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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Senkung des Gehalts
an Schadstoffen. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Bekämpfung von
teilchenförmigen
Stoffen, die in den Abgasen vorkommen, welche von Wärmekraftmaschinen,
insbesondere von den Brennkraftmaschinen von Motorfahrzeugen, und
von Heizungssystemen emittiert werden.
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Diese
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens.
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Stand der Technik
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Die
Emissionen von Motorfahrzeugen und Heizungssystemen sind eine der
Hauptquellen der Luftverschmutzung. Feststoffteilchen sind dabei
besonders problematisch, insbesondere diejenigen mit einer Teilchengröße unter
10 μm. Vom
gesundheitlichen Standpunkt sind Feststoffteilchen kleiner als 2,5 μm besonders
gefährlich,
da sie die Neigung haben, sich in der Lunge anzusammeln und dadurch
Erkrankungen verursachen. Aus diesem Grunde sind in den letzten
Jahren die gesetzlich zulässigen
Grenzwerte für
teilchenförmiges
Material herabgesetzt worden, und man erwartet, dass diese Grenzwerte
in der Zukunft noch strenger gehandhabt werden. Bislang sind noch
keine Systeme entwickelt worden, die bei Fahrzeugen und Heizungsanlagen
leicht einsetzbar sind und die zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der
Minimierung der Feinteilchen liefern, nämlich derjenigen, welche die
Lungenmembran erreichen. Das Problem wird noch durch die Tatsache
erschwert, dass die Abscheidung während eines einzigen Durchgangs
durch das spezielle System erfolgen muss, da es nicht möglich oder
angebracht ist, Lösungen
wie beispielsweise die teilweise Rückführung des behandelten Gases
in Anwendung zu bringen.
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Darstellung der Erfindung
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Ein
Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bekämpfung von
Teilchen in einem Gasstrom, welcher die Abgase einer Wärmekraftmaschine
oder eines Heizungssystems umfasst, gemäß dem beigefügten Anspruch
1 und eine Vorrichtung gemäß dem beigefügten Anspruch
8 vorzustellen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung bestehen die Flächen,
die auf einem solchen Potential gehalten werden, welches imstande
ist, die negativen Ladungen anzuziehen, aus einem Satz von Metallplatten.
Diese Platten werden auf einem positiven Potential in Bezug auf
Erde gehalten und vorzugsweise gegenüber einem Satz von Platten,
welcher in seiner Ausführungsform
mit einem anderen Satz von Platten identische sein kann und der
auf einem negativen Potential gehalten wird. Auf diese Weise wird
sich zwischen zwei Platten, die einander gegenüber angeordnet sind, ein elektrisches
Feld aufbauen, und dieses Feld wird in der Lage sein, den Weg der
in dem Gasstrom enthaltenen Teilchen abzuleiten, die vorher in einem
Gebiet, wo negative Ladungen erzeugt werden, negativ aufgeladen
werden, bis sie schließlich
von den positiv geladenen Platten eingefangen werden. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zeichnungssatz
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Anwendung des
Verfahrens gemäß dieser
Erfindung.
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2 zeigt
die schematische Teildarstellung eines Gitters zur Feinverteilung.
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3 zeigt
die schematische Teildarstellung eines Gitters zur Feinverteilung
gemäß einer
alternativen Version der Erfindung.
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4 und 5 zeigen
eine schematische Darstellung von zwei unterschiedlichen Versionen der
Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Auf
den folgenden Seiten soll eine besondere Version eines Verfahrens
gemäß dieser
Erfindung veranschaulicht werden.
