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Die vorliegende Erfindung betrifft Elektroabscheider sowie eine Raumbelüftungseinheit mit derartigen Elektroabscheidern.
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Aus der
WO 2017/121 429 A1 ist der Einsatz von Elektroabscheidern bei kontrollierten dezentralen Wohnraumbelüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung bekannt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind hinsichtlich Effizienz, Baugröße, Stromverbrauch und Ozonemissionen optimierte Elektroabscheider, die als mobile Stand-Alone-Geräte oder auch als Komponente von Klima- und Lüftungsanlagen, z.B. dezentralen oder zentralen Raumbelüftungsanlagen eingesetzt werden können. Auch sind vielfältige industrielle Anwendungen im Bereich der Luftreinigung und grundsätzlich auch im Bereich der Reinigung anderer Gase, z.B. im Bereich Rauchgasreinigungen, oder auch im Automotive-Bereich (z.B. HVAC-Systeme für Fahrzeuginnenräume) denkbar.
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In den vergangenen Jahren wurde erkannt, welche gravierenden Auswirkungen in der Luft befindliche Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von 10 µm oder weniger - der sog. Feinstaub - auf die menschliche Gesundheit haben können. Da konventionelle Filter, wie z.B. Filtermatten, hinsichtlich ihrer Filterleistung insbesondere bei kleineren Partikeln, wie Feinstäuben, nicht sehr leistungsfähig sind, jedenfalls dann nicht, wenn größere Druckverluste vermieden werden sollen, wurden im Rahmen der o.g. Druckschrift mit Hochspannungen von einigen Kilovolt betriebene Elektroabscheider oder Elektrofilter (auch als Anordnungen für elektronische Staubabscheidung bekannt) für den Einsatz bei dezentralen Wohnraumbelüftungsanlagen vorgeschlagen. Hierbei werden die in der Luft vorhandenen Partikel durch elektrische Ladungen abgeschieden.
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Für die Raumluftreinigung werden insbesondere zweistufige Elektroabscheider nach dem sog. Penney-Prinzip verwendet.
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Dabei werden die abzuscheidenden Partikel zunächst mittels eines sog. Ionisators elektrisch aufgeladen. Dies erfolgt durch sog. Koronaentladungen, im Stand der Technik meist mittels eines mit einer Hochspannung von einigen kV positiv geladenen Koronadrahts oder mittels mehrerer, entsprechend positiv geladener Koronadrähte, der bzw. die beanstandet von negativ geladenen Elektroden angeordnet ist bzw. sind, so dass sich in der unmittelbaren Nähe des Drahts oder der Drähte bei Anlegen einer ausreichend hohen Spannung eine hohe Feldstärke und dementsprechend durch lokale Feldionisation eine Koronaentladung einstellt.
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Diese Koronaentladung erzeugt zunächst in einer räumlich eng begrenzten Zone um den Ionisator herum (sog. Koronazone) positiv ionisierte Gasmoleküle, die sich zu den negativen Elektroden hinbewegen und sich dabei auf ihrem weiteren Weg außerhalb der Koronazone an die abzuscheidenden (Feinstaub-)-Partikel anlagern und diese ebenfalls aufladen.
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Die zweite Stufe derartiger Elektroabscheider stellt eine in Strömungsrichtung abstromseitig der lonisatoreinheit angeordnete sog. Kollektoreinheit dar, in der Regel bestehend aus einer Abfolge alternierend geladener Platten, durch die die zu reinigende Luft mit den durch die lonisatoreinheit vorher geladenen Partikeln strömt. Durch die Coulombkräfte driften die positiv geladenen Partikel zu den negativ geladenen Platten, den sog. Kollektorplatten ab, haften dort an und können durch periodische Reinigung oder Abklopfen entfernt werden. Die entgegengesetzt zu den Kollektorplatten (positiv) geladenen Platten der Kollektoreinheit werden als Treiberplatten bezeichnet; diese stellen zusammen mit den jeweils gegenüberliegenden Kollektorplatten das elektrische Feld für die elektrostatische Abscheidung bereit.
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Ein Nachteil von Elektrofiltern stellt die durch die hochspannungsinduzierten Gasionisationsprozesse bedingte Ozonbildung dar, was insbesondere bei Einsatz derartiger Elektroabscheider in Innenräumen von geringfügigen gesundheitlichen Beeinträchtigungen, wie leichten Augenreizungen, bis hin zu gravierenderen gesundheitlichen Problemen, wie Kopfschmerzen oder Atemwegsproblemen, bzw. zu Überschreitungen der zulässigen MAK-Werte für Ozon führen kann.
