CN106999949B - 用于净化气流的静电过滤器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于净化气流,特别是空气的静电过滤器(1),其包括拦截级(S2),该拦截级布置成拦截气流(F)并且设置有至少一个带正电的板状排斥电极(5)和处于接地电势的至少一个板状收集电极(6),板状排斥电极和板状收集电极平行于气流(F)的前进方向延伸。板状排斥电极(5)设置有在其表面上分布的多个孔(12),这些孔与板状排斥电极的两个表面的连接边缘具有电场局部集中的曲率半径,由此在所述气流(F)中发射正电荷(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于净化气流,特别是空气的静电过滤器。
静电过滤器(本发明的目的)旨在有利地用于从气流或气体混合物诸如空气的流中除去悬浮颗粒,无论这些悬浮颗粒是由无机材料、纤维或甚至生物物质诸如细菌、霉菌、真菌、孢子、病毒等构成。
本发明所提到的静电过滤器可以用于工业和民用领域中的多种应用;例如它可以在民用领域被采用以便净化住宅建筑物的空气,或在工业领域被采用,以便通过对从生产场所排放的空气进行过滤而限制污染水平,或者用于处理工业过程的气体流。为了此类目标,过滤器(本发明的目的)可以结合在家用设备中或在生产过程的工业工厂中。
因此,本发明通常介于用于从气体流中除去污染物的装备的生产领域中。
背景技术
用于从气态流体中除去悬浮固体颗粒的各种类型装备是已知的;悬浮固体颗粒被定义为直径小于100μm的固体和液体颗粒的集合,其保持悬浮在空气中,已知各种类型装备包括机械除尘器(例如旋风分离器)、机械过滤器(诸如软管过滤器)和静电过滤器。
后者的功能原理提供对悬浮在经受过滤的气体流中的颗粒充电(通常由于由小直径丝的细丝或网络上的高电压导致的电离)并且随后在于不同电势下施加(或不施加)电力的板上拦截颗粒,颗粒由电场生成的库仑型力引导到板。因此,此类原理提供电离场的产生,易于产生对悬浮中的颗粒充电的电荷流,并且提供电场的身退功成,易于在相对于带电粒子的不同电势下将带电悬浮颗粒朝向至少一个俘获板推动。
静电过滤器通常以两种不同的构造获得,即单级过滤器和两级过滤器,在单级过滤器中用于对颗粒充电的电离电极布置在分离拦截板的空间中,因此位于易于确定拦截颗粒的电场中;在两级过滤器中,相对于负责电离的场,通过电源和不同形式的电极获得拦截场。
通常,根据现有技术,静电过滤器的此类构造使得负责加载颗粒的第一级由与空气流横向交叉的细丝构成,而第二级由纵向于空气流布置的平行板构成(该板例如交替地布置在零电势以及与施加在第一级中的电极上的电势的符号相同的电势),以便将所加载的颗粒朝向具有相反符号的拦截板排斥。
在下文中,为了更好理解静电过滤器的操作,已经说明了一些本身已知的一般特征的若干考虑因素。
众所周知,在标准条件下的纯气体中,不存在游离电荷且因此纯气体可以认为是绝缘体。当由于电极之间的电势而使得电场变得足够高时,气体被电离且突然变成导电的,从而达到所谓的电击穿或气体放电现象。
该现象是通过借助正电势和负电势这两者对丝状电极充电来验证的,但是在这两种情况下电离机制遵循不同动力学。在本发明中,要求保护的申请考虑以正电势充电的电极,从而在空气过滤的情况下产生较低浓度的臭氧。在这种情况下,靠近电极的原子和分子(先前为中性)失去电子而成为阳性。
在极高场的情况下,存在于电极区域中的电荷(在下文,术语电荷将表示电子和离子,不与术语颗粒(其为被拦截、悬浮在空气中的那些)相混淆)加速到这样的速度,使得在与其他原子或分子碰撞时发射另外的电子和离子,而不损失动能。该现象在高电压下发生在电极周围的非常薄的层中并且继续创建不断增加的电荷,该电荷在丝状电极周围形成“冠”,甚至以弱蓝色发光的形式物理地可见。事实上,电子、气体分子和正离子之间的碰撞生成具有特定波长的光子的发射,这又产生自由电子,从而参与气体的电离。在处于零电势(接地)的板和丝状电极之间形成电流(此类电流可以以微安培作为单位而测量到),该电流根据电极和接地板之间的电势差以及环境条件而变化。这些环境条件实际上影响空气的介电强度,这又会对通过冠效应(crown effect,电晕效应,corona effect)而可能形成的电流的强度产生影响,该电流进入电离空气中。随着电压的增加,电离加强,“雪崩效应(avalanche effect)”消除,这导致电离气体充分导电,从而在特定时刻允许实际的短路:因此电流强度增加相当迅速,从而导致电弧放电。因为在空气中产生的臭氧且因为对作为过滤器电源的一部分的电子器件不利的电流峰值,因而这种现象是有害的;在静电过滤器中当然要避免此类电流峰值。
