WO2000057992A1 - Vorrichtung und verfahren zur behandlung von strömenden gasen, insbesondere von abgasen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur behandlung von strömenden gasen, insbesondere von abgasen Download PDF

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Willi Neff
Klaus Pochner
Franz-Josef Trompeter
Jens Kamp
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for treating flowing gases, and in particular flowing exhaust gases, according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention is used in all fields of technology in which flowing gases have to be subjected to aftertreatment to reduce pollutants, for example in automotive engineering, in power plants or waste incineration plants or where gases are to be converted into new substances by plasma chemistry, such as in the production of ozone from oxygen.
  • the present invention is an advantageous further development of DE 195 18 970 C1.
  • Another disadvantage of the thickening is that the gas flow is severely hampered by the discharge gap, which is only a few millimeters in size and which the electrodes form.
  • the increased flow resistance is disadvantageous for all of the applications mentioned and, for example in internal combustion engines, can lead to a backflow of exhaust gases and thus to a deterioration in engine performance. For this reason, it is desirable to dimension the discharge gap as large as possible.
  • the increase in the electrode spacing required thereby increases the voltage amplitude generated by the voltage source.
  • the higher expenditure for insulation and voltage generators speaks against this.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of DE 195 18 970 C1 and to provide an exhaust gas reactor in which the exhaust gas flows through the volume occupied by the gas discharge as completely as possible.
  • Another task is to reduce the flow resistance of the discharge gap. The reduction in the flow resistance should take place without increasing the discharge gap.
  • the openings are made so that the exhaust gas can flow through the opening.
  • flowing gas is exposed to the discharge filaments.
  • the volume occupied by the gas discharge is almost completely flowed through by the exhaust gas and the cleaning effect is improved.
  • the volume covered by the discharge filaments is approximately doubled, and the cleaning effect increases accordingly by approximately 100%.
  • the thickenings may be desirable to provide only a portion of the thickenings with openings if the flow behavior in the respective application requires this.
  • One or more openings are possible per thickening.
  • the width of the openings is dimensioned such that the discharge filaments also ignite reliably via the path extended by this width.
  • the invention can also serve to use smaller voltage amplitudes than in a reactor according to the prior art.
  • the discharge gap can be reduced to such an extent that the cross-sectional area through which the gas flows and which is formed by the sum of the cross-sectional areas of the discharge gap and openings remains the same. This is particularly advantageous for the exhaust gas cleaning of internal combustion engines, in which case can advantageously be used with smaller voltages, so that cheaper and more compact voltage sources can be selected.
  • FIG. 1 shows an exhaust gas reactor according to DE 195 18 970 C1 with two planar electrodes (1) and (2), the upper electrode (1) being covered with a dielectric (3).
  • the lower electrode (2) has thickenings (4).
  • the thickenings are shaped so that there are no sharp tips or edges to avoid the transition to a corona discharge.
  • the gas flows almost exclusively in the area above the thickenings (4). This area is located in Fig. 1 above the horizontal dashed line (5). In the volume below this dashed line, and thus behind the thickening, there is only a negligible gas flow.
  • discharge voltages (7) shown in dashed lines are formed when the high voltage U is applied to the electrodes.
  • Fig. 2 shows a detailed view of a single thickening in the exhaust gas reactor according to DE 195 18 970 C1.
  • the ignition voltage is lowered, so that there are also discharges which take place over a longer distance (8).
  • the dashed line (5) There is thus a volume V1, where there are discharge filaments, but there is no gas flow. The volume occupied by the gas discharge is therefore only incompletely flowed through by the exhaust gas.
  • Fig. 3a The solution according to the invention is shown in Fig. 3a.
  • this electrode is now in the vicinity of the discharge gap Provide openings (9), ie perforated.
  • the openings are made so that the exhaust gas can flow through the openings.
  • the openings were made in the thickening with a laser beam in such a way that the borehole axes run largely parallel to the direction of flow.
  • FIG. 3b shows the openings (9), in the present case three openings, in a detailed view looking in the direction of flow. Due to the solution according to the invention, the ignition field strength remains the same due to the unchanged distance from the thickening to the smooth counter electrode. The flow resistance decreases, however, since gas can now additionally flow through the openings or openings.
