Tässä diplomityössä suoritetuissa puhallusvaraajan toimintaa selvittäneissä mittauksissa havaittiin, että puhallusvaraajan ionituotto parantui koko mittausalueella sekä painetta että jännitettä kasvatettaessa. Havaittiin myös, että paras ionituoton hyötysuhde koronavirtaan verrattaessa saadaan, kun puhallusvaraajaan syötettävän ilman ylipaine on yli kolme baria. Tutkittaessa puhallusvaraajan toimintaa sen puhaltaessa savukaasuvirtaukseen havaittiin sen imevän savukaasua sisäänsä ja likaantuvan.
Likaantumista pyrittiin estämään suuttimen tulpan reikää muuttamalla, mutta vaikka reiän pienentäminen hidastikin likaantumista, niin sitä ei millään reiän muodolla saatu täysin loppumaan. Likaantuminen saatiin loppumaan täysin puhallusvaraajan suppiloon koronaneulan viereen poratulla lisäreiällä, mutta tämän ratkaisun ongelmaksi muodostui noin 40 prosentilla lisääntynyt tilavuusvirtaus. Käytännössä puhallusvaraajan käyttöpaineen ja –jännitteen sekä lisäreiän järkevyyden ratkaisevat kuhunkin sovellukseen käytettävissä olevat kompressorit ja jännitelähteet sekä niiden hinnat.
Mittaus 1:ssä hiukkasgenerointi tuotti pitoisuudeltaan luokkaa 7∙106 hiukkasta/cm3 olleen hiukkaskokojakauman, jonka huippu oli 0,2-0,3 mikrometrin välillä. Puhallusvaraajien aikaansaamaa hiukkasten varautumista kuvaa keskimääräinen varausluku. Se oli 0,044-1,3 mikrometrin kokoisille hiukkasille 0,3-34,5 alkeisvarausta/hiukkanen nousten likipitäen lineaarisesti hiukkasen koon kasvaessa.
Varausluvun yhteydessä on muistettava, että kaikkein parhaiten varautuneet hiukkaset olivat jo tilavarauksen vuoksi keräytyneet ennen ELPI:ä. Keräystehokkuusmittauksessa havaittiinkin pelkkien puhallusvaraajien aiheuttavan hiukkasista noin neljäsosan keräytymisen. Keräimen jännitettä kasvatettaessa päästiin parhaimmillaan hiukan yli 80 prosentin keräystehokkuuteen. Tämä ei ole voimalaitosten sähkösuodattimiin verrattaessa korkea keräystehokkuus, mutta laitteen kompaktin koon huomioon ottaen erittäin hyvä tulos. Jännitteen kasvattaminen neljästä kuuteen kilovolttiin ei tuonut enää keräystehokkuuteen kuin alle neljän prosenttiyksikön parannuksen, joten keräystehokkuuden pysyminen hyvänä ei vaadi maksimijännitteen käyttämistä.
Keräystehokkuus mittauksissa nähtiin myös, että parhaiten varautuivat ja keräytyivät suurimmat yli mikrometrin kokoiset hiukkaset ja huonoiten pienet alle 0,1 mikrometrin kokoiset hiukkaset. Tämä on siinä mielessä yllättävää, että puhallusvaraaja varaa hiukkasia diffuusiovarautumisella ja sen aikaansaama sähköinen liikkuvuus pitäisi olla parhaimmillaan pienillä alle 0,1 mikrometrin kokoisilla hiukkasilla. Yksi selittävä tekijä huonoon keräystehokkuuteen pienillä hiukkasilla voi olla mahdollinen koronapurkaus keräyslevyjen etuosassa, jonka seurauksena pienet suuren sähköisen liikkuvuuden omaavat hiukkaset olisivat keräyslevylle tullessaan neutraloituneet ja tempautuneet
takaisin savukaasuvirtaukseen. Mahdollisen koronapurkauksen olemassaolon ja syyn selvittäminen vaatisivat jatkotutkimuksia.
Mittaus 2:ssa suodatetut hiukkaset syntyivät laivanmoottorissa ja hiukkaskokojakauma oli muodoltaan jonkin verran erilainen kuin Mittaus 1:ssä.
