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Die
Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere
für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung ein
Heizungssystem zur Erzeugung von Wärme mittels Verbrennen
von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider
nach Anspruch 13.
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Aufgrund
der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen,
derartige Emissionen zu reduzieren – siehe zum Beispiel
das Kyoto-Abkommen oder gesetzliche Regelungen für kleine
Holzfeuerungsanlagen –, werden bei Heizungsanlagen entsprechende
Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese sollen insbesondere die
schädlichen Stoffe und Partikel aus Abgasen herausfiltern,
so dass das verbleibende, gereinigte Abgas bedenkenlos an die Umwelt
abgegeben werden kann. Insbesondere werden derartige Abgasreinigungsanlagen bei
Biomasse-Heizanlagen eingesetzt, bei denen neben ansonsten ökonomischen
und ökologischen Vorteilen gerade die relativ hohen Emissionen
an Feinstaub ein Problem darstellen können.
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Aus
der
EP 1 193 445 A2 ist
eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen
zur Verringerung von Feinstaubemission verwendet wird. Die dort
beschriebene Vorrichtung ist in einen Rauchgaskanal einbaubar und
weist hierzu einen Deckel auf, der gasdicht auf eine zugehörige Öffnung
an einem Rauchgaskanal aufsetzbar ist. An der Innenseite des Deckels
ist über eine isolierende Halterung eine sogenannte Sprühelektrode, zum
Beispiel in Form eines gespannten Stabes, gehalten. Ein Hochspannungs-Transformator
mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung
zwischen dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit
dem Abgasrohr verbunden ist, so dass dieses als sogenannte Kollektorelektrode
wirkt.
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Ein
derartiger Elektrofilter mit Sprühelektrode und Kollektorelektrode
ist auch als elektrostatischer Abscheider bekannt. Dieser wird zur
Abgasreinigung in einer Abgasleitung einer Heizungsanlage eingesetzt.
Die Sprühelektrode verläuft im Wesentlichen längs
der Abgasströmungsrichtung und etwa mittig durch die Abgasleitung,
weshalb sie auch als Mittel elektrode bezeichnet wird. Zusammen mit
einer als Kollektorelektrode wirkenden, umgebenden Mantelfläche
der Abgasleitung bildet sie einen Kondensator, der bei einer zylinderrohrförmigen
Ausbildung der Abgasleitung auch als Zylinderkondensator bezeichnet
wird. Die Sprüh- oder Mittelelektrode hat in der Regel
einen kreisförmigen Querschnitt, wobei der Durchmesser
des Querschnitts oder auch der Krümmungsradius im Allgemeinen
relativ klein ausgebildet ist (zum Beispiel kleiner als 0,4 mm).
Um nun die Schadstoffe, genauer die nicht an die Umwelt abzugebenden
Partikel des Abgases aus dem Abgasstrom abzuscheiden, wird zwischen
Mittelelektrode und Abgasrohr ein quer zur Strömungsrichtung
verlaufendes elektrisches Feld aufgespannt. Hierzu wird an die Mittelelektrode
eine Hochspannung angelegt, zum Beispiel im Bereich von 15 kV. Dadurch
bildet sich eine sogenannte Corona-Entladung aus, durch welche die
mit dem Abgas durch das elektrische Feld strömenden Partikel
unipolar aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die
meisten der Partikel durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur
Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient.
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Wie
oben bereits erwähnt, werden die Partikel durch die entlang
der Oberfläche der Sprühelektrode sich ausbildende
Corona-Entladung elektrostatisch aufgeladen. Dies geschieht auf
molekularer Ebene durch folgenden Prozess: Liegt die Elektrode z.
B. gegenüber dem Abgasrohr auf negativer Hochspannung,
so wird eine große Anzahl von Gasmolekülen negativ
aufgeladen. Sie bewegen sich im von der Elektrode sowie dem Abgasrohr
aufgespannten elektrischen Feld in Richtung des Abgasrohres. Treffen
diese auf ihrem Weg durch das Abgasrohr auf elektrisch neutrale
Partikel, so bleiben sie an diesen haften und laden die bis dahin
neutralen Partikel ebenfalls negativ auf. Die geladenen Partikel
strömen getrieben durch elektrostatische Ablenkungskräfte
zur Innenwand des Abgasrohres. Hier bleiben die Teilchen haften,
verlieren ihre Ladung und werden sicher aus dem Abgasstrom entfernt.
