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Die Erfindung betrifft einen Durchflussreaktor zur elektrostatischen Behandlung von strömenden Flüssigkeiten, insbesondere von Flüssigkeiten mit darin mitgeführten Feststoffteilchen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Behandlungsanordnung mit einem solchen Durchflussreaktor.
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Durchflussreaktoren der in Rede stehenden Art sind seit Jahrzehnten bekannt. Bereits in den 50er Jahren gab es Durchflussreaktoren zur oligodynamischen Sterilisation von Flüssigkeiten (
DE 885 299 A ). Zur Reinigung von strömenden Flüssigkeiten, insbesondere von Abwasser, verwendet man ebenfalls Durchflussreaktoren (
WO 2008/018837 A2 ;
US 5,807,473 A ). Diese Durchflussreaktoren arbeiten auf elektrolytischer Grundlage.
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Der Durchflussreaktor, von dem die Erfindung ausgeht, ist jedoch ein elektrostatisch arbeitender Durchflussreaktor, bei dem keine Elektrolyse stattfindet, weil die Elektroden gegenüber der Flüssigkeit elektrisch isoliert sind. Hier ergibt sich lediglich ein elektrostatisches Feld in der im Strömungskanal der Rohrleitung strömenden Flüssigkeit. Letztlich wirkt die Rohrleitung mit ihren Elektroden wie ein großer, langgestreckter Kondensator, in dessen Feld evtl. in der Flüssigkeit mitgeführte Feststoffteilchen, die regelmäßig ebenfalls bestimmte Ladungszustände aufweisen, beeinflusst werden.
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Konkret arbeitet der Durchflussreaktor zur elektrostatischen Behandlung von strömenden Flüssigkeiten mit darin mitgeführten Feststoffteilchen, von dem die Erfindung ausgeht (
DE 20 2010 000 025 U1 ) als Desintegrationssystem. Das elektrische Feld wird hier zwischen einer stabförmigen Elektrode, die mittig in der Rohrleitung angeordnet ist, und dem elektrisch leitend ausgeführten Körper der Rohrleitung selbst aufgebaut. Die in der Flüssigkeit mitgeführten Feststoffteilchen aus dem Schlamm einer Kläranlage werden desintegriert, also zerstört. Das geschieht unter Einfluss einer Hochspannung, und zwar bevorzugt mit einem Hochspannungsfeld von 10 kV oder mehr als Gleichspannungsfeld, ggf. auch als Wechselspannungsfeld, dann bevorzugt mit Wechselspannungen einer Frequenz von einigen kHz.
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Bei andersartigen strömenden Flüssigkeiten bzw. andersartigen darin mitgeführten Feststoffteilchen kann ein Durchflussreaktor auch zur Agglomeration oder zur Vorbereitung der Agglomeration von Feststoffteilchen zu größeren Einheiten dienen, so dass anschließende Trennvorrichtungen in der Lage sind, die agglomerierten, größeren Feststoffeinheiten aus der strömenden Flüssigkeit heraus zu filtern.
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Der Lehre liegt das Problem zugrunde, den bekannten, eingangs erläuterten Durchflussreaktor zur elektrostatischen Behandlung von strömenden Flüssigkeiten konstruktiv zu verbessern.
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Die zuvor aufgezeigte Problemstellung ist gelöst bei einem Durchflussreaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.
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Wesentlich ist hier, dass die Rohrleitung selbst aus elektrisch isolierendem Material besteht. Diese Gestaltung der Rohrleitung schafft die Grundlage dafür, dass bei dem erfindungsgemäßen Durchflussreaktor beide Elektroden separat von der Rohrleitung außen an der Rohrleitung umfangsseitig beabstandet voneinander angeordnet sind. Im Inneren der Rohrleitung, also im Strömungskanal, befindet sich bei dem erfindungsgemäßen Durchflussreaktor keine Elektrode. Der Durchflussquerschnitt des Strömungskanals ist nicht durch Einbauten beeinträchtigt. Auch ist es nicht erforderlich, mit einer Elektrode in das Innere der Rohrleitung vorzudringen. Das vermeidet jedes Abdichtungsproblem. Die Rohrleitung ist nur Strömungskanal für die strömende Flüssigkeit. Die Elektroden sitzen außen an der Rohrleitung im trockenen Bereich. Sie sind umfangsseitig beabstandet voneinander angeordnet, so dass sich im Inneren der Rohrleitung das elektrische Feld zwischen den Elektroden ausbildet.
