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Verfahren und Einrichtung zur Reinigung der Abgase von
Verbrennungskraftmaschinen
Die Erfindung beziehtsich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Ver- brennungskraftmaschinen und setzt sich zum Ziel, die Reinigung so durchzufuhren, dass die austretenden
Abgase keine festen und flüssigen Partikel, aber auch keine Geruchstoffe und giftigen Bestandteile mehr enthalten.
Zur Lösung dieses Problems sind eine Anzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, die aber bisher sämtliche nur zu Teillösungen geführt haben. Zunächst schien die Lösung darin gefunden zu sein, dass man in den Abgasstrom einen Dampfstrom einleitete oder aber Wasser einspritzte. Die im Gasstrom befindlichen Schwebeteilchen fester bzw. flüssiger Art sollten als Kondensationskerne dienen, an welche dann die Dampf- oder Wassermoleküle angelagert werden sollten. Die so gebildeten Kondensationskerne sollten dann entweder über ein elektrisches Filter oder durch Zyklone aus dem Gasstrom entfernt werden.
Es zeigte sich sehr bald, dass dieser Weg aus zwei Gründen zu keinem vollen Erfolg führen konnte. Zum ersten benötigt man ausserordentlich grosse Dampf-bzw. Wassermengen, um ein Wärmegefalle im Abgasstrom zu erzeugen, welches die Kondensation möglich macht. Bei eingespritztem Wasser tritt im allgemeinen zunächst eine Verdampfung desselben ein und erst im weiteren Verlauf der Wasserzufuhr tritt dann der gewünschte Kondensationsprozess auf.
Abgesehen davon, dass mit dem geschilderten Verfahren nur solche Teilchen aus dem Gasstrom entfernt werden können, die in diesem bereits fest oder flüssig vorliegen, das Verfahren also nur einen Teil der verlangten Gas-Reinigung umfasst, ist der materielle Auf- wand der Dampfbildung bzw. der Versprühung des Wassers so gross, dass es nicht möglich war, die geschilderte Methode in. die Praxis umzusetzen.
Ein in den letzten Jahren entwickeltes Verfahren geht davon aus, dass man auf katalytische Wege feste, in einem Gasstrom schwebende Teilchen bei genügend hohen Temperaturen verbrennen und so aus dem Gasstrom entfernen kann. Dieses Verfahren verlangt Temperaturen von etwa 5700C für den katalytischen Prozess. Solche Temperaturen liegen im allgemeinen bei Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren nur im Vollastbereich und dann nur unmittelbar hinter den Auslassventilen vor. Es müsste deshalb der Gasstrom zusätzlich aufgeheizt werden und zu dem ohnehin schon als verloren anzusehenden Wärmeinhalt der Auspuffgase noch weitere Wärmeenergie zugeführt werden.
Damit aber wird die Leistungsbilanz des Motors verschlechtert ; dazu kommt, dass der katalytische Verbrennungsprozess eine laufende Überwachung und Entfernung der Katalytstäbe notwendig macht, die ihre Wirksamkeit durch eine langsame chemische Umwandlung verlieren. Aus den geschilderten Gründen hat sich auch das katalytische Verfahren nicht durchzusetzen vermocht, nicht zuletzt auch deshalb, weil es, wie die Einspritzverfahren, eben nur einen Teil der Verunreinigungen der Gase, nämlich die festen Russpartikel erfasst.
Es ist auch bekannt, Abgase vor Eintritt in eine elektrische Niederschlagsvorrichtung, z. B. durch Kondensatberieselung oder Dampfzufuhr so weit herunter zu kühlen, dass aus dem Gas zu entfernende in die-
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sem in Gas- bzw. Dampfform enthaltende Stoffe kondensieren, wobei dann der Kondensationsnebelinder Niederschlagsvorrichtung abgeschieden wird. In den bisher bekanntgewordenen Niederschlagsvorrichtungen lassen sich aber die so erhaltenen feinen Nebel nur zum kleinsten Teil abscheiden. Dies hat seinen Grund darin, dass die abzuscheidenden Nebeltröpfchen sehr klein und die in den bekanntgewordenen Elektrofiltern zur Verfügung stehenden Feldstärken relativ niedrig sind.
Ferner führte der meist relativ grosse Feststoffanteil in dem zu reinigenden Rohgas dazu, dass das Gas bei seinem Eintritt in den dem eigentlichen Abscheider vorgelagerten Ionisator als relativ guter Leiter wirkte, der das Sprühfeld des Ionisators, rasch abfallen liess ; die Beladung der auszuscheidenden Teilchen mit den erzeugten Ionen und demzufolge de-
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ses Verfahren erhebliche Nachteile.
Einerseits stellt die Dampfzufuhr einen nicht unbeträchtlichen Auf- wand dar ; anderseits konnte die Feldstärke in den bekannten Ionisatoren trotz allem nicht auf den ge- wünschten hohen Wert gesteigert werden und ausserdem brachte die Dampfzufuhr nicht nur eine Vergrö- sserung der abzuscheidenden Partikel, sondern auch eine erhebliche Vergrösserung der Zahl dieser Partikel, da sich längst nicht aller Dampf nur an die bereits vorhandenen Partikel anlagern liess, sondern selbst wieder zur Partikelbildung beitrug, so dass der nachgeschaltete Abscheider (ob nun mechanisch oder elektrisch arbeitend) dem Partikelandrang nicht mehr gewachsen war ; zwangsläufig verblieb dann auch ein Teil der vom Rohgas in die Anlage mitgebrachten abzuscheidenden Stoffe in dem den Abscheider verlassenden Reingas.
Zur vollständigen Lösung des Problems der Auspuffgas-Reinigung müssen nicht nur die im Gas befindlichen Fest- und Flüssigkeitspartikel, sondern auch die Geruchsstoffe, die sogenannten Aldehyde, die zunächst in Gasform vorliegen, miterfasst werden.
