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Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger mit einem elektrostatischen Abscheider nach Anspruch 9.
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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, sodass 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 Hochspannungs-Transformator mit Gleichrichterfunktion erlaubt den Aufbau einer hohen Gleichspannung zwischen dem Draht und dem Deckel, welcher elektrisch leitend mit dem Ofenrohr verbunden ist, sodass 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 de 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 meisten der Partikel durch die elektrostatischen Coulomb-Kräfte zur Innenwand der Abgasleitung, welche als Kollektorelektrode dient.
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Wie oben bereits erwähnt, werden die Partikel durch die entlang der Oberfläche der Elektrode sich ausbildende Corona-Entladung elektrostatisch aufgeladen. Dies geschieht auf molekularer Ebene durch folgenden Prozess: Liegt die Elektrode z. B. gegenüber dem Abgasrohr auf negativer Hochspannung, so wird eine große Anzahl von Gasmolekülen negativ aufgeladen. Sie bewegen sich im von der Elektrode sowie dem Abgasrohr aufgespannten elektrischen Feld in Richtung des Abgasrohres. Treffen diese auf ihrem Weg durch das Abgasrohr auf elektrisch neutrale Partikel, so bleiben sie an diesen haften und laden die bis dahin neutralen Partikel ebenfalls negativ auf. Die geladenen Partikel strömen getrieben durch elektrostatische Ablenkungskräfte zur Innenwand des Abgasrohres. Hier bleiben die Teilchen haften, verlieren ihre Ladung und werden sicher aus dem Abgasstrom entfernt. Dies ist der Kernprozess eines elektrostatischen Abscheiders und führt je nach Geometrie, Höhe des Corona-Stroms, Elektrodenform etc. zu Abscheideraten bis etwa über 90%. Dieser Kernprozess kann durch folgende Effekte gestört werden:
Bei der Verbrennung entstehen bipolar geladene Partikel. Mittels Boltzmann-Verteilung kann der Anteil einfach bzw. mehrfach geladener Partikel abgeschätzt werden. Die Verteilung ist symmetrisch, d. h., es entstehen gleich viele positive wie negativ geladene Partikel. Für Bedingungen, wie sie im Abgas von Biomasse-Heizungen vorliegen, tragen zwischen 15 und 20% der Partikel eine elektrische Elementarladung. Die Anzahl geladener Partikel wird durch Koagulation zwar um ca. 10% pro Sekunde reduziert, dennoch liegen am Ort des elektrostatischen Abscheiders (entspricht ca. ein bis zwei Sekunden Flugzeit der Partikel vom Ort der Verbrennung) noch über 10% geladener Partikel vor. Gelangen die geladenen Partikel nun in die Nähe der auf negative Hochspannung liegenden Elektrode der Aufladeeinheit (Einheit Abgasrohr, Elektrode), so werden die negativen Partikel von der Elektrode weg in Richtung Abgasrohrinnenseite strömen. Die positiven Partikel strömen dagegen auf die Elektrode zu. Hiervon wird ein Teil beim Durchströmen der Aufladeeinheit neutralisiert bzw. negativ umgeladen, der Rest der Partikel gelangt jedoch zur Elektrode und lagert sich dort ab. Über die Betriebsdauer kommt es deshalb zu Funktionseinschränkungen des elektrostatischen Abweisers. Denn der auf der Elektrode abgelagerte Feinstaub verhindert lokal die Ausbildung der Corona. Dadurch verschlechtert sich die elektrische Aufladung der Partikel. Die Abscheideeffizienz des Systems wird degradiert. Zudem existiert in unmittelbarer Nähe der Corona (in einem Radius wenige Millimeter um die Elektrode) ein bipolares Ladungsgebiet. Elektrisch neutrale Partikel, welche dieses Gebiet durchströmen, können auch von einer negativen Elektrode positiv aufgeladen werden. Sie strömen dann auf die Elektrode zu. Ein Teil wird durch die Corona neutralisiert bzw. negativ umgeladen, ein kleiner Rest gelangt jedoch zur Elektrode und lagert sich ebenfalls dort ab.
