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Die Erfindung betrifft eine Ionisationseinheit für einen
Abscheider.
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Bekannte Abscheider werden zum Abscheiden
von Partikeln in Gasströmen,
insbesondere in Gasen enthaltenen Festkörperpartikeln, Öl- oder Emulsionsnebeln
in unterschiedlichen Ausführungsformen
und Applikation eingesetzt.
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Insbesondere können derartige Abscheider als
Demister ausgebildet sein. Diese bestehen typischerweise aus einem
Metall- und/oder Kunststoff-Gestrick, an welchem die Partikel abgeschieden werden.
Derartige Demister zeichnen sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit
aus, wobei insbesondere vorteilhaft ist, dass diese nahezu wartungsfrei
betrieben werden können.
Insbesondere bei der Abscheidung flüssiger Partikel verbleibt die
Flüssigkeit
nicht im Gestrick des Demisters sondern läuft in Folge der Schwerkraft
am unteren Ende des Demisters ab und kann dort entnommen und entsorgt
werden.
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Mit derartigen Demister können Abscheidegrade
von weit über
90% erzielt werden. Probleme ergeben sich jedoch bei der Abscheidung
von kleinen Partikeln, deren Teilchendurchmesser kleiner als etwa
1 μm sind.
In diesem Fall wird ein erheblich geringerer Abscheidegrad erzielt.
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Um insbesondere auch für kleine
Partikelgrößen der
in einem Gasstrom vorhandenen Partikel zufriedenstellende Abscheidegrade
zu erzielen, werden Abscheidesysteme eingesetzt, in welchen zusätzlich zu
einem Demister eine Ionisationseinheit eingesetzt wird.
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Ein derartiges Abscheidesystem ist
aus der
DE 198 41
973 A1 bekannt. Dieses Abscheidesystem weist eine von einem
Demister gebildete Niederschlagselekt rode aus filterndem Material
sowie dieser zugeordnete Sprühelektroden
auf. Die Elektronen emittierenden Sprühelektroden sind quer zum Gasstrom
mit den Partikeln angeordnet und liegen in Abstand zur Niederschlagselektrode.
Mit dieser Anordnung werden die Partikel im Gasstrom ionisiert, wodurch
der Abscheidegrad der Partikel auf der gleichzeitig als Filter wirkenden
Niederschlagselektrode erhöht
wird.
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Die Sprühelektroden sind im Wesentlichen von
zylindrischen metallischen Stäben
gebildet, auf deren der Niederschlagselektrode zugewandten Oberseiten
in vorgegebenen Abständen
dornenförmige
Aufsätze
aufgebracht sind, an deren Spitzen die Elektroden emittiert werden.
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Nachteilig bei dieser Anordnung ist
zum einen der unerwünscht
aufwendige Aufbau der Sprühelektroden.
Weiterhin ist nachteilig, dass über
die Längsachse
der Sprühelektroden
nur im Bereich der dornenförmigen
Aufsätze
eine Emission der Elektroden erfolgen kann.
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Dementsprechend ist eine gleichmäßige Ionisation
der Partikel im Gasstrom über
die Gesamtfläche
der Niederschlagselektrode nur bedingt und mit einem hohen konstruktiven
Aufwand möglich. Eine
gleichmäßige Ionisation
der Partikel über
die Demister-Fläche
ist jedoch Voraussetzung für
die Erzielung hoher Abscheidegrade.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Ionisationseinheit für
einen Abscheider bereitzustellen, welche einen geringen konstruktiven
Aufwand aufweist und mit welcher der Abscheidegrad im Abscheider
effizient erhöht
wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die
Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Ionisationseinheit bildet
mit einem Abscheider ein Abscheidesystem zum Abscheiden von Partikeln
aus einem Gasstrom. Die Ionisationseinheit umfasst eine Anordnung
von in Abstand zueinander angeordneten Elektroden, deren Vorderkanten
jeweils eine Elektrodenstruktur bildende Oberflächeninhomogenität aufweisen,
sowie eine Anordnung von in Strömungsrichtung
des Gasstromes hinter den Elektroden und in Abstand zueinander angeordneten
Gegenelektroden. Die Gegenelektroden sind versetzt zu den Elektroden
angeordnet, so dass wenigstens ein Abschnitt der Gegenelektrodenfläche jeweils
einer Gegenelektrode den Elektrodenstrukturen zweier benachbarter
Elektroden zugewandt ist. Die in der Ionisationseinheit ionisierten Partikel
des Gasstromes werden dem Abscheider zugeführt.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ionisationseinheit
besteht darin, dass durch die versetzte Anordnung der Elektroden
und Gegenelektroden eine vollständige
und homogene Ionisierung der Partikel in dem die Ionisationseinheit
durchströmenden
Gasstrom erzielt wird, wodurch ein hoher Abscheidegrad der Partikel
im nachgeordneten Abscheider erreicht wird.
