DE102015203811A1

DE102015203811A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reinigung von geruchsbelasteter Luft

Info

Publication number: DE102015203811A1
Application number: DE102015203811.4A
Authority: DE
Inventors: Kai Sauerzapfe; Norbert Müller; Holger Wampers
Original assignee: Lapp Insulators Alumina GmbH
Current assignee: Alumina Systems GmbH
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Reinigung von Luft (z.B. 4) mittels Plasmaerzeugung, umfassend einen von der zu reinigenden Luft (z.B. 4) in einem Hauptstrom (3) durchströmbaren Abluftkanal (2), einen von Zuluft (7) in einem Nebenstrom (6) durchströmbaren, in den Abluftkanal (2) mündenden Zuluftkanal (5), wobei im Zuluftkanal (5) eine von der Zuluft (7) umströmbare Reinigungsanordnung (10) angeordnet ist, die eine Anzahl von Dielektrika (11) umfasst, auf deren Oberfläche jeweils wenigstens eine Elektrode (42, 44) in Form einer leitfähigen Beschichtung aufgebracht ist, und einen mit der wenigstens einen Elektrode (42, 44) ausgangsseitig verbundenen Wechselspannungsgenerator (14) zu einer Plasmaerzeugung in der Zuluft (7).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von insbesondere geruchsbelasteter oder mit Schadstoffen belasteter Luft mittels Plasmaerzeugung. Insbesondere sieht die Erfindung hierzu eine Plasmaerzeugung bei Atmosphären- oder Normaldruck mittels sogenannter dielektrisch behinderter Barrierenentladungen vor.
Verfahren und Vorrichtungen zur Reinigung von Luft mittels dielektrisch behinderter Barrierenentladungen sind beispielsweise aus der DE 195 18 970 C1 , der DE 103 44 489 A1 , der DE 10 2005 024 472 A1 oder der WO 2005/028081 A1 bekannt. Zur Plasmaerzeugung werden flächige Elektroden genutzt, die durch ein Dielektrikum voneinander isoliert sind. In der DE 10 2005 024 472 A1 wird eine Anordnung zur Plasmaerzeugung vorgeschlagen, wobei maschenförmige Elektroden auf dem Dielektrikum angeordnet sind. Durch Anlegen einer Wechselspannung an die durch ein Dielektrikum getrennten Elektroden kommt es in einem Nichtgleichgewichtszustand, insbesondere als Folge einer Ladungsansammlung an der Oberfläche des Dielektrikums, zu einer Plasmaerzeugung entlang den Elektrodenstrukturen.
Mit den im Stand der Technik bevorzugten planaren Strukturen lassen sich unter Normaldruck bzw. Atmosphärendruck insbesondere in Luft großflächige Oberflächenentladungen erzielen. Durch das entstehende Plasma werden verschiedenste chemische Reaktionen in der zu reinigenden Luft (allgemein: Gas) indiziert. Dabei entstehen als Folgeprodukte sehr reaktive Spezies, die mit den im Gas enthaltenen unerwünschten Komponenten reagieren. In der DE 10 2005 024 472 A1 ist insbesondere der Einsatz einer derartigen Plasmaerzeugung zur Beseitigung von Gerüchen in Abgasen oder in Abluft beschrieben, wobei in einer chemischen Folgereaktion des Plasmas Trägermoleküle von lästigen Gerüchen oder sogenannte VOC (volatile organic compounds) in geruchsfreie bzw. unschädliche Verbindungen zersetzt werden.
Aus der Dissertation von Emilia G. Dino: „Dielektrisch behinderte Barrierenentladungen für großflächige Plasmabehandlungen", Wuppertal, 2005 sind die Grundlagen einer dielektrisch behinderten Plasmaerzeugung sowie verschiedene Ansätze zu einer technischen Umsetzung beschrieben. Die dort experimentell untersuchte Elektrodenkonfiguration umfasst eine keramische Platte aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), der beidseitig mittels Sputtern oder mittels eines Siebdruckverfahrens Wolframelektroden aufgebracht sind. Auf einer Seite der Keramik weist die Elektrode eine kammförmige Struktur auf. Auf der gegenüberliegenden Seite der Keramik ist eine Elektrode in Form eines Rechtecks gebildet.
Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren sind die Elektroden unmittelbar in die Plasmaerzeugung eingebunden und sind daher hohen Belastungen ausgesetzt. Soll zudem Abluft oder Abgas aus Verbrennungsprozessen oder dergleichen behandelt werden, so sind die Elektrodenanordnungen zudem hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt. Günstige Elektrodenanordnungen, bei denen beispielsweise metallische Elektrodenstrukturen einem Dielektrikum aus Kunststoff aufgeklebt sind, können solchen Belastungen nachteiligerweise jedoch nicht standhalten. Auch widersteht der Klebstoff in Luft nicht der durch die Plasmaerzeugung hervorgerufenen erhöhten Ozonbelastung. Durch erhöhte Luftfeuchte oder durch andere Bestandteile der Abluft bzw. des Abgases können zudem durch Reaktionen mit dem Ozon weitere Stoffe entstehen, die die Elektroden bzw. die Metallisierung zusätzlich chemisch angreifen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Luft mittels Plasmaerzeugung anzugeben, wobei die eingesetzten Komponenten eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen sollen und wobei auch Abluft oder Abgas mit einer hohen Temperatur behandelt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Reinigung von Luft mittels Plasmaerzeugung, die einen von der zu reinigenden Luft in einem Hauptstrom durchströmbaren Abluftkanal, einen von Zuluft in einem Nebenstrom durchströmbaren, in den Abluftkanal mündenden Zuluftkanal, wobei im Zuluftkanal eine von der Zuluft umströmbare Reinigungsanordnung angeordnet ist, die eine Anzahl von Dielektrika umfasst, auf deren Oberfläche jeweils wenigstens eine Elektrode in Form einer leitfähigen Beschichtung aufgebracht ist, und einen mit der wenigstens einen Elektrode ausgangsseitig verbundenen Wechselspannungsgenerator zu einer Plasmaerzeugung in der Zuluft umfasst.
Die gestellte Aufgabe wird weiter erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, wobei in einem Nebenstrom aus Zuluft mittels einer umströmbaren Reinigungsanordnung, die eine Anzahl von Dielektrika umfasst, auf deren Oberfläche jeweils wenigstens eine Elektrode in Form einer leitfähigen Beschichtung aufgebracht ist, durch Anlegen einer Wechselspannung an die wenigstens eine Elektrode ein Plasma erzeugt wird, und wobei die plasmaaktivierte Zuluft stromab der Reinigungsanordnung einem Hauptstrom aus der zu reinigenden Luft zugeführt wird.
In einem ersten Schritt geht die Erfindung von der durch eigene Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis aus, dass die Ausbeute an Plasmaprodukten, also insbesondere an sehr reaktiven Spezies, die zu gewünschten Folgereaktionen mit unerwünschten Bestandteilen in der zu behandelnden Abluft oder im zu behandelnden Abgas benötigt werden, mit steigender Temperatur abnimmt. Dies liegt an der Temperaturabhängigkeit der Rekombinationsprozesse der Folgeprodukte des Plasmas. Bei höheren Temperaturen werden die Folgeprodukte des Plasmas durch Rekombination rascher abgebaut. Die Einbringung einer temperaturbeständigen Anordnung zur Plasmaerzeugung in ein heißes Abgas oder in eine heiße Abluft führt daher überraschenderweise nicht zu dem erwarteten Erfolg einer effizienteren Reinigung bzw. Geruchsbeseitigung.
Andererseits hat es sich gezeigt, dass die bei der Plasmaerzeugung gebildeten Folgeprodukte bei Raumtemperatur etwa eine Halbwertszeit im Bereich von mehreren 10 Sekunden aufweisen. Aufbauend aus dieser Erkenntnis sieht die Erfindung in einem zweiten Schritt vor, die Plasmaerzeugung überraschend nicht im Hauptstrom der zu behandelnden Abluft oder des zu behandelnden Abgases vorzunehmen, sondern die Plasmaerzeugung in einen Nebenstrom mit Zuluft zu verlagern. Die Zersetzung oder die Spaltung von lästigen Geruchsmolekülen oder von Schadstoffen geschieht dabei nicht mehr im Plasma selbst. Vielmehr wird nur die plasmaaktivierte Zuluft mit den noch vorhandenen Folgeprodukten des Plasmas in die zu behandelnde Abluft oder in das zu behandelnde Abgas eingebracht, wo sie mit den darin enthaltenen unerwünschten Bestandteilen reagieren. Mit anderen Worten ist in der Erfindung die Plasmaerzeugung und die Abbaureaktion der in der zu reinigenden Luft enthaltenen unerwünschten Bestandteile örtlich voneinander getrennt, wodurch zugleich eine Temperaturentkopplung der Anordnung zur Plasmaerzeugung gegenüber der zu behandelnden Luft oder Abluft erreicht ist.
Die Erfindung bietet im Übrigen den weiteren großen Vorteil der Möglichkeit einer Regelung der Abluftbehandlung über die Zuluft. So werden beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit der Zuluft, der Volumenstrom der Zuluft und/oder die Temperatur der Zuluft auf die Menge der zu behandelnden Geruchsmoleküle oder Schadstoffe in der Abluft bzw. im Abgas eingestellt. Selbstverständlich werden bevorzugt auch die Spannung und/oder die Wechselspannungsfrequenz des Spannnungsgenerators entsprechend eingestellt. Als Maß für die Menge der zu behandelnden Bestandteile wird beispielsweise die entsprechende Konzentration in der Abluft, der Volumenstrom der Abluft oder die Strömungsgeschwindigkeit der Abluft bestimmt. Mit anderen Worten wird im Rahmen der Erfindung bevorzugt die Menge an Folgeprodukten der Plasmaerzeugung auf die Menge an zu behandelnden Bestandteilen bzw. Molekülen eingestellt. Dies ist möglich, da die Plasmaerzeugung entkoppelt in einem Nebenstrom stattfindet.
