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Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von Schwebekörpern aus elektrisch
isolierenden, insbesondere gasförmigen Fluiden durch Hochspannungselektrizität.
Die Erfindung betrifft die Abscheidung von Schwebekörpern aus elektrisch isolierenden,
insbesondere gasförmigen Fluiden durch 1-Iechspannungselektrizität. Auf diesem Gebiete
sind bereits mehrere Verfahrensarten bekannt geworden. Eine Art ist das sogenannte
Zusammenballungsverfahren und besteht darin, daß man, in der Regel in verhältnismäßig
weiten Räumen, Elektrizität - vorzugsweisa beiderlei Polarität --in das Gas einführt
und die Anordnungen und Abmessungen der Elektroden sowie die Geschwindigkeit und
Strömungsrichtung des Gases so wählt, daß die elektrisierten Teilchen Gelegenheit
haben, andere =schwebende Teilchen in ihrer Nähe anzu: iehen und sich mit ihnen
zu vereinigen. >o daB Komplexe größeren Umfapgcs und g@-#'ißerer Masse entstehen.
Man hat vorgeschl,,@en, diese größeren Komplme durch Einwirkung der Schwerkraft
oder durch andere Kräfte, beispielsweise mittels der Fliehkraft, oder durch Aussieben
aus dem Gas zu entfernen, aber diese Methoden haben trotz vieler Versuche zu einer
praktischen Einführung des Zusammenballungsverfalirens in riißerem Maßstabe nicht
geführt. Im Gegensatz zu dein Zusanunenballungsverfahren, das die gegenseitige Anziehung
der verschieden geladenen Teilchen untereinander im Schwebezustand benutzt, steht
das Verfahren, das mit besonderen Ausscheide- oder Sammelelektroden arbeitet, deren
Funktion darin besteht, die elektrisch geladenen Teilchen unter Einwirkung der in
ihrer unmittelbaren Nähe entwickelten sehr beträchtlichen Stromdichte aus dem Gas
herauszuziehen und <in ihrer Oberfläche derart festzuhalten. daß sie nicht oder
wenigstens nicht in ihrem alten Zustande wieder in das Gas zurück-gelangen können.
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Die vorliegende Erfindung sticht nun im Gegensatz zu dem ersten Verfahren
- gegebenenfalls in Kombination mit der letztgenannten Verfahrensart - die Vorgänge
so auszubilden, daß die frühere Unzulänglichkeit beseiti-t wird.
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Die Aufgabe, die zti einer Vollendung der bisher unzureichenden Wirkung
führt, wird dadurch gelöst, daß man den elektrisierten Teilchen ganz erhebliche,
Zeiträume gewährt, um die Flockenbildung in bezug auf die Vermehrung des Volumens
bzw. der Masse
der Flocken weitgehend zu erreichen. Denn eine erhebliche
Massenvermehrung verlangt offenbar nicht nur einfache, sondern äußerst vielzahlige
Zusammenballungen, je nach der Größe der ursprünglichen Teilchen. Dabei kommt es
nicht allein zu primären Anlagerungen einzelner Teilchen an bereits entstandene
größere Komplexe, sondern es wird erreicht, daß sich auch ganze Komplexe an andere
ursprünglich weiter von ihnen entfernte Komplexe anlagern. Dies bedingt aber eine
erhebliche Reaktionszeit.
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Um diese Reaktionszeit zur Verfügung zu stellen, soll gemäß der Erfindung
zwischen der Stelle, wo die Elektrisierung der Teilchen stattfindet, und dem Ort,
wo die Abscheidung der gebildeten Flocken erfolgt, ein geeigneter - zumeist elektrodenloser
- Raum vorgesehen sein, dessen Ausgestaltung und Größe dem Charakter des zu behandelnden
Gases, der in ihm enthaltenen Schwebekörper und dem zu erzielenden Reinheitsgrad
anzupassen ist.
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Ein anderer, an sich unabhängiger Gesichtspunkt zur Einführung des
Verfahrens tritt neben die vorstehende Überlegung. Es muß nämlich verhindert werden,
daß die gebildeten Flocken, deren innerer Zusammenhalt häufig nur ein sehr lockerer
ist, wieder zerstört werden, ehe sie endgültig zur Abscheidung gelangt sind. Je
größer der Komplex wird, um so leichter wird natürlich der Zerfall der gebildeten
Flacke vor sich gehen.