由于在过滤器中存在电极的高压电源,但是电离电流低于先前放电情况下的电离电流,因而可以维持稳定的冠效应,其生成离子云,该离子云将充满包括在电离电极和接地板之间的空间,从而对在横穿过滤器的空气流中含有的颗粒充电。
通过将直接正电压施加到电极,在电离层中产生的自由电子被朝向电极表面吸引,而正离子在零电势下朝向板排斥。在靠近电极的区域中的电子的高速度以及随后易于在电极表面上形成的雪崩效应有利于达到使得场触发冠效应的限制条件。因此,生成气体离子并且得到电离电流。
对于静电过滤器的性能而言特别重要的是颗粒拦截过程的作用——用于拦截由于在电离级中发射的电荷而已带电的颗粒。
更详细地,从电离级排出的电荷在拦截级通过电场在通常为零电势的收集板的方向上排斥。电极间空间中的电荷与悬浮在转移空气流中的颗粒碰撞,并使这些颗粒带电,从而形成受场作用的带电颗粒,该作用倾向于将带电颗粒朝向收集板排斥。
原始电荷以及由离子赋予的电荷不足以确保颗粒与气体的有效分离。然而,颗粒可以收集许多离子;颗粒能够形成能使原始场线偏转的电场。在这种情况下,这称为饱和电荷,其随着粒径而增加;换句话说,尽管惯性较大,但是大颗粒可以容纳更多电荷并且因此经受更高的力(和效率)。所描述的现象称为“场充电”。
带电离子除了与气体分子碰撞之外,还由于电场而准确地遵循力线。
颗粒在电极间空间中的存在导致场线在颗粒本身附近的偏转,结果为增加其表面上的电场。随着颗粒的导电性的增加(和介电常数的减小),失真也增加。因此,在入射在颗粒上的场线内存在的所有电荷将落在颗粒上并且将有助于该颗粒整体电荷,从而确定颗粒上的库仑力朝向拦截电极。
在静电过滤器中,由于场充电的现象并且由于所谓的“扩散充电”的现象,发生颗粒的拦截。
随着粒径的减小,场充电的效应减小并且主充电过程现在是由于离子的热搅动运动引起,该热搅动可以使离子与颗粒碰撞,从而传递(或更好地,共用)它们自身的电荷。因为这由离子的动力学和热状态决定,所以对于扩散充电机制不要求电场;可能的电场仅用作支持条件。如在场充电的机制中,随着电荷在颗粒上的积聚,这倾向于排斥另外的电荷,从而也使这种情况成为一种饱和电荷,然而(与之前的情况不同)该饱和电荷是对数地达到的。
在静电过滤器中,用于使颗粒带电的机制共存于:在直径大于0.5μm-1.0μm的颗粒的情况下,场充电占优势,扩散充电是直径小于0.1μm-0.2μm的颗粒的主要机制。
拦截仍然悬浮在气体中的带电颗粒为过滤过程的第二个基本步骤。为了确保此类颗粒的运动,存在以下内容:气体的湍流运动(其本身具有轻微影响)和能够施加库仑型力的静电场。
在优选的情况下,对于本发明来说所关注的是,即对主要用于空气清洁的过滤器来说,正DC电源对于在物理上可能的臭氧的最低生成是最为推荐的,其中电离层中电子被围堵并且正离子触发典型的电离反应的能力最低。
臭氧产生主要由以下反应平衡式确定:
1.e+O2→2O+e
2.O+O2+M→O3+M
3.O+O3→2O2
4.e+O3→O+O2+e
其中具体地在第二反应式中的标号M表示第三分子(例如存在于大气中的,诸如N2或O2),其转移掉多余能量并允许臭氧保持完整。
已经进行了许多研究,以基于电极的几何参数诸如直径、形状、粗糙度和材料,环境参数(诸如气体温度、湿度),流体动力学参数(诸如气流的速度)、电参数、过滤器操作时间、所过滤空气的负载、电极状态以及环境中自然存在的臭氧浓度来评估静电除尘器中臭氧产生的相关性。
到目前为止,虽然世界范围内进行了许多实验,但是并不存在能够从几何参数、电参数和环境参数开始预测臭氧生成的分析理论关系。能够模拟等离子体物理学的相同数字仪器要求通常不可得的信息并且不能实现结果,而且也难以测量和比较。
因此,市场上存在的静电过滤器并不设想过适用于避免由于臭氧发射而发生危险条件的滤器操作参数的有效规则;即,同样地,鉴于需要始终维持安全裕度,市场上存在的静电过滤器不提供优化操作的可能性。
已知类型的静电过滤器的一个缺点在于通过电离空气而施加至电极的高电压引发生成不期望的气体且尤其是臭氧的反应。
公知的是,高浓度的后一种气体对人类和环境有危害的,因而许多法律提供日益严格的引入约束。
另一方面,要求高电压以在第一级中增加颗粒的电离以及在第二级中增加该此类颗粒经受的排斥力。
另外的缺点在于为了容纳两个级所要求的空间,这涉及相当大体积。另一方面,减小板(例如第二级的带电排斥板和收集板)的尺寸直到现在显现出导致下降的过滤器性能。
专利US 3,664,092的静电过滤器是已知的,其用于净化在静电过滤器本身内流动并含有杂质的气体或气体混合物。该静电过滤器设置有穿孔板形式的处于零电势的两个电极,其间插有多孔板形式的负极。电极被布置成与待净化的气流正交。