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1 zeigt,
wie der Strom von Abgasen, die behandelt werden sollen, in die Vorrichtung
eintritt (Pfeil A) und mit den Mitteln (1) zur Erzeugung
der negativen elektrischen Ladungen in Kontakt kommt. Diese Mittel
können
aus einem Gitter bestehen, welches auf einem solchen Potential gehalten
wird, welches imstande ist, die Feinverteilung eines Elektronenwindes,
der von dem genannten Gitter ausgeht, zu bewirken. Im Idealfall,
wie das bereits erwähnt worden
ist, wird dieses Gitter mehrere Punkte aufweisen, um das bekannte
Vermögen
zur Feinverteilung auszunutzen. Beispielsweise kann das Gitter aus Blech
mit mehreren Öffnungen
bestehen. Im Idealfall werden diese Öffnungen durch Stanzen erzeugt
und weniger durch Schneiden, so dass die Kanten der Löcher hochstehende
Spitzen aus Blech aufweisen, welche Kanten mit mehreren Mikropunkten
enthalten, die durch das Reißen
des Blechs entstanden sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst das Gitter (1) mehrere quadratische Löcher (siehe 2).
Diese können
dadurch erhalten werden, dass man das Blech mit einem pyramidenförmigen Stanzwerkzeug
mit rechteckigem Querschnitt stechend bearbeitet, und dann dadurch, dass
man diese Stellen unter Verwendung eines geeigneten Stanzwerkzeugs
dergestalt öffnet,
dass die Ränder
(2) leicht erhöht
bleiben (siehe Abbildung). Beispielsweise können diese Löcher dergestalt
erhöht
werden, dass die Durchtrittsöffnung,
durch welche das Gas strömt,
etwa halb so groß ist
wie die gestanzte quadratische Fläche (siehe Abbildung). Die Kanten
(2) enthalten die Ränder
(3), die durch des Reißen
erhalten werden. Sie stellen die Mikropunkte zur Erleichterung der
Feinverteilung dar. Im Idealfall sollten die Kanten zu der Seite
hin gebogen sein, die Strömungsrichtung
des Gasstroms zeigt, um den Strömungswiderstand
des Gasstromes zu vermindern. Die Stärke und das Material des Gitters
können je
nach dem Anwendungsfall und der erforderlichen Kombination von Festigkeit,
Strömungswiderstand des
Gasstroms, Elektronenfeinverteilung usw. gewählt werden. Beispielsweise
kann das Gitter aus rostfreiem Stahl gefertigt sein und eine Stärke aufweisen,
welche zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt. Die Größe und die Anzahl der Löcher pro
Flächeneinheit können je
nach Bedarf gewählt
werden, wobei zu berücksichtigen
ist, dass eine hohe Flächendichte
der Öffnungen
die Ionisation des Gasstroms erhöht.
Die quadratischen Löcher
wie diejenigen, die in 1 gezeigt sind, können beispielsweise
Seiten aufweisen, die zwischen 0,5 und 1,5 cm liegen (eine geeignete
Größe ist annähernd 1
cm). Der Zwischenraum zwischen einem gestanzten Gebiet und einem
anderen des Gitters muss der Struktur eine angemessene Festigkeit
verleihen, ohne dass dabei der Durchtritt des Gases übermäßig verringert
wird. Beispielsweise könnte
der Zwischenraum bei dem Typ von Gitter, der in 2 dargestellt
ist, in seiner Größe im Bereich von
3 bis 5 mm liegen. Offensichtlich sind auch andere Konfigurationen
möglich.
Beispielsweise können die
quadratischen Löcher
versetzt angeordnet sein. Zum Beispiel zeigt 3 eine Öffnung mit
acht Kanten (2')
an Stelle der vier Kanten der weiter oben beschriebenen Ausführungsform.
Dadurch wird die Gesamtlänge
der Ränder
für die
Feinverteilung erhöht. Es
soll nochmals hervorgehoben werden, dass die Öffnungen quadratisch sind,
aber sie könnten
auch oktogonal sein mit acht Kanten, die alle hinsichtlich ihrer
Form und Größe gleich
sind. Die Löcher
könnten
auch hexagonal sein und damit sechs Kanten aufweisen. Es ist klar,
dass je nach den funktionellen oder konstruktiven Bedürfnissen
auch noch weitere Kombinationen benutzt werden können mit regelmäßigen – wie die
weiter oben beschriebenen – oder
sogar mit unregelmäßig geformten
Löchern.