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Die Zertrümmerung größerer Flocken ist dann besonders wahrscheinlich,
wenn der Gradient des Gesch«zndigkeitsgefälles innerhalb der - Flüssigkeitsströmung
ein großer ist, also insbesondere bei stark wirbelnden Gasen, wie solche beispielsweise
in Zyklonen und Zentrifugalabscheidern auftreten.
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Im Gegensatz zu derartigen bekannten Abscheideeinrichtungen weist
das zweitgenannte elektrische Verfahren den Vorteil auf, daß die Strömungsgeschwindigkeiten
des Gases und damit ihr erwähnter mittlerer Gradient verhältnismäßig klein bleiben
und selbst kleinere Flockenkomplexe noch mit großer Geschwindigkeit zum Abscheiden
gelangen.
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Dieser Gedanke lehnt an die Problemstellung an, wie sie in den Patentschriften
27;o91 und 28231o, namentlich in letzterer, angegeben ist.
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In der Patentschrift 282 310 ist der Gedanke verkörpert, die Ausscheideelemente
nach Maßgabe der fortschreitenden Veränderung der in Behandlung befindlichen Flüssigkeit
verschieden einzustellen. Bei dem dazu gewählten Beispiel wird vorausgesetzt, daß
die Schwebekörper in dem Gase zu einem größten Teile aus groben, insbesondere zum
Teil faserigen Stoffen, zum andern aber aus feinen Körpern etwa kugelartiger Gestalt
zusammengesetzt sind; es wurde gefunden, daß solche Zusammensetzung zweckmäßig derart
behandelt wird, daß unter Verwendung von Sprüh- und Ausscheideelektroden die elektrischen
Felder bzw. die elektrische Stromdichte verstärkt und verengt sind, gegebenenfalls
unter Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit im weiteren Verlauf der Behandlung.
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Hat man aber etwa mit verhältnismäßig wenig groben, also in der Hauptsache
sehr feinen Schwebestoffen zu tun, wie solche in sehr großer Menge beispielsweise
aus plötzlicher Abkühlung von bei sehr hohen Temperaturen sublimierten Körpern herrühren,
so ist es günstiger, als Vorstufe für die elektrische Behandlung mit Sprüh- und
Ausscheideelektroden (unilateral) eine ein- oder mehrstufige Behandlung mit verschiedenpoliger
Sprühentladung (bilateral), also insbesondere eine bipolare einzuführen. Durch diese
Behandlungsweise tritt zunächst eine Ausflockung der feinverteilten Schwebekörper
ein, welche durch einen oder mehrere hintergeschaltete besondere Aus$ockungsräume
unter Umständen begünstigt werden kann. Die ausgeflockten, noch nicht (in mechanischen
Ausscheidern) abgesetzten Schwebekörper werden dann mit dem nachfolgenden- Sprüh-und
Ausscheideverfahren in beschleunigter Weise abgeschieden.
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Die Erfindung ist an Hand der Abb. i bis ,l nachstehend erläutert.
-Abb. i stellt halb schematisch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens mit
einem z. B. mit verschiedenpoliger Elektrizitätseinführung versehenen Elektrisierungsraum,
einem Ausflockungsraum und einem Elektroausscheider mit Sprüh- und Ausscheideelektroden
dar. Die erstgenannte Elektrisierung erfolgt dabei mit einphasigem Wechselstrom
oder Gleichstrom.
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Abb. 2 ist ein schematischer Aufriß zu Abb. i.
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Abb.3 zeigt schematisch die verschiedenpolige Elektrisierung (bilateral)
mit dreiphasigem Wechselstrom in dreistufiger Einzclphasenelektrisierung und mit
drei Ausflockungsräumen, vDn denen der letzte erweitert ist.
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Abb. q. veranschaulicht die verschiedenpolige (bilaterale) Elektrisierung
des gasförniigen Fluidums mit dreiphasigem Wechselstrom in verketteter Schaltung
der Ausströmelektroden in dem Elektrisierungsraum und einem Ausflockungsraum, der
teilweise mit Prallplatten zur Durchmischung des elektrisierten Fluidums ausgerüstet
ist.