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Auch ist für die Stoßionisationsprozesse ein gewisser elektrischer Energieaufwand erforderlich, so dass in Anbetracht des Umstandes, dass Elektrofilter häufig im Dauerbetrieb eingesetzt und die entsprechenden Hochspannungsnetzteile prinzipiell verlustbehaftet sind, im Hinblick auf einen möglichst energiesparenden Betrieb auf eine hohe Effizienz der Ionenerzeugung zu achten ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorbeschriebenen Elektroabscheider hinsichtlich Effizienz, Kompaktheit, Energieausnutzung und Ozonemissionen weiter zu optimieren.
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Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Elektroabscheiders mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, bzw. mittels einer einen derartigen Elektroabscheider aufweisenden Raumbelüftungseinheit gemäß Patentanspruch 12.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen erläutert.
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Im Rahmen der Erfindung weist ein Elektroabscheider, der von einem von Partikeln zu reinigendem Luftstrom in einer longitudinalen Richtung durchströmt wird, wenigstens eine innerhalb des Luftstroms angeordnete, mit jeweils einem positiven elektrischen lonisatorpotential beaufschlagte Sprühionisationsquelle auf, sowie eine stromabwärts der wenigstens einen Sprühionisationsquelle angeordnete Kollektoreinheit zur Partikelabscheidung, mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen parallel angeordneten, elektrisch leitfähigen, von dem Luftstrom durchströmten Kollektor- und Treiberplatten die alternierend mit elektrisch negativen Kollektor- bzw. entgegengesetzten positiven Treiberpotentialen beaufschlagt sind.
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Ein derartiger Elektroabscheider zeichnet sich erfindungsgemäß durch ein im Strömungsweg stromaufwärts der mindestens einen Sprühionisationsquelle angeordnetes, mit einem elektrisch negativen Potential beaufschlagtes Stromaufwärts-Kollektorelement aus.
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Dabei kann es sich insbesondere um ein stromaufwärtig der Sprühionisationsquellen angeordnetes, von der partikelbehafteten Luft durchströmtes (Metall-)Gitter handeln. Alternativ ist auch ein den Strömungsweg umfangsmäßig umgebender Metallring oder eine Anzahl im Strömungsweg angeordneter, im Wesentlichen parallel angeordneter Metalllamellen oder Drähte (z.B. als Drahtharfe) denkbar, wobei alle diese Elemente dadurch gekennzeichnet sein sollen, dass diese jeweils mit einem Kollektorpotential beaufschlagt sind (d.h. mit einem Potential, das deutlich negativer ist als das positive Ionisationspotential, dies kann das Massepotential sein), im Luftströmungsweg oder an dessen unmittelbaren Rand angeordnet sind, und das - wie erwähnt - stromaufwärts der Ionisatoren lokalisiert ist.
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Im Rahmen von Versuchen (mit einer Elektroabscheidergeometrie wie weiter unten anhand des Ausführungsbeispiels beschriebenen, d.h. mit näherungsweise punktförmigen Spühionisationsquellen und sog. Rand-Gegenelektroden) hat sich gezeigt, dass ein derartiges stromaufwärtiges Kollektorelement (im Test als engmaschiges Gitter ausgebildet) die Partikel-Abscheideeffizienz um typischerweise bis zu ca. 50% verbessern kann, so dass eine vorgegebene Abscheideleistung mit weniger Sprühionisatoren erreicht werden kann, wodurch der Herstellungsaufwand für den Elektroabscheider, der Stromverbrauch, aber vor allem auch die absoluten Ozonemissionen deutlich reduziert werden können.
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Dass ein Element, welches stromaufwärts der Ionisatoren angeordnet ist, so dass die zu reinigende Luft auf dieses trifft, bevor diese zu den Sprühionisatoren gelangt, einen derartig signifikanten Effekt auf die Abscheideleistung haben kann, erscheint zunächst etwas überraschend.
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Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass die typischen lonengeschwindigkeiten in der Regel um Größenordnungen höher sind als die typischen Luft-Strömungsgeschwindigkeiten in derartigen Elektroabscheidern, so dass die Gasionen sich auch ohne Weiteres „gegen den Strom“ bewegen können, wenn die elektrischen Felder entsprechend sind. Durch das Stromaufwärts-Kollektorelement wird somit das Gasvolumen stromaufwärts der Sprühionisationsquellen für die Partikelionisation zusätzlich nutzbar gemacht.