Mittauksessa olleiden ongelmien vuoksi tulosten laskennassa käytettiin vain kooltaan välillä 0,1-1,0 mikrometriä olleiden hiukkasten pitoisuuksia. Puhallusvaraajien sijoitteluun Mittaus 1:n jälkeen tehdyillä muutoksilla saatiin niiden tuottamaa keskimääräistä varauslukua nostettua hiukkaskoosta riippuen jopa 70 prosenttia. Tämän muutoksen vaikutusta keräystehokkuuteen ei kuitenkaan mittauksessa olleiden ongelmien vuoksi ole mahdollista arvioida. Vaikutuksen selvittämiseksi tarvittaisiin ehkä uusi laboratoriossa suoritettu mittaus Suula-keräimellä. Lisäksi puhallusvaraajien välillä niiden varaustehokkuudessa havaittiin näissä mittauksissa olevan jopa lähes 40 prosentin eroja, mikä on yllättävää siinä mielessä, että puhallusvaraajat oli valmistettu teollisesti samoilla mitoilla. Todennäköisesti tämä tulos kertoo siitä, että pienetkin muutokset puhallusvaraajan mitoissa aiheuttavat suuria muutoksia siitä ulos saatavaan ionipitoisuuteen. Mittaus 2:ssa suoritetuissa keräystehokkuusmittauksissa saadut kokonaiskeräystehokkuudet olivat noin 60 prosentin luokkaa, mikä on huomattavasti alempi kuin Mittaus 1:ssä saatu keräystehokkuus. Tämä voi kuitenkin johtua mittauksessa olleista ongelmista. Lisäksi Mittaus 2:ssa saatu keräystehokkuus hiukkaskoon funktiona oli ristiriidassa Mittaus 1:n tuloksen kanssa, sillä keräystehokkuus ei noussut, vaan laski hiukkasen koon kasvaessa. Ero oli erittäin merkittävä, sillä Mittaus 1:ssä esimerkiksi 0,82 mikrometrin kokoisten hiukkasten keräystehokkuudeksi saatiin yli 80 prosenttia ja Mittaus 2:ssa alle 40 prosenttia. Tämän eron varmentamiseksi ja mahdollisesti selvittämiseksi tarvittaisiin uusi paremmin suunnitellulla laimennuksella suoritettu kenttämittaus.
Mittaus 3:ssa käytettiin hiukkasgenerointiin samaa laitetta kuin Mittaus 1:ssä ja se tuotti pitoisuudeltaan luokkaa 2,5∙107 hiukkasta/cm3 olleen hiukkaskokojakauman, jonka huippu oli 0,2-0,3 mikrometrin välillä. Hiukkaspitoisuuden erosta huolimatta yhden puhallusvaraajan kohtaama kokonaishiukkaspitoisuus ja myös saavutettu varausluku oli samaa luokkaa kuin Mittaus 1:ssä. Kokonaiskeräystehokkuudeksi prototyyppikeräimellä saatiin parhaimmillaan noin 70 prosenttia, mikä oli erittäin hyvä tulos, kun otetaan huomioon keräimen vaatimaton keräyspinta-ala ja hiukkasten viipymäaika keräyslevyn lähettyvillä. On huomattava, että prototyyppikeräintä pystyttäisiin lyhentämään tässä työssä olleesta pituudesta huomattavasti ilman, että keräysosio lyhenisi tai keräystehokkuus heikkenisi. Pidemmälle kehitettäessä keräyslevy kannattaisi vaihtaa pystysuunnassa olevaksi, jotta puhdistaminen olisi hoidettavissa helpommin.
