladener Partikel möglich


Aufbau des Prüfstands

• Atomizer: Palas AGF 2.0 (DEHS), AGK 2000 (NaCl)

• SMPS: TSI 3936 (DMA 3081), CPC: TSI 3776/3787

• Elektrometer: TSI 3068B

• 85Kr-Neutralisator: TSI 3012

• Hochspannungsnetzgerät: FuG HCP 14-12500

• Prüfstand gemäß DIN 71460-1 (Kfz-Innenraumfilter)


Messungen an drei verschiedenen Kfz-Innenraumfiltern

• drei gleich konfektionierte Filtertypen aus drei verschiedenen Medien

• Nennvolumenstrom je nach Kunde 180, 200 oder 360 m³/h

→ hier 200 m³/h verwendet (entspricht 8 cm/s Anströmgeschwindigkeit)

(Beispielfoto)

Filterlänge 306 mm Filterbreite 210 mm Faltentiefe 27 mm Faltenfläche 0.01 m² Faltenzahl 60 Filterfläche 0.68 m² Volumenstrom 200 m³/h Anströmgeschwindigkeit 0.08 m/s

Medium P01 Medium P02 Medium P03

Material PP/PE (~ 940 kg/m³) PBT (~ 1310 kg/m³) PP (~ 950 kg/m³)

LDL (bei 200 Pa) [l/m²/s] 505 ± 21 > 800 > 700

Grammatur [g/m²] 110 ± 10 116 ± 17 140 ± 15

Dicke [mm] 0,9 ± 0,3 0,7 ± 0,1 1,15 ± 0,15

Porosität (berechnet) 0,87 0,87 0,87

LDL Luftdurchlässigkeit PP Polypropylen PE Polyethylen PBT Polybutylenterephthalat

• Faserdurchmesser müssen noch im REM bestimmt werden


Druckverlust der Filter

0102030405060708090

100

100 150 200 250 300 350 400

Druc

kver

lust

[Pa]

Volumenstrom [m³/h]

P01 P02 P03• volumenstromabhängige Messung des Druckverlusts

• Streuung zwischen Filtern des gleichen Typs gering

• Frage: Passen die Werte zur Luftdurchlässigkeit?

• Zerlegung in linearen und quadratischen Anteil (extrapoliert bis 200 Pa)

Medium P01 Medium P02 Medium P03

505 ± 21 l/m²/s ≡ 50,5 cm/s

> 800 l/m²/s ≡ 80 cm/s

> 700 l/m²/s ≡ 70 cm/s

020406080

100120140160180200

0 500 1000 1500 2000

Druc

kver

lust

[Pa]


P01 P02 P030

20406080

100120140160180200

0 500 1000 1500 2000

Druc

kver

lust

[Pa]


P01 P02 P03

ReFaser< 1 → laminare Strömung im Medium, Steigung sollte durch das Medium bestimmt sein

turbulenter Anteil sollte rein durch die Geometrie von Filter und Prüfstand bestimmt


020406080

100120140160180200

0 500 1000 1500 2000

Druc

kver

lust

[Pa]


P01 P02 P03

Vergleich mit Angaben zur Luftdurchlässigkeit

020406080

100120140160180200

0 500 1000 1500 2000

Druc

kver

lust

[Pa]


P01 P02 P03

Ref < 1 → laminare Strömung im Medium, Steigung sollte durch das Medium bestimmt sein

turbulenter Anteil sollte rein durch die Geometrie von Filter und Prüfstand bestimmt

• gute Übereinstimmung mit den Annahmen für Filter P02

• leichte Abweichungen für Filter P03, turbulenter Anteil sehr ähnlich

• deutliche Abweichungen in beiden Anteilen für Filter P01

• mögliche Gründe:

• Strömung im Filtermedium ist doch nicht rein laminar

• geringe Unterschiede in der Plissierung haben bereits großen Einfluss


Änderung des Druckverlusts durch Beladung

• Messung mit einem Filter dauert ca. 1,5 h (bei 0, +5 und - 5kV je zweimal Rein-/Rohgas)

• Abschätzung zudosierte Salzmenge ca. 110 mg (berechnet aus Größenverteilung)

• relativer Anstieg des Druckverlustes für P02 und P03 unter 2%

• deutlicher relativer Anstieg des Druckverlustes für P01 von über 40%

→ erstaunlich hoch für die geringe zudosierte Salzmenge

• offene Frage: Lassen sich die Daten dennoch sinnvoll interpretieren?

