This is a bilingual snapshot page saved by the user at 2025-7-30 24:43 for https://app.immersivetranslate.com/pdf-pro/f0d57137-3d5e-4e4d-86cd-465604efcde6/, provided with bilingual support by Immersive Translate. Learn how to save?

Corona discharge characteristics of cylindrical electrodes in a two-stage electrostatic precipitator
Karakteristik pelepasan korona elektroda silinder dalam presipitator elektrostatik dua tahap

Tsrong-Yi Wen a , b , ∗ a , b , ∗ ^(a,b,**){ }^{\mathrm{a}, \mathrm{b}, *}, Jiann-Lin Su a a ^(a){ }^{\mathrm{a}} a a  ^("a "){ }^{\text {a }} Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Taiwan
a a  ^("a "){ }^{\text {a }} Departemen Teknik Mesin, Universitas Sains dan Teknologi Nasional Taiwan, Taiwan b b ^(b){ }^{\mathrm{b}} High Speed 3D Printing Research Center, National Taiwan University of Science and Technology, Taiwan
b b ^(b){ }^{\mathrm{b}} Pusat Penelitian Pencetakan 3D Kecepatan Tinggi, Universitas Sains dan Teknologi Nasional Taiwan, Taiwan

A R T I C L E I N F O
INFO ARTIKEL

Keywords:  Kata kunci:

Electrical engineering  Teknik elektro
Electrical systems reliability
Keandalan sistem kelistrikan
Plasma physics  Fisika plasma
Surface property  Properti permukaan
Electrical property  Properti listrik
Air quality  Kualitas udara
Electrostatic precipitator
Precipitator elektrostatik
Cylinder electrode  Elektroda silinder
Corona discharge  Pelepasan korona
Oxidation  Oksidasi

Abstract  Abstrak

Electrostatic precipitator (ESP) is an electrohydrodynamic-based air filter that charges particles based on corona discharge and collects particles by induced electrostatic forces. Inducing corona discharge requires strong electric fields that, however, bring reliability issues because of oxidation. This paper presents the characteristics of an ESP that uses the cylindrical corona electrodes whose longitudinal axis is perpendicular to the surface of the ground electrode. The characteristics include the current-voltage curve, the surface oxidation of the cylindrical corona electrodes, and the element analysis. The characteristics are presented with respect to the pitch and diameter of the cylindrical corona electrodes. The results show that the characteristics mentioned above can correlate to the electric fields around the cylindrical corona electrodes. Stronger electric field around the cylindrical corona electrode results in higher collection efficiency, more oxidation on the cylindrical corona electrode, and shorter life of the cylindrical corona electrode.
Precipitator elektrostatik (ESP) adalah filter udara berbasis elektrohidrodinamik yang mengisi partikel berdasarkan lucutan korona dan mengumpulkan partikel dengan gaya elektrostatik terinduksi. Menginduksi lucutan korona membutuhkan medan listrik yang kuat, tetapi menimbulkan masalah keandalan akibat oksidasi. Makalah ini menyajikan karakteristik ESP yang menggunakan elektroda korona silinder yang sumbu longitudinalnya tegak lurus terhadap permukaan elektroda arde. Karakteristik tersebut meliputi kurva arus-tegangan, oksidasi permukaan elektroda korona silinder, dan analisis elemen. Karakteristik tersebut disajikan sehubungan dengan pitch dan diameter elektroda korona silinder. Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik yang disebutkan di atas dapat berkorelasi dengan medan listrik di sekitar elektroda korona silinder. Medan listrik yang lebih kuat di sekitar elektroda korona silinder menghasilkan efisiensi pengumpulan yang lebih tinggi, lebih banyak oksidasi pada elektroda korona silinder, dan masa pakai elektroda korona silinder yang lebih pendek.