Dies ist der Kernprozess eines elektrostatischen Abscheiders und
führt je nach Geometrie, Höhe des Corona-Stroms,
Elektrodenform etc. zu Abscheideraten bis etwa über 90%.
Dieser Kernprozess kann durch folgende Effekte gestört
werden:
Bei der Verbrennung entstehen bipolar geladene Partikel.
Mittels Boltzmann-Verteilung kann der Anteil einfach bzw. mehrfach
geladener Partikel abgeschätzt werden. Die Verteilung ist
symmetrisch, d. h., es entstehen gleich viele positive wie negativ
geladene Partikel. Für Bedingungen, wie sie im Abgas von Biomasse-Heizungen
vorliegen, tragen zwischen 15 und 20% der Partikel eine elektrische
Elementarladung. Die Anzahl geladener Partikel wird durch Koagulation
zwar um ca. 10% pro Sekunde reduziert, dennoch liegen am Ort des
elektrostatischen Abscheiders (entspricht ca. ein bis zwei Sekunden
Flugzeit der Partikel vom Ort der Verbrennung) noch über 10%
geladener Partikel vor. Gelangen die geladenen Partikel nun in die
Nähe der auf negativer Hochspannung liegenden Elektrode
der Aufladeeinheit (Einheit aus Abgasrohr und Elektrode), so werden
die negativen Partikel von der Elektrode weg in Richtung Abgasrohrinnenseite
strömen. Die positiven Partikel strömen dagegen
auf die Elektrode zu. Hiervon wird ein Teil beim Durchströmen
der Aufladeeinheit neutralisiert bzw. negativ umgeladen, der Rest
der Partikel gelangt jedoch zur Elektrode und lagert sich dort ab. Über
die Betriebsdauer kommt es deshalb zu Funktionseinschränkungen
des elektrostatischen Abscheiders. Denn der auf der Elektrode abgelagerte Feinstaub
verhindert lokal die Ausbildung der Corona. Dadurch verringert sich
die elektrische Aufladung der Partikel und verschlechtert sich die
Abscheideeffizienz des Systems. Zudem existiert in unmittelbarer Nähe
der Corona (in einem Radius wenige Millimeter um die Elektrode)
ein bipolares Ladungsgebiet. Elektrisch neutrale Partikel, welche
dieses Gebiet durchströmen, können auch von einer
negativen Elektrode positiv aufgeladen werden. Sie strömen
dann auf die Elektrode zu. Ein Teil wird durch die Corona neutralisiert
bzw. negativ umgeladen, ein kleiner Rest gelangt jedoch zur Elektrode
und lagert sich ebenfalls dort ab.
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Nachteilig
an den elektrostatischen Abscheidern gemäß dem
Stand der Technik ist, dass es nach einer längeren Betriebszeit
zu einer kontinuierlichen Degradation (Verringerung) des Corona-Stroms
bei konstanter Hochspannung kommt. Dadurch sinkt die Aufladeeffizienz
der Elektrode, was wiederum die Abscheideleistung des gesamten Systems
verringert. Abhilfe bieten die Wartung und Reinigung des Abscheiders,
die wegen der vorhandenen Hochspannung führenden Komponenten
von Fachpersonal auszuführen sind.
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Bei
Verbrennungsabgasen mit hoher relativer Feuchte können
sich schwierige Betriebsbedingungen für den elektrostatischen
Abscheider aus der Kondensationsneigung ebendieser Abgase ergeben. An
der mindestens beim Anfahren der Heizungsanlage kühlen
Coronaelektrode kann sich ein dünner Wasserfilm bilden,
der den Coronastrom wirkungsvoll reduziert oder sogar komplett unterdrückt.
In Folge des geringen Coronastroms werden die Partikel im Abgas
nicht oder nicht ausreichend aufgeladen und die Abscheideleistung
des Filters bricht zusammen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Abscheider
zu schaffen, der diesen Nachteil überwindet und der insbesondere eine
verbesserte Betriebsweise und verlängerte Reinigungsintervalle
bietet. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizungssystem
mit einem erfindungsgemäßen Abscheider zu schaffen,
das eine zuverlässige Abgasreinigung garantiert.
