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Verfahren und Einrichtung zur elektronischen Staubabscheidung Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektronischen Staubabscheidung
mittels eines von einer Hochspannung beaufschlagten Elektrofilters. Der Entstaubungsgrad
eines Elektrofilters erreicht bekanntlich dann seinen höchsten Wert, wenn es mit
einer Spannung betrieben wird, welche gerade dicht unterhalb der Uberschlagsgrenze
ist. Da sich dabei aber infolge betriebsbedingter Schwankungen der Ionisationsverhältnisse
zwischen Anode und Kathode des Elektrofilters das Auftreten von Überschlägen nicht
vermeiden läßt, sind die-bekannten Elektrofilter mit relativ aufwendigen Steuer-
und Regeleinrichtungen versehen, um nach Auftreten eines uberschlags bzw. eines
Lichtbogens die Betriebsspannung recht rasch herunterregeln und nach erfolgter Löschung
des Lichtbogens wieder auf ihren alten Wert zurückführen zu können. So ist beispielsweise
nach der deutschen Auslegeschrift 1 074 012 ein Verfahren zum selbsttätigen Regeln
der Stromstårke eines Elektrofilters bekannt, nach dem beim Auftreten eines tberschlags
das Filter kurzzeitig durch ein Überstromrelais stromlos gemacht und daraufhin unter
Zwischenschaltung eines Strombegrenzungswiderstandes wieder eingeschaltet wird,
wobei dieser Strombegrenzungswiderstand
abgeschaltet wird, wenn
die Störung beendet und die Spannungshochregelung durch einen Verstellmotor erfolgt
ist. Man kann damit zwar eine gewisse Verkürzung der Hochregelzeit nach erfolgtem
Durchschlag erreichen, zur Durchführung dieses Verfahrens werden aber relativ komplizierte
und zeitaufwendig arbeitende Betätigungsorgane erforderlich.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den bisher bei bekannten ElektrDfiltern
erreichbaren Entstaubungsgrad noch zu steigern und dies auf eine wesentlich einfachere
Art zu erreichen. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß
die Elektrofilterspannung von einem unterhalb der Überschlagsgrenze liegenden Betriebswert
kurzzeitig periodisch auf oberhalb der Uberschlagagrenze liegende Werte gebracht
wird. Grundgedanke der Erfindung ist es also, den durch die Überschlags- bzw. Durchschlagsspannung
gegebenen Grenzwert betriebsmäßig gezielt zu überschreiten, den Einsatz des Überschlags
nun nicht aber abzuwarten, sondern rechtzeitig davor die Elektrofilterspamiung wieder
zurückzunehmen. Dabei wird der Effekt des sogenannten Entladungsverzuges ausgenutzt,
gemäß dem sich nach Anlegen einer Elektrodenspannung, welche größer als die Überschlagsspannung
ist, der Überschlag sich erst mit einem definierten Zeitverzug einstellen wird.
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Es ist zweckmäßig, wenn bei dieser impulsmäßigen Überhöhung der Elektrofilterspannung
deren zeitlicher Mittelwert unterhalb der Überschlagsgrenze gewählt wird. Damit
lassen sich hohe Entstaubungsgrade und eine erhöhte Durchschlagssicherheit erreichen.
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Besonders nahe der Überschlagsgrenze kann man den zeitlichen Mittelwert
wählen und so besonders hohe Entstaubungsgrade erzielen, wenn gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung
die Elektrofilterspannung jeweils nach Erreichen
ihres Höchstwertes kurzzeitig unterhalb des Betriebswertes, vorzugsweise auf Null
abgesenkt wird.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen
gekennzeichnet sind, ist nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild für eine Einrichtung zur Durchführung
des erfandungsgemäßen Verfahrens. Ein manuell betätigbarer Stelltransformator 1
ist primärseitig an ein Wechselstromnetz N angeschlossen und sekundärseitig mit
den Primärwicklungen eines Hochspannungstransformators 2 verbunden.
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Sekundärseitig ist der Hochspannungstransformator 2 mit den Wechselstromklemmen
eines Hochspannungsgleichrichters 3 verbunden, welcher aus vier in einer Graetzbrücke
zusammengeschalteten ungesteuerten Halbleiterventilen besteht. Die Ausgangsspannung
des Hochspannungsgleichrichters 3 wird mit einem RC-Glied 4, 5 geglättet und in
Reihe mit der Ausgangsspannung eines Impulsgenerators 6 an die Elektroden eines
Elektrofilters 7 geschaltet. Mit k ist die Kathode und mit a Gst die Anode dieses
Elektrofilters bezeichnet.
