EP1735101B1 - Röhrenkollektor zur abscheidung elektrisch geladener aerosole aus einem gasstrom - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Röhrenkollektor in Form eines Kanalabschnitts für die Abscheidung elektrisch geladene Aerosole aus einem durchströmenden Gas.
• Das Reinigen eines Gases von Submikronpartikeln ist ein aktuelles Problem. In der DE 101 32 582 wird die Abscheidung geladener Aerosole beispielsweise beschrieben. Der Kollektor der Einrichtung besteht aus einem Gehäuse, einem geerdeten Gitter und einer darauf stehenden Röhrenpackung, deren Röhren eine einheitliche Länge haben. Die Röhren sind aus elektrisch leitendem oder dielektrischem Material, sie sind steif oder biegsam und ihre Wand ist glatt oder strukturiert. Im Innern der Röhren können spiralige Elemente eingebaut sein. Die Röhrenpackung kann über eine Sprüheinrichtung befeuchtet werden, das lässt die Minderung der Temperatur, das Befeuchten und Reinigen der Röhrenoberfläche zu und die Erhöhung der Wirksamkeit der Abscheidung geladener Aerosole. Der Gasstrom verläuft von oben nach unten, und besprüht wird die strömungszugewandte Stirn der Röhrenpackung, so dass die Sprühflüssigkeit darin mit dem Gasstrom nach unten abfließt/abtropft.
• Nachteilig ist, bei größerer Röhrenlänge nimmt die Abscheidung der Partikel an der Röhrenaußenwand stark ab. Darüber hinaus ist die Befeuchtung der Röhrenoberfläche ungleichmäßig. Bei größeren Abscheidern bestehen wegen der Bauweise Montageschwierigkeiten und Wartungsprobleme.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röhrenkollektor bereitzustellen, mit dem elektrisch geladene Aerosole aus einem durchströmenden Gas langzeitkonstant mit großer Wirksamkeit an den Röhren abgeschieden und aus dem Abscheider ausgeleitet werden können.
• Die Aufgabe wird durch einen Röhrenkollektor, der gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 aufgebaut ist, gelöst. Der Röhrenkollektor ist in einen Kanalabschnitt des den Gasstrom leitenden Kanals eingebaut. Dieser Abschnitt steht mit seiner Kanal-oder Strömungsachse senkrecht und der Gasstrom strömt darin von unten nach oben.
• In dem Kanalabschnitt ist mindestens eine Röhrenbündelgruppe. Die Röhrenbündelgruppe besteht aus mindestens einem Röhrenbündel. Die Röhrenbündelgruppe füllt den lichten Kanalquerschnitt so weit wie möglich aus, es sei denn, es gibt technischphysikalische Gründe, dass der Querschnitt der Röhrenbündelgruppe kleiner sein muss. Strömungstechnisch bildet der größtmögliche Bündelquerschnitt den geringsten Strömungswiderstand. Jedenfalls lässt das die Bauweise unterschiedlich große Abscheider zu und erleichtert insbesondere die Montage. So werden Abscheider mit kleinem Kanalquerschnitt eine Röhrenbündelgruppe oder Röhrenbündelgruppen mit jeweils einem Röhrenbündel haben. Größere Röhrenbündelgruppen bestehen aus mehreren Röhrenbündeln, die bei der Montage/Wartung noch gut handhabbar sind. Die Röhren stehen alle parallel zur Strömungsachse.
• Über jeder Rohrenbündelgruppe ist zentral eine Sprüheinrichtung positioniert, die auf dem Rohrende eines von der freiliegenden Kanalwand herkommenden Rohres für die Spülmittelzufuhr sitzt. Über die Sprüheinrichtung wird zumindest die strömungsabgewandte / obere Stirn der Röhrenbündelgruppe gleichmäßig mit Spülflüssigkeit ausgesprüht werden. Bei entsprechendem Düsenaufbau, z. B. Zweistrahldüse, könnte zusätzlich die angeströmte Stirn der in Strömungsrichtung auf Abstand folgenden Röhrenbündelgruppe in gleicher Art mit besprüht werden. Die Spülflüssigkeit ist sehr häufig Wasser oder eine andere elektrisch leitende Spülflüssigkeit.
• Die Auswahl der Spülflüssigkeit bestimmt der zu führende Reinigungsprozess. Deshalb kommen auch dielektrische Spülflüssigkeiten, wie Öle oder niedrige Alkohole oder allgemein elektrisch nichtleitende Lösungsmittel in Betracht, mit der Konsequenz, dass dann die Röhren aus elektrisch leitendem Material sein müssen. Laugen oder Säuren, wiederum elektrisch leitend, kommen unter Umständen ebenso als Spülflüssigkeit in Betracht. Die mit dem Gasstrom und dem Spülmittel in Kontakt kommenden Baukomponenten des Röhrenkollektors müssen auf jeden Fall für den Prozess inert sein. Die Materialien werden, das berücksichtigend, ausgewählt.
