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Die
Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere
für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Weiter
betrifft die Erfindung ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie
mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider
nach Anspruch 7.
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Aufgrund
der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen,
derartige Emissionen zu reduzieren – siehe zum Beispiel
das Kyoto-Abkommen – werden bei Heizungsanlagen entsprechende
Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese sollen insbesondere die
schädlichen Stoffe und Partikel aus Abgasen herausfiltern,
sodass 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 eine erhöhte Emission
an Schadstoffen in den Abgasen auftreten kann. Gerade die relativ
hohe Emission an Feinstaub, der im Wesentlichen aus verschiedenen
Anteilen aus Kohlenstoff-, Kalium- und/oder Calcium-Verbindungen
besteht, als ein Schadstoffanteil ist bei herkömmlichen
Biomasse-Heizungsanlagen ein Nachteil.
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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 Sprühelektrode,
zum Beispiel in Form eines Stabes, gehalten. Ein Hochspannungs-Transformator
mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung
zwischen dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit
dem Ofenrohr verbunden ist, sodass dieses als 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.
Dabei wird durch die Sprühelektrode, welche etwa mittig
durch die Abgasleitung verläuft und deshalb auch als Mittelelektrode
bezeichnet wird, und eine umgebende Mantelfläche der Abgasleitung
ein Kondensator gebildet, der bei einer zylinderrohrförmigen
Ausbildung der Abgasleitung auch als Zylinderkondensator bezeichnet
wird. Die Sprüh- oder Mittelelektrode weist in der Regel
einen kreisförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung
des Abgases auf, 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 durch die Mittelelektrode und die
durch die Mantelfläche gebildete Kollektorelektrode ein
quer zur Strömungsrichtung verlaufendes Feld mit Feldlinien
von der Mittelelektrode zur Kollektorelektrode gebildet. Hierzu
wird an die Mittelelektrode eine Hochspannung angelegt, zum Beispiel
in dem Bereich von 15 kV. Dadurch bildet sich eine Corona-Entladung
aus, durch welche die in dem Abgas durch das 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 Elektrode 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 positiv 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 Abgasrohr,
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
Abweisers. Denn der auf der Elektrode abgelagerte Feinstaub verhindert
lokal die Ausbildung der Corona. Dadurch verschlechtert sich die
elektrische Aufladung der Partikel. Die Abscheideeffizienz des Systems
wird degradiert. 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 des Corona-Stroms bei konstanter Hochspannung
kommt. Dadurch sinkt die Aufladeeffizienz der Elektrode, was wiederum
die Abscheideleistung des gesamten Systems verringert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Abscheider
zu schaffen, der diesen Nachteil überwindet und der insbesondere eine
Ablagerung von Partikeln auf der Elektrode verhindert oder reduziert,
um die Funktionsdauer des elektrostatischen Abscheiders zu erhöhen.
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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 7 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 einem Strömungskanal mit einer Kanalwandung und einem
Kanalinneren, durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer
Strömungsrichtung strömt, und einer sich in dem
Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden
Elektrode, zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen Elektrode
und der Kanalwandung, vorgesehen ist, dass weiter mindestens ein
beheizbares Partikelabweisemittel umfasst ist, welches verhindert
oder die Möglichkeit verringert, dass sich Partikel des
Abgases an der Elektrode ablagern, insbesondere dauerhaft ablagern.
Das Partikelabweisemittel verhindert oder reduziert wirksam zumindest
ein Ablagern von Partikeln an der Elektrode. Darüber hinaus
kann das Partikelabweisemittel das Ablagern von Partikeln an weiteren
Komponenten des elektrostatischen Abscheiders wirksam reduzieren.
Dadurch dass die Elektrode direkt beheizbar ausgebildet ist, lässt
sich effektiv eine Partikelablagerung verhindern oder reduzieren.