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Für den Fall, daß der Hochspannungsgleichrichter 2 dreiphasig ausgeführt
ist und der Hochspannungsgleichrichter aus einer Drehstrombrückenschaltung besteht,
kann auf das Glättungsglied 4, 5 verzichtet werden; Der Impulsgenerator 6 liefert
periodische Impulse, beispielsweise mit Netzfrequenz, und bringt damit die Elektrofilterspannung
kurzzeitig auf einen über der Durchschlagsspannung liegenden Wert.
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Fig. 2a zeigt den Verlauf der Spannung Uak zwischen Anode und Kathode
bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung. Der
Betriebswert der
Elektrofilterspannung U3 liegt um einen gewissen Sicherheitsabstand #U unterhalb
der Durchschlagsspannung und und entspricht dem Wert der geglätteten Ausgangsspannung
des Hochspannungsgleichrichters 3. Zu den deren zeitlicher Abstand z.B. der Perioden-*
Zeitpunkten tl und t2/wird infolge der Überlagerung der Ausgangsspannung des Hochspannungsgleichrichters
3 mit der Ausgangsspannung des Impulsgenerators 6 diese Durchschlagsgrenze Ud kurzzeitig
überschritten, was wie aus Fig. 2b ersichtlich, einen erhöhten Filterstrom IX zur
Folge hat.
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Die Werte des Sicherheitsabstandes, Impulshöhe und Impulsdauer, d.h.
die Impulszeitfläche der von dem Impulsgenerator abgegebenen Impulse können so aufeinander
abgestimmt werden, daß mit Sicherheit keine Funkenentladung auftritt. Es zeigt sich,
daß ein dem Gleichstrommittelwert des Filterstm mes 1K gemäß Fig. 2W entsprechender
Dauerstrom nach der typischen Strom-Spannungs charakteristik einer Elektrodenstrecke
einer Filterspannung zuzuordnen wäre, welche dauernd über der Durchschlagsgrenze
UD liegen würde, während der zeitliche Mittelwert der tatsächlich gemäß Fig. 2a
wirksamen Filterspannung UaK unterhalb der Durchschlagsgrenze UD liegt.
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Dies kommt durch die Nichtlinearität dieser Strom-Spannungscharakteristik
zustande.
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In Fig. 3 ist eine besonders einfache Ausführung für eine Einrichtung
zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Elektrofilterspannung dargestellt, welche insbesondere
für transportable Geräte gedacht ist. Die Eingangsleitungen 8, 9 und 10 stellen
die Kontakte eines Netzsteckers dar. Ist die Leitung 8 mit einer Netzphase Ph, die
Leitung 9 mit dem Schutzleiter Sch und die Leitung 9 mit dem Mittelpol, bzw. Nulleiter
MP des Netzes verbunden, dann wird nach Betätigung des Schalters 11 die Spule eines
Prüfrelais R1 an Spannung gelegt und die Netzspannung ist über den einen Kontakt
rl dieses Relais an einen Stelltransformator 12 gelegt, während der andere *dauer
T des Netzes entspricht,
Relaiskontakt r1 den Schutzleiter Sch mit
dem Gehäuse verbindet. Für den Fall, daß der Netzstecker mit anderer Polung in die
Steckdose eingeführt wird, würde nach Betätigen des Schalters 11 das Relais R1 nicht
anziehen und somit die Schaltung nicht betriebsbereit machen können.
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Die positive Halbwelle einer bezüglich ihrer Amplitude am Stelltransformator
12 einstellbaren Wechselspannung gelangt über eine Diode 13 und einen Widerstand
14 zu einem Ladekondensator 15 und lädt diesen auf ihren Scheitelwert auf.