• Jede Röhrenbündelgruppe liegt zumindest mit ihrer strömungszugewandten Stirn an einem Gitter/Lochblech an und berührt dieses mit mindestens einer Röhre elektrisch leitend. Alle Gitter/Lochbleche sind an ein elektrisches Bezugspotential, in den überwiegenden Fällen Erdpotential, angeschlossen. Somit wird die durch die Abscheidung an der Röhrenbündelgruppe abgegebene elektrische Ladung über das jeweilige Gitter abgeführt, d.h. die abgeschiedenen Aerosole/Partikel werden elektrisch neutralisiert, so dass sie mit der Spülflüssigkeit abspülbar sind. Eventuell kann zwischen der Röhrenbündelgruppe und dem Gitter/Lochblech ein reißfestes Netz liegen, dessen Maschen aber höchstens so groß sind, dass sicher keine Röhre durchrutschen könnte. Ist es dielektrisch, müsste zwischen dem Gitter/Lochblech und der Röhrenbündelgruppe eine elektrische Leitung eingerichtet werden.
• Sind die Bezugspotentiale verschieden und nicht Erdpotential müssen zusätzlich elektrotechnische Maßnahmen zur Isolation getroffen werden. Der Röhrenkollektor sitzt dann völlig in einem dielektrischen Kanalabschnitt, zumindest aber sind zwei unmittelbar aufeinander folgende Röhrenbündelgruppen über ein dielektrisches Kanalwandstück voneinander elektrisch isoliert. Gleichzeitig müsste je ein solches dielektrisches Kanalwandstück am Eingang und Ausgang des Röhrenkollektors zur insgesamten elektrischen Isolation angebaut sein.
• Unmittelbar benachbarte Röhren in einem Röhrenbündel sind über Abstandshalter in unverrückbarer paralleler Position auf eine Distanz 0 mm < s ≤ D_innen zueinander gehalten und die Röhrenbündel einer Gruppe miteinander lösbar verbunden. D_innen ist der lichte Durchmesser der verwendeten Röhre.
• Experimentell als optimal herausgestellt hat sich, wenn sich im Bereich der Röhrenbündelgruppe, in dem im Querschnitt alle Röhren erscheinen, geometrisch ein Dreieck gebildet wird, dessen Ecken auf je einer der Röhrenachsen dreier unmittelbar benachbarter Röhren liegen und die so gebildete Zwickelfläche zwischen diesen Röhren gleich der halben lichten Querschnittsfläche einer Röhre ist. Dadurch entsteht eine Röhrendistanz s, die innerhalb des oben angegebenen Bandes liegt. Der Strömungswiderstand in der Röhre und der außerhalb ihr scheint so optimal aufeinander abgestimmt zu sein. Röhrenabstände, die größer als der lichte Röhrendurchmesser sind, bringen einen stark schlechter werdenden Abscheidungsgrad mit sich. Mit weiter zunehmendem Abstand s über diesen optimalen Abstand hinaus benötigen die geladenen Aerosole aus dem zentralen Bereich der Strömungssäule mehr und mehr Zeit für eine Drift mit Abschluss auf einer Röhrenwand, die Röhren müssten dann länger und länger werden. Das aber ist technisch uninteressant.
• Zwar sind alle Röhren einer Röhrenbündelgruppe gleich lang, haben aber unterschiedliche Stellhöhe. Die Länge einer Röhrenbündelgruppe kann damit zwischen der einfachen und nahezu doppelten Röhrenlänge beim Stand auf einem ebenen Gitter/Lochblech (Anspruch 2) variieren, wobei es aus Gründen der Formstabilität einen mittleren Bereich einer Röhrenbündelgruppe geben soll, in deren Querschnitt alle Röhren des Bündels erscheinen. In diesem ausgezeichneten Bündelbereich ist das Röhrenbündel dann auch noch um den Umfang mit einem Band oder Seil zusätzlich formfestigend bündel- oder schnürbar. Bei zentral gewölbten oder konisch oder pyramidenförmig zentral zulaufenden Gitterformen (Anspruch 2) kann die Höhe der Röhrenbündelgruppe sogar noch höher als die doppelte Röhrenlänge sein. Allerdings darf dann die Bündelhöhe in Umfangsbereichen um die Röhrenkollektorlängsachse aus den geforderten Gründen zur Formstabilität des Röhrenbündels nur zwischen der einfachen und unterhalb der doppelten Röhrenhöhe schwanken und unmittelbar aufeinander folgende Umfangsbereiche müssen sich derart überlappen, dass es eine Ringfläche gibt, durch die alle Röhren der betrachteten Umfangsbereiche gehen. Eine mehrfache, allumfassende Bänderung/Schnürung wie im ebenen Gitterfall ist dann aber unter Umständen nicht mehr gegeben. Bei den nichtebenen Gitterformen kann aber eine umfassende Bündelung/Schnürung des Röhrenbündels zur zentralen Bündelhöhe hin wegen der in etwa vorhandnen Rotationssymmetrie dennoch hinreichende Stabilität mit sich bringen. Die Bauhöhe ist aber dann eventuell im Anlageneinbau aufgrund einer begrenzten Räumlichkeit problematisch.
