Laborversuche im Rahmen des EU-Life

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INSTITUT FÜR
VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN
UND THERMODYNAMIK
A-8010 GRAZ (Telefonvorwahl [++43/316])
Inffeldgasse 21A Tel.: 873-7580 Fax 873-8080
e-mail: [email protected] http://fvkm-thd.tugraz.at
VORSTAND: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Helmut EICHLSEDER
Laborversuche im Rahmen des EU-LifeProjektes „SPAS“
Workpackage 4
LIFE06 ENV/A/000345-SPAS
Bericht Nr. I-05/2010/He VU09/06/I-630 vom 15.03.2010
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Genehmigung der Ersteller einzuholen.
Laborversuche im Rahmen des EU-Life-Projektes „SPAS“
Laborversuche im Rahmen des EU-LifeProjektes „SPAS“
Workpackage 4
Bericht
Datum
Freigegeben
Ao. Univ.-Prof. Dr. Peter Sturm
26.03.10
Erstellt
Dipl.-Ing. Mathias Henn
26.03.10
Unterschrift
Bericht Nr. I-05/2010/He VU09/06/I-630 vom 15.03.2010
Institut für VKM und THD, TU-Graz
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ..........................................................................................................3
1 AUFGABENSTELLUNG ..................................................................... 5
2 DAS „SPAS“ SYSTEM........................................................................ 5
3 FILTERPRÜFSTAND.......................................................................... 6
4 ABKÜRZUNGEN ................................................................................ 6
5 UNTERSUCHUNGSMETHODIK ........................................................ 7
5.1
Messaufbau ................................................................................................7
5.2
Messanordnung ..........................................................................................8
5.3
eingesetzte Messtechnik ............................................................................9
6 TAUGLICHKEITSKRITERIEN .......................................................... 10
7 GETESTETE MATERIALIEN............................................................ 10
8 QUALITÄTSSICHERUNG ................................................................ 11
9 ERGEBNISSE................................................................................... 12
9.1
Hanf ..........................................................................................................12
9.1.1 Hanf 1 ......................................................................................................... 12
9.1.2 Hanf 2 ......................................................................................................... 13
9.1.3 Hanf 3 ......................................................................................................... 14
9.2
Stahlwolle .................................................................................................14
9.3
Deutschle D50 ..........................................................................................15
9.4
Deutschle D30 ..........................................................................................16
9.5
Heraklith DP5-20 ......................................................................................17
9.6
Heraklith D20+D30 ...................................................................................18
9.7
Ultra-web®................................................................................................19
9.8
Sackfilter...................................................................................................20
Seite 3 von 47
9.9
D60+F300.................................................................................................21
9.10
RG20+F6 ..................................................................................................22
9.11
RG30-2+F300...........................................................................................23
9.12
RG30-30+F6.............................................................................................24
9.13
RG40+F6 ..................................................................................................25
9.14
F300 .........................................................................................................26
9.15
DP5-20 + F6 .............................................................................................26
9.16
DP5 kaschiert ...........................................................................................27
9.17
DP 7..........................................................................................................28
10 SONDERMESSUNGEN ................................................................... 29
10.1
CO und NOX .............................................................................................29
10.2
Partikelanzahl und Größenverteilung........................................................30
11 ZUSAMMENFASSUNG UND EMPFEHLUNG ................................. 32
12 ALLFÄLLIGE SCHWIERIGKEITEN /ANMERKUNGEN.................... 33
13 ABBILDUNGSVERZEICHNIS........................................................... 34
14 TABELLENVERZEICHNIS ............................................................... 46
15 LITERATURVERZEICHNIS.............................................................. 47
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1
AUFGABENSTELLUNG
Im Rahmen des EU-Life Projektes „SPAS“ sind im Arbeitspaket 4 Laborversuche vorgesehen,
um aus verschiedenen Filtermaterialien die für das Projekt SPAS optimale Kombination zu
ermitteln. Zum einen musste den technischen Notwendigkeiten genüge getan werden (niedrige
Widerstände der Filter, hohe Staubabscheidung), zum anderen wurde auch auf ökologische
und praktische Aspekte Rücksicht genommen (Recyclingfähigkeit und Handhabung). Nicht
zuletzt musste ein eigener Filter für den Einsatz im Tunnel gefunden werden, da dort auf
spezielle Vorgaben geachtet werden muss (Brandbeständigkeit etc.). Untersucht wurde auch
die Auswirkung auf die Partikelanzahl und Größenverteilung sowie eine mögliche Beeinflussung
der CO und NOX Konzentrationen.
2
DAS „SPAS“ SYSTEM
SPAS steht für „Sound and Particulate Absorbing System“. Ziel dieses neuartigen Systems ist
eine doppelt positive Wirkung hinsichtlich Schall und Feinstaub zu erreichen. Um ein möglichst
breites Anwendungsspektrum zu schaffen, wurden im Rahmen dieses Projektes drei
verschiedene Varianten von SPAS entwickelt und untersucht. Die integrierte Version bietet sich
für neu zu errichtende Lärmschutzwände an, die Nachrüstversion besteht aus Filterelementen,
mit denen bereits existierende Lärmschutzwände adaptiert werden können. Zusätzlich wurde
eine Tunnelvariante entwickelt, da in Tunnels auf Grund der Strömungsverhältnisse ein großes
Filterpotential erwartet wird.
Die Grundidee basiert auf der Kombination einer herkömmlichen Lärmschutzwand mit
Filterelementen zur Feinstaubreduktion. Da ein Großteil der verkehrsbedingten PM10
Emissionen aus Abrieb und Wiederaufwirbelung kommen, bietet sich hier die Möglichkeit diese
Partikel möglichst emissionsnah, also direkt am Straßenrand, der weiteren Ausbreitung zu
entziehen. Ein Filtereffekt wird erwartet, da zum einen durch die Druckwelle, die vor allem
schwere Nutzfahrzeuge vor sich herschieben, zum anderen durch Winde, bzw. Luftströmungen
partikelbeladene Luft durch die Filter vor der Lärmschutzwand gepresst wird. In Abbildung 1 ist
ein SPAS Element in Kombination mit einer LSW abgebildet.
