DE10126646A1 - Maßnahmen zur Vermeidung von lokal zerstörerisch wirkenden elektrischen Felddichten an einer rotationssymmetrischen Elektrodenanordnung - Google Patents

Abstract

Die hochspannungsbeaufschlagbare Elektrode in einer mit elektrischen Hochleistungsimpulsen betriebenen Fragmentieranlage ist zentrales Bauteil. Ihre geometrisch optimale Anpassung an die elektrischen Zustände ist für den zuverlässigen Langzeitbetrieb der Anlage von entscheidender Bedeutung. Die Gestaltung dieser Elektrodenspitze ist derart, dass sich, für das Prozessvolumen gesehen, die elektrische Entladung in höchster Wirksamkeit ausbilden kann, die Elektrodenform dort aber derart ist, dass an der Drei-Medien-Stoßzone, nackte Elektrode, Isolatorstirn, Prozessflüssigkeit, eine materialschonende elektrische Feldentlastung besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maßnahme oder Maßnahmen zur Ver­ meidung von lokal zerstörerisch wirkenden elektrischen Feld­ dichten an einer rotationssymmetrischen Elektrodenanordung.

Eine solche Elektrodenanordnung ist hier Bestandteil einer Fragmentieranlage. Sie besteht aus einer mit Hochspannung beaufschlagbaren, stabförmigen Elektrode, der Hochspannungs­ elektrode und einer stets auf festem elektrischen Potential liegenden Gegenelektrode. Beide haben einen vorgegebenen Ab­ stand zueinander. Die Stablängsachse der Hochspannungselektro­ de liegt auf der Rotationsachse. Die Gegenelektrode ist Be­ standteil des Bodens eines Reaktionsgefäßes. Es ist mit Pro­ zessflüssigkeit gefüllt und wird mit Prozessgut beschickt, das über impulsartige und leistungsstarke elektrische Entladung im Elektrodenzwischenraum auf einen geforderten Körnungsbereich fraktioniert wird. Die Hochspannungselektrode ist mit einem Isolator unter Freilassung eines blankliegenden Endbereichs vorgegebener Länge ummantelt. Dieser blanke Endbereich ist völlig in die Prozessflüssigkeit eingetaucht.

Die Elektrodenanordnung ist an einen elektrischen Energiespei­ cher, einen Marxgenerator z. B., angeschlossen, der bei Errei­ chen einer vorgegebenen Ladespannung über eine Funkenstrecke in das Zweielektrodensystem entladen wird. In die Prozess- oder auch Reaktionsflüssigkeit, häufig Wasser aber auch andere geeignete Flüssigkeiten, wird Prozessgut in Form von Schutt­ stücken, irgendwelche fest zusammen gebackene konglomerierte Festkörper, gekippt.

Die Entladung wird über die Einstellung der elektrischen Para­ meter so gesteuert, daß sich stromstarke Entladungskanäle zwi­ schen den beiden Elektroden ausbilden und dadurch dieselben durch elektrische Einwirkung sprengen und mechanisch über Schockwellen zertrümmern. Die Korngröße der Fragmente kann durch die Anzahl Entladungen in Grenzen gesteuert werden. Am tiefsten Bereich des Reaktionsgefäßes werden die fein zertrüm­ merten Teile entnommen (siehe hierzu DE 195 34 232).

Zentrales aber hoch belastetes Bauteil einer solchen Fragmen­ tieranlage ist die in die Prozeßflüssigkeit im Reaktionsgefäß ragende Elektrode, insbesondere die Stelle, wo die drei Me­ dien: blanke Elektrode, Isoliermantelende und Prozessflüssig­ keit - das ist ein Ringbereich - gleichzeitig gegenseitig auf­ einandertreffen.

Die Hochspannungselektrode ist ab dem Hochspannungsanschluß bis zum blankliegenden Spitzenbereich unter Berücksichtigung des impulsartigen Betriebs mit zähem Isolatormaterial unmit­ telbar ummantelt, um die blankliegende Elektrodenoberfläche, die direkten Kontakt mit der Prozessflüssigkeit hat, gezielt klein zu halten. Verlustströme, die vor dem Zünden des frag­ mentierwirksamen Entladungskanals zwischen Elektrodenspitze und der Gegenelektrode im Boden des Reaktionsgefäßes aufgrund der elektrolytischen Leitfähigkeit der Prozessflüssigkeit fließen, sollen unterbunden, zumindest aber auf ein tolerables Maß beschränkt werden. Damit wird keine oder zumindest aber weniger Energie in der Vorentladungsphase verbraucht. Damit steht pro Entladung mehr Energie in der fragmentierwirksamen Entladungsphase zur Verfügung.

Wesentlich für die Wirksamkeit der Fragmentieranlage ist, daß der elektrische Durchschlag durch das Fragmentiergut hindurch früher erfolgt als nur durch die Prozeßflüssigkeit, dem Wasser beispielsweise.

Im praktischen Betrieb hat sich gezeigt, dass die Standzeit des Isolators gemäß der Ausführung nach dem Stand der Technik durch Gleitentladungen entlang seiner Oberfläche zur Prozess­ flüssigkeit stark begrenzt ist.