• Wesentlich für eine effiziente Aerosolabscheidung ist, dass die Röhren mindestens so lang sind, dass bei einem turbulenten Eintritt des Gasteilstroms in die Röhre es im Verlaufe des Durchströmens zu einer laminaren Strömungsausbildung kommt, so dass dieser Gasteilstrom laminar aus der Röhre ausströmt. Auf die elektrisch geladenen Aerosolteilchen erfolgt im laminaren Gasteilstrom eine stetige, radial gerichtete Kraft. In einer verwirbelten, turbulenten Strömung lassen die sich stets die Richtung ändernden strömungsmechanischen Kräfte das nicht zu. Allgemein kann durch eine entsprechende Einstellung des Bezugspotentials die Kraft auf die durchströmenden elektrisch geladenen Aerosolteilchen in Radialrichtung und in Grenzen im Betrag eingestellt werden. Technisch bedeutsam ist die Einstellung des Bezugspotentials derzeit so, dass diese Aerosolteilchen während des Durchströmens auf die Röhrenwand zu triften. Die Abscheidung wird umso besser, je länger der laminare Strömungszustand in der Röhre besteht. Die Röhrengeometrie, hier lichte Weite und Röhrenlänge, wird einerseits für die technische Wirksamkeit durch die Strömung und der darin befindlichen Aerosolart nahegelegt und andrerseits durch einen wirtschaftlichen Aufbau des Röhrenkollektors.
• In den Unteransprüchen sind weitere Merkmale des Röhrenabscheiders/Röhrenkollektors aufgeführt, die eine prozessangepasste und/oder vorteilhafte Ausgestaltung beschreiben.
  Die Röhren eines Röhrenbündels sind üblicherweise Meterware, wenn nicht Prozessbedingungen außergewöhnliches Material verlangen. Nach Anspruch 3 sind es einfache glatte Röhren, nach Anspruch 4 von ringförmig gewellt bis axial längsgewellt, also auch dazwischen liegend wendelförmig oder schraubenförmig gewellt. Glatte oder ringförmig gewellte Rohre sind als Meterware insbesondere aus der elektrischen Installationstechnik bekannt.
• Häufig ist die versprühte Spülflüssigkeit normales Wasser, das eine Ionenleitfähigkeit besitzt. Für diesen Fall können die Röhren aus dielektrischem Material sein (Anspruch 5), da die Röhren über die Spülflüssigkeit Wasser auf dem Bezugspotential des tragenden Gitters/Lochblechs gehalten werden.
• Die Gitter, die von dem zugeordneten Röhrenbündelgruppe über mindestens eine Röhre elektrisch leitend berührt werden, sind in der einfachsten Bauweise eben (Anspruch 4). Im Falle einer elektrisch nichleitenden Spülflüssigkeit, wie Öl oder niedrige Alkohole oder Farblösungsmittel, muss beim Aufbau des Röhrenkollektors dafür gesorgt werden, dass die Röhren auf die abzuscheidenden, elektrisch geladenen Teilchen elektrisch attraktiv wirken, die Röhren sind dann zwangsweise elektrisch leitend (Anspruch 6), also zumindest mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet oder aus Metall oder einem hinreichend leitenden Kohlefaserverbundwerkstoff. Sie haben eine solche Struktur, Maschenweite oder Perforation im Falle des Lochblechs, dass ein einzelnes Röhrenbündel nicht durchfallen könnte.
• Die gebündelten Röhren sind bei einer Röhrenbündelgruppe alle gleich. Die Röhren können aber vielfältige Gestalt haben. Nach Anspruch 7 sind sie im Querschnitt rund, nach Anspruch 8 polygonal. Für kleinere Kanalquerschnitte ist das wegen des Strömungswiderstandes eventuell zu berücksichtigen, mit zunehmenden Kanalquerschnitten tritt dieser Aspekt mehr in den Hintergrund, wenn der Querschnitt der Röhrenbündelgruppe weitestgehend den lichten Kanalquerschnitt ausfüllt.
• Eine eingeengte Ausgestaltung eines Röhrenbündels beschreibt Anspruch 9. Danach ist der Querschnitt der Röhren polygonal, und zwar rechteckig (Hexagonal- bzw. Bienenwabenstruktur) oder parallelogrammartig viereckig oder regelmäßig sechseckig oder dreieckig derart, als zwei aneinander gelegte Dreiecke ein rechteckiges oder parallelogrammartiges Viereck bilden. Zusätzlich sind die Röhren eines Bündels dicht gepackt, d.h. der gegenseitige Röhrenabstand s ist null oder nahezu null. Ein solches Röhrenbündel hat dann Wabenstruktur und lässt sich aus unterschiedlich hochgestellten Röhren bündeln/schnüren oder die Röhren eines Bündels stehen alle gleich hoch. Ein solches Röhrenbündel kann aber auch unmittelbar aus einer zusammenhängenden Wabenstruktur mit dem jeweiligen Wabenquerschnitt geschnitten sein, und zwar mit zueinander parallelen Stirnseiten senkrecht zur Röhrenlängsachse oder schräg dazu. Beide Röhrenbündelarten eignen sich für die Zusammensetzung zu einer Röhrenbündelgruppe, insbesondere wenn die Röhrenbündelgruppe nichtebene Stirnflächen hat und deshalb ein segmentierter Aufbau notwendig ist. Die Fassung und Verankerung solcher Strukturen ist technisch einfach. Solche Wabenstrukturen sind aus der Leichtbautechnik bekannt.