Abbildung 1: Zeichnung eines SPAS Elementes auf einer LSW
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Das Projektteam besteht aus mehreren Partnern aus dem wissenschaftlichen Bereich (TU
Graz, Kompetenzzentrum Virtuelles Fahrzeug), der öffentlichen Hand (Magistrat Klagenfurt am
Wörthersee, Land Kärnten) und privater Firmen (CBS, Forster, Rieder, Knauf). Für Details
betreffend anderer Themengebiete als die messtechnischen Begleituntersuchungen wird auf
die Fachberichte der Projektpartner verwiesen.
3
FILTERPRÜFSTAND
Um die Filtermaterialien unter möglichst realistischen aber kontrollierbaren Bedingungen testen
zu können, wurde ein Prüfstand in einem Betriebsgebäude des Plabutschtunnels betrieben. Mit
Tunnelluft (Straßenstaub und Abgase) wurden die einzelnen Filtermaterialien getestet.
Aus dem Abluftkanal des Plabutschtunnels wurde Luft mittels eines drehzahlgeregelten
Ventilators angesaugt und über eine definierte Rohrstrecke durch die zu untersuchenden Filter
geführt. Über den Ventilator können verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten und damit
Volumenströme im Prüfstand bzw. im Filter erreicht werden. Abbildung 2 zeigt ein Bild des
Prüfstandes.
Abbildung 2: Filterprüfstand am Plabutschtunnel
4
ABKÜRZUNGEN
PM10
Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner 10 µm („Feinstaub“)
TSP
Gesamtstaub
NOX
Stickoxide
TMW
Tagesmittelwert
HMW
Halbstundenmittelwert
MW1
1h Mittelwert
mg/m³
Milligramm pro Kubikmeter
μg/m³
Mikrogramm pro Kubikmeter
1 mg/m³ = 1000 μg/m³
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SPAS
Sound and Particle Absorbing System
SMPS
Scanning Mobility Particle Sizer
CPC
Condensation Particle Counter
•
V
Volumenstrom [m³/s]
5
UNTERSUCHUNGSMETHODIK
5.1
MESSAUFBAU
Wie bereits beschrieben, wurde eigens ein Filterprüfstand entworfen und installiert. Dieser
wurde im sogenannten Windenhaus des Plabutschtunnels in Graz betrieben. Das Windenhaus
ist ein Zugang zum Lotschacht des Plabutschtunnels und befindet sich etwa 100 m über dem
Tunnel auf dem Bergrücken des Plabutsch. In Abbildung 3 ist ein Computermodell des
Prüfstandes dargestellt.
Abbildung 3: 3D-Modell des Filterprüfstandes mit aufgeschnittenem Filterkasten
Um die verschiedenen Filtermaterialien möglichst einfach und schnell wechseln zu können,
wurde auf standardisierte Filterhalter aus der Lüftungstechnik zurückgegriffen (vgl. Abbildung
4).
Abbildung 4: Filterkasten (links) und Filterhalter mit eingebautem Testfilter (rechts)
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Die Ansaugung der Tunnelabluft erfolgte über einen Stutzen, der direkt mit dem Lotschacht des
Abluftsystems des Plabutschtunnels verbunden ist (vgl. Abbildung 5).
Abbildung 5: Ansaugstutzen des Filterprüfstandes
5.2
MESSANORDNUNG
Um immer unter möglichst gleichen Bedingungen messen zu können, wurden verschiedene
Messpunkte am Prüfstand definiert und fix montiert. In Abbildung 6 sind diese schematisch
dargestellt. Die Strömungsgeschwindigkeit wurde nach einer ausreichend langen Einlaufstrecke
noch im kreisrunden Rohrdurchmesser erfasst, um ein möglichst exaktes Ergebnis zu erzielen.
Der Differenzdruck wurde unmittelbar vor und nach dem Filterkasten abgenommen. Im
Filterkasten selbst, vor und hinter des zu testenden Filters, wurde die Staubmessung montiert.
Die Differenz dieser beiden Staubmessungen bezogen auf die Staubkonzentration vor dem
Filter liefert die Abscheidung des Filters.
Abbildung 6: Skizze des Prüfstandes mit Messpunkten
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5.3
EINGESETZTE MESSTECHNIK
Die PM10 bzw. TSP Messungen erfolgten mit TEOM® 1400a Geräten der Firma Ruppert und
Patashnik. Die Partikelanzahl und Größenverteilung wurde mit einem SMPS System in
Kombination mit einem CPC der Firma TSI aufgenommen.
Abbildung 7: Symbolbild TEOM 1400a Quelle: R&P, Symbolbild SMPS / CPC Quelle: TSI Incorporation
Die NOX und CO Konzentrationen wurden mit standardisierten Luftgütemessgeräten auf Basis
der Chemilumineszenz (API 200A) bzw. der Infrarot-Absorption (API 300A) erfasst (vgl.
Abbildung 8).
Abbildung 8: Symbolbild API 200A bzw. API 300A Quelle: teledyne Instruments
Die Strömungsgeschwindigkeit wurde mit einen Flügelradanemometer der Firma Testo bzw. mit
einem Heißfilmanemometer der Firma Höntzsch erfasst (vgl. Abbildung 9).
Abbildung 9: Symbolbild Flügelradanemometer (links) Quelle: Testo, Symbolbild Heißfilmanemometer
(rechts) Quelle: Höntzsch
Die Datenerfassung erfolgte mittels airhopper® bzw. über eine analoge Datenerfassung (Modell
Dewe Rack® von Dewetron) (vgl. Abbildung 10).
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Abbildung 10: Symbolbild airhopper® (links) Quelle: MLU, Smybolbild Dewe Rack® (rechts) Quelle:
Dewetron
Zur Messung des Differenzdrucks kamen sowohl ein Druckmessumformer als auch ein
Handmessgeräte zum Einsatz (vgl. Abbildung 11).
