DE102011110805A1

DE102011110805A1 - Elektronischer Feinstaubabscheider

Info

Publication number: DE102011110805A1
Application number: DE102011110805A
Authority: DE
Inventors: Peter Oertmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-16
Also published as: DE102011110805B4

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrostatischen Abscheiden von Feinstaubpartikeln aus Gasen, die ein Lochplatten (6) und Elektroden (4, 5) enthaltenes Gehäuse (1) durchströmen. Zwischen der anströmöffnungsseitigen Elektrode (4) und der oder den abströmseitigen positiv gepolten Elektroden (5) wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Das Entfernen von negativ geladenen Feinstaubpartikeln (9) erfolgt durch Ablagerung auf der Anströmseite der Lochplatten (6) und von positiv geladenen Feinstaubpartikeln (11) auf deren Abströmseite. Ladungslose Feinstaubpartikel (10) werden nach der letzten Lochplatte (6) in einem Ionisationsraum (8) aufgeladen und lagern sich auf der Abströmseite der letzten Lochplatte (6) ab.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Feinstaubabscheider, der insbesondere Feinstaubpartikel im Bereich von 0,05–0,5 μm aus Gasen entfernt und der vorzugsweise als Feinstaubabscheider bei der Reinigung von Abluft aus der Druck- und Kopiertechnik einsetzbar ist.
Bekannt ist aus der DE 20 2007 011 263 U1 ein Filtersystem zum Filtern der Abluft bei Kopier- und Druckvorgängen, bei dem das Filtersystem mindestens einen flach ausgebildeten Feinstaubfilter aus Papier, Textilgewebe oder dergleichen sowie ein Verschlussmittel aufweist, das zur Befestigung des Filtersystems direkt auf der feinstaubabgebenden Öffnung des Gerätes dient.
Derartige Filter haben den Nachteil, dass sie sich sehr schnell zusetzen, der Filterwiderstand sich erhöht und damit die Funktionsfähigkeit der notwendigen Lüftung (Kühlung) infrage gestellt wird.
Aus der DE 20 2010 010 652 U1 ist es weiter bekannt, in einer Hülse angeordnete Metallfädenfilter, Metallblechfilter oder Stahlwolle einem magnetischen Feld auszusetzen, so dass der Feinstaub aus der Luft beim Durchströmen der Hülse absorbiert wird.
Hintergrund dieser Entwicklungen ist die Tatsache, dass durch die Übertragung des Toners auf das Papier sowie die Erhitzung beim Druck- oder Kopiervorgang winzige Partikel im Nanobereich freigesetzt werden. Es gilt zwischenzeitlich als erwiesen, dass Laserdrucker und Farbkopierer zu den stärksten Feinstaub-Quellen zählen. Feinstaub ist enorm gesundheitsschädlich und kann unter anderem zu Kopfschmerzen, gereizten Augen und sogar Krebs führen. Von besonderem Interesse sind dabei Partikelgrößen von 0,05 μm–0,500 μm, da diese durch den menschlichen Körper nicht ausgeschieden werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall begrenzt.
Bekannt sind auch Elektroabscheider, die auf dem elektrostatischen Prinzip beruhen. Dabei wird eine elektrische Ladung erzeugt. Die Aufladung der Staubpartikel erfolgt beim Durchleiten der die Staubpartikel enthaltenen Luft durch das elektrische Feld. Die geladenen Staubpartikel werden zur Niederschlagselektrode transportiert, haften an dieser Niederschlagselektrode an und müssen in zeitlichen Abständen entfernt werden. Beispielhaft soll hier auf die DE 35 35 826 C2 oder die EP 1 033 171 B1 verwiesen werden.
Typischerweise beruhen solche Abscheider in der einen oder anderen Weise auf der Ionisierung der Partikel durch ein elektrisches Feld mit festgelegter hoher Spannung, so dass diese durch elektrostatische Kräfte gefangen und festgehalten werden können. Der dahinter stehende technische Mechanismus der Ladungserzeugung ist die Stoßionisation, bei der im Gas vorhandene freie Elektronen im elektrischen Feld der Korona in der Umgebung der Sprühelektrode stark beschleunigt werden. Beim Auftreffen auf Gasmoleküle werden entweder weitere Elektronen abgespaltet oder an die Gasmoleküle angelagert. Im ersten Fall entstehen so neue freie Elektronen und positive Gasionen, im zweiten Fall negative Gasionen. Die positiven Gasionen werden vom Sprühgitter neutralisiert, während die negativen Ladungen (freie Elektronen und Gasionen) in Richtung der Niederschlagselektrode wandern.
Die Aufladung eines Staubteilchens beginnt mit seinem Eintritt in den vom Sprühstrom durchflossenen Raum und wird verursacht durch die Anlagerung von Ladungen, wenn diese mit dem Staubkorn zusammenstoßen. Der Aufladevorgang erfolgt bei den kleinen Staubpartikeln (d < 0,1 μm) durch Diffusionsaufladung. Dabei werden die Staubpartikel durch von der thermischen Bewegung der Gasmoleküle verursachte Stoßvorgänge aufgeladen.
In kleineren Abscheidern werden die Partikel < 0,1 μm bis ca. 40 μm positiv geladen (Penney-Prinzip), weil dabei kein Ozon entsteht. In großen Industriefiltern nutzt man die Negativaufladung der Staubteilchen (Cotrell-Prinzip).
Beim Penney-Prinzip wird mit einer positiven Korona gearbeitet, die um die positiv gepolte Sprühelektrode erzeugt wird. Die Ionisation erfolgt bei 12 bis 14 KV. Die Niederschlagszone weist dabei Plattenkondensatoren mit abwechselnd negativ und positiv geladenen Niederschlagsplatten auf (Stieß, Mechanische Verfahrenstechnik, Bad 2, Spinger Berlin 1997, S. 40, 45, DE 10 2006 033 945 B4 ).
Für den genannten Verwendungszweck der Filterung von Feinstäuben aus der Ablauft von Druck- und Kopiertechnik sind die nach dem Cotrell-Prinzip arbeitenden Abscheider wegen des entstehenden Ozons nachteilig und die ausschließlich nach dem Penney-Prinzip arbeitenden wegen der Partikelablöungsgefahr.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Filter vorzuschlagen, der zuverlässig und über einen definierten Zeitraum wartungsfrei Feinstaubpartikel, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,05–0,5 μm aus einem Luftstrom entfernt. Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrensanspruches 1 und des Vorrichtungsanspruches 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß sind bei einem Verfahren zum elektrostatischen Abscheiden von Feinstaubpartikeln aus Feinstaubpartikel enthaltenen Gasen, die ein Lochplatten und Elektroden enthaltenes Gehäuse durchströmen, wobei mindestens die Lochplatten quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind, mindestens folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

