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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes
eines mit elektrischer Energie betriebenen, elektrostatischen Abscheiders nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung einen
elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.
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Aufgrund
der Emissionen von Heizungsanlagen und globaler Bemühungen,
derartige Emissionen zu reduzieren – siehe zum Beispiel das Kyoto-Abkommen – werden
bei Heizungsanlagen entsprechende Abgasreinigungsanlagen verwendet. Diese
sollen insbesondere die schädlichen
Stoffe und Partikel aus Abgasen herausfiltern, so dass das verbleibende,
gereinigte Abgas bedenkenlos an die Umwelt abgegeben werden kann.
Insbesondere werden derartige Abgasreinigungsanlagen bei Biomasse-Heizanlagen
eingesetzt, bei denen neben ansonsten ökonomischen und ökologischen
Vorteilen eine erhöhte
Emission an Schadstoffen in den Abgasen auftreten kann. Gerade die
relativ hohe Emission an Feinstaub als ein Schadstoffanteil ist
bei Biomasse-Heizungsanlagen ein Problem.
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Aus
der
EP 1 193 445 A2 ist
eine Abgasreinigungsanlage bekannt, welche für Biomasse-Heizungsanlagen zur Verringerung von
Feinstaubemission verwendet wird. Die dort beschriebene Vorrichtung
ist in einen Rauchgaskanal einbaubar und weist hierzu einen Deckel
auf, der gasdicht auf eine zugehörige Öffnung an
einem Rauchgaskanal aufsetzbar ist. An der Innenseite des Deckels
ist über
eine isolierende Halterung eine Sprühelektrode, zum Beispiel in
Form eines gespannten Stabes, gehalten. Ein Hochspannungstransformator
mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen
dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit dem Ofenrohr
verbunden ist, so dass dieses als Kollektorelektrode wirkt.
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Ein
derartiger Elektrofilter mit Sprühelektrode
und Kollektorelektrode ist auch als elektrostatischer Abscheider
bekannt. Dieser wird zur Abgasreinigung in einer Abgasleitung einer
Heizungsanlage eingesetzt. Dabei wird durch die Sprühelektrode, welche
etwa mittig durch die Abgasleitung verläuft und deshalb auch als Mittelelektrode
bezeichnet wird, und eine umgebende Mantelfläche der Abgasleitung ein Kondensator
gebildet, der bei einer zylinderrohrförmigen Ausbildung der Abgasleitung
auch als Zylinderkondensator bezeichnet wird. Die Sprüh- oder
Mittelelektrode weist in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt in Strömungsrichtung
des Abgases auf, wobei der Durchmesser des Querschnitts oder auch
der Krümmungsradius
im Allgemeinen relativ klein ausgebildet ist (zum Beispiel kleiner
als 0,4 mm). Um nun die Schadstoffe, genauer die nicht an die Umwelt
abzugebenden Partikel, des Abgases aus dem Abgasstrom abzuscheiden,
wird durch die Mittelelektrode und die durch die Mantelfläche gebildete
Kollektorelektrode ein quer zur Strömungsrichtung verlaufendes
Feld mit Feldlinien von der Mittelelektrode zur Kollektorelektrode
gebildet. Hierzu wird an die Mittelelektrode eine Hochspannung angelegt, zum
Beispiel in dem Bereich von 15 kV. Dadurch bildet sich eine Corona-Entladung
aus, durch welche die in dem Abgas durch das Feld strömenden Partikel unipolar
aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die Partikel
durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung,
welche als Kollektorelektrode dient.