Tässä työssä tehdyistä mittauksista onnistuivat hyvin kaikki muut paitsi Wärtsilän tehtaalla suoritettu Mittaus 2. Mahdollisissa myöhemmin tulevissa kenttämittauksissa onkin kiinnitettävä huomiota siihen, että laimennus hoidetaan ennen suodatinta riittävän kaukana, jotta hiukkaskokojakauma on ehtinyt stabilisoitua. Työssä tehdyt mittaukset tuottivat paljon kokeellista ja käytännöllistä tietoa puhallusvaraajien ja
sähkösuodattimen toiminnasta ja mitoituksesta. Työn aikana kävi ilmeiseksi, että puhallusvaraajien perään sijoitettava keräysosio on suunniteltava ja mitoitettava erikseen jokaiseen käytännön sovelluskohteeseen, vaikka kokonaisuuden perusajatus voidaankin pitää samana. Jos työn aikana laboratoriossa suodattimelle mitatut keräystehokkuudet pystytään siirtämään todelliseen tilanteeseen, niin tuloksena on varteenotettava pienhiukkassuodatin. Tämä vaatisi kuitenkin sitä, että keräimeen liittyvää suunnittelua ja mittauksia pitäisi pystyä edelleen jatkamaan.
LÄHTEET
1. Fuchs, N. A. The Mechanics of Aerosols. Oxford 1964, Pergamon Press. 408 p.
2. Talka, I. Pienpolton hiukkasten sähköinen suodattaminen. Pro Gradu –tutkielma.
Jyväskylä 2006. Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos. 82 s.
3. Kittelson, D. Engines and Nanoparticles: A Review. Journal of Aerosol Science 29 (1998) 5/6, pp. 575-588.
4. Tissari, J., et al. Puun pienpolton pienhiukkaspäästöt. Loppuraportti (PIPO). Kuopio 2005. Kuopion yliopiston ympäristötieteiden laitosten monistesarja.
5. Hirvelä, M. Hiukkasten varautuminen teollisissa sähkövaraajissa. Diplomityö.
Tampere 2009. Tampereen teknillinen yliopisto. 72 s. + 6 liitesivua
6. Hinds, W. Aerosol Technology: properties, behavior and measure of airborne particles, USA 1999, John Wiley & Sons, Inc. 483 p.
7. Baron, P. A. & Willeke, K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. 2nd edition. USA 2001. John Wiley & Sons. 1144 p.
8. Asmi, A. Ulkoilman pienhiukkaspitoisuuden vaikutus sisäilman pitoisuuksiin. Pro gradu –tutkielma. Helsinki 2000. Helsingin yliopisto. 80 s.
9. Rönkkö, T., Virtanen, A., Vaaraslahti, K., Keskinen, J., Pirjola, L. & Lappi, M.
Effect of dilution conditions and driving parameters on nucleation mode particles in diesel exhaust: Laboratory and on-road study. Atmospheric Environment 40 (2006) 2893–2901.
10. Seinfeld, J.H. & Pandis, S.N. Atmospheric chemistry and physics - From air pollution to climate change. New York. 1998. John Wiley & Sons Inc.
11. Ålander, T. Palamishiukkasten orgaanisen ja epäorgaanisen hiilen analyysi.
Lisensiaattitutkimus. Kuopio 2000. Kuopion yliopisto, ympäristötieteiden laitos.
Kuopion yliopiston ympäristötieteiden laitosten monistesarja. 145 s.
12. Zevenhoven, C.A.P. Particle Charging and Granular Bed Filtration for High Temperature Application. Ph.D. Thesis. Delft University Press 1992. Delft University of Technology. 288 p.
13. Millikan, R.A. The Isolation of an ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law. Physical Review 32(1911)4, pp. 349-397.
14. Parker, K.R. Applied Electrostatic Precipitation. UK 1997. Blackie Academic &
Professional. 519 p.
15. White, H.J. Industrial electrostatic precipitation. USA 1963. Addison-Wesley publishing Company inc. 375 s.
16. Cochet, R. Lois de Charges des Fines Particules (submicronique) Etudes Théoretiques-Controles Récents Spectre de Particules. Colloque International – La Physique des Forces Electrostatiques et Leurs Applications. Centre National de la Recherche Scientifique, Paris 1961.
17. Wiedensohler, A. An Approximation of the Bipolar Charge Distribution for Particles in the Submicron Size Range. Journal of Aerosol Science 19(1988)3, pp. 387-389.