– Aufbau eines elektrischen Feldes zwischen der anströmöffnungsseitigen Elektrode und der oder den abströmseitigen positiv gepolten Elektroden,
– Entfernen von negativ geladenen Feinstaubpartikeln durch Ablagerung auf der Anströmseite der Lochplatten,
– Entfernen von positiv geladenen Feinstaubpartikeln durch Ablagerung auf der Abströmseite der Lochplatten
– und Entfernen von ladungslosen Feinstaubpartikeln oder von Feinstaubpartikeln mit zu geringer Ladung nach der letzten Lochplatte durch Aufladen in einem Ionisationsraum und Ablagerung auf der Abströmseite der letzten Lochplatte.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind in Strömungsrichtung die Öffnungen benachbarter Lochplatten versetzt angeordnet, so dass der aus einer Öffnung austretende Gasstrom auf eine Ablagefläche für negativ geladene Feinstaubpartikel der nachfolgenden Lochplatte trifft und in die Lochplattenebene abgelenkt wird.
Der austretende Gasstrom lässt sich dann so ausbilden, dass der Gasstrom beim Auftreffen auf die Ablagefläche in seinem Zentrum einen Sog zur Ablagefläche hin entstehen lässt. Neben den elektrostatische Kräften wirkt so eine zusätzliche Kraft zur Ablagerung von Feinstaubpartikeln.
Natürlich wäre es auch möglich, eine umgekehrte Elektrodenpolung vorzusehen, wodurch die auf den Ablageflächen abgelagerten Feinstaubpartikel dann ebenfalls eine entgegengesetzte Polung aufweisen würden. In diesem Falle müsste aber entstehendes Ozon beseitigt werden.
Durch eine Gasstromentspannung im Ionisationsraum lässt sich in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der für die Ionisation zur Verfügung stehende Zeitraum erhöhen. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum elektrostatischen Abscheiden von Feinstaubpartikeln aus Feinstaubpartikel enthaltenen Gasen sind mindestens in einem Gehäuse in Strömungsrichtung zwischen einer Einströmöffnung und einer Ausströmöffnung nacheinander und beabstandet angeordnet:

– eine Elektrode, die geerdet ist oder negativ gepolt ist
– zwei oder mehr quer zur Strömungsrichtung das Gehäuse ausfüllende Lochplatten, wobei die Öffnungen benachbarter Lochplatten in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind und
– eine oder mehrere Elektroden, die positiv gepolt sind,

Zwischen der einströmöffnungsseitigen Elektrode und der oder den ausströmöffnungsseitigen Elektroden besteht ein elektrisches Feld.
Die eingesetzten Elektroden sind siebartig oder netzartig ausgebildet, vorzugsweise eine ebene Fläche bildend.
Durch eine gegenüber der letzten Lochplatte größere Durchströmfläche der Elektroden im Bereich der Ausströmöffnung findet in einer vorteilhaften Ausführung im Ionisationsraum eine Gasentspannung statt, wodurch sich die für die Ionisation zur Verfügung stehende Zeit vergrößert.
Die an die ausströmöffnungsseitige Elektrode oder die Elektroden angelegte Spannung ist so bemessen, dass eine Stoßionisation im Ionisationsraum zwischen der letzten Lochplatte und der oder den ausströmöffnungsseitigen Elektroden bewirkbar ist.
Die Lochplatten selbst bestehen aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, vorzugsweise aus einem Kunststoff.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen benachbarten Lochplatten und die Lochgröße so auf die Gasströmung abgestimmt sind, dass der austretende Gasstrom beim Auftreffen auf die Ablagefläche der folgenden Lochplatte in seinem Zentrum einen Sog zur Ablagefläche hin entstehen lässt.
Der Feinstaubabscheider soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigen:
1 den Querschnitt in Strömungsrichtung,
2 das Ablagern von Feinstaubparikeln,
3 den Ionisationsraum und
4 den Konzentrationsverlauf von Feinstaubpartikeln vor und hinter dem Abscheider bei eingeschaltetem Abscheider und nach dem Abschalten des Abscheiders.
1 zeigt den Querschnitt einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung zum elektrostatischen Abscheiden von Feinstaubpartikeln 9, 10, 11 aus Feinstaubpartikel enthaltener Abluft aus Kopiertechnik in Strömungsrichtung 14.
Im Gehäuse 1 sind in Strömungsrichtung 14 zwischen der Einströmöffnung 2 und der Ausströmöffnung 3 nacheinander und beabstandet angeordnet:

– eine Elektrode 4, die geerdet ist oder negativ gepolt ist
– vier quer zur Strömungsrichtung 14 das Gehäuse 1 ausfüllende Lochplatten 6, wobei die Öffnungen 7 benachbarter Lochplatten 6.1, 6.2; 6.2,6.3 und 6.3, 6.4 in Strömungsrichtung 14 versetzt angeordnet sind und
– vier Elektroden 5, die positiv gepolt sind.

