DE19913614C1

DE19913614C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen

Info

Publication number: DE19913614C1
Application number: DE19913614A
Authority: DE
Inventors: Willi Neff; Franz-Josef Trompeter; Klaus Pochner; Jens Kamp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: WO2000057992A1; EP1087830A1; US6461409B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen, und ist eine vorteilhafte Weiterentwicklung der DE 19518970 C1. Die Vorrichtung besitzt wenigstens ein Paar flächiger Elektroden, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, so daß sie einen vom Gas durchströmten Entladungsraum zwischen sich bilden, wobei bei jedem Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode auf der dem Entladungsraum zugewandten Seite mit einem Dielektrikum belegt ist, wobei wenigstens eine Elektrode einen oder mehrere Bereiche aufweist, in denen diese Elektrode eine zum Entladungsraum gerichtete Verdickung aufweist, und wobei in der Verdickung mindestens eine Öffnung vorgesehen ist, durch die das Gas strömen kann. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen sowie der Abgase von Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen.

Description

Beschreibung Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, und insbesondere von strömenden Abgasen, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 4. Die Erfindung findet in allen Gebieten der Technik Anwendung, in denen strömende Gase zur Schadstoffreduzierung einer Nachbehandlung zu unterziehen sind, beispielsweise in der Automobiltechnik, bei Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen oder wo Gase plasmachemisch zu neuen Stoffen umgewandelt werden sollen wie z. B. bei der Ozonherstellung aus Sauerstoff.

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung ist eine vorteilhafte Weiterentwicklung der DE 195 18 970 C1.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades bei der Reinigung von strömenden Gasen durch Barrierenentladungen wurde in der DE 195 18 970 C1 vorgeschlagen, entlang der Strömungsrichtung des Gases Inhomogenitäten der Elektrodenoberfläche vorzusehen. Durch diese Inhomogenitäten, nämlich Verdickungen, kann die Wahrscheinlichkeit für die Zündung von Entladungsfilamenten auch in denjenigen Gasvolumina erhöht werden, in denen noch keine Entladung stattgefunden hat. In den Verdickungsbereichen liegen kleinere Abstände zwischen den Elektroden vor, und damit höhere elektrische Feldstärken. In den Verdickungsbereichen zündet daher die Entladung ausschließlich. Sind insgesamt genügend Verdickungsbereiche vorhanden, können insgesamt mehr Volumenelemente einem Entladungsfilament ausgesetzt werden, was den Wirkungsgrad erhöht.

Eigene Untersuchungen zeigten, daß bei der in der DE 195 18 970 C1 vorgeschlagenen Lösung im Verdickungsbereich vorhandene elektrische Ladungsträger die lokale Zündspannung absenken. Die Inhomogenitäten der Elektrodenoberfläche führen nämlich auch zu Inhomogenitäten in der Verteilung der elektrischen Ladungsträger. Da die Entladung ausschließlich in den Verdickungsbereichen zündet, kommt es in diesen Bereichen zu einer Ansammlung von elektrischen Ladungsträgern und dadurch zu einer Erniedrigung der Zündfeldstärke.

Dieser Effekt führt dazu, daß es bei Vorhandensein von Ladungsträgern im Verdickungsbereich nicht nur zu Zündungen von Filamenten auf der der Gegenelektrode zugewandten Fläche der Verdickung kommt. Es kommt nun auch zur Zündung von Filamenten auf einem längeren Weg, beispielsweise an den Seitenflächen der Verdickungen.

In denjenigen Raumbereichen, die bezogen auf die Strömungsrichtung hinter den Verdickungen liegen, liegt fast keine Gasströmung vor. Durch die Verdickungen entsteht auf diese Weise ein Volumenbereich V1, in dem kein nennenswerter Gasaustausch mehr stattfindet.