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Besonders vorteilhaft verlaufen dabei
die Längsachsen
der Elektroden und der Gegenelektroden jeweils wenigsten näherungsweise
parallel zueinander, so dass auch in Längsrichtung diesen Komponenten
eine homogene Ionisierung der Partikel erhalten wird.
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Die Elektroden weisen entlang ihrer
Längsachsen
verlaufende Vorderkanten mit Elektrodenstrukturen auf, die jeweils
den Gegenelektrodenflächen
der zugeordneten Gegenelektroden gegenüberliegen. Wesentlich hierbei
ist, dass die Elektrodenstrukturen von Inhomogenitäten der
Elektrodenoberfläche
im Bereich der Vorderkante gebildet sind, die sich über die
gesamte Länge
der Elektrode erstrecken. Dadurch wird über die gesamte Länge der Elektrode
eine gleichmäßige Ionisationszone
generiert.
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Besonders vorteilhaft sind die einzelnen Elektroden
von metallischen Sägeblättern oder
Sägebändern gebildet,
wobei die Sägezähne an deren Vorderkanten
die Elektrodenstrukturen bilden. Diese Ausführungsform gewährleistet
eine besonders gleichmäßige Ionisierung
in Längsrichtung
der Elektrode. Zudem sind diese Elektroden einfach und kostengünstig herstellbar
und weisen zudem einen robusten Aufbau auf.
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Die Gegenelektroden sind vorzugsweise
von metallischen Rohren gebildet, wobei die den jeweiligen Elektroden
zugewandten Mantelflächen
die Gegenelektrodenflächen
bilden. Da diese eine homogene Krümmung aufweisen, besteht keine
Gefahr von elektrischen Überschlägen zwischen
den Elektroden und Gegenelektroden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die
Gegenelektroden in Form der Rohre einfach und kostengünstig herstellbar
sind.
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Der auf die Ionisationseinheit geführte Gasstrom
mit den Partikeln wird an den Elektroden vorbeigeführt und
dann im Bereich zwischen den Elektroden und Gegenelektroden ionisiert.
Durch die versetzte Anordnung der parallel laufenden Elektroden und
Gegenelektroden erfolgt über
die gesamte Querschnittsfläche
eine gleichförmige
Ionisierung der Partikel.
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Um einen optimalen Wirkungsgrad der
Abscheidung zu erzielen, ist die Querschnittsfläche der Ionisationseinheit
an die Querschnittsfläche
des nachgeordneten Abscheiders angepasst. Der Abscheider kann allgemein
als leitfähiger
Filter oder Kollektor ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist der
Abscheider von einem Demister gebildet.
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Die Ionisationseinheit bildet vorzugsweise ein
austauschbares Modul. Der Demister oder allgemein der Abscheider
kann somit alleine oder in Verbindung mit der Ionisationseinheit
betrieben werden.
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Sollen mit dem Demister größere Partikel aus
einem Gasstrom abgeschieden werden, kann dieser bevorzugt ohne Ionisationseinheit
eingesetzt werden.
