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Gefahrstoffe- Reinhaltung der Luft - Ausgabe 6/2016

Konzept zur Modellierung und numerischen Berechnung von elektrostatischen Partikelabscheidern am Beispiel von Kleinfeuerungsanlagen

Im vorgestellten Modell zur Simulation eines elektrostatischen Partikelabscheiders (ESP) sind die grundlegenden physikalischen Vorgänge in einem ESP in gekoppelter Art und Weise berücksichtigt. Es wird auf der Basis der Navier-Stokes-Gleichungen und der Maxwell’schen Gleichungen erstellt und durch Partikellademechanismen ergänzt. Die Ionisierungsprozesse der Coronaentladung werden durch Kopplung der Poisson-Gleichung mit der Kontinuitätsgleichung für die Ladungsdichte beschrieben. Die Partikeldynamik beinhaltet das Schiller-Naumann-Drag-Modell für die strömungsseitigen Kräfte und für die elektrostatischen Kräfte infolge Partikelaufladung werden Diffusions- sowie Feldaufladung implementiert. Mittels benutzerdefinierter partieller Differentialgleichungen wird der ladungsbehaftete Poisson-Fall aufgesetzt. Die anfängliche Ladungsdichte auf der Elektrode wird durch die Stromdichte als Stellschrauben-Parameter auf die zu erwartende Corona-Onset-Feldstärke getrimmt. Das vorgestellte Konzept zur numerischen Berechnung wurde für den Testfall eines zylindrischen ESPs – wie er z. B. in Kleinfeuerungsanlagen Anwendung findet – hinsichtlich des elektrischen Feldes und der Ladungsdichte analytisch verifiziert. Das Verfahren ist numerisch robust und exakt. Die experimentelle Validierung ist aufgrund der hohen Gradienten der elektrischen Größen heikel. Für den Vergleich wurde das Konzept erfolgreich auf bereits bestehende Messwerte angewendet. Dieses Konzept kann nahtlos auf verwandte Anwendungsbereiche z. B. zur Effizienzsteigerung einer Pulverbeschichtungsanlage übertragen werden.

Modeling and numerical calculation concept for electrostatic precipitators

The presented model for the simulation of an electrostatic precipitator (ESP) represents the fundamental physical phenomena in an ESP in a coupled manner. It is based on Navier-Stokes and Maxwell‘s equations featuring particle charging processes. The corona discharge ionization process is implemented by coupling Poisson‘s equation to the continuity equation for space charge density. The particle dynamics involves Schiller-Naumann drag for the flow-related forces and the electrostatic forces resulting from particle charging are implemented by diffusion- and field-charging processes. By means of user-defined partial differential equations the charge-dependent Poisson case is placed. The initial space charge density on the emitting electrode is obtained by adjusting the current density as fitting parameter until the electric field on the electrode equals the expected corona-onset electrical field. The proposed concept for the numerical calculation is verified analytically by means of a wire-tube ESP test case – as applied in small furnaces, for example – taking the electric field and the space charge density distribution into account. The method is numerically robust and accurate. The experimental validation is tricky because of the high gradients of electrical quantities. For comparison, the concept has been successfully applied to existing measurements. This concept can seamlessly be transferred to related applications such as the efficiency increase of a powder coating plant.

Autor(en):
Rubinetti, D.; Weiss, D.; Egli, W.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
Gefahrstoffe- Reinhaltung der Luft 6/2016, Seite 203-207
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