Eine solche vollständige Reinigung der Abgase wird durch das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren ermöglicht, welches darin besteht, dass der Abgasstrom bis zur Kondensation der schwerstkondensierbaren Komponente z. B. durch Verdünnung gekühlt wird, worauf die im Abgasstrom enthaltenen gröberen und feineren Partikel durch Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchwirbelung weiter vergrössert werden, und sodann das so erhaltene Aerosol durch elektrische Feldionisation unipolar aufgeladen wird und anschliessend die gebildeten Tröpfchen in an sich bekannter Weise in einem elektrischen Querfeld abgeschieden werden. Beim erfindungsgemässen Verfahren vollzieht sich demnach der Reinigungsvorgang in drei in bestimmter Reihenfolge aufeinanderfolgende Phasen.
Entsprechend weiteren Erfindungsmerkmalen kann die Verdünnung und Abkühlung des Abgasstromes durch allmähliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit oder durch eine vorzugsweise in Strömungsrichtung allmählich erfolgende Beimengung von Kaltluft vorgenommen bzw. eine Vergrösserung der abzuscheidenden Partikel durch Einwirkung der Zentrifugalkraft erreicht werden.
Die Erfindung schlägt ferner eine Einrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens vor, bei welcher in einem an das Gehäuse eines Elektrofilters angesetzten Gehäuse ein die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes verringernder Expansionsraum ausgebildet und zwischen letzterem und dem Elektrofilter ein als Sauggebläse wirkendes, gesondert oder von einer Abgasturbine angetriebenes Schaufelrad eingesetzt ist. Die Kühlung durch Verdünnung der Abgase kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung durch ein die Form einer Lavaldüse aufweisendes Gehäuse erreicht werden, welches im konvergierenden Teil vorzugsweise mit Eintrittsöffnungen für angesaugte Frischluft ausgestattet ist.
Zwischen dem für die Abkühlung des Abgasstromes vorgesehenen Gehäuseteil und dem Elektrofilter kann entsprechend weiteren Erfindungsmerkmalen ein die Strömungsgeschwindigkeit herabsetzender Beruhigungs- und Absetzraum bzw. ein Zentrifugalabscheider mit getrennter Gas- und Partikelabführung angeordnet sein.
Erfolgt die Zufuhr von Luft unter Ausnützung der Strömungsenergie des Gases, so ist dies ohne baulichen Aufwand zu bewerkstelligen und dem bei der Abkühlung entstandenen Nebel wird nur gerade soviel Feuchtigkeit zugeführt, dass diese vollständig durch Anlagerung an die abzuscheidenden Partikel aufgebraucht wird, ohne selbst die Tröpfchenzahl zu vermehren, wobei gleichzeitig die Tröpfehendichte in dem zum Abscheider gelangenden Gasstrom so niedrig gehalten wird, dass eine einwandfreie Abscheidung in allen Fällen möglich ist. Wird ein Gebläse verwendet, so muss dessen Leistung dem gewünschten Luftbedarf angepasst oder regulierbar sein.
Der Gasstrom wird unter den Taupunkt der niederstsiedenden Komponente der auszuscheidenden gas- förmigen Verunreinigung abgekühlt, wobei während des Abkühlvorganges die einzelnen Komponenten der gasförmigen Verunreinigungen entsprechend ihrem Taupunkt der Reihe nach kondensieren und die so gebildeten Tröpfchen durch fortschreitende Anlagerung an die im Gasstrom enthaltenen festen und flüssigen
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Verunreinigungen grössere Partikel bilden, die anschliessend abgeschieden werden.
Es hat sich gezeigt, dass die durch die angesaugte Luft bewirkte Feuchtigkeitszufuhr bei hinreichen- der Vergrösserung der abzuscheidenden Nebeltröpfchen ohne Vermehrung der Tröpfchenzahl gleichzeitig auch die abzuscheidenden Festpartikel genügend isoliert, um das im Ionisator herrschende, die zur Auf- ladung der Partikel erforderliche Ionenbewegung bewirkende elektrische Feld nicht zu beeinträchtigen, wodurch eine einwandfreie Abscheidung gewährleistet ist.
Im folgenden sind an Hand der Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Einrichtung zur Durch - führung des erfindungsgemässen Gasreinigungsverfahrens beschrieben. In den Zeichnungen zeigen :
Fig. 1 im Axialschnitt ein erstes Beispiel einer Gasreinigungseinrichtung mit dem Kühlraum nachge- ordnetem Sauggebläse, Fig. 2 im Axialschnitt eine Variante zu Fig. 1, Fig. 3 im Axialschnitt ein zweites
Beispiel einer Gasreinigungseinrichtung mit Lavalrohr, Fig. 4 das Lavalrohr der Einrichtung nach Fig. 3 in
Draufsicht, Fig. 5 im Axialschnitt eine Variante zu Fig. 3, Fig. 6 und 7 im Axialschnitt bzw.
Draufsicht eine weitere Variante der Gasreinigungseinrichtung nach Fig. 3, Fig. 8 im Axialschnitt eine weitere Variante des Beispiels nach Fig. 3, Fig. 9 im Axialschnitt ein drittes Beispiel einer Gasreinigungseinrichtung mit konischem Kühlraumeinsatz, Fig. 10 im Axialschnitt eine Detailvariante zu Fig. 9, Fig. 11 im Axialschnitt ein viertes Beispiel mit gekühltem Lavalrohr, Fig. 12 im Axialschnitt ein fünftes Beispiel einer Gasreinigungseinrichtung mit Wärmetransportband, Fig. 13 schematisch im Axialschnitt eine Detailvari- ante zu Fig. 12, Fig. 14 im Querschnitt ein erstes Beispiel eines Elektrofilters mit Abscheidematten, Fig. 15 eine Variante zu Fig. 14, Fig. 16 schematisch ein weiteres Beispiel, Fig.
