DE1170375B

DE1170375B - Elektrostatischer Abscheider fuer Aerosole u. dgl.

Info

Publication number: DE1170375B
Application number: DEA25045A
Authority: DE
Inventors: Bengt Allan Bergstedt
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1955-06-08
Filing date: 1956-06-05
Publication date: 1964-05-21

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B Ol d

Deutsche Kl.: 12e-5

Nummer: 1 170 375

Aktenzeichen: A 25045 III / 12 e

Anmeldetag: 5. Juni 1956

Auslegetag: 21. Mai 1964

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Abscheider für Aerosole u. dgl. mit einer Entladungselektrode, die eine Anzahl von Spitzenelektroden aufweist, die gegenüber der Abscheidungselektrode über eine gegebene aktive Fläche und mit gleichen Abständen von der Abscheideelektrode verteilt sind.

Die heute gebräuchlichen elektrostatischen Abscheider können im Hinblick auf die Art der Aufladung und das Ausscheiden derjenigen Partikeln, die in dem durch das Filter durchgefühlten Aerosol schweben, in zwei Typen, nämlich Cottrell- oder Röhrenabscheider und Zweistufenabscheider, eingeteilt werden:

Im Röhrenabscheider strömt das Gas durch eine Röhre, in der ein dünner Draht gespannt ist. Wenn der Draht, der als Emissionselektrode dient, eine genügend hohe elektrische Spannung im Verhältnis zur Röhre aufweist, entsteht an ihm eine Koronaentladung. Diese erzeugt einpolige Ionen oder Ladungen, die im elektrischen Feld zur Wand der Röhre hinwandern. Die Ausscheidung der Partikeln aus einem durch einen solchen Abscheider hindurchgeführten Aerosol beruht hauptsächlich darauf, daß die Partikeln beim Durchgang durch die von der Koronaentladung erzeugte Raumladung aufgeladen werden. Auf Grund des elektrischen Feldes bewegen sich die aufgeladenen Partikeln dann ebenfalls zur Wand der Röhre hin, wo sie sich entladen und aus dem Gas ausgeschieden werden. Die Koronaentladung erfolgt teilweise unregelmäßig von verschiedenen Stellen an der Oberfläche des Drahtes aus. Bei der Bewegung im elektrischen Feld übertragen die Ionen auf Grund ihrer unregelmäßigen Molekularbewegungen eine bestimmte Menge an Bewegungsenergie auf die Moleküle des Gases. Da die Ionen zur Röhrenwand hinwandern, werden auch die Gasmoleküle zu dieser hingetrieben, und es entsteht ein sogenannter elektrischer Wind in Richtung der Röhrenwand. Dieser kann jedoch bei den bisher vorhandenen Abscheiderbauarten den Staubteilchen keine geordnete Bewegung zur Ausscheidungs- oder Niederschlagsfläche hin erteilen. Denn auf Grund unter anderem dessen, daß die Koronaentladung unregelmäßig erfolgt und daß sich die Ionenquelle, nämlich der Emissionsdraht, in großem Abstand von der Niederschlagsfläche befindet, führt der elektrische Wind durchschnittlich ebenso viele Staubteilchen von der Niederschlagsfläche weg wie zu derselben hin und ruft somit nur eine gesteigerte Wirbelbildung im Gas hervor (vgl. W. Deutsch in Ann. der Physik, 9, Ausgabe 1931, S. 249 bis 246). Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Partikeln zur Niederschlagsfläche hin wird dann nur noch von den-Elektrostatischer Abscheider für Aerosole u. dgl.

Anmelder:

Aktiebolaget Atomenergi, Stockholm

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Jourdan, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Kronberger Str. 46

Als Erfinder benannt:

Bengt Allan Bergstedt, Solna (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 8. Juni 1955 (5352)

jenigen elektrischen Kräften bestimmt, die unmittelbar auf die Partikeln einwirken, und diese sind dadurch begrenzt, daß die elektrische Feldstärke im größten Teil des Röhrenquerschnitts auf Grund der dort vorhandenen Raumladung klein ist.

