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Die
Erfindung betrifft ein Elektrofilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des
Elektrofilters.
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Konventionelle
Kleinfeuerungsanlagen, in der Regel sind dies Anlagen mit bis zu
maximal 70 KW Leistung, entlassen, gemessen am gesamten Rauchemissionsaufkommen,
unverhältnismässig viele
Schadstoffe in die Atmosphäre.
Dazu kommt, dass Kleinfeuerungsanlagen, wenn auch vorschriftswidrig,
des Öfteren
dazu benutzt werden, um Plastik, Karton, Papier und Altholz zu verbrennen.
Dies führt zu
einer zusätzlichen
erheblichen Staubemission. Mit Hilfe eines Elektrofilters, welches
im Abgasrohr einer Feuerungsanlage angeordnet ist, können im
Rauchgas befindlichen Partikel auch mit einem aerodynamischen Durchmesser
von weniger als 10 Mikrometer zurückgehalten und somit die Lufthygiene
verbessert werden.
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Mit
Hilfe des Elektrofilters werden elektrisch geladene feste und flüssige Partikel,
die sich im Rauchgas befinden, in einem vom Elektrofilter erzeugten
elektrischen Feld abgelenkt und zurückgehalten. Die Partikel müssen dazu
zunächst
mit Hilfe einer Elektrode elektrostatisch geladen werden. Anschliessend
werden die unipolar aufgeladenen Partikel in Folge der Wirkung des
elektrostatischen Feldes an Abscheideplatten abgeschieden. Mit Hilfe
eines solchen Elektrofilters lassen sich Staubpartikel und Aerosole
mit Korngrössen
vom 0,01 bis 60 μm
abscheiden.
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Elektrofilter
für Feuerungsanlagen,
welche auch als elektrostatische Partikelfilter bezeichnet werden,
sind für
Feuerungsanlagen aus dem Stand der Technik WO 00/33945 bekannt.
Dort wird ein Elektrofilter für
eine Feuerungsanlage beschrieben, das beispielsweise auf einen Kamin
aufgesetzt werden kann. Das Elektrofilter besteht aus einem Rahmen,
der auf den Kamin aufgesetzt wird, einem Isolator, der vom Rahmeninneren
aus in die Mitte des Rahmens ragt und an dessen Ende eine mit einem Gewicht
versehene Elektrode hängt
und in den Kamin hineinreicht. Wenn die Feuerungsanlage im Betrieb
ist und durch den Kamin mit Partikeln versehenes Rauchgas strömt, wird
mit Hilfe des Elektrofilters dafür
gesorgt, dass die im Rauchgas befindlichen Partikel zurückgehalten
werden. Dazu wird an die Elektrode eine Hochspannung angelegt, was
zur Folge hat, dass die Partikel elektrostatisch aufgeladen werden
und sich am Kamin und am Rahmen niederschlagen. Dies kann jedoch
bei einem längeren
Betrieb des Elektrofilters dazu führen, dass die Partikel, die
sich am Isolator anlagern, aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit
zwischen dem Isolator und dem Rahmen eine elektrisch leitende Brücke bilden
und dadurch die Wirkung des Isolators verschlechtern.
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Aus
der
DE 44 07 152 C1 ist
eine Vorrichtung zur Isolierung elektrostatischer Abscheider bekanntgeworden.
Der Abscheider wird von einem Tragrohr gehalten, welches koaxial
im Innern eines Schutzrohrs verläuft
und einen drehsymmetrischen Körper trägt. Längs des
Tragrohrs wird im Innern des Schutzrohrs Spülluft zum Abscheider geblasen,
die ausserhalb des drehsymmetrischen Körpers beschleunigt wird. Der
Abstand der äussersten
Punkte des Körpers
zur Innenwand des Schutzrohrs liegt dabei in einem bestimmten Verhältnis zum
Innenradius des Schutzrohres. Der drehsymmetrische Körper ist auch
von der Mündung
des Schutzrohres zurückversetzt.
Die Mündung
des Schutzrohres weist einen gebördelten
Rand auf, das heisst einen nach aussen gekrümmten Rand. Versuche zeigten,
dass bei einem einzigen Strömungskörper, der
gegenüber
der Mündung
zurückversetzt
ist, eine Beschlagung der Vorderseite nicht vermeidbar ist. Durch
eine Partikelbeschlagung aber sinkt die Effizienz des Filters rasch und
es drohen elektrische Durchschläge.