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Erfindungsgemäß wird
dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 und des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäße elektrostatische Abscheider ist
dadurch gekennzeichnet, dass bei dem elektrostatischen Abscheider,
insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage,
mit einer Kanalwandung und einem Strömungskanal, durch welchen
ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung
strömt, und einer sich in dem Strömungskanal im
Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Elektrode,
zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen Elektrode und der
Kanalwandung, vorgesehen ist, dass weiter eine Elektrodenhaltevorrichtung
und mindestens ein Partikelabweisemittel umfasst sind, und dass
die Sprühelektrode zumindest teilweise integriert mit der
Elektrodenhaltevorrichtung ausgebildet ist. Das mindestens eine
Partikelabweisemittel verhindert oder reduziert, dass sich Partikel
des Abgases an der Elektrode ablagern, insbesondere dauerhaft ablagern.
Darüber hinaus kann das Partikelabweisemittel das Ablagern von
Partikeln an weiteren Komponenten des elektrostatischen Abscheiders
wirksam reduzieren.
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Die
Elektrodenhaltevorrichtung wird zweckmäßigerweise
etwa mittig in der Abgasleitung angeordnet und sich im Wesentlichen
stabförmig längs der Abgasströmungsrichtung
erstrecken. Zur Fixierung der Elektrodenhaltevorrichtung am Abscheider bzw.
an der Abgasleitung kann sie einteilig mit der Hochspannungszuführung
oder davon getrennt an einer eigenen Aufhängung ausgeführt
sein.
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In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
elektrostatischen Abscheiders ist vorgesehen, dass ein beheizbares
Partikelabweisemittel die Elektrodenhaltevorrichtung vor Partikelanhaftung schützt.
Das Partikelabweisemittel kann als Heizkeramik ausgebildet sein,
welche die Elektrodenhaltevorrichtung erwärmt. Durch Erwärmung
der Elektrodenhaltevorrichtung kommt ein Thermophorese genannter
Prozess in Gang, der Partikel von der Oberfläche der Elektrodenhaltevorrichtung
und damit auch von der Elektrodenoberfläche abweist, wodurch ein
Ablagern von Feinstaubpartikeln auf der Elektrode reduziert oder
zumindest vermieden wird. Zweckmäßigerweise können
die Elektrodenhaltevorrichtung und das Partikelabweisemittel einteilig
ausgeführt sein, d. h. die Elektrodenhaltevorrichtung wird direkt
beheizt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Sprühelektrode zumindest teilweise integriert mit der beheizbaren
Elektrodenhaltevorrichtung ausgebildet ist. Die Elektrode kann zumindest
teilweise entlang einer Oberfläche der Elektrodenhaltevorrichtung
verlaufen, insbesondere in engem Kontakt zu der Oberfläche.
Hierbei ist die Elektrode benachbart, bevorzugt angrenzend und/oder kontaktierend
an der Elektrodenhaltevorrichtung ausgebildet.
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Ein
Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Abscheiders sieht
vor, dass die Sprühelektrode sich nichtlinear erstreckend
ausgebildet ist, um in dem Strömungskanal eine größere
aktive Wirkungsfläche bereitzustellen. Nichtlinear bedeutet
vorliegend nicht in gerader Linie, sondern vielmehr gekrümmt,
gebogen, gewendelt, geknickt oder dergleichen ausgebildet. Hierdurch
wird eine größere Menge an Elektrode im wirksamen
Abscheidebereich bereitgestellt. Die Oberfläche der Elektrode
ist die Wirkungsfläche, da sich an ihr die für
die Abscheidung verantwortliche Corona ausbildet. Durch die vergrößerte
Oberfläche der Elektrode ist ebenfalls die Wirkungsfläche
vergrößert. Wird die Sprühelektrode um eine
beispielsweise stabförmige Elektrodenhaltevorrichtung herum
gewendelt (gewickelt), so überstreicht die Corona rundum
den ganzen Abscheidequerschnitt und erreicht damit den gesamten
partikelbeinhaltenden Abgasstrom.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Elektrode
zumindest teilweise spiralförmig mit einer geeigneten Steigung
ausgebildet ist, so dass sich benachbarte Bereiche, insbesondere
entsprechende Windungsbereiche der Elektrode nicht gegenseitig negativ
beeinflussen. Der Abstand benachbarter Bereiche kann in einem Intervall
a mit 1 mm ≤ a ≤ 20 mm, bevorzugt in einem Intervall
5 mm ≤ a ≤ 15 mm liegen und beträgt am
meisten bevorzugt etwa a = 10 mm. Bei kleiner werdendem Abstand
benachbarter Windungsbereiche ist festzustellen, dass die Corona-Ausbildung
nicht mehr besser wird, sondern dass sich vielmehr ein Sättigungseffekt einstellt.