17 ein weiteres Beispiel eines Elektro-Abscheiders, teilweise im Axialschnitt, und Fig. 18 einen um 900 versetzten Schnitt durch den Abscheider nach Fig. 17.
Es ist angenommen, dass alle gezeichneten Beispiele der Gasreinigungseinrichtung zur Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors dienen, obwohl natürlich auch andere heisse Industrieabgase mit diesen Einrichtungen gereinigt werden können, sofern sie die mit dem in Frage stehenden Reinigungsverfahren erfassbaren Komponenten enthalten.
Die in Fig. l gezeigte Einrichtung besitzt ein an die nichtgezeichnete Abgasleitung eines Motors anschliessbares Turbinengehäuse 1 mit Zentralkörper 2 zur Schaffung eines ringförmigen Durchlasses. Anschliessend an den Zentralkörper 2 ist im Gehäuse 1 eine zweitstufige Turbine 3 angeordnet ; die Rotorwelle 4 der Turbine 3 ist mit dem einen Ende im Zentralkörper 2 gelagert und erstreckt sich mit dem andern Ende durch einen an die Turbine anschliessenden zentralen Leitkörper 5 hindurch. An den sich stromabwärts stark erweiternden Endteil la des Turbinengehäuses l ist ein Kühlraumgehäuse 6 angeschlossen, während an den sich stromabwärts verjüngenden Leitkörper 5 ein Leitkörper 7 angeschlossen ist.
Der aus dem Leitkörper 7 heraus in einen sich stromabwärts erweiternden Endabschnitt 6a des Gehäuses 6 hinein erstreckende Endteil der Welle 4 trägt das Laufrad eines Sauggebläses 8 und ist ausserhalb dieses Laufrades in einem vom Endabschnitt 6a des Gehäuses 6 getragenen Lager 9 gelagert. An den Endabschnitt 6a des Gehäuses 6 ist ein Elektrofilter 10 von an sich bekannter Bauart angeschlossen. Die Gehäuseteile la und 6 einerseits und die Leitkörper 5 und 7 anderseits begrenzen einen gegenüber dem Turbinendurchlass stark erweiterten, im Querschnitt ringförmigen Expansionsraum 11.
Die aus der Abgasleitung kommenden Auspuffgase treiben den Turbinenläufer 3 an, der seinerseits das Sauggebläse 8 antreibt. Die Arbeitsleistung der Abgase in der Turbine, die starke Expansion der in den Raum 11 eintretenden Gase und der durch das entsprechend bemessene Sauggebläse 8 in diesem Raum 11 geschaffene Unterdruck bewirken eine relativ plötzliche Temperatursenkung des Gases im Expansionsraum 11. Die Einzelteile der Einrichtung sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Temperaturfall im Gas genügt, um eine Kondensation der im Gasstrom enthaltenen, auszuscheidenden Gaskomponenten zu bewirken, d. h. um eine Unterkühlung des Gasstromes unter den Taupunkt dieser Komponenten zu erzielen.
Dabei ist zu beachten, dass die verschiedenen Gaskomponenten mit ihren verschiedenen Taupunk- ten entsprechend der im Expansionsraum 11 sich über eine, wenn auch kurze Zeitspanne erstreckenden Abkühlung des Gasstromes nicht gleichzeitig, sondern aufeinanderfolgend kondensieren. Es versteht sich, dass zur möglichsten Kleinhaltung des Expansionsraumes 11 und der Gebläseleistung die Abkühlung des Gasstromes nur wenig unter den Taupunkt der niedrigstsiedenden Gaskomponente erfolgen soll. Die sich dabei bildenden Tröpfchen oder Festpartikel der Gaskomponenten wären aber für sich allein nicht genügend gross, um in einem nachfolgenden Abscheider z.
B. mechanischer oder elektrostatischer Bauart abgeschieden zu werden ; auch die in den meisten bekannten Heissgasen enthaltenen Fest-und Flüssigkeitspartikel sind im allgemeinen so klein, dass sie nur durch die beste Filterkonstruktion abgeschieden werden können, und dies auch nur dann, wenn mit relativ kleinem Gasdurchsatz oder mit entsprechend grossen Filtern gearbeitet wird. Beim vorliegenden Verfahren werden diese Schwierigkeiten, wie Versuche eindeu-
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tig gezeigt haben, vermieden.
Die bereits schon in fester oder flüssiger Form vorhandenen Partikel des Auspuffgasstromes koagulieren bzw. flockulieren während des Abkühlungsprozesses im Raum 11 weiter, so dass sich damit abscheidefähige
Grossmoleküle bilden. Darüber hinaus fallen die einzelnen abzuscheidenden Gaskomponenten je nach ih- rem Taupunkt nacheinander in fester Form an, so dass sie sich kaskadenartig aneinander anlagern können und so am Ende des Kondensationsprozesses ebenfalls grossmolekulare Partikel bilden. Dieser kaskadenartig verlaufende Anlagerungsprozess, der zu einer schrittweisen Vergrösserung der flüssigen Partikel und zu ei- ner hohen Anlagerungsmöglichkeit dieser flüssigen Partikel an die bereits vorhandenen festen Partikel führt, ermöglicht nun die Abscheidung dieses fest-flüssigen Gemisches aus dem Auspuffgasstrom auf ver- schiedene Weise.