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Die
DE 439 693 A offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektrischen Reinigung von Gasen. Dabei wird die Temperatur eines zu reinigenden Gases in einer elektrischen Niederschlagseinrichtung durch eine in den Gasstrom eingeschaltete wärmeempfindliche Vorrichtung selbsttätig geregelt, indem ein Bimetallstreifen bei Wärmeabnahme oder Wärmezunahme entsprechende Kontakte schließt und dadurch Erhitzungs- oder Abkühlungsvorrichtungen einschaltet.
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Aus der
US 3 606 733 A geht ein elektrostatischer Filter hervor, der mittels eines Ionisationsmittels Staubpartikel eines Gasstroms auflädt und an Kollektorelementen abscheidet. Unter dem Gewicht des abgeschiedenen Staubs verbiegen sich die Kollektorelemente und lösen einen Mechanismus zu ihrem Abreinigen aus.
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Die
WO 2005/016542 A1 zeigt einen Apparat zum Abscheiden von Partikeln aus Luft oder Abgas, z. B. für häusliche Festbrennstofföfen, mit einer ersten Elektrode an einer zylindrischen Wand und einer zweiten zentral angeordneten Elektrode, wobei an die beiden Elektroden eine elektrische Spannung angelegt wird. Ein Temperaturaufnehmer schaltet die Spannungsversorgung ein, wenn die Temperatur des Luft- oder Abgasstroms einen vorbestimmten Wert überschreitet, und schaltet die Spannungsversorgung aus, wenn die Temperatur den vorbestimmten Wert unterschreitet. Liegt die Temperatur über dem vorbestimmten Wert, erfolt eine Abscheidung des Staubs, der sich im Bereich der ersten Elektrode sammelt.
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In der
JP 57-187050 A wird ein elektrostatischer Filter zum Abscheiden von Staubpartikeln aus einem Abgasstrom vorgeschlagen, bei dem ein zentraler Elektrodendraht zur Erhaltung hoher Abscheideeffizienz unter Zugspannung gehalten wird. Hierzu dient ein Federelement, das eine thermische Ausdehnung des Elektrodendrahts, die sich im Betrieb unter Einfluss der Abgastemperatur ergibt, kompensiert und so die Zugspannung im Elektrodendraht konstant hält. Das Federelement besteht aus einem Bimetallelement, das sich unter Einfluss der Abgastemperatur verformt.
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Nachteilig an den elektrostatischen Abscheidern gemäß dem Stand der Technik ist, dass es nach einer längeren Betriebszeit zu einer kontinuierlichen Degradation des Corona-Stroms bei konstanter Hochspannung kommt. Dadurch sinkt die Aufladeeffizienz der Elektrode, was wiederum die Abscheideleistung des gesamten Systems verringert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Abscheider zu schaffen, der diesen Nachteil überwindet und der insbesondere eine Ablagerung von Partikeln auf der Elektrode verhindert oder reduziert, um die Funktionsdauer des elektrostatischen Abscheiders zu erhöhen.
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Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizungssystem mit einem erfindungsgemäßen Abscheider zu schaffen, das eine zuverlässige Abgasreinigung garantiert.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der erfindungsgemäße elektrostatische Abscheider ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem elektrostatischen Abscheider, insbesondere für eine Abgasleitung einer Abgasreinigungsanlage, mit einem Strömungskanal mit einer Kanalwandung und einem Kanalinneren, durch welchen ein partikelbeinhaltendes Abgas in einer Strömungsrichtung strömt, und einer sich in dem Kanalinneren im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Elektrode, zur Bildung eines elektrischen Feldes zwischen Elektrode und der Kanalwandung, vorgesehen ist, dass weiter mindestens ein Partikelabweisemittel umfasst ist, welches verhindert, dass sich Partikel des Abgases an der Kanalwandung ablagern, insbesondere dauerhaft ablagern. Mindestens ein Partikelabweisemittel ist als separates thermisch induziertes Bewegungselement in Form eines Bimetalls zur Kontaktierung von an der Kanalwandung anhaftenden Partikeln ausgebildet, welches durch Wärme bewegt wird, um bei einer Bewegung des Bewegungselements zumindest teilweise die Partikel von der Kanalwandung zu lösen. Dazu ist das Bewegungselement als an der Kanalwandung angeordnetes und diese zumindest teilweise kontaktierendes Schnappelement ausgebildet, welches thermisch induziert bei Aktivierung von einer stabilen Position in eine andere stabile Position umschnappt, um eine Ablagerung von Partikeln an der Kanalwandung zu verhindern. Das Partikelabweisemittel verhindert oder reduziert wirksam zumindest ein Ablagern von Partikeln an der Kanalwandung. Darüber hinaus kann das Partikelabweisemittel das Ablagern von Partikeln an weiteren Komponenten des elektrostatischen Abscheiders wirksam reduzieren.