Die Zündung von Filamenten an den Seitenflächen der Verdickungen und der Umstand, daß im Volumen V1 kein nennenswerter Gasaustausch mehr stattfindet, führt dazu, daß die Gasentladung im Volumen V1 fast ohne Wirkung ist. Je nach geometrischer Form der Verdickungen, ihrer Anzahl und ihrer Anordnung im Reaktor, bleibt ein erheblicher Teil der in die Gasentladung eingekoppelten Energie ungenutzt. Das Potential für den Wirkungsgrad der Barrierenentladung ist damit nicht ausgeschöpft.

Durch den nur wenige Millimeter großen Entladungsspalt, den die Elektroden bilden, wird die Gasströmung stark behindert. Der erhöhte Strömungswiderstand ist für alle genannten Anwendungen nachteilig, und kann zum Beispiel bei Verbrennungsmotoren zu einem Rückstau der Abgase und damit zu einer Verschlechterung der Motorenleistung führen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den Entladungsspalt möglichst groß zu dimensionieren. Die damit erforderliche Vergrößerung des Elektrodenabstandes erzwingt jedoch eine Erhöhung der von der Spannungsquelle erzeugten Spannungsamplitude. Dagegen spricht jedoch besonders der höhere Aufwand für Isolation und Spannungsgeneratoren.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme der DE 195 18 970 C1 zu überwinden und einen Abgasreaktor zur Verfügung zu stellen, bei dem das von der Gasentladung eingenommene Volumen möglichst vollständig vom Abgas durchströmt wird.

Weiterhin ist es Aufgabe, den Strömungswiderstand des Entladungsspaltes zu verkleinern. Die Verkleinerung des Strömungswiderstandes soll dabei ohne eine Vergrößerung des Entladespaltes erfolgen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2, 3 und 5 angegeben.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die sich aus der DE 195 18 970 C1 ergebenden Probleme durch Verdickungen lösen lassen, die mindestens eine Öffnung aufweisen, durch die das Abgas strömen kann.

Die Öffnungen sind so angebracht, daß das Abgas durch die Öffnung hindurchströmen kann. Damit liegt bezogen auf die Strömungsrichtung räumlich hinter den Verdickungen eine Gasströmung bzw. ein Gasaustausch vor. In diesem Raumbereich wird strömendes Gas den Entladungsfilamenten ausgesetzt. Das von der Gasentladung eingenommene Volumen wird auf diese Weise fast vollständig vom Abgas durchströmt und der Reinigungseffekt verbessert. Bei den in der Praxis anzutreffenden Abgasreaktoren wird das von den Entladungsfilamenten erfaßte Volumen etwa verdoppelt, und der Reinigungseffekt steigt entsprechend um ca. 100%.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, nur einen Teil der Verdickungen mit Öffnungen versehen werden, wenn es das Strömungsverhalten im jeweiligen Anwendungsfall erfordert. Pro Verdickung sind ein oder mehrere Öffnungen möglich. Für eine optimale Gasströmung ist es zweckmäßig, die Öffnung parallel zur Strömungsrichtung des Abgases auszurichten. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, daß in die Verdickung mit einem Laser ein oder mehrere Löcher gebohrt werden, deren Symmetrieachse weitgehend parallel zur Strömungsrichtung liegt. Die Breite der Öffnungen wird so bemessen, daß die Entladungsfilamente auch noch über den um diese Breite verlängerten Weg sicher zünden.

Reichen der Strömungswiderstand und der Reinigungseffekt für den Anwendungsfall aus, so kann die Erfindung auch dazu dienen, kleinere Spannungsamplituden als bei einem Reaktor nach Stand der Technik einzusetzen. Für einen gegenüber dem Stand der Technik gleich guten Reinigungseffekt kann der Entladungsspalt so weit verkleinert werden, daß die vom Gas durchströmte Querschnittsfläche, die durch die Summe der Querschnittsflächen von Entladungsspalt und Öffnungen gebildet wird, gleich bleibt. Dies ist besonders für die Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren von Vorteil, bei der dann vorteilhafterweise mit kleineren Spannungen gearbeitet werden kann, so daß kostengünstigere und kompaktere Spannungsquellen gewählt werden können.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Abgasreaktor gemäß Stand der Technik

