Experimentelle Untersuchungen zur Partikelrückhaltung in Flüssigkeitsvorlagen

Abstract

Der vorliegende Bericht ist der zweite Technische Fachbericht zum Forschungsvorhaben „Analytische und experimentelle Untersuchungen zur Partikelrückhaltung in Flüssigkeitsvorlagen” (APVOR), welches vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV 1501618) gefördert und von der Arbeitsgruppe Plant Simulation and Safety an der Ruhr-Universität Bochum bearbeitet wird. In diesem Bericht werden die im Rahmen des Vorhabens durchgeführten Pool Scrubbing Versuche beschrieben und analysiert. Im Rahmen der hier durchgeführten Versuche konnte gezeigt werden, dass der Einfluss der Gastemperatur für die gewählten Randbedingungen im Bereich der Aerosolabscheidung tatsächlich einen eher untergeordneten Einfluss zu haben scheint. Allerdings zeigt sich eine positive Korrelation zwischen der Pooltemperatur und der Abscheideeffizienz: In den hier durchgeführten Experimenten mit Stickstoff als Einspeisegas steigt entgegen bisherigen Untersuchungen in der Literatur mit einer Erhöhung der Pooltemperatur auch die Abscheidung. Der Einfluss der Abscheidung durch Kondensation ist deutlich höher als die höhere Abscheidung durch eine veränderte Pooltemperatur. Auch die Relation des Einflusses der Gastemperatur zum Einfluss der Wasserüberdeckung auf die Partikelabscheidung konnte bestimmt werden. Die durch nasse Resuspension wieder freigesetzten Partikel wurden nach Größenklassen aufgeschlüsselt gemessen. Dabei zeigte sich, dass die Partikeldurchmesser 0,01 μm, 0,2 μm sowie 2 μm für das CsI bevorzugt wiederfreigesetzt werden. Auf diese drei Partikelgrößen entfielen ca. 56 % der wiederfreigesetzten CsI-Masse. Für das SnO2 zeigte sich, dass bereits nach einer Stunde des Wiederaufsiedens, die durch das Pool Scrubbing erzielte Abscheideeffizienz von ca. 64 % für Partikel mit dem Durchmesser von 0,03 μm auf ca. 50 % abgefallen ist. Es kann daher nicht davon ausgegangen werden, dass nicht-lösliche Partikel in einer Flüssigkeitsvorlage wegsedimentieren und daher bei einem Wiederaufsieden der Flüssigkeitsvorlage vernachlässigbar sind. Die im Rahmen der nassen Resuspension insbesondere beachtenswerten Submikronpartikel wurden in den hier durchgeführten Experimenten in nennenswertem Maße wiederfreigesetzt. Die Auswertung der durchgeführten Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen des Blasenzerplatzens an der Einspeisedüse, zeigten einen ähnlichen Zusammenhang zwischen Blasenzerplatzrate und freigesetztem Partikeldurchmesser über der Flüssigkeitsvorlage, der bereits in den Experimenten von Becker Technologies aufgezeigt worden ist. Offen bleibt, ob das Verhalten aus einer Tropfen-Partikel-Interaktion an der Wasseroberfläche resultiert, wie von Freitag und Schmidt [FRE18] als eine mögliche Interpretation angeführt.

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The present report is the second technical report of the research project “Analytical and experimental studies on particle retention in liquid pools” (APVOR), which is funded by the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Nuclear Safety and Consumer Protection (BMUV 1501618) and projected at the Plant Simulation and Safety Group at the Ruhr Universität Bochum (RUB). This report deals with pool scrubbing experiments carried out as part of the APVOR project. The experiments carried out here showed that the influence of the gas temperature for the selected boundary conditions in the area of aerosol retention appears to have a rather subordinate influence. However, there is a positive correlation between the pool temperature and the retention efficiency: in the experiments carried out here with nitrogen as the feed gas, contrary to previous studies in the literature, particle retention also increases with an increase in the pool temperature. The influence of particle retention through condensation is significantly higher than the higher retention due to a change in pool temperature. It was also possible to determine the ratio between the influence of the gas temperature and the influence of water coverage on particle retention. The particles re-released by wet resuspension were measured by size class. This showed that the aerodynamic mass median particle diameters 0.01 μm, 0.2 μm and 2 μm were the preferred particle sizes for CsI to be re-released. These three particle sizes accounted for approx. 56 % of the re-released CsI mass. For SnO2, it was found that after just one hour of boiling, the separation efficiency achieved by pool scrubbing fell from approx. 64 % for particles with a diameter of 0.03 μm to approx. 50 %. It can therefore not be assumed that non-soluble particles will sediment away in a liquid pool and are therefore negligible when the liquid pool is re-boiled. The submicron particles of particular interest in the wet resuspension were re-released to a notable extent in the experiments carried out here. The evaluation of the high-speed camera images of the bubble burst at the injection nozzle showed a similar correlation between the bubble burst rate and the released particle diameter above the liquid surface, which has already been observed in the experiments by Becker Technologies. It remains to be seen whether the behaviour results from a droplet-particle interaction at the water surface, as Freitag and Schmidt [FRE18] suggest as a possible interpretation of their findings.