technische universität münchen

171 Pages·2012·19.48 MB·German

TECHNISCHE UNIVERSIT˜T M(cid:220)NCHEN
Institut f(cid:252)r Wasserchemie und Chemische Balneologie
Lehrstuhl f(cid:252)r Analytische Chemie
Untersuchungen zur Aerosolabscheidung in
AGR-W(cid:228)rmetauschern
Gabriele Theresia Maria H(cid:246)rnig
Vollst(cid:228)ndiger Abdruck der von der Fakult(cid:228)t f(cid:252)r Chemie der Technischen Universit(cid:228)t
M(cid:252)nchen zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kai-Olaf Hinrichsen
Pr(cid:252)fer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Reinhard Nie(cid:255)ner
2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister
Die Dissertation wurde am 31.01.2012 bei der Technischen Universit(cid:228)t M(cid:252)nchen
eingereicht und durch die Fakult(cid:228)t f(cid:252)r Chemie am 17.04.2012 angenommen.

Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von Oktober 2008 bis Januar 2012 am
Lehrstuhl f(cid:252)r Analytische Chemie der Technischen Universit(cid:228)t M(cid:252)nchen unter der
Leitung von Herrn Univ.-Prof. Dr. Reinhard Nie(cid:255)ner. Die Arbeit wurde (cid:28)nanziell
von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (Projekte Nr. 966 und
Nr. 1048) gef(cid:246)rdert.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Reinhard Nie(cid:255)ner f(cid:252)r die M(cid:246)glichkeit,
dieses(cid:228)u(cid:255)erstinteressanteThemaanseinemsehrvielseitigundinterdisziplin(cid:228)rorien-
tierten Institut erfolgreich zu bearbeiten. Durch sein entgegengebrachtes Vertrauen
gab er mir den Freiraum, selbstst(cid:228)ndig an der mir (cid:252)bertragenen Thematik zu arbei-
ten, wobei seine T(cid:252)r jederzeit f(cid:252)r Fragen o(cid:27)en stand.
Die Arbeit stellt das Ergebnis einer Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl f(cid:252)r Ver-
brennungskraftmaschinenderTechnischenUniversit(cid:228)tM(cid:252)nchendar.Darumgeb(cid:252)hrt
meinem dortigen Kollegen Peter V(cid:246)lk ein gro(cid:255)es Dankesch(cid:246)n f(cid:252)r die viele Hilfe, die
unz(cid:228)hligen Diskussionen und das Basteln w(cid:228)hrend der gesamten Dauer meiner Pro-
motion. Auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister m(cid:246)chte ich herzlich danken
f(cid:252)r die Nutzung der Infrastruktur seines Lehrstuhls, seine wertvollen Anregungen
und seine Bereitschaft als Zweitpr(cid:252)fer der vorliegenden Arbeit aufzutreten.
Den Herren Dr. Frank Kr(cid:228)mer und Ralf Thee sowie dem gesamten Arbeitskreis
der FVV-Projekte danke ich f(cid:252)r die Aufmerksamkeit und Anregungen w(cid:228)hrend der
Prokjektsitzungen und die Unterst(cid:252)tzung in allen organisatorischen Fragen.
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Bei Martin M(cid:252)hlbauer und Burkhard Schillinger von der Forschungsneutronenquelle
Heinz-Maier-Leibnitz (FRM II) bedanke ich mich f(cid:252)r die Unterst(cid:252)tzung bei der
Durchf(cid:252)hrung und Auswertung der Experimente an der Einrichtung ANTARES.
Meinen KollegInnen aus der Aerosolgruppe Henrike Bladt, Dr. Markus Knauer,
Dr.MatteoCarrara,JohannesSchmid,Jan-ChrisophWolfundBenediktGrobm(cid:246)ch-
te ich f(cid:252)r die angenehme Arbeitsatmosph(cid:228)re, zahlreiche richtungsweisende Diskus-
sionen und das Aushalten meiner Launen meinen Dank aussprechen.
SusannaMahlerdankeichdaf(cid:252)r,dasssieallemeineFragenimmergernebeantwortet
und mich bei Laborarbeiten unterst(cid:252)tzt hat. Frau Birgit Apel danke ich f(cid:252)r die
Durchf(cid:252)hrung der Sulfatbestimmungen. Ein weiteres gro(cid:255)es Dankesch(cid:246)n geb(cid:252)hrt
Sebastian Wiesemann, Roland Hoppe sowie Julius El Masry f(cid:252)r die hervorragenden
Fertigungsarbeiten und jegliche Unterst(cid:252)tzung den Pr(cid:252)fstand betre(cid:27)end.
Allen anderen KollegInnen, u.a. Maria Knauer, Xaver Karsunke, Susanna Oswald,
Kathrin Schwarzmeier, Susanne Huckele und Klaus Wutz, danke ich daf(cid:252)r, dass sie
mehr sind, als nur Kollegen, neben denen nur so dahin gearbeitet wird. Allen nicht
namentlich erw(cid:228)hnten Kollegen danke ich f(cid:252)r die hervorragende Arbeitsatmosph(cid:228)re
am Institut und den Ka(cid:27)ee.
DenStudentenHeinrichBirndorfer,BettinaKiwull,GabrielFischer,TimonGeppert,
Sebastian Weiker, Sebastian Wohlfahrt, Claudia Hille, Patrick K(cid:246)llner und Markus
Hager,dieerfolgreicheineStudienarbeitanfertigtenoderihrPraktikumuntermeiner
Anleitung absolvierten, danke ich f(cid:252)r ihren Beitrag zum Gelingen dieser Arbeit.
Last but not least geb(cid:252)hrt meiner Familie mein herzlichster Dank daf(cid:252)r, dass ich
mich immer auf ihre F(cid:246)rderung und Unterst(cid:252)tzung verlassen konnte.
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Ver(cid:246)ffentlichungen
Wesentliche Teile dieser Arbeit wurden bereits ver(cid:246)(cid:27)entlicht.
H(cid:246)rnig, G., V(cid:246)lk, P., Wachtmeister, G. und Niessner, R.; Fouling of EGR Heat Ex-
changers (cid:21) Investigation of Mechanisms Involved in Soot Particle Deposition, Pro-
th
ceedings of the 9 Heat Exchanger Fouling and Cleaning Conference, Crete Island,
Greece; 7 Seiten, 2011
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Wenn die Wissenschaft ihren Kreis durchlaufen hat, so gelangt sie nat(cid:252)rlicher Weise
zu dem Punkte eines bescheidenen Mi(cid:255)trauens, und sagt, unwillig (cid:252)ber sich selbst:
Wie viele Dinge gibt es doch, die ich nicht einsehe.
Immanuel Kant

Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
1 Einleitung und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Dieselabgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Europ(cid:228)ische Abgasgesetzgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Abgaszusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 Ru(cid:255)partikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 Unverbrannte Kohlenwassersto(cid:27)e . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Schwefels(cid:228)ure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.4 Sticksto(cid:27)oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.5 Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.6 Sonstige Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Ma(cid:255)nahmen zur Schadsto(cid:27)reduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Abgasr(cid:252)ckf(cid:252)hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Weitere Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Fouling von AGR-K(cid:252)hlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 De(cid:28)nition Fouling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Auswirkungen des K(cid:252)hler-Foulings . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Ablagerungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.1 Di(cid:27)usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.2 Sedimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.3 Elektrostatische Abscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
I
Inhaltsverzeichnis
2.5.4 Kondensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.5 Di(cid:27)usiophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.6 Thermophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.7 Impaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.8 Interzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.9 Ein(cid:29)uss des Str(cid:246)mungszustandes . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.10 Anwendungen der Partikelabscheidung . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Die Ablagerungsschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.1 Reduktion des Schichtwachstums durch isolierenden E(cid:27)ekt . . 28
2.6.2 Wiederabl(cid:246)sung der Ablagerungsschicht . . . . . . . . . . . . 29
2.6.3 Eigenschaften der Ablagerungsschicht . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Experimenteller Teil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 Modellgaspr(cid:252)fstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.2 Modellk(cid:252)hler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.3 Ru(cid:255)erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.4 Aerosolcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.5 Erzeugung unterschiedlich zusammengesetzter Aerosole . . . . 37
3.2 Chemische Charakterisierung verschiedener Ru(cid:255)proben . . . . . . . . 39
3.2.1 Probenahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Coulometrische Kohlensto(cid:27)bestimmung . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.3 Charakterisierung der K(cid:252)hlerablagerungen . . . . . . . . . . . 44
3.2.4 Charakterisierung mittels Raman-Spektroskopie . . . . . . . . 44
3.2.5 Neutronenradiographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Bestimmung Kondensatmassenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Ablagerungsexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 Bestimmung der partikelgr(cid:246)(cid:255)enabh(cid:228)ngigen Abscheidee(cid:30)zienz . . . . 52
3.5.1 Gr(cid:246)(cid:255)enabh(cid:228)ngige Abscheidee(cid:30)zienz . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.2 Erzeugung monodisperser Aerosole . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.3 Versuchsbedingungen und Versuchsdurchf(cid:252)hrung . . . . . . . 55
3.5.4 Ortsaufgel(cid:246)ste Bestimmung von Partikelkonzentration und
Abscheidee(cid:30)zienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
II