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Elektri-scher Staubabscheider
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Staubabscheider.
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Bei einem bisherigen, in Fig. 1 dargestellten elektrischen Staubabscheider
sind eine Leistungsregelvorrichtung aus einem Thyristor, einem Hochspannungs-Transformator,
einem Gleichrichter usw. sowie eine Steuerschaltung vorgesehen.
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Eine an einen Staubabscheider angelegte Gleichstrom-Hochspannung wird
unter der Regelung durch die Leistungsregelvorrichtung mit Steuerschaltung von einer
Netzstromleitung abgenommen. Die Leistungsregelschaltung wird dabei in Abhängigkeit
von einem von der Steuerschaltung gelieferten Analog-Eingangssignal von a - 100
% angesteuert.
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Da bei einem solchen elektrischen Staubabscheider jedoch die abzuscheidenden
Staubteilchen prinzipiell auf solche mit einem spezifischen Widerstand im Bereich
von etwa 104 - 1011 Ohm-cm beschränkt sind, besitzt diese bisherige Vorrichtung
eine mangelhafte Staubabscheidungsleistung für Staubteilchen mit einem spezifischen
Widerstand im Bereich von 1011 - 1013 Ohm.cm.
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Diese eingeschränkte Staubabscheidungsleistung des bisherigen elektrischen
Staubabscheiders beruht auf dem Auftreten eines Gegen-Koranaeffekts im Staubabscheider.
Jahrelange, ausgedehnte Untersuchungen haben nun gezeigt, daß das Auftreten des
Gegen-Koronaeffekts (back corona) stets mit einer Zeitkonstante von ungefähr 1 s
verbunden ist.
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Im Hinblick hierauf wurde die Entwicklung eines verbeserten elektrischen
Staubabscheiders angestrebt, dessen Staubabscheidungsleistung AU¢h für Staubteilchen
mit einem 13 spezifischen Widerstand von 1011 - 10 Ohm cm zufriedenstellend ist,
indem die genannte charakteristische Eigenart ausgenutzt und ein Strom intermittierend
und nicht - wie beim Stand der Technik - kontinuierlich angelegt wird, so daß die
Stromzufuhr vor dem Auftreten des Gegen-Koronaeffekts bereits wieder abgeschaltet
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines verbesserten
Staubabscheiders, der ohne Beeinträchtigung seiner Staubabscheidungsleistung auch
Staubteilchen mit einem spezifischen Widerstand von 1011 - 1013 Ohm-cm abzuscheiden
vermag.
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Diese Aufgabe wird durch die im beigefügten Patentanspruch gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen elektrischen Staubabscheider wird die Staubabscheidungswirkung
dadurch gewährleistet, daß zwischen Staubsammler-Elektroden eine Gleichstrom-Hochspannung
angelegt wird, die mittels einer Leistungsregelvorrichtung einstellbar ist. Eine
Steuerschaltung steuert die Leistungsregelvorrichtung intermittierend in der Weise
an, daß die Gleichstrom-Hochspannung beispielsweise während einer ersten Periode
von etwa 0,001 - 1 s (an die Elektroden) angelegt und dann während einer folgenden
Zeitspanne von etwa 0,01 - 1 s unterbrochen wird.
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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im
Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaus eines bisherigen elektrischen
Staubabscheiders, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild einer intermittierend arbeitenden
Steuerschaltung bei der Schaltunasanordnung nach Fig. 2, Fig. 4 eine Eingang/Ausgangs-Kennlinie
eines bei der Schaltung gemäß Fig. 3 vorgesehenen Umsetzers, Fig. 5A bis 5C graphische
Darstellungen von Wellenformen an den Punkten A - C in Fig. 3, Fig. 6 eine graphische
Darstellung von Spannung/Strom-Kennlinien zur Veranschaulichung des Unterschieds
zwischen normaler Ionisierung und Gegenkoronaionisierung in einem elektrischen Staubabscheider
und Fig. 7A und 7B graphische Darstellungen eines Steuersignals, eines Stroms und
einer Spannung beim erfindungsgemäßen Staubabscheider bzw. eines Steuersignals,
eines Stroms und einer Spannung beim bisherigen
Staubabscheider
Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.
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In den Fig. 2 und 3 ist eine intermittierend arbeitende Steuerschaltung
1 zur Ansteuerung einer Leistungsregelvorrichtung 2 dargestellt. Diese Steuerschaltung
ist über einen Schalter 3 entweder mit einer automatischen Steuerschaltung 4 oder
mit manuellen BetätigungsglLmdern 5 verbindbar. Die Schaltung gemäß Fig. 3 enthält
einen Kondensator C1, Dioden D1 - D4, variable bzw. Regelwiderstände R1 - R4, Festwert-Widerstände
R5 - R7, einen Transistor TR1 sowie CMOS-IC-Umsetzer IV1 und 1V2 mit einer Eingang/
Ausgangskennlinie gemäß Fig. 4.
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Bei dieser Schaltungsanordnung können im Fall einer Spannung VA (vgl.
