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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum lonisieren von Gas, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas durch einen von einer rohrförmigen äusseren und einer inneren Elektrode begrenzten Spalt geleitet wird und zwischen den beiden Elektroden ein hauptsächlich quer zur Strömungsrichtung des Gases verlaufendes elektrisches Feld erzeugt wird, das in jeder durch die Achse der rohrförmigen Elektrode gelegten Ebene von der inneren zur äusseren Elektrode divergiert, wobei die an die Elektroden angelegte Spannung so eingestellt wird, dass durch die beim lonisieren eines durchströmenden Gases gebildete Raumladung eine solche Feldverteilung entsteht, dass mindestens im Bereich zwischen der äusseren Elektrode und der Spaltmitte eine praktisch konstante Feldstärke vorhanden ist.
2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zur Leitung eines Gases vorgesehene rohrförmige äussere Elektrode (2) und eine innerhalb der äusseren Elektrode angeordnete scheibenförmige innere Elektrode (4), deren Umfang der Querschnittsform der äusseren Elektrode entspricht und mit dieser einen Spalt begrenzt, welche innere Elektrode im Axialschnitt eine stufenlos gekrümmte Umrandung (r) aufweist, die von der Mitte der Elektrode nach dem äussersten Bereich konvergiert, sowie Mittel (3) zum Anlegen eines zum Erzeugen einer Koronaentladung ausreichenden elektrischen Feldes zwischen den Elektroden und Mittel (ia), um das Gas in axialer Richtung durch den Spalt zwischen den Elektroden zu treiben.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Feldstärke des elektrostatischen Feldes von mehr als 10 kVlcm verwendet wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine scheibenförmige innere Elektrode (4), die zur Bildung eines Elektrodenspalts (R3) konzentrisch in der äusseren Elektrode angeordnet ist, und durch eine Einrichtung (3) zum Anlegen einer zum Erzeugen einer Koronaentladung im Elektrodenspalt geeigneten Hochspannung an die Elektroden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Breite (R3) des Elektrodenspaltes und dem Randradius (r) der inneren Elektrode (4) zwischen 200:1 und 50:1 liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Breite (R3) des Elektrodenspaltes und dem Randradius (r) der inneren Elektrode (4)100:1 ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass das Verhältnis des Querschnitts der inneren Elektrode (4) zu dem äusseren Elektrode (2) zwischen 0,05 und 0,01 gewählt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der äusseren Elektrode (5) stromabwärts von der Scheibenelektrode (4) in Strömungsrichtung divergiert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius (Ro) der Wand der äusseren Elektrode (5) im Axialschnitt an der Übergangsstelle zwischen unterschiedlich geneigten Rohrabschnitten grösser als 50 mal der Randradius (r) der inneren Elektrode ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenelektrode (4) auf einer isolierten Sonde (10) angeordnet ist, welche mehrere in axialem Abstand zueinander angeordnete Schlitze (14) aufweist, die sich über den ganzen Umfang der Sonde erstrecken und dass die Sonde Mittel (15, 20, 23) aufweist, mittels welcher Luft durch die Schlitze nach aussen leitbar ist, um eine Ablagerung von Schmutzteilchen in einer zusammenhängenden Schicht entlang der Sonde zu verhindern.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (50) zum Auffangen von durch angelagerte Ionen aufgeladenen Teilchen stromab vom Elektrodenspalt (R3) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Auffangen von aufgeladenen Teilchen Mittel aufweist, um in die rohrförmige Aussenelektrode (5) stromab von dem Elektrodenspalt (113) viele Wassertröpfchen in verteilter Form einzubringen, so dass die ionisierten Teilchen der Gase die Dipole der Wassertröpfchen ausrichten, so dass zwischen den aufgeladenen Teilchen und den Wassertröpfchen Anziehungskräfte entstehen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (32, 44) vorgesehen ist, die auf der Innenwand der äusseren Elektrode (5) eine zusammenhängende Schicht eines Strömungsmittels erzeugt, um eine Ablagerung von Schmutzteilchen auf der Wandung zu verhindern.
14. Anwendung des Verfahrens gemäss Anspruch 1 zum Entfernen von Schmutzteilchen aus einer Gasströmung, wobei das Gas ionisiert und die Schmutzteilchen in einem elektrostatischen Feld aufgeladen werden, wobei stromabwärts des ionisierenden Feldes noch ein Randrestfeld vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeladenen Schmutzteilchen in dem Restfeld in Wechselwirkung mit ungeladenem polarem Material gebracht werden, so dass in dem polaren Material induktiv eine Dipolaufladung erzeugt wird, die aufgeladene Schmutzteilchen elektrisch anzieht.
15. Anwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmutzteilchen durch Anlagern von Ionen aufgeladen werden, während sie durch ein elektrostatisches Feld mit einer mittleren Feldstärke von mehr als 15 kVlcm hindurch bewegt werden.
16. Anwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Material eine Vielzahl von Wassertröpfchen enthält, die in einem die aufgeladenen Schmutzteilchen enthaltenden Gasstrom verteilt sind.
17. Anwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Innenwandung der äusseren Elektrode im Bereich des elektrostatischen Feldes ein Film eines Strömungsmittels erzeugt wird, der verhindert, dass sich auf der Aussenelektrode im elektrostatischen Feld Materialteilchen ansammeln.
18. Anwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode auf einer isolierenden Sonde angeordnet ist und dass an dieser Sonde mehrere radial nach aussen gerichtete Luftströme erzeugt werden, die sich über den ganzen Umfang der Sonde erstrecken und entlang der Sondenachse einen Abstand voneinander aufweisen, so dass eine Ansammlung von Materialteilchen in Form einer die Sonde bedeckenden zusammenhängenden Schicht verhindert wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ionisieren von Gas, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ionisierte Gase können für vielerlei Anwendungen genutzt werden. Beispielsweise ist es möglich, mit ionisierten Gasen Gasphasenreaktionen durchzuführen oder nach elektrogasdynamischen Verfahren elektrische Energie zu erzeugen. Eine bevorzugte Anwendung der ionisierten Gase ist die Anlagerung der Gasionen an kleinste von Gasen mitgeführte Teilchen, die auf diese Weise geladen und dann elektrostatisch abgesaugt werden können. Im folgenden werden darum die erfindungsgemäss zu lösende Aufgabe und das erfindungsgemässe Verfahren anhand dieser bevorzugten Anwendung beschrieben.
Die bisher verwendeten Vorrichtungen zum ionisieren von Gas entsprachen dem Drahtzylinder-, Drahtplatten- oder dem Nadelspitzentyp, wobei die Feldstärke des mittleren Feldes
etwa auf 10 kV/cm und die lonendichte in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden auf etwa 109 lonen/m3 begrenzt war, was die praktischen Anwendungen und die Leistung dieser lonisierungsvorrichtungen ebenfalls begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum lonisieren von Gas zu schaffen, mit denen die wirksame Feldstärke und die erreichbare lonendichte gross genug sind, um insbesondere kleinste Schmutzteilchen in Industriegasen vor der Einleitung in ein Auffangsystem elektrostatisch aufzuladen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, bei dem das Gas durch einen von einer rohrförmigen äusseren und einer inneren Elektrode begrenzten Spalt geleitet wird und zwischen den beiden Elektroden ein hauptsächlich quer zur Strömungsrichtung des Gases verlaufendes elektrisches Feld erzeugt wird, das in jeder durch die Achse der rohrförmigen Elektrode gelegten Ebene von der inneren zur äusseren Elektrode divergiert, wobei die an die Elektroden angelegte Spannung so eingestellt wird, dass durch die beim lonisieren eines durchströmenden Gases gebildete Raumladung eine solche Feldverteilung entsteht, dass mindestens im Bereich zwischen der äusseren Elektrode und der Spaltmitte eine praktisch konstante Feldstärke vorhanden ist.
Vorzugsweise wird bei dem neuen Verfahren das zu ionisierende Gas durch ein Venturirohr hindurchgeleitet, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, und im Düsenteil des Venturirohres einem elektrostatischen Feld hoher Feldstärke, welches senkrecht zur Gasströmungsrichtung verläuft, ausgesetzt.
Dabei wird das Gas ionisiert, und die entstandenen Ionen lagern sich bevorzugt an von dem Gasstrom mitgeführten Verunreinigungen an, die auf diese Weise elektrostatisch aufgeladen werden. Die Teilchen erhalten so eine positive oder negative Polarität, was von der Art des einwirkenden elektrischen Feldes und des angelagerten Ions abhängt.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist eine zur Leitung eines Gases vorgesehene rohrförmige äussere Elektrode und eine innerhalb der äusseren Elektrode angeordnete scheibenförmige innere Elektrode auf, deren Umfang der Querschnittsform der äusseren Elektrode entspricht und mit dieser einen Spalt begrenzt, welche innere Elektrode im Axialschnitt eine stufenlos gekrümmte Umrandung aufweist, die von der Mitte der Elektrode nach dem äussersten Bereich konvergiert, sowie Mittel zum Anlegen eines zum Erzeugen einer Koronaentladung ausreichenden elektrischen Feldes zwischen den Elektroden und Mittel, um das Gas in axialer Richtung durch den Spalt zwischen den Elektroden zu treiben.
Eine bevorzugte Anwendung des neuen Verfahrens ist das Entfernen von Schmutzteilchen aus einer Gasströmung, wobei das Gas ionisiert und die Schmutzteilchen in einem elektrostatischen Feld aufgeladen werden, wobei stromabwärts des ionisierenden Feldes noch ein Randrestfeld vorhanden ist, bei welcher Anwendung die aufgeladenen Schmutzteilchen in dem Restfeld in Wechselwirkung mit ungeladenem polarem Material gebracht werden, so dass in dem polaren Material induktiv eine Dipolaufladung erzeugt wird, die aufgeladene Schmutzteilchen elektrisch anzieht. Die verwendete Schmutzabscheidungsvorrichtung kann von bekannter Bauart sein, beispielsweise eine elektrostatische Ausfällvorrichtung, Nassreiniger oder eine Kombination dieser Vorrichtungen, wobei das Auffangen der aufgeladenen Schmutzteilchen in Abhängigkeit von der verwendeten Vorrichtung auf unterschiedliche Weise erfolgt.