Abbildung 11: Druckmessgerät Wöhler (links) Quelle: Wöhler, Druckmessumformer P26 (rechts) Quelle:
Halstrup Walcher
6
TAUGLICHKEITSKRITERIEN
In der Simulation des SPAS System wurden vom Projektpartner KVIF Kriterien aufgestellt, die
das potentielle Filtermaterial erfüllen muss, um die Funktionstüchtigkeit von SPAS zumindest
theoretisch zu garantieren. Maßgebend ist dabei der Differenzdruck, der sich über das
potentielle Filtermaterial aufbaut. Dieser sollte im vorliegenden Fall 40 Pa nicht übersteigen. Ziel
war es deshalb ein Filtermaterial zu finden, das einen Differenzdruck von unter 40 Pa im
System bewirkt.
Für die Leistungsfähigkeit der Filter wurde eine Mindestabscheiderate von 60-70 % bei den vom
Projektpartner KVIF simulierten Durchströmungsgeschwindigkeiten von etwa 0,15 m/s
festgelegt.
7
GETESTETE MATERIALIEN
Die getesteten Materialien wurden vom Projektpartner C.B.S. zur Verfügung gestellt. Insgesamt
wurden etwa 20 verschiedene Materialien bzw. Materialkombinationen untersucht.
Hauptaugenmerk wurde dabei auf den sich einstellenden Differenzdruck und die
Staubabscheidung gelegt. Wurde eines der beiden Kriterien nur unzureichend erfüllt, wurde das
Seite 10 von 47
Material verworfen und nicht weiter untersucht. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die
untersuchten Materialien.
Ursprünglich wurde vom Projektpartner C.B.S. auf alternative Filtermaterialien wie etwa Hanf
oder Stahlwolle gesetzt. Da sich diese im Laufe der Untersuchungen aber als nicht brauchbar
herausgestellt haben, wurde in weiterer Folge auf Filtermaterialien aus der Industrie
zurückgegriffen.
Tabelle 1: Übersicht über die getesteten Materialien
Material
PM10
Hanf 1
X
Hanf 2
X
Hanf 3
X
TSP
delta p
X
Stahlwolle
X
X
Deutschle D50
X
X
Deutschle D30
X
X
Heraklith DP5-20
X
X
D20+D30
X
X
Ultraweb
X
X
Sackfilter
X
D60+F300
X
X
X
RG20+F6
X
X
RG30-2+F300
X
X
RG30-30+F6
X
RG40+F6
X
F300
X
X
X
Heraklith DP5-20 + F6
X
X
DP5 schwarz kaschiert
X
X
8
QUALITÄTSSICHERUNG
Um die Qualität der Messergebnisse zu sichern, wurden nur kalibrierte Messgeräte eingesetzt.
Außerdem wurden in regelmäßigen Abständen Vergleichsmessungen an den Messpositionen
vor und nach Filter für PM10/TSP bzw. CO und NOX ohne Filter vorgenommen.
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Aus Abbildung 12 ist ersichtlich, dass ohne den Einsatz eines Filters beide für die
Staubmessung eingesetzten Messgeräte dieselben Werte anzeigen. Die Korrelation ist mit
R²=0,997 und einer Steigung der Ausgleichsgeraden von 0,97 sehr gut.
500
vor Filter
nach Filter
300
200
300
200
100
100
0
08:24
y = 0.9726x
2
R = 0.9971
400
400
TEOM nach Filter
Konzentration PM10 [µg/m³]
500
0
09:36
10:48
12:00
13:12
14:24
Zeit
0
100
200
300
400
500
TEOM vor Filter
Abbildung 12: Zeitverlauf (links) und Korrelation (rechts) beider Messgeräte für PM10 ohne Filter
9
ERGEBNISSE
Im Folgenden sind die Ergebnisse für die einzelnen Materialien aufgeführt.
9.1
HANF
Bei den Hanffiltern handelt es sich um Filtermatten, die aus Hanfschäben gepresst wurden.
Bereits eine optische Begutachtung zeigte, dass die Hanfschäben relativ lose gepackt waren
und man sogar durch den Filter hindurchschauen konnte. Es konnte daher nicht mit einer
entsprechenden Abscheideleistung gerechnet werden. Zudem stellte sich Frage nach einer
notwendigen chemischen Behandlung der Hanschäben, damit sie den Witterungseinflüssen im
Feldversuch standhalten würden. Damit wäre der ökologische Vorteil dieses Materials wieder
aufgebraucht.
Insgesamt wurden drei verschiedene Hanffilter (Hanf 1 bis Hanf 3) untersucht. Der Unterschied
bestand vorwiegend in der Packungsdichte der Hanfschäben.
9.1.1
HANF 1
Abbildung 13 zeigt die PM10 Messung für das Material Hanf 1. Zwar ist eine Abscheidung der
PM10 Konzentrationen über den Filter deutlich zu erkennen, diese liegt aber nur bei etwa 10 %
der Eingangskonzentration. Damit scheidet diese Material von der weiteren Untersuchung aus.
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100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
vor Filter
nach Filter
Abscheidung
40
40
30
30
20
20
10
10
0
07:12
08:24
09:36
10:48
Abscheidung [%]
0
13:12
12:00
Zeit [hh:mm]
Abbildung 13: Messergebnisse (PM10) für Hanf 1
9.1.2
HANF 2
Abbildung 14 zeigt die Messergebnisse für das Material Hanf 2. Sowohl der Differenzdruck mit
120 Pa, als auch die Abscheidung von kleiner 20 % zeigen, dass dieses Material für die
Anwendung als SPAS Filter nicht geeignet war.
100
140
120
80
100
70
60
80
50
60
40
30
20
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
40
20
Differenzdruck [Pa], Abscheidung
[Pa]
90
10
0
00:00
12:00
00:00
12:00
00:00
Zeit [hh:mm]
12:00
00:00
0
12:00
Abbildun
g 14: Messergebnisse (PM10 und delta p) für Hanf 2
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9.1.3
HANF 3
Ein ähnliches Bild zeigt sich für den Test des Materials Hanf 3. Hier ist der Differenzdruck mit
etwas über 40 Pa zwar ausreichend klein, die Abscheiderate beträgt aber deutlich weniger als
10 %. Lediglich bei sehr hohen PM10 Konzentrationen (> 100 µg/m³) steigt auch die
Abscheiderate – allerdings nicht im gewünschten Maß.