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Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Elektrode
zumindest abschnittsweise stromdurchfließbare Ansätze
wie Vorsprünge aufweist, um eine größere
aktive Wirkungsfläche bereitzustellen. Die Elektrode kann
beispielweise stacheldrahtförmig oder mit Anformungen wie
Noppen ausgebildet sein.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel sieht mehrere Partikelabweisemittel
vor, so zum Beispiel an der Elektrodenhaltevorrichtung und/oder
an der Hochspannungszuführung. So können mehrere
beheizbare Partikelabweisemittel vorgesehen sein, wobei die Beheizung
separat voneinander oder integriert miteinander realisierbar ist.
Bevorzugt sind die unterschiedlichen beheizbaren Partikelabweisemittel
getrennt voneinander regelbar. Die getrennte Beheizung wird nicht
mit Hochspannung betrieben, die gegebenenfalls in Niederspannung
transformiert werden muss. Bei einer getrennten Beheizung lassen sich
verschiedene Temperaturen einstellen. Die beheizbaren Partikelabweisemittel
sind bevorzugt als Heizkeramik ausgebildet, zum Beispiel als Isolator
an der Hochspannungszuführung und an der Elektrodenhaltevorrichtung.
In einer Ausführung lassen sich die beiden Partikelabweisemittel
als eine Einheit ausbilden.
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Mindestens
ein Partikelabweisemittel kann als mechanisches Partikelabweisemittel,
umfassend eine Rütteleinrichtung, ausgebildet sein, um
ein dauerhaftes Anhaften von Parti keln an dem Abscheider oder dessen
Komponenten durch mittels Rütteln erzeugter Schwingungen
mechanisch zumindest zu reduzieren. Durch die Schwingungen fallen
anhaftende Partikel auf einfache Weise ab oder haften erst gar nicht
an. Das mindestens eine Partikelabweisemittel kann extern an dem
Abscheider angeordnet sein und lässt sich so zum Beispiel
nachrüsten oder von dem Abscheider, zum Beispiel zu Wartungszwecken,
entnehmen. In einer anderen Variante kann das mindestens eine Partikelabweisemittel
integriert mit dem Abscheider ausgebildet sein.
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Wiederum
ein anderes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass mindestens
ein Partikelabweisemittel als mechanisches Partikelabweisemittel,
umfassend eine Fluideindüsungseinrichtung, ausgebildet
ist, um ein dauerhaftes Anhaften von Partikeln an dem Abscheider
oder dessen Komponenten durch Eindüsen eines Fluids und
dem damit verbundenen Einwirken des Fluids auf Partikel mechanisch
zumindest zu reduzieren.
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Der
erfindungsgemäße Heizungssystem zur Erzeugung
von Wärme mittels Verbrennen von einem Energieträger
wie Biomasse ist dadurch gekennzeichnet, dass bei diesem eine Feinstaub
emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum
Verbrennen des Energieträgers vorgesehen ist, wobei partikelbeinhaltende
Abgase entstehen, und ein erfindungsgemäßer elektrostatisches
Abscheider vorgesehen ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider
und dem erfindungsgemäßen Heizungssystem werden
insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Eine Vermeidung
bzw. Reduzierung von Feinstaubablagerungen auf der Elektrode wird
realisiert. Durch die nichtlineare Ausbildung der Elektrode, die
auch Mittel- oder Sprühelektrode genannt wird, ggf. auch mit
Anformungen, ist die aktive Oberfläche oder die Wirkungsfläche
der Elektrode vergrößert. Beim Betrieb mit hohen
Feinstaubkonzentrationen, wie beim Verbrennungsstart beispielsweise
von Scheitholzanlagen, kann durch Erhitzen des Systems Heizkeramik-Sprühspirale
deren Feinstaubkontamination erfolgreich durch Thermophorese verhindert
werden. Wird eine Oberfläche im Partikel beladenen Abgasstrom
einer Scheitholzanlage oder auch eines Verbrennungsmotors oder dergleichen
auf ca. 100 K über der umgebenden Gastemperatur erwärmt,
so wird durch den Temperaturgradienten zur Umgebung das Ablagern
vor allem kleiner, deutlich submikroner Partikel (< 200 nm) zuverlässig
verhindert. Die Aufladeeffizienz der Spiralelektrode wird im sie
umgebenden lokal partikelarmen Volumen nicht reduziert, da die mittlere
freie Weglänge der Ionen, welche die Feinstaubpartikel
aufladen, durch die Temperatursteigerung erhöht wird. Durch
das Beheizen des Systems Heizkeramik-Sprühspirale auf über
100°C wird die Kondensation eines Wasserfilms auf der Spirale verhindert.