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Demgegenüber wird die Ionisationseinheit insbesondere
dann bevorzugt als Zusatzmodul eingesetzt, wenn aus dem Gasstrom
kleine Partikel abgeschieden werden sollen, deren Teilchendurchmesser
kleiner als 1 μm
ist.
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Die Erfindung wird im Nachstehenden
anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 Schematische
Querschnittsdarstellung einer Ionisationseinheit sowie eines nachgeordneten
Abscheiders zum Abscheiden von Partikeln aus einem Gasstrom.
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2 Perspektivische
Darstellung der Ionisationseinheit gemäß 1.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Ionisationseinheit 1 mit
einem nachgeordneten Abscheider 2 zum Abscheiden von Partikeln
aus einem Gasstrom 3. Die Ionisationseinheit 1 und
der Abscheider 2 bilden ein Abscheidesystem. Die Partikel in
dem Gasstrom 3 können
als Festkörperpartikel oder
als Öl-
bzw. Emulsionsnebel ausgebildet sein.
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Der Abscheider 2 ist im
vorliegenden Fall von einem Demister gebildet, der im Wesentlichen
aus einem Gestrick aus Metall oder aus einem Gemisch aus Metall
und Kunststoff besteht. Als Metall wird vorzugsweise Edelstahl eingesetzt.
Generell können
als Abscheider 2 Kollektoren bzw. Filter aus zumindest teilweise
leitfähigem
Material eingesetzt werden. Die aktive Fläche des Demisters, die von
dem Gasstrom 3 angeströmt
wird, verläuft
im vorliegenden Fall in einer vertikalen Ebene. Die Strömungsrichtung
des Gasstromes 3 verläuft
in horizontaler Richtung.
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Der Demister kann prinzipiell als
separate Einheit zur Abscheidung von Partikeln verwendet werden.
Im vorliegenden Fall ist die Ionisationseinheit 1 als zusätzliches
Modul dem Abscheider 2 vorgeordnet, wodurch der Abschei degrad
des Demisters insbesondere bei kleinen Teilchendurchmessern der
im Gasstrom 3 enthaltenen Partikel erhöht wird.
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Die Ionisationseinheit 1,
deren Aufbau in 2 detailliert
dargestellt ist, besteht aus einer Anordnung von Elektroden 4 und
Gegenelektroden 5. Diese sind an eine nicht dargestellte
Spannungsquelle angeschlossen. Dabei ist der Spannungsanschluss
derart gewählt,
dass eine vorgegebene Potentialdifferenz zwischen der Ionisationseinheit 1 und dem
Abscheider 2 besteht, wobei dieser vorzugsweise auf Massepotential
gelegt ist.
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Die Elektroden 4 sind im
Wesentlichen stabförmig
ausgebildet, wobei deren Längsachsen
jeweils in vertikaler Richtung verlaufen. Dabei sind die Elektroden 4 mit
ihren parallel verlaufenden Längsachsen
in identischen Abständen
hintereinander angeordnet. Im vorliegenden Fall sind die Elektroden 4 identisch
ausgebildet. Die so gebildete Anordnung der Elektroden 4 erstreckt
sich über
die gesamte Breite der Ionisationseinheit 1, wobei die
Rückseiten der
Elektroden 4 in einer vertikalen Ebene liegen, welche die
Eintrittsfläche
der Ionisationseinheit 1 für den Gasstrom 3 bildet.
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Die Gegenelelektroden 5 liegen
in Strömungsrichtung
hinter den Elektroden 4. Die Längsachsen der Gegenelektroden 5 verlaufen
parallel zueinander und parallel zu den Längsachsen der Elektroden 4 in
vertikaler Richtung. Dabei liegen die Gegenelektroden 5 in
einer vertikalen Ebene in Abstand zueinander, wobei sich die so
gebildete Anordnung wiederum über
die gesamte Breite der Ionisationseinheit 1 erstreckt.
Die Gegenelektroden 5 sind im vorliegenden Fall identisch
ausgebildet.