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Ausgehend
von dem obigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Elektrofilter vorzuschlagen, der wartungsarm ist,
störungsfrei
und zuverlässig
arbeitet und bei dem verhindert wird, dass sich im Rauchgas befindliche
Partikel an der Elektrodenhalterung des Elektrofilters ablagern
und die Wirkung des Elektrodenisolators beeinträchtigen, sowie ein Verfahren
zum Betreiben eines solchen Elektrofilter anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Elektrofilter nach Anspruch 1 sowie durch
ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen
Merkmalen.
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Der
erfindungsgemässe
Elektrofilter für
eine Feuerungsanlage weist eine Filterelektrode, eine Elektrodenhalterung, über welche
die Filterelektrode in einem Abgasrohr der Feuerungsanlage gehalten wird
und mit Spannung versorgbar ist, und einen Isolator auf, der die
Elektrodenhalterung umgibt. Zudem sind bei dem Elektrofilter ein
Teller, der am Isolator angeordnet ist, und eine Spülluftöffnung vorgesehen, über die
Spülluft
in Richtung des Tellers geführt
werden kann.
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Bei
dem erfindungsgemässen
Verfahren zum Betreiben des Elektrofilters für eine Feuerungsanlage wird über die
Spülluftöffnung Spülluft entlang dem
Isolator in Richtung des Tellers geblasen.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Elektrofilters ist ein weiterer Teller vorgesehen, der am Isolator
angebracht ist. Dadurch lässt sich
die Störanfälligkeit
des Elektrofilters weiter reduzieren, indem die Zahl der Partikel,
die in den kritischen Bereich gelangen können, weiter reduziert wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Elektrofilters ist vorgesehen, dass der Durchmesser des einen Tellers
grösser
als der Durchmesser des anderen Tellers ist, wobei der Teller mit
dem grösseren
Durchmesser sich näher
am Abgasrohr befindet, als der andere Teller. Dadurch lässt sich
die Zahl der Partikel, die vom Abgasrohr kommend in den kritischen
Bereich strömen,
erheblich reduzieren.
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Der
Teller kann als separates Bauteil ausgeführt sein oder zusammen mit
dem Isolator ein Formteil bilden. Bei Ausbildung als separates Bauteil
kann der Teller aus Metall gefertigt sein, was den Vorteil einer
einfachen Herstellbarkeit und höherer
Hitzebeständigkeit
bietet.
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Vorteilhafter
Weise ist bei dem erfindungsgemässen
Elektrofilter ein Gehäuse
vorgesehen, das den Isolator und den Teller umgibt und das sich
zum Spülluftauslass
hin verjüngt.
Auf diese Weise lässt sich
die Hauptströmungsrichtung
der Spülluft
vorgeben.
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Darüber hinaus
kann der erfindungsgemässe
Elektrofilter so ausgebildet sein, dass zwischen dem Teller und
dem Gehäuse
ein Luftspalt vorgesehen ist, der so dimensioniert ist, dass er
grösser
als die durch die Spannung bedingte Durchschlagstrecke ist. Dadurch
wird sichergestellt, dass zwischen dem Teller und dem Gehäuse kein
nennenswerter Spannungsabfall entsteht.
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Darüber hinaus
kann der erfindungsgemässe
Elektrofilter auch mit einer Ringelektrode versehen sein, die in
einigem Abstand um den Isolator herum angeordnet ist, um mittels
elektrostatischer Kräfte
das Eindringen von Partikeln in den kritischen Bereich weiter zu
reduzieren.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ferner vorgeschlagen, mit Hilfe eines Ionisators
die Spülluft
elektrostatisch gleichartig wie die Partikel im Rauchgas aufzuladen.
Somit wird durch die Spülluft
eine Ladungswolke um den Iso lator herum erzeugt, die eine elektrostatische
Abstossung der Rauchgaspartikel bewirkt und somit zur Reinhaltung
des Isolators beiträgt.
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Der
erfindungsgemässe
Elektrofilter kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung im
Isolator Spülluftauslässe aufweisen,
die über
einen im Isolator angeordneten Spülluftkanal mit Spülluft versorgbar
sind.
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Bei
einer Weiterbildung des erfindungsgemässen Elektrofilters sind die
Spülluftauslässe sternförmig auf
der Längsseite
des Isolators angeordnet. Dadurch kann die Partikelablagerung rund
um den Isolator verringert werden.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann beim Elektrofilter
der Teller ins Abgasrohr hineinragen, wodurch sich größere Abstände zwischen
dem Teller oder den Tellern einerseits und dem Gehäuse beziehungsweise
dem Abgasrohr andererseits erzielen lassen, um die Sicherheit vor
elektrischen Durchschlägen
zu erhöhen.