Der Wasserfilm würde das Ausbilden eines genügend
hohen Coronastrom erschweren. Dadurch kann das System sofort bei
Brennerstart der Biomasse-Heizanlage eingesetzt werden, wo erfahrungsgemäß die
meisten Partikel emittiert werden. Weiter kann das System auch stromabwärts
von kondensierenden Wärmetauschern eingesetzt werden (Brennwertnutzung).
Hier ist der Einsatz unbeheizter Elektroden kaum möglich.
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Erste
Abschätzungen zeigen, dass für die Bedingungen,
welche zum Beispiel im Abgasrohr einer Scheitholzanlage direkt am
Kesselausgang vorliegen (220°C, Strömungsgeschwindigkeit
0,5 bis 1,5 m/s), für die Beheizung der Keramikisolation
(Durchmesser 4 mm, Länge 60 mm) ca. 5 bis 10 W Heizleistung über
eine elektrische Widerstandsheizung genügen. Sollte es
trotz Thermophorese nach einem längeren Zeitraum zu Partikelablagerungen
auf der Sprühelektrode kommen, so kann dies durch Verschiebung
der Strom-Spannungs-Kennlinie der Hochspannungsversorgung über
einen vorher eingestellten Maximalwert hinaus detektiert werden.
Die elektronische Steuerungseinheit des elektrostatischen Abscheiders
heizt dann die Keramikisolation kurzzeitig auf über 600°C
auf. Ab dieser Temperatur wird die Isolation von den brennbaren,
niedergeschlagenen Rußpartikeln freigebrannt. Sie stellen
bei der Scheitholzverbrennung den Hauptbestandteil des Feinstaubes
dar. Alternativ kann das System auch durch eine wie aus der Abbildung
ersichtlichen Rütteleinrichtung mechanisch von Feinstaubablagerungen
befreit werden. Auch zu deren Aktivierung kann die Verschiebung
der Strom-/Spannungskennlinie der Hochspannungsversorgung herangezogen werden.
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Elektrostatische
Abscheider stellen im Abgassystem einen minimalen Strömungswiderstand dar,
welcher sich auch bei steigender Beladung nur sehr langsam erhöht.
Sie weisen eine große Aufnahmekapazität für
abgeschiedenen Feinstaub auf. Bei langsamen Strömungsgeschwindigkeiten
und genügend langen Abscheidestrecken verfügen
sie für submikrone Partikel über eine Abscheideeffizienz
von 80 bis 90%. Aus den oben genannten Gründen sind sie deshalb
eine aussichtsreiche Option für die Abgasreinigung bei
Scheitholzanlagen, anderen Biomasse-Heizanlagen oder Ölbrennern.
Das Aufrechterhalten der Hochspannung der Mittelelektrode stellt
eine technische Schwierigkeit bei der Ausführung des elektrostatischen
Abscheiders dar. Durch mindestens zwei Möglichkeiten kann
die Spiralelektrode von Feinstaubkontaminationen freigehalten bzw.
abgereinigt werden:
Bei der Thermophorese wird das Freihalten
der Sprühelektrode durch bloßes Beheizen derselben gelöst.
Diese Option zeichnet sich durch minimalen Energieaufwand (5 bis
10 W elektrische Heizleistung), lange Standzeiten und Geräuschlosigkeit
(keine bewegten Teile) aus. Falls es nach extrem langer Standzeit
dennoch zu Verunreinigung der Keramikisolation kommen sollte, kann
diese durch eine zweite, höhere Leistungsstufe, freigebrannt
werden.
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Optional
kann die durch Freibrennen nicht lösbare Fraktion des angelagerten
Feinstaubs durch Anwendung mechanischer Energie von der Spiralelektrode
entfernt werden. Die mechanische Abreinigung durch eine Rütteleinrichtung
wird auf folgende Weise durchgeführt. Bevorzugt an der
Außenseite der Aufladeeinheit, gebildet aus Kanalwandung
und Elektrode, wird in unmittelbarer Nähe der Hochspannungsdurch-
oder Zuführung der Sprühelektrode ein Exzenter
so angebracht, dass dieser die Sprühelektrode in Schwingungen
versetzen kann. Der Exzenter wird beim Erreichen eines bestimmten
Verschmutzungsgrades für einen definierten Zeitraum aktiviert (rotiert),
so dass die Aufladeeinheit in Schwingungen versetzt wird und der
innen anhaftende Staub abfällt. Es können beliebige
andere Einrichtungen vorgesehen werden, welche die Aufladeeinheit
in entsprechende Schwingungen versetzten.