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Genauer
ist die Funktionsweise von elektrostatischen Abscheidern Folgende:
In
einem elektrostatischen Abscheider werden durch lokale Gasentladungen
(Coronaentladungen an einer Sprühelektrode)
freie Ladungsträger
in Form von Ionen in einen Filterbereich um den elektrostatischen Abscheider
eingebracht. Treffen die Ionen auf die sich im Rauchgas befindenden
Ruß- oder
Aschepartikel, so werden die Ladungen auf die Partikel übertragen
(unipolare Aufladung). Das zur Ladungsträgererzeugung dienende elektrische
Feld treibt die geladenen Partikel dann von der Elektrode, welche
auch als Sprühelektrode
bezeichnet wird, weg. Ein Großteil
der Partikel lagert sich schließlich
auf der Niederschlagselektrode (hier Rohr- oder Kaminwand) an und
bleibt dort haften. Von dort können
die Partikel durch spezielle Abreinigungseinrichtungen entfernt werden.
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Über einen
Zeitraum von mehreren Betriebsstunden hinweg baut sich eine Partikelschicht
auf der Sprühelektrode
des Abscheiders auf. Die anwachsende Partikelschicht bewirkt eine
Verkleinerung der aktiven Oberfläche
der Sprühelektrode,
was die Bildung der zur Partikelabscheidung notwendigen Anzahl an
Ionen verringert. Gründe
für die
Verschmutzung der Sprühelektrode
sind im Folgenden beispielhaft für
eine negative Coronaentladung beschrieben:
Das Dokument
WO 2006/000114 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Überwachung
des Zustandes der Sprühelektrode.
Hierzu wird die Sprühelektrode
während
des Filterbetriebs in mechanische Schwingungen versetzt und dabei
der Wechselstromanteil des Betriebsstromes der Sprühelektrode
erfasst. Eine zu hohe Frequenz des Wechselstromanteils deutet auf eine
Verkürzung
(Verschleiß,
Bruch) der Elektrode, eine zu niedrige Frequenz deutet auf eine
Verschmutzung der Elektrode durch Ablagerungen hin. Letzteres Phänomen erklärt sich
aus der Verringerung der mechanischen Eigenfrequenz der Elektrode bei
zunehmender, an der Elektrode anhaftender Partikelmasse. Es handelt
sich also um die Ausnutzung eines mechanischen Effekts. Bei Erkennen
einer verschmutzten Sprühelektrode
wird ein Wartungsbedarf signalisiert oder ein Reinigungsvorgang
ausgelöst.
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Das
Dokument
DD 207 339 A beschreibt eine
Regeleinrichtung für
einen Gleichspannungs-Hochspannungserzeuger zur Speisung elektrostatischer
Abscheider und ein Verfahren zum Betrieb elektrostatischer Abscheider,
welche knapp unter dem Schwellwert eines elektrischen Überschlags betrieben
werden. Hierbei wird eine bestimmte Anzahl von Hochspannungsüberschlägen zwischen Aufladeelektrode
und Auffangelektrode pro Zeiteinheit akzeptiert. Die Patentschrift
beschreibt ein Verfahren bzw. eine elektronische Schaltung, welche den
elektrischen Energieverbrauch dieser Betriebsweise minimiert.
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Das
Dokument
SE 2000-662
A beschreibt ein Verfahren zum gepulsten Betrieb eines
elektrostatischen Abscheiders. Während
eines Strompulses werden die entsprechenden Werte der Anstiegs- bzw.