0

20

40

60

80

100

120

140

100 150 200 250 300 350 400

Druc

kver

lust

[Pa]


vor Beladung nach Beladung

0

10

20

30

40

50

60

70

80

100 150 200 250 300 350 400

Druc

kver

lust

[Pa]



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 150 200 250 300 350 400

Druc

kver

lust

[Pa]



P01 P02 P03


Abscheideeffizienz der Filter bezüglich NaCl

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = -5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = +5 kV

-12-10

-8-6-4-202468

1012

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]

vor IPA Behandlung• Messung von je der Filtern des gleichen Typs

• Messung ohne Hochspannung am Diffusionsauflader

→ Annahme Aerosol im bipolaren Gleichgewicht

• Messung bei +/- 5 kV (bei regelmäßiger Reinigung stabil)

→ mittlere Ladung pro Partikel sehr reproduzierbar

→ Zusammenfassung der drei Graphen in eine Abbildung pro Filtertyp


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P02

0 kV -5 kV +5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P03

0 kV -5 kV +5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P01

0 kV -5 kV +5 kV

Abscheidung von NaCl an den drei Filtertypen

• Streuung zwischen Filtern gleichen Typs gering (solange ausreichend Partikel)

• Verhalten von P02 und P03 sehr ähnlich

• etwas geringere Abscheidung für P01

• höhere Abscheidung geladener Partikel

• positiv geladene Partikel werden leicht effizienter abgeschieden als negative


0.80

0.82

0.84

0.86

0.88

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P02

0 kV -5 kV +5 kV

Unterschiede zwischen positiven/negativen Partikeln

• negative Partikel leicht stärker geladen

→ das allein lässt bessere Abscheidung negativer Partikel erwarten

• zusätzlicher Effekt notwendig

→ Überschuss an negativer Faserladung

→ Messung des Oberflächenpotentials

-12-10

-8-6-4-202468

1012

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]

vor IPA Behandlung

mittlere Partikelladung

AlphaLab USSVM II Ultra Stable Surface Volt Meter


Charakterisierung mit elektrostatischem Voltmeter • jeweils zwei Filter gleichen Typs untersucht

• 15 Messpunkte mit 5 cm bzw. 5,5 cm Abstand

• Variation des Sondenabstands (0,5 – 4 cm)

• jeder Filter dreimal nacheinander vermessen

• Dauer eines Durchlaufs ca. 40 min

geerdete Metallplatte

Sonde

220 x 310 mm

-5000

-4500

-4000

-3500

-3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Obe

rfläc

henp

oten

tial [

V]

Abstand zur Probe [cm]

M170412-002 (1285522P01) Punkt 1

Punkt 2

Punkt 3

Punkt 4

Punkt 5

Punkt 6

Punkt 7

Punkt 8

Punkt 9

Punkt 10

Punkt 11

Punkt 12

Punkt 13

Punkt 14

Punkt 15

Filter


-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Obe

rfläc

henp

oten

tial

[V]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Obe

rfläc

henp

oten

tial

[V]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

P02 Filter 1

P02 Filter 2

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Obe

rfläc

henp

oten

tial

[V]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

P02 Filter 1

P02 Filter 2

P03 Filter 1

P03 Filter 2

Abstandsabhängigkeit des Oberflächenpotentials

Filtertyp Vorzeichen Stärke Streuung innerhalb eines Filters

Streuung zwischen zwei Filtern

P01 negativ stark mittel groß

P02 positiv schwach gering gering

P03 positiv/negativ mittel groß mittel

P01

P02

P03

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Obe

rfläc

henp

oten

tial [

V]