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Des
Weiteren besteht die Möglichkeit,
den Elektrofilter mit einem Mittel zum Aufheizen der Spülluft auszustatten.
Durch das Aufheizen der Spülluft wird
erreicht, dass sich im Abgasrohr, insbesondere rohrabwärts, keine
unerwünschten
Luftströmungen ausbilden
können.
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Schliesslich
kann der erfindungsgemässe Elektrofilter
auch mit einem Mittel zur Erzeugung eines Spülluftstroms ausgestattet sein.
Das Mittel zur Erzeugung des Spülluftstroms
kann beispielsweise ein Ventilator oder ein Gebläse sein. Alternativ oder auch
zusätzlich
dazu kann ein im Absaugrohr herrschender Unterdruck benutzt werden,
um Luft aus der Umgebung anzusaugen und sie als Spülluft am Isolator
und an den Tellern vorbei strömen
zu lassen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird
im Folgenden näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erste mögliche
Ausführungsform des
erfindungsgemässen
Elektrofilters im Querschnitt,
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2 eine
zweite mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Elektrofilters im Querschnitt, und
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3 das
erfindungsgemässe
Elektrofilter in einer Schnittansicht entlang des Schnitts A-A.
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Der
erfindungsgemässe
Elektrofilter ist grundsätzlich
für sämtliche
Feuerungsanlagen geeignet. Vorzugsweise findet es jedoch Anwendung
in Kleinfeuerungsanlagen. Der Elektrofilter wird dazu in den Abgaskanal,
also das Absaugrohr oder den Kamin der Feuerungsanlage, eingebaut.
Damit sich die elektrostatisch geladenen Rauchgaspartikel am Rauchgaskanal
abscheiden, wird dieser in dem Bereich, in dem sich die Partikel
abscheiden sollen, leitfähig
ausgebildet, indem das die Filterelektrode umgebende Rohrstück beispielsweise
aus Stahlblech, Chromstahl oder Aluminium ausgebildet wird oder ein
solches Blech oder Lochblech oder Drahtgitter in den Abgaskanal
eingesetzt wird.
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Bei
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform des Elektrofilters
für eine
Feuerungsanlage ist im Rauchgaskanal oder Abgaskanal 1 eine
Filterelektrode 8, welche auch als Sprühelektrode bezeichnet wird,
vorzugsweise parallel zum Rauchgasstrom RG angeordnet. Die Filterelektrode 8 wird
mit Hilfe einer Elektrodenhalterung 7 im Rauchgaskanal 1 gehalten
und mit einer Hochspannung versorgt. Die Elektrodenhalterung 7 ist
dazu über
eine elektrische Verbindung 9, welche beispielsweise als
Steckverbindung ausgebildet sein kann, mit einem Hochspannungskabel 10,
welches zu einem in 1 nicht gezeigten Hochspannungsgenerator
führt,
verbunden. Den Gegenpol zur Sprühelektrode 8 bildet
das Gehäuse 2 des
Elektrofilters in Verbindung mit dem metallisch ausgebildeten Bereich
des Rauchgaskanals 1. Das Gehäuse 2 ist zu diesem
Zweck über
die Erdungsleitung 13 mit Masse verbunden. Die elektrische
und mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse 2 und dem elektrisch
leitenden Bereich des Rauchgaskanals 1 wird über Schraubverbindungen 3 bewerkstelligt.
Um zu verhindern, dass es einen Kurzschluss zwischen der Elektrodenhalterung 7 und dem
Gehäuse 2 des
Elektrofilters gibt, ist die Elektrodenhalterung 7 von
einem Isolator 5 umgeben. Dabei ist es nicht erforderlich,
dass der Isolator 5 sich über die gesamte Länge des
Elektrodenhalters 7 erstreckt. Um die Filterelektrode 8,
die Elektrodenhalterung 7 und den Isolator 5 zu
befestigen, wird der Isolator 5 in eine vorzugsweise aus
Metall ausgebildete Hülse 17 geschoben,
welche mit Hilfe von Haltestegen 18 (siehe 3)
an einer zylinderförmigen
Halterung 4.1 befestigt ist. Die zylinderförmige Halterung 4.1 ist
Teil eines kegelförmigen
Gehäuseabschnitts 4, welcher
wiederum Bestandteil des Gehäuses 2 ist. Das
Gehäuse 2 kann
vorzugsweise aus Metall hergestellt werden. An jenem dem Rauchgaskanal 1 zugewandten
Ende des Isolators 5 sind ein erster Teller 6.1 und
ein zweiter Teller 6.2 befestigt. Der Isolator 5 ist
zusammen mit der Hülse 17 derart
mit der zylinderförmigen
Halterung 4.1 verbunden, dass zwischen der Halterung 4.1 und
der Hülse 17 ein Luftspalt 16 entsteht,
durch welchen Spülluft
SL strömen
kann. Der Luftspalt 16 wird im Folgenden auch als Spülluftauslass
oder Spülluftöffnung bezeichnet.