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Eine optimale Ausbildung des Feldes im Inneren der Rohrleitung, also in der strömenden Flüssigkeit, ergibt sich dann, wenn die Elektroden bezogen auf die Mittelachse der Rohrleitung um etwa 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Für die Ausführung der Elektroden gibt es verschiedene Möglichkeiten. Wichtig ist, dass die beiden Elektroden für die Funktion der Anode und der Kathode über im Wesentlichen die volle Länge der Rohrleitung verlaufen. Vorstellen lässt sich allerdings auch, dass man auf der Außenseite der Rohrleitung in Längsrichtung mehrere Elektroden voneinander getrennt hintereinander anordnet. Es hängt wahrscheinlich von der Gesamtlänge der Rohrleitung und den sonstigen Randbedingungen ab, in wieviele ”Abschnitte” man die Elektroden an der Rohrleitung aufteilt.
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Die Elektroden können beispielsweise als schmale streifenförmige Leiter auf der Außenseite der Rohrleitung ausgeführt sein. Die Streifen können auch etwas breiter sein oder im Querschnitt auch etwas schmaler, ggf. auch im Querschnitt dreieckig mit einer dem Strömungskanal zugewandten Kante. Dadurch lässt sich die Feldstärke im Bereich des Strömungskanals schon deutlich erhöhen.
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Nach bevorzugter und hier dargestellter Lehre der Erfindung ist allerdings vorgesehen, dass die Elektroden als Reihen von kammzinkenartig angeordneten Nadelelektroden mit der Rohrleitung zuweisenden Elektrodenspitzen ausgeführt sind. Die kammzinkenartige Gestaltung der jeweiligen Elektrode führt zu den Elektrodenspitzen, die der Rohrleitung bzw. dem Strömungskanal zugewandt sind. An den Elektrodenspitzen entsteht eine hohe Feldstärke, so dass die Wirkung auf die in der Flüssigkeit mitgeführten Feststoffteilchen besonders hoch ist. Das von den Elektroden gebildete elektrische Feld konzentriert sich hier bestmöglich dort, wo es gewünscht ist, nämlich im Strömungskanal.
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Die Rohrleitung definiert mit ihrem lichten Durchmesser den Strömungskanal und einschließlich der Wandstärke der Rohrleitung den Außendurchmesser. Um bei einem bestimmten Durchmesser des Strömungskanals die geringstmögliche Beabstandung der Elektrodenspitzen zu realisieren, empfiehlt es sich nach bevorzugter Lehre der Erfindung, die Rohrleitung außenseitig mit Vertiefungen zur eintauchenden Aufnahme der Elektrodenspitzen zu versehen. Die Vertiefungen können punktuell, gewissermaßen je Elektrodenspitze ausgeführt, aber auch in einer Längsnut ineinander übergehend zusammengefasst sein.
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Die Hochspannung an den Elektrodenspitzen macht es empfehlenswert, die Rohrleitung außenseitig zu isolieren, um eine Gefährdung von Bedienungspersonen auszuschließen. Somit ist erfindungsgemäß empfehlenswert, dass die Rohrleitung außenseitig mit einem radial beabstandeten Schutzmantel versehen ist. Der außenseitige Schutzmantel kann selbst auch wieder aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Ist eine elektrische Abschirmung gewünscht, so kann der außenseitige Schutzmantel aber auch eine solche elektrische Abschirmung enthalten. Der Schutzmantel kann dann theoretisch auch metallisch ausgeführt sein, evtl. als Schutzerdung angeschlossen. Auch ein mehrlagiger Schutzmantel mit einer elektrischen Abschirmung und einer elektrischen Isolierung ist eine Option.
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Zum einfachen Einbau des Durchflussreaktors in vorhandenen Strömungsanlagen empfiehlt es sich, dass am Einlassende und am Auslassende der Rohrleitung jeweils ein Anschlussflansch vorgesehen ist.