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Die Gegenelektroden 5 sind
versetzt zu den Elektroden 4 angeordnet, so dass jeweils
eine Gegenelektrode 5 hinter eine Lücke zwischen zwei benachbarten
Elektroden 4 liegt. Wie aus 2 ersichtlich
sind die Breiten der Gegenelektroden kleiner als die Abstände zweier
benachbarter Elektroden 4.
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Wie aus 2 weiterhin ersichtlich, sind die Elektroden 4 und
die Gegenelektroden 5 in einem Rahmen 6 der Ionisationseinheit 1 fixiert.
Die so gebildete Baueinheit kann als Modul dem Abscheider 2 vorgeordnet
werden. Weiterhin sind die Elektroden 4 und Gegenelektroden 5 lösbar an
dem Rahmen 6 befestigt und können so zu Wartungszwecken
ausgebaut und bei Bedarf ausgetauscht werden.
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Die Elektroden 4 weisen
an ihren den Gegenelektroden 5 zugewandten Vorderkanten
Elektrodenstrukturen 7 auf. Diese sind als Oberflächeninhomogenitäten ausgebildet,
die sich kontinuierlich jeweils entlang der gesamten Längsachse
der jeweiligen Elektrode 4 erstrecken. Vorzugsweise sind
die Oberflächeninhomogenitäten als
zacken- oder spitzenförmige
Strukturen ausgebildet, welche Entladungsspitzen bilden, an welchen
bei Anlegen der Spannung an eine Elektrode 4 Elektronen
austreten können.
In jedem Fall sind die Oberflächeninhomogenitäten derart
ausgebildet, dass die Entladungsspitzen nahezu kontinuierlich entlang
der Vorderkante verteilt sind, so dass über die gesamte Länge einer Elektrode
4 im Bereich ihrer Vorderkante ein homogener Feldverlauf erhalten
wird.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
sind die Elektroden 4 von metallischen Sägeblättern gebildet.
Vorzugsweise bestehen die Sägeblätter aus
Stahl. Alternativ können
anstelle von Sägeblättern auch
Sägebänder eingesetzt
werden. Die Sägeblätter weisen
einen robusten Aufbau auf und sind zudem kostengünstig herstellbar. Besonders
vorteilhaft werden handelsübliche
Sägeblätter für Sägen eingesetzt,
die als Massenware bezogen werden können. Die Ionisationseinheit 1,
insbesondere der Rahmen 6 ist derart ausgebildet, dass
die Sägeblätter ohne
konstruktive Veränderungen
an der Ionisationseinheit 1 montiert werden können. Wie aus 2 ersichtlich, werden daher
die Sägeblätter an
ihren oberen und unteren Enden am Rahmen 6 eingespannt.
Die Montage der Sägeblätter an
der Ionisationseinheit 1 ist daher schnell und einfach durchführbar.
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Die Sägezähne an den Vorderkanten der
Sägeblätter bilden
die Elektrodenstrukturen 7. Die Sägezähne können je nach Ausführungsform
des Sägeblattes
in der Ebene des den Grundkörper
bildenden flachen Blattes des Sägeblattes
verlaufen. Alternativ können
die Sägezähne wie
in 1 dargestellt leicht geneigt
zur Blattebene verlaufen und seitlich etwas über die seitlichen Randflächen des
Blattes hervorstehen.
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Die Gegenelektroden 5 sind
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
von hohlzylindrischen metallischen Rohren gebildet. Die Rohre bestehen
bevorzugt aus Stahl. Die Rohre können
als Meterware bezogen werden und sind damit äußerst kostengünstig herstellbar.
Die Rohre werden ebenso wie die Sägeblätter von ihren oberen und unteren
Enden am Rahmen 6 der Ionisationseinheit 1 eingespannt.
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Wie aus 2 ersichtlich, weisen die Elektroden 4 und
die Gegenelektroden 5 identische Längen auf. Die Höhe des Rahmens 6 ist
dabei an die Längen
der Elektroden 4 und Gegenelektroden 5 angepasst.
Die von den Elektroden 4 und Gegenelektroden 5 aufgespannte
Querschnittsfläche
der Ionisationseinheit 1 ist an die Querschnittsfläche des
nachgeordneten Abscheiders 2 angepasst.