Obwohl die neue lonisiervorrichtung vorzugsweise stromauf von einer Schmutzreinigungsvorrichtung eingesetzt wird, wie zum Beispiel stromauf von einem Nassreiniger oder einer Ausfällvorrichtung, um deren Wirkungsgrad zu steigern, kann die lonisiervorrichtung auch auf anderen Gebieten eingesetzt werden. Zum Beispiel kann sie zum Aufladen von Teilchen zur
Erzeugung elektrischer Energie in einer elektrogasdynamischen Vorrichtung verwendet werden oder zum lonisieren von Gasströmungen für Gasphasenreaktionen, zum Beispiel zur
Erzeugung von atomarem Sauerstoff für Oxidationsreaktionen, wie zum Beispiel zur Erzeugung von Ozon zur Geruchsbeseitigung oder von Schwefeldioxid für Schwefeltrioxidreaktionen.
Bei diesen Anwendungsfällen wird ein Gasstrom mit den vorbeschriebenen Geschwindigkeiten in gleicher Weise durch die Ionisiervorrichtung geleitet wie eine Schmutzgasströmung, jedoch braucht eine Oberflächenreinigung der äusseren Elektrode nicht zu erfolgen, falls kein Niederschlag der Teilchen stattfindet.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 1A und 1 B schematische Darstellungen der Strömungsbahnen der Schmutzteilchen in einem herkömmlichen Nassreiniger bzw. in einem stark aufgeladenen System gemäss der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrösserte Schnittansicht eines Teiles der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Line 3-3 nach Fig. 2;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 nach Fig. 2;
Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 nach Fig. 2;
Fig. 6 eine Teilschnittansicht des Düsenteiles für ein weiteres Venturirohr;
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Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung des zwischen den erfindungsgemässen Elektroden herrschenden elektrostatischen Feldes;
Fig. 8 einen Axialschnitt durch eine lonisiervorrichtung gemäss der Erfindung;
Fig. 9 eine Querschnitt durch das in der Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel;
Fig. 10A bis 10D ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine lonisiervorrichtung.
In der Fig. 1 ist gezeigt, dass das zu ionisierende Gas mittels eines Gebläses 1 a über einen Einlasskanal dem Eingang eines Venturirohres 2 zugeführt wird. Das Gas und möglicherweise enthaltene Schmutzteilchen werden auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt, welche in dem Düsenteil des Venturirohres ihren Maximalwert erreicht. In dem Düsenteil des Venturirohres wird mittels einer Hochspannungsgleichstromquelle 3 eine sehr starke Sprühentladung erzeugt. Die Entladung D geht von einer in der Mitte des Düsenteiles des Venturirohres angeordneten Hochspannungsscheibenelektrode aus und verläuft in radialer Richtung zur Aussenwandung 5 des Venturirohres. Die Sprühentladung ist in Richtung der Gasströmung ziemlich dünn, so dass die Verweildauer des Gases und der mitgeführten Schmutzteilchen in dem elektrostatischen Feld kurz ist.
Obwohl eine kreisscheibenförmig ausgebildete Elektrode dargestellt und beschrieben ist, könnte auch eine ringförmige, elliptische (in Form eines Ringes oder einer massiven Scheibe) oder eine Elektrode irgendeiner anderen Gestalt verwendet werden, die einen gleichmässig gestalteten radialen Rand besitzt. Ebenso braucht der äussere Rand der Elektrode 4 im Querschnitt nicht die in der Fig. 2 gezeigte kreisförmige Form mit dem Radius r zu besitzen. Es könnten auch andere Ausgestaltungen vorgesehen sein, zum Beispiel eine parabelförmige, elliptische oder keilförmige Ausgestaltung mit abgerundeten Rändern. Beispiele für die Randausgestaltung der Elektrode sind in den Fig. 1 0A bis 1 OD dargestellt. Es ist auch möglich, dass Elektroden mit zahnförmigen Rändern verwendet werden.
Mit r ist jeweils der Radius an der Kante der Entladungselektrode 4 bezeichnet, wenn diese Elektrode in Axialschnitt gesehen wird. Die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellte Elektrode 4 liegt zwischen zwei axial hintereinanderliegenden Isolatoren 26 und 28, die den Funkendurchschlag in einer bisher noch nicht genau feststellbaren Weise zu beeinflussen scheinen.
Während eine optimale Ionisierung dann erzielt wird, wenn die innere Elektrode 4 konzentrisch in dem Düsenteil der Aussenwandung 5 des Venturirohres angeordnet ist, funktioniert die Vorrichtung ebenfalls mit einer exzentrisch angeordneten Elektrode. Ausserdem kann der Krümmungsradius Ro der Venturiinnenwand zu einem gewissen Grad verändert werden, jedoch werden die besten Resultate erreicht, wenn das Verhältnis Ro:r etwa 50:1 ist, wobei r der Kantenradius der inneren Elektrode ist.
Die axiale Anordnung der Elektrode 4 in dem Düsenteil des Venturirohres kann in gewissen Grenzen geändert werden.
Wenn die Elektrode stromauf verschoben wird, dann wird der Spalt R3 vergrössert, so dass die Feldstärke verkleinert wird und eine höhere Spannung erforderlich ist, während die Geschwindigkeit der Gasströmung verringert wird. Die Verringerung der Gasströmung trägt in Grenzen sowohl zur Verbesserung als auch zur Verringerung der lonisierung bei, worauf noch eingegangen wird.
Alle zu dem bevorzugten Ausführungsbeispiel genannten Abwandlungen verringern die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Vorrichtung in gewisser Weise. Jedoch ist es bei verschiedenen Anwendungsfällen der neuen Ionisierungsvorrichtung nicht unbedingt notwendig, optimale Betriebsbedingungen zu erzielen, das heisst, dass wirtschaftlichere Konstruktionen den Einsatz der einen oder anderen Ausführungsform zur Erzielung einer geringeren Ionisationswirkung sinnvoll erscheinen lassen.
Das elektrostatische Feld Eo, das zwischen der Elektrode 4 und der Aussenwand 5 des Düsenteiles des Venturirohres erzeugt wird, besteht aus zwei Anteilen, nämlich aus einem elektrischen Feld Ee und einem durch Raumladung erzeugten Anteil, wie dies im Diagramm gemäss Fig. 7 gezeigt ist. Das elektrische Feld ist von der angelegten Spannung und der Elektrodengeometrie abhängig. Der durch Raumladung bedingte Anteil, der durch Ionen, Elektronen und aufgeladene Teilchen zwischen den Elektroden entsteht, sobald die Koronaentladung eingesetzt hat. Aus der Fig. 7 ist zu entnehmen, dass der durch die Raumladung bewirkte Anteil bestrebt ist, die Feldstärke im Bereich der Aussenwandung des Düsenteiles des Venturirohres zu erhöhen, während er die Feldstärke im Bereich der inneren Elektrode abschwächt.
Durch diesen Effekt wird die Sprühentladung stabilisiert, während gleichzeitig über den gesamten Elektrodenabstand R3 ein im Mittelwert hohes elektrisches Feld Mittel liegt. Diese Vorteile werden ohne Funken überschlag aufgrund der Elektrodenausgestaltung, Aufrechterhaltung einer hohen Gasgeschwindigkeit in dem Elektrodenbereich und einer sauberen Oberfläche auf der äusseren Elektrode erreicht. Eine Reinigung der Oberfläche der äusseren Elektrode ist nur notwendig, um einen Funkenüberschlag zu verhindern. Wo keine maximalen Feldstärken erforderlich sind und somit geringere Spannungen an die Elektroden angelegt werden können, ist eine Reinigung der äusseren Elektrode nicht oder höchstens von Zeit zu Zeit notwendig.
Die Erzeugung einer im Mittel über den Elektrodenabstand erhöhten elektrischen Feldstärke wird wie oben bereits angeführt gleichfalls sowohl durch die Elektrodenausgestaltung wie auch durch die hohe Gasströmungsgeschwindigkeit erreicht.
Wie aus der Fig. 7 ersichtlich, besteht über den gesamten Elektrodenabstand ein elektrostatisches Feld Ee, sofern keine Raumladungen vorhanden sind. Das elektrostatische Feld fällt gegen die äussere Elektrode stark ab. Demgegenüber ist im Bereich der inneren Elektrode ein sehr hohes elektrostatisches Feld vorhanden, das die Erzeugung vieler Ionen durch Sprühentladung ermöglicht. Diese Ladungen werden durch das über den gesamten Elektrodenabstand bestehende elektrische Feld gegen die äussere Elektrode hin bewegt. Aufgrund des geringeren Radius der Innenelektrode gegenüber dem Radius der Aussenelektrode wird die lonendichte bei der Wanderung von der inneren zur äusseren Elektrode verringert.
Gleichzeitig wird die Ionendichte während ihrer Wanderung von der inneren zur äusseren Elektrode noch dadurch verringert, dass in axialer Richtung ein Divergieren des Ionenstroms stattfindet, wie es bei D in Fig. 1 angedeutet ist. Schliesslich findet eine Verringerung der lonendichte auch dadurch statt, dass sich die Geschwindigkeit der Gasströmung erhöht, wenn das Gas durch die Venturidüse strömt. Hierdurch wird eine weitere Verringerung der Ionendichte gegen die äussere Elektrode hin bewirkt. Insgesamt wird somit erreicht, dass der Gradient des elektrischen Feldes zwischen der inneren und der äusseren Elektrode abnimmt. Dieser Effekt ist bei Gasgeschwindigkeiten von 15,2 mls und darüber maximiert.
