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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 11.
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Aufgrund
der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen,
derartige Emissionen zu reduzieren, 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 als ein Schadstoffanteil ist bei Biomasse-Heizungsanlagen
ein Problem.
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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 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 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 folgenden
Effekt gestört werden:
Bei dem Betrieb von elektrostatischen
Abscheidern in mit Feinstaub kontaminiertem Abgas kommt es zu einem
sogenannten Corona Quenching. Corona Quenching entsteht, falls im
Fall hoher Partikelkonzentration, etwa > 1014 Partikel/m3, die geladenen Partikel eine Ladungswolke,
also ein Raumladungsfeld, bilden, welche die Sprühelektrode
umgibt. Die Ladungswolke verzerrt die Feldverteilung in der Aufladeeinheit
und schwächt das elektrische Feld in der Nähe
der Sprühelektrode. Dadurch wird die Feldemission freier
Elektronen aus der Oberfläche des Sprühdrahtes
reduziert, wodurch weniger Gas-Ionen zur Verfügung stehen
und folglich die Aufladung weiterer Feinstaubpartikel verringert
wird. Gleichzeitig wird die Bewegung der geladenen Feinstaubpartikel zur
Aufladeelektrode hin beeinträchtigt. Die Aufladung der
Staubpartikel erstreckt sich nicht mehr auf den gesamten Querschnitt
des Abgasrohres, sondern findet nur in einem kleinen Bereich um
die Sprühelektrode herum statt. Die Abscheideleistung des
Systems sinkt entsprechend ab.
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Das
beschränkte Entstehungsgebiet neuer Ladungsträger
ist schematisiert als Zylinder um die Sprühelektrode dargestellt.
Corona Quenching trifft vor allem für laminare Strömungsfelder
zu, wie sie häufig für die kleinen Strömungsgeschwindigkeiten elektrischer
Abscheider vorliegen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Abscheider
zu schaffen, der weniger anfällig für das Corona-Quensching
ist.
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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 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäße elektrostatische Abscheider ist
dadurch gekennzeichnet, dass bei dem elektrostatischer 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 einer Coronaentladungszone mittels eines elektrischen
Feldes zwischen der Elektrode und der Kanalwandung, vorgesehen ist,
dass Mittel zur Erzeugung mindestens einer weiteren Coronaentladungszone
umfasst sind, welche ein Corona-Quenching verhindern oder zumindest
reduzieren, um die Abscheideleistung des elektrostatischen Abscheiders
zu verbessern.
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In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
elektrostatischen Abscheiders ist vorgesehen, dass die Mittel mindestens
einen von der Elektrode verzweigenden Sprühelektrodenabschnitt
umfassen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der
Sprühelektrodenabschnitt als Sprühelektrodenspitzenteil
und/oder Sprühelektrodenkantenteil ausgebildet ist.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, dass der Sprühelektrodenabschnitt quer,
insbesondere radial von der Elektrode abzweigt.
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Ein
Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Abscheiders sieht
weiter vor, dass der Sprühelektrodenabschnitt längs,
insbesondere axial von der Elektrode abzweigt.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass mehrere Sprühelektrodenabschnitte von der
Elektrode abzweigen.
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Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
sieht vor, dass die Sprühelektrodenabschnitte derart verteilt
an der Elektrode angeordnet sind, dass eine gleichmäßige,
insbesondere homogenisierte Anordnung der Cononaentladungszonen
realisiert ist.
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Weiter
sieht ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung vor, dass mindestens zwei der Sprühelektrodenabschnitte
unterschiedlich zueinander, insbesondere unterschiedlich lang, unterschiedlich
dick und/oder unterschiedlich gekrümmt, ausgebildet sind.
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In
wiederum einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass die Elektrode mit den Sprühelektrodenabschnitten
nach Art eines Stacheldrahts und/oder nach Art eines Tannenbaums
ausgebildet ist.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist darüber hinaus vorgesehen, dass längs
der Elektrode an mindestens zwei Stellen jeweils mindestens zwei
Sprühelektrodenabschnitte im Wesentlichen radial zur Elektrode
angeordnet sind, wobei die Längen der an einer Stelle angeordneten
Sprühelektrodenabschnitte im Wesentlichen gleich sind und
sich von den Längen der an einer anderen Stelle angeordneten
Sprühelektrodenabschnitte unterscheiden.
