WO2023147818A1 - Elektroabscheider mit wenigstens einer näherungsweise punktförmigen sprühelektrode sowie sprühionisationsquelle - Google Patents

Elektroabscheider mit wenigstens einer näherungsweise punktförmigen sprühelektrode sowie sprühionisationsquelle Download PDF

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WO2023147818A1
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electrostatic precipitator
spray ionization
electrically conductive
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    • B03C2201/10—Ionising electrode has multiple serrated ends or parts

Definitions

  • Electrostatic precipitator with at least one approximately punctiform spray electrode and spray ionization source
  • the present invention relates to an electrostatic precipitator with approximately punctiform discharge electrodes.
  • the invention relates to an electrostatic precipitator with a reduction in discharge-related degeneration phenomena by means of modification measures on the discharge electrodes.
  • the invention relates to a spray ionization source for use in such an electrostatic precipitator.
  • WO 2021/185418 A1 discloses a generic electrostatic precipitator optimized in terms of efficiency, size, power consumption and ozone emissions, which can be used as a mobile stand-alone device or as a component of air conditioning and ventilation systems, e.g. decentralized or central room ventilation systems .
  • air conditioning and ventilation systems e.g. decentralized or central room ventilation systems .
  • a wide range of industrial applications in the field of air purification and, in principle, also in the field of cleaning other gases, e.g. in the field of flue gas cleaning, or also in the automotive sector (e.g. HVAC systems for vehicle interiors) are conceivable.
  • Two-stage electrostatic precipitators based on the so-called Penney principle are used in particular for cleaning the air in the room, e.g. In principle, the use of negative ionizer potentials would also be conceivable.
  • the particles to be separated are generally first electrically charged by means of a so-called ionizer.
  • a corona discharge occurs as a result of local field ionization.
  • This corona discharge initially generates positively (or negatively) ionized gas molecules in a spatially narrowly defined zone around the ionizer (so-called corona plasma region), which move towards the negative electrodes and, on their way outside the corona zone, come into contact with the (fine dust J-particles or aerosols collide or collide and charge them as well.
  • the second stage of such electrostatic precipitators is a so-called collector unit arranged downstream of the ionizer unit in the direction of flow, usually consisting of a sequence of polarized plates or plates with alternating high voltages, through which the air to be cleaned flows with the particles previously charged by the ionizer unit . Due to the Coulomb forces, the positively charged particles drift towards the negatively charged ones, or at least on one Plates with a lower voltage potential (e.g. also at ground potential), the so-called collector plates, stick there and can be removed by periodic cleaning or tapping. When negatively charged particles are deposited, the potential relationships of the plates are of course reversed accordingly.
  • the plates of the collector assembly charged opposite to the collector plates are referred to as driver plates; together with the opposite collector plates, these provide the electric field for the electrostatic separation.
  • a disadvantage of electrostatic precipitators is the ozone formation caused by the high-voltage-induced gas ionization processes, which can range from minor health impairments, such as slight eye irritation, to more serious health problems, such as headaches or respiratory problems, or exceeding the permissible limit values, especially when such electrostatic precipitators are used indoors for ozone.
  • the electrostatic precipitator known from WO 2021/185418 A1 mentioned at the outset works by means of approximately punctiform spray ionization sources, preferably by means of conductive fiber bundles, in particular containing fiber filaments containing graphite.
  • each spray ionization source spreading an electric field opposite associated hole edges of a perforated plate electrically at the opposite potential.
  • ionization voltages used in the prior art are typically well below 8 kV, which may be sufficient given relatively small distances between the ionization electrode and counter-electrode.
  • the aforementioned streaming effects are primarily attributed to the fact that high local field strengths cause electrons and negative gas ions that cannot be transported away quickly enough to collide with the surface of the discharge electrode (anode) with high kinetic energy, there material tear out and thus create microscopic "craters" with sharp edges. These sharp edges can in turn generate such high electric field strengths that the streamers mentioned occur.
  • the reactive species emitted during a corona discharge such as O + , O 2+ , NO + , also promote electrode erosion due to their reactivity.
  • the spray ionization sources are wear parts and are designed to be replaceable.
  • the desired service life of the spray ionization sources typically one year and more often cannot be achieved without additional measures at the desired higher ionization voltages, because without specific measures the spray ionization sources can be worn out after just a few weeks of continuous operation.
  • An electrostatic precipitator of the type mentioned above using conductive fiber bundles as ionization sources with a typical operating voltage of about 10 kV with a downstream collector unit is also known from EP 3 932 563 A1.
  • An industrial electrostatic precipitator in particular for flue gas cleaning, is known from US 2008/0 190 296 A1, in which ionizer electrode and collector plates arranged in parallel are provided, with these ionizer electrode plates being able to be subjected to high voltages of 20 kV to 35 kV.
  • the ionizer electrode plates can be made of a composite material with conductive fibers protruding from the surface, the protruding fiber ends being coated with a metal to prevent damage due to electrical arcing or due to wear from the abrasive flue gas medium.
  • the object of the present invention is to provide measures by means of which undesired streaming effects can be minimized or eliminated even with ionization voltages of more than approx. 8 kV.
  • an electrostatic precipitator through which an air flow to be cleaned of particles, in particular a room air flow to be cleaned, flows, is combined with an ionizer unit that has one or more ionizer rows arranged within the air flow, with each ionizer Each row has at least one approximately punctiform spray ionization source to which an electrical ionizer potential is applied, with at least one of the spray ionization sources being formed essentially from a bundle of electrically conductive fibers, and having a collector unit for particle separation arranged downstream of the ionizer unit, with a plurality of essentially parallel, electrically conductive collector and driver plates through which the air stream flows, which are alternately charged with electrical collector or opposite driver potentials, that the electrically conductive fibers of the spray ionization source are at least partially provided with a metallic coating.
  • modification measures on the spray ionization sources themselves can also be additionally supported by so-called field-modifying measures, which reduce the maximum field strengths in the immediate vicinity of the spray ionization source and/or which improve the ion transport from the corona zone, in order to improve the streaming effects to be reduced or eliminated even more overall.
  • the (at least partially) metallic coating is intended to achieve a significant reduction in wear and an increase in the service life of the spray ionization sources due to streaming effects, which can mean that due to the at least partial metallic coating of the electrically conductive fibers, a typical service life of a spray ionization source in an electrostatic precipitator with relatively high ionization voltages of > 8 kV is operated, of at least one year (preferably at least approx. 3 years), whereas the spray ionization source without the metallic coating would be worn out after just a few weeks of continuous operation due to streaming effects in such an electrostatic precipitator.
  • the wear of the fiber bundles - independent of a metallic coating - would only be low, since the mechanical stress on the fibers, e.g. due to abrasive particles, is low when used in such electrostatic precipitators and spark flashovers usually do not occur.
  • the coating preferably consists essentially of nickel or at least of a nickel alloy, preferably with more than 50% nickel content.
  • a nickel/chromium alloy for example, can be used as the nickel alloy, with nickel as the main component.
  • Such a nickel/chromium alloy can contain chromium either in a relatively high proportion (between 10% and less than 50%) or in a proportion lower than 10%. Such chromium addition tends to increase oxidation resistance.
  • a nickel/chromium alloy can also contain other components such as aluminum, silicon, manganese, cobalt, hafnium, rhenium or other rare earth metals such as yttrium in small proportions to improve strength, oxidation and Corrosion properties are added, preferably nickel and - remain the main components chromium - to a lesser extent.
  • nickel/chromium alloy is not intended to exclude other alloy suggestions, although pure nickel/chromium alloys can also be used.