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Bei näherungsweise punktförmigen Sprühionisationsquellen, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, wird dadurch praktisch die komplette „Hemisphäre“ stromaufwärts der Sprühionisationsquellen für die Partikelionisation zusätzlich nutzbar gemacht; daher der signifikante Anstieg der Abscheideleistung.
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Grundsätzlich ist dieses Prinzip aber auch für andere Sprühionisationsquellen-Geometrien, z.B. die „klassischen“ Koronadrähte, einsetzbar.
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Ein derartiges Stromaufwärts-Kollektorelement kann noch einen Zusatznutzen aufweisen, denn es kann außerdem als Schutz nachangeordneter elektrischer oder elektronischer Komponenten vor unerwünschter elektrostatischer Aufladung durch die Ionenströme dienen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Stromaufwärts-Kollektorelement als Kollektorgitter ausgebildet sein.
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Dabei weist ein derartiges Kollektorgitter bevorzugt eine Maschenzahl auf, die größer oder gleich der Anzahl der Sprühionisationsquellen ist. Wenn also vier Sprühionisationsquellen vorhanden sind, so sollen bevorzugt auch wenigstens vier Maschen vorgesehen sein, bevorzugt aber auch mehr Maschen.
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Die Maschenweite eines Kollektorgitters kann bei typischen Elektroabscheidern im Bereich zwischen ca. 2,5 mm und 25 mm liegen.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Stromaufwärts-Kollektorelements weisen gewisse Bezüge zu den Ausgestaltungen der übrigen Elemente auf, d.h. insbesondere zur Ausgestaltung der Sprühionisationsquellen und der sog. Rand-Gegenelektroden. Daher werden bevorzugte Ausgestaltungen der übrigen Elemente nachfolgend zunächst erörtert, bevor dann wieder konkret auf die Stromaufwärts-Kollektorelemente Bezug genommen wird:
- In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die wenigstens eine Sprühionisationsquelle näherungsweise punktförmig ausgebildet sein; insbesondere kann die wenigstens eine Sprühionisationsquelle durch eine metallisch leitende feine Nadelspitze oder durch das freie Faserende einer leitfähigen Faser oder durch mehrere benachbarte freie Faserendenden eines Bündels leitfähiger Fasern gebildet werden, wobei es sich bei den leitfähigen Fasern bevorzugt um Graphitfilamente handelt und/oder wobei die Nadelspitze oder die freien Faserenden bevorzugt in Strömungsrichtung weisend angeordnet sind.
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Damit wird eine volumenmäßig kleine, tendenziell kugel- oder kalottenförmige Koronazone (Durchmesser typischerweise wenige mm) erzeugt, und da die Ozongenerierung praktisch nur in dieser Zone stattfindet, wird die absolut generierte Ozonmenge reduziert.
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Als wichtig bei derartigen näherungsweise punktförmigen Sprühionisationsquellen hat sich allerdings erwiesen, die Gasionen möglichst homogen in ein möglichst großes Gasvolumen mit den durchströmenden abzuscheidenden Partikeln aufzufächern, um hier optimale Wirkungsquerschnitte für die Ionisierung der Partikel zu schaffen.
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Hierzu kann in einer bevorzugten Ausführungsform bei dem Elektroabscheider wenigstens eine Rand-Gegenelektrode vorgesehen sein,
- - die jeweils einer der ein oder mehreren Sprühionisationsquellen zugeordnet ist,
- - die in longitudinaler Richtung zwischen der zugeordneten Sprühionisationsquelle und der Kollektoreinheit und in einem longitudinalen Abstand zu der zugeordneten Sprühionisationsquelle angeordnet ist,
- - die sich im Wesentlichen in longitudinaler Strömungsrichtung erstreckende, elektrisch leitfähige Wände aufweist, die einen der jeweiligen Sprühionisationsquelle zugeordneten Strömungskanal randseitig an allen Seiten oder wenigstens in Umfangs-Teilabschnitten begrenzen,
- - wobei die elektrisch leitfähigen Wände der zugeordneten Rand-Gegenelektrode mit einem dem lonisatorpotential entgegengerichteten negativen Rand-Gegenelektrodenpotential beaufschlagt sind, und
- - wobei die Sprühionisationsquelle bezüglich der Kontur der jeweils zugeordneten Rand-Gegenelektrode in einer transversalen Ebene mittig angeordnet ist.