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Die Bezeichnungen sind im wesentlichen im Einklang mit. den Patentschriften
277 091
und 282 3io gewählt. Es bezeichnet wieder i ( i', i", i"')
Ausströmer. 2 eine Ausscheidefeldfläche, 3' und 3" Hilfsfeldflächen: .1', 4." usw.
sind die Diaphragmenschirmwände im Gaskanal ioo, welche mit verschließbaren Öffnungen
35, 35' versehen sind. S, S' sind ge-gebenenfalls entbehrliche Spanngewichte
für die Ausströmen i 3 die Isolierträger für letztere, 16 geerdete Tragbalken, 2;
Regulier-und Vorschaltwiderstände. 28 Spannungs- und Stromregelleitungen, 3o wieder
ein veränderlicher Erdanschluß.
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In Abb. i und 2 gelangen die Gase durch eine doppelte Ausströmergruppe
i' und i", welche von einem (nicht gezeichneten) Einphasentransformator mit oder
,ohne Gleichrichter durch die Reguliereinrichtung 2-, gespeist ist, und eine Ausflockungskanimer
a zu der Ausseheidevorrichtung ioo (2) mit Ausströmer i und Zwischenelektrode z,
welche platten- oder rohrförmig angeordnet sein können. Die Ausströmer i, i' und
i" werden durch geeignete Reinigungseinrichtungen, welche nicht gezeichnet sind,
rein gehalten. Soweit die Elektroden. welche gereinigt werden sollen. vom Erdpotential
abweichende Spannungen. tragen. sind die Reinigungseinrichtungen für dieselben ausreichend
zu isolieren: Als Reinigungsmaßnaluneii kommen beispielsweise Erschütterungen oder
Spüleinrichtungen oder bei festhaftenden Niederschlägen Schaber oder Bürsten in
Betracht. Letztere können gruppenweise an Balken oder Rahmen vereinigt werden, durch
deren Aufundabbewegung eine gleichzeitige Reinigung der betreffenden Elektrodengruppe
sich erzielen läßt. Die Anordnung der gleichpoligen. langgestreckten, insbesondere
drahtförmigen Ausströmer ist harfen- oder rostartig oder in Foren eines weitmaschigen
Netzes oder Gitters, und zwar gruppenweise mitten zwischen den anderspoIigen Ausströmerliarfen
parallel zur Hauptströmungsrichtung der zu reinigenden Flüssigkeit gewählt: obgleich
es auch möglich ist, dieselbe in anderen Richtungen, beispielsweise senkrecht zur
Strömung, anzuordnen, ist doch die erstere- Anordnungsart vorteilhaft, weil die
elektrischen Entladungen die Flüssigkeit quer zu ihrer Strömungsrichtung durchsetzen.
Die verschiedenen Ausströmerdrähte in den unmittelbar benachbarten Harfen, welche
elektrisch zueinander gehören, sind um einen halben Abstand der Harfendrähte
in den Harfenebenen gegeneinander versetzt. Denkt man durch die Achsen von zwei
elektri-,ch zueinander gehörigen, d. b. in unmittelbarem Elektrizitätsaustausch
miteinander stehenden Spiühdräliteii i' und i" die Verbindungsebene gelegt, so wird
dies von der Hauptströmungsrichtung des Gases. wie sie durch den ein,1ezeichneten
Pfeil an-Medeutet ist, schiefwinklig durchstoßen. Je ein Ausströmerelement i' ist
im Querschnitt von den vier elektrisch zugehörigen gegenpoligen Elementen i", im
vorliegenden Falle in einem Rechteck, umstellt. Zwei Rechteckseiten liegen
1n1 Beispiel der Abb. i senkrecht zur Ilauptströrnungsrichtung. Die Harfenträger
bestehen hin vorliegenden Falle sämtlich aus leerausziehbar angeordneten senkrechten
Rahinen. Die Rahmen können auch horizontal, quer angeordnet sein und erhalten dann
etwa Gitter- oder Polvgonnetzgestalt. Mehrere solcher Rahmen verschiedenen Potentials
können zweckmäßig isolierend oder isoliert fest miteinander verbunden werden. Wie
in der Patentschrift 2823io dienen die Seitenwangen der Rahmen als Hilfsfeldfläche
3' und 3" dazu, bei enggestelltem Abstand der Ausströmer in den Harfen die irrgleichmäßige
Beeinflussung des elektrostatischen Feldes der Ausströmerdräbte auf ihre Nachbarn
besonders an den Randausströmern zu kompensieren, so daß dieselben weder nach außen
ausgebogen werden, noch zu stark oder zu schwach im Verhältnis zu den Innenausströmern
sprühen.