  • conductive metals or metal alloys are used for such a coating, for example precious metals such as gold, silver, platinum, iridium, palladium, or semi-precious metals such as copper or Subgroup elements such as chromium, molybdenum or tungsten or alloys of these elements or other elements.
  • the coating preferably consists of pure nickel, which is preferably applied to the fibers by means of chemical vapor deposition.
  • the electrically conductive fibers are preferably carbon or graphite filaments or possibly also fibers spun from such filaments, bundles or tufts of individual filaments (in contrast to multifilament fibers) preferably being used.
  • Carbon or graphite filaments - these terms are to be understood synonymously here - are fibers made from carbonaceous starting materials which are converted by chemical processes into graphite-like arranged carbon in fiber form, which is known to have very favorable mechanical properties in the presently preferred so-called anisotropic types can be achieved with very good conductivity at the same time.
  • the bundles of electrically conductive fibers of the spray ionization source also have one or more of the following properties: the electrically conductive fibers of the fiber bundle (40) are designed as graphite or carbon filaments or as fibers spun from such filaments; and/or the electrically conductive fibers are designed as synthetic fibers made from a conductive polymer or from a polymer with conductivity-increasing additives; and/or the individual fibers each have a fiber thickness of less than 20 ⁇ m; and/or the fiber bundle consists of 16 individual fibers or more, preferably up to 96,000 fibers, very particularly preferably between 3,000 and 48,000 fibers; and or the free fiber length between the exit from a mount holding the bundle together and the front end of the fibers is between 2 mm and 25 mm for the majority of the fibers of the fiber bundle, preferably between 5 mm and 12 mm.
  • fundamentally other conductive fibers can also be used, e.g. electrically so-called self-conducting polymers or, for example, graphite-reinforced plastics (Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP).
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • the fibers of the fiber bundles are preferably quite filigree due to a preferred diameter of less than 20 ⁇ m and the relatively large free fiber length of several millimeters compared to the diameter.
  • fiber bundle or “fiber tuft” also implies that the individual fibers of the bundle—starting from a common mount—diverge in tufts with increasing distance from the mount, so that the fiber ends do not form a coherent surface.
  • the intrinsic conductivity of the fibers does not necessarily have to be very high - although this is actually quite high in the case of the carbon fibers that are preferably used - because the metallic coating can also contribute to the conductivity of the fibers.
  • the fibers of the fiber bundle particularly preferably have a diameter of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the (average) metal coating thickness can preferably be between 0.05 ⁇ m and 1.0 ⁇ m, preferably between 0.2 ⁇ m and 0.5 ⁇ m.
  • the fibers of the fiber bundle are particularly preferably coated with metal essentially along the fiber peripheral sides, at least in the spatial vicinity of the free front ends, with the front sides of the free front ends being opposite are preferably uncoated, so that the coating can be done before the fibers are assembled.
  • At least one spray ionization source or preferably all of the spray ionization sources are preferably subjected to a relatively high ionizer potential of at least 8 kV, preferably more than 10 kV, and very particularly preferably more than 12 kV.
  • the ionization current per spray ionization source can be limited to less than 100 pA.
  • each spray ionization source from the corresponding counter-electrode of the collector unit or from another electrode at the most opposite potential is preferably at least approx. 75 mm, whereby this value is to be understood as an example and from depends on many design parameters.
  • a spray ionization source made of a bundle of electrically conductive fibers with a metallic coating as described above is proposed, which accordingly--possibly as a replaceable part--is provided for use in the electrostatic precipitator described above.
  • this spray ionization source can, of course, also have other elements, such as an electrically conductive socket for holding the fiber bundle or tuft and an optionally insulated electrical supply line.
  • FIG. 1 is a schematic view of a two-stage electrostatic precipitator using a spray ionization source
  • FIGS. 2a, b show a schematic isometric view and a plan view of an example of a spray ionization source according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of an electrostatic precipitator with several spray ionization sources
  • FIGS. 4a, b show schematic representations of the wear behavior (before-after) for an uncoated carbon filament
  • FIGS. 5a, b show schematic representations of the wear behavior (before-after) of a nickel-coated carbon filament
  • FIGS. 6a, b micrographs of the wear behavior (before-after) of an uncoated carbon filament bundle
  • FIGS. 7a, b Microscopic photographs of the wear behavior (before - after) of a nickel-coated carbon filament bundle.
  • the two-stage electrostatic precipitator according to the Penney principle shown schematically in FIG. 1 goes back to WO 2021/185418 A1 mentioned at the outset, and this document is to be made the subject matter of the present application by reference with regard to further details of the corresponding electrostatic precipitator.
  • the electrostatic precipitator 10 according to Figure 1 is located in an air duct not shown in Figure 1 - this can be e.g. an air duct in a separate air cleaner or e.g. also a duct of a central or decentralized living room ventilation system, or a duct in the HVAC system a motor vehicle.
  • a forced flow in the direction of arrow 22 is generated in the air duct by suitable means, in particular by one or more fans.
  • the core element of the electrostatic precipitator is the positive high-voltage potential applied in the example (the high-voltage source and supply lines are not shown in each case), approximately point-shaped discharge electrode 40, which are the ends of a bundle of thin conductive fibers, usually graphite filaments, which are also referred to as carbon fibers or carbon fibers.
  • This spray electrode 40 is the main component of an ionizer unit, which in other embodiments can also have several spray electrodes as well as mechanical support and power supply structures.
  • approximately punctiform is intended to express the fact that the spray ionization emanates from a tip of a fibrous element with a very small radius of curvature (compared to the other dimensions of the device), so that due to the electric tip effect, the corresponding electric field and the ionization effect as can be approximated primarily as starting from a point, although the point here obviously represents a mathematical idealization.
  • spray ionization source 40 In the example of FIG. 1, only a single spray ionization source 40 is shown. However, several spray ionization sources, e.g. arranged in a matrix-like manner, can certainly be provided in different configurations, as is also explained in more detail in WO 2021/185418 A1.
  • the spray ionization source 40 generates a corona discharge with the formation of a local corona zone, which leads to ionization of the air molecules and, through accumulation and interaction processes in a further volume area, to the positive (or possibly also negative) charging of particles flowing through to be separated .
  • a collector unit 12 which is at a high absolute voltage potential (positive or negative) compared to the ionization source, for which purpose an electrostatic field is generated between positively or negatively charged driver electrode plates 16 and collector electrode plates 14, so that the positively ionized Particles by electrostatic attraction be deposited on the collector plates to which a lower voltage potential or ground potential is applied.
  • the absolute driver potential is generally selected to be lower than the ionizer potential in order to avoid flashovers between the preferably very closely spaced plate pairs.
  • additional negatively charged electrodes are also proposed to improve the separation performance; among other things, so-called edge counter-electrodes 18, see also the illustration in Figure 3.
  • edge counter-electrodes 18 see also the illustration in Figure 3.
  • These additional electrodes can be used advantageously in conjunction with the present invention; however, this does not have to be the case, i.e. the present invention is not limited to use in the electrostatic precipitator with additional collector electrodes described in WO 2021/185418 A1.
  • the present invention can generally be used in electrostatic precipitators with approximately punctiform spray ionizers, also independently of the specific configuration of the collector unit 12 and independently of the presence of further electrodes and also independently of the type and arrangement of fans.
  • FIG 3 shows schematically an embodiment of an electrostatic precipitator with several, in the example four, evenly spaced spray ionization sources 40, which are each designed as fiber bundles of conductive fibers, and which are arranged on a supporting structure 20, in which the high-voltage supply lines are also integrated, in a matrix-like manner approximately centrally with respect to each other four main flow sections are arranged at a distance from the collector unit 12, which has edge counter-electrodes 18 surrounding the main flow sections, each with arcuate recesses 24.