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Der Begriff „Rand-Gegenelektrode“ soll zum Ausdruck bringen, dass sich die leitfähigen Wände der Rand-Gegenelektrode auf einem gegenüber dem Sprühionisator entgegengesetzten, in der Regel negativen, Potential, ähnlich den Kollektorplatten der Kollektoreinheit (oder ähnlich dem Stromaufwärts-Kollektorelement) befinden sollen, wobei diese Potentiale nicht identisch zu sein brauchen.
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Durch diese Rand-Gegenelektroden soll eine möglichst effiziente Ausnutzung der durch die Koronaentladungen entstehenden Ionenfelder stromabwärts der Sprühionisationsquellen gewährleistet werden.
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Die Rand-Gegenelektroden stellen somit in gewisser Weise einen Gegenpart zu den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stromaufwärts-Kollektorelement dar.
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Bevorzugt kann die wenigstens eine Rand-Gegenelektrode jeweils eine geschlossene Kontur, die rechteckförmig, insbesondere quadratisch, vieleckförmig, rund, elliptisch, wabenartig oder andersartig ausgebildet sein kann, aufweisen. Für den Fall, dass eine rechteck- oder vieleckförmige Kontur der Randkontur gewählt wird, sind die Wände bevorzugt wenigstens an zwei gegenüberliegenden Seiten ausgebildet.
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Bei einer runden Kontur der Rand-Gegenelektrode sind die Abstände zwischen Sprühionisationsquelle und den Stirnkanten des Kollektors jeweils per se konstant. Wenn mehrere, matrixartig angeordnete Sprühionisationsquellen vorgesehen sind, ist eine derartige runde Kontur der Rand-Gegenelektroden allerdings nicht unbedingt optimal, weil bei einer Fläche mit einer Mehrzahl nebeneinanderliegender Kreise die transversal verfügbare Fläche nicht optimal ausgenutzt wird (ähnlich einem Lochblech), wobei viele Strömungskanäle sowieso eine rechteckige Grundform aufweisen, so dass ein rechteckförmiges oder quadratisches Gitter normalerweise die optimale Anordnung für mehrere Rand-Gegenelektroden darstellen würde, wobei dann ein „Gitterstab“ gleichzeitig als Elektrode für zwei nebeneinanderliegende Rand-Gegenelektroden wirken würde.
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Bei einer derartigen rechteckförmigen Kontur ist aber der Abstand zwischen der Sprühionisationsquelle und den Stirnkanten der jeweiligen Randelektrode nicht mehr automatisch konstant, so dass die Ionendichte mehr oder weniger inhomogen wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann daher vorgesehen sein, dass die der jeweiligen Sprühionisationsquelle zugewandten Stirnkanten der zugeordneten Rand-Gegenelektrode ganz oder in Teilabschnitten jeweils eine derart bogenförmig gekrümmte Aussparung aufweisen, dass eine gedachte, durch - alle oder durch wenigstens zwei gegenüberliegende - der Sprühionisationsquelle zugewandte Stirnkanten der Rand-Gegenelektrode laufende Fläche bezüglich der zugeordneten Sprühionisationsquelle eine allgemein konkave oder speziell kugelflächenförmige Gestalt aufweisen würde.
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Wieder bezugnehmend auf das im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung stehende Stromaufwärts-Kollektorelement, ist dieses in stromaufwärtiger Richtung bevorzugt von der wenigstens einen Sprühionisationsquelle um einen Abstand entfernt, der 50% bis 300%, bevorzugt 75% bis 150% des longitudinalen Abstands zwischen der wenigstens einen Sprühionisationsquelle und der zugeordneten Rand-Gegenelektrode entspricht, um eine möglichst gleichmäßige Ionendichte in beide Richtungen zu erzielen.
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Falls keine Rand-Gegenelektroden vorgesehen sein sollen, so kann sich der bevorzugte Abstand des Stromaufwärts-Kollektorelements von der Sprühionisationsquelle bevorzugt an dem Abstand Sprühionisationsquelle - Kollektoreinheit orientieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Stromaufwärts-Kollektorelement ein oder mehrere becherförmige, bezüglich der wenigstens einen Sprühionisationsquelle konkave Ausstülpungen auf, die einen möglichst gleichbleibenden Abstand von allen Punkten des Kollektorelements zu der wenigstens einen Sprühionisationsquelle gewährleisten sollen.