M170412-081 (1285522P03) Punkt 1

Punkt 2

Punkt 3

Punkt 4

Punkt 5

Punkt 6

Punkt 7

Punkt 8

Punkt 9

Punkt 10

Punkt 11

Punkt 12

Punkt 13

Punkt 14

Punkt 15

P03


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

P02 Filter 1

P02 Filter 2

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

P02 Filter 1

P02 Filter 2

P03 Filter 1

P03 Filter 2

Normierter Verlauf der Abstandsabhängigkeit

Filtertyp Abklingverhalten ungewöhnliches Verhalten

P01 nahezu linear nein

P02 „stark“ hyperbolisch nein

P03 „schwach“ hyperbolisch teils ja (Vorzeichenwechsel, Anstieg des Potentials → Werte ausgenommen)

P02

P01

P03

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


M170412-082 (1285522P03) Punkt 1

Punkt 2

Punkt 3

Punkt 4

Punkt 5

Punkt 6

Punkt 7

Punkt 8

Punkt 9

Punkt 10

Punkt 11

Punkt 12

Punkt 13

Punkt 14

Punkt 15

P03


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0 min 40 min 80 min

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]

zeitlicher Abstand zum ersten Durchlauf

Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0 min 40 min 80 min

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

P02 Filter 1

P02 Filter 2

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 min 40 min 80 min

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

P02 Filter 1

P02 Filter 2

P03 Filter 1

P03 Filter 2

Stabilität während über die Messungen (2,5 cm Abstand)

Filtertyp Stabilität Ausreißer Streuung zwischen zwei Filtern

P01 mittel ja (Werte ausgenommen) mittel

P02 hoch nein gering

P03 gering ja (Werte ausgenommen) hoch

P02

P01 P03

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

0 min 40 min 80 min

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


M170412-003 (1285522P01) Punkt 1

Punkt 2

Punkt 3

Punkt 4

Punkt 5

Punkt 6

Punkt 7

Punkt 8

Punkt 9

Punkt 10

Punkt 11

Punkt 12

Punkt 13

Punkt 14

Punkt 15

P01


0.80

0.82

0.84

0.86

0.88

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P02

0 kV -5 kV +5 kV

Unterschiede zwischen positiven/negativen Partikeln

• negative Partikel leicht stärker geladen

→ das allein lässt bessere Abscheidung negativer Partikel erwarten

• zusätzlicher Effekt notwendig

→ Überschuss an negativer Faserladung

• deckt sich mit Messungen mit elektro- statischen Voltmeter für P01 und P03, jedoch nicht für P02

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

norm

iert

es O

berfl

äche

npot

entia

l [V

]


Zusammenfassung

P01 Filter 1

P01 Filter 2

P02 Filter 1

P02 Filter 2

P03 Filter 1

P03 Filter 2

Oberflächenpotential

-12-10

-8-6-4-202468

1012

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]

vor IPA Behandlung

mittlere Partikelladung


Vergleich mit Messungen mit DEHS als Testaerosol

-30-25-20-15-10

-505

1015202530

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]

DEHS mit Neutralisator

-30-25-20-15-10

-505

1015202530

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]

DEHS ohne Neutralisator

• Messung mit DEHS als Testaerosol (CMD = 280 nm, σ = 2.0)

• Aufladung mit bzw. ohne vorgeschaltetem 85Kr-Neutralisator

• mittlere Ladung vergleichbar, eventuell etwas mehr Streuung ohne Neutralisator

• Frage: Hat der Neutralisator einen Einfluss auf die Abscheidung?

Atomizer 85Kr-

Neutralisator Diffusions-

auflader Prüfstand / Messgeräte


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P02

0 kV-5 kV+5 kV


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P01

0 kV-5 kV+5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P02

0 kV-5 kV+5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P01

0 kV-5 kV+5 kV

• für P01 leichte Unterschiede, aber Streuung insgesamt sehr groß

• für P02 Unterschiede insgesamt eher gering

ohne 85Kr

mit 85Kr

ohne 85Kr

mit 85Kr


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P03

0 kV-5 kV+5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P03

0 kV-5 kV+5 kV


• für P03 deutliche Unterschiede, insbesondere für geladene Partikel

• negative Partikel werden effizienter abgeschieden → anders als bei NaCl

ohne 85Kr

mit 85Kr

• genaue Erklärung für mögliche Unterschiede steht noch aus

• Messung mit Neutralisator generell definierter als ohne

• Einfluss für NaCl-Abscheidung noch zu klären (bisher ohne Neutralisator)