Abstiegsflanken der Spannung gemessen und registriert. Ein interner
Algorithmus berechnet dann aus diesen Werten sowie der Zeitdauer
des Strompulses die optimalen Parameter (treibende Spannung, Frequenz)
für den
folgenden Strompuls.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen elektrostatischen
Abscheider zu schaffen, mit welchem der Zustand des elektrostatischen
Abscheiders erfasst wird. Genauer ist es eine Aufgabe der Erfindung,
eine Verschmutzung der Mittelelektrode zu erfassen und diese anzuzeigen,
um ggf. erforderliche Schritte zur Wartung des elektrostatischen
Abscheiders einzuleiten.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und
durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das
Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines mit elektrischer
Energie betriebenen, elektrostatischen Abscheiders mit mindestens
einer Elektrode zum Abscheiden von Abgaspartikeln in der Umgebung
der Elektrode, insbesondere für
einen elektrostatischen Abscheider in einer Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage,
umfassend die Schritte: Zuführen
einer, Menge elektrischer Energie zu der Elektrode über eine
Betriebsdauer des Abscheiders, um eine vorgebbare Coronaentladung
zu erzeugen, und Verbrauchen zumindest eines Teils der Menge der
elektrischen Energie für
die Coronaentladung an der Elektrode zum Aufladen der Abgaspartikel,
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte umfasst sind: Erfassen
der zugeführten
und/oder verbrauchten Menge an Energie während zumindest zweier Zeitpunkte
der Betriebsdauer, Bestimmen einer Veränderung der erfassten Menge
an Energie und Erzeugen eines Signals anhand der bestimmten Veränderung,
welches den Zustand des elektrostatischen Abscheiders repräsentiert.
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Ein
Zustand kann eine Abscheideeffizienz des elektrostatischen Abscheiders
sein. Die Abscheideeffizienz ist von einem Coronastrom abhängig. Dieser
wiederum hängt
von einer angelegten Hochspannung und von einem Verschmutzungsgrad
der Elektrode ab. Dies bedeutet, dass die zur Erzeugung der notwendigen
Coronaentladung benötigte
Hochspannung mit wachsender Partikelschicht auf der Elektrode zunimmt.
Dieser Effekt kann mittels einer charakteristischen Strom-/Spannungskennlinie
des Abscheiders beispielsweise an der Hochspannungsversorgung gemessen
werden. Die entsprechende Kennlinie verschiebt sich mit zunehmender
Betriebsdauer bzw. wachsender Partikelschicht auf der Sprühelektrode
in Richtung höherer
Betriebsspannungen. Dieser Effekt wird als Degradation der Strom-/Spannungskennlinie
bezeichnet. Erfindungsgemäß wird dieser
Effekt genutzt, um über
die Hochspannungsversorgung den Verschmutzungsgrad der Sprühelektrode
zu bestimmen. Da die Betriebsspannung maximal bis zu einer Durchschlagsspannung des
elektrostatischen Abscheiders erhöht werden kann, muss eine übermäßige Verschmutzung
der Sprühelektrode
vermieden werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Erfassen der zugeführten Menge an Energie den
Schritt umfasst: Erfassen einer zugeführten Strommenge. Alternativ
ist in einem anderen Ausführungsbeispiel
vorgesehen, dass das Erfassen der zugeführten Menge an Energie den
Schritt umfasst: Erfassen einer zugeführten Spannungsmenge. In noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
ist eine Kombination der beiden Schritte vorgesehen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass der Schritt Erzeugen die Schritte umfasst: Erfassen
einer zugeführten
Ausgangsmenge an Energie in einem Ausgangszustand der Elektrode,
Erfassen einer zugeführten
Istmenge an Energie, Erfassen einer maximal zuführbaren Menge an Energie, Vergleichen
der zugeführten
Istmenge an Energie mit der zugeführten Ausgangsmenge an Energie,
der zuvor erfassten Istmenge an Energie und/oder der maximal zuführbaren
Menge an Energie und Berechnen eines Signals, welches als Ergebnis
des Vergleichens den Wirkungsgrad des elektrostatischen Abscheiders
repräsentiert.
Der Vorgang Erfassen schließt
das Vorgeben, Voreinstellen, manuelles Eingeben und dergleichen
ein.
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Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
sieht vor, dass der Schritt Erzeugen eines Signals weiter die Schritte
umfasst: Simulieren eines Betriebs des elektrostatischen Abscheiders
und Erzeugen eines Signals anhand des simulierten Betriebs. Das
Simulieren erfolgt dabei bevorzugt modellbasiert.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass der Schritt Erzeugen eines Signals den Schritt
umfasst: Erzeugen mindestens eines Signals, welches einen Zustand
des elektrostatischen Abscheiders repräsentiert, ausgewählt aus
der Gruppe der Zustände
Wirkungsgrad, Energieverbrauch, Verschmutzungsgrad, Wartungszeitpunkt,
Reinigungszeitpunkt und dergleichen des Abscheiders.