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In einer Ausführungsform weist der Elektroabscheider bevorzugt außerdem eine im Strömungsweg vor dem Kollektorelement angeordnete und durch das Kollektorelement vor elektrostatischer Aufladung geschützte Ventilatoreinheit zur zwangsweisen Luftstromförderung durch den Elektroabscheider auf.
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Hierzu sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen, auch unter Effizienz- und Geräuschemissionsaspekten bekannt, so z.B. Radial- oder Axiallüfter oder die Verwendung mehrerer in Reihe angeordneter Lüfter.
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Selbstverständlich weist ein Elektroabscheider darüber hinaus bevorzugt auch noch weitere notwendige oder optionale Komponenten, wie ein Gehäuse, das den Hauptluftkanal definiert, mit entsprechenden Ein- und Auslässen auf. Zusätzlich zu dem eigentlichen Elektroabscheider können auch weitere Filter, z.B. Aktivkohlefilter, Schalldämmelemente etc. vorgesehen sein, wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
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Schließlich wird im Rahmen der Erfindung eine Raumbelüftungseinheit vorgeschlagen, die einen Elektroabscheider wie vorstehend beschrieben aufweist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Elektroabscheider können in einer kompakten Bauform bei hohem Luftdurchsatz sehr gute Abscheideraten, von z.B. > 90% (PM 2.5 oder kleiner) bei einem Testgerät entsprechend dem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel mit vier Sprühionisationsquellen sowie mit Rand-Gegenelektroden und Stromaufwärts-Kollektorgittern erzielt werden, wobei die am Geräteaustritt gemessene Ozonkonzentration unterhalb eines Grenzwerts von 10 ppb lag, und überwiegend auch ein Grenzwert von 5 ppb nicht überschritten wurde. Damit lagen die Ozonemissionen im Konzentrationsbereich der natürlichen Hintergrundkonzentrationen für Ozon in Innenräumen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Elektroabscheiders mit vier Sprühionisationsquellen und entsprechender Rand-Gegenelektroden-/Kollektoreinheit sowie einem Stromaufwärts-Kollektorgitter;
- 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit Stromaufwärts-Kollektorgitter; und
- 3 eine schematische Darstellung einer dezentralen Raumbelüftungseinheit mit einem integrierten erfindungsgemäßen Elektroabscheider.
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Ein erfindungsgemäßer Elektroabscheider 10 weist gemäß der Darstellung in 1 als wesentliche Komponenten eine Kollektoreinheit 12 auf, die in grundsätzlich bekannter Weise aus einer Anzahl parallel angeordneter Kollektorplatten 38 und (im Ausführungsbeispiels jeweils etwas kürzer ausgebildeter) Treiberplatten 40 (vgl. 2) besteht.
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Diese Kollektoreinheit 12 wird in einer Hauptströmungsrichtung (Pfeil 28) von einem von Partikeln zu reinigendem Luftstrom durchströmt, wobei diese Luftströmung in der Regel durch ein oder mehrere Lüfter (in 1 nicht dargestellt) gewährleistet wird, wozu sich der Elektroabscheider 10 innerhalb eines (ebenfalls in 1 nicht dargestellten) Luftströmungskanals befindet.
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Die Kollektoreinheit 12 zieht mit den auf einem negativen Potential befindlichen Kollektorplatten 38 vorher positiv ionisierte abzuscheidende Partikel (z.B. Feinstaub, Schadstoffpartikel, etc.) aus dem Luftstrom elektrostatisch an, wodurch die Partikel an den Kollektorplatten 38 anhaften und so aus dem Luftstrom entfernt werden können. Die anhaftenden Partikel können z.B. durch regelmäßige Reinigung, maschinelles Abklopfen oder periodische Luftstöße gezielt entfernt werden.
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Die Kollektorplatten 38 werden über eine Kontaktleiste 26 mit einer negativen Spannungsquelle - dabei kann es sich auch um das Massepotential handeln - über entsprechende, in einer Strömungskanalwandung vorgesehene Gegenkontaktelemente verbunden (Spannungsquelle und Gegenkontaktelemente sind nicht dargestellt).