160
45
140
40
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
120
100
35
30
25
80
20
60
15
40
10
20
5
0
14:24
16:48
19:12
21:36
00:00
02:24
04:48
07:12
Differenzdruck [Pa], Abscheidung [%]
Deshalb kommt auch das Filtermaterial Hanf 3 für SPAS nicht in Frage.
0
09:36
Zeit [hh:mm]
Abbildung 15: Messergebnisse (PM10 und delta p) für Hanf 3
9.2
STAHLWOLLE
Auch Stahlwolle wäre ein alternatives Filtermaterial. Wie aus Abbildung 16 ersichtlich, liegt der
Differenzdruck mit etwa 20 Pa in einem günstigen Bereich, die mögliche Abscheidung von TSP
ist mit maximal 15 % aber als unzureichend anzusehen.
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25
20
150
15
100
10
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
50
5
13:30
13:29
13:28
13:27
0
13:26
0
Druckverlust [Pa], Abscheidung [%]
Konzentration TSP [µg/m³]
200
Zeit [hh:mm]
Abbildung 16: Messergebnisse (TSP und delta p) für Stahlwolle
9.3
DEUTSCHLE D50
Bei dem Material Deutschle D50 handelt es sich um eine Filtermatte aus dem industriellen
Sektor der Firma Deutschle. Wie aus Abbildung 17 ersichtlich liegt für das Material Deutschle
D50 der Differenzdruck immer deutlich über 100 Pa, womit sich das Material nicht als Filter für
SPAS eignet. Der Anstieg des Differenzdrucks im Diagramm ist auf eine Variation der
Geschwindigkeit
im
Filter
zurückzuführen.
Generell
implizieren
höhere
Durchtrittsgeschwindigkeiten einen höheren Differenzdruck.
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250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
200
600
150
400
100
200
50
02.01.08
01.01.08
31.12.07
30.12.07
29.12.07
28.12.07
27.12.07
26.12.07
0
25.12.07
0
Differenzdruck [Pa]
TSP Konzentration [µg/m³]
1000
Abbildung 17: Messergebnisse (TSP und delta p) für Deutschle D50
9.4
DEUTSCHLE D30
Auch das Filtermaterial Deutschle D30 erfüllt nicht die Anforderungen für einen potentiellen
Einsatz bei SPAS. Im Gegensatz zum Material Deutschle D50 ist der Differenzdruck zwar
deutlich geringer (nur mehr etwa 80 Pa (vgl. Abbildung 18)), aber dennoch zu hoch. Grund für
den niedrigeren Differenzdruck ist die geringere Dichte des Materials im Vergleich zum D50
Filter.
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200
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
180
160
140
600
120
100
400
80
60
200
Differenzdruck [Pa]
1000
40
20
12:00
06:00
00:00
18:00
12:00
06:00
00:00
18:00
0
12:00
0
Uhrzeit [hh:mm]
Abbildung 18: Messergebnisse (TSP und delta p) für Deutschle D30
9.5
HERAKLITH DP5-20
In Abbildung 19 sind die Ergebnisse für die Filtermatte DP5-20 des Projektpartners Heraklith
dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass hier die Kombination aus Differenzdruck und
Abscheidegrad ein akzeptables Maß erreicht. Bei nur 32 Pa Differenzdruck über den Filter
können etwa 66 % der Staubpartikel abgeschieden werden. Dieser Filtertyp eignet sich daher
für die erste Filterstufe der SPAS Elemente.
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vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
400
100
Abscheidung: 66 %
Differenzdruck: 32 Pa
90
80
70
60
300
50
200
40
30
100
Differenzdruck [Pa]
500
20
10
0
08.11.07
10.11.07
12.11.07
14.11.07
0
16.11.07
Zeit [TT.MM.JJ]
Abbildung 19: Messergebnisse (TSP und delta p) für Heraklith DP5-20
9.6
HERAKLITH D20+D30
In Abbildung 20 sind die Messergebnisse für eine Kombination der Filtertypen Heraklith
D20+D30 dargestellt. Wie bereits mehrfach gezeigt liegt auch bei der Kombination D20+D30
der Differenzdruck mit über 140 Pa deutlich über den in Absatz 6 dargelegten Kriterien. Die
Kombination D20+D30 kann daher nicht als SPAS Filter eingesetzt werden.
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250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
200
600
150
400
100
200
50
02.01.08
01.01.08
31.12.07
30.12.07
29.12.07
28.12.07
27.12.07
26.12.07
0
25.12.07
0
Differenzdruck [Pa]
1000
Datum [TT.MM.JJ]
Abbildung 20: Messergebnisse (TSP und delta p) für Heraklith D20+D30
9.7
ULTRA-WEB®
Ultra-Web® ist ein Filtermaterial des amerikanischen Herstellers Donaldson. Es ist ein
Nanofaser Hochleistungsfilterelemet und wird in Entstaubungsanlagen eingesetzt. Die
Messergebnisse sind in Abbildung 21 dargestellt. Auf Grund des relativ hohen Differenzdrucks
von etwa 100 Pa kommt dieser Filter für eine Anwendung von SPAS nicht in Frage.
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350
vor Filter
300
nach Filter
Differenzdruck
250
200
150
100
50
22.10.08
21.10.08
21.10.08
20.10.08
20.10.08
19.10.08
19.10.08
18.10.08
0
18.10.08
TSP Konzentration [µg/m³], Differenzdruck [Pa]
Datum [TT.MM.JJ]
Abbildung 21: Messergebnisse (TSP und delta p) für Ultraweb®
9.8
SACKFILTER
Als Vergleich zu den getesteten Filtern, wurde ein standardisierter Sackfilter, wie er auch in der
Reinraumtechnik angewandt wird untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 22 dargestellt.