Darüber hinaus kann durch die bei diesen hohen Geschwindigkeiten auftretenden Turbulenzen eine zusätzliche Stabilität dadurch erreicht werden, dass mechanisch der Mechanismus unterbrochen wird, der einen Funkenüberschlag bewirkt.
Um für eine Aufrechterhaltung der Sprühentladung zu sorgen und eine Verschmutzung und damit einen Energieverlust der Entladungseinrichtung zu vermeiden, ist dafür gesorgt, dass die Hochspannungselektrode 4 derart isoliert ist, dass neben der Sprühentladung keine Nebenschlusswege auftreten. Am deutlichsten ist aus der Fig. 2 zu entnehmen, dass die Elektrode 4 mittels einer Sonde 10 innerhalb des Venturirohres in einer geeigneten Stellung gehalten wird, wobei die Sonde derart ausgestaltet ist, dass sowohl ein körperlicher wie ein Oberflächenstrom als Nebenschluss verhindert wird. Die Sonde kann, obwohl dies nicht dargestellt ist, in axialer und radialer Richtung verstellt werden, falls dies erwünscht ist. Ein Isolatormaterial ist zwischen der Elektrode und der Abstützung 2 der Sonde in dem stromaufwärts gelegenen Einlasskanal 1 vorgesehen.
Der Oberflächenwiderstand der Sonde 10 wird durch mehrere Luftführungen 14 für saubere Luft verbessert, wobei diese Luftführungen von etwa 0,76 mm breiten Schlitzen gebildet sind, die am Umfang der Sonde unmittelbar stromaufwärts von der Elektrode 4 verlaufen. Die saubere Luft wird von einer ausserhalb gelegenen Luftquelle 15 durch den Sondenkörper zugeführt und tritt mit hoher Geschwindigkeit durch diese Schlitze aus. Durch diese Massnahme weist die Oberfläche einen hohen Oberflächenwiderstand auf, der das Entstehen eines Nebenschlusses von der Hochspannungselektrode 4 zur Erde verhindert.
Der Sondenkörper weist eine Hochspannungsleitung 16 auf, die von dielektrischen Lagerbüchsen 18 getragen ist, welche die Sonde in dem Einlasskanal 1 halten. Das stromaufwärts gelegene Teil des Sondenkörpers ist in einer geschlossenen Ummantelung 20 und einer hohlen, gewellten Verkleidung 22 angeordnet. Öffnungen 23 ermöglichen den Durchtritt der Luft in axialer Richtung zu mehreren im Abstand zueinander angeordneten Ringen 26, die jeweils korrespondierende Schlitze 24 besitzen (siehe Fig. 3). Durch den Abstand den die Ringe zueinander besitzen, werden umlaufende Schlitze 14 gebildet, durch welche die Luft in der vorbeschriebenen Weise austreten kann.
Die Elektrode 4 besitzt ebenfalls Schlitze 24, welche eine nach unten gerichtete Luftströmung entlang der Elektrode ermöglichen. Die Ringe und die Scheibenelektrode sind mittels einer eine Nase 30 durchgreifenden Schraube 28 an der Hochspannungsleitung 16 befestigt. Die Nase und die auf der stromab gelegenen Seite der Elektrode austretende Luft verhindern eine Stockung von aufgeladenen Schmutzteilchen stromab von der Scheibenelektrode und damit eine Ablagerung von aufgeladenen Teilchen auf der Oberfläche der Elektrode 4.
Die Aussenwandung 5 des Venturirohres muss in dem kurzen Bereich des Entladungsspaltes R3 glatt und verhältnismässig sauber gehalten werden, so dass sich Verunreinigungen nicht ablagern können. Hierdurch wird erreicht dass Störungen der von der Aussenfläche der Elektrode ausgehenden Sprühentladung zum Beispiel durch eine Ablagerung von Schmutzteilchen verhindert werden. Diese Reinigung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. In diesem Fall wird Wasser oder eine andere Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe 32 in einer gleichmässigen Schicht auf die Oberfläche des konvergierenden Konusteiles der Venturirohrwandung 5 aufgespritzt. Der Konvergenzwinkel (P des Venturirohres liegt etwa bei 12,5 , so dass die Turbulenzeinflüsse auf einem Minimum gehalten werden.
Das Venturirohr ist in seiner Betriebsstellung nach unten gerichtet, und der Wasserfilm wird bei seinem Eintritt in den Düsenteil sowohl durch die Schwerkraft als auch durch die Reibung mit den sich bewegenden Gasen beschleunigt. Die Eintrittsstelle des Wassers liegt etwa 1,5 Spaltlängen R3 der Elektrode stromauf von der Elektrode 4. Die Neigung des stromab gelegenen divergierenden Konus' des Venturirohres beträgt weniger als 3,5 , wodurch wiederum die Gefahr einer Strömungsteilung auf einem Minimum gehalten wird. Der Krümmungsradius Ro der Venturirohrwandung an der Übergangsstelle zwischen den mit unterschiedlichen Winkeln geneigten Rohrwandungen sollte nicht weniger als etwa 50 mm betragen.
Das Wasser wird durch einen schmalen umlaufenden Schlitz 40 mit einer Breite zwischen 0,25 bis 0,65 mm eingespritzt, welcher in der Fläche 41 am Umfang des konvergierenden Konus' vorgesehen ist, wobei die Fläche 41 in einem Winkel ,8 von etwa 12,5 gegenüber der Seitenwandung des Venturirohres geneigt ist. Das sich auf der Wanderung des Venturirohres befindliche Wasser sorgt für eine glatte saubere Oberfläche, ohne dass die Leistung der Entladung bis zu einer Strömungsgeschwindigkeit von 23 mls verringert wird. Der Wasserverbrauch ändert sich mit den Abmessungen des Venturirohres und liegt im Bereich von 0,76 bis 7,5 1/min bei einem Gasdurchsatz von 28317 Vmin für Venturirohrdurchmesser von 0,13 bis 1,13 m.
Zur Verhinderung, dass das Wasser entlang der Wandung des Venturirohres nach oben wandert, ist ein nach innen greifendes Ablenkblech 42 vorgesehen, welches gegenüber dem kälteren Wasser isoliert ist. Das von der Pumpe 32 kommende Wasser wird unter Druck tangential in ein Gehäuse 44 eingeleitet und verlässt das Gehäuse durch den Schlitz 40 in axialer Richtung, um so eine spiralförmige Bewegung des Wassers im wesentlichen auszuschliessen, wenn dieses durch den Düsenteil des Venturirohres hindurchströmt.
Um die starke Entladung und eine hohe stabile Leistung zu erreichen, müssen die keilförmigen Teile der Vorrichtung optimal ausgebildet sein. Der Austrittsradius r der von der Sonde gehaltenen Scheibenelektrode 4 besitzt am Umfang der Elektrode eine bestimmte Form. Aufgrund durchgeführter Experimente wurde ermittelt, dass die beste Leistung erzielt werden kann, wenn dieser Radius derart bemessen ist, dass das Verhältnis des Elektrodenspaltes R3 zum Elektrodenaustrittsradius r etwa 100:1 ist. Wenn dieses Verhältnis unter 50:1 liegt, dann findet eine Funkenbildung bei einer niedrigen Spannung statt, so dass ein niedriger Betriebsstrom fliesst und ein schwaches Feld erzeugt wird. Wenn das Verhältnis 200:1 übersteigt, dann wird der Einfluss des elektrischen Feldes im Spalt verringert, so dass ein höherer Betriebsstrom erforderlich ist, um ein starkes Feld aufrechtzuerhalten.
Das Verhältnis des Krümmungsradius' Ro der Venturirohrwandung sollte gegenüber dem Elektrodenradius r nicht kleiner als 50:1 sein. Kleinere Radien würden zu einer Funkenbildung bei niedrigeren Spannungen führen. Der Durchmesser der Sonde 10 und damit der Gesamtdurchmesser der Scheibenelektrode 4 sollte derart gewählt werden, dass die Sonde etwa 10% des Gesamtquerschnittes des Düsenteiles des Venturirohres einnimmt. Eine in der Praxis ausführbare untere Grenze liegt bei 5%. Kleine Werte steigern die Oberflächenenergiedichte der Entladungselektrode. Wichtiger ist, dass kleinere Werte zu einer Vergrösserung des Elektrodenspaltes führen, so dass zur Erzielung einer konstanten Durchtrittsleistung der Vorrichtung ein erheblich grössere Energiebedarf erforderlich ist.
Bei Werten, die über 10% liegen, werden die Abmessungen des Venturirohres vergrössert und die Sondenkosten erhöht, während gleichzeitig die Anforderungen an die zur Isolierung der Sonde dienenden Luftführungen gesteigert und damit die Betriebskosten erhöht werden. Wenn diese vorbeschriebene Elektrodengeometrie gewählt wird, dann ist im Durchschnitt bei atmosphärischen Normalbedingungen und einer Strömungsgeschwindigkeit Null ein Hochspannungsfeld von etwa 18 bis 20 kV/cm im Elektrodenspalt R3 erzielbar. Bei Venturirohrströmungsgeschwindigkeiten von etwa 15,2 m/s kann das Feld bis auf etwa 26 bis 28 kV/cm ohne Funkenbildung erhöht werden.
Einige wesentliche Funktionen treten in dem sehr starken Spannungsfeld der Entladungsvorrichtung auf. Die schwebenden Verunreinigungen werden in dem Feld durch die in dem hochionisierten Bereich innerhalb des Elektrodenspaltes 133, auf die Verunreinigungen auftreffenden Ionen aufgeladen. Es wird angenommen, dass die Diffusionsladungsvorrichtung auf die feinen Teilchen einen kleineren Einfluss ausübt, da sich diese nur eine sehr kurze Zeit in der Entladungsstrecke befinden.