Entladungskanäle starten, von der freien Elektrodenoberfläche ausgehend, an der Stoßstelle Prozeßflüssigkeit-Isolator-Elek­ trode und verlaufen bevorzugt entlang der Isolatoroberfläche insbesondere, wenn sich wenig Fragmentiergut im Reaktionsgefäß befindet, dabei wird der Isolator infolge der stromstarken Entladung zerstört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elektrode mit ihrem ummantelnden Isolator aus zähem Material in ihrer Geo­ metrie im Grenzgebiet Isolator-Elektrodenspitze-Prozeßflüssig­ keit so zu gestalten, daß die tangential zur Isolatoroberflä­ che gerichtete Feldstärke an der Isolatorstirn am Übergang zur Elektrode möglichst gering ist.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beiden aufgeführten kennzeichnenden Merkmale oder durch eines der beiden Merkmale alleine gelöst. Im einzelnen ist das:
die Hochspannungselektrode hat an ihrem blankliegenden Be­ reich, der völlig in die Prozessflüssigkeit eingetaucht ist, im Anschluss an den Isolator einen ringförmigen metallischen, zur Umgebung hin runden Wulst zur Entlastung vom elektrischen Feld in diesem Bereich. Der Isolator stößt mit seiner Stirn daran bzw. kommt mit ihr dort dem Wulst sehr nahe. Vom dem Wulst aus läuft die Elektrode in die ebenfalls blanke Elektro­ denspitze aus und steht der Gegenelektrode im Reaktionsgefäß im vorgegeben Abstand gegenüber.

Die andere oder weitere Maßnahme ist:
Ein kegelstumpfmantelförmiger dielektrischer Einsatz aus nicht sprödem Material befindet sich im Elektrodenzwischenraum. Er verdrängt durch seine Anwesenheit das elektrischen Feld in sein Inneres. Der Einsatz liegt mit seiner kleineren Öffnung auf dem Boden des Reaktionsgefäßes rotationssymmetrisch zu der Rotationsachse. Grundsätzlich ist als ein solcher dielek­ trischer Einsatz ein aufsammelndes rotationsförmiges Gebilde geeignet, dessen Achse auf der der Elektrodenanordnung liegt und im Bereich seiner Rotationsachse eine durchgehende Öffnung für den Durchfall der Fragmente hat, die eventuell trichter­ förmig ist, auf jeden Fall aber die Ausbildung von Entladungs­ kanälen zur Gegenelektrode hin zulässt.

Er ist gemäß Anspruch 2 nicht durchlässig ist und hat damit für das gesamte drauffallende Prozessgut Sammelwirkung zur Mitte hin, oder er ist nach Anspruch 3 perforiert und hat ent­ sprechend der Lochweite für das drauffallende Prozessgut Sieb- oder Separationswirkung, indem, gemessen an der Lochweite, großkörniges Prozessgut zur Mitte durch die kleine Kegel­ stumpfmantelöffnung und, daran gemessen, kleinkörniges Pro­ zessgut hindurchfällt und absinkt.

Die Schonung des problematische Drei-Medien-Gebiets, blanke Elektrode, Isolatorstirn und Prozessflüssigkeit, durch die ge­ eignete Feldsteuerung entlastet dasselbe dadurch, dass es na­ hezu feldfrei bzw. feldschwach gehalten wird. Dadurch ist dort die Ausbildung eines Entladungskanals oder von Entladungskanä­ len entlang der Isolatoroberfläche sehr unwahrscheinlich. Zur Folge hat das eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer der gesamten Hochspannungselektrode oder gleichbedeutend: ihre elektrischen Eigenschaften bleiben langzeitstabil.

Die in Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen werden in der Zeich­ nung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Äquipotentiallinienbild mit Feldentlastung,

Fig. 2 das Äquipotentiallinienbild mit Feldentlastung und Feldverdrängung,

Fig. 3 das Äquipotentiallinienbild ohne Feldentlastung und

Fig. 4 die Fragmentieranlage im schematisierten Aufbau.

In Fig. 1 ist das rotationssymmetrische Gebilde: Isolator- Elektrode ausschnittsweise dargestellt. Die Anordnung ist hier wegen der Art der Symmetrie nur hälftig zur Rotationsachse, dem linken Bildrand, dargestellt. Dort, wo Isolator, Elektrode und Prozeßflüssigkeit, hier Wasser, alle drei sich gegenseitig treffen (Drei-Medien-Stoßstelle/Gebiet), besteht, feldtech­ nisch gesehen, die Feldentlastung. Die Elektrode hat dort, wo sie aus dem ummantelnden Isolator in die Prozeßflüssigkeit tritt einen ringförmigen Wulst um den Umfang, der nach außen hin keine Kanten aufweist, also mit dem Radius gleich der hal­ ben Wulstdicke abgerundet ist. Die Rundung kann auch mit ande­ ren Maßen durchgeführt sein, diese hier ist nur fertigungs­ technisch sehr einfach.