Die Plasmaerzeugung findet gemäß der Erfindung in einem Nebenstrom statt, so dass günstige Materialen für die Reinigungsanordnung eingesetzt werden können, da die Temperaturbelastung erniedrigt ist. Bevorzugt ist dennoch wegen der Plasmabelastung ein temperaturbeständiger und dauerhafter Materialverbund aus Dielektrikum und Elektrode eingesetzt. Ein solcher beständiger Materialverbund ist insbesondere als ein keramisches Dielektrikum gegeben, dem eine jeweilige Elektrode in Form einer leitfähigen Beschichtung in Form einer Metallisierung aufgebracht ist. Die Beschichtung der Keramik mit der Metallisierung wird beispielsweise mittels CVD (chemical vapor deposition) oder PVD (physical vapor deposition) hergestellt. Vorteilhaft wird die leitfähige Beschichtung durch Siebdruck und anschließendes Einbrennen der Keramik aufgebracht. Insbesondere ist die Metallisierung dabei über eine Glasphase mit der Keramik dauerhaft und temperaturfest verbunden.
Die Erfindung ist im Übrigen nicht auf eine bestimmte äußere Form der Dielektrika beschränkt. Beispielsweise sind die Dielektrika in einer Ausgestaltungsvariante zylinderförmig ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die Dielektrika jedoch flächig in Form von Platten, insbesondere aus Keramik, ausgeführt. Durch Stapelung von Platten mit entsprechend darauf aufgebrachten Elektroden wird eine großvolumige Plasmaerzeugung in der Zuluft ermöglicht.
Sofern keramische Dielektrika eingesetzt sind, ist keine spezifische Keramik notwendig. Jedoch ist eine Aluminiumoxid-Keramik aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihrer hohen Durchschlagfestigkeit und ihrer chemischen Resistenz als keramisches Material für die Dielektrika zu bevorzugen. Zur technischen Umsetzung ist vorteilhafterweise als Aluminiumoxid ein Al₂O₃ mit einer Reinheit zwischen 92% und 99,7% eingesetzt. Die Durchschlagfestigkeit der eingesetzten Dielektrika liegt bevorzugt bei etwa 20 kV/mm. Eine Keramikplatte aus Al₂O₃, die vorliegend als Dielelektrikum eingesetzt ist, weist bevorzugt eine Dicke zwischen 0,5 mm und 1 mm auf.
Vorteilhafterweise ist als leitfähige Beschichtung der oder jeder Elektrode eine Metallisierungsschicht aufgebracht, die über eine Glasphase mit dem insbesondere keramischen Dielektrikum verbunden ist. Hierdurch ist ein dauerhafter und temperaturbeständiger Materialverbund gegeben. Dabei umfasst die Metallisierungsschicht vorteilhafterweise wenigstens eines der Elemente Silber, Gold, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram und Molybdän oder eine Mischung hiervon. Bevorzugt sind Nickel, Wolfram und/oder Molybdän umfasst. Bei der Glasphase handelt es sich bevorzugt um einen Glaswerkstoff, der bei Temperaturen oberhalb 800°C eingebrannt wird. Vorteilhafterweise sind dies ein Mangansilikat oder Gläser auf Siliziumoxid-Basis, z.B. Mischungen mit Bariumoxid oder Aluminiumoxid. Zweckmäßigerweise ist die Schmelztemperatur der jeweiligen Komponenten, Legierungen oder Glasphasen auf das jeweils eingesetzte Dielektrikum, insbesondere auf die jeweils eingesetzte Keramik, abgestimmt.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Zuluft und/oder zur Kühlung des oder jeden keramischen Dielektrikums umfasst. Über eine derartige Kühlung kann Einfluss auf die Plasmaerzeugung und insbesondere auf die Halbwertszeit der Plasmaprodukte, also insbesondere der sehr reaktiven Radikale genommen werden. Vorteilhafterweise wird das Plasma infolge der Kühlung bei Raumtemperatur, also insbesondere bei einer Temperatur von 22°C bis 25° C, erzeugt.
Weiter bevorzugt ist ein Sauerstoffgenerator zur Erhöhung des Sauerstoffanteils in der Zuluft umfasst. Über den Sauerstoffgehalt der Zuluft wird der Anteil an mittels Plasma generiertem Ozon und/oder an mittels Plasma generierter Sauerstoff-Radikale beeinflusst. Über den Sauerstoffgehalt der Zuluft wird somit grundsätzlich Einfluss auf die pro Zeiteinheit der Abluft zugeführten Folgeprodukte der Plasmaerzeugung genommen.