18. Lawless, P.A. Particle charging bounds, symmetry relations, and an analytic charging rate model for the continuum regime, Journal of Aerosol Science 27(1996)2 pp. 191-215.
19. Fisk, W.J., Spencer D.T., Grimsrud F.J., Pedersen B. & Sextro R. Indoor Air Quality Control Techniques. USA 1987. Noyes Data Corporation. 245 p.
20. Karjalainen, K. ESP:n varaajan suunnittelu pienpolttoon. Diplomityö. Tampere 2010. Tampereen teknillinen yliopisto. 87 s.
21. Kleefsman, W.A. & van Gulijk, C. Robust method to compare aerosol charges.
Journal of Aerosol Science 39(2008)1. pp. 1-9.
22. Liu, B.Y.H. & Pui, D.Y.H. Aerosol Charging and Neutralization and Electrostatic Discharge in Clean rooms. The Journal of Environmental Sciences, March/April 1987.
pp. 42-46.
23. Lehtimäki, M. Electrostatic Precipitators Fundamentals, Industrial Ventilation Design Guide Book. 2000. VTT Automation.
24. Bazelyan, E.M. & Raizer, Y.P. Spark discharge. Boca Raton 1998. CRC Press.
294 s.
25. Loeb, L.B. & Meek, J.M. The mechanism of the electric spark. Stanford University press 1941.
26. Oglesby, S. Jr. & Nichols, G.B. Electrostatic Precipitation. USA 1978. Marcel Dekker, Inc. 483 p.
27. Shames, I.H. Mechanics of fluids. 3rd, international edition. New York 1992.
McGraw-Hill. 858 s.
28. Strauss W. Industrial Gas Cleaning: The Principles and Practise of the Control of Gaseous and Particulate Emissions. Oxford 1975. Pergamon Press. 621 p.
29. Hautanen, J. Sähkösuodattimet voimalaitoksilla, erityisesti rikinpoiston yhteydessä.
Lisensiaattityö. Tampere 1991. Tampereen teknillinen korkeakoulu, Raportti 5-91.
194 s.
30. Choi, D.H. Experimental study of ash layer rapping and re-entrainment from the collector plates of a laboratory-scale electrostatic precipitator. Ph.D. Thesis. USA 1991.
Stanford University.
31. Grady, B. & Nichols, S. Jr. The Significance of the Particle Charging Time in Electrostatic Precipitation. Birmingham, Alabama, USA 1970.
32. Domingo, J., Häkkinen, P., Kallioniemi, V. & Kääriäinen, J. Exhaust gas boiler fouling and soot removal investigation in HFO diesel engine plants. Espoo 2002, Helsinki University of Technology. Ship Laboratory. Report M-268. 103 p. + appendices 23 p.
33. Moisio, M. Palamisaerosolien kokojakaumien mittaaminen sähköisellä alipaineimpaktorilla. Lisensiaattityö. Tampere 1997. Tampereen teknillinen korkeakoulu.
34. Kemenade, E. Aerosol and Particle Transport in Biomass Furnaces. Eindhoven University of Technology. Thermo Fluids Engineering [WWW] [Viitattu 22.8.2011]
Saatavilla: http://www.ieabcc.nl/meetings/task32_Graz_aerosols/09_Kemenade.pdf 35. Thun, R. & Korhonen, M. SIHTI 2, Energia- ja ympäristöteknologia.
Tutkimusohjelman vuosikirja 1998, Projektiesittelyt. Espoo 1999. VTT Symposium 191. 487 s.
36. Keskinen, J., Pietarinen, K. & Lehtimäki, M. Electrical low pressure impactor.
Journal of Aerosol Science 23 (1992) 353-360.
37. Virtanen, A. Physical Characterization of Diesel Soot Particles. Väitöskirja.
Tampere 2004. Tampereen teknillinen yliopisto. 63 s.
38. Marjamäki, M., Keskinen, J., Chen, D. & Pui, D.Y.H. Performance Evaluation of the Electrical Low-Pressure Impactor (ELPI). Journal of Aerosol Science 31(1999)2.
pp. 249-261.