• Zwei einfache Arten der Röhrenfixierung lassen sich einmal nach Anspruch 10 durch w-förmige Klemmen und nach Anspruch 11 durch wenigstens zwei Gitter, durch die alle Röhren zumindest eines Röhrenbündels gehen, erreichen. Wobei die beiden Gitter eine Maschenstruktur haben, durch die die Röhren formwahrend aber geklemmt gesteckt sind. Die Maschen, durch die gesteckt wird, haben polygonale, zumindest dreieckige Struktur. Bei der w-förmigen Klemme, die beispielsweise aus einem Band geeigneten Materials ausgestanzt werden kann, wird der Röhrenabstand s über den Mittelsteg des W erreicht, gleichzeitig werden zwei Röhren über Außen- und Mittelsteg klemmend in Position gehalten. Immer zwei W-Klemmen halten zwei Röhren in paralleler Position zueinander. So sind verschiedene Querschnittsformen für eine Röhrenbündelgruppe von rund, wie kreisrund oder oval, oder polygonal mit geraden Kanten ab dreieckig, oder polygonal ab zweieckig mit gekrümmten Kanten herstellbar, wobei der kreisrunde oder der rechteckige oder der sechseckige Querschnitt bisher der technisch am häufigsten realisierte ist. Bei allen einfachen, nach außen gewölbten Querschnittsformen bewirkt eine Bündelung/Schnürung um den Umfang der Röhrenbündelgruppe im Bereich, in dem im Querschnitt alle Röhren der Gruppe auftreten, eine zusätzliche Formstabilisierung und Möglichkeit zur einfachen Verankerung an der Kanalwand.
• Der Abscheidungsgrad lässt weiter optimieren, wenn, wie in Anspruch 12 beschrieben, die Röhren aus einer Röhrenbündelgruppe mit den Röhren der benachbarten Röhrenbündelgruppe nicht oder zumindest die meisten davon miteinander nicht fluchten. Das hat den Effekt, dass die austretenden laminaren Strömungssäulen aus einer Röhrenbündelgruppe, falls der laminare Strömungszustand im Zwischenraum zweier Röhrenbündelgruppen beibehalten werden kann, beim Eintritt in die folgende Röhrenbündelgruppe längs aufgeschnitten werden und dadurch der vormalige zentrale Bereich einer Strömungssäule beim Eintritt in die folgende Röhrenbündelgruppe sehr wahrscheinlich dezentral nahe einer Röhrenwand innen oder außen weiterströmt. Noch vorhandene Aerosolteilchen aus diesem vormals zentralen Strömungssäulenbereich haben dann einen kürzeren radialen Weg zur gegenwärtigen Röhrenwand.
• Der Röhrenabscheider/Röhrenkollektor ist in seinem Aufbau konstruktiv einfach und leicht sowohl als Kleineinrichtung mit nur einem Röhrenbündel pro Röhrenbündelgruppe oder modular größere bis große Einrichtung mit mehreren Röhrenbündeln pro Röhrenbündelgruppe.
• Mit dem Röhrenabscheider/Röhrenkollektor kann ein mit elektrisch geladenen Aerosolen belastetes Gas während des Durchströmens wirksam gereinigt werden. Der Druckabfall zwischen Ein- und Ausgang des Röhrenabscheider/Röhrenkollektor ist gering, wenn sich der Röhrenabstand zwischen den Schranken 0 mm < s < D_innen bewegt, insbesondere bei angepasstem Röhrenabstand s hinsichtlich des Strömungswiderstands in der einzelnen Röhre - alle Röhren haben, da geometrisch gleich pro Gruppe, den gleichen Strömungswiderstand - und außen zwischen einem Röhrentripel unmittelbar benachbarter Röhren. Es ist deshalb eine möglichst gleichmäßige Ausnutzung der inneren und äußeren Röhrenflächen anzustreben, da das zu reinigende Gas sowohl durch die Röhren als auch durch die die Röhrenaußenwand begrenzende Zwickelfläche strömt. Hierdurch wird erreicht, dass die Außenfläche der Rohre ebenso stark durchströmt wird wie die Innenfläche der Rohre. Durch die Abstandshalter wird die Röhrenaußenfläche der Rohre wirksam, was die effektive Abscheidungsoberfläche um max. bis zu 65%/35% = 1,86-fache vergrößert.
• Anhand des Ausführungsbeispiels eines derartigen Röhrenkollektors, der gebaut wurde und die Testphase durchlaufen hat, werden der Aufbau und die Wirkung speziell beschrieben. Der Röhrenkollektor ist in der Zeichnung skizziert und seine Leistungsfähigkeit in einem Diagramm dargestellt.
  Es zeigt:

Figur 1

den Röhrenkollektor,

Figur 2

die eingebaute Röhrenbündelgruppe im axialen Schnitt,

Figur 3

die eingebaute Röhrenbündelgruppe im radialen Schnitt,

Figur 4

die auf Abstand s zueinander sitzenden Röhren,

Figur 5

den Axialschnitt zueinander positioniert Röhren,

Figur 6

den Radialschnitt zueinander positioniert Röhren,

Figur 7

die Anzahlkonzentration und den Fraktionsabscheidungsgrad.

• Figur 1 zeigt den Röhrenkollektor in seiner Einbaulage in das Kanalsystem zum Führen eines von elektrisch geladenen Aerosolpartikeln zu reinigenden Gasstroms. Das Rauch- oder Rohgas strömt von unten in den Röhrenkollektor ein und strömt die erstere, untere Röhrenbündelgruppe üblicherweise turbulent an. Sie reicht über den gesamten lichten Kanalquerschnitt. Dort trifft das Rohgas zunächst auf das ebenfalls über den lichten Kanalquerschnitt reichende ebene Gitter, das auf Erdpotential gelegt ist. In den Röhren und zwischen den Röhren bilden sich auf dem weiteren Strömungsweg laminare Strömungssäulen aus. In ihnen vorhandene Aerosolpartikel, die gewöhnlich elektrisch negativ geladen sind, werden wegen des wirkenden elektrischen Erdpotentials radial auf die nächstliegende Röhrenwand hingezogen. Zumindest die nahe einer Röhrenwand befindlichen Aerosolpartikel haben eine gute Chance während des Durchströmens auf die Röhrenwand zu treffen und dort ihre elektrische Ladung abzugeben. Die Kraftwirkung auf die Aerosolpartikel ist eine kombinierte, nämlich elektrisch und strömungsmechanisch.
• Zwischen den beiden Röhrenbündelgruppen ist die Sprüheinrichtung zentral und mittig positioniert. Der Spülmittelzustrom erfolgt über das von der freien Kanalwand her hereinragende Rohr. Das Spülmittel ist hier Wasser, für das Abspülen der abgelagerten Rauchgaspartikel gut geeignet. Die Sprüheinrichtung sprüht die untere als auch die obere Röhrenbündelgruppe an.
• Das aus der ersten Röhrenbündelgruppe in Säulen laminar ausströmende, vorgereinigte Gas strömt durch den Sprühzwischenraum weiter und trifft auf die zweite Röhrenbündelgruppe, die ebenfalls auf einem Gitter mit elektrischem Bezugspotential steht. Die noch lamiaren Strömungssäulen aus der ersten Röhrenbündelgruppe werden beim Eintritt sehr wahrscheinlich längs aufgeschnitten und formieren sich darin beim Weiterströmen erneut zu laminaren Strömungssäulen, woraus die weitere Abscheidung geschieht. Aus der zweiten Röhrenbündelgruppe tritt das Gas weitestgehend gereinigt aus und strömt im dort angeschlossenen Führungskanal weiter. Der Spüleffekt kann noch etwas verbessert werden, wenn über der letzten Röhrenbündelgruppe noch eine Sprüheinrichtung sitzt, mit der die strömungsabgewandte / obenliegende Stirn auch noch besprüht werden kann. Diese Maßnahme ist nicht notwendigerweise zwingend.
• Das Erdungsgitter auf der strömungszugewandten Seite eines Röhrenbündels ist zu Ableitung der elektrischen Ladung notwendig. Die Spülung des Röhrenbündels aus der Sprüheinrichtung zwischen zwei aufeinander folgenden Röhrenbündeln im Gegenstrom zur Gasströmung wirkt nur auf abgeschiedene und elektrisch neutrale Partikel effektiv. Ein zusätzliches Erdungsgitter auf der strömungsabgewandten Seite des Röhrenbündels erhöht den Abscheidungsgrad nicht wesentlich, kann aber bei guter Verbindung zur mechanischen Steifigkeit des Röhrenbündels beitragen.