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Das
erfindungsgemäße Heizungssystem zur Erzeugung
von Wärmeenergie mittels Verbrennen von einem Energieträger
wie Biomasse ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Feinstaub emittierende Heizungsanlage
wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers,
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:
Die oben beschriebenen
Mittel, insbesondere die sich daraus ergebende Geometrie und der
Aufbau der Aufladungselektrode mit entsprechenden Verzweigungen
ermöglicht eine homogenere Verteilung des Aufladungsbereichs über
den Querschnitt des Abgasrohres. Dadurch können trotz kurzer
Reichweite der für die Aufladung zur Verfügung
stehenden Gas-Ionen die Feinstaubpartikel elektrisch geladen werden.
Damit erhöht sich die Abscheideeffizienz des Systems auch
in hoch kontaminierten Abgasströmen. Die Auswirkungen des
Corona Quenching werden entsprechend aufgehoben.
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Dadurch
wird die Effektivität des elektrostatischen Abscheiders
erhöht, was zu einer Vermeidung bzw. Reduzierung von Feinstaubablagerungen
auf der Elektrode führt.
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Die
Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dar und zeigen in den Figuren:
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1 schematisch
in einem Längsquerschnitt und einer Draufsicht einen Ausschnitt
eines elektrostatischen Abscheiders mit verzweigenden Sprühelektrodenabschnitten
und
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2 schematisch
zwei perspektivische Ansichten zweier Ausführungsbeispiele
einer Elektrode mit mehreren Sprühelektrodenabschnitten.
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1 zeigt
schematisch in einem Längsquerschnitt und einer Draufsicht
einen Ausschnitt eines elektrostatischen Abscheiders 1 umfassend
eine Elektrode 6 mit verzweigenden Sprühelektrodenabschnitten 6a.
Der elektrostatische Abscheider 1 ist für ein
hier nicht dargestelltes Heizungssystem zur Erzeugung von Energie
mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse
ausgebildet. Das Heizungssystem umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform
eine Heizungsanlage, die als eine Feinstaub emittierende Heizungsanlage
wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen eines entsprechenden
Biomasse-Energieträgers ausgebildet ist. Bei dieser Verbrennung
entstehen partikelbeinhaltende Abgase, die durch ein Abgasrohr oder
eine Abgasleitung 2 ausgestoßen werden. Der elektrostatische
Abscheider 1 ist zumindest teilweise in der Abgasleitung 2 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 das hier
durch einen Pfeil P dargestellte, partikelbeinhaltende Abgas in
die ebenfalls durch den Pfeil P dargestellte Strömungsrichtung.
Im Inneren 5 des Strömungskanals 3 erstreckt
sich in Strömungsrichtung P die 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 (hier nicht dargestellt) ausgebildet. Die Elektrode 6 erstreckt
sich im Wesentlichen entlang dieser Mittelachse. Die Elektrode 6 ist
in 1 in dem hier vertikal dargestellten Abschnitt
der Abgasleitung 3 ausgebildet. 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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Zwischen
der Sprühelektrode 6 und dem als Niederschlagelektrode
ausgebildeten, die Elektrode 6 umgebenden Abgasrohr 2 wird
eine elektrische Hochspannung angelegt, wodurch sich an der Sprühelektrode 6 eine
Coronaentladung ausbildet. In dem elektrostatischen Abscheider 1 werden
durch Feldemission oder Coronaentladungen an der Sprühelektrode 6 freie
Ladungsträger in Form von freien Elektronen und damit ionisierten
Gas-Molekülen in den Aufladebereich 9 injiziert.
Die Ladungsträger strömen dann im elektrischen
Feld entsprechend ihrer Ladung zur positiven bzw. negativen Elektrode.
Treffen die Ladungsträger auf Staubpartikel, so werden
diese unipolar aufgeladen. Ein Großteil der Partikel lagert sich
schließlich auf der Niederschlagselektrode an und bleibt
dort haften. Stromabwärts der Aufladeeinheit findet ebenfalls
eine Abscheidung von Partikeln auf der Innenwand des anschließenden
Abgasrohres 2 bzw. eines Kamins statt, da die unipolar
geladenen Partikel eine Ladungswolke 10 bilden (hier schraffiert um
die Sprühelektrodenabschnitte dargestellt) und durch Abstoßungskräfte
an die Rohrwand 4 strömen.
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Eine
bekannte technische Schwierigkeit bei dem Betrieb von elektrostatischen
Abscheidern 1 in mit Feinstaub hoch kontaminiertem Abgas
ist das sogenannte Corona Quenching. Es entsteht, falls im Fall
hoher Partikelkonzentration (insbesondere größer
1014 Partikel/m3)
die geladenen Partikel die Ladungswolke 10 – auch
als Raumladungsfeld bezeichnet – bilden, welche die Sprühelektrode 6 umgibt.
Die Ladungswolke 10 verzerrt die Feldverteilung und schwächt
das elektrische Feld in der Nähe der Sprühelektrode 6.