Während die Schmutzteilchen aufgeladen werden und sich zu den starken Feldabschnitten der Entladungsstrecke bewegen, werden sie etwas radial nach aussen verschoben. Die Grösse dieser Bewegung ändert sich mit der Teilchengrösse, so dass in gewisser Weise eine Vermischung, ein Aufeinandertreffen von Teilchen und möglicherweise eine Agglomeration der Teilchen auftreten kann. Dieser Einfluss ist jedoch im Verhältnis zu der vorhandenen thermischen Bewegung und Strömungsturbulenz vernachlässigbar. Wenn es sich jedoch bei den Schwebstoffen um Flüssigkeitsteilchen handelt, dann bewirkt der Einfluss von hohen elektrischen Feldern (grösser als 10 kV/cm), von hohen Temperaturen und Turbulenzen eine bemerkenswerte Agglomeration, wobei dieser Einfluss stromab der Entladungszone festgestellt werden konnte.
Dieser Einfluss kann von besonderem Vorteil sein, wenn es sich um sehr kleine Schwebstoffteilchen handelt, da diese Teilchen zusammengeballt werden und grössere Abmessungen bekommen, so dass sie leichter aufgefangen werden können.
Die Gasgeschwindigkeit der durch die hochaufgeladene Entladungszone hindurchströmenden Gase beeinflusst die Leistung der Vorrichtung. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von über 15,2 nils wird die Raumladungszone des Feldes in axialer Richtung durch die Gase ausgebreitet, so dass die Möglichkeit eines Funkenüberschlages verringert wird, das heisst, dass die Stabilität der Entladungsstrecke vergrössert wird. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird jedoch der Vorteil einer vergrösserten Stabilität durch den Nachteil einer kürzeren Verweildauer der Schmutzteilchen in dem Feld ersetzt, so dass die Aufladung der Teilchen verringert wird, und ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der sich auf der äusseren Elektrodenwandung befindliche Wasserfilm ungünstig beeinflusst wird, falls Wasser zum Reinigen der Vorrichtung benutzt wird.
Bis zu Strömungsgeschwindigkeiten von 38,2 mls ergibt sich eine Verbesserung der Stabilität der Sprühentladung, wobei jedoch die Ladeleistung abnimmt. Mit dem vorbeschriebenen System durchgeführte Versuche haben ergeben, dass eine maximale Aufladung der Teilchen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 30,4 m/s erzielbar ist. In den meisten Fällen muss jedoch die Gasgeschwindigkeit auf die für einen wirtschaftlichen Betrieb zum Reinigen von Industrieabgasen benötigte Leistung, die Elektrodenspannung und die zur Reinigung der Wandung des Venturirohres geforderten Bedingungen abgestimmt werden.
Ein zweites Verfahren zur Reinigung der Wandung des Venturirohres soll anhand der Fig. 6 beschrieben werden. Bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Düsenteil des Venturirohres ein perforierter Luftleitabschnitt 70 vorgesehen, mittels welchem auf dem stromab gelegenen Wandungsteil des Venturirohres an Stelle des Wasserfilmes ein Luftfilm erzeugt werden kann. Stromab von dem Luftleitabschnitt 70 ist die Oberfläche der Wandung des Venturirohres über eine mehrere Elektrodenspaltlängen R3 entsprechende Strecke mit einer Beschichtung versehen, die aus einem elektrisch hoch-isolierenden Werkstoff besteht, so dass die sich in diesem Bereich absetzenden Teilchen gegenüber der Wandung des Rohres isoliert sind. Die durch die Gasströmung hervorgerufene Erosion begrenzt die Dicke der sich absetzenden Teilchenschicht auf ein zulässiges Mass.
Ein weiteres Verfahren das bei der Verwendung eines Wasser oder Luftfilms zu Reinigungszwecken verwandt werden kann, besteht in der Verwendung eines Aerosolnebels, der dazu dient, den Wasser- oder Luftfilm gegenüber dem von der Scheibenelektrode erzeugten elektrostatischen Feld abzuschirmen.
Hierdurch wird erreicht, dass aufgrund des sich über dem Wasser- oder Luftfilm befindlichen Aerosolnebels sich nicht alle Turbulenzen des die Venturirohrwand reinigenden Wasseroder Luftfilms, die durch die erhöhte Geschwindigkeit des Schmutzgases durch das Venturirohr hervorgerufen werden, nachteilig auf das elektrostatische Feld auswirken. Hierdurch wird erreicht, dass es weit weniger wahrscheinlich ist, dass ein Funkenüberschlag bei der Koronaentladung auftritt, wenn der Wasser- oder Luftfilm eine Unregelmässigkeit oder sogar ein Abreissen zeigt.
Ein weiteres Reinigungsverfahren besteht darin, die Wandung des Venturirohres in Schwingungen zu versetzen oder zu schütteln, so dass die sich auf der Wandung abgesetzten Teilchen intermittierend oder kontinuierlich entfernt werden.
Die schwebenden Verunreinigungen, die durch den Venturiabschnitt hindurchgeströmt sind, sind aufgeladen, wobei sie eine gleiche Polarität besitzen und stromab von der Entladungsstrecke zur Aussenwandung 5 des Venturirohres wandern.
Eine Ablagerung der Teilchen auf der Wandung findet nur in geringem Umfang statt, und es setzen sich nur solche Teilchen auf der Aussenwandung ab, deren Bewegungsbahnen in der Nähe der Wandung liegen. Da das in dieser Zone vorhandene Feld primär dem in der Raumladungszone vorhandenen Feld entspricht und die Wanderungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu den Strömungsgeschwindigkeiten klein sind, behalten die in der Strömung vorhandenen Teilchen zur Wandung einen beachtlichen Abstand. Diese geladenen schwebenden Teilchen können wenigstens auf zweierlei Weisen aufgefangen werden.
Eine Möglichkeit des Auffangens der geladenen Teilchen ergibt sich durch die Verwendung einer herkömmlichen elektrostatischen Ausfällvorrichtung. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch die Verwendung eines noch zu beschreibenden Nassreinigers 50. Der Schmutzgasaufladungsabschnitt des Venturirohres wird hierbei unmittelbar an den Düsenteil 52 des Venturinassreinigers 50 angeschlossen. Normalerweise ist es erwünscht, dass das die Schmutzteilchen enthaltende Gas mit einer hohen Gasgeschwindigkeit durch den Nassreiniger strömt. Aus diesem Grunde ist es nicht erwünscht, die Strömungsgeschwindigkeit des durch den Schmutzgasaufladungsabschnitt des Venturirohres strömenden Gases dadurch herabzusetzen, dass der sich an die Entladungselektrode stromabwärts anschliessende Teil des Venturirohres als ein divergierender Konus ausgebildet wird.
Aus diesem Grunde wird der Durchmesser der äusseren Elektrode 5 in dem sich an die Entladungselektrode 4 stromabwärts anschliessenden Teil des Venturirohres konstant gehalten, das heisst der Konuswinkel dieses Teils des Venturirohres beträgt etwa 0". Die Gase mit den geladenen Teilchen strömen durch den Venturinassreiniger, wobei sich die Teilchen auf den Wassertröpfchen absetzen, wobei das Abfangen der Schmutzteilchen noch durch die elektrostatischen Kräfte verbessert wird. Das Wasser tritt in den Venturinassreiniger in an sich bekannter Weise durch einen umlaufenden Schlitz 54 ein und wird durch die Gasströmung zerstäubt. Die Wassertröpfchen werden durch Induktion entgegengesetzt zu den Schmutzteilchen aufgeladen, da das Zerstäuben der Wasserteilchen in einem Restfeldbereich stattfindet.
Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeitn im Düsenteil des Venturirohres (unter etwa 23 m/s) sollte der Einspritzpunkt wenigstens zwei Spaltlängen R3 stromab von der Scheibenelektrode 4 liegen, um ein vorzeitiges Funkenüberschlagen zu verhindern. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten im Düsenteil des Venturirohres ist ein grösserer Abstand erforderlich, da die sich stromab der Entladungsstrecke bewegenden Ionen dazu neigen, den Induktionsvorgang zu beeinträchtigen, indem sie die Wassertröpfchen in unerwünschter Weise mit der gleichen Polarität aufladen wie die aufgeladenen Schmutzteilchen.
Durch eine Verlängerung der Schraube 28 kann das Induktionsfeld axial weiter ausgedehnt werden, selbst wenn der Abstand zwischen der Elektrode 4 und dem Einspritzpunkt vergrössert wird. In diesem Fall wird gleichzeitig ein von der Schraube ausgehendes zylindrisches Feld erzeugt, in welchem die Ionen stromab von der Elektrode 4 zur Aussenwandung 5 wandern.
Die Auffangleistung des konventionellen Venturinassreinigers hängt von der Auftreffenergie der Teilchen auf die Wassertröpfchen ab. Das Aufprallen erfolgt infolge der hohen Relativgeschwindigkeit der in dem Luftstrom enthaltenen Schmutzteilchen gegenüber der mit niedriger Geschwindigkeit eingespritzten Wassertröpfchen. Die Submikroteilchen treffen nicht auf die Wassertröpfchen auf, indem sie um die Wassertröpfchen herumströmen, anstatt auf diese aufzuprallen. Ein Ausführungsbeispiel dieses Vorganges ist in der Fig. 1A schematisch dargestellt. Dieses Verhalten der Submikroteilchen ist durch ihr hohes aerodynamisches Strömungswiderstand/Trägheitsverhältnis bedingt. Das gegenseitige Anstossen und Abstossen der Teilchen ist wichtig für das im Randbereich erfolgende Abprallen und hinsichtlich der beim Auffangen auftretenden Energien.