  • the width of the openings is dimensioned such that the discharge filaments also ignite reliably via the path extended by this width. This creates an optimal overlap between the flowing gas and the volume swept by the barrier discharge.
  • the webs (10) and (11) should be as narrow as possible in order to cause only a slight flow resistance.
  • the electrical current to the horizontal web (10) i.e. the thickening area above the openings (9), and from there across the filaments of the barrier discharge to the opposite dielectric.
  • the mutual distance between the vertical webs (11) must be such that the horizontal web (10) is not deformed, for example by thermal expansion.
  • 3c shows a side view (gas flow from left to right) of a thickening (4) which is at least partially oriented obliquely to the counterelectrode (buckled thickening).
  • the fires are initially ignited by the shortest route, ie in the discharge gap (6a) on the web. Due to the decreasing ignition voltage, the subsequent ignition takes place with a longer path below the opening (9) laterally offset in the flow direction, ie a further discharge gap (6b) is formed. Due to the lateral offset, the discharge has a larger dielectric surface, so that the gas discharge absorbs even more power per thickening can than with a thickening without a kink. Depending on the choice of openings, at least two discharge gaps are created.
  • the smooth electrode (1) consists of a tube with insulation (3) drawn with dots.
  • the insulation consists of quartz glass or an aluminum oxide ceramic.
  • the thickenings (4) on the electrode (2) are metallic disks with openings (9).
  • the gas flows parallel to the cylinder axis through the discharge gap (6) and through the openings (9).
  • narrow webs (11) are arranged between the individual openings in the disks.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen, und ist eine vorteilhafte Weiterentwicklung der DE 195 18 970 C1. Die Vorrichtung besitzt wenigstens ein Paar flächiger Elektroden, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass sie einen vom Gas durchströmten Entladungsraum zwischen sich bilden, wobei bei jedem Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode auf der dem Entladungsraum zugewandten Seite mit einem Dielektrikum belegt ist, wobei wenigstens eine Elektrode einen oder mehrere Bereiche aufweist, in denen diese Elektrode eine zum Entladungsraum gerichtete Verdickung aufweist, und wobei in der Verdickung mindestens eine Öffnung vorgesehen ist durch die das Gas strömen kann. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen sowie der Abgase von Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, und insbesondere von strömenden Abgasen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung findet in allen Gebieten der Technik Anwendung, in denen strömende Gase zur Schadstoffreduzierung einer Nachbehandlung zu unterziehen sind, beispielsweise in der Automobiltechnik, bei Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen oder wo Gase plasmachemisch zu neuen Stoffen umgewandelt werden sollen wie z.B. bei der Ozonherstellung aus Sauerstoff.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung ist eine vorteilhafte Weiterentwicklung der DE 195 18 970 C1.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades bei der Reinigung von strömenden Gasen durch Barrierenentladungen wurde in der DE 195 18 970 C1 vorgeschlagen, entlang der Strömuπgsrichtung des Gases Inhomogenitäten der Elektrodenoberfläche vorzusehen. Durch diese Inhomogenitäten, nämlich Verdickungen, kann die Wahrscheinlichkeit für die Zündung von Entladungsfilamenten auch in denjenigen Gasvolumina erhöht werden, in denen noch keine Entladung stattgefunden hat. In den Verdickungsbereichen liegen kleinere Abstände zwischen den Elektroden vor, und damit höhere elektrische Feldstärken. In den Verdickungsbereichen zündet daher die Entladung ausschließlich. Sind insgesamt genügend Verdickungsbereiche vorhanden, können insgesamt mehr Volumenelemente einem Entladungsfilament ausgesetzt werden, was den Wirkungsgrad erhöht.
Eigene Untersuchungen zeigten, daß die in der DE 195 18 970 C1 vorgeschlagene Lösung den Nachteil aufweist, daß im Verdickungsbereich vorhandene elektrische Ladungsträgern die lokale Zündspannung absenken. Die Inhomogenitäten der Elektrodenoberfläche führen nämlich auch zu Inhomogenitäten in der Verteilung der elektrischen Ladungsträger. Da die Entladung ausschließlich in den Verdickungsbereichen zündet, kommt es in diesen Bereichen zu einer Ansammlung von elektrischen Ladungsträgern und dadurch zu einer Erniedrigung der Zündfeldstärke.
