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Die
Erfindung betrifft ein Reaktionsgefäß einer hochspannungsimpulstechnischen
Anlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein
Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7 zum
Zertrümmern/Sprengen spröder, hochfester
keramischer/mineralischer Werk-/Verbundwerkstoffe.
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In
der am Forschungszentrum Karlsruhe bestehenden Anlage Franka-0 hat
der mit Wasser gefüllte
Prozessraum, verstanden nur als der Raum, den das Wasser unterhalb
einer Ebene durch das untere Ende des Isolators der Hochspannungselektrode
einnehmen kann, bei einem typischen Elektrodenabstand EA von 40
mm ein Volumen von etwa 2 l, bei einer andern Anlage Franka-Stein
mit einem EA von 30 mm sind dies etwa 3,5 l und bei der speziell
für Mahlapplikationen
entworfenen Degussa-Franka etwa 2,1 l bei 40 mm Elektrodenabstand.
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In
der
DE 103 42 376
B3 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Fragmentieranlage
zum effektiven Mahlen von mineralischen und/oder spröden Materialien
beschrieben, das hierzu leistungsstarke Hochspannungsentladungen
verwendet. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Fragmentiergut in der Prozessflüssigkeit
hydrodynamisch oder mechanisch durch spezielle Einrichtungen, wie etwa
ein geeignetes Wasserspülschema
des Prozessraumes, im Elektrodenzwischenraum in Schwebe gehalten
wird. Durch diese speziellen Sublimationseinrichtungen mehrfach
in den wirksamen Bereich der HV Entladungen also in die Nähe der Elektroden
gebracht, wird das Prozessgut solange im Prozessraum gehalten, bis
es den gewünschten
Zerkleinerungsgrad erreicht hat, um dann mittels Klassierfiltern
aus dem Prozessraum abgezogen zu werden. Es werden dazu spezielle
Einrichtungen benötigt,
um das Fragmentiergut in der Suspension zu halten und um es mehrfach
durch den Reaktionsraum zu führen.
Ursächlich
hierfür
ist, dass das Volumen des Prozessraumes wesentlich größer ist
als das des Reaktionsraumes. Das Volumen des Prozessraums ist das
Volumen, in das sich das Fragmentier-/Prozessgut verteilen kann.
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In
der
DE 103 46 055
B3 wird der Aufbau einer elektrodynamischen Fraktionieranlage
vorgestellt, die, vom elektrischen Standpunkt aus gesehen, koaxial
aufgebaut ist, um hauptsächlich
induktive Einflüsse
klein zu halten. Dem Aufbau des Prozessreaktors darin, dem Reaktionsgefäß, wird
nur von diesem Standpunkt aus Aufmerksamkeit geschenkt, wie steile,
ja steilste Spannungsanstiege des Hochspannungsimpulses bei der
Entladung realisiert werden können.
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In
den Einrichtungen der zitierten Stellen kann sich jedoch das Fragmentiergut
aus dem Bereich entfernen, in dem es durch die HV Entladungen fragmentiert
wird. Es muss zur weiter notwendigen Zertrümmerung/Zerkleinerung durch
spezielle Hilfseinrichtungen wieder in den Reaktionsraum zurückführt und
durch diese in Suspension gehalten werden. Das bedeutet zusätzliche
apparative Einrichtungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer hochspannungsimpulstechnisch
betriebenen Anlage nach der FRANKA-Technologie im Reaktionsgefäß bei der
Entladung des elektrischen Energiespeichers impulsartig eine hohe
Energiedichte aufzubauen, die ein Maß derart erreicht, dass spröde, hochfeste
keramische/mineralische Werk-/Verbundstoffe, Konglomerate, das Prozessgut,
in der eingetauchten Prozessflüssigkeit
gesprengt, bzw. zerlegt und durch die Frequenz der Entladungsfolge das
Prozessgut in der Schwebe gehalten wird.
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Die
Aufgabe wird durch ein Reaktionsgefäß gemäß Anspruch 1 und ein damit
geführtes
Verfahren gemäß Anspruch
7 gelöst.