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In bezug auf die Wandung i oo: ist es vorteilhaft, daß zwei gleichpolige,
insbesondere mit hoher Spannung geladene Elektrodenharfen dieser zugekehrt sind.
Dementsprechend ist in dem Beispiel Abb. i, wie aus der Stellung des Kontaktstückes
der Leitung 30 iiil Verhältnis zu der Stellung der Kontaktstücke von 28 bzw. 28'
hervorgeht (ersteres näher an 23 als an 2S'), der Absolutwert der Spannung von i"
größer als derjenige von i'; in gewissen Fällen kann natürlich ;o vorzugsweise mit
2S. in Sonderfällen aber auch mit 28' zusammen- oder darüber hinausfallen.
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Die Behandlungs- und '\Ä"irl.-ungsweise ist wie folgt: Die Gase strömen
durch eine Diaphragmaöttnung .1' des Teils ioo' derart in den Elektrodenramn ein,
daß die Strömung der Randpartien in bekannter Weise. hinreichend klein gehalten
wird. Es «-erden. dann zwischen den-Au_strömerharfen i' und i" die Schwebeteilchen
durch die elektrischen Entladungen beider Polarität elektrisch aufgeladen. Die elektrischen
Teilchen entgegengesetzter Polarität ziehen sich gegenseitig an und ballen sich
zu größeren Schwebekörpcraggregaten zusammen. Durch das Diaphra;una @." treten die
Gase in den Ausflockutilrsraum a ein. in welchem sich der Zusaminenballungsprozeß
vollendet. Die in dieser Weise vorbereiteten Gase treten dann in den Au:scheideapparat
ioo (2), welcher aus Ausströmerharfen i und Äusscheidefeldfiächen 2 besteht, ein:
sie werden hier sehr viel leichter ausgeschieden, als wenn
sie diesem
Ausscheider im nicht zusammengeballten Zustande zugeführt werden würden. Die Einregulierung
der elektrischen Spannung erfolgt mittels des Regulier- und Vorschaltwiderstandes
27 etwa im Sinne des Hauptpatentes.
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Zu beachten ist, daß bei den der Wandung ioo' zugekehrten Ausströmern
im allgemeinen ausbiegende Kräfte durch den elektrostatischen Einiluß der Wandung
und der inneren Drahtharfen auftreten. Dieselben können dadurch kompensiert werden,
daß der mit der geerdeten Wandung verbundene Anschluß 3o mit seinem Kontaktstück
an dem Regulierwiderstand 2; derart eingestellt wird, daß sie verschwinden. was
durch besondere Beobachtung in der Längsrichtung der Drähte einfach festgestellt
werden kann. Sind die Ausströmen der Außenharfen dagegen genügend gespannt und nicht
zu lang oder in Richtung senkrecht zur Harfenebene in sich genügend steif, so kommen
die ausbiegenden Kräfte weniger in Betracht; man kann dann den Anschluß 3o so einstellen,
daß auch in dem Zwischenraum zwischen der Wandung und den ihr zugekehrten Harfen
eine kräftig zusammenballende Elektrisierung der Gase stattiindet, und ohne daß
gleichzeitig eine zu starke Ausscheidung von Schwebekörpern auf der Wandung ioo'
stattfindet.
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In der reis. Schematischen Abb.3 ist im Grundriß eüie elektrische
Reinigungseinrichtung dargestellt. bei welcher der elektrische Strom von einem Drei_phasentransformator
T zu drei verschiedenen paarigen Elektrodengruppen getrennt geführt wird. Diese
Elektiodengrruppen -sind in dein gewählten Beispiel in verschiedener Weise ausgebildet.
