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Agglomeration und Belagbildung in pulverhaltigen Gasströmungen unter dem Einfluss elektrischer und thermophoretischer Kräfte

 

Dr.-Ing. Lars Reime

 

Der Transport, das Abscheiden und das Konditionieren von Pulvern aus festen feinsten Partikeln ist für viele technische Anwendungen bedeutsam. Hierzu zählen das Verpressen zu Agglomeraten, das Mischen, das Aufbringen von Deckschichten auf metallische Oberflächen sowie das Kühlen oder das Erwärmen der dispergierten Pulver für Zwecke der Partikelvergrößerung durch Desublimation. Wird ein Aerosol während des Durchströmens eines Rohres abgekühlt, so unterliegt die Bewegung der Partikeln den Kräften eines Temperaturfeldes. Die Partikeln werden aufgrund dieser thermophoretischen Kraft in Richtung der Rohrwand beschleunigt und bleiben an dieser haften. Um das Haften der Partikeln an der Rohrwand zu verhindern, werden die Partikeln mit Hilfe der Koronaentladung unipolar aufgeladen, so dass auf die Partikeln mit Hilfe eines dem Temperaturfeld überlagerten elektrischen Feldes eine Kraft in Richtung zur Rohrmitte wirkt.
Die experimentellen Untersuchungen werden in einem doppelwandigen Glasrohr durchgeführt. Durch den Ringspalt zwischen der inneren und äußeren Rohrwand strömt Kühlwasser. Das Partikel-Gasgemisch strömt laminar in das innere Rohr ein. Die Eintrittstemperatur des Gemisches wird zwischen 293 und 423K variiert. Auf der Innenwand des inneren Rohres ist eine transparente elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die geerdet wird. Entlang der Rohrachse wird ein Draht gespannt, so dass mit Hilfe eine elektrischen Feldes zwischen dem Draht und der leitenden Schicht auf die Partikeln eine elektrische Kraft ausgeübt werden kann. Mit Hilfe der elektrischen Kraft werden die Partikeln in Richtung der Rohrachse beschleunigt. Somit wird der thermophoretischen Kraft die elektrische Kraft so überlagert, dass ein Abscheiden der Partikeln an der Rohrwand verhindert wird. Mit Hilfe der Lichtschwächung wird das Abscheiden der Partikeln an der Rohrwand quantitativ gemessen. Dazu wird das Messrohr von einem Infrarotlichtstrahl senkrecht durchstrahlt. Dieser wird an einem Spiegel reflektiert und die Intensität des zurückkommenden Lichtes wird gemessen. Aus der Lichtschwächung wird der an der inneren Rohrwand abgeschiedene Partikelmassenstrom berechnet. Die experimentellen Untersuchungen werden mit und ohne überlagertem elektrischem Feld durchgeführt. In Bild 1 ist die Masse der an der Rohrwand abgeschiedenen Partikeln in Abhängigkeit von der Zeit und der Drahtspannung dargestellt. Der Durchmesser der Partikeln ist 1µm, die Partikelanzahlkonzentration am Rohreintritt ist 1/m³ und die Eintrittstemperatur des Partikel-Gasgemisch beträgt 373K. Mit zunehmender Drahtspannung wird der Partikelmassenstrom an die Rohrwand geringer. Für eine Spannung von 300V wird die Abscheidung um 90% reduziert.

                                                              Bild 1: Vergleich der Abscheidung der Partikeln an der Rohrwand