  • the spray ionization sources 40 are preferably used with relatively high voltages of generally significantly more than 10 kV (e.g.
  • a spray ionization source 40 with a graphite fiber filament tuft or fiber bundle is shown schematically in FIGS. 2a, b in an isometric view and in a plan view.
  • the individual fibers are denoted by 44, the number and diameter of the filaments not being to scale.
  • the spray ionization source 40 is held by a holder or socket 42, which is also designed to be electrically conductive and applies the ionizer potential to the individual fibers 44 via a high-voltage source, not shown here.
  • FIGS. 7a and 7b The corresponding before-after comparison is shown in FIGS. 7a and 7b, with the corresponding fibers in FIGS. 6a, b and 7a, b being exposed to comparable parameters (discharge geometry, ionization voltage, service life, etc.).
  • the coated fibers that can be seen in FIG. 7b still have a “round” tip shape even after a long period of standing, so that there are no self-reinforcing streaming effects.
  • the anti-wear effect of a nickel coating is related to the formation of a protective oxide layer on the metal ("passivation").
  • a protective oxide layer on the metal (“passivation").
  • the formation of a metal oxide takes place either at the inner (facing the metal) or at the outer (facing the ambient air) interface of the oxide layer. If the mobility of the metal cations in the metal oxide is much greater than the mobility of the oxygen anions - which is the case in the case of nickel at room temperature conditions and natural oxygen partial pressures - then according to the theories the oxidation essentially takes place at the outer interface.
  • oxide layer-forming materials such as nickel
  • those alloys - for example nickel/chromium alloys - cause a particularly high wear resistance whose oxide layers grow slowly in the initial stage, passivate quickly and which have good adhesion to the enter metal surface.
  • noble metals - such as platinum - form only very thin or no oxide layers at technically relevant temperatures and are therefore possibly less effective within the scope of the invention than base metals or their alloys, which form a passivating oxide layer, especially one that grows outwards passivating oxide layer. Irrespective of this, more noble metals or their alloys can certainly also be used within the scope of the invention.
  • coated carbon fiber filament that can be used for the purposes of the invention would be a carbon fiber with a filament diameter of about 7 ⁇ m, which is coated on the outer surfaces but not on the end surfaces with a nickel coating with a thickness of about 0.25 ⁇ m . This coating can take place in particular by means of chemical vapor deposition.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektroabscheider (10), der von einem von Partikeln zu reinigenden Luftstrom durchströmt wird, mit einer lonisatoreinheit (26), die ein oder mehrere, näherungsweise punktförmige Sprühionisationsquellen (40) aufweist, die aus leitfähigen Faserfilamentbüscheln, insbesondere gebildet aus Karbonfilamenten, bestehen, sowie mit einer stromabwärts der lonisatoreinheit angeordneten Kollektoreinheit (12) zur Partikelabscheidung. Die Sprühionisationsquellen werden mit relativ hohen lonisatorpotentialen ≥ 8 kV, vorzugsweise ≥ 10 kV oder mehr, betrieben. Um mittel- bis langfristig auftretende Abnutzungen aufgrund entladungsbedingter Streamingeffekte zu reduzieren oder zu eliminieren, sind die Filamente der Sprühionisationsquellen wenigstens teilweise metallisch beschichtet, insbesondere nickelbeschichtet, wodurch sich Streamingeffekte deutlich reduzieren / bzw. sogar ganz vermeiden lassen.

Description

Elektroabscheider mit wenigstens einer näherungsweise punktförmigen Sprühelektrode sowie Sprühionisationsquelle
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektroabscheider mit näherungsweise punktförmigen Sprühelektroden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Elektroabscheider mit Verminderung entladungsbedingter Degenerationserscheinungen durch Modifikationsmaßnahmen an den Sprühelektroden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Sprühionisationsquelle zur Verwendung bei einem derartigen Elektroabscheider.
Aus der WO 2021/185418 A1 ist ein gattungsgemäßer, hinsichtlich Effizienz, Baugröße, Stromverbrauch und Ozonemissionen optimierter Elektroabscheider bekannt, der als mobiles Stand-Alone-Gerät oder auch als Komponente von Klima- und Lüftungsanlagen, z.B. dezentralen oder zentralen Raumbelüftungsanlagen, eingesetzt werden kann. Auch sind vielfältige industrielle Applikationen im Bereich der Luftreinigung und grundsätzlich auch im Bereich der Reinigung anderer Gase, z.B. im Bereich Rauchgasreinigungen, oder auch im Automotive-Bereich (z.B. HVAC-Systeme für Fahrzeuginnenräume) denkbar.
In den vergangenen Jahren wurde erkannt, welche gravierenden Auswirkungen in der Luft befindliche Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von 10 pm oder weniger - der sog. Feinstaub - oder auch Aerosole - insbesondere Bioaerosole, man denke an die Verbreitung des Coronavirus durch Aerosole, auf die menschliche Gesundheit haben können.
Da konventionelle Filter, wie z.B. Filtermatten, hinsichtlich ihrer Filterleistung insbesondere bei kleineren Partikeln, wie Feinstäuben oder Aerosolen, nicht sehr leistungsfähig sind, jedenfalls dann nicht, wenn größere Druckverluste vermieden werden sollen, wurden im Rahmen der o.g. Druckschrift mit Hochspannung betrie- bene Elektroabscheider oder Elektrofilter (auch als Anordnungen für elektrische Staubabscheidung bekannt) vorgeschlagen, um die in der Luft vorhandenen Partikel durch elektrische Ladungen abzuscheiden.
Diese haben gegenüber den konventionellen, auf Adsorptions- und Desorptionseffekten und Filtermatten beruhenden Filtern auch noch den Vorteil, dass viele aerosolgebundene Viren, insbesondere das Coronavirus, bei hohen elektrischen Feldstärken unmittelbar biologisch inaktiviert werden, so dass von diesen keine Gefahr mehr ausgeht, selbst wenn man den Filter reinigt.
Für die Raumluftreinigung - z.B. für Wohn- oder Arbeitsräume - werden insbesondere zweistufige Elektroabscheider nach dem sog. Penney-Prinzip verwendet, wenngleich die vorliegende Erfindung nicht grundsätzlich auf Entladungen nach dem Penney-Prinzip mit positivem lonisatorpotential beschränkt sein sollen; es wäre grundsätzlich auch die Verwendung negativer lonisatorpotentiale denkbar.
Bei einem Elektroabscheider werden die abzuscheidenden Partikel generell zunächst mittels eines sog. Ionisators elektrisch aufgeladen. Bei Anlegen einer ausreichend hohen Spannung an den Ionisator stellt sich eine hohe Feldstärke und dementsprechend durch lokale Feldionisation eine Koronaentladung ein. Diese Koronaentladung erzeugt zunächst in einer räumlich eng begrenzten Zone um den Ionisator herum (sog. Koronaplasmaregion) positiv (oder auch negativ) ionisierte Gasmoleküle, die sich zu den negativen Elektroden hinbewegen und dabei auf ihrem weiteren Weg außerhalb der Koronazone mit den abzuscheidenden (Feinstaub-J-Partikel oder Aerosole Zusammenstößen bzw. kollidieren und diese ebenfalls aufladen.