In der ersten Gruppe rechts bestehen sie aus Platten i'a und Ca. welche mindestens
zur Hälfte aus in Isoliermaterial eingebetteten Leitern bestehen. Es ist in der
Abb.3 angenommen, daß die Platten i'a in dieser Weise, beispielsweise als Metallfolien
zwischen Glasplatten, ausgebildet sind, während die Platten i"a gegebenenfalls auch
nackte Blechplatten oder gespannte Drahtgewebe sein können. Es bildet sich zwischen
beiden Platten in. bekannter Weise bei genügend hoher Wechselspannun,; eine elektrische
Entladung aus, welche die Schwebekörper mit beiderlei Polarität auflädt. welche
Schwebekörper weiter in einem Ausilockungsraum a' ihre Zusammenballunf; beendigen
und alsdann in einen neue. Elektrisierungsraum gelangen. In dem letzteren sind die
entgegengesetztpoligen A.usströmer i'b und i"b als bekannte lineare Elemente gewählt.
Die (ideelle) Verbindungsebene von zwei elektrisch zueinander gehöri--en Elriizenten
wird auch hier von der Hauptströmungrsrichtung des Gases schiefwinklig durchstoßen.
Die zu einem Ausströmerelement i'b bzw. i'c gehörigen gegenpoligenAusströmerelemente
1' b bzw. i "c bilden wieder die Ecken 'eines jenes umstellenden Rechtecks mit zwei
Seiten parallel zur Strömungsrichtung. Dadurch entsteht eine schachbrettartige Anordnung
der verschiedenen Ausströmerquerschnitte. Ebenso wie in Abb. i sind die gleichpoligen
Ausströmen in Ebenen parallel zur Strömungsrichtung eingerichtet, und zwar sind
nach den .äußerenWandungen zu, ebenso. wie in Abb. i, Elektroden der gleichen Po-'
larität gestellt, so daß es möglich ist, mittels des variablen Erdanschlusses
30 in ähnlicher Weise, wie auch schon früher angegeben, eine Einstellung
der von den Ausströmern i"b nach der Wandung ioo' übergehenden Entladung einzuregulieren.
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Nach der erneuten Elektrisierung gelangen die wiederholt behandelten
Gase wiederum in einen weiteren Austlockungsraum at' und weiter in eine neue Elektrisierungskammer,
welche ebenso «ie@die vorhergehende gebaut ist. Zwischen den Elektrisierungsräumen
ist jedesmal mindestens ein die Flüssigkeit einschnürendes Diaphragma eingeschaltet.
Nach dem dritten Elektrisierungsraum gelangt die Flüssigkeit weiter in einen erweiterten
Ausflockungsraum a', welcher so bemessen ist, daß die Ausflockungszeit mit der Dauer
des Verbleibens in dem Raum annähernd übereinstimmt. Darauf erfolgt in dein dann
folgenden Ausscheiden ioo (z) die beschleunigte Absonderung der ausgeflockten Teilchen.
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Hinsichtlich der -Behandlungsweise.wird auf das über Abb. i Gesagte
sinngemäß verwiesen. Zu beachten ist jedoch, daß die Vorschaltwiderstände
27' zur Stabilisierung der Entladung einerseits und zur Regulierung der Spannung
anderseits in diesem Falle in die Niederspannungsseite des Dreiphasentransformators
T eingebaut sind, dessen Hochspannungswicklungen nicht in Dreieckschaltung miteinander
verbunden, vielmehr zweipolig isoliert an die betreffenden Gruppen von Elektroden
angeschlossen sind. Die Einregulierung der variablen Erdanschlüsse 3o erfolgt hier
nicht an einem 'Widerstand, sondern an Transformatoranzapfungen kontinuierlich .oder
stufenweise. Anstatt eines Hochspannungswiderstandes kann als Mittel zur Stabilisierung
der Entladung der Transformator mit urigeschlossenem Eisenmagnetkreis beispielsweise
als Igeltransformator ausgeführt werden.
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Bei der Verwendung von isoliert gekapselten Elektroden 1"a kann der
variable Erdanschluß 30 in der Regel entbehrt werden.
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In Abb. 4. enthält 'der Elektrisierungsraum ein Elektrodensystem in
verketteter Dreiphasenschaltung. Die drei Pole-des Transformators (nicht gezeichnet),
tnit welchem
die Ausströmer l=erbunden sind, sind in der «'eise
kenntlich gemacht, daß die Ausströme r der ersten Phase als größere Kreise finit
schwarzem Mittelpunkt i", die der zweiten Phase als kleinere Kreise ohne Mittelpunkt
i' und die der driften Phase als schwarz angelegte Vollkreise i"' dargestellt sind.