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Offensichtlich
können
an Stelle eines Gitters auch noch andere Arten von Mitteln zur Feinverteilung
eingesetzt werden, was von den Bedürfnissen abhängt.
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1 zeigt,
wie der Gasstrom durch das Gitter und in den Bereich 4 tritt,
wo die Feststoffteilchen auf die von dem Gitter erzeugten negativen
elektrischen Ladungen treffen und elektrisch negativ aufgeladen
werden. Dieser Bereich 4 trennt das Gitter von den Platten
(6 und 7). Zwischen dem Gitter (1) und den
Platten muss ein angemessener Raum vorhanden sein, um eine elektrische
Entladung zu verhindern. Der Gasstrom tritt dann durch mehrere Kanäle (5),
die zwischen den einander gegenüber
liegenden und in einem passenden Abstand befindlichen Platten (6 und 7)
ausgebildet sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Anzahl der Platten dergestalt bemessen, dass
mehr als einer der genannten Kanäle
(5) erhalten werden. Ein Typ von Platten (6),
die sogenannte Sammlerplatte, hat in Bezug auf Erde ein positives
Potential, während
der andere Typ von Platten (7), die sogenannte Ablenkplatte,
ein negatives Potential hat. Auf diese Weise wird zwischen den beiden
einander gegenüber
liegenden Platten ein gleichförmiges
elektrisches Feld geschaffen, welches den Weg der geladenen Teilchen
zur Platte mit positivem Potential hin ablenkt. Folglich werden
die Teilchen dazu neigen, sich auf der Platte mit dem positiven
Potential zu entladen. Man beachte hierbei, dass die Teilchen, sobald
sie entladen sind, die Neigung haben, an der Platte ständig anzuhaften,
ohne dass dabei die Gefahr der Teilchenfreisetzung besteht, nicht
einmal, wenn der Betrieb der Vorrichtung abgebrochen wird. Je nach
dem Anwendungsfall können
die Platten dergestalt dimensioniert werden, dass sie mehr oder
weniger häufig
ersetzt werden müssen,
oder dass sie, insbesondere wenn die Vorrichtung in einem Fahrzeug
installiert ist, während
der Nutzlebensdauer des Fahrzeugs überhaupt nicht ausgewechselt
werden brauchen. Falls das Abgas eines Fahrzeugs, welches mit einem
Katalysator ausgestattet ist, behandelt werden muss, so kann es
von Vorteil sein, die Vorrichtung strömungsseitig hinter dem Katalysator
anzubringen, damit auch teilchenförmiges Material (zum Beispiel Katalysatorrückstände), welches
vom Katalysator stammt, behandelt werden kann. Vorteilhafterweise können Schichten
(8) aus isolierendem Material zwischen das Gehäuse der
Vorrichtung und den äußeren Platten
gebracht werden, um den Kanal, durch welchen der Gasstrom tritt,
zu begrenzen. Mit isolierenden Halterungen können die anderen Platten am Gehäuse (9)
befestigt sein, oder die Platten können durch ihre eigenen Seitenkanten
mit isolierenden Strukturen zusammen gehalten werden, damit ein leicht
ersetzbares ,Paket' von
Platten gebildet wird. Vorteilhafterweise kann auch das Gitter (1)
gegen das Gehäuse
angemessen isoliert sein. Die Figuren zeigen ebene Platten; es sind
jedoch auch andere Formen möglich,
zu denen beispielsweise mehrere konzentrische Rohre gehören, welche
abwechselnd auf positivem oder negativem Potential gehalten werden.
Es ist auch möglich,
die Ausdehnung des Gitters (1) zu vergrößern, ohne dass die Abmessungen
der Kanäle,
wo es untergebracht ist, verändert
werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man das Gitter anders
positioniert (zum Beispiel schräg)
oder dass man dem Gitter eine geeignete Gestalt gibt (zum Beispiel
eine solche, wie sie in 4 und 5 dargestellt
ist).