• Die beiden ebenen Gitter lassen zu, dass Spülflüssigkeit mit Aerosol bei dieser Art Einbau auch einfach im Gegenstrom in den darunter liegenden Raum abtropfen kann. Bei dieser Art Aufbau und Aufstellung des Röhrenkollektors ist das aber im allgemeinen kein Problem, da solche aerosolverunreinigte Spülflüssigkeit in einer unter dem Röhrenkollektor stehenden Wanne einfach aufgefangen und abgeführt werden kann.
• Die abzuscheidenden Partikel sind großenteils < 1 µm. Da die Röhrenlänge nicht beliebig lang ist, werden sich nicht alle Partikel während der Durchströmung an der Röhrenwand abscheiden, sondern mit der Strömung weiter genommen. Im Experiment wurde festgestellt, wenn die Röhren in einem Bündel unterschiedlich hoch gepackt sind, sich an der Außenwand einer die tiefer sitzende Röhre überragenden Nachbarröhre erhebliche Sedimentspuren zeigen. Diese Beobachtung wird auch durch Messung bestätigt. Die Abscheidung bei einem Röhrenbündel, bei dem die gepackten Röhren unterschiedlich hoch sitzen, ist signifikant höher als bei nur mit der Röhrenlänge gepackten Bündeln. Figur 2 zeigt schematisch die im Röhrenkollektor eingebaute, über den lichten Kanalquerschnitt reichende Röhrenbündelgruppe, deren Röhren unterschiedlich hoch, hier der Einfachheit halber nur in zwei Höhen, gepackt sind. Die Querschnittdarstellung in Figur 3 zeigt eine dichte Röhrenpackung, d.h. die Röhren stehen sehr nahe beieinander.
• Figur 4 zeigt eine Röhrenanordnung im Querschnitt, bei der die Röhren beispielhaft regelmäßig stehen, und zwar mit Ihrer Längsachse in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks. Die Röhren, die alle gleich sind, haben den lichten Durchmesser D_innen und den Außendurchmesser D. Sie stehen über gesteckte w-förmige Klemmen mit dem Abstand s parallel zueinander (siehe hierzu Figur 5 Längsschnitt und Figur 6 Querschnitt). Die Klemmen sind hier für ein Bündel mit der Höhe gleich der Röhrenlänge. Bei unterschiedlicher Höhenpackung der Röhren müssen die beiden Außenschenkel der Klemmen entsprechend länger sein.
• Die w-förmigen Abstandshalter/Klemmen werden unten und oben am jeweiligen Rohrende eingesteckt. Es werden oben und unten jeweils 6 Abstandshalter pro Röhre eingesteckt, wobei jeweils 1 Abstandshalter 2 Röhren auf den Abstand s hält. Zur besseren Führung der Röhren und als verlängerte Einleitstrecke für das Gas können die zentralen Abstandsstäbe mit dem Breitenmaß s verlängert ausgeführt sein, z.B. 5 x D oder 10 x D lang sein. Sie können auch so lang sein, dass die unteren und oberen Zentralstäbe sich in der Rohrmitte gerade berühren, so dass ein geschlossener Zwickelkanal entsteht. Die Abstandshalter können einfache hergestellt werden, z. B. durch Ausstanzen aus Metallblech oder dünnen Kunststoffplatten. Je nach erforderlicher Beständigkeit für Medium und Temperatur können die Materialien aus Kunststoffen, wie PE, PP, PVDF, PTFE, PVC, oder aus Metallen, wie z.B. Aluminium, Edelstahl, Titan, sein.
• Technisch brauchbar ist ein Abstandsbereich von $$\mathrm{0}\mathrm{<}\mathrm{s}\mathrm{<}{\mathrm{D}}_{\mathrm{innen}}\mathrm{.}$$