In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Nutzung des Wärmeinhalts der zu behandelnden Luft für den Antrieb des Sauerstoffgenerators umfasst. Mit anderen Worten wird beispielsweise heiße Abluft oder ein heißes Abgas im Hauptstrom als Energiequelle für den Sauerstoffgenerator genutzt. Dazu wird die der Abluft oder dem Abgas entzogene Wärme insbesondere in Form von mechanischer oder elektrischer Energie zum Antrieb des Sauerstoffgenerators eingesetzt. Bevorzugt ist hierbei ein thermisch getriebener Sauerstoffgenerator eingesetzt.
Die Erfindung eignet sich grundsätzlich zur Beseitigung von Schadstoffen und Gerüchen in beliebiger Abluft oder in beliebigen Abgasen. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Behandlung von Raumluft mit lästigen Geruchsbestandteilen. Beispielsweise ist die Erfindung in der Lage, eine Geruchsverminderung in Abluft aus Küchen, aus Ställen, aus Kellern oder aus Räumen der Gerichtsmedizin zu erzielen. Bei der Behandlung von Abluft aus Küchen bietet die Erfindung weiter die Möglichkeit, auf eine Absaugung der Abluft nach außen, wie bislang oft notwendig und üblich, zu verzichten. Vielmehr wird die gereinigte Abluft wieder in den Raum zurückverbracht. Da keine warme Innenluft nach außen verbracht wird, wirkt sich dies positiv auf die Energiebilanz des entsprechenden Gebäudes aus.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Abluftkanal stromab der Mündung des Zuluftkanals ein Adsorptionsfilter eingesetzt, der insbesondere als ein Aktivkohlefilter ausgestaltet ist. In einem Adsorptionsfilter werden weitere unerwünschte Bestandteile der Abluft oder des Abgases, wie beispielsweise Fettbestandteile, Schwebstoffe, Staub, Schmutz oder dergleichen, dauerhaft gebunden. Die über die Zuluft in die Abluft eingetragenen Produkte der Plasmaerzeugung reagieren zum Teil in einem derartigen Adsorptionsfilter weiter, wodurch sich bei Kombination mit einer vorgeschalteten Plasmaerzeugung dessen Standzeit erhöht.
In einer bevorzugten Weiterbildung sind im Abluftkanal stromauf der Mündung des Zuluftkanals ein Abluftsensor zur Erfassung eines für die Konzentration eines Geruchsstoffes oder Schadstoffes relevanten Abluftparameters und im Zuluftkanal stromab der Reinigungsanordnung ein Plasmasensor zur Erfassung eines für die Konzentration eines Folgeproduktes der Plasmaerzeugung („Plasmaprodukt“) relevanten Plasmaparameters angeordnet, wobei eine insbesondere mit dem Wechselspannungsgenerator, dem Gebläse, der Kühleinrichtung und/oder dem Sauerstoffgenerator verbundene Steuereinrichtung zur Einstellung des Plasmaparameters in Abhängigkeit des Abluftparameters umfasst ist.
Vorteilhafterweise ist der Abluftsensor ein Sensor, der sensitiv auf kohlenstoffhaltige oder auf stickstoffhaltige Komponenten in der Abluft bzw. im Abgas ist. Damit ist Bezug darauf genommen, dass viele Schadstoffe oder mit störenden oder unangenehmen Gerüchen verbundene Moleküle organischen Charakter aufweisen oder Stickstoff in ihrer Molekülstruktur umfassen. Der erfasste Messwert wird dann als ein Maß für die Konzentration der enthaltenen und abzubauenden Komponenten bzw. Moleküle herangezogen. Dies erfolgt beispielsweise über eine geeignete Kalibration des Messvolumens auf das Gesamtvolumen des Abluftstroms. Über den Volumenstrom wird beispielsweise auf die pro Zeiteinheit insgesamt zu behandelnde Menge an Schad- und/oder Geruchsstoffen geschlossen. Der Plasmasensor ist bevorzugt als ein Sensor ausgebildet, der sensitiv auf Sauerstoffradikale und/oder auf Ozon reagiert. Der Messwert des Plasmasensors wird wiederum als ein Maß für die Konzentration der erfassten Plasmaprodukte herangezogen. Durch geeignete Kalibration wird beispielsweise auf die Menge an Plasmaprodukten geschlossen, die über die Zuluft pro Zeiteinheit in den Abluftstrom eingebracht werden (sollen). Durch Vorliegen der Messwerte der beiden genannten Sensoren ist es möglich, die Leistung der das Plasma erzeugenden Reinigungsanordnung auf die aktuell vorliegende, unschädlich zu machende Menge an Geruchs- und/oder Schadstoffen einzustellen. Die Einstellung bzw. Steuerung oder Regelung der Reinigungsanordnung geschieht bevorzugt durch eine Verstellung der Leistung des Wechselspannungsgenerators, des Gebläses, der Kühleinrichtung und/oder des Sauerstoffgenerators.