Dieser nachteilige Effekt führt dazu, daß es bei Vorhandensein von Ladungsträgern im Verdickungsbereich nicht nur zu Zündungen von Filamenten auf der der Gegenelektrode zugewandten Fläche der Verdickung kommt. Es kommt nun auch zur Zündung von Filamenten auf einem längeren Weg, beispielsweise an den Seitenflächen der Verdickungen.
In denjenigen Raumbereichen, die bezogen auf die Strömungsrichtung hinter den Verdickungen liegen, iiegt fast keine Gasströmung vor. Durch die Verdickungen entsteht auf diese Weise ein Voiumenbereich V1 , in dem kein nennenswerter Gasaustausch mehr stattfindet.
Die Zündung von Filamenten an den Seitenflächen der Verdickungen und der Umstand, daß im Volumen V1 kein nennenswerter Gasaustausch mehr stattfindet, führt dazu, daß die Gasentladung im Volumen V1 fast ohne Wirkung ist. Je nach geometrischer Form der Verdickungen, ihrer Anzahl und ihrer Anordnung im Reaktor, bleibt ein erheblicher Teil der in die Gasentladung eingekoppelten Energie ungenutzt. Das Potential für den Wirkungsgrad der Barrierenentladung ist damit nicht ausgeschöpft.
Ein weiterer Nachteil der Verdickungen besteht darin, daß durch den nur wenige Millimeter großen Entladungsspalt, den die Elektroden bilden, die Gasströmung stark behindert wird. Der erhöhte Strömungswiderstand ist für alle genannten Anwendungen nachteilig, und kann zum Beispiel bei Verbrennungsmotoren zu einem Rückstau der Abgase und damit zu einer Verschlechterung der Motorenleistung führen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den Entladungsspalt möglichst groß zu dimensionieren. Die damit erforderliche Vergrößerung des Elektrodenabstandes erzwingt jedoch eine Erhöhung der von der Spannungsquelle erzeugten Spannungsamplitude. Dagegen spricht jedoch besonders der höhere Aufwand für Isolation und Spannungsgeneratoren.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der DE 195 18 970 C1 zu überwinden und einen Abgasreaktor zur Verfügung zu steilen, bei dem das von der Gasentladung eingenommene Volumen möglichst vollständig vom Abgas durchströmt wird.
Weiterhin ist es Aufgabe, den Strömungswiderstand des Entladungsspaltes zu verkleinern. Die Verkleinerung des Strömungswiderstandes soll dabei ohne eine Vergrößerung des Entladespaltes erfolgen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 und 4 angegeben. Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die sich aus der DE 195 18 970 C1 ergebenden Probleme durch Verdickungen lösen lassen, die mindestens eine Öffnung aufweisen, durch die das Abgas strömen kann.
Die Öffnungen sind so angebracht, daß das Abgas durch die Öffnung hindurchströmen kann. Damit liegt bezogen auf die Strömungsrichtung räumlich hinter den Verdickungen eine Gasströmung bzw. ein Gasaustausch vor. In diesem Raumbereich wird strömendes Gas den Entladungsfiiamenten ausgesetzt. Das von der Gasentladung eingenommene Volumen wird auf diese Weise fast vollständig vom Abgas durchströmt und der Reinigungseffekt verbessert. Bei den in der Praxis anzutreffenden Abgasreaktoren wird das von den Entladungsfiiamenten erfaßte Volumen etwa verdoppelt, und der Reinigungseffekt steigt entsprechend um ca. 100 %.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, nur einen Teil der Verdickungen mit Öffnungen versehen werden, wenn es das Strömungsverhalten im jeweiligen Anwendungsfall erfordert. Pro Verdickung sind ein oder mehrere Öffnungen möglich. Für eine optimale Gasströmung ist es zweckmäßig, die Öffnung parallel zur Strömungsrichtung des Abgases auszurichten. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, daß in die Verdickung mit einem Laser ein oder mehrere Löcher gebohrt werden, deren Symmetrieachse weitgehend parallel zur Strömungsrichtung liegt. Die Breite der Öffnungen wird so bemessen, daß die Entladungsfilamente auch noch über den um diese Breite verlängerten Weg sicher zünden.