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In der darauffolgenden Halbwelle dieser Wechselspannung wird der Kondensator
15 über einen Thyristor 16 und die Primärwicklung eines Hochspannungstransformators
17 schlagartig entladen. Der Steuerkreis des Thyristors 16 besteht aus einer Diode
18 und einem Strombegrenzungswiderstand 19 und wird von der Sekundärspannung eines
Transformators 20 gespeist, welcher primärseitig ebenfalls an die Phasenspannung
angeschlossen ist, sekundärseitig jedoch gegenüber der Spannung des Transformators
12 eine um 1800 phasenverschobene Steuerspannung liefert. Während der impulsartigen
Entladung des Kondensators 15 wird die auf der Sekundärseite des Transformators
17 in Reihe mit einem Kondensator 21 angeordnete Diode 22 in Sperrichtung beaufschlagt,und
das Potential der Kathodenklemme k erhöht sich um den Wert des hochtransformierten
Entladeimpulses. Für den sich daran anschließenden Rückschwingungsimpuls ist jedoch
die Diode 22 in Durchlaßrichtung gepolt, so daß dieser den Kondensator 21 auflädt
und damit an ihm eine negative Gleichspannung aufbaut. Deren Höhe läßt sich durch
einen parallel zur Primärwicklung des Hochspannungstransformators 17 angeordneten
Dämpfungskreis, bestehend aus der Diode 23 sowie einem veränderbaren Widerstand
24 ennstellen.Añ der Verbindung von Eondensator 21 mit der Diode 22 ist die Kathodenklemme
k über'einen Schutzwiderstand 25 angeschlossen. Da die Elektrodenstrecke immer nur
von dem definierten Energieinhalt des Kondensators 21 gespeist wird, ist diese Schaltung
absolut kurzschlußfest und gesichert gegen das Auftreten einer Bogenentladung-.
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Die Figuren 4a bis 4d zeigen zu der Schaltung gemäß Fig. 3 zugehörige
Spannungsdiagramme. In Fig. 4a ist zunächst die Netzspannung Uph zwischen dem Phasenleiter
Ph und dem Mittelpol bzw. Nulleiter Mp dargestellt. Fig. 4b zeigt die 0 gegenüber
dieser Spannung um 180 verschobene Steuerspannung Ust für den Thyristor 16, welche
in der Sekundärspannung des Transformators 30 besteht. Fig. 4b zeigt die Spannung
U15 am Ladekondensator 15, welche in der positiven Halbwelle der Phasenspannung
Uph bis zu derem Scheitelwert exponentiell ansteigt und dann kurze Zeit nach Auftreten
der positiven Halbwelle der Steuerspannung Ust infolge der Zündung des Thyristors
16 schlagartig gegen Null geht. In Fig. 4c ist die Sekundärspannung des Hochspannungstraisformators
17 dargeRellt. Man erkennt den während der Entladung des Kondensators 15 auftretenden
negativen Spannungsimpuls und den darauffolgenden positiven, eine Ladung des Kondensators
21 bewirkenden 7 positiven Rückschwingimpuls. In Fig. 4d ist schließlich der Verlauf
des Kathodenpotentials in Bezug auf diekEietamdeem Null- bzw. Mittelpunktleiter
Mg verbundene Kathodedargestellt. Dieser entspricht im Prinzip dem in Fig. 2a dargestellten
Spannungsdiagramm, mit dem Unterschied, daß die Absenkung der Anoden-Kathodenspannung
praktisch bis zum Wert Null erfolgt, wodurch der Sicherheitsabstand A U zur Durchschlagsspannung
Ud noch geringer gewählt werden kann.
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Fig. 5 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit für den konstruktiven Aufbau
des'Elektrofilters, welcher die Vorteile der impulsweisen Überhöhung der Elektrofilterspannung
besonders gut für die Zwecke der Luftentkeimung auszunutzen in der Lage ist. An
zwei Winkelträgern 26 sind waagerecht und parallel zueinander verlaufende stabförmige
Anoden 27 befestigt, welche elektrisch leitend mit der Anodenklemme a mittels einer
Anschlußschraube 28 verbunden sind. Die Anoden
27 bestehen auQeinem
gleichschenkeligen Winkelprofil. Jezwischen weils in der Mitte/zweier solcher Anoden
und räumlich hinter diesen angeordnet verlaufen parallel zu diesen bandförmige mit
ihrer Schmalseite den Anoden zugewandte Kathodenelektroden 29, welche an zwei Winkeleisen
30 fixiert sind, die ihrerseits über Keramikisolatoren 31 an den Winkeleisenträgern
26 befestigt sind. Mittels einer weiteren Anschlußschraube 32 sind die Kathodenelektroden
über eine Leitung mit der Kathodenklemme k verbunden.