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Die
Elektrode kann als Draht ausgebildet sein, der die Funktionen eines
Heizdrahts und einer Elektrode vereint. Hierzu kann durch den Draht
elektrischer Strom geleitet werden, der die Elektrode, das heißt,
den stromdurchflossenen Abschnitt oder Draht, so erwärmt,
dass eine Partikelablagerung aufgrund der weiter unten näher
beschriebenen Thermophorese verhindert oder zumindest reduziert
ist, oder eine dennoch bestehende Ablagerung freigebrannt werden
kann.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, dass die direktbeheizte Elektrode zumindest teilweise
aus einem geeigneten Material und/oder einer geeigneten Geometrie
ausgebildet ist, um einen höheren elektrischen Widerstand
zur Erwärmung der Elektrode auf eine entsprechende Temperatur
zu realisieren. Ein geeignetes Material ist beispielweise ein Chrom-Nickelstahl
oder ein anderes Material mit einem elektrischen Widerstand von
etwa 1,12 Ohm·mm2/m oder in einem
anderen geeigneten Bereich, zum Beispiel in Abhängigkeit
von der Geometrie. Eine geeignete Geometrie des Elektrodendrahtes
kann beispielsweise ein Draht mit einer Länge von etwa
0,5 m und einem Durchmesser im Bereich von etwa 0,3 bis 0,4 mm sein.
Die Geometrie und oder das Material können so ausgewählt
sein, dass ein elektrischer Widerstand von etwa 5 bis 10 Ohm für
die Elektrode erreicht werden. Der Querschnitt des Drahts kann eine beliebige Form
aufweisen, beispielsweise kreisförmig. Zur gezielten Erwärmung
des Drahts kann der Querschnitt in Richtung des Drahts über
die Länge variieren, das heißt, der Draht kann
dicker oder dünner ausgebildet werden. Der Querschnitt
lässt sich dabei sowohl hinsichtlich der Querschnittsfläche
variieren, wie auch hinsichtlich der Querschnittsform, beispielsweise
von quadratisch in kreisförmig.
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Ein
Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Abscheiders sieht
vor, dass die Elektrode sich nichtlinear erstreckend ausgebildet
ist, um in dem Strömungskanal eine größere
aktive Wirkungsfläche bereitzustellen. Nichtlinear bedeutet
vorliegend nicht als gerade Linie, sondern vielmehr gekrümmt,
gebogen, gewendelt, geknickt oder dergleichen ausgebildet. Die Elektrode
kann zumindest teilweise spiralförmig mit einer geeigneten
Steigung ausgebildet sein, sodass sich benachbarte Bereiche der
Elektrode nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Der Abstand benachbarter
Bereiche kann in einem Intervall von >= 1 mm bis <= 20 mm, bevorzugt in einem Intervall
von >= 5 mm bis <= 15 mm liegen und
beträgt am meisten bevorzugt etwa 10 mm.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Elektrode
als geschlossene Drahtschleife ausgebildet ist. Auf diese Weise
kann eine einfach stromdurchfließbare Elektrode geschaffen
werden, die sich durch entsprechende Bestromung gezielt erhitzen
lässt. Durch die schleifen- oder auch schlaufenförmige
Ausformung ist zudem die Wirkungsfläche der Elektrode erhöht.
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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 Noppen ausgebildet
sein.
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Neben
der direkt beheizbaren Elektrode können weitere, unterschiedliche
Partikelabweisemittel vorgesehen sein, beispielsweise mechanische
Partikelabweisemittel umfassend eine Rüttel-Einrichtung oder
dergleichen. Ein anderes Beispiel eines unterschiedlichen Partikelabweisemittels
kann eine Fluideindüsungseinrichtung sein, die 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 reduziert.
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Auch
sieht ein Ausführungsbeispiel vor, dass mehrere beheizbare
Partikelabweisemittel vorgesehen sind, um die Elektrode für
ein Partikelabweisen zu erwärmen, wobei eine Erwärmung
der Partikelabweisemittel separat voneinander oder zumindest teilweise
gemeinsam realisierbar ist.
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Eine
andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht
vor, dass weiter Mittel zum Hochspannungs- und Heizbetrieb des elektrostatischen Abscheiders
vorgesehen sind. Diese Mittel können entsprechende Schalt-
und/oder Steuereinrichtung, insbesondere elektrische Schalt- und
oder Steuereinrichtungen umfassen.