1. Introduction  1. Pendahuluan

Aerosol particles have been confirmed to be severely adverse to public health [1] and have caused millions of death a year worldwide [2]. Filtering aerosol particles thus becomes an important issue from the epidemiology point of view. Electrostatic precipitator (ESP) is one of the devices that are used to filter aerosol particles.
Partikel aerosol telah dipastikan sangat merugikan kesehatan masyarakat [1] dan telah menyebabkan jutaan kematian setiap tahunnya di seluruh dunia [2]. Oleh karena itu, penyaringan partikel aerosol menjadi isu penting dari sudut pandang epidemiologi. Precipitator elektrostatik (ESP) adalah salah satu perangkat yang digunakan untuk menyaring partikel aerosol.
ESPs work based on electrohydrodynamics, including particle charging and particle transport [3]. Figure 1 shows the schematic of a traditional two-stage ESP that consists of a charger and a collector. The charger consists of one corona electrode (high-voltage) and two exciting electrodes (grounded), creating an extremely strong electric field around the corona electrode to make the corona discharge happen. The collector includes one repelling electrode (high-voltage) and two collecting electrodes (grounded), also creating a strong electric field in-between. Incoming particles get charged by the effects of corona discharge when passing by the charger. In the collector, instead of moving straightforward, the charged particles would move toward the collecting electrodes because of the induced electrostatic forces. Consequently, the charged particles are collected on the collecting electrodes.
ESP bekerja berdasarkan elektrohidrodinamika, termasuk pengisian partikel dan transportasi partikel [3]. Gambar 1 menunjukkan skema ESP dua tahap tradisional yang terdiri dari pengisi daya dan kolektor. Pengisi daya terdiri dari satu elektroda korona (tegangan tinggi) dan dua elektroda eksitasi (dibumikan), yang menciptakan medan listrik yang sangat kuat di sekitar elektroda korona untuk membuat lucutan korona terjadi. Kolektor mencakup satu elektroda tolak (tegangan tinggi) dan dua elektroda pengumpul (dibumikan), yang juga menciptakan medan listrik yang kuat di antaranya. Partikel yang masuk menjadi bermuatan oleh efek lucutan korona saat melewati pengisi daya. Di kolektor, alih-alih bergerak lurus, partikel bermuatan akan bergerak menuju elektroda pengumpul karena gaya elektrostatik yang diinduksi. Akibatnya, partikel bermuatan dikumpulkan pada elektroda pengumpul.
Based on the Deutsch-Anderson equation, the collection efficiency of an ESP depends on several factors, such as corona voltage, airflow rate,
Berdasarkan persamaan Deutsch-Anderson, efisiensi pengumpulan ESP bergantung pada beberapa faktor, seperti tegangan korona, laju aliran udara,
and the properties of particles [4]. Of the properties of a particle, the number of charges a particle carries is particularly important and is dependent on the electric field around the corona electrode [5]. When the electric field around the corona electrode is stronger (or the corona current is higher), particles can get charged more efficiently, and thus the collection efficiency can be higher [6, 7, 8, 9].
dan sifat-sifat partikel [4]. Dari sifat-sifat partikel, jumlah muatan yang dibawa partikel sangat penting dan bergantung pada medan listrik di sekitar elektroda korona [5]. Ketika medan listrik di sekitar elektroda korona lebih kuat (atau arus korona lebih tinggi), partikel dapat terisi lebih efisien, dan dengan demikian efisiensi pengumpulannya bisa lebih tinggi [6, 7, 8, 9].