来自专利WO 01/64349的两级静电过滤器也是已知的,其用于净化在静电过滤器本身内流动并含有杂质的气体或气体混合物。静电过滤器包括气体中或气体混合物中含有的杂质的第一电离级和杂质沉淀的第二级。第一电离级设置有具有针形形式的至少一个负电离源,其面向具有穿孔板或格栅形式的零电势电极。第一电离级的电极布置成与待净化气流正交。
第二沉淀级设置有至少一个带负电荷的排斥板,其面向处于零电势的至少一个拦截板。第二沉淀级的排斥板和拦截板布置成平行于待净化气流。
专利US 2005/150384描述已知类型的静电过滤器,其包括拦截级,该级布置成拦截气流并且设置有多个排斥电极和彼此平行的多个收集电极,以及适于将每个排斥电极相对于收集电极充电成负电势的电源装置。
特别地,静电过滤器的收集电极设置有尖锐突起,其适于在气流中形成湍流区和其中悬浮在气流自身中的杂质颗粒积聚的沉降区。
此外,排斥电极设置有布置成面向相邻收集电极的突起的开口并且适于有利于空气流的湍流运动并且避免在收集电极的突起的边缘处形成过度增加的电场。
然而,已知类型的后一种解决方案也由于非最佳性能且具有高的结构复杂性,因此具有缺点。
发明内容
因此,在这种情况下,本发明要解决的问题是通过提供用于净化气流,特别是空气的静电过滤器来消除上述现有技术的问题,其能够从气流中高效地除去大量颗粒。
本发明的另一个目的在于提供用于净化气流,特别空气的静电过滤器,该静电过滤器能够高能效地除去颗粒。
本发明的另一个目的在于提供用于净化气流,特别是空气的静电过滤器,其对于环境和人类来说是完全安全的,释放零臭氧或者任何情况下释放非常少量的臭氧。
本发明的另一个目的在于提供用于净化气流,特别是空气的静电过滤器,其制造简单且廉价并且在操作上完全可靠。
本发明的另一个目的在于提供用于净化气流,特别是空气的静电过滤器,其允许在不同应用设定中以通用方式采用,既用于工业过程,又用于民用装备,诸如用于对空气流管道的空气消毒。
本发明的另一个目的在于提供用于净化气流,特别是空气的静电过滤器,其能够自动维持最佳操作条件。
本发明的另一个目的在于提供用于净化气流,特别是空气的静电过滤器,其设置有用于消除臭氧的特定级,而不会造成比由于由拦截板和排斥板构成的级大的负载损失。
本发明提供了一种用于净化气流的静电过滤器,包括:
-至少一个拦截级,拦截级设置有至少一个板状排斥电极和至少一个板状收集电极,板状排斥电极和板状收集电极平行于彼此并且布置成拦截易于在基本上平行于板状排斥电极和板状收集电极的前进方向上行进的气流;
-电源装置,适于将板状排斥电极相对于板状收集电极充电成第一正电势,从而在板状排斥电极和板状收集电极之间确定电场;
其中,板状排斥电极设置有分布在板状排斥电极的表面上的多个孔,多个孔与板状排斥电极的两个表面相连接的连接边缘具有电场的局部集中的曲率半径,由此在气流中发射正电荷;
板状排斥电极布置成用于排斥悬浮在气流中并通过正电荷而带正电的杂质颗粒,正电荷通过多个孔的连接边缘朝向板状收集电极发射;
由于多个孔,板状排斥电极具有包含在2和5之间的实心孔隙率。
附图说明
根据上述目的,本发明的技术特征可在所描述的内容中明确地找到,并且在以下参考附图的具体实施方式中,本发明的优点将变得更明确,附图表示本发明的几个仅例示且非限制性的实施例,在附图中:
-图1以第一透视图并且根据两级型静电过滤器的可能实施例示意性地示出本发明目的的静电过滤器;
-图2以第二透视图示意性地示出图1的本发明目的的静电过滤器的放大部分;
-图3A以第三透视图示意性地示出本发明目的的静电过滤器,其中一些部分以分解图示出,以便更好地显示其他部分;
-图3B示意性地示出了本发明的静电过滤器的第二实施例,有关单级型过滤器,其中一些部分以分解图示出,以便更好地表示其它部分;
-图3C示出在组装状态下的图3B的单级型静电过滤器;
-图3D示出了图3B的单级型的静电过滤器,示意性地表示了连续的板;
-图4和图5示出图1的本发明目的的过滤器的一部分的两个不同侧视图,其中用于支撑不同电极的装置为可见的并且周边边缘形成为锯齿状;
-图6A示出本发明目的的静电过滤器的细节,有关两级型过滤器的有利的穿孔排斥板;
-图6B示出本发明目的的静电过滤器的细节,有关单级型过滤器的有利的穿孔排斥板;
-图7示出图6的穿孔排斥板的放大部分;
-图8示出本发明目的的静电过滤器的电极的所提供电源装置的电路图。
具体实施方式
参考附图,本发明目的的静电过滤器的实施例在全文中以附图标记1指示,该过滤器易于净化以F指示的气体流。