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In einer Ausführungsform ist das Partikelabweisemittel eine separate Einheit, welche eine Bewegung relativ zu der Kanalwandung ausführt und bevorzugt die Kanalwandung bei einer Bewegung kontaktiert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bewegungselement ein geformtes Bimetall umfasst. An das Bimetall können weitere Elemente gekoppelt sein, die durch das Bimetall angetrieben werden. Somit ist eine Bewegung weiterer Elemente oder Mechanismen durch das Bimetall bei Zu- bzw. Abfuhr von Wärme initiiert.
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Durch das Umschnappen des Bewegungselements werden anhaftende Partikel von der Kanalwandung abgeklopft.
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Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das Bewegungselement zumindest teilweise spiralförmig nach Art einer Spiralfeder ausgebildet ist. Das Bewegungselement kann verschiedene Formen aufweisen. Es können mehrere Abschnitte des Bewegungselements als unterschiedliche Bimetalle ausgebildet sein. Das Bimetall kann in verschiedenen Formen vorgeprägt sein, beispielsweise serpentinenartig, wellenförmig, sägezahnwellenförmig etc., um entsprechende Deformationen zu realisieren.
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Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass mindestens ein Partikelabweisemittel eine Partikelantihaftbeschichtung aufweist, welche ein dauerhaftes Anhaften von Partikeln an dem Partikelabweisemittel und/oder der Kanalwandung durch Verminderung von Haftparametern verhindert.
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Weiter sieht ein anderes Ausführungsbeispiel vor, dass eine Schutzvorrichtung vorgesehen ist, welche verhindert, dass herabfallende Partikel Beschädigungen an dem elektrostatischen Abscheider hervorrufen.
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Das erfindungsgemäße Heizungssystem zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Feinstaub emittierenden Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen des Energieträgers aufweist, wobei partikelbeinhaltende Abgase entstehen, und ein erfindungsgemäßer elektrostatisches Abscheider vorgesehen ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Abscheider und dem erfindungsgemäßen Heizungssystem werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Eine Vermeidung bzw. Reduzierung von Feinstaubablagerungen auf der Elektrode wird realisiert. Das System kann zuverlässig durch Bewegen der Partikelabweisemittel relativ zu der Kanalwandung entlang der Kanalwandung von Feinstaublagerungen befreit werden.
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Durch die thermisch induzierte Bewegung des Bimetalls wird eine schnappende bzw. schlagende Bewegung realisiert, die insbesondere durch eine entsprechende Vorprägung des Bimetalls oder des Bimetallstreifens erzielt wird. Durch die Vorprägung bleibt bei Erwärmung zuerst die Form des Bimetalls konstant bis die Wärmeenergie ausreicht, um die durch Vorprägung gehemmte Verformung einzuleiten (Knackfrosch-Effekt). Die anschließende Bewegung weist dann eine hohe Beschleunigung auf, welche zum Entfernen von Partikeln genutzt wird. Umgekehrt wird auch bei Abkühlung nach Abschalten der Heizanlage durch Überspringen der Vorprägung eine schnappende Bewegung ausgelöst. Dies kann beispielsweise durch eine konvexe/konkave Prägung einer Bimetallscheibe erreicht werden. Beim Anheizen bzw. Ausschalten des Ofens durchläuft das Bimetall den Temperaturbereich der schnappenden Verformung. In einer Ausgestaltung ist eine Serie von Vorprägungen für die Partikelabweisemittel vorgesehen, welche dann zum Beispiel zickzackförmig ausgebildet sind. Bei jedem Start und Stopp des Ofens wird der leicht anhaftende Feinstaub von der Kanalwandung abgeschüttelt. Die Vorprägung ist so zu