The electric field around a corona electrode strongly depends on the curvature difference and the voltage difference between the corona electrode and the exciting electrode. A sharp corona electrode has a high tip curvature, and therefore, needle- or cylinder-plate charger can create a stronger electric field when compared with a wire-plate charger [10, 11]. El-Mohandes et al. showed that the corona current is higher at the same corona voltage when the number of the corona needles is fixed at six and the pitch (gap) between adjacent corona needles is larger [12]. Rong et al. also indicated that a large pitch of the corona electrodes can result in a strong electric field [13]. Although inducing a strong electric field helps to improve the collection efficiency, a strong electric field also speeds up the performance degradation of the corona electrodes because of the oxidation problems. Kim et al. explained how electrical discharge and oxidation are related to each other [14]. Selivonin et al. demonstrated that the performance degradation of the plate electrodes used in dielectric barrier discharge [15]. Nevertheless, the
Medan listrik di sekitar elektroda korona sangat bergantung pada perbedaan kelengkungan dan perbedaan tegangan antara elektroda korona dan elektroda eksitasi. Elektroda korona yang tajam memiliki kelengkungan ujung yang tinggi, dan oleh karena itu, pengisi daya jarum atau pelat silinder dapat menciptakan medan listrik yang lebih kuat jika dibandingkan dengan pengisi daya pelat kawat [10, 11]. El-Mohandes dkk. menunjukkan bahwa arus korona lebih tinggi pada tegangan korona yang sama ketika jumlah jarum korona ditetapkan enam dan jarak (celah) antara jarum korona yang berdekatan lebih besar [12]. Rong dkk. juga menunjukkan bahwa jarak elektroda korona yang besar dapat menghasilkan medan listrik yang kuat [13]. Meskipun menginduksi medan listrik yang kuat membantu meningkatkan efisiensi pengumpulan, medan listrik yang kuat juga mempercepat penurunan kinerja elektroda korona karena masalah oksidasi. Kim dkk. menjelaskan bagaimana pelepasan listrik dan oksidasi saling terkait [14]. Selivonin dkk. menunjukkan bahwa penurunan kinerja elektroda pelat yang digunakan dalam pelepasan penghalang dielektrik [15]. Namun demikian,
Figure 1. The schematic of a traditional two-stage ESP.
Gambar 1. Skema ESP dua tahap tradisional.
performance degradation of the cylindrical electrodes has not been presented.
penurunan kinerja elektroda silinder belum disajikan.
This paper presents the characteristic changes of the cylindrical corona electrodes that are used in an ESP after long-term operation, including the current-time curves, the surface oxidation images (scanning electron microscope, SEM), and the element analysis. Excluding those known in the Deutsch-Anderson equation, this paper focuses on the characteristic changes with respect to the diameter and the pitch of the cylindrical corona electrodes.
Makalah ini menyajikan perubahan karakteristik elektroda korona silinder yang digunakan dalam ESP setelah operasi jangka panjang, termasuk kurva arus-waktu, citra oksidasi permukaan (mikroskop elektron pemindaian, SEM), dan analisis elemen. Dengan mengesampingkan perubahan yang diketahui dalam persamaan Deutsch-Anderson, makalah ini berfokus pada perubahan karakteristik terkait diameter dan pitch elektroda korona silinder.