Deutlich zu erkennen ist der niedrige Differenzdruck von nur 40 Pa bei einer Abscheidung von
bis zu 90 % PM10 Auf Grund dieser Eigenschaften wäre ein Sackfilter die optimale Filterlösung
für die SPAS Elemente. Da die Baugröße eines Sackfilters aber nicht mit den Anforderungen
der SPAS Filterelemente vereinbar ist, scheidet diese Art von Filter aus.
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100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
20
10
0
14:15
14:20
14:25
14:30
30
20
10
Konzentration PM10 [µg/M³]
0
14:35
Zeit
Abbildung 22: Messergebnisse (PM10 und delta p) für Sackfilter
9.9
D60+F300
In Abbildung 23 sind die Messergebnisse für die Filterkombination D60 Grobstaubfilter + F300
Feinstaubfilter dargestellt. Auf Grund des zu hohen Differenzdrucks von über 140 Pa ist diese
Filterkombination für den Einsatz bei SPAS ungeeignet.
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vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
180
160
700
140
600
120
500
100
400
80
300
60
200
40
100
20
10:00
08:00
06:00
04:00
02:00
00:00
22:00
20:00
18:00
16:00
14:00
0
12:00
0
Differenzdruck [Pa]
900
Zeit [hh:mm]
Abbildung 23: Messergebnisse (PM10 und delta p) für D60+F300
9.10
RG20+F6
Bei der Kombination RG20 + F6 handelt es sich um eine Kombination aus zwei verschiedenen
Filtertypen. Deutlich zu erkennen ist aus Abbildung 24 der hohe Differenzdruck von etwa 130
Pa, der diese Filterkombination für SPAS unbrauchbar macht.
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PM10 [µg/m³], Differenzdruck [Pa]
300
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
250
200
150
100
50
0
14:00
14:10
14:20
14:30
14:40
14:50
15:00
15:10
Zeit
Abbildung 24: Messergebnisse (PM10 und delta p) für RG20+F6
9.11
RG30-2+F300
Auch die Kombination der Filter RG30-2 und F300 liefert keine befriedigenden Ergebnisse. Wie
aus Abbildung 25 ersichtlich liegt der Differenzdruck bei etwa 120 Pa, was für die SPAS
Anwendung zu hoch ist.
Seite 23 von 47
300
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
250
200
150
100
50
0
15:10
15:20
15:30
15:40
15:50
16:00
16:10
16:20
16:30
Zeit [hh:mm]
Abbildung 25: Messergebnisse (PM10 und delta p) für RG30-2+F300
9.12
RG30-30+F6
Ebenfalls ungeeignet ist die Kombination aus RG30-30 Filter und F6 Filter. Da die Abscheidung
bei dieser Kombination nicht ausreichend ist, wurde auf eine Differenzdruckmessung verzichtet
und das Filtermaterial verworfen (vgl. Abbildung 26)
Seite 24 von 47
500
vor Filter
nach Filter
HMW PM10 [µg/m³]
400
300
200
100
0
16:33
16:48
17:02
17:16
17:31
17:45
18:00
18:14
Zeit [hh:mm]
Abbildung 26: Messergebnisse (PM10) für RG30-30+F6
9.13
RG40+F6
Ein ähnliches Bild liefert die Kombination eines RG 40 Filters mit einer F6 Filtermatte. Der
Differenzdruck ist mit 150 Pa für die SPAS Anwendung zu hoch.
300
250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
200
150
100
50
0
11:45
12:00
12:15
12:30
12:45
13:00
Zeit [hh:mm]
Abbildung 27: Messergebnisse (PM10) für RG30-30+F6
Seite 25 von 47
9.14
F300
400
70
350
60
300
50
250
40
200
30
150
100
50
20
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
10
Die Filtermatte F300 weist bei einer Abscheidung von nur 40-50% einen relativ hohen
Differenzdruck von 60 Pa auf und ist daher für eine Anwendung als SPAS Filter ungeeignet
(vgl. Abbildung 28).
0
0
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00
Zeit
Abbildung 28: Messergebnisse (PM10 und delta p) für F300
9.15
DP5-20 + F6
In Abbildung 29 sind die Messergebnisse für die Kombination aus DP5-20 und einer F6
Filtermatte dargestellt. Wie bereits zuvor beschrieben, eignet sich die DP5-20 Matte für den
Einsatz als Grobfilter bei der SPAS Anwendung. Die Kombination mit einer F6
Feinstaubfiltermatte aus dem industriellen Sektor liefert bei einem akzeptablen Differenzdruck
von 56 Pa eine Abscheidung von fast 90 % PM10. Diese Kombination kann deshalb für den
Einsatz bei SPAS empfohlen werden.
Seite 26 von 47
1000
100
nach Filter
vor Filter
Differenzdruck
PM10 [µg/m³]
800
80
600
60
400
40
200
20
0
12:00
Differenzdruck [Pa]
Abscheidung: 89 %
0
12:14
12:28
12:43
12:57
13:12
13:26
Zeit [hh:mm]
Abbildung 29: Messergebnisse (PM10 und delta p) für DP5-20 + F6
9.16
DP5 KASCHIERT
Beim Material DP5 kaschiert handelt es sich um eine DP5 Filtermatte des Herstellers Heraklith,
die auf der Rückseite zur Erhöhung der Stabilität eine schwarze Trägermatte aufgebracht hat.
Der große Vorteil dieser Trägermatte ist die erhöhte Formstabilität des Filters. Nachteilig wirkt
sich die Trägermatte allerdings auf den Differenzdruck aus, der auf fast 300 Pa ansteigt (vgl.
Abbildung 30). Als SPAS Filterelement kann dieses Material daher nicht eingesetzt werden.
Seite 27 von 47
350
300
250
200
150
100
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
50
14:10
14:00
13:50
13:40
13:30
0
Zeit [hh:mm]
Abbildung 30: Messergebnisse (PM10 und delta p) für DP5 kaschiert
9.17
DP 7
Die Messergebnisse für den Heraklith DP 7 Filter sind in Abbildung 31 dargestellt. Bei 40 Pa
Differenzdruck können immerhin 63 % der TSP Belastung abgeschieden werden. Im Bereich
der Grobstaubfilter war dies das beste Filtermaterial. Zudem eignet es sich für den Einsatz bei
der SPAS Tunnelvariante, da es nur sehr schwer entflammbar ist.