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Fig. 6 zeigt einen etwas vergrößerten Ausschnitt längs der in Fig.
5 mit I-I angedeuteten Ebenen, betrachtet in Pfeilrichtung A. Man erkennt, daß die
bandförmigen Kathodenelektroden 29 mit ihren Schmalseiten, welche zur Erzielung
einer hohen Feldstärke schneidenförmig ausgebildet sind, in der Symmetrieebene zweier
benachbarter Anodenelektroden hinter denselben angeordnet sind. Die Schenkelenden
der Winkelprofilstäbe 27 sind jeweils mittels einer durchgehenden Isolierleiste
33 aus Kunststoff. Diese Ie:tsten,dienen zur Abschiermung gegenüber den Kathodenelektroden
und können als sogenannte Bündelungselektroden bezeichnet werden. Als besonders
wirkungsvoll haben sich für die Zwecke der Erfindung Leisten aus glasfaserverstärktem
Polyester erwiesen. Es wurde weiterhin gefunden, daß der Bündelungseffekt für den
sich zwischen den Kathoden und den Anoden ausbildenden Ladungsträgerstrom noch erheblich
gesteigert werden kann, wenn die Leisten 35 an ihrer den Kathodenelektroden 29 zugewandten
Seiten bis auf einen schmalen Rand mit einer Metallbelegung 34 versehen sind.
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Der Betriebswert U3 der zwischen den Klemmen a und k angelegten Spannung
wird nun so groß gewählt, daß hierbei zwischen Anode und Kathode eine selbständige
«kalte" Entan g rt an an der Kathode und Stoßionisati-on stattfindet. Es kommt dann
- bedingt durch die
dargestellte Ausbildung der Elektroden - ein
relativ scharf gebündelter Fluß Fp von negativen Ladungsträgern zwischen den Kathoden
und den Anoden zustande, der sich im wesentlichen längs der Verbindungsebene zwischen
einander zugeordneten Kathoden- und Anodenelektroden erstreckt. Stets werden aber
auch einige von der Kathode freigesetzten und von den Anodenelektroden beschleunigten
Ladungsträger zwischen den Anoden landen hindurch in den freien Raum geschleudert
werden,und zwar im wesentlichen längs der Symmetrieebene zweier benachbarter Anodenelektroden.
Dieser Elektronen- bzw. Ionenfluß F5 - man könnte ihn in gewissermaßen als Ionenwind
bezeichnen - hat eine negative Aufladung der Raumluft zur Folge. Der Ionenwind kann
nun ganz erheblich gesteigert werden durch die impulsweise Erhöhung der Elektrofilterspannung
über den Wert der iurchschlagsspannung. Dann wird in den jeweils von zwei von derselben
Kathode ausgehenden Ladungsträgerflüssan Fp begrenzten keilförmigen Räumen ein nennenswerter
Unterdruck entstehen, welcher raumluft nachsaugt.
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Der dann zustande kommende Raumluftstrom R passiert den Ladungsträgerfluß
Fp und wird dabei negativ aufgeladen. Die negativ geladenen Partikel des Raumluftstromes
R schlagen sich dann auf den Anodenelektroden wieder. Es hat sich gezeigt, daß bakterieller
Staub auf diese Weise nicht nur an den Anodenelektroden abgeschieden und damit die
Raumluft wirkungsvoll entkeimt werden konnte, sondern daß sich dieser abgeschiedene
Staub auch noch als absolut invirulent , d.h.
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als biologisch abgeffitet erwies.