Das Reaktionsgefäß zeichnet
sich u.a. dadurch aus, dass es in seinem unteren Teil aus einem
hohlzylindrischen Prozessbehälter
P aus elektrisch leitendem Material besteht, von dessen Boden aus
zentralaxial die auf Bezugspotential liegende Elektrode G in den
Prozessbehälter
P ragt. Der Prozessbehälter
P ist mantelwandseitig innen min destens völlig mit einer dielektrischen
Mantelrand R aus zähem,
schockresistentem, abriebarmem Material ausgekleidet, so dass im
unteren Teil eine lichte Weite D und über einen konischen Übergang
im oberen Teil eine größerer lichte
Weite besteht. Die Dicke der Mantelwand R ist mindestens derart,
dass bei der Hochspannungsentladung zwischen den beiden Elektroden
G, HV die Durchbruchfeldstärke
in der Mantelwand R nicht erreicht wird.
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Von
oben in den Prozessbehälter
P ragt die mit Hochspannung beaufschlagbare, über einen Deckel MV aus elektrisch
leitendem Material elektrisch isoliert geführte Elektrodenverlängerung
EV zentralaxial in den Prozessbehälter P. Sie ist bis nahe zum Endbereich
zur elektrischen Isolation mit einem dielektrischen Mantel IS aus
zähem,
schockwellenabsorbierendem. Material umgeben, mit dem die Hochspannungselektrode
HV/EV unter Bildung eines bandförmigen
Ringspalts in die größere lichte
Weite eingeführt
ist. Die beiden Elektroden G, HV stehen sich mit Ihrer jeweils blanken
Stirn in einem Abstand EA mit dem 0,5- bis 1-fachen der lichten
Weite D des unteren Teils gegenüber.
Der durch den Boden des Prozessbehälter P, der Elektrode G, der
dielektrischen Mantelwand R und der mit dem Isolator IS versehenen
Elektrode EV gebildete Prozesshohlraum ist bis in den bandförmigen Ringspaltbereich
hinein mit der Prozessflüssigkeit
bis zu einer Höhe
L derart gefüllt,
dass sich der elektrische Hochspannungsdurchschlag nur zwischen
den blank liegenden Stirnbereichen der beiden Elektroden G, HV im
gas-/luftblasenfreien
Prozessmedium ausbildet.
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In
Anspruch 2 wird für
den zuverlässigen Langzeitbetrieb
beschrieben, wie die Hochspannungselektrode in ihrem blank liegenden
Anfangsbereich dafür
zweckmäßig gestaltet
ist. Die Elektrode HV/EV ist im von ihrem Isolator IS austretenden, blank
liegenden Bereich HV durch einen koaxialen ringförmigen Wulst FE elektrisch
feldentlastend ausgebildet. Die Anregung wird durch die
DE 101 26 646 C2 nahe
gelegt.
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Die
Belastungsforderungen an die Mantelwand im Reaktionsgefäß sind ausgesprochen
hoch. Neben der elektrischen Belastung durch die Hochspannungsimpulse
sind die mechanischen Belastungen durch Schockwellen und Abrieb
durch aufprallende Fraktionsstücke
ebenfalls stark. Als gegen die Prozessflüssigkeit – meist Wasser – inertes
Material ist beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff, vorzugsweise
HD-Polyethylen, in Betracht zu ziehen (Anspruch 3).
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Nach
Anspruch 4 hat der Deckel MV mit dem Prozessbehälter P eine elektrisch leitende
Verbindung, die mechanisch lösbar
ist. Das ist eine einfache technische Lösung, die eine leichte Handhabung des
Reaktionsgefäßes erlaubt.
Für die
Beschickung und Entleerung des Reaktionsgefäßes ist nach Anspruch 5 zumindest
die gesamte Elektrode HV/EV samt Isolation IS herausnehmbar.
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Das
Reaktionsgefäß ist nach
Anspruch 6 zum Betrieb mit seinen beiden Elektroden G und HV/EV
an einen Hochspannungsimpulsgenerator als Energiequelle angeschlossen.