Seite 28 von 47
100
DP 7
Abscheidung: 70 %
delta p: 40 Pa const.
90
80
vor Filter
nach Filter
TSP [µg/m³]
70
60
50
40
30
20
10
13:00
12:00
11:00
10:00
09:00
08:00
07:00
06:00
05:00
04:00
03:00
02:00
01:00
00:00
23:00
22:00
21:00
20:00
0
Uhrzeit [hh:mm]
Abbildung 31: Messergebnisse (TSP und delta p) für DP7
10
SONDERMESSUNGEN
10.1
CO UND NOX
Neben den Messungen bzgl. PM Abscheidung und Differenzdruck wurden die potentiellen Filter
auch hinsichtlich ihrer Wirkung auf NOX und CO untersucht. In Abbildung 32 ist der Vergleich
der CO und NOX Konzentrationen vor und nach dem empfohlenen DP5-20 Filter dargestellt. Die
leichten Abweichungen liegen innerhalb der Messgenauigkeit und liefern keinen Hinweis auf
einen etwaigen Einfluss des Filters auf die CO und NOX Konzentration.
Folglich können die Filter in Bezug auf CO und NOX als inert angesehen werden.
Seite 29 von 47
300
CO [ppm]
NOx [ppb *1000]
Konzentration
200
100
0
vor Filter
nach Filter
Abbildung 32: Vergleich der CO und NOX Konzentrationen vor und nach Filter (DP5-20)
10.2
PARTIKELANZAHL UND GRÖßENVERTEILUNG
Neben der gravimetrischen Partikelmessung wurden auch Messungen zu Partikelanzahl und
Größenverteilung durchgeführt. In Abbildung 33 ist die Partikelgrößenverteilung nach dem
Einsatz verschiedener Filter dargestellt. Als Referenz dient die Kurve „Tunnelluft 1“, sie
charakterisiert die Partikelgrößenverteilung OHNE Filtereinsatz. Deutlich zu erkennen ist, dass
jeder Filter eine Verringerung der Partikelanzahl zur Folge hat. Die Partikelanzahl und
Größenverteilung wurde unabhängig vom sich einstellenden Differenzdruck bewertet. Die
besten Ergebnisse liefert wie zu erwarten war der Sackfilter. Durch die große Oberfläche kann
er seine Filterwirkung optimal entfalten. Die Filter DP5 und Hanf IV liefern in etwa gleiche
Abscheideraten.
Seite 30 von 47
1.6E+05
v = 0.45 - 0.5 m/s
Tunnelluft 1
Sackfilter
Hanf IV
DP 5
Anzahl dN/dlog DP [#/cm³]
1.4E+05
1.2E+05
1.0E+05
8.0E+04
6.0E+04
4.0E+04
2.0E+04
0.0E+00
10
100
Durchmesser log [nm]
1000
Abbildung 33: Partikelgrößenverteilung nach dem Einsatz verschiedener Filtermaterialien
In Abbildung 34 ist die Abscheidung der verschiedener Filtermaterialien für PM10 und PM0.5
bezogen auf die Partikelanzahl dargestellt. Wie bereits bei der Partikelgrößenverteilung so
liefert auch bei der Abscheidung der Sackfilter die besten Ergebnisse. Im Vergleich zum
Hanffilter schneidet bei der Gesamtabscheidung der im SPAS Projekt eingesetzte DP5 Filter
aber deutlich besser ab.
Seite 31 von 47
100
Partikelanzahl PM0.5
Partikelmasse PM10
80
Abscheidung [%]
v = 0.45 - 0.5 m/s
60
40
20
0
Sackfilter
Hanf IV
DP 5
Abbildung 34: Abscheidung (Partikelanzahl) verschiedener Filter
11
ZUSAMMENFASSUNG UND EMPFEHLUNG
Nachdem eine Vielzahl an Filtermaterialien und Kombinationen getestet wurde, kann
festgehalten werden, dass letztendlich nur wenige Filter die Anforderungen für SPAS erfüllen
(vgl. Kapitel 6). Die Mehrzahl der getesteten Materialien erzeugt einen zu hohen Differenzdruck
bzw. liefert keine ausreichende Abscheidung. Auf Grund der durchgeführten Versuche kann das
Material Heraklith DP5-20 als erste Filterstufe (Grobfilter) und die Filtermatte F6 als Feinfilter
empfohlen werden. Diese Kombination, wie sie in Kapitel 9.15 beschrieben ist, liefert bei einem
akzeptablen Differenzdruck (56 Pa) eine ausreichende Abscheidung (89%).
Prinzipiell würde diese Kombination auf für die Tunnelvariante empfohlen werden, auf Grund
der besonderen Anforderungen (Brandbeständigkeit) wird hier jedoch das Material DP7 der
Firma Heraklith (vgl. Kapitel 9.17) empfohlen.
In Tabelle 2 sind die empfohlenen Filter nochmals aufgelistet.
Tabelle 2: Zusammenfassung der empfohlenen Filter
Einsatz
Material
Grobfilter Freiland
DP 5-20
Feinfilter Freiland
F6
Filter Tunnel
DP 7
Seite 32 von 47
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass unter der Annahme eines konstanten
Volumenstroms durch den Filter bei den empfohlenen Materialien eine ausreichende
Abscheidung bei akzeptablem Differenzdruck gewährleistet werden kann.
12
ALLFÄLLIGE SCHWIERIGKEITEN /ANMERKUNGEN
Eine Herausforderung während der Versuche war die Beaufschlagung der zu testenden
Filtermaterialien mit möglichst realitätsnahem Straßenstaub. Um dies zu erreichen wurde der
Versuchsaufbau in das Windenhaus des Plabutschtunnels verlegt, um über eine Ansaugung
aus dem Abluftkanal auf Straßenstaub direkt aus dem Tunnel zugreifen zu können. Hieraus
ergab sich die Notwendigkeit mit einem eigenen Lüfter die Strömungsgeschwindigkeit im
Prüfstand auf konstantem Niveau zu halten. Vor allem während der Betriebszeiten der
Tunnellüftung war dies oftmals nur eingeschränkt möglich, da der sich einstellende Unterdruck
im Lüftungssystem des Tunnels für den Prüfstand nur schwer zu beherrschen war.