Beim Beispiel nach Fig. l erfolgt die Partikelabscheidung im Elektrofilter 10. Es versteht sich aber, dass auch eine mechanische oder kombiniert mechanisch/elektrische Abscheidung vorgesehen sein könn- te. Dem Expansionsraum 11 kann ein Zyklon-Abscheider angebaut werden, welcher auf Grund der noch vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit des Gases eine Abscheidung der festen und flüssigen Partikel aus dem Gasstrom ermöglicht. Beim Dieselmotorenbetrieb ist die Trombenabscheidung durchaus möglich, da die anfallenden Partikel in fester und flüssiger Form relativ gross sind. Es hat sich sogar gezeigt, dass in gewissen Fällen, d. h. bei genügend grossen Endpartikeln am Auslass des Expansionsraumes 11 die Abschei- dung dieser Partikel durch Sedimentation erfolgen kann.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante erfolgt analog dem Beispiel nach Fig. 1 die Unterkühlungdes Gasstromes in einem Expansionsraum 11, der durch ein sich stromabwärts stark erweiterndes Gehäuse 12 begrenzt wird und in welchem mittels eines am Auslass des Gehäuses 12 angeordneten Sauggebläses 13 der erforderliche Druckabfall erzeugt wird. An Stelle einer durch den Gasstrom selbst angetriebenen Gebläseantriebsturbine ist in diesem Fall für das Gebläse Fremdantrieb vorgesehen. Zu diesem Zweck ist auf der Druckseite des Gebläses eine über ein Kegelgetriebe 14 mit dem Gebläselaufrad gekuppelte Antriebs- welle 15 aus dem Gehäuse 12 herausgeführt. Zufolge dieses Fremdantriebes lässt sich die Gebläsedrehzahl und demnach die Gasförderung an die jeweils im Expansionsraum 11 herrschenden Temperaturverhältnisse anpassen.
Damit können-kritische Auslassverhältnisse des Abgasstromes, die sich bei Verwendung einer Turbine nach Fig. l stromabwärts dieser Turbine einstellen können, vermieden werden.
Bei den vorangehend beschriebenen Verfahren wurde die Abkühlung des Gases unter den niedrigsten Taupunkt durch einfache Entspannung herbeigeführt. Ein zweiter Weg, die Unterkühlung der Gase unter den niedrigsten Taupunkt zu erreichen, besteht darin, dass dem Gasstrom Normalluft von aussen in einer solchen Menge beigemischt wird, dass die Mischtemperatur unter den verlangten Taupunkt absinkt.
Beim Beispiel nach den Fig. 3 und 4 ist an die Abgasleitung 16 ein den Kühlraum 11 begrenzendes Lavalrohr 17 angeschlossen, dessen Wand eine Vielzahl von Luftzufuhrschlitzen 18 aufweist. Die Schlitze 18 verlaufen in Strömungsrichtung schräg von aussen nach innen. An das sich nach der engsten Rohrstelle konisch erweiternde Auslassende des Lavalrohres 17 ist wieder ein Elektrofilter 10 angeschlossen. Aus der Abgasleitung 16 gelangt der heisse Gasstrom in die Lavaldüse 17 und saugt hier durch die jalousieartig angeordneten Schlitze 18 kalte Frischluft aus der Umgebung an. Einzelne oder alle Schlitze 18 des Lavalrohres 17 können mit Mitteln zur Veränderung ihres Querschnittes versehen sein, so dass sich die angesaugte Luftmenge und damit die angestrebte Abkühlung verändern lassen.
Auch hier erfolgt durch die Ab- kühlung des Gasstromes im Kühlraum 11 kaskadenartiges Kondensieren und gegenseitiges Anlagern der auszuscheidenden Komponenten, die in dem im fallenden Luftstrom angeordneten Elektrofilter 10 in Form relativ grosser Partikel ausgeschieden werden. Bei der in Fig. 5 gezeigten Variante sind die schrägen Schlit- ze 18 durch radial durch die Lavalrohrwand führende Schlitze 18a ersetzt.
Es ist zweckmässig, den Abgasstrom vor dem Eintritt in das Filter durch einen Beruhigungsraum zu leiten, in welchem sich die schweren Schwebepartikel durch ihr Sinkvermögen zum Teil absetzenkönnen. Eine solche Ausführung ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, die im übrigen dem Beispiel nach Fig. 3 entspricht. An den unteren Auslass des stehend angeordneten Lavalrohres 17 ist ein annähernd U-förmiges Gehäuse mit Schrägboden 19 angeschlossen, dessen unmittelbar an das Lavalrohr 17 anschliessender Schenkel eine Absetzkammer 20 bildet. An den Auslass des andern Gehäuseschenkels ist dann das vom bereits zum Teil gereinigten Gas im Steigstrom passierte Filter 10 angeschlossen. An der tiefsten Stelle der Absetzkammer 20 ist ein Ablasshahn 21 vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, dass sich die im Kühlraum 11 (Lavalrohr) gebildeten Partikel im Steigstrom besonders gut abscheiden lassen.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Variante ist der Kühlraum 11 ebenfalls durch ein geschlitztes Lavalrohr 17 gebildet ; die Abkühlung wird durch die angesaugte und mit dem Gasstrom vermischte Frischluft erzielt. An Stelle eines Elektrofilters ist hier ein Zentrifugalabscheider 22 vorgesehen. Die vom Laufrad
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des Abscheiders beschichtete Auslassleitung ist in Axialrichtung in zwei getrennte Kammern 23,24 unter- teilt ; das gereinigte Gas entweicht durch die obere Kammer 23, während die auszuscheidenden Partikel von der unteren Kammer 24 aufgefangen werden.
Ein weiteres Beispiel einer Heissgas-Reinigungseinrichtung mit in einem geschlitzten Lavalrohr ge- schaffenem Kühlraum 11 ist in Fig. 9 dargestellt. An Stelle des Lavalrohres könnte allerdings auch ein zylindrisches Rohr verwendet werden.