2. Methods  2. Metode

2.1. Experimental setup  2.1. Pengaturan percobaan

Figure 2 shows the schematic of the experimental setup. Air and ambient particles are drawn into the ESP under test by a traditional rotary fan at a constant rate of 4.3 × 10 − 3 m 3 / s 4.3 × 10 − 3 m 3 / s 4.3 xx10^(-3)m^(3)//s4.3 \times 10^{-3} \mathrm{~m}^{3} / \mathrm{s} ( 258 LPM ). Two DC power supplies (YSTC-HVPS) provide the positive high voltages to the ESP under test (charger and collector) independently. There is a particle counter (MSP-1000XP) placed downstream of the ESP under test to measure the numbers of particles in terms of particle size. Once the numbers of particles are measured, the collection efficiency η η eta\eta can be calculated by (1).
Gambar 2 menunjukkan skema pengaturan eksperimen. Udara dan partikel ambien dihisap ke dalam ESP yang diuji oleh kipas putar konvensional dengan laju konstan 4.3 × 10 − 3 m 3 / s 4.3 × 10 − 3 m 3 / s 4.3 xx10^(-3)m^(3)//s4.3 \times 10^{-3} \mathrm{~m}^{3} / \mathrm{s} (258 LPM). Dua catu daya DC (YSTC-HVPS) memberikan tegangan tinggi positif ke ESP yang diuji (pengisi daya dan pengumpul) secara terpisah. Terdapat penghitung partikel (MSP-1000XP) yang ditempatkan di hilir ESP yang diuji untuk mengukur jumlah partikel berdasarkan ukuran partikel. Setelah jumlah partikel diukur, efisiensi pengumpulan η η eta\eta dapat dihitung dengan persamaan (1).
η = ( 1 − N ESP on N ESP off ) × 100 % η = 1 − N ESP on  N ESP off  × 100 % eta=(1-(N_("ESP on "))/(N_("ESP off ")))xx100%\eta=\left(1-\frac{N_{\text {ESP on }}}{N_{\text {ESP off }}}\right) \times 100 \%
where N ESP N ESP  N_("ESP ")N_{\text {ESP }} on and N ESP N ESP  N_("ESP ")N_{\text {ESP }} off are the numbers of particles when the ESP under test is turned on and turned off (background number of particles), respectively. Note that the collection efficiency shown in (1) is valid for specific particle size, i.e., the collection efficiency varies from one particle size to another.
di mana N ESP N ESP  N_("ESP ")N_{\text {ESP }} on dan N ESP N ESP  N_("ESP ")N_{\text {ESP }} off masing-masing adalah jumlah partikel ketika ESP yang diuji dihidupkan dan dimatikan (jumlah partikel latar belakang). Perhatikan bahwa efisiensi pengumpulan yang ditunjukkan pada (1) berlaku untuk ukuran partikel tertentu, yaitu, efisiensi pengumpulan bervariasi dari satu ukuran partikel ke ukuran partikel lainnya.
Figure 2. The schematic of the experimental setup.
Gambar 2. Skema tatanan percobaan.
Figure 3. The schematic of the ESP under test (side view). Not drawn to scale.
Gambar 3. Skema ESP yang diuji (tampak samping). Tidak digambar sesuai skala.
Figure 4. The schematic of the parameters of interest (front view).
Gambar 4. Skema parameter yang diinginkan (tampilan depan).
Table 1. The information of the cylindrical electrode.
Tabel 1. Informasi elektroda silinder.
Diameter Pitch (Number of Cylindrical Electrodes)
Pitch (Jumlah Elektroda Silinder)
0.4 mm  0,4 mm 10 mm ( 14 ) , 15 mm ( 10 ) , 20 mm ( 7 ) 10 mm ( 14 ) , 15 mm ( 10 ) , 20 mm ( 7 ) 10mm(14),15mm(10),20mm(7)10 \mathrm{~mm}(14), 15 \mathrm{~mm} \mathrm{(10)} ,20 \mathrm{~mm}(7)
0.7 mm  0,7 mm
1.0 mm  1,0 mm
Diameter Pitch (Number of Cylindrical Electrodes) 0.4 mm 10mm(14),15mm(10),20mm(7) 0.7 mm 1.0 mm | Diameter | Pitch (Number of Cylindrical Electrodes) | | :--- | :--- | | 0.4 mm | $10 \mathrm{~mm}(14), 15 \mathrm{~mm} \mathrm{(10)} ,20 \mathrm{~mm}(7)$ | | 0.7 mm | | | 1.0 mm | |