Die zweite Stufe derartiger Elektroabscheider stellt eine in Strömungsrichtung abstromseitig der lonisatoreinheit angeordnete sog. Kollektoreinheit dar, in der Regel bestehend aus einer Abfolge polarisierter Platten bzw. Platten mit alternierend anliegenden Hochspannungen, durch die die zu reinigende Luft mit den durch die lonisatoreinheit vorher geladenen Partikeln strömt. Durch die Coulombkräfte driften die positiv geladenen Partikel zu den negativ oder zumindest auf einem geringeren Spannungspotential (z.B. auch auf Massepotential) befindlichen Platten, den sog. Kollektorplatten ab, haften dort an und können durch periodische Reinigung oder Abklopfen entfernt werden. Bei Abscheidung von negativ geladenen Partikeln sind die Potentialverhältnisse der Platten selbstverständlich entsprechend umgekehrt. Die entgegengesetzt zu den Kollektorplatten geladenen Platten der Kollektoreinheit werden als Treiberplatten bezeichnet; diese stellen zusammen mit den jeweils gegenüberliegenden Kollektorplatten das elektrische Feld für die elektrostatische Abscheidung bereit.
Ein Nachteil von Elektrofiltern stellt die durch die hochspannungsinduzierten Gasionisationsprozesse bedingte Ozonbildung dar, was insbesondere bei Einsatz derartiger Elektroabscheider in Innenräumen von geringfügigen gesundheitlichen Beeinträchtigungen, wie leichten Augenreizungen, bis hin zu gravierenderen gesundheitlichen Problemen, wie Kopfschmerzen oder Atemwegsproblemen, bzw. zu Überschreitungen der zulässigen Grenzwerte für Ozon führen kann.
Auch ist für die Stoßionisationsprozesse ein gewisser elektrischer Energieaufwand erforderlich, so dass in Anbetracht des Umstandes, dass Elektrofilter häufig im Dauerbetrieb eingesetzt und die entsprechenden Hochspannungsnetzteile prinzipiell recht stark verlustbehaftet sind, im Hinblick auf einen möglichst energiesparenden Betrieb auf eine hohe Effizienz der lonenerzeugung zu achten ist.
Der aus der eingangs genannten WO 2021/185418 A1 bekannte Elektrofilter arbeitet mittels näherungsweise punktförmiger Sprühionisationsquellen, bevorzugt mittels leitfähiger Faserbündel, insbesondere graphithaltige Faserfilamente enthaltend.
Der Einsatz derartiger Faserbüschel im Bereich der Elektroabscheider ist grundsätzlich auch bereits im Stand der Technik bekannt, vgl. die US 10 384 517 B2.
Durch die Spitzenwirkung der dünnen Filament-Enden werden hohe lokale Feldstärken erreicht bei gleichzeitig kleinen Krümmungsradien, was günstig im Hinblick auf das Verhältnis Abscheidungsrate / Ozonerzeugungsrate ist, da kleine Krümmungsradien zu hohen lokalen Feldstärken und diese wiederum zu einer kleinen Koronaplasmaregion führen, was wie erwähnt eine geringere Ozonproduktion zur Folge hat.
Bei dem bekannten Elektroabscheider nutzt man eine relativ große Vielzahl von matrixartig angeordneter Sprühionisationsquellen, wobei jede Sprühionisationsquelle ein elektrisches Feld gegenüber zugeordneten Lochrändern einer elektrisch auf entgegengesetztem Potential befindlichen Lochplatte aufspannt.
Die im Stand der Technik, so auch der US 10 384 517 B2, eingesetzten lonisa- tionsspannungen liegen typischerweise deutlich unterhalb von 8 kV, was bei relativ kleinen Distanzen zwischen lonisationselektrode und Gegenelektrode ausreichen mag.
Im Rahmen der eingangs erwähnten WO 2021 /185418 A1 wird jedoch eine Anordnung mit größeren Abständen zwischen Sprühionisationsquellen und Gegenelektroden zu den Elektroden vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang wurde nämlich erkannt, dass derartige Anordnungen aufgrund der verbesserten Partikel-Ioni- sations-Wirkungsquerschnitte hinsichtlich Abscheideleistung, Stromverbrauch und Ozongeneration deutlich besser als andere bekannte Anordnungen abschneiden können.
Dabei hat sich allerdings auch herausgestellt, dass die größeren Elektrodenabstände es für eine optimale Performance erforderlich machen, die Sprühionisationsquellen mit deutlichen höheren Spannungen als im Stand der Technik gebräuchlich, d.h. mit Spannungen > 8 kV, typischerweise sogar mit mehr als 10 kV, oder gar mit ca. 12 kV oder mehr (z.B. > 15 kV oder > 20 kV) zu betreiben.
Wird eine derartig hohe Spannung > 8 kV an eine sehr spitz ausgebildete, näherungsweise punktförmige Sprühionisationselektrode angelegt, steigt an den Kanten der Elektrode die Feldstärke stark an. Im Rahmen der Erfindung ergab sich unter derartigen Bedingungen ein überraschend schneller und starker Verschleiß der Faserbündel, der zu nachlassender Abscheideleistung, erhöhter Ozonproduktion und zu unerwünschter Geräuschbildung führte.
Überraschend war dieser Verschleiß, weil die in Rede stehenden Elektroabscheider im Rahmen der Raumluftfilterung nicht oder nicht nennenswert mit irgendwelchen abrasiven Partikeln oder besonders reaktiven Gasen beaufschlagt werden, und die Strömungsgeschwindigkeiten so gering sind, dass ein mechanischer Verschleiß der Sprühionisationsquellen durch das zu reinigende Medium, d.h. die partikelhaltige Raumluft, eigentlich nicht zu befürchten war. Zum anderen werden bei derartigen Raumluftreinigern elektrische Überschläge, die zur Beschädigung der Sprühionisationsquellen aufgrund Funkeneinwirkung führen könnten, bei nach Möglichkeit vermieden, schon aus Gründen Ozonminimierung, weshalb auch diese Verschleißquelle bei bestimmungsgemäßem Einsatz praktisch ausgeschlossen ist.
Es hat sich herausgestellt, dass der Verschleiß primär auf sog. Streaming-Effekte zurückzuführen ist, wobei derartige Streamingeffekte unerwünschte Geräusche verursachen, zu vermehrter Ozon Produktion und elektromagnetischen Störungen führen und den lonisatorverschleiß stark beschleunigen.
Die besagten Streamingeffekte werden in der Theorie primär darauf zurückgeführt, dass hohe lokale Feldstärken dazu führen, dass Elektronen und negative Gas- ionen, die nicht schnell genug abtransportiert werden können, auf die Oberfläche der Sprühelektrode (Anode) mit hoher kinetischer Energie prallen, dort Material herausreißen und somit mikroskopische "Krater" mit scharfen Kanten entstehen. Diese scharfen Kanten können wiederum so hohe elektrische Feldstärken erzeugen, dass die genannten Streamer auftreten. Ferner wird vermutet, dass die bei einer Corona-Entladung emittierten reaktiven Spezies, wie O+, O2+, NO+, die Elektrodenerosion zusätzlich aufgrund ihrer Reaktivität begünstigen. Diese Streaming-Effekte sind unerwünscht und es besteht das Bedürfnis, diese zu eliminieren bzw. wenigstens zu minimieren, um einen vorzeitigen Verschleiß der Sprühionisationsquellen zu verhindern.
Zwar sind die Sprühionisationsquellen grundsätzlich Verschleißteile und auswechselbar ausgebildet. Angestrebte Standzeiten der Sprühionisationsquellen von typischerweise einem Jahr und mehr lassen sich jedoch aufgrund der Streaming-Effekte ohne zusätzliche Maßnahmen bei den angestrebten höheren Ionisationsspannungen häufig nicht erreichen, denn ohne spezifische Maßnahmen können die Sprühionisationsquellen schon nach wenigen Wochen Dauerbetrieb verschlissen sein.
Ein Elektroabscheider der eingangs erwähnten Art unter Einsatz leitfähiger Faserbündel als lonisationsquellen mit einer typischen Betriebsspannung von ca. 10 kV mit nachgeschalteter Kollektoreinheit ist auch aus der EP 3 932 563 A1 bekannt.