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Analog werden die Treiberplatten 40 über eine über der Kontaktleiste 26 befindliche Kontaktleiste 24 mit einem positiven Potential einer entsprechenden Spannungsquelle verbunden. Dabei handelt es sich in der Regel um ein mittleres positives Potential, das zwischen dem negativen Potential der Kollektorplatten 38 und dem (hohen) positiven Potential der (weiter unten erläuterten) Sprühionisationsquellen 18a-d liegt. Das Sprühionisationspotential wäre für die Treiberplatten 40 in der Regel zu hoch, d.h., es könnten Überschläge zwischen den Platten 38, 40 auftreten.
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Die positiv ionisierten Partikel werden nach dem sog. Penney-Prinzip durch positive Korona-Entladungen erzeugt, wozu erfindungsgemäßen ein oder mehrere, im Ausführungsbeispiel vier, näherungsweise punktförmige Sprühionisationsquellen 18a-d vorgesehen sind.
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Dabei handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um Bündel oder Büschel dünner, elektrisch leitender Graphitfasern, die von einer (nicht dargestellten) hochohmigen Hochspannungsquelle mit einer positiven Hochspannung von mehreren kV beaufschlagt werden. Alternativ können auch einzelne leitende Fasern oder nadelartige Metallspitzen od. dgl. als Sprühionisationsquellen eingesetzt werden.
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Die Sprühionisationsquellen 18a-d (die Gesamtheit der Sprühionisationsquellen ist auch mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet) sind auf einem nichtleitenden Stützgitter 20 angebracht, in dem (nicht dargestellte) Hochspannungsleitungen zur Verbindung der Ionisationsquellen 18a-d mit einer oder mehreren Hochspannungsquellen geführt sind. Der sich durch die Koronaentladung einstellende Ionisationsstrom kann in einer Ausführungsform elektronisch geregelt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist von Vorteil, wenn die Ionen möglichst von einem Punkt ausgehen, wobei die Punktform selbstverständlich als idealisierte Vorgabe zu verstehen ist. An den dünnen Spitzen der Sprühionisationsquellen 18a-d entstehen - in Zusammenwirkung mit den weiter unten beschriebenen Gegenelektroden - hohe elektrische Feldstärken, die in einer räumlich eng begrenzten Umgebung der Ionisationsquellen 18a-d - typischerweise von einigen mm, der sog. Koronazone; die Grenzschicht bezeichnet man auch als sog. Koronahaut - entstehen lassen und Gasmoleküle aus der durchströmenden Luft ionisieren. Diese ionisierten Gasmoleküle stoßen dann, sofern sie ausreichend Gelegenheit dazu haben, mit den abzuscheidenden Partikeln zusammen und ionisieren diese wiederum, so dass diese in der Kollektoreinheit 12 entsprechend elektrostatisch abgeschieden werden können.
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Diese sekundäre Ionisation der abzuscheidenden Partikel durch die Gasionen findet in einem wesentlich größeren Volumen statt als die Koronaentladung selbst. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass es für eine optimale Abscheideleistung bei minimalen Ozonemissionen darauf ankommt, die Gasionen zunächst in einem möglichst kleinen Volumen zu generieren (denn nur dort entsteht aufgrund der hohen Feldstärken Ozon) und dann möglichst gleichmäßig und homogen aufgefächert durch den Gasvolumenstrom zu führen, um optimale Wirkungsquerschnitte zwischen Gasionen und Partikeln zu erzielen, wobei der Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung bei dem stromaufwärtigen Luftvolumen liegt.
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Hierzu ist zum einen einer (bevorzugt jeder) Sprühionisationsquelle eine Rand-Gegenelektrode 14a-d zugeordnet, die bezüglich der Sprühionisationsquelle 18a-d auf einem negativen Potential befindliche Wände 30, 32 aufweist, die für die jeweilige Sprühionisationsquelle 18a-d einen (abschnittsweisen) Strömungskanal randseitig begrenzt und die von der Sprühionisationsquelle beabstandet sind.
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Bei der in 1 dargestellten rechteckförmigen Gestalt der Rand-Gegenelektroden 14a-d sind die gegenüberliegenden Wände der breiteren Seite mit 30 und die der schmaleren Seite mit 32 bezeichnet.
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Aufgrund der insgesamt rechteckgitterartigen Struktur der Gesamtheit der Rand-Gegenelektroden 16 werden die Schmalseitenwände 32 der einzelnen Rand-Gegenelektroden 18a-d für aneinandergrenzende Rand-Gegenelektroden (d.h. ausgenommen die äußersten Schmalseiten) jeweils von einer gemeinsamen Schmalseitenwand 32 gebildet.