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Der
Verschmutzungsgrad der Sprühelektrode lässt sich
auf verschiedene Arten (z. B. optisch, elektrisch etc....) feststellen.
Vorliegend wird ein bevorzugtes Beispiel für eine Umsetzung
einer automatisierten Reinigung gegeben: Über die Erfassung
der Strom-Spannungskennlinie der Sprühelektrode ist es möglich,
deren Verschmutzungsgrad zu bestimmen. Dieser Effekt kann für
die Regelung der Rütteleinrichtung genutzt werden. Wird
ein zuvor definierter Verschmutzungsgrad erreicht, so aktiviert
die Regelung die Rütteleinrichtung. Des Weiteren kann über
diesen Effekt der Erfolg der Filterreinigung bestimmt und die Dauer
der Aktivierung gesteuert werden. Wird ein bestimmter Verschmutzungsgrad
unterschritten, so schaltet die Regelung die Rütteleinrichtung
wieder ab. Schlägt die Abreinigung fehl, d. h., der gewünschte
Abreinigungsgrad wird nicht erreicht, so wird der Betreiber z. B.
mittels LED-Anzeige an der Steuereinheit des elektrostatischen Abscheiders über
eine mögliche Fehlfunktion informiert. Falls die Abscheidefläche,
welche die Aufladeeinheit umgibt, aus einem Material besteht, welches
die von der Rüttel-Einrichtung erzeugten Schwingungen überträgt
(z. B. Abgasrohr aus Edelstahl), so kann mit der Erfindung nicht
nur die Sprühelektrode sondern auch das Abgasrohr von der
Feinstaubkontamination gereinigt werden. Bei vertikaler Einbausituation
fällt der freigesetzte Feinstaub dabei zum Beispiel in
eine entnehmbare Ascheschublade. Bei angepasster Ausgestaltung der
Materialeigenschaften von Hochspannungszuführung, Sprühelektrode
sowie Abgasrohr kann die mechanische Anregung statt mit einem Exzenter auch
durch einen Ultraschallgeber mit einer an das System adaptierten
Frequenz erfolgen.
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Ein
anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass
mindestens ein Partikelabweisemittel in vorteilhafter Weise als
Gaseindüsungssystem ausgebildet ist. Die Sprühelektrode
des Abscheiders, die Hochspannungszuführung, die als Abscheidefläche
ausgeführte Kanalwandung und/oder weitere Abscheiderkomponenten
können mittels eines oder mehrerer Strahlen komprimierten
Fluids (Gas, z. B. Luft oder CO2) von Staubablagerungen
befreit werden. Die dafür notwendige Einrichtung kann vorzugsweise
folgendermaßen rea lisiert werden: An der Rohrwand des Kaminrohrs
können mehrere Düsen auf der Höhe des
Abscheiders (Sprühelektrode und Kollektorelektrode, beispielsweise
die Kanalwandung) angebracht werden. Als Gasversorgung kann eine
kleine am Kaminrohr angebrachte Gasflasche oder Gaskartusche dienen.
Mit Hilfe eines oder mehrerer automatisch gesteuerter Ventile können
Strahlen aus komprimiertem Gas kurzfristig gegen Sprühelektrode
und Kollektorelektrode gerichtet werden. Da die Sprühelektrode
aus einem dünnen Draht besteht, reicht ein Gasstrahl, um
die Sprühelektrode abzublasen und in Schwingung zu versetzen,
wodurch diese über die gesamte Länge gesäubert
wird. Für die Reinigung der Kollektorelektrode kann eine
Art von Multipoint-Injection-Anlage installiert werden, so dass
damit die Staubablagerungen über die gesamte Abscheidefläche
entfernt werden können. Für die Regelung des Ventils
kann, wie oben schon erwähnt, der Effekt der Degradation
der Strom-Spannungskennlinie der Sprühelektrode genutzt
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit für die Regelung
der Abreinigungseinrichtungen ist die Vorgabe fester Intervalle,
zu denen diese aktiviert werden und die Abreinigung erfolgt. Unter
Umständen sollte der Filter und/oder die Heizungsanlage
bei aktivierter Abreinigungseinrichtung ausgeschaltet werden. Durch
die erzeugten Vibrationen wird die Elektrode in Schwingung versetzt,
wodurch sich die Distanz zur Rohrwand verringert. Dadurch könnte
es zu Hochspannungsüberschlägen kommen. Sollte
mit der Abreinigungseinrichtung auch das Abgasrohr gereinigt werden,
sollte dies evtl. bei ausgeschalteter Heizungsanlage geschehen.