  

  
  Optimal ist bei endlicher Abstandseinstellung, wenn s in dem Bereich $$\mathrm{0},15{\mathrm{D}}_{\mathrm{innen}}\le \mathrm{s}\le 0,25{\mathrm{D}}_{\mathrm{innen}}$$

  

  
  liegt.
• Eine auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene Abstandsberechnung über bekannte strömungsmechanische Druckverlustberechnungen stützt die Auslegung eines Röhrenbündels.
• Die Untersuchung an einem einfach regelmäßig gepackten Bündel aus kreisrunden Röhren gibt natürlicherweise einen hexagonalen Bündelquerschnitt wie in Figur 4 dargestellt. Alle Röhren sind gleich, sie haben den Innendurchmesser D_innen und dem Außendurchmesser D. Bei der Abschätzung auf lm Röhrenlänge ergibt für eine laminare Strömung unter der Annahme: Strömungsgeschwindigkeit durch die Röhre von 2 m/s und einem Druckabfall von dp = 5,12 Pa über die Röhrenlänge über die Berücksichtigung der geometrischen Querschnittssituation für den gegenseitigen optimalen Röhrenabstand $$\mathrm{s}\mathrm{=}\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{254}{\mathrm{D}}_{\mathrm{innen}}$$

  
• Dann strömt etwa ebenso viel zu reinigendes Gas durch die Rohre wie durch die Zwickel. Da dem Zwickelgas ca. 65% der Rohroberfläche zur Verfügung steht, kann dort auch etwa 65 % des Gesamtgases durchströmen, also das 65/50 = 1,3 -fache der Gasmenge durch die Rohre.
• Durch die Einfügung der Abstandshalter wird die Röhrenaußenfläche der Röhren wirksam, was die effektive Abscheideoberfläche um max. 65%/35% = 1,86-fache vergrößert. Im vorgegebenes Gehäusevolumen können infolge der Abstandshalter weniger Rohre untergebracht werden, wodurch bei diesem Beispiel etwa 27 % weniger Rohre im Gehäuse Platz haben als bei dichter, s = 0 mm-Packung, also verringert sich die Gesamt-Rohrfläche ebenfalls um 27 %, - aber durch die Abstandshalter ist hiervon etwa die 1,8-fache Oberfläche nutzbar, so dass sich mit einem 27 % geringeren Einsatz von Rohren eine etwa 1,8 x 0,73 = 1,31fache Abscheideoberfläche ergibt.
• Die Leistungsfähigkeit des Röhrenabscheiders/Röhrenkollektors ist in Figur 7 beispielhaft dokumentiert. Das Beispiel zeigt die experimentell ermittelten Kurven für die Anzahlkonzentration in cm^-3 und den Fraktionsabscheidungsgrad in %, beides über der Partikelgröße Xm in µm. Bei dieser Überprüfung war die Strömungsrate 500 Bm3/h. Die elektrische Aufladung des Rohgases erfolgte vor Eintritt in den Röhrenabscheider beim Durchtritt durch eine elektrostatische Ladeeinheit mit U = 12,6 kV, die Ladeeinheit zog einen Strom von I = 4,6 mA. Ab einer Partikelgröße von etwa 0,4 µm ist der Fraktionsabscheidegrad schon über 90% und die Qualität des Reingases schon ausgezeichnet. Ab einer Partikelgröße von 1 µm liegen die Verhältnisse nahezu ideal.