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Der
Abstand zwischen den verschiedenen Platten und die Anzahl der Platten
können
geeignet gewählt
werden, um eine optimale Abscheidung zu erzielen, was auf dem Potential
beruht, auf welchem die Platten gehalten werden. Dennoch ist es
erforderlich, dass elektrische Entladungen zwischen den Platten
verhindert werden. Dies erfordert auch, dass die Durchschlagsfestigkeit
der behandelten Gase Berücksichtigung
findet, welche provisorisch eingeschätzt werden kann, dass sie ähnlich der
von feuchter Luft ist. Geeignete Schichten von Material wie beispielsweise
ein isolierender Anstrich können
auf die Platten aufgebracht werden, damit man sie mit einem stärkeren elektrischen
Feld betreiben kann. Außerdem
sollten die Platten vorzugsweise abgerundete Ecken aufweisen.
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Wie
bereits weiter vorn erwähnt
worden ist, kann die Länge
der Platten so gewählt
werden, dass man eine optimale Abscheidung erreicht. Es kann auch
notwendig sein, besondere konstruktive Lösungen in Betracht zu ziehen,
insbesondere wenn die Vorrichtung in einem Motorfahrzeug installiert
werden soll. Es können
mehrere Abscheidestufen, die in Reihe angeordnet sind, vorgesehen
werden, um die Effizienz zu erhöhen,
ohne dass dabei die Länge und/oder
die Breite der Platten übermäßig vergrößert werden
(und damit die Größe und das
Gewicht der Vorrichtung).
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist jede Abscheidestufe (welche aus dem Gasstrom besteht,
der durch eine Satz von Sammlerplatten tritt) ihre eigene Ionisierstufe.
In der Praxis kann ein Gitter vor jedem Satz von Sammlerplatten
angebracht werden. Da Teilchen mit einer kleineren Masse im Allgemeinen
schneller von den Platten, die, wie das bereits weiter vorn dargelegt worden
ist, auf einem gewissen Potential gehalten werden, abgelenkt werden,
kann eine erste Stufe mit einer gewissen Verweilzeit eingesetzt
werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man kürzere Platten
benutzt oder den Querschnitt, durch den das Gas strömt, verringert,
um die feinsten Teilchen gänzlich
oder teilweise abzuscheiden. Dann kann dieser Stufe eine Stufe mit
längerer
Verweilzeit folgen, damit mit dieser die Abscheidung der größeren Teilchen
erfolgt.
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Die
Werte der Spannung, die an die verschiedenen Teile der Vorrichtung
anzulegen ist, sollten so gewählt
werden, dass, wie das bereits erwähnt worden ist, Entladungen
zwischen den Platten vermieden werden. Zum Beispiel können die
Sammelplatten auf Werten zwischen +2000 und +4000 V gehalten werden,
während
die Ablenkplatten auf diesem Potential mit umgekehrtem Vorzeichen
gehalten werden können.
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Das
Ionisationsgitter muss eine angemessene Ladung verteilen. Zum Beispiel
können
(negative) Potentialwerte zwischen 3000 und 7000 V (zum Beispiel
um 5000 V) angelegt werden. Die Potentialwerte für die Platten und Gitter sind
als Beispiele angeführt
und es können
davon abweichende Werte genommen werden, um zum Beispiel die Vorrichtung bei
gleichbleibender Effizienz ganz anders zu dimensionieren, oder für andere
funktionelle oder konstruktive Bedürfnisse.