Teilchen mit kleinen Stossenergien können infolge der Oberflächenspannung nicht in den Wassertropfen eindringen.
Wenn die Teilchen elektrostatisch stark aufgeladen sind (-10 kV/cm Oberflächenfeldstärke) und in die Wassertröpfchen eine Ladung induziert worden ist, dann ergeben sich zwischen den aufgeladenen Teilchen und den Wassertröpfchen Anziehungskräfte, welche die Aufprallbahnen der Teilchen stark beeinflussen, wie dies schematisch in der Fig. 1 B dargestellt ist. Dadurch wird der Auffangeffekt des herkömmlichen Nassreinigers wesentlich verbessert. Die Verbesserung des Auftreffens der Teilchen ändert sich mit der Grösse der Teilchen und mit der Relativgeschwindigkeit zwischen den Teilchen und den Wassertröpfchen.
Der Einfluss der Teilchengrösse hinsichtlich einer Änderung des Auffangeffektes beträgt nur +/-20% bei Teilchen mit einer Grösse von 0,1 bis 10 Mikrometern. Je länger die elektrostatischen Kräfte wirken können, um so stärker wird ihr Einfluss, so dass eine grössere Leistung bei einer niedrigen Relativgeschwindigkeit zwischen den aufgeladenen Teilchen und den Wassertröpfchen erzielt wird. Da niedrigere Geschwindigkeiten ferner bewirken, dass die Nassreinigungsflüssigkeit schlechter zerstäubt wird und infolgedessen grössere Geräteabmessungen erforderlich sind, wird eine optimale Strömungsgeschwindigkeit zu wählen sein.
Bei einer Relativgeschwindigkeit unter 15,2 mIs nimmt die Zerstäubung im Venturinassreiniger schnell ab. Es werden deshalb an die Flüssigkeit zunehmende Anforderungen gestellt, damit die Leistung beibehalten wird. Bei einer Relativge schwindigkeit von über 60,8 m/s nimmt der Druckabfall innerhalb des Systems infolge der für die Beschleunigung des Wassertopfens benötigten Energie ausserordentliche Werte an. Die maximale Auffangleistung der Schmutzgasaufladevorrichtung und der Venturinassreinigungsvorrichtung wird bei gleichzeitigem minimalem Energieverbrauch dann erreicht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit in dem Düsenteil des Venturinassreinigers etwa 38,2 bis 45,6 mls beträgt.
Bei einem getesteten Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung betrug die Spaltbreite R338,1 mm, der Scheibenelektrodenrandradius r betrug 0,31 mm, der Radius des Elektrodenumfangs Rl betrug 22,23 mm, der Radius des Düsenteils des Venturirohres R2 betrug 60,33 mm, der Konvergenzwinkel des Konus' (t > betrug 12,5 und der Krümmungsradius der Venturirohrwandung Ro betrug 76,2 bis 101,6 mm. Die Vorrichtung gemäss dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel besass eine Leistung von 1270 m3/h bei einer Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 36,6 mls im Düsenteil des Venturinassreinigers. Die Auffangleistung eines herkömmlichen Nassreinigers der vorbeschriebenen Art beträgt annähernd 81% bei einer Teilchengrösse von 0,5 Mikrometern.
Die Auffangleistung wird auf annähernd 95% bei einer Teilchengrösse von 0,5 Mikrometern verbessert, wenn die erfindungsgemässe Schmutzgasaufladungsvorrichtung eingesetzt wird. Das System verbraucht in diesem Fall bei einem Gasdurchsatz von 28317 1/min etwa 28,51 Wasser/min, etwa 150 W elektrische Leistung zur Aufladung und hat einen Druckabfall im System von 10,16 cm Wassersäule.
Ein zweites getestetes Ausführungsbeispiel besass eine Spaltbreite R3 von 54,61 mm, einen Scheibenelektrodenrandradius r von 0,31 mm, einen Radius des Elektrodenumfanges R1 von 22,23 mm, einen Düsenteilradius Rz des Venturirohres von 66,96 mm, einen Konuskonvergenzwinkel 4) von 15 , und die Venturirohrwandung besass einen Krümmungsradius Ro von 50,8 mm. Die Vorrichtung-gemäss diesem zweiten Ausführungsbeispiel besass einen Gasdurchsatz von 1700 m3/h mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 45,7 mls im Venturinassreiniger. Die Auffangleistung eines typischen Nassreinigers der vorbeschriebenen Art betrug annähernd 94,6% bei einr Teilchengrösse von 1,25 Mikrometern.
Die Auffanglei stung konnte auf annähernd 97,5% bei einer Teilchengrösse von 1,25 Mikrometern verbessert werden, als die neue Schmutzgasaufladungsvorrichtung eingesetzt wurde. Bei diesem Zustand verbrauchte das System bei einem Gasdurchsatz von 283171 etwa 22,71 Wasser/min sowie 150 W elektrische Leitung, während der Druckverlust des Systems 12,70 cm Wassersäule betrug.
Bei einer typischen Ionisiervorrichtung der bekannten Art war nur eine begrenzte Feldstärke von 5 bis 10 kV/cm zu erreichen. Bei der neuen lonisiervorrichtung, bei welcher die verwendete Elektrode optimal ausgestaltet und die Strömungsgeschwindigkeit der an den Elektroden vorbeiströmenden Gase optimal gewählt ist, können Feldstärken bis zu 30 kV/cm ohne Funkenüberschlag erreicht werden.
Ein wesentlicher Vorteil des neuen Verfahrens besteht in der Erkenntnis, dass der Einfluss der Strömungsgeschwindig- keit, durch welchen die Raumladung axial verteilt wird und die Möglichkeit eines Funkenüberschlages verringert wird, vorteilhaft bei konventionellen Ausfällvorrichtungen eingesetzt werden kann, um deren Betriebsfeldstärke zu steigern. Zum Beispiel ist in den Fig. 8 und 9 eine bekannte Ionisiervorrichtung dargestellt, bei welcher eine einzige Drahtelektrode 80 Verwendung findet, die quer zum Düsenteil 81 des rechteckigen Kanals 82 des Venturirohres angeordnet ist. Isolatoren 83 isolieren die Drahtelektrode gegenüber dem Kanal in an sich bekannter Weise. Die Drahtelektrode ist wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel an eine Spannungsquelle 3 angeschlossen.
Normalerweise muss eine lonisiervorrichtung mit einer einzigen Drahtelektrode mit niedrigen Spannungen betrieben werden, so dass das Feld zwischen den Elektroden im Durchschnitt nicht über 10 kV/cm beträgt, bevor ein Funkenüberschlag stattfindet. Die Geschwindigkeiten sind niedrig und liegen bei etwa 3,05 nils. Ein typisches Beispiel für eine unter diesen Betriebsbedingungen arbeitende Vorrichtung ist ein elektrostatischer Heimluftreiniger. Wenn gemäss der Erfindung höhere Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 15,2 mls verwendet werden, dann kann ein Feld mit einer durchschnittlichen Feldstärke von über 10 kV/cm erreicht werden, ohne dass ein Funkenüberschlag stattfindet, da die schnell strömenden Gase überschüssige Raumladung zu einem stromab gelegenen Teil aus dem Bereich des Feldes starker Intensität führt.
Wenn die Ausfällvorrichtung der vorbeschriebenen Art mit mehreren quergespannten Drähten ausgestattet ist, die entlang dem Kanal in axialem Abstand zueinander angeordnet sind, dann können ebenfalls nur niedrige Spannungen eingesetzt werden, selbst wenn höhere Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden, da die Bewegung der Ionen von einer Drahtzone zu dem nächsten stromab gelegenen Feld erfolgt.
Ausfällvorrichtungen mit mehreren quergespannten und einen axialen Abstand zueinander aufweisenden Drähten können natürlich dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn der axiale Abstand gross genug gewählt ist, so dass die Ionen jedes stromauf gelegenen Drahtes zur äusseren Elektrode (Kanalwandung) wandern können, bevor sie in das ionisierte Feld eines stromab gelegenen Drahtes eintreten.
In der Fig. 11 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die Elektrodenenden 80a kreisbogenförmig ausgebildet sind, während die mittleren Elektrodenteile 80b eine gerade Form besitzen. Vorzugsweise ist der Kanal 82 in diesem Fall rechteckig ausgebildet, könnte jedoch auch zur Anpassung an die Elektrode abgerundet sein. Wie dies aus den Fig. 3 bis 5 zu entnehmen ist, sind Luftschlitze 24 vorgesehen. Natürlich können alle in den Fig. 10A bis 10D gezeigten Randausbildungen mit dem Radius r Verwendung finden. Mit diesem Elektrodentyp sind ähnlich der Drahtelektrode gemäss den Fig. 8 und 9 hohe Leistungen erzielbar, jedoch werden auch die Vorteile der mehr radialen Elektrodentypen erreicht.
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PATENT CLAIMS
1. Method for ionizing gas, characterized in that the gas is passed through a gap delimited by a tubular outer and an inner electrode and an electric field is generated between the two electrodes, which runs mainly transversely to the direction of flow of the gas, each in the axis of the tubular electrode diverges from the inner to the outer electrode, the voltage applied to the electrodes being adjusted such that the space charge formed when ionizing a gas flowing through creates such a field distribution that at least in the area between the outer electrode and the gap center there is a practically constant field strength.
2nd Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized by a tubular outer electrode (2) provided for conducting a gas and a disk-shaped inner electrode (4) arranged inside the outer electrode, the circumference of which corresponds to the cross-sectional shape of the outer electrode and a gap therewith limits which internal electrode has an infinitely curved border (r) in axial section, which converges from the center of the electrode to the outermost region, and means (3) for applying an electric field sufficient to generate a corona discharge between the electrodes and means (ia ) to propel the gas axially through the gap between the electrodes.