Im Zweistufenabscheider erfolgt die Aufladung der Partikeln dadurch, daß das Aerosol erst durch eine von Drähten oder Spitzen ausgehende Koronaentladung hindurchströmt und erst daraufhin der Ausscheidung in einem elektrischen Feld zwischen mehreren parallelen Platten unterworfen wird. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikeln ist dabei von derselben Größenordnung wie im Röhrenabscheider.

Um eine Steigerung der Partikelgeschwindigkeit zu erhalten, ist es bei reinen Plattenabscheidern älterer Bauart bekannt, den Abstand bei verhältnismäßig hoher Potentialdifferenz der plattenförmigen Elektroden auf nur einige Millimeter bis höchstens 1 cm zu begrenzen, um die bei so geringen Abständen auftretende hohe elektrische Feldstärke auszunützen. Dies ist jedoch ohne die Gefahr von Überschlägen nur im homogenen Feld zwischen ebenen Elektroden möglich, bei dem es vor dem Überschlag und damit Zusammenbruch des Feldes keine Vorentladungen gibt. Bei einem anderen Plattenabscheider mit parallelen Platten auf gleichem Potential und dazwisehen befindlichen, in der Reihenfolge abwechselnd bald der einen, bald der anderen Niederschlagsfläche ihre Sprühkante zuwendenden langgestreckten, im

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Querschnitt etwa tropfenförmigen Ausströmelektroden ist es auch bekannt, die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikeln zur Niederschlagsfläche durch symmetrische Anordnung der Ausströmelektroden zu steigern, indem hierbei eine besonders kräftige Wirbelbildung erzielt wird, durch welche die Partikeln in kreisender Bewegung in die Nähe der Niederschlagsflächen gebracht werden und dort unter Zuhilfenahme der Fliehkraft, also elektrisch und mechanisch, abgeschieden werden.

Bei elektrostatischen Abscheidern ist die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikeln in Richtung zur Niederschlagsfläche von wesentlicher Bedeutung für den Reinigungsgrad p, der sich als

schnellen Stabilisierung durch Eingehen fester chemischer Bindungen. Die hierbei auftretenden verhältnismäßig energiereichen Entladungsformen sind aber weder zur Erzeugung einer gerichteten Abschei-5 dungsbewegung wie bei einem elektrostatischen Abscheider geeignet, noch kommt es bei derartigen Gasbehandlungen hierauf an, da im Gegenteil das Gas sich quer zu den Entladungen bewegen soll, ohne zu Niederschlägen auf den Elektroden zu führen. Ein

ίο anderer Vorschlag zur Behandlung von Gasen durch elektrische Entladungen sieht deshalb vor, zur Vermeidung der Abscheidung von harzbildenden Bestandteilen die ebene Elektrode gegenüber den Entladungsspitzen mit Durchbrechungen zu versehen,

15 durch die das vom elektrischen Wind mitgerissene Gas hindurch abströmen kann.

Die Erfindung arbeitet hingegen mit einer als gasundurchlässige Flächenelektrode ausgebildeten Abscheideelektrode, bei der der Umstand ausgenutzt

einen gegebenen Reinigungsgrad ρ ist somit

ρ = (h₀ - n) / n₀

definieren läßt, wobei n₀ die Partikelkonzentrationen im Aerosol vor bzw. hinter dem Abscheider sind. Der Reinigungsgrad ρ wird nach folgender Gleichung

von der Wanderungsgeschwindigkeit der Partikeln 20 wird, daß die Koronaentladung einer punktförmigen beeinflußt: Emissionselektrode in Richtung zur Entladungsfläche