In dieses Rohr ist von oben ein sich stromabwärts konisch verjüngendes Saugrohr 25 eingesetzt, das mit dem Umfangsrand seines erweiterten Endes am Lavalrohr befestigt ist. Die angesaugte Frischluftmen- ge und demzufolge die erzielbare Kühlung hängen unter anderem auch von der Länge des Saugrohres 25 ab. Das Saugrohr kann auswechselbar in das Lavalrohr 17 eingesetzt sein. Um eine stufenweise Abküh- lung des Gasstromes im Kühlraum 11 zu bewirken, sind bei der in Fig. 10 dargestellten Detailvariante in das den Kühlraum begrenzende, zylindrische Rohr 17a mehrere in Strömungsrichtung hintereinander an- geordnete konische Saugrohre 25a eingesetzt. Jedes vorangehende Saugrohr ragt mit seinem verjüngten
Ende in das weitere Ende des nachfolgenden Rohres 25a hinein.
Auch hier saugt der Gasstrom auf seinem
Weg durch die Saugrohre 25a Frischluft durch die Schrägschlitze 18 in der Wand des Rohres 17a an ; diese mit dem Gasstrom sich mischende Frischluft bewirkt die gewünschte Kühlung. Durch die in Stufen erfolgende Luftzufuhr zum Kühlraum 11 mit entsprechender Abkühlung des Gasstromes erfolgt eine ausgeprägt stufenweise Kondensation der auszuscheidenden Verunreinigungen ; durch gegenseitige Anlagerung der sich fortlaufend bildenden kleinen Partikel und Anlagerung derselben an den im Gasstrom enthaltenen Festund Flüssigpartikel bilden sich die im nachfolgenden Abscheider auszuscheidenden grösseren Partikel.
Ein weiteres Beispiel mit durch ein an die Abgasleitung 16 angeschlossenes Lavalrohr 17 gebildeten Kühlraum 11 ist in Fig. ll gezeigt. Diese Einrichtung eignet sich besonders dort, wo der zu reinigende Gasstrom keine extrem hohe Temperatur besitzt. Das ungeschlitzte Lavalrohr 17 ist unter Schaffung eines Ringraumes 26 von einem zylindrischen Mantel 27 umgeben, der stromaufwärts einen Einlass und stromabwärts einen Auslass besitzt. Ein den Ringraum 26 durchströmendes Kühlmedium, z. B. Luft, Wasser, Öl od. dgl. bewirkt die Kühlung des Gasstromes.
Eine andere Möglichkeit der raschen und genügenden Abkühlung des Heissgasstromes zwecks Erzeugung abscheidefähiger Partikel ist in Fig. 12 dargestellt. Die Abkühlung des Heissgasstromes im Kühlraum 11 erfolgt hier durch kontinuierliche Wärmeabfuhr mittels der Kühlraumwände selbst. Zu diesem Zweck ist der den Kühlraum 11 bildende, im Querschnitt rechteckförmige Schacht an zwei einander gegenüberliegenden Seiten durch je ein über Umlenkrollen 28 und eine Antriebsrolle 29 geführtes endloses Band 30 begrenzt. Das den Raum 11 jeweils begrenzende Bandtrum ist in einer Nut 31 des Kühlgehäuses 32 lose geführt. Da, wie Fig. 12 zeigt, der Kühlraum 11 im Axialschnitt senkrecht zu den Bändern 30 als Laval- rohr ausgebildet ist, herrscht im Kühlraum 11 Unterdruck, der ein Entweichen von Gas durch die Nuten 31 verhindert.
Die zweckmässig aus Metall bestehenden durch die Rollen 29 in Pfeilrichtung angetriebenen Bänder 30 transportieren die aus dem Kühlraum 11 aufgenommene Wärme kontinuierlich nach aussen.
Das ins Freie führende Bandtrum kann die aufgenommene Wärme direkt an die Luft oder an ein geeignetes Kühlmedium abgeben. Es erfolgt somit eine kontinuierliche Abkühlung des durchströmenden Gasstro- mes. An Stelle eines geschlossenen Wärmetransportbandes kann ein solches Band auch durch jalousieförmige Einzellamellen, die gelenkig aneinandergehängt sind, gebildet sein, wobei durch die auftretenden schmalen Lamellenöffnungen zusätzliche Kaltluft von aussen treten kann. Den Fremdantrieb der Wärmetransportbänder kann man dadurch umgehen, dass man die Bänder aus schaufelartigen Jalousie-Lamellen zusammensetzt, die an ihren Verbindungsstellen beweglich miteinander verbunden sind. In Fig. 13 ist eine solche Ausführung schematisch dargestellt. Die Lamellenbänder 30a bestehen aus Einzellamellen 33, die an einer Querseite schaufelförmig aufgebogen sind.
Der Heissgasstrom trifft auf diese Schaufelelemente und bewegt sie in Richtung des engsten Kühlraumquerschnittes. Die Abkühlung des Gasstromes mittels laufender Wärmetransportwand kann auch dadurch. geschehen, dass man in die Gasströmung eine aus Lamellen bestehende Wand in Strömungsrichtung einbaut und diese Wand mit entsprechender Geschwindigkeit mit oder entgegen der Richtung des Gasstromes bewegt. Wählt man als Bandmaterial einen Werkstoff, der eine hohe spezifische Wärme und eine grosse Wärmeübergangszahl besitzt, dann kann durch eine laufende Wärmetransportwand eine erhebliche Wärmemenge aus dem Gasstrom abgeführt werden.
Wie schon erwähnt, eignet sich das im vorangehenden an verschiedenen Beispielen erläuterte Verfahren insbesondere zur Reinigung der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren, z. B. von Dieselmotoren.