3rd A method according to claim 1, characterized in that an average field strength of the electrostatic field of more than 10 kVlcm is used.
4th Apparatus according to claim 2, characterized by a disk-shaped inner electrode (4) which is arranged concentrically in the outer electrode to form an electrode gap (R3) and by means (3) for applying a high voltage suitable for generating a corona discharge in the electrode gap the electrodes.
5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the ratio between the width (R3) of the electrode gap and the edge radius (r) of the inner electrode (4) is between 200: 1 and 50: 1.
6. Device according to claim 4, characterized in that the ratio between the width (R3) of the electrode gap and the edge radius (r) of the inner electrode (4) is 100: 1.
7. Apparatus according to claim 2, characterized in that the ratio of the cross section of the inner electrode (4) to the outer electrode (2) is chosen between 0.05 and 0.01.
8th. Apparatus according to claim 2, characterized in that the wall of the outer electrode (5) diverges downstream of the disc electrode (4) in the direction of flow.
9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the radius of curvature (Ro) of the wall of the outer electrode (5) in axial section at the transition point between differently inclined pipe sections is greater than 50 times the edge radius (r) of the inner electrode.
10th Apparatus according to claim 2, characterized in that the disc electrode (4) is arranged on an insulated probe (10) which has a plurality of axially spaced slots (14) which extend over the entire circumference of the probe and that the probe Has means (15, 20, 23) by means of which air can be conducted outwards through the slots in order to prevent dirt particles from being deposited in a coherent layer along the probe.
11. Apparatus according to claim 6, characterized in that a device (50) is provided for collecting particles charged by accumulated ions downstream of the electrode gap (R3).
12. Apparatus according to claim 11, characterized in that the device for collecting charged particles has means for introducing in the tubular outer electrode (5) downstream of the electrode gap (113) many water droplets in a distributed form so that the ionized particles of the gases become the dipoles align the water droplets so that attractive forces develop between the charged particles and the water droplets.
13. Apparatus according to claim 8, characterized in that a device (32, 44) is provided which generates a continuous layer of a fluid on the inner wall of the outer electrode (5) in order to prevent dirt particles from being deposited on the wall.
14. Use of the method according to claim 1 for removing dirt particles from a gas flow, the gas being ionized and the dirt particles being charged in an electrostatic field, a residual residual field still being present downstream of the ionizing field, characterized in that the charged dirt particles in the residual field in Are brought into interaction with uncharged polar material, so that a dipole charge is generated inductively in the polar material, which electrically attracts charged dirt particles.
15. Use according to claim 14, characterized in that the dirt particles are charged by the accumulation of ions while being moved through an electrostatic field with an average field strength of more than 15 kVlcm.
16. Use according to claim 14, characterized in that the polar material contains a plurality of water droplets which are distributed in a gas stream containing the charged dirt particles.
17th Use according to claim 14, characterized in that a film of a fluid is generated along the inner wall of the outer electrode in the region of the electrostatic field, which prevents material particles from collecting on the outer electrode in the electrostatic field.
18th Use according to claim 14, characterized in that the inner electrode is arranged on an insulating probe and that several radially outwardly directed air streams are generated on this probe, which extend over the entire circumference of the probe and are spaced apart from one another along the probe axis, so that an accumulation of material particles in the form of a continuous layer covering the probe is prevented.
The invention relates to a method for ionizing gas, and an apparatus for performing this method.
Ionized gases can be used for a variety of applications. For example, it is possible to carry out gas phase reactions with ionized gases or to generate electrical energy using electrogas dynamic processes. A preferred application of the ionized gases is the attachment of the gas ions to the smallest particles carried by gases, which can be charged in this way and then electrostatically suctioned off. Therefore, the object to be achieved according to the invention and the method according to the invention are described below using this preferred application.
The devices previously used for ionizing gas corresponded to the wire cylinder, wire plate or needle tip type, with the field strength of the middle field
was limited to approximately 10 kV / cm and the ion density in the space between the electrodes was limited to approximately 109 ions / m3, which also limits the practical applications and the performance of these ionization devices.
The present invention is therefore based on the object of providing a method and a device for ionizing gas with which the effective field strength and the achievable ion density are large enough to electrostatically charge in particular the smallest dirt particles in industrial gases before they are introduced into a collecting system.
According to the invention this object is achieved with a method in which the gas is passed through a gap delimited by a tubular outer and an inner electrode and between the two electrodes a mainly transverse to the flow direction of the gas electric field is generated, which in each by the Axis of the tubular electrode on the plane diverging from the inner to the outer electrode, the voltage applied to the electrodes being adjusted such that the space charge formed when a gas flowing through ionizes creates such a field distribution that at least in the area between the outer electrode and the Gap practically constant field strength is present.
In the new method, the gas to be ionized is preferably passed through a Venturi tube in order to increase the flow velocity and is exposed in the nozzle part of the Venturi tube to an electrostatic field of high field strength, which is perpendicular to the gas flow direction.
In the process, the gas is ionized, and the ions formed preferably accumulate on impurities carried by the gas stream, which are thus electrostatically charged. The particles are given a positive or negative polarity, depending on the type of electric field and the ion attached.
A preferred device for carrying out the method according to the invention has a tubular outer electrode provided for conducting a gas and a disk-shaped inner electrode arranged inside the outer electrode, the circumference of which corresponds to the cross-sectional shape of the outer electrode and delimits a gap with it, which inner electrode is in axial section has a continuously curved border which converges from the center of the electrode to the outermost region, means for applying an electric field sufficient to produce a corona discharge between the electrodes and means for driving the gas in the axial direction through the gap between the electrodes .
A preferred application of the new method is the removal of dirt particles from a gas flow, the gas being ionized and the dirt particles being charged in an electrostatic field, with a residual residual field still present downstream of the ionizing field, in which application the charged dirt particles in the residual field in Are brought into interaction with uncharged polar material, so that a dipole charge is generated inductively in the polar material, which electrically attracts charged dirt particles. The dirt separation device used can be of a known type, for example an electrostatic precipitating device, wet cleaner or a combination of these devices, the charging of the charged dirt particles taking place in different ways depending on the device used.
Although the new ionizing device is preferably used upstream from a dirt cleaning device, such as upstream from a wet cleaner or a precipitating device, in order to increase its efficiency, the ionizing device can also be used in other fields. For example, it can be used to charge particles
Generation of electrical energy can be used in an electrogas dynamic device or for ionizing gas flows for gas phase reactions, for example for
Generation of atomic oxygen for oxidation reactions, such as the generation of ozone for odor removal or sulfur dioxide for sulfur trioxide reactions.
In these applications, a gas flow is passed through the ionizing device in the same way as a dirty gas flow, but the outer electrode does not need to be cleaned if the particles do not precipitate.
Further details emerge from the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the drawing. In it show:
Fig. 1 shows a longitudinal section through a preferred exemplary embodiment of the device according to the invention;
Fig. 1A and 1B are schematic representations of the flow paths of the dirt particles in a conventional wet cleaner or in a highly charged system according to the invention;
Fig. FIG. 2 shows an enlarged sectional view of a part of the part shown in FIG. 1 devices shown;
Fig. 3 shows a sectional view along the line 3-3 according to FIG. 2;
Fig. 4 shows a sectional view along the line 4-4 according to FIG. 2;
Fig. 5 is a sectional view taken along line 5-5 of FIG. 2;
Fig. 6 is a partial sectional view of the nozzle part for a further venturi tube;
;
Fig. 7 shows a diagram to show the electrostatic field prevailing between the electrodes according to the invention;
Fig. 8 shows an axial section through an ionizing device according to the invention;
Fig. 9 shows a cross section through that in FIG. 8 embodiment shown;
Fig. 10A to 10D a further preferred exemplary embodiment for an ionizing device.
In the Fig. 1 shows that the gas to be ionized is fed to the inlet of a Venturi tube 2 by means of a blower 1 a via an inlet channel. The gas and possibly contained dirt particles are accelerated to a certain speed, which reaches its maximum value in the nozzle part of the venturi tube. A very strong spray discharge is generated in the nozzle part of the venturi tube by means of a high-voltage direct current source 3. The discharge D starts from a high-voltage disk electrode arranged in the middle of the nozzle part of the venturi tube and runs in the radial direction to the outer wall 5 of the venturi tube. The spray discharge is quite thin in the direction of the gas flow, so that the gas and the entrained dirt particles remain in the electrostatic field for a short time.
Although an electrode in the form of a circular disk is shown and described, an annular, elliptical (in the form of a ring or a solid disk) or an electrode of any other shape which has a uniformly shaped radial edge could also be used. Likewise, the cross section of the outer edge of the electrode 4 does not need that shown in FIG. 2 shown circular shape with the radius r. Other configurations could also be provided, for example a parabolic, elliptical or wedge-shaped configuration with rounded edges. Examples of the edge configuration of the electrode are shown in FIGS. 1 0A to 1 OD shown. It is also possible that electrodes with tooth-shaped edges are used.
R is the radius at the edge of the discharge electrode 4 when this electrode is seen in axial section. The electrode 4 shown in the preferred embodiment lies between two axially one behind the other insulators 26 and 28, which seem to influence the spark breakdown in a way that has not yet been precisely ascertainable.
While optimal ionization is achieved when the inner electrode 4 is arranged concentrically in the nozzle part of the outer wall 5 of the venturi tube, the device also works with an eccentrically arranged electrode. In addition, the radius of curvature Ro of the venturi inner wall can be changed to a certain extent, but the best results are achieved if the ratio Ro: r is approximately 50: 1, where r is the edge radius of the inner electrode.
The axial arrangement of the electrode 4 in the nozzle part of the Venturi tube can be changed within certain limits.