根据本发明的静电过滤器1适用于净化气体流体,诸如特别是空气,从而从此类流体中除去悬浮在其中的污染物颗粒。
在下文中,术语颗粒通常将表示待处理的气态流体F中存在的任何污染物,该颗粒首先能够与电荷相关且然后受到电场存在的影响。
因此,污染物颗粒不仅包括无机材料和纤维,而且还包括生物物质诸如细菌、霉菌、真菌、细菌孢子、真菌孢子等,因此污染物颗粒包括通常的微量污染物质和有机物质这两者。颗粒可以具有固有电荷并且在过滤器1中在受如下文所指示的电场影响之前容易与电荷相关联。
附图1、2、3A中所示的特定实施例涉及两级型过滤器;然而,在不脱离本专利的保护范围的情况下,根据本发明的静电过滤器1也可以用单级型过滤器(其中仅提供图3B的整体视图)或具有至少三级(三级或多级)型的过滤器获得,其特征将在下文阐明。
在下文将理解的两级型的附图2、3A的优选但非限制性实施例中,缺少用于除去臭氧的最终级S3。
为了清楚起见,在这里预先说明的是,在单级型静电过滤器1中,考虑到过滤器1缺少电离电极,仅存在一个拦截级S2,因为拦截级的板状电极的特定性质允许即使不要求电离级且也不需要最终臭氧除去级情况下的有效操作。此外,如在下文说明的,有利地,拦截级的板状电极的所提供电源装置允许在此类级的相同电极上的电压最大化,以及空气的介电强度的变化最大化。
如下文所示,在两级型静电过滤器的实施例中,在拦截级的上游还存在电离级。在这种情况下,电源装置以电压驱动此类电离级的电极,以便维持为了使对空气中存在的颗粒带电而优化的恒定电离电流,而不生成臭氧或生成减少的生成并且在现行法律限制范围内的臭氧。在这种情况下,拦截级以与单级静电过滤器相同的作用方式起作用,但是电离级上游的存在允许减小拦截级的板状电极的尺寸和体积。
最后,如下文所述,在三级型过滤器实施例中,操作类似于两级型过滤器的操作,其中还存在布置在拦截级下游的臭氧移除的最后级,其引起空气通过时极小的损失负载并且使得臭氧完全去除。
静电过滤器1通常适于操作用于净化工业过程的气体流体和用于民用的特别是用于气流网络的净化空气。
更详细地,本发明目的的静电过滤器1以本身已知的方式包括至少一个拦截级S2,其被布置成拦截在前进方向上行进的气流F,并且设置有至少一个板状排斥电极5和至少一个板状收集电极6。
此类电极5、6彼此平行地布置并且以基本上平行于气流F的前进方向布置。
有利地,板状排斥电极5和板状收集电极6具有板的形式,特别地,每个设置有两个对应的平坦面。
板状排斥电极5和与其相邻的板状收集电极6界定具有恒定厚度的通道,该通道沿其延伸方向延伸。通过此类通道,气流F易于通过,气流的前进方向平行于通道自身的延伸方向。
特别地,每个通道的厚度由对应板状排斥电极5的表面与板状收集电极6的布置成面向板状排斥电极5自身的前述表面的表面之间的距离限定。
然后,静电过滤器1具有适于将DC直流电压电势差施加到电极5、6的电源装置,从而相对于优选地布置在接地电势的板状收集电极6而使板状排斥电极5充电到正电势V2,从而自然地确定在上述两个电极之间的电场的形成。
根据本发明的思想,每个板状排斥电极5设置有多个孔12,其优选均匀分布在与板状收集电极6相对的至少一个区域中。
上述孔12与排斥板5的两个表面的连接边缘具有电场局部集中的曲率半径,由此引发在气流F中发射正电荷4,该正电荷参与了悬浮在相同气流F中的颗粒的电离。
否则,板状收集电极6缺少孔且因此为实心的,其中其表面基本上缺少中断。
然后,板状排斥电极5的孔12被布置成面对收集电极6的对应实心区域。
在操作中,板状排斥电极5朝向板状收集电极6排斥存在于气流F中且至少部分地还通过多个孔12的边缘发射的正电荷4而被带正电的杂质颗粒。
因此,孔12的边缘在分布在板状排斥电极5的表面上的点处局部地用作最佳场集中器,其能够局部地发射电荷并施加该过程,首先是悬浮在气流F中的颗粒的场充电。
在下面说明的表1中,说明了拦截效率比较的结果。此类比较是在使用穿孔排斥板5和实心排斥板5的两种不同情况下通过仅对板5和板6施加电力来进行的,以便评估仅由孔12引起的效率变化。表1中说明的结果呈现出意想不到的值。
通过在两个电压水平(一个低于触发电压且一个接近放电电压)下仅对两个类型的板(一个为多孔板,而另一个为实心板)供电而获得的拦截效率。
表1
由于孔12的边缘的形状,多孔板具有更高的效率,比实心板高了多达10%。
孔12的边缘在上述拦截级S2中形成局部且集中的场的区域。这种电场的集中不足以生成臭氧,但是足以形成大于实心板的情况下的场充电。此外,这些集中且局部的场的这些点是大量的且在表面上(在大部分表面上)且特别是在排斥板5的中心处分布(优选地以均匀或以其他的随机方式分布)。通过所获得的结果,推测(还考虑到结果的统计有效性)最大颗粒为由于孔12而受力的变化影响更大的颗粒,该效应是预期的,其是在拦截级S2中由于场充电的现象所实际发生的。