Wie bekannt, enthalten solche Dieselmotoren-Auspuffgase ausser als Festpartikel vorhandenen anorgani-
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Nakleine Temperatursenkung, wie sie nach dem vorbeschriebenen Verfahren ohne weiteres erreichbar ist, genügt zur Ausfällung dieser Säurebestandteile, die sich in der Folge an den Festpartikeln anlagern, und so abgeschieden werden können.
Eine Dieselmotor-Auspuffanalyse zeigt bei Volleistung im allgemeinen etwa folgende Zusammensetzung : C02 : 7-9%
H20 : 6% O2 : 100/0
CO : 0, 1% N2 : 770/0 Asche oder Russgehalt : 100 mg/m3.
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da diese Komponenten weder geruchstörend noch gefährlich sind. Wird zur Abscheidung ein Elektrofilter mit Sprühionisation verwendet, so bewirkt die zwangsläufig auftretende Ozonbildung, insbesondere im Zusammenwirken mit dem Schwefelgehalt des Gasstromes eine Oxydation des CO-Anteiles. Anderseits
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schriebenen Kühlmethoden ohne weiteres noch erfassbar sind.
Alle bisher bekannten Konstruktionen für Elektrofilter gehen von dem Prinzip aus, die mit Gasionen beladenen Partikel aus dem Aerosolstrom dadurch herauszunehmen, dass man die beladenen Partikel einem zur Strömungsrichtung des Aerosols quergerichteten elektrischen Feld aussetzt, wodurch die beladenen Partikel in Richtung des Spannungsgradienten des elektrischen Feldes bewegt werden und so auf Ab- scheideelektroden niedergeschlagen werden.
Das im folgenden beschriebene Prinzip verlässt diesen Weg und nützt die durch die Bewegungsrichtung des Aerosols gegebene Richtungskomponente der abzuscheidenden Partikel direkt aus, ohne dass dazu für die Abscheidung ein eigenes elektrisches Querfeld notwendig ist.
Die Fig. 14 stellt eine Anordnung des. zu beschreibenden Verfahrens dar. Der Aerosolstrom wird an lonisierungsspitzen 61, Ionisierungsdrähten oder an Trägern eines radioaktiven Strahlungsmittels vorbeigeführt, wodurch die Gasmoleküle in Gasionen umgewandelt werden. Diese Gasionen lagern sich nach bekannten Gesetzen an die im Aerosol vorhandenen Festpartikel an. Die auf diese Weise gebildeten geladenen Teilchen bewegen sich nun in Richtung des Aerosolstromes weiter und treffen auf ihrem Wege auf Filtermatten 62 auf, die aus einem metallischen Tragnetz, gefüllt mit einem durchlässigen Stoff aus Metall, Glasfaser- oder Kunststoffgewebe, bestehen können. Die geladenen Partikel werden an dem Gewebe bzw. Drahtnetz auf natürlichem Wege, ohne dass dabei ein elektrisches Feld benützt wird, abgelagert.
Um den Strömungswiderstand möglichst gering zu halten, ordnet man sehr dünne Filtermatten etagenförmig übereinander an, wobei durch diese etagenförmige Anordnung eine stufenweise Expansion des Aerosols und damit eine Verbesserung der Abscheidewirkung eintritt.
Die Fig. 15 zeigt eine Anordnung, bei welcher zwischen jeder Filter-Etage 62 eine Ionisationsquelle in Form einer Sprüh-, Corona- oder radioaktiven Strahlungsquelle 61 eingebaut ist. Damit lässt sich erreichen, dass Kondensationsprodukte, die sich in den einzelnen Etagen-Expansionsräumen bilden, beladen werden können und so zur Abscheidung gelangen. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, eine Absolut-Reinigung eines Gasstromes von festen oder flüssigen Partikeln zu erreichen. In besonderen Fällen kann als Zwischen- oder Schluss-Filterelement ein solches aus Aktivkohle verwendet werden, was besonders dann zu empfehlen ist, wenn aromatische Bestandteile des Aerosols mit abgeschieden werden sollen.
Für Filter, bei welchen relativ grosse Partikel abgeschieden werden sollen, kann das Etagen-Filter ohne lonisationsräume Verwendung finden, da die Abscheidung der Festpartikel an den Filtergeweben dann auf mechanische Weise erfolgen kann.
Aus Platzersparnisgründen kann man die Filterelemente statt horizontal V-förmig anordnen, wodurch es möglich wird, die Durchströmungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Es versteht sich, dass der beschriebene Abscheider in jedem beliebigen Elektrofilter verwendet werden kann und nicht auf ein Verfahren mit Unterkühlung des zu reinigenden Gases beschränkt ist.
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In Fig. 16 ist 40 ein Verbrennungsmotor, z. B. ein Dieselmotor, 41 ein Wärmeaustauscher, 42 eine
Luftansaugstelle und 43 ein Elektrofilter. Die Abgasleitung 44 des Verbrennungsmotors 40 führt durch den Wärmeaustauscher 41, der nach dem Gegenstromprinzip arbeitet ; Wärmeaustauschmedium ist Luft, die mittels eines Ventilators 45 durch den Austauscher 41 getrieben wird. Anstatt die dem Gas beizumi- schende Luft durch den Gasstrom anzusaugen, könnte auch ein Gebläse zur erzwungenen Luftzufuhr vor- gesehen sein. So könnte z. B. ein Teil der durch den Wärmeaustauscher 41 getriebenen Luft dem Gas- strom zugeführt werden. Der Wärmeaustauscher 41 ist so bemessen, dass die in Gas- bzw.