Durch die Möglichkeit der Anpassung der Plasmaerzeugung an die tatsächlich in der Abluft enthaltenen Geruchs- oder Schadstoffe bietet die Erfindung zusätzlich die Möglichkeit einer Energieeinsparung, da in vielen Abluft erzeugenden Prozessen störende oder schädliche Ausgasungen nur während eines begrenzten Zeit- oder Temperaturintervalls auftreten. Beispielsweise sind im Falle eines Verbrennungsprozesses oder Erwärmungsprozesses schädliche und einen lästigen Geruch aufweisende Komponenten in der Abluft nur in einem bestimmten Temperaturintervall erzeugt.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind zur Einstellung der Plasmaerzeugung weitere Sensoren umfasst. Beispielsweise sind in einer Variante zusätzlich ein Sensor zur Messung des Volumenstroms der Zuluft, ein Sensor zur Messung des Volumenstroms der Abluft, ein Sensor zur Messung der Sauerstoffkonzentration in der Zuluft und/oder ein Sensor zur Messung der Geruchs- oder Schadstoffkonzentration in der Abluft nach erfolgter Zufuhr der plasmaaktivierten Zuluft umfasst.
In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung umfasst die Reinigungsanordnung eine Mehrzahl von insbesondere keramischen Dielektrika, die zueinander in einer Stapelrichtung beabstandet entlang eines Halterahmens angeordnet sind, wobei der Halterahmen sich in Stapelrichtung erstreckende Längsstäbe mit einem Kern aus einem faserverstärkten Kunststoff umfasst, die wenigstens auf ihrer jeweils den Dielektrika zugewandten Seite eine Mantelschicht aus einem Silikonkautschuk aufweisen, wobei in der Mantelschicht Querschlitze mit Untermaß eingebracht sind, in denen die keramischen Dielektrika jeweils an ihrem Außenrand kraftschlüssig aufgenommen sind. Der Halterahmen mit den vorbeschriebenen Längsstäben, in denen die Dielektrika aufgenommen sind, und die Reinigungsanordnung mit einem derartigen Halterahmen sind jeweils eine eigenständige Erfindung ohne die weiteren einschränkenden Merkmale der Reinigungsvorrichtung. Die besondere Ausgestaltung der Längsstäbe des Halterahmens ermöglicht bei idealer elektrischer Isolierung dennoch einen einfachen Ein- und Ausbau der aufgenommenen Dielektrika. Zum Ein- bzw. Ausbau werden die Dielektrika in einfacher und leichter Art und Weise in die Querschlitze des Mantels aus Silikonkautschuk eingesteckt bzw. den Querschlitzen entnommen. Die kraftschlüssige Aufnahme der Dielektrika resultiert aus der elastischen Verformung des Mantels aus Silikonkautschuk. Die Kerne der Längsstäbe aus einem faserverstärkten Kunststoff weisen bei sehr guter elektrischer Isoliereigenschaft zugleich die für die Stabilität des Halterahmens nötige Biegesteifheit und Festigkeit auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung zur Reinigung von mit Schadstoffen oder Geruchsstoffen belasteter Luft mittels Plasmaerzeugung und
2 schematisch einen Halterahmen für einen Stapelaufbau aus plattenförmigen Dielektrika mit aufgebrachten Elektroden.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Reinigung von geruchs- oder schadstoffbelasteter Luft (z.B. 4) mittels einer Plasmaerzeugung. Die Vorrichtung 1 umfasst hierzu einen Abluftkanal 2, der in einem Hauptstrom 3 von Abluft 4 durchströmt wird. Die Abluft 4 ist beispielsweise die Abluft einer Kochstelle oder eines sonstigen Verbrennungsprozesses, eine geruchsbelastete Raumluft oder Abluft aus einer Tierhaltung. In den Abluftkanal 2 mündet ein Zuluftkanal 5, der in einem Nebenstrom 6 von Zuluft 7 durchströmt wird. Die Zuluft 7 ist beispielsweise Frischluft, die an geeigneter Stelle aus der Umgebungsluft entnommen wird. In einer Variante ist die Zuluft 7 aufbereitete Frischluft, deren chemische Zusammensetzung sich von natürlicher Umgebungsluft unterscheidet. Die Vorrichtung 1 arbeitet im Bereich des Atmosphärendrucks.
Im Zuluftkanal 5 ist eine Reinigungsanordnung 10 zur Plasmaerzeugung angeordnet, die von der Zuluft 7 umströmt wird. Die Reinigungsanordnung 10 umfasst eine Mehrzahl keramischer Dielektrika 11, die jeweils als Keramikplatten 12 ausgebildet sind. Auf beiden Seiten der Keramikplatten 12 sind Elektroden in Form einer leitfähigen Beschichtung aufgebracht (siehe Bezugszeichen 42, 44 in 2). Beispielsweise sind die Elektroden durch Siebdruck einer Wolfram-, Mangan- und Molybdän enthaltenden Paste auf der Keramik erzeugt, wobei durch Einbrennen eine leitfähige Metallisierung entsteht, die über ein Mangansilikat als Glasphase mit der Keramik fest verbunden ist. Die Paste ist mit einer Dicke zwischen 5 µm und 20 µm aufgebracht Anschließend wurde die Metallisierung vernickelt. Als Keramik ist beispielsweise Aluminiumoxid Al₂O₃ mit einer Reinheit zwischen 92% und 97,6% verwendet. Die Keramikplatten sind zwischen 0,5 und 1 mm dick. Bevorzugt beträgt die Dicke 0,63 mm. Die aufgebrachte Nickelschicht weist beispielsweise eine Dicke von 2 bis 3 µm auf.