Fig. 2 Einzelne Verdickung im Abgasreaktor nach dem Stand der Technik

Fig. 3a Erfindungsgemäße Verdickung mit Öffnung

Fig. 3b erfindungsgemäße Verdickung mit drei Öffnungen mit Blick in Strömungsrichtung

Fig. 3c erfindungsgemäßer Abgasreaktor in Seitenansicht

Fig. 4a, 4b erfindungsgemäßer Abgasreaktor in koaxialer Ausführung

Fig. 1 zeigt einen Abgasreaktor gemäß der DE 195 18 970 C1 mit zwei flächig ausgeführten Elektroden (1) und (2), wobei die obere Elektrode (1) mit einem Dielektrikum (3) belegt ist. Das Gas strömt zum Beispiel von links nach rechts. Die untere Elektrode (2) weist Verdickungen (4) auf. Die Verdickungen sind so geformt, daß keine scharfen Spitzen oder Kanten vorliegen, um den Übergang zu einer Koronaentladung zu vermeiden. Wie eigene Untersuchungen zeigten, strömt das Gas fast ausschließlich im Bereich oberhalb der Verdickungen (4). Dieser Bereich befindet sich in Fig. 1 oberhalb der horizontalen gestrichelten Linie (5). Im Volumen unterhalb dieser gestrichelten Linie, und damit hinter den Verdickungen, liegt eine nur vernachlässigbare Gasströmung vor. Im Spalt (6) zwischen Elektrode (1) und Verdickung (4) kommt es bei an den Elektroden angelegter Hochspannung U zur Ausbildung von gestrichelt gezeichneten Entladungsfilamenten (7).

Fig. 2 zeigt als Detailansicht eine einzelne Verdickung im Abgasreaktor gemäß der DE 195 18 970 C1. Infolge der Ansammlung von Ladungsträgern im Spalt (6) kommt es zur Absenkung der Zündspannung, so daß es auch zu Entladungen kommt, die auf einem längeren Weg (8) stattfinden. Unterhalb der gestrichelten Linie (5) liegt jedoch keine nennenswerte Gasströmung vor. Damit existiert ein Volumen V1, wo zwar Entladungsfilamente vorliegen, es jedoch keine Gasströmung gibt. Das von der Gasentladung eingenommene Volumen wird somit nur sehr unvollständig vom Abgas durchströmt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist Fig. 3a dargestellt. Im Gegensatz zu der massiven Verdickung von Fig. 2 ist diese Elektrode nun in der Nähe des Entladungsspalts mit Öffnungen (9) versehen, d. h. durchbrochen. Die Öffnungen sind so eingebracht, daß das Abgas durch die Öffnungen durchströmen kann. Die Öffnungen wurden mit einem Laserstrahl so in die Verdickung eingebracht, daß die Bohrlochachsen weitgehend parallel zur Strömungsrichtung verlaufen.

Fig. 3b zeigt die Öffnungen (9), vorliegend drei Öffnungen, in einer Detailansicht mit Blick in Strömungsrichtung. Durch die erfindungsgemäße Lösung bleibt die Zündfeldstärke durch den unveränderten Abstand von Verdickung zur glatten Gegenelektrode gleich. Der Strömungswiderstand nimmt jedoch ab, da nun Gas zusätzlich durch die Öffnungen bzw. Durchbrechungen hindurch strömen kann. Die Breite der Öffnungen wird so bemessen, daß die Entladungsfilamente auch noch über den um diese Breite verlängerten Weg sicher zünden. Dadurch wird eine optimale Überlappung zwischen dem strömenden Gas und dem von der Barriernentladung überstrichenen Volumen hergestellt. Die Stege (10) und (11) sollten möglichst schmal sein, um nur einen geringen Strömungswiderstand zu verursachen. Durch die vertikalen Stege (11) zwischen den Öffnungen muß der elektrische Strom zum horizontalen Steg (10), d. h. dem Verdickungsbereich oberhalb der Öffnungen (9), fließen, und von dort aus über die Filamente der Barrierenentladung zum gegenüberliegenden Dielektrikum. Der gegenseitige Abstand der vertikalen Stege (11) muß so bemessen sein, daß sich der horizontale Steg (10) nicht zum Beispiel durch thermische Ausdehnung verformt.