Des Weiteren stellte die geringe vom Projektpartner VIF simulierte Strömungsgeschwindigkeit
im Filter (0,15 m/s) eine Herausforderung für die eingesetzte Messtechnik dar. Über eine
spezielle Anordnung der Messgeräte am Ende der Einlaufstrecke im kreisrunden Querschnitt
und mit dem Einsatz hochgenauer Strömungssensoren, konnten diese Geschwindigkeiten
jedoch gut detektiert werden.
Da einige Materialien keine ausreichenden PM10 filternden Eigenschaften aufwiesen, wurde für
diese lediglich die TSP Abscheidung ermittelt.
Seite 33 von 47
13
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Zeichnung eines SPAS Elementes auf einer LSW.................................................. 5
Abbildung 2: Filterprüfstand am Plabutschtunnel......................................................................... 6
Abbildung 3: 3D-Modell des Filterprüfstandes mit aufgeschnittenem Filterkasten....................... 7
Abbildung 4: Filterkasten (links) und Filterhalter mit eingebautem Testfilter (rechts)................... 7
Abbildung 5: Ansaugstutzen des Filterprüfstandes ...................................................................... 8
Abbildung 6: Skizze des Prüfstandes mit Messpunkten............................................................... 8
Abbildung 7: Symbolbild TEOM 1400a Quelle: R&P, Symbolbild SMPS / CPC Quelle: TSI
Incorporation ................................................................................................................................ 9
Abbildung 8: Symbolbild API 200A bzw. API 300A Quelle: teledyne Instruments ....................... 9
Abbildung 9: Symbolbild Flügelradanemometer (links) Quelle: Testo, Symbolbild
Heißfilmanemometer (rechts) Quelle: Höntzsch .......................................................................... 9
Abbildung 10: Symbolbild airhopper® (links) Quelle: MLU, Smybolbild Dewe Rack® (rechts)
Quelle: Dewetron........................................................................................................................ 10
Abbildung 11: Druckmessgerät Wöhler (links) Quelle: Wöhler, Druckmessumformer P26 (rechts)
Quelle: Halstrup Walcher ........................................................................................................... 10
500
vor Filter
nach Filter
300
200
300
200
100
100
0
08:24
y = 0.9726x
2
R = 0.9971
400
400
TEOM nach Filter
500
0
09:36
10:48
12:00
13:12
14:24
Zeit
0
100
200
300
400
500
TEOM vor Filter
Abbildung 12: Zeitverlauf (links) und Korrelation (rechts) beider Messgeräte für PM10 ohne Filter
................................................................................................................................................... 12
Seite 34 von 47
100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
vor Filter
nach Filter
Abscheidung
40
40
30
30
20
20
10
10
0
07:12
08:24
09:36
10:48
Abscheidung [%]
0
13:12
12:00
Zeit [hh:mm]
Abbildung 13: Messergebnisse (PM10) für Hanf 1 ...................................................................... 13
100
140
120
80
100
70
60
80
50
60
40
30
20
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
40
20
Differenzdruck [Pa], Abscheidung
[Pa]
90
10
0
00:00
12:00
00:00
12:00
00:00
12:00
00:00
0
12:00
Zeit [hh:mm]
Abbildun
g 14: Messergebnisse (PM10 und delta p) für Hanf 2 ................................................................. 13
Seite 35 von 47
160
45
140
40
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
120
100
35
30
25
80
20
60
15
40
10
20
5
0
14:24
16:48
19:12
21:36
00:00
02:24
04:48
07:12
0
09:36
Zeit [hh:mm]
Abbildung 15: Messergebnisse (PM10 und delta p) für Hanf 3 ................................................... 14
25
20
150
15
100
10
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
50
5
13:30
13:29
13:28
13:27
0
13:26
0
Druckverlust [Pa], Abscheidung [%]
Konzentration TSP [µg/m³]
200
Zeit [hh:mm]
Abbildung 16: Messergebnisse (TSP und delta p) für Stahlwolle .............................................. 15
Seite 36 von 47
250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
200
600
150
400
100
200
50
02.01.08
01.01.08
31.12.07
30.12.07
29.12.07
28.12.07
27.12.07
26.12.07
0
25.12.07
0
Differenzdruck [Pa]
1000
Abbildung 17: Messergebnisse (TSP und delta p) für Deutschle D50 ....................................... 16
200
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
180
160
140
600
120
100
400
80
60
200
Differenzdruck [Pa]
1000
40
20
12:00
06:00
00:00
18:00
12:00
06:00
00:00
18:00
0
12:00
0
Uhrzeit [hh:mm]
Abbildung 18: Messergebnisse (TSP und delta p) für Deutschle D30 ....................................... 17
Seite 37 von 47
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
400
100
Abscheidung: 66 %
90
80
70
60
300
50
200
40
30
100
Differenzdruck [Pa]
500
20
10
0
08.11.07
10.11.07
12.11.07
0
16.11.07
14.11.07
Zeit [TT.MM.JJ]
Abbildung 19: Messergebnisse (TSP und delta p) für Heraklith DP5-20 ................................... 18
250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
200
600
150
400
100
200
50
02.01.08
01.01.08
31.12.07
30.12.07
29.12.07
28.12.07
27.12.07
26.12.07
0
25.12.07
0
Differenzdruck [Pa]
1000
Datum [TT.MM.JJ]
Abbildung 20: Messergebnisse (TSP und delta p) für Heraklith D20+D30 ................................ 19
Seite 38 von 47
350
vor Filter
300
nach Filter
Differenzdruck
250