Die Elektroden 42 auf den Keramikplatten 12 weisen auf einer Seite eine kamm- oder gitterartige Struktur auf (siehe 2). Die jeweils gegenüberliegende Elektrode 44 ist beispielsweise als ein Rechteck ausgebildet. Zur Plasmaerzeugung wird an die Elektroden 42, 44 der einzelnen Keramikplatten 12 mittels eines Wechselspannungsgenerators 14 eine Wechselspannung angelegt. Die Wechselspannung beträgt dabei beispielsweise zwischen 1 und 10 kV. Die Wechselspannungsfrequenz beträgt typischerweise mehr als 50 Hz. Die aufgenommene Leistung beträgt beispielsweise zwischen 10 und 20 Watt.
Durch Anlegen der Wechselspannung kommt es auf den Keramikplatten 12 zu planaren, dielektrisch behinderten Entladungen und als Folge hiervon im Bereich der Elektroden 42, 44 zu einem flächigen Plasma 15 auf der Oberfläche der Dielektrika 12. Im Bereich des Plasmas 15 sind die in der Zuluft 7 enthaltenen Moleküle von ihren Elektronen separiert. Als Folgeprodukte 18 entstehen sehr reaktive Spezies, insbesondere Sauerstoff-Radikale sowie Ozon. Die Folgeprodukte 18, also insbesondere Radikale, weisen typischerweise eine Halbwertszeit von 10 bis 30 Sekunden auf. Solange die Folgeprodukte 18 noch in der Zuluft 7 enthalten sind, kann von einer plasmaaktivierten Zuluft 17 gesprochen werden. Die plasmaaktivierte Zuluft 17 wird in den Hauptstrom 3 der Abluft 4 eingebracht. Dort reagieren die Plasmafolgeprodukte 18 mit den in der Abluft 4 enthaltenen Geruchsstoffen und Schadstoffen, wodurch diese zersetzt und hierdurch unschädlich gemacht werden bzw. hierdurch der lästige Geruch beseitigt wird.
Die Zuluft 7 wird beispielsweise mittels eines Gebläses oder Verdichters 20 in den Zuluftkanal 5 befördert. Über einen separaten Sauerstoffgenerator 22 lässt sich der Sauerstoffgehalt der Zuluft 7, die beispielsweise aus der Umgebung abgezogen wird, erhöhen. Hierzu wird Sauerstoff in die Zuluft 7 injiziert. Eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts führt zu einer Erhöhung der Konzentration an Sauerstoff-Radikalen und Ozon in der plasmaaktivierten Zuluft 17 nach Durchlaufen des Plasmas 15. Da die Kinetik der Rekombination der Plasmaprodukte 18 temperaturabhängig ist, ist weiter eine Kühleinrichtung 24 umfasst, die unmittelbar die Keramikplatten 12 kühlt. Beispielsweise kann dies über Peltier-Elemente geschehen. Alternativ kann eine einfache Wasserkühlung eingesetzt werden. Wiederum alternativ ist beispielsweise eine unmittelbare Kühlung der Zuluft 7 vorgesehen. Durch Absenken der Temperatur der Zuluft 7 oder der Keramikplatten 12 wird die Halbwertszeit der Plasmaprodukte 18 erhöht.
Im Abluftkanal 2 ist vor der Mündung des Zuluftkanals 5 weiter ein Vorfilter 25 eingesetzt. Über den Vorfilter können beispielsweise Schmutzpartikel, Staub, Fett oder dergleichen abgeschieden werden. Beispielsweise ist der Vorfilter 25 als ein Partikelfilter ausgebildet. Am Auslass des Abluftkanals 2 ist ein Adsorptionsfilter 27 eingesetzt, der beispielsweise als ein Aktivkohlefilter ausgebildet ist. Im Adsorptionsfilter scheiden sich an der reaktiven Oberfläche weitere Komponenten aus der Abluft 4 ab. Es hat sich gezeigt, dass diese abgeschiedenen Komponenten noch mit nicht kombinierten Plasmaprodukten 18 aus der zugeführten plasmaaktivierten Zuluft 17 weiter reagieren, wodurch sich die Standzeit des Adsorptionsfilters 27 vorteilhaft erhöht.