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Gegenstand der Erfindung ist nicht nur ein Durchflussreaktor der in Rede stehenden Art als solcher, sondern auch eine Behandlungsanordnung insgesamt, die mindestens einen solchen Durchflussreaktor und mindestens eine Hochspannungsversorgung für die Elektroden des Durchflussreaktors aufweist. Nach besonders bevorzugter Lehre kann vorgesehen sein, dass zwei (oder mehr) Durchflussreaktoren in Strömungsrichtung der Flüssigkeit hintereinander angeordnet und deren Elektroden unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 in einer perspektivischen Ansicht, schematisch, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussreaktors,
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2 den Durchflussreaktor aus 1 in einer Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten,
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3 den Durchflussreaktor aus 2 in einem Querschnitt,
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4 den Durchflussreaktor aus 3, in einem Querschnitt, schematisiert, an der Anschlussstelle der Elektroden,
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5 eine schematische Darstellung einer kompletten Behandlungsanordnung gemäß der Erfindung mit einem Durchflussreaktor gemäß 1.
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1 zeigt das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Durchflussreaktors zur elektrostatischen Behandlung von strömenden Flüssigkeiten, insbesondere von Flüssigkeiten mit darin mitgeführten Feststoffteilchen.
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Die elektrostatische Beeinflussung der Flüssigkeit, also die Maßnahme, die Flüssigkeit einem elektrischem Feld auszusetzen, dient erfindungsgemäß insbesondere der Agglomeration von sehr kleinen Feststoffteilchen (Schwebeteilchen), die an sich von einer nachfolgenden mechanischen Trennvorrichtung nicht oder nur ineffizient erfasst werden können. Durch die Agglomeration bilden sich größere Feststoffeinheiten, die anschließend besser abgefiltert werden können. Somit ist ein solcher Durchflussreaktor beispielsweise für Kläranlagen o. dgl. zweckmäßig einsetzbar. Entsprechendes gilt für Gärreste aus Biogasanlagen, die so besser abgefiltert werden können.
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1 zeigt zunächst eine Rohrleitung 1, die einen Strömungskanal 2 für die Flüssigkeit von einem Einlassende 3 zu einem Auslassende 4 bildet. Am Einlassende 3 der Rohrleitung 1 befindet sich in der Darstellung in 1 oben und unten an der Rohrleitung 1 jeweils eine elektrische Zuführung 5. Auf der Oberseite und der Unterseite der Rohrleitung 1 verlaufen außen jeweils in Längsrichtung der Rohrleitung 1 Elektroden 6, 7. Die Elektroden 6, 7 können über die elektrischen Zuführungen 5 an eine Hochspannungsversorgung 8 angeschlossen werden. Das ist in 5 dargestellt. Bei Anschluss an die Hochspannungsversorgung 8 wird eine Elektrode zur Anode (hier die Elektrode 6), die andere zur Kathode (hier die Elektrode 7). Welche der Elektroden 6, 7 Anode und welche Kathode ist, kann im Zuge des Betriebes wechseln.
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Wesentlich ist, dass die Rohrleitung 1 aus elektrisch isolierendem Material besteht und dass die Elektroden 6, 7 außen an der Rohrleitung 1 umfangsseitig beabstandet voneinander angeordnet sind. Die umfangsseitige Beabstandung der Elektroden 6, 7 bedeutet, dass die Elektroden 6, 7 nicht genau einander gegenüber angeordnet werden müssen. Zweckmäßig ist es hinsichtlich der optimalen Ausnutzung des elektrischen Feldes allerdings, dass, wie in 1 dargestellt, die Elektroden 6, 7 bezogen auf die Mittelachse der Rohrleitung 1 um etwa 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Im allgemeinen Teil der Beschreibung ist bereits darauf hingewiesen worden, dass für die Gestaltung der Elektroden vielerlei Möglichkeiten zur Verfügung stehen. So kann man beispielsweise auf der Außenseite des aus elektrisch isolierendem Kunststoff bestehenden Rohrleitung 1 schmale, wannenförmige Elektroden anordnen, beispielsweise aufkleben, die dann die gewünschte Spannung in die Rohrleitung 1 transferieren.