Dabei ist bei der Führung
der Hin- und Rückleitung
wegen der geforderten schnellen Spannungsanstiegszeit darauf zu
achten, dass die Leiterführung
so induktivitätsarm
wie möglich
ausgeführt
wird, d.h. die leiterumfasste Fläche
so klein wie möglich
ist. Verlegemethoden dazu sind nahe Parallelführung so weit möglich bis
hin zur Koaxialleitung. Der steile Spannungsanstieg des Hochspannungsimpulses
kann dann realisiert werden, wobei das Ladegerät für den Energiespeicher entsprechend
dimensioniert ist, damit die Repetierfrequenz für die Entladung von mindestens
2 Hz eingestellt werden kann.
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Das
Verfahren zum hochspannungsimpulstechnischen Zertrümmern/Sprengen
spröder,
hochfester keramischer/mineralischer Werk-/Verbundwerkstoffe, dem
Prozess-/Fragmentiergut, in einem Prozessraum ist in Anspruch 7
beschrieben. Das eingebrachte, zu fragmentierende Prozessgut ist
hierzu völlig
in die Prozess-, flüssigkeit,
meist Wasser, blasenfrei versenkt/eingetaucht. Der Reaktionsraum
ist nach den Ansprüchen
1 bis 6 aufgebaut und zum Betrieb an den impulsförmig entladbaren, mit einer
Mindestregetierfrequenz betreibbaren elektrischen Energiespeicher
ange schlossen. Folgende Verfahrensschritte werden zur Fragmentierung
durchgeführt:
der
Abstand der blank liegende Stirn der beiden Elektroden G und HV
zueinander wird auf das 0,5- bis 1-fache der lichten Weite D des
unteren Teils eingestellt,
das zu fragmentierende Prozessgut
wird bis höchstens
zum halben Abstand EA der Stirn der beiden Elektroden G, HV zueinander
in der Prozessflüssigkeit
versenkt/eingetaucht,
die Einrichtung wird für den Prozess
mit einer variierbaren Hochspannungsimpulsfolge von mindestens 2 Hz
Repetierbetrieb betrieben. Die zeitliche Impulsfolge ist an den
Prozesszustand anpassbar. Je nach Anlagengröße werden Impulse mit einer
Anstiegszeit aus dem nsec-Bereich bis in den μsec-Bereich bei Spannungsamplituden
bis in den unteren Megavoltbereich eingestellt.
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Mit
den aufgeführten
Maßnahmen
wird folgendes erreicht:
die Größe des Prozessraumes wird entsprechend der
Größe des Reaktionsraumes
gewählt;
die
Pulsfolgefrequenz der Hochspannungsentladungen kann hinreichend
hoch eingestellt werden, so dass sich das Fragmentiergut nicht in
Bereichen absetzen kann, in denen es für die Hochspannungsentladung
abgeschirmt ist, z.B. der Boden des Reaktionsgefäßes, sondern infolge der Hochspannungsentladungen
so durchwirbelt wird, dass es sich in der Prozessflüssigkeit
in der Schwebe hält.
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Dadurch,
dass der Prozessraum in etwa auf die Abmessungen des Reaktionsraumes
reduziert ist und eine vorgegeben Repetierfrequenz der Pulsfolge gefahren
werden kann, werden spezielle zusätzliche Aufwirbel-/Sublimierungseinrichtungen,
die das Fragmentiergut in der Prozessflüssigkeit in Schwebe halten
und es mehrfach durch den Reaktionsraum zu führen, nicht mehr benötigt. Neben
diesen baulichen Einsparungen, die sich erheblich auf die Kosten
einer derartigen Anlage auswirken, besteht der wesentliche Vorteil
des Reaktionsgefäßes bzw.
der gesamten Anlage darin, dass durch die Eingrenzung des Prozessraumes
auf den Reaktionsraum die Funkenenergie in einem kleinen Volumen auf
das Fragmentiergut wirkt. Durch die deshalb hohen Energiedichten
im Reaktionsraum lassen sich deshalb Materialien fragmentieren,
die bisher nicht zu brechen waren.