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Um
beispielsweise das Verfahren dieser Erfindung bei einem Auto einzusetzen,
kann die (einstufige) Vorrichtung so bemessen werden, dass man eine
durchschnittliche Geschwindigkeit des Abgases von annähernd 2
m/s zwischen 35 cm langen ebenen Ablenk- und Sammelplatten, die einander gegenüber liegend
in einem Abstand von 22 mm angeordnet sind, erhält. Bei Werten für das Plattenpotential gleich
+3000 V und –3000
V und einer an das Ionisationsgitter gelegten Spannung von –5000 V
ist es möglich,
eine Reduzierung des Gehalts an teilchenförmigem Materials zwischen 0,3
und 3 μm
um annähernd
80% zu erreichen.
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Gemäß einer
möglichen
Version der Erfindung werden die Platten, vorzugsweise ebene Platten,
vertikal angeordnet, um zu ermöglichen,
dass möglicherweise
entstehendes Kondensat abfließen kann.
Das ist wichtig, weil Ansammlungen von Flüssigkeit Entladungen zwischen
den Platten hervorrufen können.
Das Gehäuse
der Vorrichtung kann in Richtung auf die Austrittsöffnung geneigt
werden, um zu ermöglichen,
dass jegliche Flüssigkeit
auf dem Boden ausfließen
kann oder durch den Gasstrom hinaus befördert werden kann. Die Vorrichtung
kann dergestalt positioniert werden, dass der Gasstrom sich in vertikaler
Richtung bewegt. Es können
einige geeignet bemessene Löcher
am Boden des Gehäuses
angelegt werden, damit die Flüssigkeit
abgeleitet wird. Für
die Belange der Installation der Vorrichtung können die Platten jedoch auch
vorteilhafterweise in horizontaler Richtung oder gar nur unter einem
kleinen Winkel angeordnet werden. Zum Beispiel weist ein Auto im
Allgemeinen dimensionelle Beschränkungen
in vertikaler Richtung auf, währen
größere horizontale
Abmessungen der Vorrichtung am ehesten toleriert werden könnten.
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Die
Vorrichtung, die erforderlich ist, um das erfindungsgemäße zu verwirklichen,
hat den Vorteil, dass sie einer geringen Wartung bedarf. Im Fall
von mehreren Fahrzeugtypen kann sie dergestalt bemessen werden,
dass sie während
der Nutzlebensdauer dieser Fahrzeuge keinerlei Wartungsarbeit bedarf. Außerdem beeinflusst
die Vorrichtung kaum irgendwie nachteilig den Strömungswiderstand,
da sie für die
Strömung
des behandelten Gases keinen signifikanten Widerstand verursacht.
Wie bereits festgestellt worden ist, haben die Teilchen die Neigung,
auf Dauer an den Sammelplatten anzuhaften. Somit werden sie auch
später
nicht freigegeben. Außerdem gibt
es beim Starten des Motors oder beim Abschalten keine Phasen, während welcher
die Vorrichtung wirkungslos ist, wie das beispielsweise bei den
Katalysatoren auftritt. Dies liegt daran, dass es für die Platten
und das Gitter ausreicht, dass sie mit Strom versorgt werden, damit
sie mit voller Effizienz arbeiten.
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Mit
Bezug auf die Figuren ist eine Vorrichtung zur Abscheidung von teilchenförmigem Material in
den Abgasen von Wärmekraftmaschinen
oder Heizungssystemen auch ein Teil der Erfindung. Diese Vorrichtung
umfasst das Folgende: eine Eintrittsstelle (10) für die Abgase,
eine Struktur zur Feinverteilung (1), einen Satz von parallelen
Metallflächen
(6, 7), der sich strömungsseitig hinter der genannten
Eintrittsstelle (10) der genannten Struktur (1)
befindet, Mittel zur Erzeugung einer negativen Spannung in der genannten
Struktur zur Feinverteilung und Mittel zur Erzeugung einer positiven
Spannung auf mindestens einem Teil der genannten Metallflächen (6, 7),
wobei die genannten Metallflächen
(6, 7) in vertikaler Richtung angeordnet sind
(in den Abbildungen ist die Vorrichtung in Draufsicht dargestellt).