Untersuchung des Strömungsfeldes, des Abscheide- und Koaleszenzverhaltens von Ölaerosolen in Ringkammerzentrifugen
Seiten
2012
|
1., Aufl.
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0953-8 (ISBN)
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0953-8 (ISBN)
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Die Abscheidung von Aerosolteilchen aus Abluftströmen im kleinskaligen Maßstab gewinnt aus technischer und umweltpolitischer Sicht zunehmend an Bedeutung. Am Beispiel der motorischen Verbrennung ist dies eine steigende Zahl feinster Verbrennungsrückstände, die als Aerosole vorliegen und bei unzureichender Entfernung aus den im Motor zirkulierenden Gasströmen essentielle Schäden an hochempfindlichen motorischen Komponenten wie Turbolader oder Einlassventilen hervorrufen können. Eine weitere Anwendung, die diese Problematik beinhaltet, ist die in der spanenden Werkstoffbearbeitung eingesetzte Minimalmengenschmierung. Hier entsteht eine hohe Anzahl an Aerosolteilchen, die auf Grund ihres mutmaßlichen gesundheits-gefährdenden Potentials und ihrer potentiellen Umweltschädlichkeit aus den prozessbedingten Abluftströmen zu entfernen sind.
Um die Reinheitsanforderungen der genannten technischen Prozesse zu erfüllen und Vorgaben hinsichtlich des verfügbaren Bauraums, der Lebensdauer oder den Kosten nachzukommen, sind verschiedene Trennmechanismen und Apparateausführungen möglich. Derzeit eingesetzte Systeme variieren von einfachen Prallabscheidern bis hin zu komplexeren Systemen wie parallel geschalteten Miniaturzyklonen oder kleinskaligen Tellerseparatoren. Die Ringkammerzentrifuge ist ein modular, aus zylindrischen Elementen aufgebauter Zentrifugalabscheider, welcher im Vergleich zum Tellerseparator eine kompaktere Bauform besitzt und flexibler gestaltbar ist. Für die hier betrachtete Abscheidung von Kleinstpartikeln aus Gasströmungen existieren bislang keine allgemeinen Auslegungskriterien. Die für eine Auslegung notwendigen Zielgrößen Druckverlust und Abscheideleistung werden im Rahmen dieser Arbeit in Abhängigkeit der kleinskaligen Ausführung, den vorliegenden Betriebsbedingungen und eines Gas-Flüssig-Stoffsystems betrachtet. Zunächst wird das Strömungsfeld in der Zentrifuge untersucht. Dies ist notwendig, um zum einen das Abscheideverhalten der Aerosolteilchen vorherzusagen und zum anderen den Druckverlust in der Zentrifuge zu beschreiben. Für kleine Reynoldszahlen gelingt es das Strömungsfeld in der Zentrifuge analytisch zu beschreiben. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation und systematischer Parametervariation wird der Gültigkeitsbereich der analytischen Lösung für das Strömungsfeld analysiert und der Übergang zur turbulenten Strömung charakterisiert. Auf Basis dieser Berechnungen werden die Bewegungsgleichungen für ein Aerosolteilchen formuliert. Durch die Betrachtung der Bahnen einzelner Teilchen durch die Zentrifuge kann der Trenngrad berechnet werden. Eine integrale Berechnung des Trenngrades gelingt unter Verwendung eines Klärflächenansatzes in den Ringkammern und eines Impaktionsansatzes in den scharfkantigen Umlenkungen.
An einer Modellringkammerzentrifuge mit variabler Kammerzahl werden Druckverlust- und Trenngradmessungen vorgenommen und mit den Berechnungsmodellen verglichen. Die Trenngrade werden aus den Verteilungen der Aerosolteilchen im Roh- und Reingas ermittelt. Die Teilchenspektren werden mit Hilfe eines Relaxationszeitspektrometers und eines differentiellen Mobilitätsanalysators gekoppelt mit einem Kondensationskernzähler aufgenommen.
Die dimensionslose Darstellung des Druckverlustes über den Geometrie-, Stoff- und Betriebsparametern aus den Messungen und den Berechnungsmodellen liefert einen allgemeingültigen Zusammenhang, der eine Auslegung der Ringkammerzentrifuge hinsichtlich ihres Durckverlustes erlaubt. Der Vergleich von gemessenen und berechneten Trenngraden zeigt, dass je nach Betriebsbedingungen die Abscheidung in den Umlenkungen durch Impaktion oder die Abscheidung in den Ringkammern durch Rotation überwiegt. Mit dem reduzierten Abscheidemodell können beide Effekte gut abgebildet werden, so dass dieses Modell zur Auslegung des Trenngrades für eine kleinskalige Ringkammerzentrifuge zur Verfügung steht.