Aus der US 2008 / 0 190 296 A1 ist ein industrieller Elektroabscheider, insbesondere für die Rauchgasreinigung, bekannt, bei dem parallel angeordnete Ionisatorelektroden- und Kollektorplatten vorgesehen sind, wobei diese lonisatorelektro- denplatten mit Hochspannungen von 20 kV bis 35 kV beaufschlagt werden können. Die lonisatorelektrodenplatten können dabei aus einem Verbundmaterial mit aus der Oberfläche herausragenden leitenden Fasern hergestellt sein, wobei die herausragenden Faserenden zur Vermeidung von Beschädigungen aufgrund von elektrischen Überschlägen oder aufgrund von Verschleiß durch das abrasive Rauchgasmedium mit einem Metall beschichtet sein können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Maßnahmen bereitzustellen, mittels derer unerwünschte Streamingeffekte auch bei lonisationsspannungen von mehr als ca. 8 kV minimiert bzw. eliminiert werden können.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Elektroabscheiders bzw. einer Sprühionisationsquelle für einen derartigen Elektroabscheider gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen erläutert.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird bei einem Elektroabscheider, der von einem von Partikeln zu reinigenden Luftstrom, insbesondere von einem zu reinigenden Raumluftstrom, durchströmt wird, mit bei einer lonisatoreinheit, die ein oder mehrere innerhalb des Luftstroms angeordnete Ionisator-Reihen aufweist, wobei jede Ionisator-Reihe jeweils mindestens eine, mit einem elektrischen lonisa- torpotential beaufschlagte, näherungsweise punktförmige Sprühionisationsquelle aufweist, wobei wenigstens eine der Sprühionisationsquellen im Wesentlichen aus einem Bündel elektrisch leitfähiger Fasern gebildet ist, und mit einer stromabwärts der lonisatoreinheit angeordneten Kollektoreinheit zur Partikelabscheidung, mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen parallel angeordneten, elektrisch leitfähigen, von dem Luftstrom durchströmten Kollektor- und Treiberplatten, die alternierend mit elektrischen Kollektor- bzw. entgegengesetzten Treiberpotentialen beaufschlagt sind, vorgeschlagen, dass die elektrisch leitfähigen Fasern der Sprühionisationsquelle wenigstens teilweise mit einer metallischen Beschichtung versehen sind.
Diese Modifikationsmaßnahmen an den Sprühionisationsquellen selbst können im Übrigen zusätzlich noch durch sog. feldmodifizierende Maßnahmen unterstützt werden, durch welche die maximalen Feldstärken in unmittelbarer Nähe der Sprühionisationsquelle abgesenkt wird und/oder durch welche der lonenabtrans- port aus der Koronazone verbessert wird, um so die Streamingeffekte insgesamt noch stärker zu reduzieren bzw. zu eliminieren.
Durch die (wenigstens teilweise) metallische Beschichtung soll eine deutliche Verschleißminderung und Standzeitverlängerung der Sprühionisationsquellen aufgrund von Streamingeffekten erreicht werden, was bedeuten kann, dass aufgrund der wenigstens teilweisen metallischen Beschichtung der elektrisch leitfähigen Fasern eine typische Standzeit einer Sprühionisationsquelle in einem Elektroabscheider, der mit relativ hohen lonisationsspannungen von > 8 kV betrieben wird, von wenigstens einem Jahr erreicht wird (vorzugsweise wenigstens ca. 3 Jahre), wohingegen die Sprühionisationsquelle ohne die metallische Beschichtung aufgrund von Streaming-Effekten in einem derartigen Elektroabscheider bereits nach wenigen Wochen Dauerbetrieb verschlissen sein würde.
Ohne die erwähnten Streamingeffekte wäre der Verschleiß der Faserbündel - unabhängig von einer metallischen Beschichtung - dagegen nur gering, da die mechanische Belastung der Fasern, z.B. aufgrund von abrasiven Partikeln, bei Einsatz in derartigen Elektroabscheidern gering ist und in der Regel keine Funkenüberschläge auftreten.
Bevorzugt besteht die Beschichtung im Wesentlichen aus Nickel oder wenigstens aus einer Nickellegierung, vorzugsweise mit mehr als 50% Nickelgehalt. Als Nickellegierung kann beispielsweise eine Nickel-/Chromlegierung eingesetzt werden, mit Nickel als Hauptbestandteil.
Chrom kann in einer derartigen Nickel-/Chromlegierung entweder mit einem relativ hohen Anteil enthalten sein (zwischen 10% bis unter 50%) oder auch mit einem niedrigeren Anteil als 10%. Ein derartiger Chromzusatz erhöht tendenziell die Oxidationsbeständigkeit.
Eine Nickel-/Chromlegierung kann, wie in der Metallurgie bekannt, auch noch weitere Bestandteile, wie Aluminium, Silizium, Mangan, Kobalt, Hafnium, Rhenium o- der andere Seltenerdmetalle wie Yttrium können in geringen Anteilen zur Verbesserung der Festigkeits-, Oxidations- und Korrosionseigenschaften zugesetzt werden, wobei vorzugsweise Nickel- und - mit geringerem Anteil - Chrom die Hauptbestandteile bleiben. Der Begriff "Nickel-/Chromlegierung" soll weitere Legierungs- suschläge nicht ausschließen, wenngleich auch reine Nickel-/Chromlegierungen verwendet werden können.
Es ist aber auch denkbar, dass andere leitende Metalle oder Metalllegierungen für eine derartige Beschichtung eingesetzt werden, z.B. Edelmetalle, wie Gold, Silber, Platin, Iridium, Palladium, oder Halbedelmetalle wie Kupfer oder Nebengruppenelemente wie Chrom, Molybdän oder Wolfram oder Legierungen dieser Elemente oder weiterer Elemente.
Bevorzugt besteht die Beschichtung jedoch aus reinem Nickel, welches bevorzugt mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf die Fasern aufgebracht ist.
Bei den elektrisch leitenden Fasern handelt es sich bevorzugt um Carbon- oder Graphitfilamente oder ggf. auch um als aus derartigen Filamenten gesponnene Fasern, wobei bevorzugt Bündel bzw. Büschel von Einzelfilamenten (im Gegensatz zu Multifilamentfasern) eingesetzt werden.
Bei Carbon- oder Graphitfilamenten - diese Begriffe sollen hier synonym verstanden werden - handelt es sich um Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die über chemische Prozesse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff in Faserform umgewandelt werden, wodurch bei den vorliegend bevorzugten sog. anisotropen Typen bekanntermaßen sehr günstige mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig sehr guter Leitfähigkeit erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Bündel elektrisch leitender Fasern der Sprühionisationsquelle außerdem ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: die elektrisch leitenden Fasern des Faserbündels (40) sind als Graphit- oder Carbonfilamente oder als aus derartigen Filamenten gesponnene Fasern ausgebildet; und/oder die elektrisch leitenden Fasern sind als synthetische Fasern aus einem leitfähigen Polymer oder aus einem Polymer mit leitfähigkeitserhöhenden Zuschlägen ausgebildet; und/oder die einzelnen Fasern weisen einen Faserdicke von jeweils weniger als 20 pm auf; und/oder das Faserbündel besteht aus 16 Einzelfasern oder mehr, bevorzugt bis zu 96.000 Fasern, ganz besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 48.000 Fasern; und/oder die freie Faserlänge zwischen dem Austritt aus einer das Bündel zusammenhaltenden Fassung und dem Stirnende der Fasern liegt für die Mehrzahl der Fasern des Faserbündels jeweils zwischen 2 mm bis 25 mm, bevorzugt jeweils zwischen 5 mm bis 12 mm.