Fig. 5) an einem Punkt A die Impulsbreite Tl und der Impulsabstand T2 zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Impulsen durch entsprechende Einstellung der Regelwiderstände
R1 bzw. R2 beliebig vorgegeben werden, während ihre ImpulshQhe Al und ihr Basis-
oder Grundpeoel A2 mittels der Regelwiderstände R3 bzw. R4 beliebig eingestellt
werden können.
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Eine Spannung an einem Punkt E entspricht im wesentlichen der Spannung
am Punkt A. Der als Emitterfolger eingeschaltete Transistor TR1 dient zur Stromverstärkung
und zur Impedanzumwandlung. Ein Ausgang an einem Punkt G ist ein ODER-Glied-Ausgang
für die Spannungspegel an den Punkten E und F, so daß der höhere dieser Pegel selektiv
am Punkt G abgegeben wird.
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Wenn bei der in Fig. 2 dargestellten elektronischen Steuerschaltung
für die erfindungsgemäße Leistungsregelvorrichtung 2 der Wählschalter 3tauf die
Seite der manuellen Betätigungsglieder 5 umgelegt Wird, erfolgt die Ansteuerung
der Leistungsregelvorrichtung
2 in einer manuellen Betriebsart,
in welcher die Regelwiderstände R1 - R4 gemäß Fig. 3 zur Einstellung der gewünschten
Impulsbreite T1, des Impulsabstands T2, der Impulshöhe Al und des Grundpegels A2
von Hand eingestellt werden. Wenn der Wählschalter 3 dagegen auf die automatische
Steuerschaltung 4 umgeschaltet wird, erfolgt die Ansteuerung automatisch. In der
automatischen Steuerbetriebsart werden beispielsweise die folgendne Regelvorgänge
durchgeführt: 1. Während die Regelwiderstände R1, R2 und R4 auf konstante Werte
fest eingestellt sind, wird der Regelwiderstand R3 (und damit die Impulshöhe Al)
mittels einer an sich bekannten Funkenfrequenz-Steuerschaltung (spark rate control
circuit) automatisch angesteuert.
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2. Die Regelwiderstände R1 - R4 werden durch einen Mikrorechner nach
einem vorgegebenen Algorithmus gesteuert.
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(Der hierfür benutzte Algorithmus kann beispielsweise so gewählt
sein, daß die Regelwiderstände R1 - R4 so eingestellt werden, daß das noch näher
zu erläuternde Produkt Vp x VAV optimiert wird.) Im folgenden sind die grundsätzlichen
Charakteristika der elektrischen Staubabscheidungswirkung erläutert. Wenn die Staubteilchen
der normalen Ionisierung unterworfen sind, entspricht eine Spannung/Strom-Kennlinie
der Kurve a gemäß Fig. 6, während diese Kennlinie beim Auftreten einer Gegenkoronaionisierung
(back corona ionization) die durch die Kurve b dargestellte Form annimmt. Beim Auftreten
einer Gegenkoronaionisierung ändert sich jedoch die Spannung/ Strom-Kennlinie längs
der Kurve b, so daß die Spannung auch bei Erhöhung des Stroms nicht ansteigt und
daher unter diesen Bedingungen ein unnötig großer Stromfluß vorhanden ist.
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Die Größe der Staubabscheidungsleistung ist ungefähr proportional
einem
Produkt Vp x VAV aus einem Spitzenwert Vp der Spannung und einem Zeitmittelwert
VAV der Spannung; je größer das Produkt Vp x VAV, um so größer ist mithin die Staubabscheidungsleistung.
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Wenn bedaufgetretener Gegenkoronaerscheinung der Strom vergrößert
wird, geht die Strom/Spannung-Kennlinie mit einer Zeitverzögerung von etwa 1 s von
der Kurve a auf die Kurve b über.
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Mit anderen Worten: auch wenn der Strom zwischen den Stromgrößen Ia2
und Ial in Fig. 7A plötzlich vergrößert und verkleinert wird, erfolgt die Strom/
Spannung-Kennlinie weiterhin der Kurve a gemäß Fig. 6, weil der Zeitmittelwert (time
average value) des Stroms klein ist.
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Der Mittelwert IAV des Stroms läßt sich nach der Gleichung T1 IAV
= Ia2 x T1+T2 berechnen, sofern die Bedingung Ia1 = 0 erfüllt ist. Bei der bisherigen
Vorrichtung besitzt der Zeitmittelwert des Stroms, wie in Fig. 7B dargestellt, eine
Größe Ib, so daß die Strom/Spannung-Kennlinie der Kurve b in Fig. 6 folgt.
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Ein Vergleich der Größen Vp x VAV bei der bisherigen Vorrichtung und
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Fig. 6 zeigt, daß im ersteren Fall
das Produkt Vp x VAV 2 gleich Vb ist, weil - wie aus Fig. 6 hervorgeht - die Bedingungen
Vp = Vb und VAV = Vb erfüllt sind, während erfindungsgemäß dieses Produkt zu Va2
X VAV wird, weil in diesem Fall - wie aus Fig. 6 hervorgeht - die Bedingung Vp =
Va2 erfüllt ist; durch zweckmäßige Wahl der Parameter Ti, T2, Al und A2 kann somit
die Bedingung Vb2 C Va2 x VAV realisiert werden.