Claims (12)

1. Röhrenkollektor zur Abscheidung elektrisch geladener Aerosole aus einem Gasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Röhrenkollektor in einen Kanalabschnitt eines den Gastrom leitenden Kanals eingebaut ist,
   dieser Kanalabschnitt senkrecht steht,
   der Gasstrom von unten her ein- und nach oben hin austritt,
   mindestens ein über höchstens den lichten Kanalquerschnitt reichende Röhrenbündelgruppe aus mindestens einem formstabilen Röhrenbündel in diesem Kanalabschnitt darin verankert ist,
   und
   zumindest mit der strömungszugewandten / unteren Seite auf einem über den lichten Kanalquerschnitt reichenden, auf einem elektrischen Bezugspotential liegenden Gitter/Lochblech sitzt und wenigstens mit einer Röhre aus der zugehörigen Röhrenbündelgruppe zur Ableitung aufgenommener elektrischer Ladung in elektrisch leitfähigem Kontakt stehen,
   wobei im Falle von vom Erdpotential verschiedenen elektrischen Bezugspotentialen die Kanalwand insgesamt dielektrisch ist oder zumindest am Eingang und Ausgang des Röhrenkollektors und im Fall mit Abstand in Strömungsrichtung aufeinander folgenden Röhrenbündelgruppen zwischen denselben je ein dielektrisches Kanalwandzwischenstück zur elektrischen Isolation eingebaut ist,
   im Falle, dass das Bezugspotential gleich dem Erdpotential ist, die Kanalwand des Kanalabschnitts elektrisch leitend aber auch elektrisch nichtleitend sein kann,
   mindestens die strömungsabgewandte / obere Stirn einer Röhrenbündelgruppe über eine darüber zentral positionierte Sprüheinrichtung, die von der freiliegenden Kanalwand her über eine Zuleitung mit Spülflüssigkeit versorgt wird, gleichmäßig mit Spülflüssigkeit ausgesprüht werden kann, Abstandshalter unmittelbar benachbarte Röhren eines Röhrenbündels in paralleler Position und auf eine Distanz 0 mm ≤ s ≤ D_innen zueinander halten, wobei D_innen der lichte Röhrendurchmesser ist,
   die Röhren einer Röhrenbündelgruppe gleich sind und gleiche oder unterschiedliche Stellhöhe haben, so dass eine Röhrenbündelgruppe mindestens die Länge einer Röhre hat
   und
   die Röhren eine Länge mindestens derart haben, dass sich bei turbulenter Einströmung in eine Röhre im weiteren Strömungsverlauf darin eine laminare Gasströmung ausbildet.
2. Röhrenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitter eben oder, in Strömungsrichtung betrachtet, konkav oder konvex oder pyramidenförmig oder konisch sind.
3. Röhrenkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren glatt sind.
4. Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren von ringförmig gewellt bis längsgewellt sind.
5. Röhrenkollektor nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren nur im Falle der Verwendung einer elektrisch leitenden Spülflüssigkeit aus dielektrischem Material sein können.
6. Röhrenkollektor nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren im Falle der Verwendung einer elektrisch nicht leitenden Spülflüssigkeit aus elektrisch leitendem Material sind und untereinander elektrisch leitend verbunden sind.
7. Röhrenkollektor nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Röhren rund ist.
8. Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Röhren polygonal ist.
9. Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Röhren polygonal ist, und zwar rechteckig oder parallelogrammartig viereckig oder regelmäßig sechseckig oder dreieckig derart, als ein rechteckig bzw. parallelogrammartig viereckiger Querschnitt über eine Diagonale zwei Dreiecke bildet,
   und
   die Röhren pro Röhrenbündel wabenartig dicht gepackt sind.
10. Röhrenkollektor nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter w-förmig sind und jeweils auf zwei zueinander auf Abstand zu haltende Röhren klemmend gesteckt sind.
11. Röhrenkollektor nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Röhren eines Röhrenbündels zur Abstandsfixierung und Bündelbildung geklemmt durch mindestens zwei Gitter gehen.
12. Röhrenkollektor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Röhrenbündelgruppen mit ihrer Längsachse auf der Strömungsachse liegen, die Mehrzahl bis alle der Röhren aus einer Gruppe aber nicht mit denen der benachbarten Röhrenbündelgruppe fluchten.

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