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So
sieht zum Beispiel eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung vor, dass die Mittel eine Trenntransformatoreinrichtung
umfassen, um eine Hochspannungsversorgung und eine Niederspannungsversorgung
voneinander trennbar für den Betrieb des elektrostatischen
Abscheiders zu realisieren. Die Hochspannungsversorgung und die
Niederspannungsversorgung können dabei gleichzeitig oder
alternierend erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Heizungssystem zur Erzeugung
von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger
wie Biomasse ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Feinstaub
emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum
Verbrennen des Energieträgers aufweist, wobei partikelbeinhaltende
Abgase entstehen, und ein erfindungsgemäßer elektrostatischer
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. Insbesondere durch eine direktbeheizte Elektrode lässt
sich gegenüber einer indirekten Beheizung der Elektrode
die Hochspannungsisolierung zwischen Elektrode und Heizleiter nur
noch als als mechanische Stabilisierung eingesetzte Keramik (10b)
realisieren bzw. andernfalls gänzlich vermeiden. Durch
die Ausbildung als Schlaufe oder Schleife lässt sich gegenüber
einer spiralförmigen Ausbildung eine kürzere Länge
der Elektrode realisieren. Durch die nichtlineare Ausbildung der
Elektrode, die auch Mittel- oder Sprühelektrode genannt
wird, ggf. auch mit Anformungen, lässt sich dagegen die
aktive Oberfläche oder die Wirkungsfläche der
Elektrode vergrößern. Beim Betrieb mit hohen Feinstaubkonzentrationen
wie beim Verbrennungsstart, beispielsweise von Scheitholzanlagen,
kann durch Erhitzen des Systems deren Feinstaub-Kontamination 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 Spiral-
oder Schlaufenelektrode 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. Eine beispielhafte Leistungsberechnung ergibt
nach den bekannten Formeln dQ/dt = α·A·ΔT,
für α = 30 W/m2·K, ΔT
= 100 K und A = 6,3 E – 4 m2 entsprechend
dQ/dt = 2 W, unter Berücksichtigung von Strahlung mit Toleranzen
etwa dQ/dt = 4 W. Zum Freibrennen der Elektrode wird bei einem ΔT
= 400 K eine Leistung von weniger als etwa 20 W benötigt.
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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
0,5–1,5 m/s), für die Beheizung des isolierenden
keramischen Heizelementes (Durchmesser 4 mm, Länge 60 mm)
ca. 5–10 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-Spannungskennlinie
der Hochspannungsversorgung über einen vorher eingestellten
Maximalwert hinaus detektiert werden. Die elektronische Steuerungseinheit des
elektrostatischen Abscheiders heizt dann das keramische Heizelement
kurzzeitig auf über 600°C hoch. Ab dieser Temperatur
wird das keramische Heizelement einschließlich der um sie
geschlungenen Elektrode von den brennbaren, niedergeschlagenen Rußpartikeln
freigebrannt. Sie stellen bei der Scheitholzverbrennung den Hauptbestandteil
des Feinstaubes dar. Zusätzlich oder alternativ kann das System
auch durch eine Rütteleinrichtung mechanisch von Feinstaublagerungen
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 Aufnahme-Kapazität für
abgeschiedenen Feinstaub auf. Bei langsamen Strömungsgeschwindigkeiten
und genügend langen Abscheidestrecken verfügen
sie für submikrone Partikel über eine Abscheideeffizienz
von 80–90%. Aus o. a. Gründen sind sie deshalb
eine aussichtsreiche Option für die Abgasreinigung einer Scheitholzanlage,
anderen Biomasse-Heizanlagen oder Ölbrennern. Das Aufrechterhalten
der Hochspannung der Mittelelektrode stellt eine technische Schwierigkeit
bei der Ausführung des elektrostatischen Abscheiders dar.
Die Elektrode kann insbesondere durch die folgende Möglichkeit
von Feinstaubkontaminationen freigehalten bzw. abgereinigt werden:
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Thermophorese durch direkte Beheizung:
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Durch
den Einsatz einer (direkt) beheizten Sprühelektrode vergrößert
sich der Einsatzbereich des hier beschriebenen elektrostatischen
Abscheiders. So kann die Degradation der Sprühelektrode deutlich – auch
permanent – vermieden werden. Auch findet keine Kondensation
von Wasserdampf auf der Elektrode statt. Bei einer Benetzung der
Elektrode mit Wasser ist die Durchschlagsfestigkeit nicht mehr gegeben.