— S · ν etwa die Form eines auf dieser Fläche stehenden

P ⁼ * ~ ^e _a · Konus mit der Spitze an der Emissionselektrode und

mit einem Spitzenwinkel von etwa 50 bis 75°, bei-

Hierin bedeutet S die Größe der Niederschlags- 25 spielsweise 60°, hat. Bei einer isolierten punktförmi- oder Ausscheidungsfläche, ν die durchschnittliche gen Koronaentladung dieser Art gegen eine Flächen-Wanderungsgeschwindigkeit der Partikeln zu dieser elektrode entsteht in deren Nähe ein schneller elek-Oberfläche hin und q die Gasmenge, die je Zeitein- irischer Wind gegen die Elektrodenfläche, falls der heit an der Niederschlagsfläche vorbeiströmt. Diese Abstand der Emissionselektrode hiervon nicht zu Gleichung kann zur Bestimmung von ν benutzt wer- 30 groß ist. Dieser darf höchstens so groß gewählt werden, da die übrigen Größen leicht meßbar sind. Für den, daß die Geschwindigkeit des elektrischen Wins' · v des auch in der Nähe der Flächenelektrode größer q als oder wenigstens von ungefähr derselben Größe

konstant, weshalb eine Steigerung der Partikelge- wie die lineare Durchschnittsgeschwindigkeit der schwindigkeit ν um einen bestimmten Faktor bedeu- 35 Gasströmung durch den Abscheider an der Flächentet, das die Gasmenge q entsprechend erhöht oder elektrode ist, was durch die Ablenkung des Koronadie Oberfläche S um denselben Faktor vermindert konus in Richtung des Gasstromes leicht festgestellt werden können. Das heißt, bei einer Steigerung der werden kann. In der Nähe der Flächenelektrode wer-Partikelgeschwindigkeit kann der Abscheider korn- den folglich die aerodynamischen Stromlinien des pakter gemacht werden, was in vielen Fällen sehr 40 Gases unter der Wirkung des elektrischen Windes aberwünscht ist. gelenkt, und das Gas streicht dicht an der Abscheide-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrode vom Zentrum des Entladungskonus ab entdurchschnittliche Wanderungsgeschwindigkeit ν der lang. Im Gebiet der durch die Koronaentladung bePartikeln zur Niederschlagsfläche hin bei einem elek- dingten Raumladung zwischen der Emissionselektrostatischen Abscheider der eingangs genannten Art 45 trode und der flächenförmigen Abscheideelektrode zu steigern. Gemäß der Erfindung wird diese Auf- ist die elektrische Feldstärke gering. In einer dünnen gäbe dadurch gelöst, daß der Abscheider einen gegen Schicht von größenordnungsmäßig 0,1 mm von der die gasundurchlässig ausgebildete Abscheidungselek- Abscheideelektrode sinkt die Raumladungsdichte jetrode gerichteten Einlaß zur Zuführung des Gases . doch schnell auf Null ab, was eine sehr hohe Feldaufweist und die Spitzenelektroden einen solchen ge- 50 stärke in dieser Schicht zur Folge hat. Bei der EnUagenseitigen Abstand im Hinblick auf den Zwischen- dung in einem Aerosol werden die darin enthaltenen raumabstand zwischen der emittierenden und der Partikeln schnell vom elektrischen Wind zu dieser Abscheidungselektrode einnehmen, daß die gesamte Schicht hingeführt. Hier nimmt auf Grund der hohen Aufprallfläche der erzeugten besenförmigen koni- Feldstärke die Wanderungsgeschwindigkeit der Parschen Koronaentladungen auf diesem aktiven Be- 55 tikeln zur Abscheideelektrode hin erhebliche Werte reich der Abscheidungselektrode nur einen Teil des an, obgleich die parallel zur Abscheideelektrode gegesamten aktiven Bereichs ausmacht. richtete Gasgeschwindigkeit in der Schicht hoch ist. Zur Stabilisierung gasförmiger Brennstoffe, insbe- Eine Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß das vom sondere Stickstoffoxyd, in künstlichen Gasen ist es elektrischen Wind gegen die Abscheideelektrode gebekannt, die Gase durch elektrische Entladungszonen 60 führte Gas Platz hat, außerhalb des Koronakegels in zu leiten, die durch verhältnismäßig energiereiche die Nähe der Elektrode zurückzukehren. Diese VorBüschel- oder Spitzenentladungen zwischen ebenen aussetzung wird gemäß der Erfindung durch die oben metallischen Oberflächen auf der einen Seite und angegebene Wahl eines besonderen gegenseitigen Abeiner großen Anzahl im gleichen Abstand dazu ange- stands der als Emissionselektroden dienenden Spitzenordneter Metallspitzen auf der anderen Seite gebildet 65 elektroden in Hinblick auf den Zwischenraumabstand sind. Durch die frei werdende Energie wird die ehe- zur Abscheideelektrode erfüllt. An dieser stören die mische Reaktionsfähigkeit der Gase erhöht und führt Entladungen infolgedessen nicht. Es bleibt somit im nach Durchströmen der Entladungszone zu einer wesentlichen die Koronaentladung einer jeden punkt-