Die Dichte der Äquipotentiallinien ist in diesem Drei-Medien- Stoßgebiet gering, folglich starten von dort aus sehr wahr­ scheinlich keine Entladungskanäle. Die bilden sich höchstwahr­ scheinlich bzw. vorzugsweise in Gebieten hoher Äquipotential­ liniendichte aus, also an dem zur Gegenelektrode weisenden Ge­ biet der Stirn des Wulstes oder eben der Elektrodenspitze, wie die Anordnung der Linienschar zeigt. Die Entladungen werden im Stirnbereich der blanken Elektrode bevorzugt starten.

Das kegelstumpfmantelförmige, in Fig. 2 angedeutete Gebilde ist hier ein Gitter aus dielektrischem, zähem Material wie PE bzw. Nylon oder dergleichen. Das schon hinreichend fragmen­ tierte Gut kann im dortigen Bereich hindurch rieseln. Dieses Gitter zerrt je nach dielektrischer Eigenschaft gewissermaßen die Potentiallinen noch zusätzlich zu sich und setzt damit die Dichte derselben im Elektrodenbereich weiter herab. Die Vor­ aussetzung, daß dort Entladungskanäle starten können, ist durch diese Maßnahmen auch ganz erheblich und damit wirksam abgebaut.

Die Wirksamkeit der Maßnahme zeigt sich durch den Vergleich der Gestaltung (Fig. 3) nach dem Stand der Technik mit dem (Fig. 1 und/oder 2) der Erfindung. Die Dichte der Äquipoten­ tiallinien ist in der herkömmlichen Gestaltung in der Drei-Me­ dien-Zone ungleich höher und damit die elektrische Belastung des Isolator in seiner Stirnzone ungleich größer.

In Fig. 4 ist der Übersicht halber die Bedeutung der Elektro­ de und deren Belastung im Betrieb hervorgehoben. Die gesamte Fragmentieranlage ist schematisch mit ihren wesentlichen Bau­ gruppen skizziert. An den elektrischen Energiespeicher, den Marx-Generator, ist die Fragmentiereinrichtung über die im einfachsten Fall im Selbstdurchbruch arbeitende Funkenstrecke am Ausgang angeschlossen. An die Funkenstrecke koppelt die ins Reaktionsgefäß ragende Elektrode unmittelbar an. Im Bereich des Reaktionsgefäßes ist die Elektrode mit dem Isolator umman­ telt. Der Isolator ragt über den Pegel der Prozeßflüssigkeit, hier Wasser, hinaus, so daß in diesem Gebiet im Betrieb sicher Isolation besteht, er läßt in der Prozeßflüssigkeit den Endbe­ reich der Elektrode frei, da nur von dort sich die Entladungs­ kanäle in Reihe durch das Fragmentiergut und die Prozeßflüs­ sigkeit ausbilden sollen.

Die Gestaltung der Gegenelektrode ist prozeßabhängig und hier z. B. nur der Boden des Reaktionskübels, von dem aus es elek­ trisch unmittelbar zurück zum Marx-Generator geht.

Claims (3)

1. Maßnahmen zur Vermeidung von lokal zerstörerisch wirkenden elektrischen Felddichten an einer rotationssymmetrischen Elektrodenanordung aus einer mit Hochspannung beaufschlagba­ ren, stabförmigen Elektrode und einer auf festem elektri­ schen Potential liegenden Gegenelektrode, die einen vorgeb­ baren Abstand zueinander haben, wobei:
die Stablängsachse auf der Rotationsachse liegt,
die Gegenelektrode Bestandteil des Bodens eines Reaktionsge­ fäßes ist, das mit Prozessflüssigkeit gefüllt ist, in dem Prozessgut eingebracht ist, das über impulsartige und lei­ stungsstarke elektrische Entladungen zwischen den beiden Elektroden fraktioniert wird,
die Hochspannungselektrode mit einem Isolator unter Freilas­ sung eines blankliegenden Endbereichs vorgegebener Länge um­ mantelt ist und dieser blanke Endbereich völlig in die Pro­ zessflüssigkeit eingetaucht ist,
gekennzeichnet dadurch,
dass die Hochspannungselektrode an ihrem blankliegenden, in die Prozessflüssigkeit eingetauchten Bereich, im Anschluss an den Isolator einen ringförmigen metallischen, zur Umge­ bung hin runden Wulst zur Abschwächung des dortigen elektri­ schen Feldes hat und dann vollends in die zu einer Gegen­ elektrode im Reaktionsgefäß exponierten Elektrodenspitze ausläuft, und/oder
ein zur Elektrodenachse rotationsförmiger dielektrischer Einsatz mit zentralem Durchgang im Elektrodenzwischenraum zur Verdrängung des elektrischen Feldes auf dem Boden des Reaktionsgefäßes mit seiner Öffnung aufliegt.

2. Maßnahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Einsatz kegelstumpfmantelförmig und durch seine Wand hindurch für fragmentiertes Gut nicht durchlässig ist.

3. Maßnahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Einsatz kegelstumpfmantelförmig und seine Wand derartig perforierte ist, dass er für fragmentiertes Gut un­ ter einer vorgegebenen Korngröße durchlässig ist.