Während ein Betrieb eines elektrostatischen Abscheiders
gemäß dem Stand der Technik bei Temperaturen in
der Nähe des Abgaskondensationspunktes und darunter nicht
möglich ist, kann mit dem erfindungsgemäßen
Abscheider zur kontinuierlichen Elektrodenheizung die Elektrode
von Kondensat freigehalten werden. So kann der elektrostatische
Abscheider oder auch Filter in Anlagen mit niedrigen Abgastemperaturen
(z. B. bei einer Brennwerttechnik oder bei einem Einsatzort in einem
größeren Abstand zur Anlage, beim Anfahren der
Anlage) eingesetzt werden.
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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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3 eine
schematische Darstellung einer Leistungsversorgung des erfindungsgemäßen
Abscheiders.
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1 zeigt
schematisch einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheiders 1,
wobei der Schnitt etwa durch die Mitte einer Abgasleitung 2 verläuft
und so nur ein Teil des elektrostatischen Abscheiders 1 darstellt
ist. Der elektrostatische Abscheider 1 ist in einer Abgasleitung 2 (nur teilweise
dargestellt) einer hier nicht dargestellten Abgasreinigungsanlage
angeordnet und umfasst einen Strömungskanal 3.
Der Strömungskanal 3 ist als rohrförmiger
Abschnitt der Abgasleitung 2 ausgebildet und umfasst eine
Kanalwandung 4 und ein Kanalinneres 5. Durch den
Strömungskanal 3 strömt ein hier durch
einen Pfeil P dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas in die
ebenfalls durch den Pfeil P dargestellte Strömungsrichtung.
Im Inneren des Strömungskanals 3 erstreckt sich
in Strömungsrichtung P eine Elektrode 6, die auch
als Mittelelektrode, Sprühelektrode oder Coronaelektrode
bezeichnet wird. Der Strömungskanal 3 ist bevorzugt
im Querschnitt in Strömungsrichtung P rotationssymmetrisch
um eine Mittelachse A ausgebildet. Die Elektrode 6 erstreckt sich
im Wesentlichen entlang dieser Mittelachse A. Gespeist wird die
Elektrode 6 über eine Elektrodenzuführung 7,
welche mit einem Isolator 8 ummantelt ist. Zusammen mit
der Kanalwandung 4 bildet die Elektrode 6 eine
Aufladeeinheit, in welcher Partikel elektrisch aufgeladen werden
können. Hierzu bildet die Elektrode 6 mit der
Kanalwandung 4 unter Anlegen einer Hochspannung ein elektrisches
Feld aus, dessen Feldlininen im Wesentlichen radial zu der Elektrode 6 bzw.
der Kanalwandung 4 verlaufen, im Wesentlichen quer, genauer
rechtwinklig, zur Strömungsrichtung P.
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Der
elektrostatische Abscheider 1 in einer nur teilweise dargestellten
Abgasleitung 2 umfasst in der dargestellten Ausführungsform
in 1 mehrere Partikelabweisemittel 9. Ein
erstes Partikelabweisemittel 9a ist in dem Isolator 8 integriert.
Das erste Partikelabweisemittel 9a ist als Heizelement
für den Isolator 8 ausgebildet, das in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
in Form von den Isolator 8 durchdringenden Heizdrähten
realisiert ist.
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Ein
zweites Partikelabweisemittel 9b ist integriert mit der
Elektrode 6 ausgebildet. Das zweite Partikelabweisemittel 9b ist
als beheizbares Partikelabweisemittel ausgebildet, welches vorliegend
als Heizkeramik 10 realisiert ist. Die Heizkeramik 10 umfasst
eine Halterung 10a und ein stabförmiges Heizelement 10b.
Die Halterung 10a und das Heizelement 10b sind
miteinander verbunden. Bevorzugt sind die Halterung 10a und
das Heizelement 10b L-förmig zueinander angeordnet.
Durch die Heizkeramik 10 verläuft ein Heizdraht 11.
Die Halterung 10a ragt radial von außen durch
die Rohrwandung 4 in das Kanalinnere 3 herein,
etwa bis zur Mittelachse A. Von dort ragt das Heizelement 10b etwa
entlang der Mittelachse A entgegen der Strömungsrichtung
P in Richtung Isolator 8. Die Elektrode 6, welche über
die Elektrodenzuführung 7 gespeist wird, ist spiralförmig um
das Heizelement 10b gewickelt, wobei die Abstände
der Windungen etwa äquidistant ausgebildet sind, bevorzugt
in einem Abstand von etwa 10 mm. Auf diese Weise ist die Wirkungsfläche
der Elektrode 6 pro Kanalabschnitt in Strömungsrichtung
P vergrößert. Die Heizkeramik (10) kann
den Erwärmungsprozess der spiralförmig ausgebildeten
Elektrode 6 gewährleisten. Alternativ kann die
Elektrode 6 so ausgebildet werden, z. B. als geschlossene
Drahtschleife, dass diese sich bei Bestromung durch fließenden
Strom (Transformatoreinrichtung notwendig) erhitzt. In diesem Fall
kann die Heizkeramik (10) durch eine Halterung ohne Heizfunktion
ersetzt werden. Die Halterung dient dann zur Stabilisierung der selbstheizenden
Elektrode (6).