When the electrode is moved upstream, the gap R3 is increased so that the field strength is reduced and a higher voltage is required while the gas flow velocity is reduced. The reduction in gas flow contributes to both improvement and reduction of ionization within limits, which will be discussed later.
All modifications to the preferred exemplary embodiment reduce the effectiveness of the device according to the invention to a certain extent. However, in various applications of the new ionization device, it is not absolutely necessary to achieve optimal operating conditions, that is to say that more economical designs make the use of one or the other embodiment appear sensible in order to achieve a lower ionization effect.
The electrostatic field Eo, which is generated between the electrode 4 and the outer wall 5 of the nozzle part of the venturi tube, consists of two parts, namely an electrical field Ee and a part generated by space charge, as shown in the diagram according to FIG. 7 is shown. The electrical field depends on the voltage applied and the electrode geometry. The portion due to space charge, which is created by ions, electrons and charged particles between the electrodes as soon as the corona discharge has started. From the Fig. 7 shows that the portion caused by the space charge tends to increase the field strength in the area of the outer wall of the nozzle part of the venturi tube, while weakening the field strength in the area of the inner electrode.
The spray discharge is stabilized by this effect, while at the same time an average electric field is high over the entire electrode distance R3. These advantages are achieved without sparking due to the electrode design, maintenance of a high gas velocity in the electrode area and a clean surface on the outer electrode. It is only necessary to clean the surface of the outer electrode in order to prevent arcing. Where maximum field strengths are not required and therefore lower voltages can be applied to the electrodes, cleaning of the outer electrode is not necessary or at most from time to time.
As already mentioned above, the generation of an increased electric field strength on average over the electrode spacing is likewise achieved both by the electrode configuration and by the high gas flow rate.
As shown in Fig. 7, there is an electrostatic field Ee over the entire electrode spacing, provided there are no space charges. The electrostatic field drops sharply towards the outer electrode. In contrast, there is a very high electrostatic field in the area of the inner electrode, which enables the generation of many ions by spray discharge. These charges are moved towards the outer electrode by the electrical field existing over the entire electrode distance. Due to the smaller radius of the inner electrode compared to the radius of the outer electrode, the ion density is reduced during the migration from the inner to the outer electrode.
At the same time, the ion density during its migration from the inner to the outer electrode is reduced by the fact that the ion current diverges in the axial direction, as is the case with D in Fig. 1 is indicated. Finally, the ion density is also reduced by the fact that the speed of the gas flow increases when the gas flows through the Venturi nozzle. This causes a further reduction in the ion density towards the outer electrode. Overall, it is thus achieved that the gradient of the electrical field between the inner and the outer electrode decreases. This effect is maximized at gas velocities of 15.2 mls and above.
In addition, due to the turbulence occurring at these high speeds, additional stability can be achieved by mechanically interrupting the mechanism that causes a sparkover.
In order to ensure that the spray discharge is maintained and to avoid contamination and thus energy loss of the discharge device, it is ensured that the high-voltage electrode 4 is insulated in such a way that no shunt paths occur in addition to the spray discharge. The most obvious is from Fig. 2 that the electrode 4 is held in a suitable position within the Venturi tube by means of a probe 10, the probe being designed in such a way that a physical as well as a surface current as a shunt is prevented. Although not shown, the probe can be moved axially and radially if desired. An insulator material is provided between the electrode and the support 2 of the probe in the upstream inlet duct 1.
The surface resistance of the probe 10 is improved by a plurality of air ducts 14 for clean air, these air ducts being formed by approximately 0.76 mm wide slots which run on the circumference of the probe immediately upstream of the electrode 4. The clean air is supplied from an outside air source 15 through the probe body and exits through these slots at high speed. As a result of this measure, the surface has a high surface resistance, which prevents the formation of a shunt from the high-voltage electrode 4 to the earth.
The probe body has a high-voltage line 16 which is carried by dielectric bearing bushes 18 which hold the probe in the inlet channel 1. The upstream part of the probe body is arranged in a closed casing 20 and a hollow, corrugated casing 22. Openings 23 allow air to pass through in the axial direction to a plurality of rings 26 which are arranged at a distance from one another and each have corresponding slots 24 (see 3). Due to the distance between the rings, circumferential slots 14 are formed, through which the air can escape in the manner described above.
The electrode 4 also has slots 24, which allow a downward air flow along the electrode. The rings and the disk electrode are fastened to the high-voltage line 16 by means of a screw 28 penetrating a nose 30. The nose and the air emerging on the downstream side of the electrode prevent the accumulation of charged dirt particles downstream of the disk electrode and thus the deposition of charged particles on the surface of the electrode 4.
The outer wall 5 of the venturi tube must be kept smooth and relatively clean in the short area of the discharge gap R3, so that contaminants cannot deposit. This has the effect that disturbances in the spray discharge emanating from the outer surface of the electrode are prevented, for example by the deposition of dirt particles. This cleaning can be done in different ways. One possibility is in the Fig. 1 and 2 shown. In this case, water or another liquid is sprayed onto the surface of the converging cone part of the Venturi tube wall 5 in a uniform layer with the aid of a pump 32. The convergence angle (P of the Venturi tube is approximately 12.5, so that the turbulence influences are kept to a minimum.
In its operating position, the venturi tube is directed downwards, and the water film is accelerated when it enters the nozzle part, both by gravity and by the friction with the moving gases. The entry point of the water is approximately 1.5 gap lengths R3 of the electrode upstream of the electrode 4. The inclination of the downstream diverging cone of the Venturi tube is less than 3.5, which in turn keeps the risk of flow division to a minimum. The radius of curvature Ro of the Venturi tube wall at the transition point between the tube walls inclined at different angles should not be less than about 50 mm.
The water is injected through a narrow circumferential slot 40 with a width between 0.25 to 0.65 mm, which is provided in the surface 41 on the circumference of the converging cone, the surface 41 at an angle, 8 of about 12, 5 is inclined with respect to the side wall of the Venturi tube. The water on the migration of the Venturi tube ensures a smooth, clean surface without reducing the performance of the discharge up to a flow rate of 23 mls. The water consumption changes with the dimensions of the Venturi tube and is in the range from 0.76 to 7.5 1 / min with a gas throughput of 28317 Vmin for Venturi tube diameters from 0.13 to 1.13 m.
In order to prevent the water from moving upwards along the wall of the venturi tube, an inwardly extending baffle 42 is provided, which is insulated from the colder water. The water coming from the pump 32 is introduced tangentially into a housing 44 under pressure and leaves the housing through the slot 40 in the axial direction so as to substantially preclude a spiral movement of the water when it flows through the nozzle part of the venturi.
In order to achieve the strong discharge and high stable performance, the wedge-shaped parts of the device must be optimally designed. The exit radius r of the disk electrode 4 held by the probe has a specific shape on the circumference of the electrode. Based on experiments carried out, it was determined that the best performance can be achieved if this radius is dimensioned such that the ratio of the electrode gap R3 to the electrode exit radius r is approximately 100: 1. If this ratio is less than 50: 1, sparking will occur at a low voltage so that a low operating current will flow and a weak field will be generated. If the ratio exceeds 200: 1, the influence of the electric field in the gap is reduced, so that a higher operating current is required to maintain a strong field.
The ratio of the radius of curvature Ro of the Venturi tube wall should not be less than 50: 1 compared to the electrode radius r. Smaller radii would lead to sparking at lower voltages. The diameter of the probe 10 and thus the overall diameter of the disk electrode 4 should be chosen such that the probe occupies approximately 10% of the total cross section of the nozzle part of the Venturi tube. A practical lower limit is 5%. Small values increase the surface energy density of the discharge electrode. It is more important that smaller values lead to an enlargement of the electrode gap, so that a considerably greater energy requirement is required to achieve a constant penetration performance of the device.
At values above 10%, the dimensions of the Venturi tube are increased and the probe costs are increased, while at the same time the requirements for the air ducts used to isolate the probe are increased and thus the operating costs are increased. If this electrode geometry described above is selected, then a high-voltage field of approximately 18 to 20 kV / cm can be achieved in the electrode gap R3 on average under normal atmospheric conditions and a flow velocity of zero. At venturi tube flow velocities of approximately 15.2 m / s, the field can be increased to approximately 26 to 28 kV / cm without sparking.
Some essential functions occur in the very strong voltage field of the discharge device. The floating impurities are charged in the field by the ions impinging on the impurities in the highly ionized area within the electrode gap 133. It is assumed that the diffusion charging device has a smaller influence on the fine particles, since these are only in the discharge path for a very short time.
As the dirt particles are charged and move to the strong field sections of the discharge path, they are shifted somewhat radially outwards. The size of this movement changes with the particle size, so that to some extent mixing, collision of particles and possibly agglomeration of the particles can occur. However, this influence is negligible in relation to the existing thermal movement and flow turbulence. However, if the suspended solids are liquid particles, the influence of high electric fields (greater than 10 kV / cm), high temperatures and turbulence causes a remarkable agglomeration, this influence being found downstream of the discharge zone.
This influence can be of particular advantage when it comes to very small particles of suspended matter, since these particles are aggregated and have larger dimensions so that they can be collected more easily.
The gas velocity of the gases flowing through the highly charged discharge zone affects the performance of the device. At flow velocities of over 15.2 nils, the space charge zone of the field is expanded in the axial direction by the gases, so that the possibility of a sparkover is reduced, that is to say that the stability of the discharge path is increased. With increasing speed, however, the advantage of increased stability is replaced by the disadvantage of a shorter residence time of the dirt particles in the field, so that the charging of the particles is reduced, and a further disadvantage is that the water film on the outer electrode wall has an adverse effect if water is used to clean the device.