因此,为此类目标,上述多个孔中的孔12具有的边缘的曲率半径足够小,以便允许将电场局部集中成这样的值,该值足以产生电荷但不足以产生使得生成臭氧的微放电。
一起地或另选地,孔12可以在其的位于排斥板5的两个面中的至少一个上的边缘处具有突出唇缘,突出唇缘与相同排斥板5的表面正交,易于还将电场集中成能够产生电荷的值。将通过冲压排斥板5且由于冲压的变形作用而容易地获得此类唇缘,该冲压变形作用以突起方式将板5的金属正交于其所在平面推动。
优选地,上述孔12具有直径包含在1mm至10mm之间且有利地为基本上约3mm的圆形形式。
根据附图中所示的优选实施例,板状排斥电极5的孔12具有等边三角形布置。
板状排斥电极5的孔12在板状排斥电极中限定包括在2和5之间的实心孔隙率(solid over void ratio)。此类实心孔隙率对应于孔12的边缘的构造(在板状排斥电极5中获得),其涉及电场集中,从而以使悬浮在气流F中的杂质颗粒带电的量来发射正电荷4。
特别地,上述实心孔隙率对应于板状排斥电极5的孔12的数量(或密度),使得孔12的边缘具有这样的总体长度,该总体长度引起在板状排斥电极5本身的相当大区域上分布的场集中位点。
适当地,板状排斥电极5的孔12以多列形式组织,特别是以在板状排斥电极5本身的对应区域中的致密分布的形式组织。
板状排斥电极5被充电到的正电势V2在任何情况下都小于气流F中的雪崩放电触发值,以便防止形成臭氧,但是其仍然足以触发冠效应现象。
在功能上,排斥电极5由于孔12而使空气电离,形成朝向接地收集板6引导的正电荷流。因此,在其行进路径中,此类颗粒与悬浮在空气中的颗粒或与构成空气本身的分子碰撞,对它们充电,以便能够在其上施加由于电场引起的库仑力。
收集板6为布置在零电势的金属板,以便产生静电场,一旦杂质已经由于从排斥电极5排出的电荷流而带正电,该静电场就吸引空气中存在的杂质;因此,积聚在收集板6上的此类杂质必须周期性地除去,以便维持过滤器1的性能和卫生水平。
有利地,本发明目的的静电过滤器1还包括至少一个电离级S1,其被布置成拦截上述拦截级S2上游的气流F并且设置有至少一个电离电极2和至少一个相对的场集中电极3。
此类电极2、3被供电有DC直流电压电势,其中电离电极2被施加正电势V1,而场集中电极3施加较低的电势,优选为接地电势。
优选地(即使不是必须),电离电极2处于正电势V1,该正电势V1大于板状排斥电极5的电势V2。
如名称所暗示的,电离电极2的功能是使靠近电极的薄层厚度的空气电离。被称为冠效应的此类电离形成与电极电势具有相同符号的电荷流,这些电荷朝向接地收集板6引导,使得如果在电荷行进路径中它们与悬浮在空气中的颗粒或构成空气本身的分子碰撞,则这些颗粒或分子被充电并且可以在其上施加由于电场引起的库仑力。
类似于单级型的过滤器的情况,还在两级过滤器的情况下,收集板6是布置在零电势的实心金属板,以便产生一旦存在于空气中的杂质由于从电离电极2排出的电荷流被带电而吸引该杂质的静电场;因此,必须周期性地除去积聚在收集板6上的杂质,以维持过滤器1的性能和卫生水平。例如,可以采用0.5mm厚的铝收集板。收集板6之间的电连续性可以通过杆7来确保,该杆也用作支撑件,以便为结构提供强度,如下文更好地说明的。此类实施例在任何情况下可以改变,这些改变都具有维持在所有排斥板5之间的电连续性的相同目的,不同于收集板6,收集板仍维持在同一接地电势,或具有相对于排斥电势的相反符号的电势。
根据单级和两级实施例这两者,带正电的金属穿孔排斥板5插置在两个优选地在接地电势的收集板6之间,并且具有将带正电颗粒朝向收集板6排斥的功能,从而有利于颗粒的拦截:相同的电势实际上允许获得与由电离电极2形成的场的方向相同的场。
换句话说,排斥板5的电势V2具有与电离电极2的电势相同的正极性,以便朝向收集板6排斥既通过电离电极2发射的电荷4带电又通过排斥板5的孔12的边缘发射的电荷4带电的杂质颗粒。
有利地,根据附图中所示的实施例,电离电极2包括由导电材料制成的至少一根导线,该导线横向于与由平行于排斥板5和收集板6的至少一个金属板形成的场集中电极3相对的空气流F。
场集中电极3、排斥板5和拦截板6的板均通过金属叶片获得(在单级型实施例和多级型实施例中均是如此),该金属叶片优选由铝制成,厚度为约0.5mm,彼此等距并顺序地重复以适当地处理空气流F。
根据附图中所示的一个可能的实施例,相同类型的板通过杆7、7′电连接在一起,这些杆同时作为支撑件和间隔件并且由于设置在其中的孔8而横穿不同类型的板以便机械地连接到静电过滤器1的支撑结构20的端部。