Reichen der Strömungswiderstand und der Reinigungseffekt für den Anwendungsfall aus, so kann die Erfindung auch dazu dienen, kleinere Spannungsamplituden als bei einem Reaktor nach Stand der Technik einzusetzen. Für einen gegenüber dem Stand der Technik gleich guten Reinigungseffekt kann der Entladungsspalt so weit verkleinert werden, daß die vom Gas durchströmte Querschnittsfläche, die durch die Summe der Querschnittsflächen von Entladungsspalt und Öffnungen gebildet wird, gleich bleibt. Dies ist besonders für die Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren von Vorteil, bei der dann vorteilhafterweise mit kleineren Spannungen gearbeitet werden kann, so daß kostengünstigere und kompaktere Spannungsquellen gewählt werden können.
Ohne Einschränkung des aligemeinen Erfindungsgedankens soll die erfindungsgemäße Weiterbildung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Abgasreaktor gemäß der DE 195 18 970 C1 mit zwei flächig ausgeführten Elektroden (1 ) und (2), wobei die obere Elektrode (1 ) mit einem Dielektrikum (3) belegt ist. Das Gas strömt zum Beispiel von links nach rechts. Die untere Elektrode (2) weist Verdickungen (4) auf. Die Verdickungen sind so geformt, daß keine scharfen Spitzen oder Kanten vorliegen, um den Übergang zu einer Koronaentladuπg zu vermeiden. Wie eigene Untersuchungen zeigten, strömt das Gas fast ausschließlich im Bereich oberhalb der Verdickungen (4). Dieser Bereich befindet sich in Fig. 1 oberhalb der horizontalen gestrichelten Linie (5). Im Volumen unterhalb dieser gestrichelten Linie, und damit hinter den Verdickungen, liegt eine nur vernachlässigbare Gasströmung vor. Im Spalt (6) zwischen Elektrode (1 ) und Verdickung (4) kommt es bei an den Elektroden angelegter Hochspannung U zur Ausbildung von gestrichelt gezeichneten Entladungsfiiamenten (7).
Fig. 2 zeigt als Detailansicht eine einzelne Verdickung im Abgasreaktor gemäß der DE 195 18 970 C1. Infolge der Ansammlung von Ladungsträgern im Spalt (6) kommt es zur Absenkung der Zündspannung, so daß es auch zu Entladungen kommt, die auf einem längeren Weg (8) stattfinden. Unterhalb der gestrichelten Linie (5) liegt jedoch keine nennenswerte Gasströmung vor. Damit existiert ein Volumen V1 , wo zwar Entladungsfilamente vorliegen, es jedoch keine Gasströmung gibt. Das von der Gasentladung eingenommene Volumen wird somit nur sehr unvollständig vom Abgas durchströmt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist Fig. 3a dargestellt. Im Gegensatz zu der massiven Verdickung von Fig. 2 ist diese Elektrode nun in der Nähe des Eπtladungsspalts mit Öffnungen (9) versehen, d.h. durchbrochen. Die Öffnungen sind so eingebracht, daß das Abgas durch die Öffnungen durchströmen kann. Die Öffnungen wurden mit einem Laserstrahl so in die Verdickung eingebracht, daß die Bohrlochachsen weitgehend parallel zur Strömungsrichtung verlaufen.
Fig. 3b zeigt die Öffnungen (9), vorliegend drei Öffnungen, in einer Detaiiansicht mit Blick in Strömungsrichtung. Durch die erfindungsgemäße Lösung bleibt die Zündfeldstärke durch den unveränderten Abstand von Verdickung zur glatten Gegenelektrode gleich. Der Strömungswiderstand nimmt jedoch ab, da nun Gas zusätzlich durch die Öffnungen bzw. Durchbrechungen hindurch strömen kann. Die Breite der Öffnungen wird so bemessen, daß die Entladungsfilamente auch noch über den um diese Breite verlängerten Weg sicher zünden. Dadurch wird eine optimale Überlappung zwischen dem strömenden Gas und dem von der Barriementladung überstrichenen Volumen hergestellt. Die Stege (10) und (11) sollten möglichst schmal sein, um nur einen geringen Strömungswiderstand zu verursachen. Durch die vertikalen Stege (11) zwischen den Öffnungen muß der elektrische Strom zum horizontalen Steg (10), d.h. dem Verdickungsbereich oberhalb der Öffnungen (9), fließen, und von dort aus über die Fiiamente der Barrierenentladung zum gegenüberliegenden Dielektrikum. Der gegenseitige Abstand der vertikalen Stege (11) muß so bemessen sein, daß sich der horizontale Steg (10) nicht zum Beispiel durch thermische Ausdehnung verformt.