Up to flow rates of 38.2 mls there is an improvement in the stability of the spray discharge, but the charging performance decreases. Experiments carried out with the system described above have shown that a maximum charge of the particles can be achieved at a flow speed of 30.4 m / s. In most cases, however, the gas velocity must be matched to the power required for economical operation for cleaning industrial exhaust gases, the electrode voltage and the conditions required for cleaning the wall of the venturi tube.
A second method for cleaning the wall of the Venturi tube will be based on the Fig. 6 are described. In the case of the In the embodiment shown in FIG. 6, a perforated air guide section 70 is provided in the nozzle part of the venturi tube, by means of which an air film can be generated on the downstream wall part of the venturi tube instead of the water film. Downstream from the air guiding section 70, the surface of the wall of the venturi tube is provided with a coating over a distance corresponding to a plurality of electrode gap lengths R3, which coating consists of an electrically highly insulating material, so that the particles which settle in this area are insulated from the wall of the tube . The erosion caused by the gas flow limits the thickness of the particle layer to a permissible level.
Another method that can be used when using a water or air film for cleaning purposes is to use an aerosol mist that serves to shield the water or air film from the electrostatic field generated by the disc electrode.
This ensures that due to the aerosol mist located above the water or air film, not all turbulences of the water or air film cleaning the venturi tube wall, which are caused by the increased velocity of the dirty gas through the venturi tube, have a disadvantageous effect on the electrostatic field. This makes it much less likely that a flashover will occur in the corona discharge if the water or air film shows an irregularity or even a tear.
Another cleaning method consists in vibrating or shaking the wall of the Venturi tube so that the particles deposited on the wall are removed intermittently or continuously.
The floating impurities that have flowed through the venturi section are charged, they have the same polarity and migrate downstream from the discharge path to the outer wall 5 of the venturi tube.
The particles are deposited on the wall only to a small extent, and only those particles settle on the outer wall whose movement paths are close to the wall. Since the field in this zone primarily corresponds to the field in the space charge zone and the migration speeds are small compared to the flow velocities, the particles present in the flow keep a considerable distance from the wall. These charged floating particles can be captured in at least two ways.
One way of collecting the charged particles is by using a conventional electrostatic precipitator. Another possibility arises from the use of a wet cleaner 50, which will be described later. The dirty gas charging section of the venturi tube is connected directly to the nozzle part 52 of the venturi cleaner 50. It is usually desirable for the gas containing the debris to flow through the wet cleaner at a high gas velocity. For this reason, it is not desirable to reduce the flow rate of the gas flowing through the dirty gas charging section of the venturi tube by designing the part of the venturi tube which adjoins the discharge electrode downstream as a diverging cone.
For this reason, the diameter of the outer electrode 5 in the part of the Venturi tube which adjoins the discharge electrode 4 downstream is kept constant, that is to say the cone angle of this part of the Venturi tube is approximately 0 ". The gases with the charged particles flow through the Venturi cleaner, the particles settling on the water droplets, the trapping of the dirt particles being further improved by the electrostatic forces. The water enters the Venturi cleaner in a manner known per se through a circumferential slot 54 and is atomized by the gas flow. The water droplets are charged to the dirt particles by induction, since the atomization of the water particles takes place in a residual field area.
At low flow velocities in the nozzle part of the venturi tube (below approximately 23 m / s), the injection point should be at least two gap lengths R3 downstream of the disk electrode 4 in order to prevent a spark from sparking prematurely. At higher flow velocities in the nozzle part of the venturi tube, a greater distance is required, since the ions moving downstream of the discharge path tend to impair the induction process by undesirably charging the water droplets with the same polarity as the charged dirt particles.
By extending the screw 28, the induction field can be axially expanded even if the distance between the electrode 4 and the injection point is increased. In this case, a cylindrical field originating from the screw is generated at the same time, in which the ions migrate downstream from the electrode 4 to the outer wall 5.
The collecting capacity of the conventional Venturi cleaner depends on the impact energy of the particles on the water droplets. The impact occurs due to the high relative speed of the dirt particles contained in the air flow compared to the water droplets injected at low speed. The submicroparticles do not hit the water droplets by flowing around the water droplets instead of hitting them. An embodiment of this process is shown in Fig. 1A is shown schematically. This behavior of the submicroparticles is due to their high aerodynamic flow resistance / inertia ratio. The mutual impact and repulsion of the particles is important for the bouncing off in the edge area and with regard to the energies that occur when collecting.
Particles with small impact energies cannot penetrate the water drops due to the surface tension.
If the particles are strongly electrostatically charged (-10 kV / cm surface field strength) and a charge has been induced in the water droplets, then there are attractive forces between the charged particles and the water droplets, which strongly influence the impact paths of the particles, as schematically shown in FIG Fig. 1 B is shown. This significantly improves the collection effect of the conventional wet cleaner. The improvement in the impact of the particles changes with the size of the particles and with the relative speed between the particles and the water droplets.
The influence of the particle size with regard to a change in the collecting effect is only +/- 20% for particles with a size of 0.1 to 10 micrometers. The longer the electrostatic forces can act, the stronger their influence becomes, so that greater performance is achieved at a low relative speed between the charged particles and the water droplets. Since lower speeds also cause the wet cleaning liquid to be atomized more poorly and as a result larger device dimensions are required, an optimal flow rate will have to be selected.
At a relative speed of less than 15.2 mIs, atomization in the Venturi wet cleaner decreases rapidly. Therefore, increasing demands are placed on the liquid so that the performance is maintained. At a relative speed of over 60.8 m / s, the pressure drop within the system takes on extraordinary values due to the energy required to accelerate the water pot. The maximum collecting capacity of the dirty gas charging device and the venturi cleaning device is achieved with minimal energy consumption at the same time when the flow rate in the nozzle part of the venturi cleaning device is approximately 38.2 to 45.6 mls.
In a tested embodiment according to the invention, the gap width R338.1 mm, the disk electrode edge radius r was 0.31 mm, the radius of the electrode circumference R1 was 22.23 mm, the radius of the nozzle part of the Venturi tube R2 was 60.33 mm, the convergence angle of the cone '(t> was 12.5 and the radius of curvature of the Venturi tube wall Ro was 76.2 to 101.6 mm. The device according to the embodiment described above had a capacity of 1270 m3 / h at a gas flow rate of about 36.6 mls in the nozzle part of the Venturi cleaner. The collecting capacity of a conventional wet cleaner of the type described above is approximately 81% with a particle size of 0.5 micrometers.
The collecting capacity is improved to approximately 95% with a particle size of 0.5 micrometers if the dirty gas charging device according to the invention is used. In this case, the system consumes about 28.51 water / min, about 150 W electrical power for charging at a gas throughput of 28317 1 / min and has a pressure drop in the system of 10.16 cm water column.
A second exemplary embodiment tested had a gap width R3 of 54.61 mm, a disk electrode edge radius r of 0.31 mm, a radius of the electrode circumference R1 of 22.23 mm, a nozzle part radius Rz of the venturi tube of 66.96 mm, a cone convergence angle 4) of 15, and the Venturi tube wall had a radius of curvature Ro of 50.8 mm. The device according to this second embodiment had a gas throughput of 1700 m3 / h with a flow rate of about 45.7 mls in the Venturi cleaner. The collection performance of a typical wet cleaner of the type described above was approximately 94.6% with a particle size of 1.25 micrometers.
The collecting capacity could be improved to approximately 97.5% with a particle size of 1.25 micrometers when the new dirty gas charging device was used. In this condition, the system consumed about 22.71 water / min and 150 W electrical power at a gas flow rate of 283171, while the system pressure loss was 12.70 cm water column.
In a typical ionizing device of the known type, only a limited field strength of 5 to 10 kV / cm could be achieved. With the new ionizing device, in which the electrode used is optimally designed and the flow rate of the gases flowing past the electrodes is optimally selected, field strengths of up to 30 kV / cm can be achieved without sparkover.
A major advantage of the new method is the knowledge that the influence of the flow velocity, by means of which the space charge is distributed axially and the possibility of sparkover is reduced, can advantageously be used in conventional dropout devices in order to increase their operating field strength. For example, in Figs. 8 and 9 show a known ionizing device, in which a single wire electrode 80 is used, which is arranged transversely to the nozzle part 81 of the rectangular channel 82 of the Venturi tube. Insulators 83 isolate the wire electrode from the channel in a manner known per se. As in the preferred embodiment, the wire electrode is connected to a voltage source 3.
Typically, a single wire electrode ionizer must be operated at low voltages so that the field between the electrodes averages no more than 10 kV / cm before a flashover occurs. The speeds are low and are around 3.05 nils. A typical example of a device operating under these operating conditions is an electrostatic home air cleaner. If, according to the invention, higher flow velocities of approximately 15.2 mls are used, then a field with an average field strength of over 10 kV / cm can be reached without sparking over, since the rapidly flowing gases cause excess space charge to a part downstream leads out of the field of strong intensity.
If the precipitation device of the type described above is equipped with a plurality of cross-tensioned wires which are axially spaced from one another along the channel, then only low voltages can also be used, even if higher flow rates are used, since the movement of the ions from one wire zone to the other next downstream field.
Precipitation devices with several cross-tensioned and axially spaced wires can of course be used advantageously if the axial distance is chosen large enough so that the ions of each upstream wire can migrate to the outer electrode (channel wall) before they enter the ionized field of a downstream wire.
In the Fig. 11 shows a further preferred exemplary embodiment, in which the electrode ends 80a are designed in the form of a circular arc, while the middle electrode parts 80b have a straight shape. In this case, the channel 82 is preferably rectangular, but could also be rounded to match the electrode. How this from the Fig. 3 to 5 can be seen, air slots 24 are provided. Of course, all of the 10A to 10D edge configurations shown with the radius r are used. With this type of electrode, similar to the wire electrode according to FIGS. 8 and 9 high performances can be achieved, but the advantages of the more radial electrode types are also achieved.