Somit können auch zusätzlich oder anstelle von reinen Karbonfilamenten oder -fasern auch grundsätzlich andere leitfähige Fasern eingesetzt werden, z.B. elektrisch sog. selbstleitende Polymere oder beispielsweise graphitverstärkte Kunststoffe (Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP).
Insgesamt sind die Fasern der Faserbündel aufgrund eines bevorzugten Durchmessers von weniger als 20 pm und der gegenüber dem Durchmesser relativ großen freien Faserlänge von etlichen Millimetern bevorzugt recht filigran.
Der Begriff "Faserbündel" bzw. "Faserbüschel" impliziert ferner, dass die einzelnen Fasern des Bündels - ausgehend von einer gemeinsamen Fassung - büschelartig mit zunehmender Entfernung von der Fassung divergieren, so dass die Faserenden keine zusammenhängende Oberfläche bilden.
Dabei muss die intrinsische Leitfähigkeit der Fasern nicht unbedingt zwingend sehr hoch sein - wenngleich diese bei den bevorzugt verwendeten Kohlefasern tatsächlich recht hoch ist -, weil die metallische Beschichtung ggf. ebenfalls zur Leitfähigkeit der Fasern beitragen kann.
Besonders bevorzugt weisen die Fasern des Faserbündels einen Durchmesser von 5 pm bis 20 pm, vorzugsweise zwischen 5 pm und 10 pm, auf.
Die (mittlere) Metallbeschichtungsdicke kann bevorzugt zwischen 0,05 pm und 1 ,0 pm, vorzugsweise zwischen 0,2 pm und 0,5 pm, liegen.
Besonders bevorzugt sind die Fasern des Faserbündels im Wesentlichen entlang der Faserumfangsseiten, wenigstens in räumlicher Nähe der freien Stirnenden, metallisch beschichtet, wobei die Stirnseiten der freien Stirnenden dagegen bevorzugt unbeschichtet sind, so dass die Beschichtung vor Konfektionierung der Fasern erfolgen kann.
Bevorzugt wird wenigstens eine Sprühionisationsquelle bzw. werden bevorzugt alle der Sprühionisationsquellen mit einem relativ hohen lonisatorpotential von jeweils wenigstens 8 kV, vorzugsweise von mehr als 10 kV, und ganz besonders bevorzugt mehr als 12 kV, beaufschlagt.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der lonisationsstrom pro Sprühionisationsquelle auf weniger als 100 pA begrenzt werden.
Ferner beträgt der räumliche Abstand jeder Sprühionisationsquelle von der entsprechenden Gegenelektrode der Kollektoreinheit oder von einer sonstigen, auf dem gegensätzlichstem Potential befindlichen Elektrode (z.B. den auf Massepotential befindlichen leitenden Außenwandungen des Strömungskanals) bevorzugt wenigstens ca. 75mm, wobei dieser Wert beispielhaft zu verstehen ist und von vielen konstruktiven Parametern abhängt.
Ferner wird im Rahmen der Erfindung eine Sprühionisationsquelle aus einem Bündel elektrisch leitfähiger Fasern mit einer metallischen Beschichtung wie vorstehend beschrieben vorgeschlagen, die dementsprechend - ggf. als auswechselbares Teil - für den Einsatz in dem vorbeschriebenen Elektroabscheider vorgesehen ist.
Neben dem Bündel der beschichteten leitfähigen Fasern kann diese Sprühionisationsquelle selbstverständlich auch weitere Elemente, wie eine elektrisch leitfähige Fassung zum Halten des Faserbündels bzw. Faserbüschels sowie eine ggf. isolierte elektrische Zuleitung aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines zweistufigen Elektrofilters unter Verwendung einer Sprühionisationsquelle;
Figuren 2a, b eine schematische isometrische Ansicht sowie eine Draufsicht auf ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Sprühionisationsquelle;
Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Elektroabscheiders mit mehreren Sprühionisationsquellen;
Figuren 4a, b schematische Darstellungen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem unbeschichteten Karbonfilament;
Figuren 5a, b schematische Darstellungen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem nickelbeschichteten Karbonfilament;
Figuren 6a, b mikroskopische Aufnahmen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem unbeschichteten Karbonfilamentbündel; und
Figuren 7a, b mikroskopische Aufnahmen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem nickelbeschichteten Karbonfilamentbündel.
Der in Figur 1 schematisch dargestellte zweistufige Elektroabscheider nach dem Penney-Prinzip geht auf die eingangs erwähnte WO 2021 /185418 A1 zurück, wobei dieses Dokument hinsichtlich weiterer Einzelheiten des entsprechenden Elektrofilters hier durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht werden soll.
Der Elektrofilter 10 gemäß Figur 1 befindet sich in einem in Figur 1 nicht dargestellten Luftkanal - dabei kann es sich z.B. um einen Luftkanal in einem separatem Luftreiniger oder z.B. auch um einen Kanal einer zentralen oder dezentralen Wohnraumbelüftungsanlage handeln, oder einen Kanal in der HVAC-Anlage eines Kraftfahrzeugs. In dem Luftkanal wird durch geeignete Mittel, insbesondere durch eine oder mehrere Ventilatoren, eine Zwangsdurchströmung in Richtung des Pfeils 22 erzeugt.
Kernelement des Elektroabscheiders ist die im Beispiel mit einem positiven Hochspannungspotential beaufschlagte (die Hochspannungsquelle sowie Versorgungs- leitungen sind jeweils nicht dargestellt), näherungsweise punktförmige Sprühelektrode 40, bei der es sich um die Enden eines Bündels dünner leitfähiger Fasern, in der Regel Graphitfilamente, die auch als Kohlefasern oder Karbonfasern bezeichnet werden, handelt.
Diese Sprühelektrode 40 ist Hauptbestandteil einer lonisatoreinheit, die in anderen Ausführungsformen auch mehrere Sprühelektroden sowie mechanische Unterstüt- zungs- und Stromversorgungsstrukturen aufweisen kann.
Der Begriff " näherungsweise punktförmig" soll dabei zum Ausdruck bringen, dass die Sprühionisation von einer Spitze eines faserartigen Elements mit einem (gegenüber den sonstigen Dimensionen der Einrichtung) sehr kleinem Krümmungsradius ausgeht, so dass aufgrund der elektrischen Spitzenwirkung das entsprechende elektrische Feld und die lonisationswirkung als näherungsweise primär als von einem Punkt ausgehend angesehen werden kann, wenngleich der Punkt hier selbstverständlich eine mathematische Idealisierung darstellt.
Im Beispiel von Figur 1 ist nur eine einzelne Sprühionisationsquelle 40 dargestellt. Es können aber durchaus mehrere, z.B. matrixartig angeordnete, Sprühionisationsquellen in verschiedenen Konfigurationen vorgesehen sein, wie dies auch in der WO 2021/185418 A1 näher erläutert ist.
Die Sprühionisationsquelle 40 erzeugt - wie einleitend bereits beschrieben - eine Korona-Entladung mit Ausbildung einer lokalen Koronazone, die zu einer Ionisation der Luftmoleküle und durch Anlagerungs- und Wechselwirkungsprozesse in einem weiteren Volumenbereich zur positiven (oder ggf. auch negativen) Aufladung durchströmender abzuscheidender Partikel führt.