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Eine
andere Ausführungsform
sieht vor, dass der Schritt Erzeugen eine Wiedergabe, eine Weitergabe
und oder eine Weiterverarbeitung des erzeugten Signals umfasst.
Die Wiedergabe kann zum Beispiel auf einem Display optisch, oder
auch akustisch erfolgen. Die Weitergabe kann an zum Beispiel eine Leitstelle
erfolgen. Für
eine automatische Regelung kann das Signal in einem Regler weiterverarbeitet werden.
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Der
elektrostatische Abscheider ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser
Mittel zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
aufweist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass bei einem Elektrostatischer
Abscheider mit einem Strömungskanal
mit einer Kanalwandung und einem Kanalinneren, durch welchen ein
partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, einer
sich in dem Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden
Elektrode zur Erzeugung einer Coronaentladung in dem Strömungskanal
und einer Elektrodenzuführung,
um die Elektrode mit elektrischer Energie zu speisen, weiter mindestens
ein Sensor zur Erfassung einer zugeführten Menge an Energie und
ein Signalgenerator zum Erzeugen eines Signals anhand einer Veränderung
der zugeführten
Menge an Energie, welches den Zustand des elektrostatischen Abscheiders
repräsentiert,
vorgesehen sind. Der Sensor kann dabei als Teil der Hochspannungsversorgung
und/oder der Elektrodenzuführung
gestaltet sein.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Elektrodenzuführung mit
einem Isolator zumindest teilweise ummantelt ist, wobei weiter mindestens
ein Partikelabweisemittel umfasst ist, welches verhindert, dass
sich Partikel des Abgases an dem Isolator und/oder der Elektrode
ablagern.
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In
dem Strömungskanal
ist durch die mit Hochspannung gespeiste Elektrode und die als Gegenelektrode
fungierende Kanalwandung ein elektrisches Feld in dem Kanalinneren
erzeugt, wobei die Feldlinien quer zur Strömungsrichtung des Abgases verlaufen, bevorzugt
rechtwinklig zu der Elektrode. Quer zu der Elektrode ist eine Elektrodenzuführung vorgesehen,
welche die Elektrode mit Hochspannung von einer externen Spannungsquelle
versorgt. Damit keine Entladung der Elektrode über die Elektrodenzuführung erfolgt,
ist diese mit einem Isolator zumindest teilweise ummantelt. Der
Isolator ist bevorzugt aus einem isolierenden Material umfassend Keramik
und dergleichen gebildet.
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Das
Verfahren und/oder der elektrostatische Abscheider können in
einem Heizungssystem angewendet werden. Das entsprechende Heizungssystem
ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Energie mittels
Verbrennen von einem Energieträger
wie Biomasse mit einer Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie
eine Biomasse-Heizungsanlage
zum Verbrennen des Energieträgers,
wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, ein erfindungsgemäßer elektrostatischer
Abscheider vorgesehen ist bzw. das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren,
dem erfindungsgemäßen elektrostatischen
Abscheider und dem erfindungsgemäßen Heizungssystem
werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Innerhalb
bestimmter Zeitintervalle muss der elektrostatische Abscheider gereinigt
werden, da die Sprühelektrode
mit Partikeln zugesetzt und die Abscheideeffizienz damit herabgesetzt
wird. Durch die Erfindung ist es möglich, den Betreiber immer über den momentanen
Funktionszustand des elektrostatischen Abscheiders zu informieren.