Im Abluftkanal 2 ist ein Abluftsensor 28 platziert, der den Anteil oder die Konzentration an Geruchs- oder Schadstoffen in der Abluft 4 misst. Der Abluftsensor 28 ist beispielsweise als ein für kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltige Komponenten empfindlich. Im Zuluftkanal 5 ist ferner ein Plasmasensor 30 angeordnet. Der Plasmasensor 30 ist beispielsweise für Sauerstoff-Radikale oder für Ozon sensitiv und ist in der Lage, deren Konzentration in der plasmaaktivierten Zuluft 17 zu bestimmen. Des Weiteren ist im Zulauf des Zuluftkanals 5 ein Zuluftsensor 32 angeordnet. Der Zuluftsensor 32 misst beispielsweise den Sauerstoffgehalt in der Zuluft 7. Am Ausgang des Abluftkanals 2 ist schließlich ein Abbausensor 34 angeordnet, der den Restgehalt an kohlenstoff- oder stickstoffhaltigen Molekülen in der gereinigten Abluft 4 misst. Gegebenenfalls sind weitere Sensoren umfasst, die den Volumenstrom der Abluft 4 und der Zuluft 7 durch den Abluftkanal 2 bzw. durch den Zuluftkanal 5 bestimmen.
Die Leistung der Reinigungsanordnung 10 hinsichtlich der erzeugten Menge an Plasmaprodukten 18 wird mittels einer Steuereinrichtung 40 an die tatsächlich in der Abluft 4 vorhandene Menge an Geruchs- oder Schadstoffen angepasst. Hierzu ist die Steuereinrichtung 40 mit den entsprechenden Sensoren 28, 30, 33, 34 verbunden. Die Einstellung der Leistung der Reinigungsanordnung 10 geschieht über eine Steuerung der jeweiligen Leistung des Gebläses 20, des Sauerstoffgenerators 22, der Kühleinrichtung 24 und des Wechselspannungsgenerators 14.
In 2 ist schematisch für eine Reinigungsanordnung 10 zur Plasmaerzeugung eine Stapelanordnung von Keramikplatten 12 gezeigt. Die Keramikplatten 12 sind dabei entlang einer Stapelrichtung 46 gestapelt, wobei sie einen geeigneten Abstand zueinander aufweisen. Jede der Keramikplatten 12 weist auf einer Seite eine erste Elektrode 42 mit einer kammartigen Struktur und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Elektrode 44 in Form eines Rechtecks auf. Zur Stapelung der Keramikplatten 12 ist ein Halterahmen 50 vorgesehen, der eine Mehrzahl von Längsstäben 51 umfasst. Jeder der Längsstäbe 51 weist hierbei einen Kern 52 aus einem faserverstärkten Kunststoff auf. Der Kern 52 ist von einer Mantelschicht 54 aus einem Silikonkautschuk ummantelt. Die Anzahl und die Anordnung der Längsstäbe 51 richten sich hierbei nach der Geometrie der Keramikplatten 12. Dabei ist jede Geometrie zur Stapelung vorstellbar.
Zur Lagerung der einzelnen Keramikplatten 12 an den Längsstäben 51 ist in die Mantelschicht 54 aus Silikonkautschuk jeweils ein entsprechender Querschlitz 56 mit Untermaß eingebracht. In diesen Querschlitzen 56 sind die Keramikplatten 12 jeweils mit ihrem äußeren Rand kraftschlüssig gehalten. Zum Ein- und Ausbau der Keramikplatten 12 werden diese aus den Querschlitzen 56 in einfacher Art und Weise herausgezogen bzw. in die Querschlitze 56 eingesteckt.
Die gezeigte Anordnung aus Längsstäben 51 ist nicht nur zum Halten und Beabstanden von plattenförmigen Dielektrika geeignet. Auch können über entsprechende Elemente, die an den Dielektrika angebracht sind, beliebige Formen gehalten und gestapelt werden. Beispielsweise können auch zylinderförmige Elektrodenkonfigurationen mit entsprechend geformten Dielektrika auf diese Art und Weise gestapelt, gehalten und montiert sein.