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Reaktionsraum
ist, wie erwähnt,
das mit Prozessflüssigkeit
gefüllte
Volumen, in dem das zu fragmentierende Gut infolge der Hochspannungsentladung
fragmentiert wird. Dieses Volumen hängt hauptsächlich von den Eigenschaften
des Fragmentiergutes, den Parametern des Hochspannung: Impulsanstieg,
Amplitude, Repetierfrequenz, und der Elektrodenanordnung ab. Die Überlegungen,
die zum Bau des Reaktionsgefäßes führten werden
kurz vorgestellt:
Zur Erläuterung
wird unabhängig
von den Eigenschaften des Fragmentiergutes als Grundlage zur Abschätzung dieses
wirksamen Bereichs ein Bereich zur Betrachtung herangezogen, in
dem ein metallischer oder dielektrischer Probekörper auf Grund der von ihm
verursachten Feldverzerrung infolge der dielektrischen Inhomogenität vom kürzest möglichen Durchschlagskanal
abweicht. Damit kann eine Abschätzung
zur Auslegung des Reaktionsgefäßes und den
Verfahrensschritten vorgenommen werden. So beträgt je nach Größe des Probekörpers für eine gewisse
Durchschlagswahrscheinlichkeit der Durchmesser des wirksamen Bereichs
das etwa 1- bis 2-fache des gewählten
Elektrodenabstandes. Probekörper,
die sich außerhalb
dieses Bereiches befinden, haben nur geringen oder keinen Einfluss
auf den Entladungspfad des Funkens, d.h. sie dienen wahrscheinlich
nicht mehr als Stützpunkte
für die
Entladung. Dieser Erfindung liegt somit zugrunde, dass durch die
gewählte
Anordnung das Maximum des Druckimpulses infolge der Hochspannungsentladung mit
einer erhöhten
Wahrscheinlichkeit in der Nähe
eines zu fragmentierenden Partikels auftritt und dass dadurch dessen
Fragmentierung unter energetisch optimalen Bedingungen erreicht
wird. Aus diesem Grund wurde für
die in 1 angegebene Anordnung der Durchmesser des Prozessraumes
dem Durchmesser des Reaktionsraumes angepasst, wobei letzterer das
1- bis 2-fache des Elektrodenabstandes beträgt. Wird für diese Anordnung die Pulsfolgefrequenz
der HV Entladungen so groß gewählt, dass das
Fragmentiergut sich zwischen 2 Pulsen nicht auf dem Boden des Entladungsgefäßes absetze
kann, ist keine zusätzliche
Aufwirbelungseinrichtung notwendig, um das Fragmentiergut in Suspension
zu halten. Bei der in 1 angegebenen Anordnung wurde
dies bei Frequenzen ab etwa 2 Hz erreicht.
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Für eine Reduktion
der Abmessungen des Prozessraumes auf den Reaktionsraum der HV Entladungen
waren daher die folgenden Probleme zu lösen:
Ausbildung des Prozessbehälters derart,
dass die auftretenden mechanischen Belastungen keine Schädigungen
verursachen;
Isolation der Hochspannung im Prozessraum und
damit verbunden das blasenfreie, zumindest möglichst blasenfreie Einbringen
der Prozessflüssigkeit;
Beladung
des Prozessraumes mit dem zu fragmentierenden Gut sowie die Entladung
des fragmentierten Materials;
Vermeidung der Bildung von parasitären Volumina
infolge von z.B. Temperaturänderungen
bzw. Deformationen der Strukturen infolge der durch den Hochspannungsimpuls
infolge auftretenden Druckimpulse.
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Im
Weiteren wird das Reaktionsgefäß und das
mit ihm betriebene Fragmentierungsverfahren anhand der 1 noch
näher erläutert. 1 zeigt das
Bauprinzip. Das Reaktionsgefäß zumindest
ist koaxial aufgebaut, um möglichst
induktivitätsarm
für den
elektrischen Entladungskreis aus Energiespeicher und dem Reaktionsgefäß zu sein.