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Nach besonders bevorzugter und hier dargestellter Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass die Elektroden 6, 7 als Reihen von kammzinkenartig angeordneten Nadelelektroden 9 mit der Rohrleitung 1 zuweisenden Elektrodenspitzen 10 ausgeführt sind. Diese Konzeption sieht man angedeutet in 2. Dort kommt von oben, man sieht das links in dem herausgeschnittenen Bereich, die elektrische Zuführung 5 an die obere Elektrode 6, die hier beispielsweise als Anode geschaltet ist. Von einer in Längsrichtung der Rohrleitung 1 außenseitig verlaufenden Elektrodenleiste, die die Nadelelektrode 9 bildet, ragen die die Elektrodenspitzen 10 bildenden Kammzinken ab. Das führt zu einer besonders hohen Feldstärke an den Elektrodenspitzen 10 und damit zu einer perfekt konzentrierten, im Strömungskanal 2 wirksamen Feldlinienverteilung.
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3 hat einen Querschnitt aus 2 zum Gegenstand, auf den wir anschließend noch zurückkommen. In 4 erkennt man, dass die Rohrleitung 1 hier außenseitig mit kleinen Vertiefungen 11 in Form von Längsnuten zur eintauchenden Aufnahme der Elektrodenspitzen 10 versehen ist.
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3 und 4 zeigen im Zusammenhang, dass der Hochspannung an den Elektroden 6, 7 wegen im praktischen Einsatz die Rohrleitung 1 nach außen hin berührungsgeschützt sein sollte. Dazu ist erfindungsgemäß beispielhaft vorgesehen, dass die Rohrleitung 1 außenseitig mit einem radial beabstandeten Schutzmantel 12 versehen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in 3 der Schutzmantel 12 gestrichelt angedeutet. Bei Verwendung von Gleichspannung an den Elektroden 6, 7 ist ein Schutzmantel 12 aus elektrisch isolierendem Kunststoff gut geeignet. Insbesondere dann, wenn man mit Wechselspannung arbeitet, empfiehlt sich hingegen die Gestaltung des Schutzmantels 12 gleichzeitig als elektrische Abschirmung. Dazu darf auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen werden, wo einige Aspekte dazu erwähnt worden sind. Als elektrisch isolierendes Material kann neben Kunststoff beispielsweise auch Keramik verwendet werden.
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Eingezeichnet sind auch Distanzstücke 14 aus Kunststoff oder einem anderen elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik, durch die der Schutzmantel 12 von der Rohrleitung 1 im Abstand gehalten wird. Diese dienen zugleich der Positionierung der Elektrodenspitzen 10.
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Zum Zwecke der einfachen Einbaubarkeit des Durchflussreaktors in bestehenden Rohrleitungsanlagen empfiehlt es sich nach dem in 2 dargestellten, weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel außerdem, dass am Einlassende 3 und am Auslassende 4 der Rohrleitung 1 jeweils ein Anschlussflansch 13 vorgesehen ist.
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Das dargestellte und bevorzugte Ausführungsbeispiel zeigt Elektroden 6, 7, die jeweils eine einzige elektrische Zuführung an dem Einlassende 3 der Rohrleitung 1 haben. Grundsätzlich ist es möglich, an der Rohrleitung 1 hintereinander in Längsrichtung mehrere Elektroden anzuordnen, die jeweils einzeln mit einer Zuführung versehen sind. Man führt damit eine Art ”Aufteilung” der elektrostatischen Elektrodenanordnung durch.
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Wie eingangs erläutert worden ist, arbeitet der erfindungsgemäße Durchflussreaktor wegen der elektrischen Isolierung nicht galvanisch, sondern lediglich elektrostatisch-kapazitiv. An den Elektrodenspitzen 10 entsteht eine hohe Feldstärke, die über die Hochspannungsversorgung 8 variabel gesteuert werden kann. Durch den Anschluss jeweils eines positiv taktbaren und eines negativ taktbaren Abschnittes der Hochspannungsversorgung 8 oder zweier voneinander getrennter, aber aufeinander abgestimmter Hochspannungsversorgungen erfolgt eine phasengerechte Ansteuerung der Elektroden 6, 7.
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Das dargestellte und bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Durchflussreaktors hat eine Länge der Rohrleitung von beispielsweise 1.500 mm. Die Elektroden 6, 7 bzw. deren Nadelelektroden 9, sind ein wenig kürzer.