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Die positiven Gasionen werden durch diese Rand-Gegenelektroden 14a-d angezogen und idealerweise über den gesamten, zur Verfügung stehenden Strömungskanal aufgefächert, so dass optimale Wirkungsquerschnitte zwischen Gasionen und Partikeln erzielt werden.
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Weiterhin wurde erkannt, dass die Homogenisierung des Gasionenstroms dann nahezu optimal ist, wenn die Abstände zwischen Sprühionisationsquelle 18a-d und zugeordneter Rand-Gegenelektrode 14a-d möglichst konstant sind. Daher sind die Sprühionisationsquellen 18a-d in etwa mittig oder zentriert bezüglich der Kontur der Rand-Gegenelektroden 14a-d bzw. bezüglich der durch diese definierten Strömungskanäle angeordnet. „In etwa“ soll im Rahmen der Erfindung bedeuten, dass konstruktionsbedingte Abweichungen von typischerweise einigen Prozent bis ca. 10 % oder 20 %, tolerierbar sind.
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Bei einem Rechteckgitter, wie es bei Vorhandensein mehrerer Sprühionisationsquellen 18a-d für eine aerodynamisch ideale Abdeckung des Gesamt-Strömungsquerschnitts (insbesondere eines rechteckigen Strömungsquerschnittes) zweckmäßig ist, variieren die Abstände zwischen der idealisiert punktförmigen Sprühionisationsquelle 18a-d und den für das elektrische Feld der Rand-Gegenelektroden relevanten Stirnkanten der Wände 30, 32 der Rand-Gegenelektroden 14a-d bei einer angenommenen „geraden“ Ausführung dieser Stirnkanten trotz mittiger Anordnung der Sprühionisationsquellen 18a-d relativ stark. D.h., der Abstand zu der jeweiligen Mitte der Stirnkanten wäre bei „gerader“ Ausführung der Stirnkanten kleiner als zu den Ecken.
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Deshalb ist bei der Ausführungsform gemäß 1 vorgesehen, dass die Wände 30, 32 der Rand-Gegenelektroden runde Einschnitte 34, 36 aufweisen, die durch die Schnittkurven einer virtuellen Kugel (oder eines Kugelsegments, wenn man nur eine Seite betrachtet) 22a-d mit der jeweiligen Sprühionisationsquelle 18a-d im gedachten Mittelpunkt definiert sind. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Abstand der Sprühionisationsquellen 18a-d zu den Rand-Gegenelektroden 14a-d verwirklicht und damit ein möglichst gleichmäßige Ionenverteilung, wobei es in der Praxis gewisse Feldverzerrungen geben wird, z.B. durch die Überlagerung der von den Kollektor- und Treiberplatten ausgehenden elektrischen Felder.
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In einer allgemeineren Ausführungsform kann die Kontur der Einschnitte 34, 36 in die Rand-Gegenelektrodenwände 30, 32 so ausgebildet sein, dass die virtuelle Fläche zumindest aus Perspektive der Sprühionisationsquelle konkav ausgebildet ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist - alternativ oder ergänzend - zu den vorstehend beschriebenen, stromabwärts der Sprühionisationsquellen getroffenen Maßnahmen - stromaufwärts ein weiteres Stromaufwärts-Kollektorelement 44 vorgesehen, das in 1 nur schematisch als Gitter 44 mit acht Maschen dargestellt ist, aber auch andere Formen aufweisen kann.
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Das erwähnte Stromaufwärts-Kollektorelement oder Gitter 44 wird ebenfalls auf ein negatives Potential, z.B. das Massepotential, gelegt, und sorgt so für eine Auffächerung und Homogenisierung der Gasionenströme stromaufwärts der Sprühionisationsquellen 18a-d.
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Der longitudinale Abstand des Stromaufwärts-Kollektorelements 44 von den Sprühionisationsquellen 18a-d wird dabei bevorzugt in etwa so gewählt wie der Abstand der Rand-Gegenelektroden 18a-d von den Sprühionisationsquellen 18a-d, um eine gleichmäßige Stromverteilung in beide Richtungen zu erzielen. Der ideale Abstand wird nicht unbedingt in beiden Richtungen gleich sein, da die Feldeigenschaften der Rand-Gegenelektroden und des Stromaufwärts-Kollektorelements 44 in der Regel unterschiedlich sind. Ggf. kann der ideale Abstand experimentell ermittelt werden. Der in 1 dargestellte Abstand des Gitters 44 kann daher variiert werden; insbesondere ist es denkbar, das Gitter 44 näherungsweise äquidistant zu den Rand-Gegenelektroden 14a-d anzuordnen, d.h., bis an den stromaufwärtigen Teil der gedachten Kugelflächen 22a-d heranzuführen.