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = 0 kV

DEHS

NaCl

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = 0 kV

DEHS

NaCl

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

DEHS

NaCl

Vergleich der Abscheidung von NaCl und DEHS

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = -5 kV

DEHS

NaCl 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = +5 kV

DEHS

NaCl

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = -5 kV

DEHS

NaCl0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000Ab

sche

idee

ffizie

nzPartikeldurchmesser [nm]

P03, U = +5 kV

DEHS

NaCl

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = -5 kV

DEHS

NaCl0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = +5 kV

DEHS

NaCl

P03

P02

P01


0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = 0 kV

DEHS

NaCl

0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = 0 kV

DEHS

NaCl

0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

DEHS

NaCl0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = -5 kV

DEHS

NaCl 0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = +5 kV

DEHS

NaCl

0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = -5 kV

DEHS

NaCl0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = +5 kV

DEHS

NaCl

0.01

0.10

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = -5 kV

DEHS

NaCl0.01

0.10

1.00

10 100 1000Ab

sche

idee

ffizie


P03, U = +5 kV

DEHS

NaCl

Vergleich der Abscheidung von NaCl und DEHS (Penetration)

P03

P02

P01


• Abscheideeffizienz für NaCl über gesamten Größenbereich deutlich höher

• für geladene Partikel leichte Unterschiede im Ladungszustand möglich (z.B. Feuchteeffekt)

• für ungeladene Partikel könnte die Dielektrophorese eine Rolle spielen

• εr,NaCl = 5,9 (Robinson et al. Can. J. Phys. 44 2211 (1966))

• εr,DEHS = 5,1 (Aardahl et al. J. Colloid Interface Sci. 192 228 (1997))

• Unterschied relativ gering → Abschätzen des Effekts mit Simulationen oder Modell

• Bemerkung: Schlussfolgerungen für Messungen mit Neutralisator prinzipiell gleich

Vergleich der Abscheidung von NaCl und DEHS

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = -5 kV

DEHS

NaCl0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = +5 kV

DEHS

NaCl


Entladung der Filter in Isopropanol

• Tränken der Filter für in Isopropanol

5 min Seite A 5 min Seite B min. 24 h Trocknen

• Änderung der Filtermasse vor, während und nach Tränken

Masse [g] Filter P01 Filter P02 Filter P03

Filter vorher 105 ± 1 111 ± 2 135 ± 1

Filter getränkt 561 ± 6 397 ± 3 495 ± 1

IPA aufgenommen 456 ± 6 286 ± 4 360 ± 1

Filter getrocknet 105 ± 1 111 ± 2 135 ± 1

Werte konsistent mit Grammatur

• aufgenommene IPA-Menge unterscheidet sich deutlich

• getrocknete Filter haben wieder die Ursprungsmasse


0102030405060708090

100

100 150 200 250 300 350 400

Druc

kver

lust

[Pa]


P01 P02 P03

Druckverlust nach Tränken in Isopropanol

0102030405060708090

100

100 150 200 250 300 350 400

Druc

kver

lust

[Pa]


P01 P02 P03

• relative Änderung des Druckverlustes unter 2% für alle Volumenströme

→ keine signifikante strukturelle Veränderung der Filter


Abscheideeffizienz nach Entladung in Isopropanol

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P01

0 kV -5 kV +5 kV0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P01

0 kV -5 kV +5 kV

-12-10

-8-6-4-202468

1012

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]

nach Tränken in IPA

-12-10

-8-6-4-202468

1012

-7 -5 -3 -1 1 3 5 7

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Spannung [kV]

vor IPA Behandlung

• gleiche mittlere Ladung des Testaerosols → Ergebnisse direkt vergleichbar

• Abscheideeffizienz insgesamt reduziert, weiter bessere Abscheidung geladener Partikel

→ Effekt in den Simulationen nicht erfasst (kein Elektreteffekt für QF=0 implementiert)

P01


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P03

0 kV -5 kV +5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P02

0 kV -5 kV +5 kV

Abscheideeffizienz nach Entladung in Isopropanol

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P02

0 kV -4.5 kV +4.5 kV

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P03

0 kV -5 kV +5 kV

• starke Streuung nach Isopropanoltränken → Entladung möglicherweise nicht komplett

P03

P02

• Abscheideeffizienz insgesamt reduziert, weiter bessere Abscheidung geladener Partikel