Der freigesetzte Feinstaub könnte sonst mit dem Abgasstrom
ausgeblasen werden. Gegebenenfalls kann der Betreiber die Abreinigungseinrichtung
manuell an der Steuereinheit des Abscheiders aktivieren, um bei
unvorhersehbaren Betriebszuständen direkt eingreifen zu
können.
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Die
Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dar und zeigen in den Figuren:
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1 schematisch
einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders,
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2 schematisch
einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders
und
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1 zeigt
schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders 1,
wobei der Schnitt nur einen Teil des Abscheiders 1 darstellt.
Der elektrostatische Abscheider 1 ist in einem rohrförmiger
Abschnitt einer Abgasleitung 2 einer nur teilweise dargestellten
Abgasreinigungsanlage an geordnet und umfasst eine Kanalwandung 3 und
einen Strömungskanal 4. Durch den Strömungskanal 4 strömt ein
hier durch einen Pfeil P dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas
in die ebenfalls durch den Pfeil P dargestellte Strömungsrichtung.
In der Mitte des Strömungskanals 4 erstreckt sich
in Strömungsrichtung P eine Elektrode 5, die auch
als Mittelelektrode, Sprühelektrode oder Coronaelektrode
bezeichnet wird. Der Strömungskanal 4 hat einen
zu einer Mittelachse A rotationssymmetrischen Querschnitt. Die Elektrode 5 erstreckt
sich im Wesentlichen entlang dieser Mittelachse A. Gespeist wird
die Elektrode 5 über eine Hochspannungszuführung 6,
welche mit einem Isolator 7 ummantelt ist. Der Isolator 7 verhindert
einen Spannungsüberschlag von der Elektrode 5 auf
die Kanalwandung 3 (Kollektorelektrode). Zusammen mit der
Kanalwandung 3 bildet die Elektrode 5 eine Aufladeeinheit,
in welcher Partikel elektrisch aufgeladen werden können.
Hierzu bildet die Elektrode 5 mit der Kanalwandung 3 unter
Anlegen einer Hochspannung ein elektrisches Feld aus, dessen Feldlininen
im Wesentlichen radial zu der Elektrode 5 bzw. der Kanalwandung 3 verlaufen,
im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung P.
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Der
elektrostatische Abscheider 1 umfasst in der dargestellten
Ausführungsform in 1 mehrere Partikelabweisemittel 8.
Ein erstes, beheizbares Partikelabweisemittel 8.1 ist in
dem Isolator 7 integriert und ist als Heizelement für
den Isolator 7 ausgebildet, das hier in Form von den Isolator 7 durchdringenden Heizdrähten
realisiert ist.
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Ein
zweites, ebenfalls beheizbares Partikelabweisemittel 8.2 ist
integriert mit der Elektrodenhaltevorrichtung 9 ausgebildet.
Die im Wesentlichen stabförmige Elektrodenhaltevorrichtung 9 umfasst eine
Aufhängung 10, über die sie mit der Kanalwandung 3 verbunden
ist. Bevorzugt sind die Elektrodenhaltevorrichtung 9 und
die Aufhängung 10 L-förmig zueinander
angeordnet. Zum Erwärmen der Elektrodenhaltevorrichtung 9 dient
ein Heizdraht. Die Aufhängung 10 ragt radial von
außen durch die Kanalwandung 3 in den Strömungskanal 4 hinein,
etwa bis zur Mittelachse A, von wo die Elektrodenhaltevorrichtung 9 etwa
entlang der Mittelachse A entgegen der Strömungsrichtung
P in Richtung Isolator 7 verläuft. Die Sprühelektrode 5,
welche über die Hochspannungszuführung 6 gespeist
wird, ist spiralförmig um die Elektrodenhaltevorrichtung 9 gewickelt,
wobei die Abstände a der Windungen etwa äquidistant
ausgebildet sind, bevorzugt in einem Abstand von etwa a = 10 mm.
Durch die Windungen ist die Wirkungsfläche der Elektrode 5 pro
Kanalabschnitt in Strömungsrichtung P vergrößert.