Dampfform im Gasstrom enthaltenen Anteile an auszuscheidender Materie unter ihren Taupunkt abgekühlt werden ; es bilden sich fortlaufend kleinste Tröpfchen, die sich bis zum Austritt der Gasleitung aus dem Wärme- austauscher durch gegenseitige Anlagerung relativ stark vergrössern ; als Kondensationskerne dienen die vom Gasstrom mitgeführten Feststoffpartikel. Es hat sich gezeigt, dass eine Abkühlung des Heissgases auf
60 - 800C im Wärmeaustauscher genügt, um praktisch alle Geruchskomponenten der Abgase eines Die- selmotors in Tröpfchen zu kondensieren. Die gebildeten Tröpfchen sind aber noch derart klein, dass prak- tisch nicht realisierbare Feldstärken notwendig wären, um sie nach einer elektrischen Beladung im Elek- trofilter abscheiden zu können.
Anderseits ist die Tröpfchen-und Partikelzahl pro Volumeneinheit in dem den Wärmeaustauscher verlassenden Gasstrom derart gross, dass das Gas ein relativ guter Leiter wird, der das Ionenführungsfeld im nachgeordneten Ionisator des Elektrofilters zum Zusammenbruch bringen wür- de. Zur Vergrösserung der abzuscheidenden Partikel und gleichzeitig zu deren Isolierung und zur "Ver- dünnung" des Gasstromes wird beim gezeichneten Beispiel im Anschluss an die Gaskühlung dem Gasstrom
Luft aus der Umgebung beigemischt. Beim gezeichneten Beispiel sind an der Stelle 42 in der den Wär- meaustauscher 41 verlassenden Gasleitung Luftansaugöffnungen vorgesehen, durch welche der Gasstrom
Luft ansaugt.
Die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit lagert sich zum grossen Teil an den als Kondensa- tionskerne dienenden Tröpfchen im Gasstrom an, der gleichzeitig zusätzlich gekühlt und verdünnt wird.
Es ist zu bemerken, dass die dadurch bewirkte Tröpfchenvergrösserung auch dann notwendig wäre, wenn die Abscheidung der Tröpfchen nicht wie beim vorliegenden Beispiel in einem Elektrofilter, sondern z. B. in einem mechanischen Filter erfolgt. Der in der beschriebenen Weise vorbehandelte Gasstrom gelangt in der Folge in das Elektrofilter 43, wo er zuerst einen Ionisator 46 passiert. Als besonders zweckmässig hat sich ein spezieller Spitzenionisator erwiesen, wobei vorteilhaft eine Mehrzahl von lonisatorzellen wabenartig nebeneinanderliegend über den Ionisatorquerschnitt verteilt sind.
Jede lonisatorzelle besitzt eine stromabwärtsgerichtete Spitzenelektrode, die koaxial in eine zylindrische Gegenelektrode hineinragt. Zwischen den beiden Elektroden ist ein Hochspannungsfeld erzeugt, wodurch an der Elektrodenspitze Glimmentladungen erfolgen, welche den Gasstrom ioniseren, während das Hochspannungsfeld gleichzeitig den erzeugten Ionen eine starke Querbewegung erteilt, so dass sie den ganzen Gasstromquerschnitt durchsetzen und die im Gasstrom enthaltenen Partikel bzw. Tröpfchen elektrisch aufladen.
Die Ionenerzeugung beschränkt sich auf die unmittelbare Umgebung der Elektrodenspitze, wobei die Ionen mit gegenüberliegender Polarität sofort zur Spitzenelektrode zurückgesaugt werden, während die Ionen mit gleicher Polarität wie die Spitzenelektrode durch das starke lonisatorfeld quer durch die lonisatorzellen, d. h. radial nach aussen gegen die zylindrische Gegenelektrode hin bewegt werden, wobei sie ihre Ladung an die vom Gasstrom mitgeführten Tröpfchen abgeben. Die somit unipolar aufgeladenen 1 röpfchen werden im anschliessenden Abscheiderfeld 47 des Elektrofilters, das zwischen parallelen Platten errichtet ist, abgeschieden werden, bevor der gereinigte Gasstrom das Elektrofilter verlässt.
Um im Ionisator grosse Feldstärken mit möglichst kleinen Spannungen zu erzielen (grosse lonenbeschleunigung bei geringer Erzeugung von Ozon und nitrosen Gasen) wird zweckmässig eine Elektrodenspitze vorgesehen, deren Spitzenkalotte einen Radius von nur etwa 10-6 cm aufweist. Zweckmässig wird zur Verstärkung der Ionenerzeugung auf die Spitzenkalotte eine nur wenige Atome umfassende Schicht eines radioaktiven Materials (a - oder ss- Strahler) aufgedampft, während der Schaft der Spitzenelektrode zur Vermeidung unerwünschter Schwingungen, die bei nicht genau koaxialer Anordnung der Spitzenelektrode auftreten können, mit einem Nik- kel-oder Kupferbelag versehen wird.
Die Aufteilung des lonisatorquerschnittes erfolgt zweckmässig so, dass um eine zentrale lonisatorzelle eine Mehrzahl weiterer Zellen auf einem Kreis angeordnet werden.
Das nach dem beschriebenen Verfahren gereinigte Abgas ist praktisch geruchfrei und enthält keine Fest-oder Flüssigkeitskomponenten mehr. Mit einer Reinigungseinrichtung der beschriebenen Art versehene Verbrennungsmotoren lassen sich somit unbedenklich auch in geschlossenen Räumen (Tunnelbau, militärische Anlagen, Notstromgruppen, Unterseebooten usw. ) verwenden. Es hat sich auch gezeigt, dass keiner der genannten Verfahrensschritte (Kühlung, Luftzufuhr, Abscheidung) weggelassen werden kann, um brauchbare Resultate zu erreichen.