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Der
vordere Bereich 19.1 und hintere Bereich 19.2 im
Inneren des kegelförmigen
Gehäuseabschnitts 4 werden
vor einer übermässigen Abscheidung
von Partikeln geschützt,
indem dafür
gesorgt wird, dass die Spülluft
SL durch den Spülluftauslass 16 in
Richtung Abgaskanal 1 geblasen wird. Dabei sorgen die an
den beiden Tellern 6.1 und 6.2 entstehenden Luftwirbel
dafür,
dass die im Rauchgas RG befindlichen Partikel, wenn überhaupt,
dann nur zu einem sehr geringen Mass in den hinteren Bereich 19.2 eindringen
können.
Die beiden Teller 6.1 und 6.2 bilden zusammen
mit dem Spülluftstrom
eine zweistufige Partikelsperre. Der Luftspalt x zwischen dem Teller 6.1 bzw. 6.2 und
dem kegelförmigen
Gehäuseabschnitt 4 wird
dabei so gewählt,
dass sich ein möglichst
kleines Spaltmass ergibt, um in diesem Bereich eine möglichst
hohe Strömungsgeschwindigkeit
für die
Spülluft
SL zu erreichen. Andererseits wird bei der Dimensionierung des Luftspalts
x jedoch auch darauf geachtet, dass zwischen dem Teller 6.1 bzw. dem
Teller 6.2 und dem kegelförmigen Bereich des Gehäuses 4 kein
Spannungsdurchbruch entsteht. Die Positionen des ersten Tellers 6.1 und
des zweiten Tellers 6.2 ergeben sich aus den technischen
Randbedingungen. Gegebenenfalls kann der Teller 6.1 auch
in den Rauchgaskanal 1 hineinragen.
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Die
Anzahl der erforderlichen Teller ist ebenfalls von den technischen
Rahmenbedingungen abhängig.
So kann es unter Umständen
auch ausreichen, auf dem Isolator 5 le diglich einen Teller
vorzusehen. Vorzugsweise ist der erste Teller 6.1 aus Metall,
weil Metall sowohl robust als auch hitzebeständig ist. Wahlweise können auch
beide Teller 6.1 und 6.2 sowie gegebenenfalls
weitere Teller aus Metall gefertigt sein.
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Die
Spülluft
SL kann entweder von einem Ventilator oder Gebläse 21 erzeugt werden.
Alternativ dazu kann der Spülluftstrom
jedoch auch dadurch erzeugt werden, dass ein im Rauchgaskanal 1 vorhandener
Unterdruck ausgenutzt wird, um die Spülluft SL aus der Umgebung durch
den Spüllufteinlass 25,
das Rohr 15 und den Spülluftauslass 16 vorbei
an den beiden Tellern 6.2 und 6.1 in den Rauchgaskanal 1 zu
saugen. Falls erforderlich, kann der Spülluftstrom mit Hilfe des Gebläses oder
des Ventilators 21 zusätzlich
verstärkt
werden. Falls gewünscht,
kann die Spülluft
SL zusätzlich
mit Hilfe eines Ionisators 22 ionisiert werden, um durch
elektrostatische Abstossung Partikel vom Isolator fern zu halten.
Durch eine entsprechende bauliche Gestaltung kann auch die Steckverbindung 9 als
Ionisator fungieren. Die Steckverbindung kann dazu beispielsweise
Spitzen, Kanten und Grate aufweisen, um eine lokale Korona zu erzeugen.
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Schliesslich
besteht auch die Möglichkeit, mit
Hilfe eines Heizelements 23 die Spülluft SL auf eine gewünschte Temperatur
vorzuheizen, so dass die Spülluft
SL im Rauchgaskanal 1 nicht zu einer unerwünschten
Luftströmung
führt,
die der Rauchgasströmung
RG entgegenwirkt.
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Der
in 1 gezeigte Elektrofilter kann zudem mit einem
Temperaturfühler 11 ausgestattet sein.