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Grundsätzlich sind auch andersartige Stromaufwärts-Kollektorelemente, wie z.B. ein nur randseitiger Ring oder eine Drahtharfe, denkbar.
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Weiterhin ist in Anlehnung an die bevorzugte Ausgestaltung der Rand-Gegenelektroden auch eine nicht ebene Ausgestaltung des Stromaufwärts-Kollektorelements, z.B. mit becherartigen Auswölbungen, denkbar, um den Abstand zwischen dem Kollektorelement und der Sprühionisationsquelle möglichst konstant zu gestalten (dies ist in 1 nicht dargestellt).
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2 zeigt eine technisch besonders einfach realisierbare Ausführungsform eines Elektroabscheiders 10, bei dem eine Rand-Gegenelektrode 30 mittels zweier gegenüberliegender Wände aus einer Verlängerung der äußersten Kollektorplatten 38 der Kollektoreinheit 12 gebildet ist, wobei diese Wände 30 entweder gerade oder mit den vorbeschriebenen runden Einschnitten ausgebildet sein können (nicht dargestellt). Stromaufwärts der Sprühionisationsquelle 18a ist auch bei dieser Ausführungsform ein Kollektorgitter 44 als Stromaufwärts-Kollektorelement vorgesehen.
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3 illustriert schematisch, wie ein erfindungsgemäßer Elektroabscheider 10 in eine dezentrale Raumbelüftungseinheit 46 integriert werden könnte, wobei - wie anfangs erwähnt -Verwendungen als „Standalone“-Luftreiniger für Aufenthaltsräume für Personen oder für vielfältige weitere Anwendungen in ähnlicher Konfiguration selbstverständlich ebenfalls möglich und beabsichtigt sind.
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In diesem Falle ist eine lonisator-/Gegenelektrodeneinheit schematisch als „Black-Box“ 54 angrenzend an die Kollektoreinheit 12 dargestellt, wobei stromaufwärts angrenzend ein erfindungsgemäßes Stromaufwärts-Kollektorgitter 44 vorgesehen ist, vor dem wiederum ein Axialventilator 52 angeordnet ist.
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Die genannten Elemente sind sequentiell in einem Rohr in einem Wanddurchlass 56 angeordnet, der sich zwischen einem raumseitigen Lufteinlass-/Luftauslass 48 und einem außenseitigen Lufteinlass-Luftauslass 50 erstreckt.
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Das Stromaufwärts-Kollektorgitter 44 schützt in dieser Konfiguration zusätzlich auch die Elektronik des Ventilators 52, bzw. dessen Steuerung, vor Überspannungsschäden durch Ableitung ansonsten ionenstrombedingter elektrostatischer Aufladungen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektroabscheider
- 12
- Kollektoreinheit
- 14a-d
- Rand-Gegenelektroden
- 16
- Rand-Gegenelektrodengesamtheit (Gitter)
- 18a-d
- Sprühionisationsquellen
- 20
- Stützgitter
- 22a-d
- gedachte Kugelflächen
- 24
- Treiberplatten- Kontaktreihe
- 26
- Kollektorplatten-Kontaktreihe
- 28
- Pfeil Strömungsrichtung
- 30
- Längsseitenwände Rand-Gegenelektroden
- 32
- Schmalseitenwände Rand-Gegenelektroden
- 34
- Einschnitt Rand-Gegenelektrodenwände (Längsseite)
- 36
- Einschnitt Rand-Gegenelektrodenwände (Schmalseite)
- 38
- Kollektorplatten
- 40
- Treiberplatten
- 44
- stromaufwärtiges Kollektorgitter
- 46
- dezentrale Raumbelüftungseinheit mit Elektroabscheider
- 48
- raumseitiger Lufteinlass/Luftauslass
- 50
- außenseitiger Lufteinlass/Luftauslass
- 52
- Axiallüfter
- 54
- lonisator-/Rand-Gegenelektroden-Einheit
- 56
- Wanddurchlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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