→ Effekt in den Simulationen nicht erfasst (kein Elektreteffekt für QF=0 implementiert)


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = -5 kV

vor IPA Behandlung nach IPA Tränken nach IPA Dampf0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000Ab

sche

idee

ffizie


P01, U = 5 kV


0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

vor IPA Behandlung nach IPA Tränken nach IPA Dampf

• Entladung über 24 h in Konditionierungskabinett von Topas GmbH (gemäß ISO 16890-4)

• Vergleich der Fraktionsabscheidegrade für je drei

• neue Filter (grün)

• in IPA getränkte Filter (blau)

• in IPA gesättigter Luft entladene Filter (rot)

• für P01 relativ gute Übereinstimmung

• leicht geringere Abscheidung nach Tränken in IPA

→ Entladung durch IPA-Dampf womöglich nicht vollständig

Entladung der Filter in mit Isopropanoldampf gesättigter Luft

(Topas GmbH)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

nach IPA Tränken nach IPA Dampf vor IPA Behandlung

P01


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = 0 kV

vor IPA Behandlung nach IPA Tränken nach IPADampf0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = -5 kV


0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000Ab

sche

idee

ffizie


P03, U = 5 kV


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = 0 kV


0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = -5 kV


0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = 5 kV


Entladung der Filter in mit Isopropanoldampf gesättigter Luft

• für P02 und P03 deutliche Abweichungen, Schwankung zwischen gleichen Filtern gering

• Entladung durch IPA-Dampf gesättigte Luft offenbar effizienter als Tränken in IPA

• War das Tränken von 10 Minuten nicht ausreichend zur vollständigen Entladung ?

→ widerspricht bisherigen Erfahrungen, weitere Versuche notwendig P02

P03


Wiederholung des Tränkens in Isopropanol

• Wiederholung der gleichen Prozedur für die bereits einmal in IPA getränkten Filter

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

vor IPA Behandlung nach IPA Tränken

nach IPA Dampf nach 2x IPA Tränken0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = -5 kV



0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000Ab

sche

idee

ffizie


P01, U = 5 kV


nach IPA Dampf nach 2x IPA Tränken

• für Filter P01 keine nennenswerten Abweichungen gegenüber dem ersten Tränken

→ Filter offenbar beim ersten Tränken bereits vollständig entladen

→ Entladung durch IPA-Dampf offenbar nicht ganz vollständig

5 min Seite A 5 min Seite B min. 24 h Trocknen

P01


0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = 0 kV



0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = -5 kV



0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P02, U = 5 kV



0.00

0.10

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0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = 0 kV


nach IPADampf nach 2x IPA Tränken0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P03, U = -5 kV



0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000Ab

sche

idee

ffizie


P03, U = 5 kV



Wiederholung des Tränkens in Isopropanol

• für neutrale Partikel gute Übereinstimmung für Dampfentladung und zweimal Tränken

→ erstes Mal Tränken hat die Filter offenbar nicht vollständig entladen

• für geladene Partikel immer noch deutliche Abweichungen zur Dampfentladung

→ Ursache bisher nicht klar P02

P03

Die meisten Probleme entstehen bei ihrer Lösung. (Leonardo da Vinci)


Gibt es vergleichbare Berichte in der der Literatur?

• japanischer Bericht: Entladung durch Dampf deutlich effektiver als Tränken in IPA

• Abscheideeffizienz nach Dampfentladung durch anschließendes Tränken wieder erhöht

Cai et al. Dokument für ISO/TC142/WG9 N0087 (2010) zitiert in Tronville et al. 11th World Filtration Congress (2012)

• Patent (US 6375886, 2002) „Method and apparatus for making a nonwoven fibrous electret web from free-fiber and polar liquid“

• Entladung durch Dampf offenbar schneller als durch Tränken

• spiegelt nicht die Zeitvorgaben der entsprechenden Normen wider

• EN 779: Tränken der Medien für mindestens zwei Minuten

• ISO 16890-4: Entladen der Filter in mit IPA gesättigter Luft für 24 h


Möglicher Einfluss des Filtermaterials auf die Entladung

• Xiao: Entladung umso wirkungsvoller, je mehr das Polymer durch das Lösemittel aufquillt