dimensionieren, dass immer ein entpsrechender Abstand zum umgebenden Ofenrohr eingehalten wird. Weiter ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Verformung des Bimetalls vorteilhaft eine Art Hammerwerk betätigt, welches die Kanalwandung bei Einschalten bzw. Ausschalten des Ofens einmalig anschlägt und von Staubablagerungen befreit. Zum leichteren Entfernen anhaftender Verschmutzungen ist in einer Ausführungsform alternativ oder zusätzlich die Kanalwandung oder auch das Partikelabweisemittel mit einer Antihaftschicht versehen, z. B. mit Polyorganosiloxanen, Polysiloxanen, Hybridmaterialien aus anorganischen und organischen Polymeren sowie Beschichtungsmaterialien, welche Antihaftpartikel enthalten. Eine entsprechende Dotierung der Silizium-Sauerstoffverbindung gewährleistet eine für den Einsatz als Sprühelektrode ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit bzw. Plasmabeständigkeit. Durch die mechanische Abreinigung durch mindestens ein Bimetall können die Staubanlagerungen an der Kanalwandung periodisch abgeschüttelt werden. Diese Option verbraucht keine zusätzliche Energie, da das Bimetall durch die beim einschalten bzw. Ausschalten des Ofens erzeugte Temperaturänderung aktiviert wird.
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Wird die aus Elektrode, Elektrodenzuführung und ggf. Isolation gebildete Aufladeinheit dicht hinter der Heizungsanlage verbaut, können sich aufgrund des heißen Abgases Temperaturen zwischen 200°C (Holzpellet-Heizanlagen) und 400°C (Scheitholzanlagen) einstellen. Außerdem bestehen die emittierten Staubpartikel (vor allen im Fall der Scheitholzverbrennung) aus einem großen Anteil von Kohlenstoff und sind deshalb brennbar. Unter diese Bedingungen liegt es nahe, die thermische Oxidation als Regenerationsmechanismus der Aufladeeinheit vorzusehen. Dieser Abbrand wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel durch eine geeignete Beschichtung der Innenwand der Aufladeeinheit katalytisch unterstützt. Dies würde sich in einer tieferen Entzündungstemperatur des Rußes manifestieren (ohne katalytische Unterstützung erst bei ca. 600°C). Falls der katalytische Effekt der Beschichtung nicht ausreicht, könnte der thermische Abbrand der Staubablagerungen extern gezündet werden, z. B. mit einer am Abgasrohr angebrachten Heizspirale. Hier muss jedoch durch geeignete Maßnahmen (z. B. temperaturgesteuerte Abgasklappen) ein kontrollierter Rußabbrand gewährleistet werden. Das Abgassystem könnte sonst thermisch überlastet werden.
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Die Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
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1 schematisch teilweise einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizungssystems mit elektrostatischem Abscheider,
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2 schematisch teilweise einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizungssystems mit elektrostatischem Abscheider,
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3 schematisch teilweise einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizungssystems mit elektrostatischem Abscheider,
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4 schematisch in zwei Längsschnitten und einer Draufsicht eine Detailansicht eines bistabilen Bewegungselements,
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5 schematisch in zwei Längsschnitten zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Bewegungselemente,
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6 schematisch in zwei Draufsichten eine Ausführungsform eines spiralförmigen Bewegungselements in einem kalten und einem erwärmten Zustand und
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7 schematisch in zwei Längsschnitten die Anordnung zweier schraubenförmiger Bewegungselemente in einem kalten und einem erwärmten Zustand.