2.2. ESP under test
2.2. ESP sedang diuji

The ESP under test is a single channel two-stage ESP, as shown in Figure 3. The schematic and two parameters of the cylindrical corona electrodes this paper concerns, the diameter and the pitch, are shown in Figure 4 and summarized in Table 1, respectively. The enclosure of the ESP under test is 3D printed using PLA. The ESP under test has a width of 140 mm . The cylindrical corona electrodes are evenly distributed across the width of the ESP under test. Therefore, the number of cylindrical corona electrodes changes when the pitch of the cylindrical corona electrodes changes. All the cylindrical corona electrodes are made of high-speed steel and all the plate electrodes (exciting, repelling, and collecting electrodes) are made of aluminum. The reason to make the length of the repelling electrode shorter than that of the collecting electrode is to ensure no corona discharge occurring between the repelling and the collecting electrodes. In the following text, this paper uses the pitch and the diameter to represent the pitch and the diameter of the cylindrical corona electrodes, respectively. Additionally, the cylindrical electrode denotes the cylindrical corona electrode.
ESP yang diuji adalah ESP dua tahap saluran tunggal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Skema dan dua parameter elektroda korona silinder yang dibahas dalam makalah ini, diameter dan pitch, ditunjukkan pada Gambar 4 dan diringkas dalam Tabel 1, masing-masing. Enklosur ESP yang diuji dicetak 3D menggunakan PLA. ESP yang diuji memiliki lebar 140 mm. Elektroda korona silinder didistribusikan secara merata di seluruh lebar ESP yang diuji. Oleh karena itu, jumlah elektroda korona silinder berubah ketika pitch elektroda korona silinder berubah. Semua elektroda korona silinder terbuat dari baja kecepatan tinggi dan semua elektroda pelat (elektroda eksitasi, tolak, dan pengumpul) terbuat dari aluminium. Alasan untuk membuat panjang elektroda tolak lebih pendek dari elektroda pengumpul adalah untuk memastikan tidak ada lucutan korona yang terjadi antara elektroda tolak dan pengumpul. Dalam teks berikut, makalah ini menggunakan pitch dan diameter untuk mewakili pitch dan diameter elektroda korona silinder, masing-masing. Selain itu, elektroda silinder menunjukkan elektroda korona silinder.

3. Results and discussion
3. Hasil dan Pembahasan

3.1. Current-voltage characteristic
3.1. Karakteristik arus-tegangan

Figure 5 shows the characteristic curves of the ESPs under test. Each data point represents an average of three measurements and the error bar is the standard deviation.
Gambar 5 menunjukkan kurva karakteristik ESP yang diuji. Setiap titik data mewakili rata-rata tiga pengukuran, dan batang galat adalah simpangan baku.
Since the current is proportional to the current density [16], the total current drawn by all the corona electrodes should be proportional to the number of the corona electrodes. Therefore, the corona current increases when the pitch decreases, as shown in Figure 5, simply because there are
Karena arus sebanding dengan kerapatan arus [16], total arus yang ditarik oleh semua elektroda korona harus sebanding dengan jumlah elektroda korona. Oleh karena itu, arus korona meningkat ketika pitch menurun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, hanya karena ada
Figure 5. The current-voltage characteristics of the ESPs under test.
Gambar 5. Karakteristik arus-tegangan ESP yang diuji.
more cylindrical electrodes when the pitch decreases. Besides, thinner cylindrical electrodes have higher sparkover voltages because it was observed that the thinner cylindrical electrodes perform much more stable than the thicker ones do. To be noted that corona discharge happens when the electric field strength falls within the breakdown electric strength ( ∼ 3.2 × 10 6 V / m ∼ 3.2 × 10 6 V / m ∼3.2 xx10^(6)V//m\sim 3.2 \times 10^{6} \mathrm{~V} / \mathrm{m} ) and a certain high electric strength that makes sparkover, while both strengths are a function of geometrical configurations of the electrodes and the dielectric conditions.
Elektroda yang lebih silindris akan menghasilkan tegangan sparkover yang lebih tinggi ketika pitch menurun. Selain itu, elektroda silindris yang lebih tipis memiliki tegangan sparkover yang lebih tinggi karena telah diamati bahwa elektroda silindris yang lebih tipis berkinerja jauh lebih stabil daripada elektroda yang lebih tebal. Perlu dicatat bahwa lucutan korona terjadi ketika kekuatan medan listrik berada dalam batas kekuatan listrik tembus ( ∼ 3.2 × 10 6 V / m ∼ 3.2 × 10 6 V / m ∼3.2 xx10^(6)V//m\sim 3.2 \times 10^{6} \mathrm{~V} / \mathrm{m} ) dan kekuatan listrik tinggi tertentu yang menghasilkan sparkover, sementara kedua kekuatan tersebut merupakan fungsi dari konfigurasi geometris elektroda dan kondisi dielektrik.