Die Elektrode 5 kann auch unabhängig von der Elektrodenhaltevorrichtung 9 mit
Windungen ausgebildet sein.
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Ein
drittes Partikelabweisemittel 8.3 ist integriert mit der
Elektrodenhaltevorrichtung 9, genauer einem über
die Kanalwandung 3 nach außen hervorragenden Teil
der Aufhängung 10, ausgebildet. Das dritte Partikelabweisemittel 8.3 ist
als mechanisches Partikelabweisemittel ausgebildet, welches hier durch
eine Rütteleinrichtung realisiert ist. Die Rüt teleinrichtung
erzeugt Schwingungen, welche über die Aufhängung 10 weiter
zu der Elektrodenhaltevorrichtung 9 übertragen
werden. Durch die Schwingungen werden an der Elektrodenhaltevorrichtung 9 und/oder
an der Elektrode 5 anhaftende Partikel mechanisch entfernt
oder ein Anhaften verhindert oder reduziert. Zudem versetzt die
Rütteleinrichtung die Kanalwandung 3 in Schwingung,
so dass an der Kanalwandung 3 anhaftende Partikel abgeschüttelt
werden. Die drei in 1 dargestellten Partikelabweisemittel 8 können
jeweils einzeln oder auch in verschiedenen Kombinationen an einem
Abscheider 1 vorhanden sein.
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2 zeigt
schematisch einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders 1. Gleiche
oder ähnliche Teile werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine detaillierte Beschreibung bereits beschriebener Bauteile entfällt.
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Der
elektrostatische Abscheider 1 nach 2 ist vom
Prinzip gleich aufgebaut wie der elektrostatische Abscheider 1 nach 1,
und unterscheidet sich lediglich durch die Ausführung des
mechanischen Partikelabweisemittels 8.4, wobei zur einfacheren
Darstellung die anderen Partikelabweisemittel 8 nicht explizit
dargestellt sind, wobei diese auch entfallen können. Der
elektrostatische Abscheider 1 ist in einem rohrförmigen
Abschnitt einer Abgasleitung 2 einer nur teilweise dargestellten
Abgasreinigungsanlage angeordnet und umfasst eine Kanalwandung 3 und
einen Strömungskanal 4. Durch den Strömungskanal 4 strömt
ein hier nicht dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas. Im Inneren
des Strömungskanals 4 erstreckt sich in Strömungsrichtung
die Elektrode 5, die nichtlinear, wie in 1 dargestellt,
ausgebildet sein kann. Gespeist wird die Elektrode 5 über
eine Hochspannungszuführung 6, welche mit dem
Isolator 7 ummantelt ist.
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Das
vierte Partikelabweisemittel 8.4 ist als Fluideindüsungseinrichtung
ausgebildet. Sie dient dazu, die Sprühelektrode 5 und
ggf. weitere partikelbehaftete Teile mittels eines oder mehrerer
Strahlen S von den Partikeln zu befreien. Hierzu wird ein Fluid wie
beispielsweise ein beliebiges Gas oder Wasser komprimiert auf das
von Partikeln zu befreiende Teil gedüst. Hierzu sind in
oder an der Kanalwandung 3 mehrere Düsen 11 angeordnet.
Die Düsen 11 sind etwa auf Höhe des elektrostatischen
Abscheiders 1, genauer gegenüber oder an den Orten,
an denen Partikel bevorzugt anhaften, angeordnet. Die Fluideindüsungseinrichtung 8.4 umfasst
weiter einen Fluidvorratsspeicher 12, beispielsweise eine
Gasflasche oder Gaskartusche. Diese kann an der Kanalwandung 3 angebracht
sein. Über ein Leitungssystem sind die Düsen 11 mit
dem Fluidvorratsspeicher 12 verbunden. In dem Leitungssystem
ist mindestens ein Ventil 13, bevorzugt ein automatisch
gesteuertes Ventil 13 angeordnet. Das Ventil 13 steuert
den Zufluss des Fluids zu den Düsen 11. Bei geöffnetem Ventil 13 wird
ein Fluidstrahl S zum Beispiel auf die Elektrode 5 gerichtet,
oder auch auf die Kanalwandung 3, wie durch die gestrichelten,
auseinanderlaufenden Linien dargestellt. Dabei wird das angestrahlte
Teil mit einem Impuls beaufschlagt und gerät in Schwingungen.
Durch die Fluidströmung und/oder die verursachten Bauteilschwingungen
fallen anhaftende Partikel ab oder haften erst gar nicht an.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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