förmigen Emissionselektrode zur Abscheideelektrode hin selbständig bestehen, und es kann das von den Partikeln befreite Gas zwischen den Koronakonen unbehindert zurückwandern. Außerdem kann durch die erfindungsgemäße Anordnung des Gaseinlasses in Richtung zur Abscheideelektrode die kinetische Energie des Gases ausgenutzt werden, die abzuscheidenden Partikeln auch mechanisch auf die Abscheideelektrode zu werfen.

Es ist deshalb charakteristisch für die Vorrichtung nach der Erfindung, daß die Partikeln praktisch nur innerhalb der Prallflächen eines jeden Entladungskonus abgeschieden werden, weshalb andererseits die Summe der Prallflächen aller Entladungskonen einen so großen Teil der Abscheidungsfläche wie möglich umfassen sollte. Daher ist es angebracht, den Abstand der punktförmigen Elektroden untereinander nicht wesentlich größer zu wählen als deren Abstand von der Abscheideelektrode.

Experimente haben erwiesen, daß auf Grund der Erfindung eine etwa zehnfach höhere Partikelgeschwindigkeit erzielt werden kann als bei den bisher bekannten Abscheidern.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der eine von mehreren möglichen Ausführungsformen in teilweise aufgeschnittener und weggebrochener perspektivischer Ansicht dargestellt ist.

In einem zylindrischen Hohlraum 1 eines Abscheidergehäuses, das aus Messing bestehen kann, sitzt konzentrisch auf einem röhrenförmigen Isolator 3 eine ringförmige, als Emissionselektrode dienende Hochspannungselektrode 4, die einen äußeren Durchmesser von z. B. 5 cm hat und mit einer Vielzahl, z. B. etwa einhundert Spitzen 5 versehen ist. Die Elektrode 4 ist dadurch axial einstellbar, daß der Isolator 3 mit einem Gewinderohransatz 8 in eine Gewindebohrung des Gehäuses 2 eingeschraubt ist.

Die Elektrode 4 wird über eine gegen das Gehäuse 2 isolierende Durchführung an eine elektrische Energiequelle angeschlossen. Diese Durchführung besteht aus einem Leiter 9, der in das äußere Ende einer Bohrung in einem Isolierkörper 10 eingeführt ist. In das innere Ende dieser Bohrung ist ein axial beweglicher Kontaktstift 11 eingesetzt. Zwischen dem Leiter 9 und dem Stift 11 ist eine Druckfeder 12 so angeordnet, daß der Stift 11 unabhängig von der axialen Lage der Elektrode 4 stets gegen diese gepreßt wird. Der Entladungsstrom fließt in Form einer Koronaentladung von den Spitzen 5 zu einer Nieder-Schlagsfläche 14, die einen Teil eines als Abscheideelektrode dienenden Bandes 15 aus elektrisch leitendem Material, z. B. Aluminium, bildet. Von dem Band 15 fließt der elektrische Strom durch das Gehäuse 2 zurück nach Erde.

Um zu verhindern, daß das Band 15 zur Hochspannungselektrode 4 hingesogen wird, wenn das Filter, wie erwünscht, mit Unterdruck im Verhältnis zur Umgebung arbeitet, ist eine Saugplatte 17 mit einer Anzahl Löchern 18 vorgesehen, die in eine von Flansehen 19 der Saugplatte 17 und einer Deckplatte 20 gebildete und über eine Rohrverbindung 22 an eine Saugvorrichtung angeschlossene Kammer 21 führen. Der Druck in der Kammer 21 ist niedriger als derjenige, welcher auf der der Entladung zugewandten Seite des Bandes herrscht.