Zwischen den Elektroden 4 und 5 besteht ein elektrisches Feld durch die an die Elektroden angelegte Spannung von 8–14 KV.
Der Abstand (a) zwischen den Kunststoffplatten 6 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 2–3 mm und die Breite (b) des Ionisationsraumes 8 ist 2–4 mm.
Die Elektroden 4 und 5 sind Siebe mit Siebdrahtdurchmessern von 0,05 mm und kleiner, die jeweils eine ebene Fläche bilden.
Durch die an die Elektroden 5 anliegende Spannung von 8–14 KV ist im Ionisationsraum 8 zwischen der letzten Lochplatte 6.4 und den Elektroden 5 eine Stoßionisation bewirkbar.
Die Lochplatten 6 bestehen aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff, wobei die Oberfläche der Lochplatten 6 aufgerauht ist. Der Lochdurchmesser der Öffnungen 7 der Lochplatten 6 beträgt 1,5–2,2 mm, vorzugsweise 1,8–2 mm und der Abstand der Mittelpunkte benachbarter Öffnungen 7 zueinander beträgt ca. 6 mm.
Die Beschreibung lässt erkennen, dass der Feinstaubabscheider eine kompakte Form aufweist. Trotz dieser vergleichsweise geringen räumlichen Ausdehnung von ca. 15–25 mm in Strömungsrichtung 14 gestattet der Abscheider z. B. die Feinstaubadsorption bei der Herstellung von rund 100 000 Kopien, ohne dass es einer Wartung bedarf.
Die Funktionsweise soll anhand der 2 und der 3 erläutert werden.
2 zeigt einen Ausschnitt von zwei hintereinanderliegenden Lochplatten 6.1 und 6.2. Die Öffnungen 7 der Lochplatte 6.2 sind versetzt zu den Öffnungen 7 der Lochplatte 6.1 angeordnet.
Der Abstand (a) zwischen den Lochplatten 6.1 und 6.2 beträgt 2–3 mm und ist mit der Lochgröße so auf die Gasströmung abgestimmt, dass der austretende Gasstrom beim Auftreffen auf die Ablagefläche 13 der Lochplatte 6.2 in seinem Zentrum einen Sog zur Ablagefläche 13 hin entstehen lässt.
Die mit Feinstaubpartikeln 9, 10, 11 belastete Abluft trifft nach dem Durchströmen der geerdeten Elektrode 4 auf die elektrisch nichtleitende Lochplatte 6.1 und tritt durch die Öffnungen 7 in den Zwischenraum zwischen den Lochplatten 6.1 und 6.2 ein.
Die Feinstaubpartikel weisen entweder eine positive 11, eine negative 9 oder keine Ladung 10 auf.
Beim Einströmen in den Zwischenraum zwischen den Lochplatten 6.1 und 6.2 prallen die Feinstaubpartikel 9, 10, 11 auf die Anströmseite der Lochplatte 6.2, auf die hier vorhandene Ablagefläche 13.
Dabei wirken auf die Feinstaubpartikel 9, 10, 11 Kräfte des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 4 und 5, Strömungskräfte und die vorn erläuterten Sogkräfte.
Beim Aufprallen auf die Ablagefläche 13 der Anströmseite der Lochplatte 6.2 bleiben wesentliche Feinstaubpartikelanteile mit negativer Ladung hier haften.
Der verbleibende Feinstaubpartikelanteil prallt von der Ablagefläche 13 ab und trifft auf die Abströmseite der Lochplatte 6.1. Aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes lagern sich auf dieser Abströmseite auf den hier vorhandenen Ablageflächen 12 Teile der positiv geladenen Feinstaubpartikel 11 ab.
Der verbleibende Feinstaubpartikelanteil gelagt durch die Öffnungen 7 der Lochplatte 6.2 in den Zwischenraum zwischen den Lochplatten 6.2 und 6.3. Hier wiederholt sich der Abscheidevorgang in der vorab geschilderten Weise.
Eine Verstopfung der Öffnungen 7 bzw. der Zwischenräume wird dadurch vermieden, dass eine Reduzierung des Strömungsquerschnittes zu größeren Strömungsgeschwindigkeiten führt, wodurch Anlagekräfte überwunden werden und der in den nächsten Zwischenraum weiterströmende Feinstoffpartikelanteil sich vergrößert.
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass das Entfernen von negativ geladenen Feinstaubpartikeln 9 durch Ablagerung auf der Anstörmseite der Lochplatten 6 erfolgt und das Entfernen von positiv geladenen Feinstaubpartikeln 11 durch Ablagerung auf der Abströmseite der Lochplatten 6.
3 zeigt den Ionisationsraum 8 zwischen der letzten Lochplatte 6.4 und der Elektrode 5, die positiv gepolt ist und an der eine Spannung von 8–14 KV anliegt.
Aufgrund der Abscheidung von positiv und negativ geladenen Feinstaubpartikeln treten in den Ionisationsraum 8 nur Partikel mit einer sehr schwachen Ladung oder neutrale Feinstaubpartikel 10 ein. Diese Feinstaubpartikel 10 und die Feinstaubpartikeln mit geringer Ladung werden im Tonisationsraum durch Diffusionsaufladung positiv aufgeladen, mit der Folge, dass sie sich in Richtung Abströmseite der letzten Lochplatte 6 bewegen und sich hier anlagern.
Das Entfernen von ladungslosen Feinstaubpartikeln 10 oder von Eeinstaubpartikeln mit zu geringer Ladung erfolgt somit nach der letzten Lochplatte durch Aufladen in einem Ionisationsraum 8 und Ablagerung auf der Abströmseite der letzten Lochplatte 6.
In 4 ist der Konzentrationsverlauf von Feinstaubpartikeln vor dem Abscheider und nach dem Abscheider über die Zeit dargestellt. Mit dem vorgeschlagenen Abscheider werden mindestens Abscheideraten von 90 bis 96% erreicht.
Während nach dem Einschalten des Abscheiders die Feinstaubkonzentration (Kurve 3) sprunghaft abfällt und sich auf einen nahezu konstanten Wert einpegelt (Fig. oben) steigt die Konzentration mit dem Abschalten wieder deutlich an (Kurve 3 in Fig. unten).
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Einströmöffnung
3: Ausströmöffnung
4: Elektrode geerdet oder minus gepolt
5: Elektroden positiv gepolt
6: Lochplatten
7: Öffnungen der Lochplatten
8: Ionisationsraum
9: Feinstaubpartikel negativ geladen
10: Feinstaubpartikel ladungslos
11: Feinstabpartikel positiv geladen
12: Ablagerung von positiv geladenen Feinstaubpartikeln
13: Ablagerung von negativ geladenen Feinstaubpartikeln
14: Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007011263 U1 [0002]
DE 202010010652 U1 [0004]
DE 3535826 C2 [0006]
EP 1033171 B1 [0006]
DE 102006033945 B4 [0010]