Wie man sieht, können auch hier die Ausströmer gleicher Polarität bzw. Phase zu
Harfen parallel der Hauptströmung der Flüssigkeit zusammengefaßt werden. Anders
als in den Querschnittsabb. i und ; ist in Abb. 4 jedes Ausströmerelement i'`I (bis
auf die Randelemente) von elektrisch zu ihm gehörigen Elementen i' und i" als Ecken
eines (regelmäßijen) Sechsecks umstellt. Die zu zwei benachbarten Elementen i"'
gehörigen Sechsecke haben eine Sechseckseite gemeinsam. Auch hier entstellt eine
schachbrettartige regelmäßige Anordnung der verschiedenen Ausströnierquerschnitte.
Sind die Phasenharfen, wie in Abb..l angenommen, parallel zur Strömungsrichtung
des Gases orientiert, so verläuft die zu zwei urimittelbar nebeneinanderliegenden
Harfeneleinenten i"' gehörige gemeinsame Sechseckseite senkrecht zur Strömungsrichtung.
Das gleiche gilt natürlich auch für die Ausströmerelemente der Phasenharfen' i'
bzw. i". In. ihrer Gesamtheit liegen die Ausströmer auf Durchmessern und Sehnen
eines Sechsecks mit den Spitzen S mid S', die jedoch nicht notwendig mit Ausströmern
besetzt zu sein brauchen. Eine Seite F E' des Sechsecks ist senkrecht zur Strömungsrichtung
gerichtet. Infolgedessen sind auch sämtliche Teildreiecke, welche zusammengehörige
Elektrodun der drei Phasen enthalten, derart orientiert, daß eine Seite etwa senkrecht
zur Hauptströmung der Flüssigkeit eingerichtet ist. Die Ausströmer zweier benachbarter,
verschiedenphasiger Harfen stehen ebenso wie in den vorigen Abbildungen zweclmläßig
wechselständig: Sind außer den Polausströmern noch (geerdete) Nullpunktsausströmer
vorgesehen, welche all den Nullpunkt des Transformators angeschlossen sind, so lassen
sich diese zu nllpunktsharfen parallel der Hauptströmulig der Flüssigkeit vorteilhaft
zusammenfassen. Eine der drei V erbindungsabenen durch die Längsachsen von je drei
zusammengehörigen Polausströmern liegt dann zweckmäßig parallel zur Strömungsrichtung
der Flüssigkeit. Die Wahl der Strömungsrichtung tralisversal zu der Längserstreckung
der zur bilateralen l_ialadung angeordneten Ausströmer des Elektn@ici-ungsrawnes
ist in der Regel - wenigstens bei niedriger Frequenz des Wechselstrom(" - günstiger
als die lon--itudinale, welcht- jedoch an sich und besonders bei -Mittel- und höherer
Frequenz gut auweildbar ist. In Abb..l ist von einer Kräftekompensation der Randelemente
abgesehen. Legt man auf sie M'ert, so wählt man zweckmäßig die aul')eiiliegenden
Ausströmerharfen als Glieder einer bestimmten Phase bzw. als Nullpunktsharfen.
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Bemerkt sei noch, daß selbstverständlich auch andere Ausströmerformen,
beispielsweise die altbekannten, mit Spitzen besetzten oder kantigen Stäbe oder
Flüssigkeitselektroden, bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren sinngemäß Anwendung
finden können. Um die einleitend genannte Zerstörung der durch elektrische Anziehung
gebildeten Flocken zu erschweren, kann es ratsam sein, in an sich bekannterWeise
die Schwebekörper oberflächlich mit einer dünnen Flüssigkeitshaut zu überziehen,
welche ein besseres Zusammenhaften der Flocken hervorruft. Es genügt zur Bildung
dieser Haut bekanntlich in der Regel, daß die schivebekörperhaltigen Gase (zeitweilig)
genügend feucht gehalten werden, ohne daß es iri den meisten Fällen erforderlich
wird, die Sättigungsgrenze, wenn auch nur vorübergehend, vollständig zu erreichen.