Diese werden dann in einer Kollektoreinheit 12, die sich auf einem gegenüber der lonisationsquelle hohen absoluten Spannungspotential (positiv oder negativ) befindet, abgeschieden, wofür zwischen positiv bzw. negativ geladenen Treiberelektrodenplatten 16 und Kollektorelektrodenplatten 14 ein elektrostatisches Feld generiert wird, so dass die positiv ionisierten Partikel durch elektrostatische Anziehung auf den mit niedrigerem Spannungspotential oder Massepotential beaufschlagten Kollektorplatten abgeschieden werden. Das absolute Treiberpotential ist dabei in der Regel zur Vermeidung von Überschlägen zwischen den vorzugsweise recht nah beabstandeten Plattenpaaren geringer gewählt als das lonisatorpotential.
Im Rahmen der in der WO 2021 /185418 A1 beschriebenen Erfindung werden außerdem noch negativ beaufschlagte zusätzliche Elektroden zur Verbesserung der Abscheideleistung vorgeschlagen; u.a. sog. Rand-Gegenelektroden 18, vgl. auch die Darstellung in Figur 3. Diese zusätzlichen Elektroden können vorteilhaft in Zusammenwirkung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden; dies muss aber ausdrücklich nicht so sein, d.h., die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei dem in der WO 2021/185418 A1 beschriebenen Elektrofilter mit zusätzlichen Kollektorelektroden beschränkt.
Vielmehr ist die vorliegende Erfindung allgemein bei Elektroabscheidern mit näherungsweise punktförmigen Sprühionisatoren einsetzbar, unabhängig übrigens auch von der konkreten Ausgestaltung der Kollektoreinheit 12 sowie unabhängig von dem Vorhandensein weiterer Elektroden und auch unabhängig von der Art und Anordnung von Lüftern.
Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Elektroabscheiders mit mehreren, im Beispiel vier, gleichmäßig beabstandeten Sprühionisationsquellen 40, die jeweils als Faserbündel leitfähiger Fasern ausgebildet sind, und die auf einem Stütztragwerk 20, in das auch die Hochspannungszuleitungen integriert sind, matrixartig jeweils in etwa mittig bezüglich vier Hauptströmungsabschnitten angeordnet sind, beabstandet von der Kollektoreinheit 12, die die Hauptströmungsabschnitte jeweils umgebende Rand-Gegenelektroden 18 aufweist, jeweils mit bogenförmigen Aussparungen 24. Die Sprühionisationsquellen 40 werden bevorzugt mit relativ hohen Spannungen von in der Regel deutlich mehr als 10 kV (z.B. 12 kV, 14 kV oder mehr) beaufschlagt und sind geometrisch relativ weit von den jeweiligen auf Gegenpotential befindlichen Elementen beabstandet, so dass hohe lonisationsleistungen mit minimaler Ozongenerierung unter Vermeidung von Funkenüberschlägen erzielt werden können, wodurch allerdings der eingangs erwähnte verstärkte Verschleiß durch Streamingeffekte auftreten kann, weshalb die erfindungsgemäß metallbeschichteten Faserbündel bei derartigen Abscheidern (jedoch nicht nur dort) mit Vorteil eingesetzt werden können. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten des Elektroabscheiders gemäß Figur 3 wird auf die WO 2021/185418 A1 verwiesen.
In den Figuren 2a, b ist schematisch eine Sprühionisationsquelle 40 mit einem Graphitfaser-Filamentbüschel bzw. -Faserbündel in isometrischer Ansicht und in Draufsicht dargestellt. Die einzelnen Fasern sind mit 44 bezeichnet, wobei Anzahl und Durchmesser der Filamente nicht maßstäblich sind.
Die Sprühionisationsquelle 40 wird dabei von einem Halter bzw. einer Fassung 42, gehalten, der auch elektrisch leitend ausgebildet ist und die einzelnen Fasern 44 über eine hier nicht dargestellte Hochspannungsquelle mit dem lonisatorpotential beaufschlagt.
Bei relativ hohen lonisatorpotentialen ab ca. 8 kV, bevorzugt aber ca. 10 kV oder ca. 12 kV oder mehr, treten bei der Verwendung unbeschichteter Graphitfilamente mit der Zeit die eingangs erwähnten Streaming- oder Streamereffekte auf, so dass die Standzeit der Sprühionisationsquellen unbefriedigend ist.
Anhand der Mikroskopaufnahmen in den Figuren 6a und 6b, die Graphitfilamente im Ursprungszustand (Figur 6a) im Vergleich zu durch Streamingeffekte beeinträchtigten Fasern (Figur 6b) zeigen, ist ersichtlich -zu sehen vor allem anhand der untersten Faser in Figur 6b -, dass die ursprünglich "runde" Faserspitze jetzt asymmetrisch ist. Eine derartiges "zugespitztes" Faserende weist nicht mehr die erforderliche mechanische Stabilität auf und neigt zu zur Entstehung von Streaming-Effekten, zumal durch die noch stärkere elektrische Spitzenwirkung die Verschleißintensität wächst.
Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der Erfindung eine metallische Beschichtung der Fasern, bevorzugt mit einer Nickelschicht, oder mit einer Nickellegierungsschicht, vorgeschlagen, wobei im Beispiel der mikroskopischen Darstellungen (gemäß den Figuren 7a und 7b) eine reine Nickelbeschichtung verwendet wurde.
Der entsprechende Vorher-Nachher-Vergleich ist in den Figuren 7a und 7b dargestellt, wobei die entsprechenden Fasern in den Figuren 6a, b und 7a, b vergleichbaren Parametern (Entladungsgeometrie, lonisationsspannung, Standzeit etc.) ausgesetzt wurden. Die in Figur 7b erkennbaren beschichteten Fasern weisen auch nach längerer Standzeit noch eine "runde" Spitzenform auf, so dass sich selbstverstärkende Streamingeffekte ausbleiben.
Die Erfinder vermuten, dass das bessere Standverhalten maßgeblich auf dem in den Figuren 5a, b bzw. 5a, b schematisch illustrierten unterschiedlichen Verschleißverhalten beruht:
Bei dem in den Figuren 4a (vorher) und 4b (nachher) dargestellten unbeschichteten Faserende 44 setzt der Verschleiß durch die Entladungsprozesse an der schwarz markierten oberen Kante ein und führt zu einer "Zuspitzung" der Geometrie, die hier symmetrisch ist, aber in der Praxis wie aus Figur 6b ersichtlich auch asymmetrisch verlaufen kann und zu den erwähnten Streamer-Effekten führt.
Bei einem nickelbeschichteten Faserende 44 gemäß den Figuren 5a (vorher) und Figur 5b (nachher) - die Nickelbeschichtung ist nicht maßstäblich gestrichelt dargestellt mit 46 bezeichnet - wird die stirnendseitige Kante vor einem Verschleiß dagegen geschützt, so dass es insgesamt zu einer gleichmäßigeren Abnutzung ohne "Zuspitzung" kommt, wie in Figur 5b angedeutet. Vor diesem Hintergrund ist eine metallische Beschichtung der Stirnseite der Faser nicht unbedingt erforderlich (diese wäre produktionstechnisch auch recht aufwendig, weil dann die Filamente in konfektionierter Form beschichtet werden müssten), weil es für die Erzielung der erfinderischen Wirkung wesentlich auf den Kantenschutz ankommt.
Ferner ist es denkbar, dass die verschleißschützende Wirkung einer Nickelbeschichtung (oder einer Beschichtung mit einer Nickellegierung) mit der Bildung einer schützenden Oxidschicht auf dem Metall ("Passivierung") zusammenhängt. Die Bildung eines Metalloxides findet gemäß der gängigen Theorien entweder an der inneren (dem Metall zugewandten) oder an der äußeren (der Umgebungsluft zugewandten) Grenzfläche der Oxidschicht statt. Falls die Beweglichkeit der Metallkationen in dem Metalloxid sehr viel größer als die Beweglichkeit der Sauerstoffanionen ist - was im Falle von Nickel bei Raumtemperaturbedingungen und natürlichen Sauerstoffpartialdrücken der Fall ist -, so findet die Oxidation gemäß den Theorien im Wesentlichen an der äußeren Grenzfläche statt.