Fig. 3c zeigt in einer Seitenansicht (Gasstrom von links nach rechts) eine Verdickung (4), die zumindenst teilweise schräg zur Gegenelektrode ausgerichtet ist (geknickte Verdickung). Die Zündung der Filamente erfolgt zunächst auf dem kürzesten Weg, d. h. im Entladungsspalt (6a) am Steg. Durch die abnehmende Zündspannung erfolgt die nachfolgende Zündung mit längerem Weg unterhalb der Öffnung (9) seitlich in Strömungsrichtung versetzt, d. h. es bildet sich ein weiterer Entladungsspalt (6b). Durch den seitlichen Versatz steht der Entladung eine größere Dielektrikumsfläche zur Verfügung, so daß die Gasentladung noch mehr Leistung pro Verdickung aufnehmen kann als bei einer Verdickung ohne Knick. Je nach Wahl der Öffnungen entstehen mindestens zwei Entladungsspalte.

Fig. 4a und Fig. 4b zeigen Schnitte durch zwei erfindungsgemäß realisierte Reaktoren in koaxialer Ausführung. In beiden Fällen besteht die glatte Elektrode (1) aus einem Rohr mit gepunktet gezeichneter Isolierung (3). Die Isolierung besteht aus Quarzglas oder einer Aluminiumoxidkeramik. Die Verdickungen (4) auf der Elektrode (2) sind metallische Scheiben mit Öffnungen (9). Das Gas strömt parallel zur Zylinderachse durch den Entladungsspalt (6) und durch die Öffnungen (9). Auch bei dieser Ausführungsform sind zwischen den einzelnen Öffnungen in den Scheiben schmale Stege (11) angeordnet. Diese haben die Aufgabe, den Stromfluß zu dem zum Entladungsspalt (6) hin gebildeten Steg (10) zu gewährleisten und diesen Steg gleichzeitig mechanisch zu stabilisieren.

Bezugszeichenliste

1

,

2

Elektroden

3

Dielektrikum

4

Verdickung

5

gestrichelte Linie

6

Entladungsspalt

7

Entladungsfilament auf dem kürzesten Weg

8

Entladungsfilament auf einem längeren Weg

9

Öffnung

10

horizontaler Steg (Verdickungsbereich oberhalb der Öffnungen)

11

vertikaler Steg (Verdickungsbereich zwischen der Öffnungen)

Claims

1. Vorrichtung zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen, mit wenigstens einem Paar flächiger Elektroden, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, so daß sie einen vom Gas durchströmten Entladungsraum zwischen sich bilden, wobei bei jedem Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode auf der dem Entladungsraum zugewandten Seite mit einem Dielektrikum belegt ist, daß wenigstens eine Elektrode einen oder mehrere Bereiche aufweist, in denen diese Elektrode eine zum Entladungsraum gerichtete Verdickung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verdickung mindestens eine Öffnung vorgesehen ist durch die das Gas strömen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung zumindenst teilweise schräg zur Gegenelektrode ausgerichtet ist.

3. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsrichtung der Öffnungen weitgehend parallel zur Strömungsrichtung des Gases verläuft.

4. Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen, wobei Gas einen Entladungsraum mit einem elektrischen Feld durchströmt, in dem elektrische Entladungen erzeugt werden, und wobei die Elektrode einen oder mehrere Verdickungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas teilweise durch in den Verdickungen befindliche Öffnungen strömt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in den Öffnungen weitgehend parallel zum Abgas im Entladungsspalt strömt.