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Für solche medizinischen Anwendungsfälle, in denen die mit der Erzeugung
des Ionenwindes F5 durch kurzzeitige Überhöhung der Elektrofilterspannung einhergehende
Ozonbildung die menschliche Verträglichkbitsgrenze überschreiten würde, ist es zweckmäßig,
die Impulsamplitude der Elektrofilterspannung eanutsRrighhenRde zu reduzieren und
auf andere Weise für eine/Durchströmung der Ladungsflußzone Fp mit Raumluft
zu
sorgen. Dies erfolgt bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch,
daß hinter den Kathodenelektroden 29 ein Gebläse 35 angeordnet ist. Beidseits jeder
Kathodenelektrode sind U-förmige Profilschienen aus Metall so angeordnet, daß einerseits
Luftdurchtrittsöffnungen lediglich im Bereich der schneidenförmigen Elektroden 29
vorhanden sind und andererseits jeder Kathodenelektrode zwei mit ihr auf demselben
Potential befindliche, parallele Zusatzelektroden in Form der Schenkel der Profilschienen
36 zugeordnet sind. Der Krümmungsradius dieser Zusatz elektroden ist wesentlich
kleiner als der Krümmungsradius der Schneiden der Kathodenelektroden, sende/ddalheeZusatzelektroden
keine Elektronen aus,sondern dienen lediglich der Steigerung des Bündelungseffektes
des primären Ladungsträgerflusses Fp (vergl. Fig. 6). Selbstverständlich lassen
sich solche Zusatz elektroden mit demselben Vorteil auch bei der in Fig. 6 dargestellten
Variante einsetzen. Zu beachten ist noch, daß die von dem Gebläse hervorgerufene
Windgeschwindigkeit nicht zu groß gewählt werden darf, sondern in der Größenordnung-der
Wanderungsgeschwindigkeit der Ladungsträger liegen sollte. Dann wird analog wie
beider in Fig. 6 dargestellten Anordnung die Raumluft R veranlaßt, den Pluß der
primären Ladungsträger FP zu durchqueren und ånschließend/die u scheidung der negativ
aufgeladenen Staubpartikel an der Anode. -Bei der in Fig. 8a, b dargestellten Variante
sind die Kathodenelektroden schneidenförmig ausgebildeten Enden von auf einer Metallplatte
37 befestigten Rohren. Zwischen den einzelnen Rohren befinden sich kreisförmige
Öffnungen 39 in der Platte 37. Mittels vier Abstandsbolzen 40 aus hochisolierenden
Kunststoff und acht Befestigungsschrauben ist mit der Platte 37 eine weitere Platte
41 verbunden, welche als Anode disnt. Diese weist ebenfalls kreisförmige Bohrungen
42 auf, welche konzentrisch zu den Rohren 38 angeordnet
sind. Die
im Bereich zwischen den Anoden und Kathoden sich ausbildenden Flußzonen von Ladungsträgern
- in Fig. 6 mit FP bezeichnet - verlaufen hier nicht keil- sondern trichterförmig,
im üb rigen können auch hier alle weiteren Ausgestaltungen der Variante gemäß den
Fig. 5 - 7, also insbesondere die Isolierleisten, deren Metallbelegung, die Eusatz
elektroden und das Gebläse sinngemäß übernommen werden, so daß eine nochmalige zeichnerische
Wiedergabe nicht erforderlich ist. Der Vorteil des in den Fig. 8a, b dargestellten
Ionenwindgenerators gegenüber dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ionenwindgenerator
besteht darin, daß er überaus kompakt und bezüglich seiner Raumform an ganz beliebige
Erfordernisse anpaßbar ist.
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In Fig. 9 ist schließlich noch eine weitere Variante zur impulsförmigen
Spannungsüberhöhung dargestellt, bei der ebenfalls wie bei der Anordnung nach Fig.
3 Hochspannungsgleichrichter und Impulsgenerator praktisch in einer Schaltung zusatnmengefaßt
sind und welche ebenfalls den Vorteil der Kuzrschlußfestigkeit und der Sicherheit
gegenüber dem Auftreten einer Bogenentladung aufweist. Diese Variante scheint insbesondere
geeignet für groß technische Entstaubungsanlagen. Sie besteht im wesentlichen aus
einer an sich bekannten Spannungsverdopplerschaltung mit sekundärseitig geerdeten
Hochspannungstransformator 2 an dessen Sekundärwicklung die Reihenschaltung eines
sogenannten Schubtransformators 43, mit einem einstellbaren Widerstand 44 und einem
Einweggleichrichter in Porm der Diode 22 angeschlossen ist. Der nicht mit der Sekundärwicklung
verbundene Belag des Schutkondensators kann zu dessen Entladestrombegrenzung über
einen Schutzwiderstand mit der Kathode k verbunden werden. Bei Speisung des Hochspannungstransformators
mit Wechselspannung ergeben sich im Prinzip ebenfalls die in den Fig. 2a und 2b
dargestellten Spannungsformen.DSe Impulshöhe ist durch Verändern der Ausgangsspannung
des Netztraisformators 1 einstellbar, während die die Vorionisierung liefernde Betriebsspannung
UB mittels des Widerstandes 44 einstellbar ist.