Unter Wohn- und Innenraumbedingungen stellt sich daher eine stabile, passive und nach außen wachsende Oxidschicht an einer nickelbeschichteten Elektrodenoberfläche ein.
Es wird angenommen, dass diese für den Strom eine dielektrische Barriere (eine Isolation) und einen Schutz vor weiterer Oxidation darstellt.
Für die Erosion von metallbeschichteten Fasern, wie sie bei den vorliegenden Elektroabscheidern verwendet werden, werden zwei wesentliche Mechanismen angenommen:
Zum einen Erosion durch sog. ionen- und elektroneninduziertes Sputtern, also Stoß der Elektronen oder der Ionen mit der Oberfläche, wobei dieser Vorgang aufgrund der erforderlichen Aktivierungsenergien eine deutliche Temperaturabhängigkeit aufweist.
Zum anderen Erosionseffekte durch bei einer Corona-Entladung emittierte reaktive Spezies, wie O+, O2+ oder NO+. Letzterer Effekt weist eine nur geringe Temperaturabhängigkeit auf und ist tendenziell eher von der Generierungsrate der reaktiven Spezies abhängig, also primär vom lonisationsstrom.
Daher lassen sich beide Effekte durch Temperatur- und lonisationsstromvariation experimentell grundsätzlich voneinander differenzieren. Derartige Versuche legen den Schluss nahe, dass die Nickel-Passivierung besonders wirksam die Erosionseffekte durch die einer Corona-Entladung emittierte reaktive Spezies abschwächt oder verhindert.
Ferner haben Versuche die Vermutung nahegelegt, dass bei oxidschichtbildenden Materialien wie Nickel diejenigen Legierungen - beispielsweise Nickel-/Chrom-Le- gierungen - eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit bewirken, deren Oxid- schichten im Anfangsstadium langsam wachsen, schnell passivieren und die eine gute Haftung mit der Metalloberfläche eingehen.
Im Gegensatz zu Nickel bilden Edelmetalle - wie z.B. Platin - bei technisch relevanten Temperaturen nur sehr dünne oder gar keine Oxidschichten und sind daher möglicherweise im Rahmen der Erfindung weniger effektiv als unedle Metalle oder deren Legierungen, die eine passivierende Oxidschicht ausbilden, insbesondere eine nach außen wachsende passivierende Oxidschicht. Dessen ungeachtet können edlere Metalle oder deren Legierungen durchaus auch im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
Ein für die Zwecke der Erfindung einsetzbares Beispiel für eine derartiges beschichtetes Karbonfaserfilament wäre eine Karbonfaser mit einem Filamentdurchmesser von ca. 7 pm, die an den Außenflächen, aber nicht an den Stirnflächen mit einer Nickelbeschichtung in einer Dicke von ca. 0,25 pm beschichtet ist. Diese Beschichtung kann insbesondere mittels chemischer Gasphasenabscheidung erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektroabscheider (10), der von einem von Partikeln zu reinigenden Luftstrom, insbesondere von einem zu reinigenden Raumluftstrom, durchströmt wird, mit: i) einer lonisatoreinheit (26), die ein oder mehrere innerhalb des Luftstroms angeordnete Ionisator-Reihen aufweist, wobei jede Ionisator- Reihe jeweils mindestens eine, mit einem elektrischen lonisatorpo- tential beaufschlagte, näherungsweise punktförmige Sprühionisationsquelle (40) aufweist, wobei wenigstens eine der Sprühionisationsquellen (40) im Wesentlichen aus einem Bündel elektrisch leitfähiger Fasern gebildet ist, und mit ii) einer stromabwärts der lonisatoreinheit angeordneten Kollektoreinheit (12) zur Partikelabscheidung, mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen parallel angeordneten, elektrisch leitfähigen, von dem Luftstrom durchströmten Kollektor- und Treiberplatten (14, 16), die alternierend mit elektrischen Kollektor- bzw. entgegengesetzten Treiberpotentialen beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Fasern der Sprühionisationsquelle (40) wenigstens teilweise mit einer metallischen Beschichtung versehen sind.
2. Elektroabscheider (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der wenigstens teilweisen metallischen Beschichtung der elektrisch leitfähigen Fasern eine typische Standzeit der Sprühionisationsquelle (40) in einem Elektroabscheider, der mit relativ hohen Ionisationsspannungen von > 8 kV betrieben wird, von wenigstens einem Jahr erreicht wird, wohingegen die Sprühionisationsquelle (40) ohne die metallische Beschichtung aufgrund von Streaming-Effekten in einem derartigen Elektroabscheider bereits nach wenigen Wochen Dauerbetrieb verschlissen sein würde.
3. Elektroabscheider (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im Wesentlichen aus Nickel oder aus einer Nickellegierung, insbesondere aus einer Nickel-Chrom-Legierung, vorzugsweise aus einer Nickellegierung mit mehr als 50% Nickelgehalt besteht.
4. Elektroabscheider (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus reinem Nickel besteht, welches vorzugsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf die Fasern aufgebracht ist.
5. Elektroabscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Fasern Carbon- oder Graphitfilamente sind oder als aus derartigen Filamenten gesponnene Fasern ausgebildet sind.
6. Elektroabscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel elektrisch leitender Fasern der Sprühionisationsquelle ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist die elektrisch leitenden Fasern des Faserbündels (40) sind als Graphit- oder Carbonfilamente oder als aus derartigen Filamenten gesponnene Fasern ausgebildet; und/oder die elektrisch leitenden Fasern sind als synthetische Fasern aus einem leitfähigen Polymer oder aus einem Polymer mit leitfähigkeitserhöhenden Zuschlägen ausgebildet; und/oder die einzelnen Fasern weisen einen Faserdicke von jeweils weniger als 20 pm auf; und/oder das Faserbündel (40) besteht aus 16 Einzelfasern oder mehr, bevorzugt bis zu 96.000 Fasern, ganz besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 48.000 Fasern; und/oder die freie Faserlänge zwischen dem Austritt aus einer das Bündel zusammenhaltenden Fassung und dem Stirnende der Fasern liegt für die Mehrzahl der Fasern des Faserbündels (40) jeweils zwischen 2 mm bis 25 mm, bevorzugt jeweils zwischen 5 mm bis 12 mm.
7. Elektroabscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Faserbündels einen Durchmesser von 5 pm bis 20 pm, vorzugsweise zwischen 5 pm und 10 pm, aufweisen und/oder, dass die Metallbeschichtungsdicke zwischen 0,05 pm und 1 ,0 pm, vorzugsweise zwischen 0,2 pm und 0,5 pm, liegt.
8. Elektroabscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Faserbündels im Wesentlichen entlang der Faserumfangsseiten, wenigstens in räumlicher Nähe der freien Stirnenden, metallisch beschichtet sind, wobei die Stirnseiten der freien Stirnenden bevorzugt unbeschichtet sind.
9. Elektroabscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das lonisatorpotential jeweils wenigstens 8 kV, vorzugsweise mehr als 10 kV, und ganz besonders bevorzugt mehr als 12 kV beträgt, und/oder, dass der lonisationsstrom pro Sprühionisationsquelle (40) auf weniger als 100 pA begrenzt wird.
10. Sprühionisationsquelle (40) für einen Elektroabscheider (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühionisationsquelle (40) aus einem Bündel elektrisch leitfähiger Fasern mit einer metallischen Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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Citations (4)

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