Fig. 3c zeigt in einer Seitenansicht (Gasstrom von links nach rechts) eine Verdickung (4), die zumindst teilweise schräg zur Gegenelektrode ausgerichtet ist (geknickte Verdickung). Die Zündung der Fiiamente erfolgt zunächst auf dem kürzesten Weg, d.h. im Entladungsspalt (6a) am Steg. Durch die abnehmende Zündspannung erfolgt die nachfolgende Zündung mit längerem Weg unterhalb der Öffnung (9) seitlich in Strömungsrichtung versetzt, d.h. es bildet sich ein weiterer Entladungsspalt (6b). Durch den seitlichen Versatz steht der Entladung eine größere Dielektrikumsfläche zur Verfügung, so daß die Gasentladung noch mehr Leistung pro Verdickung aufnehmen kann als bei einer Verdickung ohne Knick. Je nach Wahl der Öffnungen entstehen mindestens zwei Entladungsspalte.
Fig. 4a und Fig. 4 b zeigen Schnitte durch zwei erfindungsgemäß realisierte Reaktoren in koaxialer Ausführung. In beiden Fällen besteht die glatte Elektrode (1 ) aus einem Rohr mit gepunktet gezeichneter Isolierung (3). Die Isolierung besteht aus Quarzglas oder einer Aluminiumoxidkeramik. Die Verdickungen (4) auf der Elektrode (2) sind metallische Scheiben mit Öffnungen (9). Das Gas strömt parallel zur Zylinderachse durch den Entladungsspait (6) und durch die Öffnungen (9). Auch bei dieser Ausführungsform sind zwischen den einzelnen Öffnungen in den Scheiben schmale Stege (11) angeordnet. Diese haben die Aufgabe, den Stromfluß zu dem zum Entladungsspait (6) hin gebildeten Steg (10) zu gewährleisten und diesen Steg gleichzeitig mechanisch zu stabilisieren.
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Bezugszeichenliste
1 , 2 Elektroden Dielektrikum Verdickung gestrichelte Linie Entladungsspalt Entladungsfilament auf dem kürzesten Weg Entladungsfilament auf einem längeren Weg Öffnung 0 horizontaler Steg (Verdickungsbereich oberhalb der Öffnungen) 1 vertikaler Steg (Verdickungsbereich zwischen der Öffnungen)

Claims

Patentansprüche
1 ) Vorrichtung zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen, mit wenigstens einem Paar flächiger Elektroden, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, so daß sie einen vom Gas durchströmten Entiadungsraum zwischen sich bilden, wobei bei jedem Elektrodenpaar wenigstens eine Elektrode auf der dem Entladungsraum zugewandten Seite mit einem Dielektrikum belegt ist, daß wenigstens eine Elektrode einen oder mehrere Bereiche aufweist, in denen diese Elektrode eine zum Entladungsraum gerichtete Verdickung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verdickung mindestens eine Öffnung vorgesehen ist durch die das Gas strömen kann.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickung zumindst teilweise schräg zur Gegenelektrode ausgerichtet ist.
3) Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsrichtung der Öffnungen weitgehend parallel zur
Strömungsrichtung des Gases verläuft.
4) Verfahren zur Behandlung von strömenden Gasen, insbesondere von Abgasen, wobei Gas einen Entiadungsraum mit einem elektrischen Feld durchströmt, in dem elektrische Entladungen erzeugt werden, und wobei die Elektrode einen oder mehrere Verdickungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas teilweise durch in den Verdickungen befindliche Öffnungen strömt.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in den Öffnungen weitgehend parallel zum Abgas im Entladungsspalt strömt.
PCT/EP2000/002627 1999-03-25 2000-03-24 Vorrichtung und verfahren zur behandlung von strömenden gasen, insbesondere von abgasen WO2000057992A1 (de)

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