• gute Quellbarkeit für geringen Abstand der Hansen-Löslichkeitsparameter

Löslichkeitsabstand Wasser Ethanol IPA Aceton PP 44.6 20.9 17.1 13.0 PE 45.4 21.6 17.9 13.2 PBT 35.8 12.3 9.1 7.1

δd van-der-Waals-Wechselwirkungen δp dipolare Wechselwirkungen δh Wasserstoffbrückenbindungen

Lösemittel δd δp δh Wasser 15.6 16.0 42.3 Ethanol 15.8 8.8 19.4 Isoropanol 15.8 6.1 16.4 Aceton 15.5 10.4 7.0

Polymere δd δp δh PP 18.0 0.0 1.0 PE 17.6 0.0 0.0 PBT 18.0 5.6 8.4

2solvh,polyh,

2solvp,polyp,

2solvd,polyd,

2 )()()(4 δδδδδδδ −+−+−=

Entladung gut

mittel schlecht

• PBT sollte noch besser durch IPA entladen werden → passt nicht zu den Messungen

• generelles Problem: Erklärung passt auch nicht für weitere Lösemittel aus Literatur Löslichkeitsabstand Wasser Ethanol IPA Aceton MEK Hexan Heptan Isooktan Cyclohexan Toluol Benzol PP 44.6 20.9 17.1 13.0 10.7 6.3 5.5 3.0 2.5 1.7 1.3 PE 45.4 21.6 17.9 13.2 10.8 5.4 4.6 3.5 1.6 2.6 2.6 PBT 35.8 12.3 9.1 7.1 8.5 11.8 11.4 10.8 10.2 7.7 8.5

Xiao et al. J. Electrostat. 72 311 (2014)

Biermann et al. Evaluation of permanently charged electrofibrous filters (1982)


-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Messung

DEHS ohne NeutralisatorRohgas Reingas

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6

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1 2 3 4 5 6 7 8 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Messung

vor IPA BehandlungRohgas

Änderung des Ladungszustandes hinter dem Filter

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0

2

4

6

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1 2 3 4 5 6 7 8 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Messung

nach IPA TränkenRohgas Reingas

-10

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0

2

4

6

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1 2 3 4 5 6 7 8 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Messung

nach IPA DampfRohgas Reingas

• Reduktion der mittleren Ladung im Reingas für Filter im Neuzustand (Streuung sehr groß)

• geringere Reduktion der mittleren Ladung im Reingas für entladene Filter nach IPA Dampf NaCl nach IPA Tränken NaCl

P01 P02 P03

P01 P02 P03 P01 P02 P03

-10

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-2

0

2

4

6

8

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1 2 3 4 5 6 7 8 9

mitt

lere

Ladu

ng [e

]

Messung

vor IPA BehandlungRohgas Reingas

Neuzustand NaCl

P02 P01 P03

Neuzustand DEHS


Zusammenfassung

• erfolgreiche Entwicklung eines unipolaren Diffusionsaufladers

• Charakterisierung von drei Filtertypen bezüglich der Abscheidung NaCl und DEHS

• Entladung der Filter durch Isopropanol mit zwei verschiedenen Methoden

• Versuch der Korrelation mit Messungen des Oberflächenpotentials

• als nächstes weitere Untersuchungen zu drei zentralen Themen

• Abweichungen zwischen DEHS- und NaCl-Abscheidegraden

• Einfluss von Bildladungseffekten auf die Abscheidung

• Übertragbarkeit für Entladung durch flüssiges und gasförmiges IPA

0.00

0.10

0.20

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Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

DEHS

NaCl0.00

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0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


Filtertyp P01

0 kV -5 kV +5 kV0.00

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0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

10 100 1000

Absc

heid

eeffi

zienz


P01, U = 0 kV

nach IPA Tränken nach IPA Dampf vor IPA Behandlung


Danksagung

Das IGF-Vorhaben 19145 N der Forschungsvereinigung Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. – IUTA, Bliersheimer Straße 58–60, 47229 Duisburg wird über die AiF

im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses

des Deutschen Bundestages gefördert.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Documents

Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Abscheide ... · • vollständige Kristallisation erst bei Unterschreitung der relativen Effloreszenzfeuchte(ERH) • ERH für 80