Bezugszeichenliste

1: Reinigungsvorrichtung
2: Abluftkanal
3: Hauptstrom
4: Abluft
5: Zuluftkanal
6: Nebenstrom
7: Zuluft
10: Reinigungsanordnung
11: Dielektrika
12: Keramikplatten
14: Wechselspannungsgenerator
15: Plasma
17: plasmaaktivierte Zuluft
18: Plasmaprodukte
20: Gebläse, Verdichter
22: Sauerstoffgenerator
24: Kühleinrichtung
25: Vorfilter
27: Adsorptionsfilter
28: Abluftsensor
30: Plasmasensor
32: Zuluftsensor
34: Abbausensor
37: gereinigte Abluft
40: Steuereinrichtung
42: erste Elektrode
44: zweite Elektrode
46: Stapelrichtung
50: Halterahmen
51: Längsstab
52: GFK-Kern
54: Mantelschicht
56: Querschlitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19518970 C1 [0002]
DE 10344489 A1 [0002]
DE 102005024472 A1 [0002, 0002, 0003]
WO 2005/028081 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Emilia G. Dino: „Dielektrisch behinderte Barrierenentladungen für großflächige Plasmabehandlungen“, Wuppertal, 2005 [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Reinigung von Luft (z.B. 4) mittels Plasmaerzeugung, umfassend einen von der zu reinigenden Luft (z.B. 4) in einem Hauptstrom (3) durchströmbaren Abluftkanal (2), einen von Zuluft (7) in einem Nebenstrom (6) durchströmbaren, in den Abluftkanal (2) mündenden Zuluftkanal (5), wobei im Zuluftkanal (5) eine von der Zuluft (7) umströmbare Reinigungsanordnung (10) angeordnet ist, die eine Anzahl von Dielektrika (11) umfasst, auf deren Oberfläche jeweils wenigstens eine Elektrode (42, 44) in Form einer leitfähigen Beschichtung aufgebracht ist, und einen mit der wenigstens einen Elektrode (42, 44) ausgangsseitig verbundenen Wechselspannungsgenerator (14) zu einer Plasmaerzeugung in der Zuluft (7).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das oder jedes Dielektrikum (11) aus einer Keramik gefertigt ist, insbesondere als eine Keramikplatte (12) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das oder jedes Dielektrikum (11) aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einer Reinheit zwischen 92% und 99,7% besteht.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als leitfähige Beschichtung der oder jeder Elektrode (42, 44) eine Metallisierungsschicht aufgebracht ist, die über eine Glasphase mit dem insbesondere keramischen Dielektrikum (11) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Metallisierungsschicht Nickel, Wolfram und/oder Molybdän und die Glasphase ein Mangansilikat umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gebläse (20) zur Einbringung von Zuluft (7) in den Zuluftkanal (5) umfasst ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kühleinrichtung (24) zur Kühlung von Zuluft (7) und/oder zur Kühlung des oder jeden Dielektrikums (11) umfasst ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Sauerstoffgenerator (22) zur Erhöhung des Sauerstoffanteils in der Zuluft (7) umfasst ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei Mittel zur Nutzung des Wärmeinhalts der zu behandelnden Luft für den Antrieb eines thermisch getriebenen Sauerstoffgenerators (22) umfasst sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei stromab der Mündung des Zuluftkanals (5) im Abluftkanal (2) ein Adsorptionsfilter (27), insbesondere ein Aktivkohlefilter, umfasst ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Abluftkanal (2) stromauf der Mündung des Zuluftkanals (5) ein Abluftsensor (28) zur Erfassung eines für die Konzentration eines Schad- oder Geruchsstoffes relevanten Abluftparameters und im Zuluftkanal (5) stromab der Reinigungsanordnung (10) ein Plasmasensor (30) zur Erfassung eines für die Konzentration eines Plasmaproduktes (18) relevanten Plasmaparameters angeordnet sind, und wobei eine insbesondere mit dem Wechselspannungsgenerator (14), dem Gebläse (20), der Kühleinrichtung (24) und/oder dem Sauerstoffgenerator (22) verbundene Steuereinrichtung (40) zur Einstellung des Plasmaparameters in Abhängigkeit des Abluftparameters umfasst ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reinigungsanordnung (10) eine Mehrzahl von Dielektrika (11) umfasst, die zueinander in einer Stapelrichtung (46) beabstandet entlang eines Halterahmens (50) angeordnet sind, wobei der Halterahmen (50) sich in Stapelrichtung (46) erstreckende Längsstäbe (51) mit einem Kern (52) aus einem faserverstärkten Kunststoff umfasst, der wenigstens auf der jeweils den Dielektrika (11) zugewandten Seite eine Mantelschicht (54) aus einem Silikonkautschuk aufweist, und wobei in der Mantelschicht (54) Querschlitze (56) mit Untermaß eingebracht sind, in denen die Dielektrika (11) jeweils an ihrem Außenrand kraftschlüssig aufgenommen sind.
Verfahren zur Reinigung von Luft (z.B. 4) mittels Plasmaentladungen, wobei in einem Nebenstrom (6) aus Zuluft (7) mittels einer umströmbaren Reinigungsanordnung (10), die eine Anzahl von insbesondere keramischen Dielektrika (11) umfasst, auf deren Oberfläche jeweils wenigstens eine Elektrode (42, 44) in Form einer leitfähigen Beschichtung aufgebracht ist, durch Anlegen einer Wechselspannung an die wenigstens eine Elektrode (42, 44) ein Plasma (15) erzeugt wird, und wobei die plasmaaktivierte Zuluft (17) stromab der Reinigungsanordnung (10) einem Hauptstrom (3) aus der zu reinigenden Luft (z.B. 4) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Zuluft (7) mittels eines Gebläses (20) über die Reinigungsanordnung (10) in den Hauptstrom (3) strömt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Zuluft (7) und/oder das oder jedes Dielektrikum (11) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Sauerstoffgehalt der Zuluft (7) gegenüber Luft erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Plasmaerzeugung in Abhängigkeit der Geruchsbelastung der Abluft (4), insbesondere durch Einstellung der Wechselspannung, der Wechselspannungsfrequenz, des Volumenstroms der Zuluft (7), der Sauerstoffkonzentration in der Zuluft (7) und/oder der Temperatur der Zuluft (7) bzw. der Dielektrika (11) gesteuert wird.