3.2. Collection efficiency
3.2. Efisiensi pengumpulan

Figure 6, Figure 7, and Figure 8 show the collection efficiency in terms of particle size for the pitch of 10 mm , 15 mm 10 mm , 15 mm 10mm,15mm10 \mathrm{~mm}, 15 \mathrm{~mm}, and 20 mm , respectively. Each data point represents an average of seven
Gambar 6, Gambar 7, dan Gambar 8 menunjukkan efisiensi pengumpulan dalam hal ukuran partikel untuk jarak 10 mm , 15 mm 10 mm , 15 mm 10mm,15mm10 \mathrm{~mm}, 15 \mathrm{~mm} dan 20 mm, masing-masing. Setiap titik data mewakili rata-rata tujuh
Figure 6. The collection efficiency for the cylindrical electrodes at 10 mm pitch.
Gambar 6. Efisiensi pengumpulan untuk elektroda silinder pada jarak 10 mm.
Figure 7. The collection efficiency for the cylindrical electrodes at 15 mm pitch.
Gambar 7. Efisiensi pengumpulan untuk elektroda silinder pada jarak 15 mm.
Figure 8. The collection efficiency for the cylindrical electrodes at 20 mm pitch.
Gambar 8. Efisiensi pengumpulan untuk elektroda silinder pada jarak 20 mm.
measurements and the error bar denotes the standard deviation. The corona voltage is 8 kV , while the repelling voltage is 11 kV . Note that these voltages are not optimum for the collection efficiency.
Pengukuran dan batang kesalahan menunjukkan deviasi standar. Tegangan korona adalah 8 kV, sedangkan tegangan tolak adalah 11 kV. Perhatikan bahwa tegangan ini tidak optimal untuk efisiensi pengumpulan.
It can be seen that both the diameter and the pitch affect the collection efficiency. Using the thinner cylindrical electrodes results in the higher collection efficiency because the electric fields around a thinner cylindrical electrode are stronger than those around a regular one, making a larger ionization region [11, 13]. In other words, the efficiency of particle charging is high when using thin cylindrical electrodes [17, 18]. Moreover, the collection efficiency seems nonlinearly and inversely proportional to the diameter, suggesting that there exists an optimum diameter to have the best collection efficiency. Regarding the pitch, using the cylindrical electrodes with a shorter pitch also results in higher
Dapat dilihat bahwa diameter dan pitch memengaruhi efisiensi pengumpulan. Penggunaan elektroda silinder yang lebih tipis menghasilkan efisiensi pengumpulan yang lebih tinggi karena medan listrik di sekitar elektroda silinder yang lebih tipis lebih kuat daripada medan listrik di sekitar elektroda biasa, sehingga menghasilkan daerah ionisasi yang lebih besar [11, 13]. Dengan kata lain, efisiensi pengisian partikel tinggi ketika menggunakan elektroda silinder tipis [17, 18]. Selain itu, efisiensi pengumpulan tampaknya nonlinier dan berbanding terbalik dengan diameter, menunjukkan bahwa terdapat diameter optimal untuk mendapatkan efisiensi pengumpulan terbaik. Mengenai pitch, penggunaan elektroda silinder dengan pitch yang lebih pendek juga menghasilkan
Figure 9. The current-time characteristics for 10 mm pitch.
Gambar 9. Karakteristik waktu saat ini untuk jarak 10 mm.
Figure 10. The current-time characteristics for 15 mm pitch.
Gambar 10. Karakteristik waktu saat ini untuk jarak 15 mm.
Figure 11. The current-time characteristics for 20 mm pitch.
Gambar 11. Karakteristik waktu saat ini untuk jarak 20 mm.
    • Corresponding author.  Penulis yang bersangkutan.
    E-mail address: tywen@mail.ntust.edu.tw (T.-Y. Wen).
    Alamat email: tywen@mail.ntust.edu.tw (T.-Y. Wen).