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1 zeigt schematisch einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizungssystems 100 mit elektrostatischem Abscheider 1. Das Heizungssystem 100 ist zur Erzeugung von Energie mittels Verbrennen von einem Energieträger wie Biomasse ausgebildet und umfasst neben dem elektrostatischen Abscheider 1 eine Heizungsanlage 110. Die Heizungsanlage 110 ist als eine Feinstaub emittierende Heizungsanlage wie eine Biomasse-Heizungsanlage zum Verbrennen eines entsprechenden Biomasse-Energieträgers ausgebildet. Bei dieser Verbrennung entstehen partikelbeinhaltende Abgase, die durch ein Abgasrohr oder eine Abgasleitung 2 ausgestoßen werden. Der elektrostatische Abscheider 1 ist in der Abgasleitung 2 einer hier nicht weiter 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 das hier durch Pfeile P dargestellte, partikelbeinhaltende 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, Sprühelektrode oder Coronaelektrode bezeichnet wird. Der Strömungskanal 3 ist bevorzugt im Querschnitt in Strömungsrichtung P rotationssymmetrisch um eine Mittelachse (hier nicht dargestellt) ausgebildet. Die Elektrode 6 erstreckt sich im Wesentlichen entlang dieser Mittelachse. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Abgasleitung 3 einen etwa rechtwinklig ausgebildeten Knick auf. Die Elektrode 6 ist in 1 in dem hier horizontal dargestellten Abschnitt der Abgasleitung 3 ausgebildet. Gespeist wird die Elektrode 6 über eine Elektrodenzuführung 7, welche mit einem Isolator 8 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 Feldlininen im Wesentlichen radial zu der Elektrode 6 bzw. der Kanalwandung 4 verlaufen, im Wesentlichen quer, genauer rechtwinklig, zur Strömungsrichtung P.
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Im Bereich der Elektrode 6 lagert sich abhängig von den Strömungsverhältnissen nur ein kleiner Teil der abzuscheidenden Staubpartikel ab. Der verbleibende Teil wird stromabwärts abgeschieden. Das hier zur Ablagerung notwendige elektrische Feld wird durch die Partikel selbst gebildet. Sie stellen eine Ladungswolke aus unipolar geladenen Teilchen dar, welche durch Abstoßungskräfte an die Kanalwandung 4 strömen. Die sich bildende Feinstaubschicht S kann sich in Abhängigkeit von Volumenstrom, Partikelkonzentration, Durchmesser des Abgasrohres etc. bis zu mehreren Metern stromabwärts des beschriebenen Filters erstrecken. Der Betrieb des Heizungssystems 100 kann durch eine zu dicke Feinstaubschicht beeinträchtigt werden. Im Bereich der Elektrode 6 liegt ein etwa gleichmäßiges Schichtdickenwachstum vor. Stromabwärts der Elektrode 6 leigt mit zunehmendem Abstand eine exponentielle Abnahme der Schichtdicke vor. Das Profil dieser Schicht S kann unter realen Bedingungen durch strömungsbedingte Verfrachtungen, veränderte Ablagerungscharakteristik sowie erhöhten elektrischen Widerstand für abfließende elektrische Ladungen etc. verflacht werden. Die über die Betriebszeit anwachsende Feinstaubschicht an der Innenwand des Abgasrohres führt mit der Zeit zu einer Verengung des Abgasrohrsquerschnitts. Dies führt zu einer Verschlechterung des Abgaszugs und kann damit auf die Verbrennungsbedingungen rückwirken. Im Falle von Scheitholzanlagen mit einem hohen Kohlenstoffanteil der emittierten Partikeln besteht die Gefahr eines Kaminbrandes. Um ein Anhafter der Partikel zu vermeiden oder zu reduzieren, umfasst der elektrostatische Abscheider 1 in der dargestellten Ausführungsform in 1 ein Partikelabweisemittel 9, welches hier nur schemtisch dargestellt ist und in der weiteren Figurenbeschreibung ausführlicher dargestellt wird.
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2 zeigt schematisch teilweise einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizungssystems 100 mit elektrostatischem Abscheider 1. Gleiche oder ähnliche Teile werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine detaillierte Beschreibung bereits beschriebener Bauteile entfällt.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 ist vom Prinzip gleich aufgebaut wie die Ausführungsform nach 1, unterscheidet sich lediglich durch die Ausführung des Partikelabweisemittels 9 und eine Auffangvorrichtung 10 für abgeklopfte oder abfallende Partikel. Der elektrostatische Abscheider 1 ist in der Abgasleitung 2 angeordnet und umfasst den Strömungskanal 3. Der Strömungskanal 3 ist als rohrförmiger Abschnitt der Abgasleitung 2 ausgebildet und umfasst die Kanalwandung 4 und das Kanalinnere 5. Durch den Strömungskanal 3 strömt das partikelbeinhaltende Abgas P in die entsprechende Strömungsrichtung. Im Inneren des Strömungskanals 3 erstreckt sich in Strömungsrichtung die Elektrode 6. Gespeist wird die Elektrode 6 über die Elektrodenzuführung 7, welche mit dem Isolator 8 ummantelt ist. Aufgrund der vorhandenen Partikelabweisemittel 9 ist an der Kanalwandung 4, wie dargestellt, keine Partikelschicht S abgelagert.