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Im Fall der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich der Zeitmittelwert
VAV nicht einfach aus Fig. 6 entnehmen.
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In der Praxis besitzt die Spannungswellenform die Form gemäß Fig.
7A, wobei der Zeitmittelwert dieser Wellenform dem Mittelwert VAV entspricht. Dieser
Mittelwert besteht zwischen dem Höchstwert Va2 und dem Mindestwert Val; er nähert
sich mit Vergrößerung des Impulsabstands T2 fortschreitend dem Mindestwert Va1 an.
Ein Beispiel für die Arbeitsdaten der bisherigen Vorrichtung und der erfindungsgemäßen
Steuervorrichtung ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.
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Tabelle Bisherige Vorrichtung Erfindungsgemäße Vorrichtung Vp 28
kV 44 kV VAV 27 kV 22 kV Vp X VAV 756 968 Die Ergebnisse zahlreicher durchgeführter
Messungen haben gezeigt, daß die Staubsammel- bzw. -abscheidungsleistung des erfindungsgemäßen
Staubabscheiders um 10 - 20% größer ist als diejenige des bisherigen Staubabscheiders.
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Im folgenden werden der erfindungsgemäße und der bisherige Staubabscheider
bezüglich des Stromverbrauchs bzw. -bedarfs anhand der ermittelten Daten gemäß obiger
Tabelle miteinander verglichen. Der Stromverbrauch läßt sich nahezu durch VAV X
IAV darstellen, worin VAV den Zeitmittelwert der angelegten Spannung und IAV den
Zeitmittelwert des zugeführten Stroms bedeuten. Der Stromverbrauch beträgt beim
bisherigen Staubabscheider 27 kV (VAV gemäß Tabelle) x 1600 mA (IAV) = 43 kW, während
er beim erfindungsgemäßen Staubabscheider auf 22 kV(VAV gemäß Tabelle) x 400 mA
(IAV) = 8,8 kW verringert ist. Die Zahlengröße 400 mA für den Zeitmittelwert
des
Stroms IAV berechnet sich wie folgt: Unter der Voraussetzung, daß die Bedinaung
Ia1 = 0 erfüllt ist, erhält man anhand der Darstellung nach Fia. 7A T1 IAV = Ia2
x T1+T2 Wenn in diese Gleichung die Zahlengrößen Ia2 = 1600 mA, T1 = 10 ms und T2
= 30 ms eingesetzt werden, läßt sich der Mittelwert zu IAV = 1600 x 10 = 400 (mA)
berechnen.
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10+30 Hieraus geht hervor, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine hervorragende Staubabscheidungs leistung bei einem Stromverbrauch realisiert
werden kann, der nur des Stromverbrauchs bei der bisherigen Vorrichtung beträgt.
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Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß der intermittierend an Spannung
gelegte oder angesteuerte Staubabscheider gemäß der Erfindung von dem bisherigen
Impuls-Staubabscheider völlig verschieden ist. Zur Verdeutlichung sind diese Unterschiede
in der folgenden Aufstellung zusammengefaßt.
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Erfindungsgem. Vorrichtung Impuls-Staubabscheider (intermitt. Aufladung)
(Stand der Technik) Wiederholungsperiode 0,01 - 1,0 s 0,001 - 0,01 s Aufladeimpulsbreite
1 - 5000~mm 100 Rs - 1 ms Aufladevor- , richtung 1. Handelsüblich ond 1. Handelsüblich,
2. (übliche) elektro- 2. (übliche) Steuernische Steuerschaltung schaltung und mit
nur geringen Ab- 3. hinzuzufügender wandlungen getrennter Impulsgenerator Relative
Kosten zumVergleich 100 + 20 T 120 100 + 200 = 300 Energieeinsparung Ja. Nein
Mit
der Erfindung wird somit ein energiesparender Staubabscheider geschaffen, der effektiv
Staubteilchen mit einem spezifischen Widerstand von 104 - 1013 Ohm-cm abzuscheiden
vermag, weil bei diesem elektrischen Staubabscheider, bei dem die Staubabscheiduno
durch Anlegung einer mittels einer Leistungsreaelvorrichtung, etwa einen Thyristor,
geregelten hohen Gleichspannung zwischen entsprechende Elektroden bewirkt wird,
eine Steuerschaltung vorgesehen ist, welche die Leistungsregelvorrichtung intermittierend
in der Weise ansteuert, daß Wiederholungsperiode und/oder Impulsbreite manuell oder
automatisch eingestellt werden können und dadurch die Staubabscheidungsleistung
verbessert wird. Die Erfindung bietet damit einen großen industriellen Nutzeffekt.
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Selbstverständlich sind dem Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen
möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.