200
150
100
50
22.10.08
21.10.08
21.10.08
20.10.08
20.10.08
19.10.08
19.10.08
18.10.08
0
18.10.08
TSP Konzentration [µg/m³], Differenzdruck [Pa]
Datum [TT.MM.JJ]
100
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
20
10
0
14:15
14:20
14:25
14:30
30
20
10
Konzentration PM10 [µg/M³]
Abbildung 21: Messergebnisse (TSP und delta p) für Ultraweb® .............................................. 20
0
14:35
Zeit
Abbildung 22: Messergebnisse (PM10 und delta p) für Sackfilter ............................................... 21
Seite 39 von 47
1000
200
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
800
180
160
700
140
600
120
500
100
400
80
300
60
200
40
100
20
10:00
08:00
06:00
04:00
02:00
00:00
22:00
20:00
18:00
16:00
14:00
0
12:00
0
Differenzdruck [Pa]
900
Zeit [hh:mm]
Abbildung 23: Messergebnisse (PM10 und delta p) für D60+F300 ............................................. 22
300
250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
200
150
100
50
0
14:00
14:10
14:20
14:30
14:40
14:50
15:00
15:10
Zeit
Abbildung 24: Messergebnisse (PM10 und delta p) für RG20+F6 .............................................. 23
Seite 40 von 47
300
250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
200
150
100
50
0
15:10
15:20
15:30
15:40
15:50
16:00
16:10
16:20
16:30
Zeit [hh:mm]
Abbildung 25: Messergebnisse (PM10 und delta p) für RG30-2+F300 ....................................... 24
500
HMW PM10 [µg/m³]
400
vor Filter
nach Filter
300
200
100
0
16:33
16:48
17:02
17:16
17:31
17:45
18:00
18:14
Zeit [hh:mm]
Abbildung 26: Messergebnisse (PM10) für RG30-30+F6............................................................ 25
Seite 41 von 47
300
250
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
200
150
100
50
0
11:45
12:00
12:15
12:30
12:45
13:00
Zeit [hh:mm]
400
70
350
60
300
50
250
40
200
30
150
100
50
20
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
Abscheidung
10
Abbildung 27: Messergebnisse (PM10) für RG30-30+F6............................................................ 25
0
0
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00
Zeit
Abbildung 28: Messergebnisse (PM10 und delta p) für F300...................................................... 26
Seite 42 von 47
1000
100
nach Filter
vor Filter
Differenzdruck
PM10 [µg/m³]
800
80
600
60
400
40
200
20
0
12:00
Differenzdruck [Pa]
Abscheidung: 89 %
0
12:14
12:28
12:43
12:57
13:12
13:26
Zeit [hh:mm]
Abbildung 29: Messergebnisse (PM10 und delta p) für DP5-20 + F6 ......................................... 27
350
300
250
200
150
100
vor Filter
nach Filter
Differenzdruck
50
14:10
14:00
13:50
13:40
13:30
0
Zeit [hh:mm]
Abbildung 30: Messergebnisse (PM10 und delta p) für DP5 kaschiert ....................................... 28
Seite 43 von 47
100
DP 7
Abscheidung: 70 %
delta p: 40 Pa const.
90
80
vor Filter
nach Filter
TSP [µg/m³]
70
60
50
40
30
20
10
13:00
12:00
11:00
10:00
09:00
08:00
07:00
06:00
05:00
04:00
03:00
02:00
01:00
00:00
23:00
22:00
21:00
20:00
0
Uhrzeit [hh:mm]
Abbildung 31: Messergebnisse (TSP und delta p) für DP7........................................................ 29
300
CO [ppm]
NOx [ppb *1000]
Konzentration
200
100
0
vor Filter
nach Filter
Abbildung 32: Vergleich der CO und NOX Konzentrationen vor und nach Filter (DP5-20) ........ 30
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1.6E+05
v = 0.45 - 0.5 m/s
Tunnelluft 1
Sackfilter
Hanf IV
DP 5
Anzahl dN/dlog DP [#/cm³]
1.4E+05
1.2E+05
1.0E+05
8.0E+04
6.0E+04
4.0E+04
2.0E+04
0.0E+00
10
100
Durchmesser log [nm]
1000
Abbildung 33: Partikelgrößenverteilung nach dem Einsatz verschiedener Filtermaterialien...... 31
100
Partikelanzahl PM0.5
Partikelmasse PM10
80
Abscheidung [%]
v = 0.45 - 0.5 m/s
60
40
20
0
Sackfilter
Hanf IV
DP 5
Abbildung 34: Abscheidung (Partikelanzahl) verschiedener Filter ............................................. 32
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14
TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 1: Übersicht über die getesteten Materialien
11
Tabelle 2: Zusammenfassung der empfohlenen Filter
32
Seite 46 von 47
15
LITERATURVERZEICHNIS
[1]
Rodler J. (2000): Luftschadstoffuntersuchungen mit unterschiedlichen Messsystemen zur
Validierung von Emissions- und Ausbreitungsmodellen, Dissertation, Graz
[2]
Rexeis M., Hausberger S. (2005): Calculation of Vehicle Emissions in Road Networks with the
model “NEMO”; Transport & Airpollution Conference; ISBN: 3-902465-16-6, Graz
[3]
ÖNROM M 5852 (2007): Luftuntersuchung
Immissionsmessung, Ausgabe 2007
[4]
ÖNORM EN 14211 (2005): Luftqualität - Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration von
Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid mit Chemilumineszenz, Ausgabe 2005
[5]
ÖNORM M 5866 (2007): Luftreinhaltung – Bildung von Immissionsmessdaten und daraus
abgeleiteten Immissionskennwerten, Ausgabe 2007
[6]
EN 12341 (1999): Luftbeschaffenheit - Ermittlung der PM10-Fraktion von Schwebstaub Referenzmethode und Feldprüfverfahren zum Nachweis der Gleichwertigkeit von Meßverfahren
und Referenzmeßmethode, Ausgabe 1999
[7]
Iser, F. (2007): Simulation der Strömungsgeschwindigkeit in Filtermaterialien, EU-Life Projekt
SPAS Zwischenbericht, 2007
–
Probenahme
zur
kontinuierlichen
Seite 47 von 47

Laborversuche im Rahmen des EU-Life

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