So können
rechtzeitig geeignete Schritte eingeleitet werden. Dadurch wird
eine optimale Staubabscheidung aus dem Rauchgas der Biomasse-Heizanlage
gewährleistet. Der
Betreiber erhält
ohne eine aufwendige Kontrolle der Abscheideeffizienz (Partikelmessungen)
Informationen über
den optimalen Reinigungszeitpunkt des Abscheiders.
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Die
Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung sowie den Zusammenhang von Coronastrom und Hochspannung
bzw. Coronaspannung und Filtereffizienz dar und zeigen in mehreren Figuren:
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1 schematisch
einen elektrostatischen Abscheider in einem Querschnitt,
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2 schematisch
ein Funktionsdiagramm von Coronastrom und Hochspannung und
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3 schematisch
ein Funktionsdiagramm von Coronastrom und Filtereffizienz.
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1 zeigt
schematisch einen elektrostatischen Abscheider 1 in einem
Querschnitt. Der elektrostatische Abscheider 1 ist in einer
Abgasleitung 2 (nur teilweise dargestellt) einer hier nicht
dargestellten Abgasreinigungsanlage angeordnet und umfasst: einen
Strömungskanal 3.
Der Strömungskanal 3 ist als
rohrförmiger
Abschnitt der Abgasleitung 2 ausgebildet und umfasst eine
Kanalwandung 4 und ein Kanalinneres 5. Durch den
Strömungskanal 3 strömt ein hier
durch Pfeile P dargestelltes, partikelbeinhaltendes Abgas in die
ebenfalls durch die Pfeile P dargestellte Strömungsrichtung. Im Inneren des
Strömungskanals 3 erstreckt
sich in Strömungsrichtung
P eine Elektrode 6, die auch als Mittelelektrode oder Coronaelektrode
bezeichnet wird. Der Strömungskanal 3 ist
bevorzugt im Querschnitt in Strömungsrichtung
P rotationssymmetrisch ausgebildet um eine Mittelachse A. Die Elektrode 6 erstreckt
sich entlang dieser Mittelachse A. Gespeist wird die Elektrode 6 über eine
Elektrodenzuführung 7,
welche mit einem Isolator 8, der bevorzugt aus einer Keramik
gefertigt ist, ummantelt ist. Zusammen mit der Kanalwandung 4 bildet
die Elektrode 6 eine Aufladeeinheit, in welcher Partikel
elektrisch aufgeladen werden können. Hierzu
bildet die Elektrode 6 mit der Kanalwandung 4 unter
Anlegen einer Hochspannung ein elektrisches Feld aus, dessen Feldlinien
im Wesentlichen radial zu der Elektrode 6 bzw. der Kanalwandung 4 verlaufen,
im Wesentlichen quer, genauer rechtwinklig, zur Strömungsrichtung
P. An der Elektrode 6 haftet eine Partikelschicht S an,
welche das Erzeugen des elektrischen Feldes bzw. der Corona-Entladung beeinträchtigt.
Je größer die
Partikelschicht S ist, desto mehr wird die Erzeugung des elektrischen
Feldes bzw. der Corona-Entladung beeinträchtigt. D. h. zur Erzeugung
eines ausreichenden, vorbestimmten elektrischen Feldes wird eine
größere Menge
an Energie benötigt.
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Die
Menge an Energie, die zur Speisung der Elektrode 6 erforderlich
ist, wird über
einen Sensor 9 erfasst. Der Sensor 9 kann zum
Beispiel die Strommenge, die Spannungsmenge und dergleichen erfassen.
Weiter weist der dargestellte elektrostatische Abscheider 1 einen
Signalgenerator 10 auf, der anhand der Veränderung
der erfassten Menge an Energie ein Signal erstellt, welches den
Zustand des elektrostatischen Abscheiders 1, genauer der
Elektrode 6 repräsentiert.
Dieses Signal kann über
Anzeigemittel 11 ausgegeben werden. Die Anzeigemittel 11 können zum
Beispiel als LEDs ausgebildet sein.