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Vorliegend ist das Partikelabweisemittel 9 als Bewegungselement 9a ausgebildet, welches als thermisch induziertes Bewegungselement in Form eines Bimetalls 11 ausgebildet ist. Bei einer entsprechenden Wärmezu- oder -abfuhr bewegt sich das Bimetall 11 entsprechend von einer bistabilen Position in eine andere bistabile Position. Das Bewegungselement 9a ist benachbart zu der Kanalwandung 4 ausgebildet und kontaktiert diese zumindest teilweise. Durch die Bewegung und die damit verbundene Schwingung werden an der Kanalwandung 4 anhaftende Partikel mechanisch entfernt oder ein Anhaften verhindert oder reduziert.
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Das Bimetall 11 kann als Bimetallstreifen ausgebildet sein. Bimetallstreifen bestehen aus zwei Schichten unterschiedlicher Metalle, welche miteinander verbunden sind und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wodurch sich das Bimetall bei einer bestimmten Temperaturänderung verformt. Diese Charakteristik wird durch die hier dargestellte Ausführungsform zur periodischen passiven Abreinigung des Abgasrohrs einer Biomasse-Heizungsanlage ausgenutzt. Abfallende Partikel werden gemäß der Ausführungsform nach 2 in der Auffangvorrichtung 10, die beispielsweise als Aschekiste oder dergleichen ausgebildet sein kann, aufgefangen und können über diese entsorgt werden. Die abgeschüttelte herab fallende Feinstaubschicht wird größtenteils vom strömenden Abgasstrom nicht mitgerissen, da die Partikel aufgrund ihrer Größe, die im mm-Bereich liegt, nicht mehr schweben. Sollten dennoch einige wenige das Abgassystem verlassen, so sind sie nicht mehr lungengängig und stellen daher für den Menschen keine Gefahr dar. Um die Elektrode 6 vor den herabfallenden Partikeln zu schützen, ist diese in dem Ausführungsbeispiel nach 2 in einem horizontalen Teil des Abgasrohrs angeordnet. Die Partikelabweisemittel 9 sind dagegen in dem daran anschließenden vertikalen Teil des Abgasrohres angeordnet, sodass die abfallenden Partikel nicht die Elektrode 6 beim Herabfallen treffen können. Die Elektrode 6 ist in der Abgasleitung so zu verbauen, dass sie nicht von abgeschüttelten Ablagerungen getroffen werden kann. In einer alternativen Ausführungsform können die Bauteile wie Elektrode 6, HV-Durchführung 7, etc abgeschirmt bzw. „überdacht” werden, wie dies in 3 dargestellt ist.
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3 zeigt schematisch teilweise einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizungssystems 100 mit elektrostatischem Abscheider 1. Die Elektrode 6 mit Elektrodenzuführung 7 und Isolator 8 ist hier an einem vertikalen Abschnitt des Abgasrohrs angeordnet. Um zu vermeiden, dass die abgeschüttelten Staubablagerungen eine Verschmutzung der Elektrode 6 und/oder der HV-Durchführung 7 hervorrufen, weist die Ausführungsform nach 3 zusätzlich eine Abschirmeinheit 12 auf. Die Abschirmeinheit 12 ist so ausgebildet, dass die Elektrode 6, die Elektrodenzuführung 7 und/oder der Isolator 8 vor herabfallenden Partikeln geschützt ist/sind.
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Im Übrigen sind die Ausführungsformen nach 2 und 3 im Wesentlichen baugleich ausgeführt.