Dadurch wird die Feldemission freier Elektronen aus der Oberfläche
der Sprühelektrode reduziert, wodurch weniger Gas-Ionen
zur Verfügung stehen und folglich die Aufladung weiterer
Feinstaubpartikel verringert wird. Gleichzeitig wird die Bewegung
der geladenen Feinstaubpartikel zur Aufladeelektrode 6 hin
beeinträchtigt. Die Aufladung der Staubpartikel erstreckt
sich nicht mehr auf den gesamten Querschnitt des Abgasrohres 2,
sondern findet nur in einem kleinen Bereich um die Sprühelektrode 6 herum
statt. Die Abscheideleistung des Systems sinkt entsprechend ab.
Das beschränkte Entstehungsgebiet neuer Ladungsträger
ist schematisiert als Zylinder um die Sprühelektrode dargestellt. Diese Überlegungen
treffen vor allem für laminare Strömungsfelder
zu, wie sie häufig für die kleinen Strömungsgeschwindigkeiten
elektrischer Abscheider 1 vorliegen.
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Für
eine Steigerung der Effektivität des elektrostatischen
Abscheiders 1 wird der geometrisch zugängliche
Aufladungsbereich 9 erweitert, sodass die Abscheideleistung
des Systems erhöht ist. Dies wird durch eine Vervielfachung
und optimierte Verteilung der Coronaentladungs-Zonen erreicht. Die
dafür erforderliche Sprühelektrode 6 ist
mit einer Vielzahl an Sprühelektrodenabschnitten 6a ausgebildet,
die in dem Ausführungsbeispiel nach 1 als kleine
Spitzen bzw. Kanten ausgeformt sind. Die Feldstärke ist hier
besonders hoch, da diese umgekehrt proportional zum Krümmungsradius
einer Geometrie ist. Die Spitzen oder Kanten o. ä. sind
bevorzugt gleichmäßig über den Querschnitt
der Aufladeeinheit verteilt sein. Auf diese Weise werden mehrere
kleine Aufladungsbereiche 9 geschaffen, welche die Aufladung
der Partikel über den ganzen Querschnitt der Aufladeeinheit
sicherstellen, wie dies anschaulich in der Draufsicht dargestellt
ist. Im Falle einer laminaren Strömung werden alle Staubpartikel
durch einen dieser Aufladungsbereiche 9 erfasst und aufgeladen.
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2 zeigt
schematisch zwei perspektivische Ansichten zweier Ausführungsbeispiele
einer Elektrode 6 mit mehreren Sprühelektrodenabschnitten 6a.
Die Elektrode 6 ist z. B. nach Art eines Stacheldrahts
mit als Stacheln ausgebildeten, Sprühelektrodenabschnitten 6a ausgeführt
(linke Abbildung in 2). In einer anderen Ausführungsform
(rechte Abbildung nach 2) sind die Sprühelektrodenabschnitte 6a mit
variabler Länge nach Art eines Tannenbaums realisiert.
Wie in 2 dargestellt, sind die verschiedenen Sprühelektrodenabschnitte 6a unterschiedliche,
insbesondere unterschiedlich lang ausgebildet. Dabei sind in einer
bevorzugten Ausführungsform über die Länge
der Elektrode 6 die Sprühelektrodenabschnitte 6a von
kürzeren Sprühelektrodenabschnitten 6a hin
zu längeren Sprühelektrodenabschnitten 6a hin
angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen sind an einzelnen
Knotenpunkten sowohl kürzere als auch längere
Sprühelektrodenabschnitte 6a angeordnet. In wiederum
anderen Ausführungsbeispielen sind an den Sprühelektrodenabschnitten 6a weitere
Sprühelektrodenabschnitte 6a, sogenannten Untersprühelektrodenabschnitte,
ausgebildet.
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In
beiden Ausführungsformen zweigen an in Längsrichtung
der Elektrode voneinander beabstandetenen Verzweigungsbereichen
mehrere Sprühelektrodenabschnitte 6a ab. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel zweigen an den Verzweigungsbereichen
jeweils 2 Sprühelektrodenabschnitte radial von der Elektrode
ab. Die Verzweigungsbereiche sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen äquidistant an der Sprühelektrode 6 angeordnet.
In anderen Ausgestaltungen variieren die Abstände. Bei
der links dargestellten Ausgestaltung mit Stacheln schneiden sich
die einzelnen Sprühelektrodenabschnitte 6a nicht
auf der Höhe der Elektrode 6. Bei der rechts dargestellten
Ausgestaltung nach Art eines Tannenbaums schneiden sich die Sprühelektrodenabschnitte 6a dagegen
im Wesentlichen im Bereich der Elektrode 6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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