Electric Conduction, Adhesion Forces and Discharge Processes in a Particle-Particle-Contact - Highly Resistive Materials
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes konnte das Wissen über das Verhalten von hochohmigen Partikel-Partikel-Kontakten bzw. Partikelschichten wesentlich erweitert und vertieft werden. Die wichtigsten Erkenntnisse aus Experimenten und theoretischen Arbeiten sind wie folgt: Der Stromtransport zwischen hochohmigen Partikeln bzw. durch hochohmige Partikelschichten hindurch ist durch ein ausgeprägt nicht-ohmsches Verhalten mit sehr starken Zeiteffekten gekennzeichnet. - Der an Staubschichten messbare spez. elektrische Widerstand ist über die Zeiteffekte hinaus stark abhängig von der Polarität der Spannung, von der Stromdichte, von der Schichtdicke sowie von der Geometrie der Messanordnung. - Der Stromtransport im Feststoff erfolgt über injizierte Ladungsträger (Elektronen, Löcher) und ist mit dem Aufbau hoher Raumladungsdichten verbunden. - Bei hochohmigen Staubschichten beweist die Abhängigkeit des spez. elektrischen Widerstands von der Gasdichte, dass die Gasphase immer einen wesentlichen Einfluss auf den Stromtransport hat – auch dann wenn die Partikeln im direkten Kontakt miteinander stehen. - Empirisch kann das elektrische Verhalten von hochohmigen Staubschichten basierend auf den Gleichungen für die Ladungsträger-Kinetik in Elektreten mittels eines vereinfachenden 1D-Kontinuums-Ansatzes vergleichsweise gut modelliert werden. - Für die Durchführung von Partikel-Partikel-Experimenten wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der eine hoch auflösende Messung von Stromstärke und Kraft in Abhängigkeit von der Zeit, dem Partikelabstand und der anliegenden Potentialdifferenz erlaubt. - Im Partikel-Partikel-Experiment sind für den Stromtransport über den Partikel- Partikel-Spalt je nach Feldstärke und Spaltabstand die Mechanismen Thermionische Emission, Thermionische Feldemission sowie Gasentladung nachweisbar. - Für das Partikel-Partikel-Experiment wurde unter Nutzung der Benutzeroberfläche und der Solver von OpenFOAM ein Simulationsprogramm entwickelt. Erste Ergebnisse zeigen eine qualitative Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden. - Die Kinetik-Parameter für den Ladungsträgertransport können bisher weder direkt gemessen werden, noch ist es möglich, diese durch eine direkte Inversion aus experimentellen Daten zu ermitteln. „Stand der Technik“ ist es, die Simulationsergebnisse unter Variation der Kinetik-Parameter an die experimentellen Daten anzupassen. Die im Rahmen des Projektes gefundenen theoretischen Grundlagen und die Simulationsalgorithmen erscheinen grundsätzlich geeignet, um ein weites Feld von elektrostatischen Partikel-Effekten besser zu verstehen und zu beschreiben. Z.B. gilt dies für: Rücksprühen im Elektroabscheider; Haftkräfte und Entladung von geladenen Teilchen beim Kontakt mit metallischen oder dielektrischen Oberflächen, z.B. beim elektrostatischen Sortieren oder in Elektretfaser-Filtern; Aufbau und Anhaftung von geladenen Staubschichten an metallischen oder anderen Oberflächen.
Publications
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A New Understanding of Electrical Conduction through Highly Resistive Dusts and the Mechanism of Back Corona in Electrostatic Precipitators. PARTEC 2013 Conference, April 23rd – 25th 2013 Nürnberg, ISBN 978-3-00-040578-5
Riebel, U.; Aleksin, Y.; Vora, A: L.
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Das Verhalten hochohmiger Stäube. Chemie Ingenieur Technik 85 (2013) no 3, S. 235-244
Riebel, U.; Aleksin, Y.; Vora, A: L.
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Experimental study and numerical modelling of a microscopic level charge transport in high resistive single particle-particle contact and contact gap. PARTEC 2013 Conference, April 23rd – 25th 2013 Nürnberg. ISBN 978-3-00-040578-5
Vora, A. L.; Riebel, U.
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A new approach for the electrostatic precipitation of highly resistive dusts. PARTEC 2016, Nürnberg, ISBN 978-3-18-092283-6, S. 243
Aleksin, Yury; Riebel, Ulrich; Kurtsiefer, Rolf
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A new approach for the electrostatic precipitation of highly resistive dusts. ProcessNet 2016 / Gasreinigung, 17.-18.02.2016 Duisburg
Aleksin, Y.; Vora, A.L.; Riebel, U.
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A new understanding of electric conduction in highly resistive dusts and bulk powders. Powder Technology (294) 2016, 353-364
Aleksin; Y., Vora, A.L.; Riebel, U.
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Experimental study and numerical modelling of a microscopic level charge transport in highly resistive dust layers. PARTEC 2016, Nürnberg, ISBN 978-3-18-092283-6, S. 79
Vora, A.L.; Riebel, U.
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Experimental study of charge transport in highly resistive single particle-particle contact and contact gap. PARTEC 2016, Nürnberg, ISBN 978-3-18-092283-6, S. 379
Stepputat, J.; Vora, A.L.; Riebel, U.
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Non-ohmic properties of highly resistive dust layersexperimental studies and numerical modelling under OpenFOAM. “ICESP XIV. International Conference on Electrostatic Precipitation 2016”, Wroclaw, Polen, 19.-23.09.2016
Riebel, U.; Aleksin, Y.; Vora, V.
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Abscheidung hochohmiger Stäube in einem Elektrofilter mit niederfrequenter Wechselspannung. Chem. Ing. Tech. 89 (2017) no 9, S. 1174 – 1184
Aleksin, Yury; Riebel, Ulrich; Kurtsiefer, Rolf; Ribbeck, Jörg
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Force and Current in a Contact Gap between Single Highly Resistive Particles: Experimental Observations. Journal of Physics Communications 3 (2019) 095001
Vora, A.L., Stepputat, J., Riebel, U.