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4 zeigt schematisch in zwei Längsschnitten und einer Draufsicht eine Detailansicht eines bistabilen Bewegungselements 9a. In 4 sind beispielhaft vier Bewegungselemente 9a vorgesehen, von denen in dem Längsschnitt jeweils nur zwei dargestellt sind. Die Bewegungselemente 9a sind an einem vertikalen Abschnitt des Abgasrohres an der Kanalwandung 4 ausgebildet. In dem linken Längsschnitt sind die Bewegungselemente 9a in einer ersten stabilen Position bei niedrigen Temperaturen dargestellt. In dem rechts daneben dargestellten Längsschnitt sind die Bewegungselemente 9a in einem erwärmten Zustand in einer zweiten stabilen Position dargestellt. In der Draufsicht sind die vier Bewegungselemente 9a zu erkennen, wobei diese etwa paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Die Bewegungselemente 9a sind als Bimetall 11 mit bimetallischer Charakteristik ausgebildet. Diese Charakteristik wird durch die dargestellten Bauausführungen zur periodischen passiven Abreinigung des Abgasrohrs ausgenutzt. Die Bimetalle 11 sind so ausgebildet, dass der Temperaturbereich, in welchem das jeweilige Bimetall aktiviert wird, bei Einschalten bzw. Ausschalten der entsprechenden Heizungsanlage 110 durchlaufen wird. Diese Vorgänge führen zu einer Temperaturänderung der Abgasrohrumgebung von 150–200 K, das heißt einer Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Umgebungsluft. Damit die thermisch induzierte Bewegung des Bimetalls 11 eine schnappende, bzw. schlagende Form aufweist, ist bevorzugt eine Vorprägung vorgesehen. Dadurch bleibt bei Erwärmung zuerst die Form des Bimetalls 11 konstant bis die einwirkende Wärmeenergie ausreicht, um die durch Vorprägung gehemmte Verformung einzuleiten, was auch als Knackfrosch-Effekt bezeichnet wird. Die anschließende Bewegung des Bimetalls 11 weist dann eine hohe Beschleunigung auf. Umgekehrt wird auch bei Abkühlung nach Abschalten der Heizanlage durch Überspringen der Vorprägung eine schnappende Bewegung ausgelöst. Dies kann praktischerweise durch eine konvexe/konkave Prägung von Bimetallsstreifen erreicht werden, wie sie z. B. in automatisch rückstellenden Thermoschutz-Schaltern verbaut werden. Vorzugsweise sind mehrere von derartigen Bimetallstreifen an der Kanalwandung 4 der Abgasleitung als bistabile schnappende Elemente angebracht, z. B. als breite längliche Streifen entlang der Kanalwandung 4, wie in den 2–4 schematisch dargestellt. Die Bimetalle 11 sind in einer Ausführungsform zueinander unterschiedlich ausgebildet. Grundsätzlich ist die Form der Bimetalle 11 frei wählbar. In 5 sind beispielsweise unterschiedliche Ausführungsformen der Bimetalle 11 ausgeführt.
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5 zeigt schematisch in zwei Längsschnitten zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Bewegungselemente 9a. Die Bewegungselemente 9a sind als Bimetalle 11 mit schnappender Eigenschaft ausgebildet. Im Unterschied zu der Ausführungsform der Bimetalle 11 in 4 sind hier die schnappenden Elemente als kleine quadratische oder kreisförmige Bleche ausgeführt. Diese sind auf der Innenseite der Kanalwandung 4 verteilt. Beim Anheizen bzw. Ausschalten der Heizungsanlage 110 durchläuft das Bimetall 11 den Temperaturbereich für eine schnappende Verformung. Bei jedem Start und Stopp der Heizungsanlage 110 wird der anhaftende Feinstaub von der Innenfläche des Abgasrohres abgeschüttelt.
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Um ein Anhaften von Partikeln an den Bimetallen 11 bzw. den Partikelabweisemitteln 9 zu verringern, können diese mit einer Partikelantihaftbeschichtung beschichtet sein, die hier nicht dargestellt ist. Hierdurch fallen anhaftende Partikel von den Bimetallen 11 ab oder haften erst gar nicht an. Eine Partikelantihaftbeschichtung kann beispielsweise Materialien wie Polyorganosiloxane, Polysiloxane, Hybridmaterialien aus anorganischen und organischen Polymeren sowie Beschichtungsmeterialien, welche Antihaftpartikel enthalten, umfassen.