Abschließend wird noch der Einfluss der Koaleszenz von Aerosolteilchen auf die Abscheidung mit Hilfe der Populationsbilanzierung untersucht. Durch die Koaleszenz von feinen Aerosolteilchen zu Teilchen größeren Durchmessers kann die trägheitsbedingte Abscheideeffizienz erhöht werden. Mit einer analytischen und numerischen Lösung der Populationsbilanzen in der Ringkammerzentrifuge wird der Einfluss der Betriebsparameter der Zentrifuge auf das Koaleszenzverhalten ermittelt.
Um die Reinheitsanforderungen der genannten technischen Prozesse zu erfüllen und Vorgaben hinsichtlich des verfügbaren Bauraums, der Lebensdauer oder den Kosten nachzukommen, sind verschiedene Trennmechanismen und Apparateausführungen möglich. Derzeit eingesetzte Systeme variieren von einfachen Prallabscheidern bis hin zu komplexeren Systemen wie parallel geschalteten Miniaturzyklonen oder kleinskaligen Tellerseparatoren. Die Ringkammerzentrifuge ist ein modular, aus zylindrischen Elementen aufgebauter Zentrifugalabscheider, welcher im Vergleich zum Tellerseparator eine kompaktere Bauform besitzt und flexibler gestaltbar ist. Für die hier betrachtete Abscheidung von Kleinstpartikeln aus Gasströmungen existieren bislang keine allgemeinen Auslegungskriterien. Die für eine Auslegung notwendigen Zielgrößen Druckverlust und Abscheideleistung werden im Rahmen dieser Arbeit in Abhängigkeit der kleinskaligen Ausführung, den vorliegenden Betriebsbedingungen und eines Gas-Flüssig-Stoffsystems betrachtet. Zunächst wird das Strömungsfeld in der Zentrifuge untersucht. Dies ist notwendig, um zum einen das Abscheideverhalten der Aerosolteilchen vorherzusagen und zum anderen den Druckverlust in der Zentrifuge zu beschreiben. Für kleine Reynoldszahlen gelingt es das Strömungsfeld in der Zentrifuge analytisch zu beschreiben. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation und systematischer Parametervariation wird der Gültigkeitsbereich der analytischen Lösung für das Strömungsfeld analysiert und der Übergang zur turbulenten Strömung charakterisiert. Auf Basis dieser Berechnungen werden die Bewegungsgleichungen für ein Aerosolteilchen formuliert. Durch die Betrachtung der Bahnen einzelner Teilchen durch die Zentrifuge kann der Trenngrad berechnet werden. Eine integrale Berechnung des Trenngrades gelingt unter Verwendung eines Klärflächenansatzes in den Ringkammern und eines Impaktionsansatzes in den scharfkantigen Umlenkungen.
An einer Modellringkammerzentrifuge mit variabler Kammerzahl werden Druckverlust- und Trenngradmessungen vorgenommen und mit den Berechnungsmodellen verglichen. Die Trenngrade werden aus den Verteilungen der Aerosolteilchen im Roh- und Reingas ermittelt. Die Teilchenspektren werden mit Hilfe eines Relaxationszeitspektrometers und eines differentiellen Mobilitätsanalysators gekoppelt mit einem Kondensationskernzähler aufgenommen.
Die dimensionslose Darstellung des Druckverlustes über den Geometrie-, Stoff- und Betriebsparametern aus den Messungen und den Berechnungsmodellen liefert einen allgemeingültigen Zusammenhang, der eine Auslegung der Ringkammerzentrifuge hinsichtlich ihres Durckverlustes erlaubt. Der Vergleich von gemessenen und berechneten Trenngraden zeigt, dass je nach Betriebsbedingungen die Abscheidung in den Umlenkungen durch Impaktion oder die Abscheidung in den Ringkammern durch Rotation überwiegt. Mit dem reduzierten Abscheidemodell können beide Effekte gut abgebildet werden, so dass dieses Modell zur Auslegung des Trenngrades für eine kleinskalige Ringkammerzentrifuge zur Verfügung steht.
Abschließend wird noch der Einfluss der Koaleszenz von Aerosolteilchen auf die Abscheidung mit Hilfe der Populationsbilanzierung untersucht. Durch die Koaleszenz von feinen Aerosolteilchen zu Teilchen größeren Durchmessers kann die trägheitsbedingte Abscheideeffizienz erhöht werden. Mit einer analytischen und numerischen Lösung der Populationsbilanzen in der Ringkammerzentrifuge wird der Einfluss der Betriebsparameter der Zentrifuge auf das Koaleszenzverhalten ermittelt.
| Erscheint lt. Verlag | 30.4.2012 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Berichte aus der Verfahrenstechnik |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 219 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Naturwissenschaften ► Chemie ► Technische Chemie |
| Technik | |
| Schlagworte | Ölaerosol • Trenntechnik • Verfahrenstechnik |
| ISBN-10 | 3-8440-0953-1 / 3844009531 |
| ISBN-13 | 978-3-8440-0953-8 / 9783844009538 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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