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Ein
drittes Partikelabweisemittel 9c ist integriert mit der
Heizkeramik 10, genauer einem über die Kanalwandung 4 nach
außen hervorragenden Teil der Halterung 10, ausgebildet.
Das dritte Partikelabweisemittel 9c ist als mechanisches
Partikelabweisemittel ausgebildet, welches hier durch eine Rütteleinrichtung 12 realisiert
ist. Die Rütteleinrichtung 12 erzeugt Schwingungen,
welche über die Halterung 10a weiter zu dem Heizelement 10b übertragen
werden. Durch die Schwingungen werden an der Heizkeramik 10 und/oder
an der Elektrode 6 anhaftende Partikel mechanisch entfernt
oder ein Anhaften verhindert oder reduziert.
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In
einer anderen Ausführungsform kann mindestens ein Partikelabweisemittel 9 unterschiedlich ausgeführt
sein und/oder auf eines oder zwei der Partikelabweisemittel 9a, 9b, 9c verzichtet
werden. Eine andere Ausführungsform zeigt 2.
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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,
unterscheidet sich lediglich durch die Ausführung des zweiten
Partikelabweisemittels 9b, wobei zur einfacheren Darstellung
das Partikelabweisemittel 9c nicht explizit dargestellt
ist, wobei dieses genauso wie das erste Partikelabweisemittel 9a auch
entfallen kann. Der elektrostatische Abscheider 1' ist
in einer Abgasleitung 2 (nur teilweise dargestellt) einer
hier nicht weiter dargestellten Abgasreinigungsanlage angeordnet und
umfasst einen Strömungskanal 3. Der Strömungskanal 3 ist
als rohrförmiger Abschnitt der Abgasleitung 2 ausgebildet
und umfasst eine Kanalwandung 4 und ein Kanalinneres 5.
Durch den Strömungskanal 3 strömt ein
hier nicht dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas in die ebenfalls
nicht dargestellte Strömungsrichtung. Im Inneren des Strömungskanals 3 erstreckt
sich in Strömungsrichtung die Elektrode 6, die
vorliegend als geschlossene Drahtschleife 6b ausgebildet
ist und das zweite Partikelabweisemittel 9b und die Elektrode 6 in
einem gemeinsamen Bauteil – einer direktbeheizten Elektrode – ausbildet.
Gespeist wird die Elektrode 6 über eine Elektrodenzuführung 7,
welche mit dem Isolator 8 ummantelt ist.
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Zur
besseren Darstellbarkeit ist das dritte Partikelabweisemittel 9c in
der schematischen 2 nicht dargestellt. Das dritte
Partikelabweisemittel 9c kann wie in 1 ausgebildet
sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Partikelabweisemittel 9c zum
Beispiel als Fluideindüsungseinrichtung ausgebildet sein.
Diese dient dazu, die Sprühelektrode 6 und ggf.
weitere partikelbehaftete Teile mittels eines Strahls oder mehrerer
Strahlen von den Partikeln zu befreien.
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Um
den elektrostatischen Abscheider 1' entsprechend zu betreiben,
sodass das als beheizbare Drahtschleife ausgebildete zweite Partikelabweisemittel 9b sowohl
eine Heizfunktion als auch eine Spannungsfunktion durchführt,
sind Mittel zum Hochspannungs- und Heizbetrieb 13 vorgesehen.
Die Mittel 13 umfassen eine Transformatoreinrichtung 14, die
in 3 näher beschrieben ist.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Leistungsversorgung des erfindungsgemäßen Abscheiders 1 bzw. 1'.