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Wie aus 1 ersichtlich, liegt jeweils ein Segment
der Mantelfläche
einer rohrförmigen
Gegenelektrode 5 den Elektrodenstrukturen 7 zweier der
Gegenelektroden 5 zugeordneten Elektroden 4 in vorgegebenen
Abstand gegenüber.
Wesentlich hierbei ist, dass die von diesen Mantelflächensegmenten gebildeten
Gegenelektrodenflächen 8 eine
kontinuierlichen kantenfreie Oberflächenstruktur aufweisen, da
somit unerwünschte
elektrische Überschläge zwischen
den Elektroden 4 und Gegenelektroden 5 vermieden
werden können.
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Im vorliegenden Fall ist dies durch
die rotationssymmetrische Form der Gegenelektrodenflächen 8 der
rohrförmigen
Gegenelektroden 5 gewährleistet.
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Prinzipiell können auch Gegenelektroden 5 mit
nicht rotationssymmetrischen Gegenelektrodenflächen 8 eingesetzt
werden. Dabei können
die einzelnen Gegenelektrodenflächen 8 insbesondere
von gekrümmten
Oberflächensegmenten
der Gegenelektroden 5 gebildet sein. Beispielsweise können hyperbolische
oder elliptische Gegenelektrodenflächen 8 vorgesehen
sein. Prinzipiell können
die Gegenelektrodenflächen 8 auch
ebene Flächensegmente
aufweisen, die jeweils über
gekrümmte
Flächensegmente
verbunden sind.
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In 1 sind
schematisch die Feldverläufe zwischen
den Elektroden 4 und den Gegenelektroden 5 dargestellt.
Von den Elektrodenstrukturen 7 einer Elektrode 4 verlaufen
fächerförmige Feldlinien 9 jeweils
zu den beiden benachbarten, versetzt liegenden Gegenelektroden 5.
Diese Bereiche bilden die Ionisationszonen, in welchen die Partikel
des durchströmenden
Gasstromes 3 ionisiert werden. Durch die versetzte Anordnung
der Elektroden 4 und Gegenelektroden 5 wird erreicht,
dass sich die Ionisationszonen zwischen diesen zu einem lückenlosen
Ionisationsbereich ergänzen,
der von dem Gasstrom 3 durchströmt werden muss.
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Da die Längsachsen der Elektroden 4 und Gegenelektroden 5 zumindest
näherungsweise
parallel verlaufen, wird ein über
die gesamte Höhe
der Ionisationseinheit 1 homogener Ionisationsbereich erhalten.
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Der auf die Ionisationseinheit 1 geführte Gasstrom 3 wird
auf die Rückseiten
der Elektroden 4 geführt
und strömt
dann in die Zwischenbereiche zwischen der Elektroden 4.
Dann wird der Gasstrom 3 in den Ionisationsbereich geführt und
dabei an den Gegenelektrodenflächen 8 vorbeigeführt. Im
Ionisationsbereich erfolgt eine vollständige, homogene Ionisierung
der Partikel im Gasstrom 3.
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Der an der Austrittsfläche der
Ionisationseinheit 1 ausströmende Gasstrom 3 wird
dann dem Abscheider 2, im vorliegenden Fall dem auf Massepotential
liegenden Demister, zugeführt.
Die ionisierten Partikel werden dann an dem Gestrick des Demisters abgeschieden.
Je nach Ausbildung der Partikel im Gasstrom 3 hat es sich
als zweckmäßig erwiesen, reine
Metall-Gestricke oder Gestricke aus Metall-Kunststoffgemischen einzusetzen,
um möglichst hohe
Abscheidegrade zu erzielen.
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- 1
- Ionisationseinheit
- 2
- Abscheider
- 3
- Gasstrom
- 4
- Elektrode
- 5
- Gegenelektrode
- 6
- Rahmen
- 7
- Elektrodenstruktur
- 8
- Gegenelektrodenfläche
- 9
- Feldlinien