Claims

Verfahren zum elektrostatischen Abscheiden von Feinstaubpartikeln aus Feinstaubpartikel enthaltenen Gasen, die ein Lochplatten und Elektroden enthaltenes Gehäuse durchströmen, wobei mindestens die Lochplatten quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind, mit folgenden Verfahrensschritten: – Aufbau eines elektrischen Feldes zwischen der anströmöffnungsseitigen Elektrode (4) und der oder den abströmseitigen positiv gepolten Elektroden (5), – Entfernen von negativ geladenen Feinstaubpartikeln (9) durch Ablagerung auf der Anströmseite der Lochplatten (6), – Entfernen von positiv geladenen Feinstaubpartikeln (11) durch Ablagerung auf der Abströmseite der Lochplatten (6) und – Entfernen von ladungslosen Feinstaubpartikeln (10) oder von Feinstaubpartikeln mit zu geringer Ladung nach der letzten Lochplatte (6) durch Aufladen in einem Ionisationsraum (8) und Ablagerung auf der Abströmseite der letzten Lochplatte (6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (14) die Öffnungen (7) der Lochplatten (6) versetzt angeordnet sind, so dass der aus einer Öffnung (7) austretende Gasstrom auf eine Ablagefläche (13) für negativ geladene Feinstaubpartikel der nachfolgenden Lochplatte (7) trifft und in die Lochplattenebene abgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der austretende Gasstrom beim Auftreffen auf die Ablagefläche (13) in seinem Zentrum einen Sog zur Ablagefläche (13) hin entstehen lässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polung der Elektroden (4, 5) umgekehrt erfolgt, wodurch die Ablagerungsflächen (12, 13) durch Feinstoffpartikel mit umgekehrten Vorzeichen belegt werden und eine Ozonbeseitigung Abscheiderausgangsseitig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Ionisationsraum (8) eine Gasentspannung stattfindet.
Vorrichtung zum elektrostatischen Abscheiden von Feinstaubpartikeln aus Feinstaubpartikel enthaltenen Gasen bei der mindestens in einem Gehäuse (1) in Strömungsrichtung (14) zwischen einer Einströmöffnung (2) und einer Ausströmöffnung (3) nacheinander und beabstandet angeordnet sind: – eine Elektrode (4), die geerdet ist oder negativ gepolt ist, – zwei oder mehr quer zur Strömungsrichtung (14) das Gehäuse (1) ausfüllende Lochplatten (6), wobei die Öffnungen (7) benachbarter Lochplatten (6.1, 6.2) in Strömungsrichtung (14) versetzt angeordnet sind, – eine oder mehrere Elektroden (5), die positiv gepolt sind, und – zwischen den Elektroden (4) und (5) ein elektrisches Feld besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4) und (5) siebartig oder netzartig ausgebildet sind, vorzugsweise eine ebene Fläche bildend.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5) eine größere Gasdurchströmfläche aufweisen als die letzte Lochplatte (6.4).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die an die Elektroden (5) angelegte Spannung eine Stoßionisation im Ionisationsraum (8) zwischen der letzten Lochplatte (6) und der ersten Elektrode (5) bewirkbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatten (6) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen, vorzugsweise aus einem Kunststoff.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Lochplatten (6.1, 6.2) und die Lochgröße so auf die Gasströmung abgestimmt sind, dass der austretende Gasstrom beim Auftreffen auf die Ablagefläche (13) der folgenden Lochplatte in seinem Zentrum einen Sog zur Ablagefläche (13) hin entstehen lässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Lochplatten (6) aufgerauht ist.