优选地,端板60设置在接地电势,以便将这些板组装在一起,并且提供连接到支撑结构20的拉杆61以压紧这些板组件。
如图3A所示(其中未详细示出孔12,因为这是示意图),因为收集板6和场集中板3的电极都处于接地电势,所以可以通过单个金属叶片的两个邻近区域获得这些电极。
主要由于生产成本的原因,仅针对每组多个板、排斥板5和拦截板6提供丝状电离电极2,这是因为它们能够产生易于横穿在上述排斥板5和拦截板6的对之间限定的多个室的电荷。
将有利地用直径等于0.1mm-0.5mm的钨导线获得电离电极2。
在图4和图5中,丝状型电离电极2是可见的。后者通过有利地包括一对横向杆9的联接装置机械地连接到支撑结构20,从而支撑通过弹簧11拉紧的导线2的端子10。
在具有两级的静电过滤器1的实施例的情况下,有利地提供包括两个独立电源的电源装置,以便相对于布置在接地电势的场集中电极3对处于正操作电势V1的电离电极2供电,以及相对于也处于接地电势的收集板6对处于正工作电势V2的排斥板5供电。
为此目标,因而,电源装置包括电流驱动的第一电源13,以便对处于前述操作电势V1的电离电极2供电,该操作电势V1将变化,以便将电离电流I1维持在低于预设值Imax的值,能够防止臭氧的过度形成并且有利地包括在两个预设值Imin和Imax之间。
此外,电源装置还包括至少一个第二电源14,其受电压驱动,以便对处于操作电势V2的排斥板5供电,该操作电势V2可以变化,以便在不触发在拦截级S2的板5和板6之间放电的情况下维持最大可能的电势。
在电离级S1中,电势V1例如选择成高于冠效应触发电压的值(用于在气流F中产生相当多的电荷4),但是选择成低于导致随后臭氧高生成的雪崩效应触发电势的值。
随着电压的增加,电场增强并且空气中的电离电流由于发射的电荷而增大。已经通过实验确定:存在由于板的几何形状的特定构造和环境条件的阈值电压,该阈值电压因而对应于阈值电场,在该阈值电场下存在易于生成臭氧的电离电流的重要且不连续的增加。因此,通过在特定可变环境条件下控制电流I1使得其不超过与用于触发微放电现象的电流增加中的非线性对应的阈值I1max,已经选择优化用于电极2、3的特定配置的最大电压值。
更详细地,第一电源13将电势V1施加到如所见优选为丝状且由导电材料制成的电离电极2,从而能够使场集中(取决于电极的特定构造和特定环境条件)易于触发冠效应,而不将该电势推进至与臭氧生成或臭氧过量生成对应的水平。在此类电势和电场值(其如所述仍然取决于电极的构造和环境条件)下,在横穿静电过滤器的气流F中产生弱电流,此类电流可通过由相同冠效应产生的离子而发生。该电流本身是空气中的离子产生的来源且在下文被称为电离电流I1。相应地,电极2为应力电极或电离电极。
必须调整电势V1,以便允许达到电离电流I1并将其维持稳定在不生成臭氧的值下,或者该电流不导致雪崩放电效应。通过保持该电离电流I1稳定,即使在过滤器中转移的气体的介电强度发生变化(例如在空气中因湿度水平变化、压力、温度和气体离子的存在而导致),也可以使过滤效率最大化。
更清楚地,在电离级中,第一电源13的驱动旨在将电离电流I1维持在特定水平并且即使横穿过滤器的气体的物理条件(温度、压力、湿度、离子负载等)发生改变,也将电离电流I1保持稳定在该水平并且处于不生成臭氧的水平。例如,在空气的情况下,如果其湿度含量下降,则电离电流I1可以降低一特定电势差V 1。然后,第一电源13将自动地反应,以一定方式增加电势V 1,以便将电流I1重新确立成预设水平,同时不超过生成臭氧的危险值。因此,该特性允许维持过滤效率恒定,维持待过滤空气中的离子产生恒定。
事实上已经确立:随着因第一电离级S1而导致的臭氧生成的增加,空气的导电性增加并且因此被包围在场集中板3中的电流I1增大。
因此,一旦已知环境特性和存在的空气交换的类型,就可以估计(也称为实验性地)准许的臭氧生成(或更好地为准许的臭氧产生率),以便不超过法律和准则允许的并且通常在今天被认为等于用于所有工作类型的最大50ppb(根据最严格的规定)的限值,但如果需要,准许的臭氧生成可以固定在基本下限处,以便不超过空气中自然存在的臭氧基质。在估计最大可准许电流I1以使得不超过限值之后,电压生成器13以一定方式被电流驱动以便不允许超过在高电压电离电极2和零电势板状场集中电极3之间的空气中穿过的此类最大电流I1max。
为了使电流变化,有必要修改电离电极2上的负责电离电流的电压。在存在多个过滤器的情况下,为了达到相对简单的控制,可以假定电流测量结果在所有过滤器中是相同的并且等于在采取为样本的主过滤器上测量的电流测量结果。因此,一个可能的控制步骤如下:
1.向过滤器的电离电极2施加比触发电压低的电压;
2.借助板3、5、6的电压增加电离电极2上的电压V1,直到电流I1开始增加;
3.一旦达到最大可准许电流I1max点,阻挡在该值下的电压,作为处于稍低值的预防措施;
4.以规则时间间隔控制电流I1保持低于最大值I1max,否则,随着电压V1的减小而自动进行,或者在低于期望值的情况下,从第2点重复该步骤。
可以以非常低成本且非常简单的算法获得所描述的控制和步骤,使得它还可以以模拟方式获得。在控制算法中,在任何情况下考虑其他参数诸如环境状态(温度、压力、湿度等)和空气状态(臭氧浓度、CO2等)的可能性引起对于电子数字控制的优先选择,其中用于上述量的传感器可以容易地集成。
此外,对电流的控制还允许监测过滤器和对于相关电子器件的良好操作所需的其他参数,诸如:
·可能损坏控制电子器件的放电的存在。实际上通过突然的电流增加来识别放电:监测例如超过某个阈值的电流意味着知道已经验证了在何时并且经历了多少次放电。在放电存在的情况下,可以减小电极电压并使电流达到不发生放电的低值;
·过滤污物等级。如果对于防止放电所需的电压明显低于标称条件,则这意味着由于进入过滤器的异物或积聚在板上的污物而引起在板之间形成了有助于电流通过的路径,这使得在板之间的绝缘空气空间减少。
·电离电极2的断裂。在过滤器的操作过程中,通过改变电离条件消耗电极。腐蚀导致电极2断裂,导致可在电流中测量出的突然和永久性变化。
电源装置的第二电源14被采用在拦截级S2中并且适于将板状排斥电极5上的电压V2维持在最大可能电势,而不会触发排斥板5和拦截板6之间的放电,从而优化拦截效率。第二电源14的操作电压V2的驱动是基于板状排斥电极5和接地拦截电极6之间的电压的检测,从而将操作电源V2维持在可预设的最大电势V2max以下。
电势V2为此目的被调制成以便每次固定在最大可能电压上,而不引起在排斥板5和接地收集板6之间放电。达到根据特定的空气介质强度的而变化的最大可能电压允许在从空气中除去颗粒的同时维持过滤效率始终在最大值,该空气介电强度根据当前环境条件在白天经受变化。
第二电源14通过对电流I2的稳定性(即随着时间延续)的反馈调整电压V2;只要检测到具有非常小的电流峰值的不稳定进程的微量放电,排斥板5上的电压V2就下降。
然后,通过控制面板自动地调整电压V2,该控制面板将电流I2设定在比易于产生最大V2的水平低的水平,在该最大水平下发生放电。
在为排斥板提供的电压V2低于电离电极2的电压的情况下并且有利地例如在电离电极2的施加电压V1的约一半下,穿孔排斥板5的孔12不会引起臭氧的任何增加。通过对此类板5供电,例如高达5kV(考虑到收集板之间距离小于6mm的示例值),已经确定臭氧浓度保持固定在环境值。
有利地,例如,为了防止拦截级S2将臭氧引入空气流F中,排斥板5以小于6KV(且优选小于5.5KV)的操作电势V2供电,其中在排斥板5和收集板6之间的距离小于5mm。
所述排斥板5的操作电势V2也将基本上优选地为施加到电离电极2的操作电势V1的一半的数量级。在V1和V2上的两个调制机制之间的协同作用允许维持过滤器1在任何环境条件下的最大水平的效率。
根据本发明的另一个有利但可选的特征性,静电过滤器1还包括用于除去臭氧S3的第三级,其设置有由基本上平行于所述气流F的前进方向的板构成的并被布置成拦截拦截级S2下游的空气流F的还原装置40,以便减少空气流F中存在的臭氧。
臭氧为高反应性和高度氧化性气体,因此是危险的;通过使臭氧与良好还原剂接触,使臭氧反应并从过滤器排出的气体中消失。在还原剂中,有利地选择石墨板的形式的碳,通过其可以构建以级联方式连接到第二级的第三级。以这种方式,在第一级生成的臭氧以及由第二级的孔生成的极小(或零)量的可能的臭氧在经过重新组合至最小程度之后将穿过第三级,其中碳基还原剂的存在将使其转化为CO2。
有利的是,可以在碳板上施加非常低的电势,以这种方式其能够将与臭氧反应的结果从二氧化碳改变为氧。待除去的相对较低臭氧浓度将确保第三级的操作在替换之前持续数月,从而允许优化常规维护措施。
如上所述,根据本发明的第一实施例,静电过滤器1可以通过单个拦截级S2构成,该级S2具有穿孔的排斥板5和单个电源,该电源将驱动在相同穿孔板上的正电压V2。用于特定单级实施例的所述板5必须具有比多级过滤器的尺寸大的尺寸,以便补偿电离级在生成正电荷方面的缺失。
另外,根据本发明的第二实施例,静电过滤器1可以通过包括电离级S1和拦截级S2的两级构成,这两个级均由以上述不同方式控制的独立电源供电,以便在电离级中使臭氧的生成最小化并且使在拦截级中带电颗粒上的排斥力最大化。