Dadurch werden Hochspannungsentladungen mit einem raschen Spannungsanstieg
und damit hohen Stromanstieg und daraus einer hohen Pulsleistung
erzeugt, die in Folge hohe Druckpulse in Form von Schockwellen für die Fragmentierung
generieren.
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Zu
Reaktionsgefäß gemäß 1:
In
dem metallischen, auf Massepotential liegenden Prozessbehälter P wird
der Reaktionsraum im Wesentlichen durch den Innendurchmesser D des
aus einem Isolator bestehenden Reduktionskörpers R bestimmt. Der am Boden
vom Prozessbehälter
P angebrachten Gegenelektrode G liegt die Hochspannungselektrode
HV/EV im einstellbaren Elektrodenabstand EA gegenüber. Bei
einem beispielhaften Elektrodenabstand EA von 30 mm wurde ein Innendurchmesser
D von 60 mm realisiert. Der Hochspannungspulsgenerator, häufig ein
Marx-Generator,
ist zwischen der Elektrodenverlängerung
EV und der mit dem Prozessbehälter
P durch die lösbare
Verbindung V1 verbundenen Masseverlängerung MV angeschlossen. Oberhalb
der Feldentlastung, dem Wulst FE, wird die Elektrodenverlängerung
EV gegen die aufgrund der endlichen Leitfähigkeit des Wassers bedingten
Stromverluste durch den Isolator IS umgeben. Durch Einstellen des
Pegels L des Prozesswassers innerhalb des bandförmigen Ringspaltes wird erreicht,
dass der Hochspannungsdurchschlag nur zwischen den beiden Elektroden
G und HV auftritt. Mittels der Kontur der Mantelwand R wurde bei
gegebenen HV Pulsparametern die Feldstärke innerhalb von R so ermittelt,
dass die für
das Material zulässige maximale
Feldstärke
in keinem Fall erreicht wird.
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Verfahren:
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Bei
entfernter Hochspannungselektrode wird das Fragmentiergut in den
Reaktionsraum höchstens bis
zum halben Elektrodenabstand EA und das Prozesswasser bis zum Pegel
L eingefüllt.
Beim Einsetzen der am freien Ende blanken Hochspannungselektrode
HV wird das Prozesswasser blasenfrei verdrängt. Das Bezugspotential, hier
Masse- bzw. Erdpotential, ist durch die Masseverbindung V1 vom Prozessbehälter P zum
Deckel MV geführt.
Das Reaktionsgefäß ist für den Batch-Betrieb
konzipiert, d.h. es wird ladungsweise und nicht im Durchlaufbetrieb
prozessiert.
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Als
Mantelwandmaterial hat sich (high density) HD-Polyethylen ausgezeichnet
bewährt,
das auch als dielektrische teilweise Ummantelung als Isolation IS
für die
Hochspannungselektrode geeignet ist, die ja ebenfalls neben der
geeigneten Hochspannungsfestigkeit schockwellenaufnehmend konzipiert
sein muss.
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Das
Wasservolumen bei der Anordnung gemäß 1 beträgt hier
beispielsweise lediglich 0,25 l. Wird das gesamte Wasservolumen
im Prozessraum als das mögliche
Verteilungsvolumen für
das Fragmentiergut betrachtet, ergeben sich vergleichend folgenden
Zahlen zu andern Anlagen:
Franka-0: 14 l,
Franka-Stein:
20 l,
Degussa-Franka: 30 l.
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Es
wird damit deutlich, dass hier die Wassermenge, auf die sich das
Fragmentiergut verteilen kann, stark reduziert ist. Dadurch wird
die Wahrscheinlichkeit, dass das Fragmentiergut einen direkten Festkörperdurchschlag
erfährt,
maßgeblich
erhöht.
Dieses wirkt sich auf die Qualität
sowie die Effizienz des Entladungsprozesses aus. Es wurden so effizient
spröde,
hochfeste, hochdichte keramische/mineralische Materialien, Konglomerate,
Werk- und Verbundwerkstoffe,
reproduzierbar fragmentiert, die in bekannten Anlagen nicht annähernd mit
dieser Fragmentierungsqualität
gebrochen werden konnten.