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Der Innendurchmesser der Rohrleitung 1, also der Durchmesser des Strömungskanals 2, liegt im Beispielfall bei etwa 50 mm, der Außendurchmesser der Rohrleitung 1 liegt bei etwa 65 mm.
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Der Innendurchmesser des Schutzmantels 12 beträgt etwa 90 mm, der Außendurchmesser etwa 110 mm, die Wandstärke also etwa 10 mm.
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Zum Einbringen der elektrischen Zuführungen 5 kann der Schutzmantel 12 am Einlassende 3 der Rohrleitung 1 für ein Stück geschlitzt sein. Das behindert die Schutzwirkung nur wenig.
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Die oben angegebenen Maße sind nur beispielhaft angegeben, damit man sich in der Praxis eine Vorstellung typischer Größenordnungen machen kann.
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Für die für die Rohrleitung 1 und ggf. den Schutzmantel 12 in Frage kommenden Materialien (insbesondere elektrisch isolierende Kunststoffe) darf auf die Fachliteratur verwiesen werden. Dasselbe gilt für die Wahl des Materials der Elektroden 6, 7. Unter Berücksichtigung der feinen Elektrodenspitzen 10 muss man hier eine auch in mechanischer Hinsicht stabile Variante wählen.
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5 zeigt den Einsatz eines Durchflussreaktors gemäß der Erfindung im Rahmen einer kompletten Behandlungsanordnung zur elektrostatischen Behandlung von strömenden Flüssigkeiten, insbesondere solchen mit darin mitgeführten Feststoffteilchen. Man erkennt hier den Durchflussreaktor mit seinen Elektroden 6, 7, über die elektrischen Zuführungen 5 angeschlossen an eine Hochspannungsversorgung 8, die schematisch dargestellt ist.
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Die Hochspannungsversorgung 8 stellt an den Ausgängen eine entsprechende Spannung zur Verfügung, die an den Elektroden 6, 7 anliegt. Es kann sich um eine Spannung bis zu 30 kV oder darüber handeln. Eingangsseitig kann man die Hochspannungsversorgung 8 so auslegen, dass sie an 220 V Wechselspannung oder z. B. auch an 24 V Gleichspannung angeschlossen werden kann.
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Für die Hochspannungsversorgung 8 gelten im Übrigen alle weiteren Variationsmöglichkeiten des Standes der Technik. Sie kann man, je nach dem gewünschten Einfluss auf die Flüssigkeit, auch im Wechselspannungsbereich, beispielsweise mit einer Wechselfrequenz von einigen kHz betreiben.
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Nicht dargestellt ist eine Variante, bei der vorgesehen ist, dass zwei Durchflussreaktoren in Strömungsrichtung der Flüssigkeit hintereinander angeordnet und deren Elektroden unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
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Durch das in der Flüssigkeit im Strömungskanal 2 erzeugte elektrische Feld kann man auf flexible Weise die Feststoffpartikel in der Flüssigkeit beeinflussen. Ziele sind dabei u. a.
- – die Steigerung des Abscheidegrades der Feststoffpartikel bei mechanischen Fest-Flüssig-Trennverfahren,
- – die Verbesserung der Entwässerbarkeit von heterogenen Gemischen (wie z. B. die Steigerung der Gehalte an Trockensubstanz bei der Entwässerung organisch-mineralischer Feststoffe aus flüssigen Medien),
- – die Minimierung bzw. die Einsparung der Polymerdosierung bei Fest-Flüssig-Trennverfahren (wie z. B. bei der Klärschlammentwässerung oder der Fest-Flüssig-Separation von Gärresten aus Biogasanlagen),
- – die Optimierung des Absetzverhaltens von Feststoffen in Flüssigkeiten (wie z. B. des Absetzens von Klärschlamm zur (Vor-)Eindickung),
- – die Minimierung von Maschinengrößen bei mechanischen Fest-Flüssig-Trennverfahren,
- – die Optimierung der Wirtschaftlichkeit bzw. Minimierung des Energiebedarfs bei mechanischen Fest-Flüssig-Trennverfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 885299 A [0002]
- WO 2008/018837 A2 [0002]
- US 5807473 A [0002]
- DE 202010000025 U1 [0004]