最后,根据第三实施例,主要在上游同时存在电离级的情况下,静电过滤器1可以包括用于除去臭氧的第三级,其有利地布置在拦截级的下游,但在更普遍的情况下,该第三级简单地提供在拦截级的下游,即使后者不在电离级之前。
当然,在不脱离本发明保护范围的情况下,在静电过滤器1的实际的实现中,静电过滤器也可以表现出与上述不同的形状和构造。
此外,根据需要,所有细节可以由技术上等同的元素代替并且所使用的尺寸、形状和材料可为任何类型。
Claims (8)
1.一种用于净化气流的静电过滤器,所述静电过滤器包括:
-至少一个拦截级(S2),所述拦截级设置有至少一个板状排斥电极(5)和至少一个板状收集电极(6),所述板状排斥电极和所述板状收集电极平行于彼此并且布置成拦截易于在基本上平行于所述板状排斥电极(5)和所述板状收集电极(6)的前进方向上行进的气流(F);
-电源装置,适于将所述板状排斥电极(5)相对于所述板状收集电极(6)充电成第一正电势(V2),从而在所述板状排斥电极(5)和所述板状收集电极(6)之间确定电场;
其中,所述板状排斥电极(5)设置有分布在所述板状排斥电极的表面上的多个孔(12),所述多个孔与所述板状排斥电极的两个表面相连接的连接边缘具有所述电场的局部集中的曲率半径,由此在所述气流(F)中发射正电荷(4);
所述板状排斥电极(5)布置成用于排斥悬浮在所述气流(F)中并通过所述正电荷(4)而带正电的杂质颗粒,所述正电荷通过所述多个孔(12)的所述连接边缘朝向所述板状收集电极(6)发射;
其特征在于,由于所述多个孔(12),所述板状排斥电极(5)具有包含在2和5之间的实心孔隙率;
其中,所述多个孔(12)中的孔(12)为圆形形式且直径包含在1mm和10mm之间;
其中,所述多个孔(12)均匀分布在与所述板状排斥电极(5)相对的至少一个区域中;
其中,所述板状排斥电极(5)和所述板状收集电极(6)具有平坦的形式,并且所述板状排斥电极(5)和所述板状收集电极(6)中的每一个均设置有两个对应的平坦面;
其中,所述板状排斥电极(5)与所述板状收集电极(6)界定通道,所述通道沿着延伸方向以恒定厚度延伸并且所述气流(F)通过所述通道易于以与所述通道的所述延伸方向平行的所述前进方向行进;
其中,每个所述通道的厚度由对应的所述板状排斥电极(5)的平坦面与对应的所述板状收集电极(6)的平坦面之间的距离限定,该对应的所述板状收集电极的平坦面布置为面向该对应的所述板状排斥电极的平坦面;
其中,所述静电过滤器包括至少一个电离级(S1),所述电离级布置成在所述拦截级(S2)的上游拦截所述气流(F),并且所述电离级设置有至少一个电离电极(2)且设置有相对的场集中电极(3);所述电源装置适于将所述电离电极(2)相对于所述板状收集电极(6)充电成第二正电势(V1);
其中,所述电源装置包括:
-至少一个第一电源(13),布置成将在所述电离电极(2)和所述相对的场集中电极(3)之间流动的电离电流(I1)调节成比预设最大值低的值;
-以及至少一个第二电源(14),布置成通过在所述板状排斥电极(5)和所述板状收集电极(6)之间流动的电流随时间进程的反馈来调节所述板状排斥电极和所述板状收集电极之间的电压。
2.根据权利要求1所述的静电过滤器,特征在于,所述多个孔(12)中的孔(12)基本上具有3mm的直径。
3.根据权利要求1所述的静电过滤器,特征在于,所述多个孔(12)中的孔(12)具有等边三角形布置。
4.根据权利要求1所述的静电过滤器,特征在于,所述多个孔(12)中的孔(12)在所述连接边缘处具有突出的唇缘,所述唇缘布置成与所述板状排斥电极(5)的表面正交并且设置有具有电场集中的至少一个曲率,以便在所述气流(F)中产生所述正电荷(4)。
5.根据权利要求4所述的静电过滤器,特征在于,通过冲压获得所述多个孔(12)中的孔(12)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的静电过滤器,特征在于,所述静电过滤器包括还原装置(40),所述还原装置包括多个板并且布置成用于在所述拦截级(S2)的下游拦截具有平行于所述还原装置(40)的板的所述前进方向的所述气流(F),以便减少所述气流(F)中存在的臭氧。
7.根据权利要求6所述的静电过滤器,特征在于,所述还原装置(40)包括至少一个被施加有电压的石墨板。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的静电过滤器,特征在于,每个所述板状收集电极(6)均被布置成处于接地电势。
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