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Electrostatic precipitators (ESPs) belong to the most efficient devices for control of particle emissions in the process industry and environmental technologies in general. The operating principle of ESPs, relying on particle precipitation by electrical charging, leads to an enhanced turbulent motion by electrohydrodynamic (EHD) effects within the gaseous working fluid passing through the ESP. This enhanced turbulence is generally considered detrimental to the separation efficiency, because the additional shear forces acting on the collection electrodes promote re-entrainment of already precipitated particles. Further, the enhanced turbulent cross mixing diminishes the transport of charged particles by electric forces directed towards the collection electrodes. In other industrial applications however, many process units that are based on heat or mass transport would benefit from enhanced turbulent mixing. These include heat exchangers for energy recuperation or evaporation and absorption units such as flue gas scrubbers. A combination of these with an ESP possibly allows for versatile new applications in the process industry.
The motivation of this thesis is to study the effects of electrohydrodynamically generated motions onto the turbulent cross mixing within gaseous flows over a wide parameter space including variations in geometry and operating conditions. In order to do so, the influence of EHD effects on the three major transport properties, i.e. thermal energy, mass and momentum, were experimentally investigated. Based on analogies caused by similar transport mechanisms, the experimental results were compared despite different methods being used. In order to help with the comparison a simplified eddy viscosity model is applied.
The study for each transport property was conducted with a different setup of a tube type ESP. These setups include axial and radial pressure drop measurements to quantify the momentum transport, a self-built local heat transfer sensor to determine heat transfer coefficients and a wetted wall-column to study the enhancement of mass transport phenomena. Experiments on momentum and heat transport include a large variation of different geometries and operating variables such as discharge electrode design, tube diameter, flow velocity, as well as magnitude and polarity of operating voltage. In addition, selected measurements with aerosol particles were conducted, to gain additional insights on the effects of EHD induced turbulence generation by particle bound space charge compared to ion bound space charge in clean gas flows.
The results do not only provide transport coefficients for the hands-on application by plant designers, but also feature numerous experimental data that can be used as reference values for ongoing research in the numerical simulation of electrohydrodynamically enhanced flow and therefore significantly increase the available amount of data provided by current literature.
Autogene Raumladungsgetriebene Abscheidung (ARA) ist ein neuartiges mehrstufiges Elektrofilter-Prinzip, das bei hohen Aerosolkonzentrationen eingesetzt werden kann und eine sehr energieeffiziente Abscheidung mit geringer Ozonproduktion gewährleisten kann. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Auslegung, Erprobung und Optimierung von ARA-Laboranlagen sowie eines ARA-Prototyps. Abscheidegrade von über 99,5% werden bei einem Energieverbrauch von 20 J/m³ erzielt, was um eine Größenordnung niedriger als bei konventionellen Elektroabscheidern ist. Die Selbstentladung der Aerosole wird untersucht. Die Selbstentladung kommt in mehrstufigen Elektroabscheider-Konstruktionen, die bei hohen Aerosolkonzentrationen eingesetzt werden vor, führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Abscheideleistung und bleibt oft von den Anlagenbetreibern unbemerkt.
Unter Korona-Quenching versteht man die Verringerung der Stromaufnahme eines Elektroabscheiders unter dem Einfluss teilchengebundener Raumladung. Die theoretische Untersuchung dieses Betriebszustandes im Rohr-Draht-Elektroabscheider und die experimentelle Validierung der Vorhersagen sind Inhalt der Arbeit. Theoretisch wird das Korona-Quenching anhand unterschiedlich komplexer Modelle untersucht, die auf der Bilanzierung der teilchengetragenen Raumladung beruhen. Es zeigt sich dabei, dass der Elektroabscheider eine geometrieabhängige maximale Abscheiderate besitzt, die im gequenchten Zustand erreicht wird. Wegen der geringen Stromaufnahme erfolgt die Abscheidung hier besonders energieeffizient. Die vorgestellten Berechnungsmethoden erlauben eine Optimierung von Elektroabscheidern für hohe Teilchenkonzentrationen. Der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen im jeweils beanspruchten Gültigkeitsbereich.