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6 zeigt schematisch in zwei Draufsichten eine Ausführungsform eines als spiralförmiges Bewegungselement 9a ausgebildeten Partikelabweisemittels 9 in einem kalten und einem erwärmten Zustand. Die in 6 dargestellte Ausführungsform ist derart ausgebildet, dass eine Temperaturänderung an einer Bimetallspirale 12 oder mehreren Bimetallspiralen 12 eine drehende Bewegung induziert. Eine oder mehrere Bimetallspirale(n) 12 sind hierzu im freien Querschnitt des Abgasrohres an der Kanalwandung 4 untergebracht. Das Zentrum der Bimetallspiralen 12 ist bevorzugt kraftschlüssig mit dem Abgasrohr verbunden. Durch Temperaturänderungen beim Anheizen, Abkühlen bzw. dynamischen Betrieb des Heizungssystems 100 wird am freien äußeren Ende der Bimetallspirale 12 eine langsame Bewegung entlang der Innenseite der Kanalwandung 4 aufgeprägt. Die Bimetallspiralen 12 sind so dimensioniert, dass ihre Enden beim Durchlaufen des für die Heizanlage 110 typischen Temperaturbereichs, in der Regel zwischen beispielsweise 20°C bis 250°C, etwa eine Umdrehung um einen Spiralmittelpunkt ausführen. Werden die freien Enden mehrerer aufeinander folgender Bimetallspiralen 12 mit einem Draht bzw. Flachmaterial von geeigneter Geometrie verbunden und/oder eventuell ergänzend mit einer Bürste 13 versehen, so überstreicht dieses bei einer Temperaturänderung die Innenseite der Kanalwandung 4, wie in 6 in den beiden Abbildungen schematisch dargestellt. Dadurch wird eine dort anhaftende Feinstaubschicht S abgestreift und fällt bei bevorzugter vertikaler Orientierung des Abgasrohres nach unten in eine geeignete Auffangvorrichtung 10. Die Bimetallspiralen 12 erfahren bei unterschiedlicher Einbaulage in dem Abgasrohr je nach Abstand von der Heizungsanlage 110 unterschiedliche Temperaturänderungen. Deshalb verfügen die Bimetallspiralen über unterschiedliche, geeignet angepasste Ausdehnungskoeffizienten. Damit überstreichen ihre freien Enden beim Anheizen bzw. Abkühlen ungefähr denselben Weg entlang der Innenseite der Kanalwandung 4 trotz unterschiedlicher Temperaturänderungen. Die Bimetallspirale 12 kann in einer Ebene ausgebildet sein. Alternativ kann die Bimetallspirale 12 schraubenförmige auslängbar ausgebildet sein, wie beispielsweise das Bewegungselement 9a in der nächsten 7.
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7 zeigt schematisch in zwei Längsschnitten die Anordnung zweier schraubenförmiger Bewegungselemente 9a in einem kalten und einem erwärmten Zustand. In der weiteren Ausführungsform nach 7 ist vorgesehen, dass die Temperaturänderung eine axiale Ausdehnung eines als Bimetall-Zylinderfeder ausgebildeten Bewegungsmittel 9a induziert. Ein Umfang der Bimetall-Zylinderfeder schmiegt sich an die Innenseite der Kanalwandung 4 an, wobei ein Ende der Bimetall-Zylinderfeder kraftschlüssig mit dem Abgasrohr verbunden ist. Eine Ganghöhe der Bimetall-Zylinderfeder ist so eingestellt, dass die thermische Ausdehnung beim Anheizen des Heizungssystems 100 oder der Heizungsanlage 110 die Bimetall-Zylinderfeder um etwa eine Ganghöhe ausdehnt. Damit ist gewährleistet, dass die gesamte Innenfläche der Kanalwandung 4 im Bereich der Bimetall-Zylinderfeder überstrichen und abgereinigt wird. Die dort anhaftende Feinstaubschicht S wird somit abgestreift und fällt bei bevorzugter vertikaler Orientierung des Abgasrohres nach unten in eine geeignete Auffangvorrichtung 10. Die Bimetall-Zylinderfeder ist in einer Ausführungsform auch noch mit weiteren Bauelementen versehen, welche das Abreinigen bei kleinerer Reibung garantieren, z. B. mit Bürstelementen 13 oder Ähnlichem.