Es versteht sich, dass bei Verwendung eines Elektrofilters an Stelle einer Mehrzahl von lonisatorzel-
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len auch nur eine einzige Zelle vorgesehen sein kann. Ferner können die Luftansaugöffnungen in der Gas- leitung mit Reguliermittel zur Dosierung der angesaugten Luftmenge versehen sein. Anstatt mit Luft als
Austauschmedium kann der Wärmeaustauscher auch mit Kühlwasser betrieben sein. Zweckmässig ist nicht nur der Ionisator, sondern auch der nachgeordnete Abscheider in Einzelzellen aufgeteilt, die z. B. je eine
Gruppe von mit radialem Abstand koaxial ineinander angeordneten Zylinderelektroden mit abwechselnd ungleicher Polarität aufweisen.
Für den Fall, dass zur Abscheidung bzw. Reinigung der Gase ein Elektrofilter verwendet wird und die
Filtrierung an bestimmte Sicherungsbedingungen gebunden ist, ist es zweckmässig, nach dem Elektrofilter noch ein mechanisches Filter nachzuschalten, welches dann in Funktion tritt, wenn durch äussere Vor- gänge die Stromversorgung des Elektrofilters zeitweilig unterbrochen ist. Das nachgeschaltete mechani- sche Filter unterliegt im normalen Betrieb keinem Verschleiss, da die Abscheidung ausschliesslich im Elek- trofilter erfolgt, so dass das mechanische Filter nur als Durchgangsgerät, ohne selbst-eine Filtrierungs- funktion zu übernehmen, gedacht ist. Erst für den Fall, dass im Elektrofilter Störungen auftreten sollten, tritt dieses Sicherungsfilter in Funktion.
Der Reinigungsprozess soll, wie erwähnt, zwei Funktionen erfüllen : a) Die Abscheidung fester und flüssiger bzw. teeriger Bestandteile aus dem Auspuffgasstrom, b) die Umwandlung des in den Auspuffgasen vorhandenen giftigen CO in das ungiftige CO.
Die unter a) und b) genannte Problemstellung erfordert eine Konstruktion, die folgende Bedingungen erfüllen muss : c) Während der Isolation muss sich eine möglichst grosse Menge von 0-Molekeln bilden, d) der elektrische Abscheider muss bis zu Temperaturen von 6000C kriechstromfest sein.
Diesenbeiden genannten technischen Bedingungen werden die bekannten Konstruktionen nur ungenügend gerecht. Als Ionisatoren besitzen sie meist dünne Sprühdrähte.
In den Fig. 17 und 18 der Zeichnung ist ein sogenanntes stationäres Filter dargestellt, d. h. sämtliche Filterteile bleiben während des Betriebes unbeweglich. Für die Reinigung des Filters muss der die Ablageprodukte tragende Filterteil, das sind hier die zusammengeschalteten, geerdeten Abscheideplatten, aus dem Filter herausgenommen werden oder mittels einer der bekannten Wascheinrichtungen im zusammengebauten Zustand ausgesprüht und ausgewaschen werden.
Zur Erfüllung der Forderung c) ist es notwendig, dass die Ionisation durch Corona-Entladung erfolgt.
Es wurde festgestellt, dass diese Corona-Entladung am ergiebigsten ist, wenn an Stelle bisher bekannter Verfahren, bei welchen sich die Corona-Ionisation längs dünner Drähte ausbildet, die Ionisation durch sehr kurze Drahtspitze, die in Form eines Spitzenzaunes angeordnet sind, erfolgt.
Die Kriechstromfestigkeit des elektrischen Filters wird dadurch erreicht, dass an Erde liegende Abscheideplatten 48 und die Spannungsplatten 49 durch keramische Halter 50 derart geführt sind, dass ein Flüssigkeitsfilm entgegen der Schwerkraft und der Gasströmungsrichtung sich bewegen müsste, wenn eine Oberflächen-Leitfähigkeit durch Flüssigkeitsbrücken entstehen sollte. Nachdem aber eine derartige Flüssigkeitsbewegung entgegen allen Naturgesetzen verlaufen müsste, ist bei der erfindungsgemässen Anordnung eine derartige Brückenbildung bis zur Gewissheit unwahrscheinlich. Die einzelnen keramischen Halteelemente 50 sind auf einer schwalbenschwanzförmigen Leiste 51 aneinander gereiht und werden durch einen Verbindungsstab 52. der an beiden Enden mit einem Gewinde versehen ist, und durch die abschlie- ssenden Distanzmuttern 53 miteinander verbunden.
Die Platten selbst sind lose in den keramischen Teilen geführt, so dass sie die jeweiligen Wärmedehnungen, ohne dass am keramischen Teil Spannungen entstehen, ausführen können. Der Ausdehnungs-Koeffizient der keramischen Halteelemente ist um eine Zehnerpotenz kleiner als derjenige des Stahl- oder Leichtmetall-Materials. Um die Distanz zwischen den Abscheide- und Spannungsplatten zu halten, sind die Querverbindungen 52, 54 vorgesehen. Der Gasstrom tritt im Ionisationsraum, der durch den Kasten 55 gebildet wird, in das Gerät ein und wird senkrecht nach oben, also entgegen der Fallrichtung der festen oder flüssigen Partikel, geführt.
Damit wird erreicht, dass der am oberen Ende des Gerätes auftretende Luft- oder Gasstrom keine sich eventuell von den Abscheideplatten ablösenden Partikel enthalten kann, da solche Partikel bei richtiger Wahl der Luft-oder Gasge- schwindigkeit im Filter infolge Schwerkrafteinwirkung sich nach abwärts bewegen, also auf natürliche Weise aus dem Gasstrom auszutreten versuchen. Die Spannungsplatten 49 werden durch die querlaufenden Spannungsschrauben auf den Isolatoren 56 abgestützt. Die Erdungsplatten sind mit dem Gehäusekasten über die Distanzmuttern 53 abgestützt und verbunden, wobei die Ausbildung der Distanzmuttern so vorgesehen ist, dass diese durch das Eingreifen in eine kegelförmige Vertiefung der Kastenwand gegen ein vertikales Verschieben gesichert sind.
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