Das vom Temperaturfühler 11 erzeugte
Temperaturmesssignal kann am Ende der Leitung 12 abgegriffen
und einer in 1 nicht gezeigten Steuerung zugeführt werden, über welche
dann der Ventilator 21 und die Hochspannungsquelle für die Erzeugung
der Hochspannung gesteuert werden.
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In 2 ist
eine alternative Ausführungsform des
erfindungsgemässen
Elektrofilters dargestellt. Die in 2 gezeigte
Ausführungsform
unterscheidet sich von der in 1 gezeigten
Ausführungsform dadurch,
dass am Isolator 5 keine Teller mehr vorgesehen sind, sondern
statt dessen der Isolator 5 von einer Ringelektrode 20 umgeben
ist, die über
die Leitung 24 mit Spannung versorgt wird und dafür sorgt, dass
die im Rauchgas RG befindlichen Partikel nicht in die Bereiche 19.1 und 19.2 eindringen
können.
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Falls
erforderlich, können
die beiden in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsformen
auch kombiniert werden. So ist es beispielsweise denkbar, auf dem
Isolator 5 nur einen Teller 6.1 und zusätzlich die
Ringelektrode 20 oder auch auf dem Isolator 5 zwei
Teller und zusätzlich
die Ringelektrode 20 zu verwenden.
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In 3 ist
das Elektrofilter im Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A gezeigt.
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Falls
es erforderlich ist, kann die rückwärtige Seite
des Gehäuses 2 über ein
Reduzierstück 14 mit einem
flexiblen Schlauch oder Rohr 15 verbunden werden. Je nach
Anwendungsfall kann über
das Rohr 15 dann die Spülluft
SL angesaugt oder/und zusätzlich über den
Ventilator 21 eingeblasen werden.
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Zusätzlich oder
auch alternativ zu den beschriebenen Ausführungsformen kann bei dem erfindungsgemässen Elektrofilter
vorgesehen sein, dass der Isolator 5 im Inneren einen oder
mehrere Luftkanäle
aufweist, die in mehreren Luftauslässen enden, was jedoch in den 1 bis 3 nicht
gezeigt ist. Über
die vorzugsweise auf der Längsseite
des Isolators sternförmig
angeordneten Luftauslässe
strömt die
Spülluft
SL aus und sorgt so dafür,
dass der Isolator rundum im Wesentlichen frei von im Rauchgas befindlichen
Partikeln bleibt.
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Als
Hochspannungsgenerator kann beispielsweise ein Hochspannungstransformator
mit nachgeschaltetem Gleichrichter verwendet werden. Typischerweise
weist der Hochspannungstransformator eine Leistung zwischen 20 und
200 VA auf und kann mit 220 V/50 Hz oder auch mit 110 V/60 Hz Wechselstrom
betrieben werden. Die Aufladung der Sprühelektrode 8 kann
wahlweise negativ oder positiv gegenüber dem Bezugspotential Masse
erfolgen.
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Die
Abreinigung des Kollektors, also des Abgaskanals 1, kann
nach Ausbau des Elektrofilters beispielsweise von Hand unter Zuhilfenahme
von Wasser oder speziellen Reinigungsmitteln erfolgen. Im üblichen
Betrieb einer Kleinfeuerungsanlage als Hauptwärmeerzeuger hat sich als Reinigungszyklus ein
Zyklus von ein bis zwei Monaten als vorteilhaft erwiesen. Bei sporadischem
Betrieb der Feuerungsanlage ergeben sich entsprechend längere Reinigungszyklen.
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Die
vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäss der vorliegenden
Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke
der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und
Modifikationen möglich,
ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
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- 1
- Absaugrohr
- 2
- Filtergehäuse
- 3
- Schraubverbindung
- 4
- Konus
- 4.1
- zylinderförmige Halterung
- 5
- Isolator
- 6.1
- erster
Teller
- 6.2
- zweiter
Teller
- 7
- Elektrodenhalter
- 8
- Elektrode
- 9
- elektrische
Verbindung
- 10
- Hochspannungskabel
- 11
- Temperaturfühler
- 12
- Messkabel
- 13
- Erdungsleitung
- 14
- Reduzierstück
- 15
- flexibles
Rohr
- 16
- Spülluftauslass
- 17
- Hülse
- 18
- Haltesteg
- 19.1
- vorderer
Trichterbereich
- 19.2
- hinterer
Trichterbereich
- 20
- Ringelektrode
- 21
- Ventilator
- 22
- Ionisator
- 23
- Heizelement
- 24
- Kabel
- 25
- Spülluftanschluss/Spüllufteinlass
- RG
- Rauchgas
- SL
- Spülluft
- x
- Abstand/Luftspalt