Das zu behandelnde Gas gelangt durch den Einlaß 27 in den Abscheider, verteilt sich im Umkreis zur Elektrode 4 und strömt durch die Entladung zwischen den Spitzen 5 und der Niederschlagsfläche 14 hindurch. Da in der Abbildung angenommen ist, daß die Strömungsrichtung des Gases von außen nach innen zum Zentrum der Hochspannungselektrode 4 verläuft, strömt das Gas von dort durch den rohrförmigen Isolator 3 und den Rohransatz 8 zu einem Auslaß 28. Eine entgegengesetzte Strömungsrichtung kann auch in Frage kommen, ebenso wie auch andere Anordnungen zur Führung des Gases zum Entladungsgebiet vor der Niederschlagsfläche und aus diesem heraus verwendet werden können. Das Band 15 kann auch durch eine Platte od. dgl. aus leitendem Material ersetzt werden.

Bei der Anwendung einer derartigen Vorrichtung für Meßzwecke hat es sich als günstig erwiesen, die Spitzen in einer Entfernung von etwa 5 mm zur Niederschlagsfläche und in einem Abstand untereinander von im Durchschnitt 4 mm anzuordnen, wobei eine Anordnung in Zeilen mit einem Abstand von etwa 5 mm zwischen den Zeilen und etwa 3 mm innerhalb derselben als geeignet anzusehen ist. Die gesamte Spitzenanzahl beträgt dann etwa hundertzwanzig. Hierbei kann ein durchschnittlicher Entladungsstrom von vorzugsweise etwa 15 Mikroampere je Stift verwendet werden, wobei die Arbeitsspannung etwa 8,5 Kilovolt beträgt.

In einem Anwendungsfall wurde der beschriebene Abscheider für die Bestimmung der Konzentration der Radioaktivität eines radioaktiven Aerosols benutzt. Die Luftzufuhr war konstant und betrug 0,575 m³/Min. Bei diesem Wert sowie einem Gesamtentladungsstrom von 1,60 mA und einem Elektrodenabstand von 5,6 mm ergab sich ein Reinigungsgrad von 16,6%. Bei einer Niederschlagsfläche von 16,0 cm² ergibt sich hierbei ein Wert von 1,1 m/Sek. für ν in der oben angegebenen Gleichung für p, was mehr als lOmal der in bisherigen Elektrodenabscheidern gemessenen Partikelgrenzgeschwindigkeit für diese Partikelgröße ist.

Im obigen Beispiel ist vorausgesetzt worden, daß eine negative Korona gebildet wurde. Es ist aber auch möglich, eine positive Korona zu verwenden, was aber im allgemeinen zu einem niedrigeren Wert für die mittlere Partikelgeschwindigkeit ν gemäß der obigen Gleichung führt.

In Entstaubungsvorrichtungen für Industriebetriebe werden meist bedeutend höhere Spannungen und auch entsprechend größere Elektrodenabstände als die obengenannten verwendet. Sie können rund gerechnet etwa verzehnfacht werden.

Claims

Patentanspruch:

Elektrostatischer Abscheider für Aerosole u. dgl. mit einer Entladungselektrode, die eine Anzahl von Spitzenelektroden aufweist, die gegenüber der Abscheideelektrode über eine gegebene aktive Fläche und mit gleichen Abständen von der Abscheideelektrode verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider einen gegen die gasundurchlässig ausgebildete Abscheideelektrode (15) gerichteten Einlaß (27, 1) zur Zuführung des Gases aufweist und die Spitzenelektroden (5) einen solchen gegenseitigen Abstand im Hinblick auf den Zwischenraumabstand zwischen der emittierenden und der Ab-

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scheideelektrode einnehmen, daß die gesamte _{In Betracht gezO}gene Druckschriften: Aufpralmache der erzeugten besenformigen konischen Koronaentladungen auf diesem aktiven Deutsche Patentschriften Nr. 386 509, 533 847; Bereich der Abscheideelektrode nur einen Teil des britische Patentschrift Nr. 476 332; gesamten aktiven Bereichs ausmacht. 5 belgische Patentschrift Nr. 446 123.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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