Dargestellt ist eine (Trenn) Transformatoreinrichtung 14,
genauer deren Wicklungen, eine Primärwicklung 14a und
einer Sekundärwicklung 14b. Weiter ist ein Hochspannungsmodul 15 leitend
mit der Sekundärwicklung 14b verbunden. Die Transformatoreinrichtung 14 mit
den Wicklungen 14a, 14b und dem Hochspannungsmodul 15 sowie
den entsprechenden Leitungen 16 bilden u. a. die Mittel
zum Hochspannungs- und Heizbetrieb 13 des elektrostatischen
Abscheiders 1, 1'. Die Funktionsweise ist im Wesentlichen
Folgende:
Die Elektrode 6 liegt auf einem Hochspannungs-Niveau
(etwa 12–25 kV). Die zuvor aufgeführte Beheizung
oder Heizfunktion der Elektrode 6 lässt sich auf mehrere
Weisen realisieren:
Es kann ein gleichzeitiger Hochspannungs-
und Heizbetrieb durchgeführt werden: Hierzu liegt die Elektrode 6 auf
einem Hochspannungs-Niveau (HV). Eine Niederspannungs-Heizungsversorgung
(NV) zur Realisierung der Heizfunktion erfolgt galvanisch völlig
getrennt von einem Erdniveau. Dieses wird durch die Trenntransformatoreinrichtung 14,
wie sie etwa auch in der Hochspannungsmesstechnik als Stromwandler
eingesetzt wird, realisiert. Zur Vermeidung von HV-Überschlägen
sind die Wicklungen vergossen, ihre Isolation muss jeweils die Hälfte
des Wertes der Hochspannung gegenüber dem Eisenkern der
Trenntransformatoreinrichtung 14 absichern.
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Weiter
kann ein schnell alternierender Betrieb durchgeführt werden:
Hierzu liegt die Elektrode 6 abwechselnd auf HV-Niveau
oder wird auf Erdpotenzial von einem Heizstrom durchflossen. Eine
Betriebsfrequenz hängt von der Geometrie der Elektrode 6 und
der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgasrohr
ab und liegt typischerweise etwa zwischen 5 und 50 Hz. Eine thermische
Masse der Elektrode 6 glättet dabei deren pulsartige
Beheizung. Die entsprechenden Abgaspartikel werden entsprechend
von einem gepulsten Corona-Strom aufgeladen. Die Umschaltung von
NV- auf HV-Niveau erfolgt durch einen geeigneten Schalter, der ebenfalls
von den Mitteln zum Hochspannungs- und Heizbetrieb des elektrostatischen
Abscheiders 1, 1' umfasst ist.
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Weiter
kann ein langsamer, alternierender Betrieb durchgeführt
werden: Hierbei liegt die Elektrode 6 während
des Betriebs permanent auf HV-Niveau. In geeigneten Betriebsintervallen
(nach ca. 5–10 Betriebsstunden), die durch eine Degradation der
Spannungs-Kennlinie detektiert werden können, wird die
HV abgestellt und die Elektrode 6 wird über einen
geeigneten Schalter auf NV-Niveau gelegt und für eine vorgegebene
Zeit (etwa 20–60 s) beheizt. Zweckmäßigerweise
geschieht dies am besten bei abgeschalteter Verbrennung.
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Die
Beheizung erfolgt jeweils bis zu einer Zündtemperatur des
anhaftenden Rußes (welche zum Beispiel etwa bei 600°C
liegen kann). Hierfür ist bei entsprechenden Eigenschaften
der Elektrode 6 (zum Beispiel bei einer Elektrodenlänge
I = 0,5 m, einem Elektrodendurchmesser D = 0,3–0,4 m, Elektrodenmaterial:
Chrom-Nickelstahl) eine Heizleistung von etwa ca. 20–30
W erforderlich. Nach einer thermischen Regeneration ist die Elektrode 6 wieder
für den Einsatz als Aufladeeinheit betriebsbereit. Diese Betriebsweise
ist vor allem bei Heizanlagen, welche Feinstaub mit hohem (brennbaren)
Kohlenstoffanteil emittieren, geeignet, zum Beispiel bei Scheitholzöfen oder
Scheitkesseln. Die bauliche Ausführung des HV-Schalters
ist für die letzte beschriebene Betriebsweise einfacher
als bei den zuvor aufgeführten Betriebsweisen, wobei die
Elektrode 6 nicht permanent durch die Thermophorese vor
Feinstaubkontamination geschützt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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