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Während der
Verbrennung eines Energieträgers
bewirken die hohen Verbrennungstemperaturen (bis ca. 1200°C) eine Ionisation
der Gase (thermionische Entladung). Die entstehenden positiven und
negativen Ionen erzeugen elektrostatisch aufgeladene Partikel. Wenn
der Partikelstrom die Sprühelektrode 6 des
Abscheiders 1 erreicht, lagert sich ein Teil der positiv
geladenen Partikel auf ihr ab, bevor diese negativ aufgeladen werden
können.
Durch die Ionisation der Luftmoleküle an der Sprühelektrode 6 wird
ein Teil in positive Ionen und Elektronen aufgespaltet. Die Teilchen
bewegen sich im elektrischen Feld entsprechend ihrer Ladung zur
positiven bzw. negativen Elektrode 6. Dabei können positiv
geladene Partikel entstehen, welche sich auf der Sprühelektrode 6 anlagern
können.
Je mehr Partikel auf der Elektrode 6 angelagert sind, desto
ineffektiver arbeitet der Abscheider 1. Durch entsprechende
Anzeigemittel 11, wie LEDs, akustische Signale etc. kann
signalisiert werden, dass die Elektrode 6 gereinigt bzw.
ausgetauscht werden muss, um einen effektiven und optimalen Betrieb
des Abscheiders 1 zu bewirken.
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2 zeigt
schematisch ein Funktionsdiagramm von Coronastrom und Hochspannung.
Auf der Abszisse ist die Hochspannung aufgetragen und auf der Ordinate
der Coronastrom. In das Diagramm sind fünf charakteristische Strom-/Spannungskennlinien
S1 bis S5 eingetragen, welche jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten
T1 bis T5 erfasst sind. Die Spannungslinien S1 bis S5, welche sich
insbesondere in dem Bereich hoher Hochspannungen (rechts auf der
Abszisse) und hohem Coronastrom (oben auf der Ordinate) unterscheiden,
sind angefangen mit einem frühesten
Zeitpunkt T1 bis hin zu einem spätesten
Zeitpunkt T5 in das Diagramm eingetragen. Dabei ist zu erkennen,
dass sich mit zunehmender Zeit, das heißt mit zunehmender Betriebsdauer
des Abscheiders, die Strom-/Spannungskennlinie S1 bis S5 immer weiter
nach rechts in dem Diagramm verschiebt. Dieser Effekt wird auch
als Degradation bezeichnet. Der gestrichelte Pfeil kennzeichnet
den zunehmenden Verschmutzungsgrad der Elektrode 6, durch
welchen die Degradation hervorgerufen wird. Die Kennlinie steigt
mit zunehmender Spannung einer Polynomfunktion folgend an.
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3 zeigt
schematisch ein Funktionsdiagramm von Coronastrom und Filtereffizienz
bzw. Abscheideeffizienz. Auf der Abszisse ist der Coronastrom und
auf der Ordinate die Abscheideeffizienz aufgezeichnet. Mit zunehmendem
Coronastrom läuft der
Coronastrom gegen einen oberen Grenzwert der Abscheideeffizienz.
Der effiziente Bereich Be liegt bei möglichst kleinen Coronastromwerten,
bei denen die Abscheideeffizienz gerade das flache Plateau erreicht.
Dies ist in 3 der Bereich Be um den Punkt OBP
(optimaler Betriebspunkt). Von da an nach links verlaufend wird
die Abscheideeffizienz zunehmend geringer. Anhand dieses Zusammenhangs
lässt sich beispielsweise über LED's die Abscheideeffizienz
anzeigen.
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Erfindungsgemäß wird somit
die auftretende Degradation genutzt, um so eine Verschmutzung, insbesondere
eine nicht mehr tolerierbare Verschmutzung, der Elektrode zu erkennen,
so dass frühzeitig
geeignete Schritte eingeleitet werden können.