DE1284947B - Elektrostatischer Abscheider - Google Patents

Description

Anzahl von Ionen und eine maximale Ionisations- F i g. 8 einen Querschnitt nach der Linie VIII-VIII

geschwindigkeit erzeugt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist, ausgehend von
den bekannten elektrostatischen Abscheidern, darin
zu sehen, daß in der Achse des rohrförmigen Be- 20
ladungsraumes noch eine zweite kegelförmig ausgebildete Elektrode liegt, die an derselben Gleichspannung liegt wie die ersterwähnte kegelförmige
Elektrode, und daß die Spitzen beider Elektroden
gegeneinander gerichtet je von einem Rohrende her 25
so angeordnet sind, daß der Abstand der Spitzen
voneinander annähernd gleich dem mittleren freien
Durchmesser des zwischen diesen Elektroden liegenden Abschnittes des Beladungsraumes ist. Die Spannung kann dabei so niedrig gewählt werden, daß ein 30 die beiden einander im Abstand 21 gegenüberliegen-Sprühen an den Elektroden mit Sicherheit vermieden den, zur Wand 1 koaxialen Spitzen zweier spannungwird. Da in der Ionisatorelektrode ein extrem hohes
Feld erzeugt werden kann, das nicht durch Sprüheffekte vermindert wird, wird eine maximale Anlagerungswahrscheinlichkeit der erzeugten Ionen an die 35
abzuscheidenden flüssigen oder festen Aerosolpartikeln erreicht.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind
im gleichen Rohr hintereinander mehrere sich gegenüberstehende Spitzenpaare angeordnet, die somit eine 40 gering, also ein Minimum ist. Reihe hintereinander angeordneter Rohrabschnitte Es kann nun gezeigt werden, daß an der Begren

zungswand 1 in der durch den O-Punkt gehenden Radialebene die maximale Feldstärke dann auftritt, wenn der Spitzenabstand vom O-Punkt gleich dem Radius ρ ist.

Es ist bekannt, daß sich an Spitzen, sehr dünnen Drähten und an vorstehenden Ecken eine Feldstärkenverdichtung einstellt, daß also die Wirksamkeit eines Feldes zum Zweck der Ionisation um so

stromabwärts liegenden Ionisationselektrode des Be- 50 größer wird, je geometrisch ausgeprägter die Ioniladungsraumes in das nachgeordnete Rohr hinein- sationselektroden sind.

ragen und der Abscheideelektrode als spannung- Elektroden mit absoluten Spitzen lassen sich

führende Gegenelektrode dienen. technisch nicht herstellen. Praktisch wird jede solche

Im nachgeordneten Abscheiderohr kann auch eine »Spitze« annähernd ein Rotationshyperboloid darkoaxiale spannungführende Gegenelektrode ange- 55 stellen. In der Praxis lassen sich Spitzen mit einer ordnet sein, deren Spannung von jener der Ionisator- Konizität von z. B. 0,25 auf 70 mm Länge anfertigen.

In F i g. 2 ist einerseits das Äquipotentialfeld und andererseits das diesem orthogonal überlagerte, zugeordnete elektrische Feld dargestellt. Die beiden 60 von den Spitzen 2 ausgehenden Felder treffen sich in der durch den O-Punkt gehenden Meridianebene; sie bilden somit eine schirmförmige bzw. fächerförmige Feldverteilung, die, rotationssymmetrisch betrachtet, zu einem Sperrfeld wird. Ähnliche Überbeispielen eines elektrostatischen Abscheiders näher 65 legungen gelten natürlich für sehr dünne Drahtbeschrieben. Es zeigt elektroden.

F i g. 1 schematisch einen Axialschnitt durch den Wie schon erwähnt, darf die Ionisationselektrode

Ionisatorelektroden (hier mit Spitzen) enthaltenden nicht zum Sprühen kommen. Sobald die Spitze oder

in Fig. 7,

F i g. 9 im Axialschnitt ein Beispiel mit sich konisch erweiterndem Beladungsraum,

Fig. 10 im Axialschnitt einen Elektroabscheider mit Drahtringen als Ionisatorelektroden,

Fig. 11 im Axialschnitt eine Mehrstufenvariante zu Fig. 10 und

F i g. 12 ein Beispiel mit radioaktivem Ionisator.

In F i g. 1 der Zeichnung ist der grundsätzliche Aufbau eines Elektroabscheiders dargestellt. Darin bedeutet 1 die hier zylindrische Begrenzungswand des rotationssymmetrischen Beladungsraumes (die gleichzeitig als geerdete Gegenelektrode dient), 2 sind

führender Spitzenelektroden, ρ ist der Innenradius der zylindrischen Wandl, und β ist der Spitzenwinkel der beiden Elektrodenspitzen 2.

Für den Ionisations- und Beladungsprozeß eines Elektroabscheiders ist gemäß den eingangs aufgeführten Forderungen entscheidend, daß der Feldstärkeabfall zwischen der Ionisationselektrode und der den Ionisationsraum begrenzenden Wand möglichst

ergeben. Die einlaßseitige Spitzenelektrode bewirkt dabei eine gewisse Vorionisation, während die auslaßseitige Spitzenelektrode einer Restabscheidung dient.

Vorzugsweise ist dem die Ionisatorelektroden enthaltenden Rohr ein als Abscheideelektrode dienendes geerdetes Rohr nachgeordnet.

Dabei kann eine zylindrische Verlängerung der

elektrode verschieden ist.

Gemäß einer Weiterbildung sind die Ionisatorelektroden als Träger eines radioaktiven Präparates ausgebildet.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Beladungsraum konisch erweitert.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungs-

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der Draht zu sprühen beginnt, sinkt durch die auf- drischen geerdeten Ionisatorrohr 5 sind wiederum tretende Ionenwolke das Feld in der Umgebung zwei von entgegengesetzten Rohrenden her in das der Elektrode weitgehend ab, da die, wenn es sich Rohr hineinragende Spitzenelektroden 6 vorgesehen, um Luftionisation handelt, zum Leuchten angeregten die beide an dieselbe Gleichspannung Ui angeschlos-Stickstoffatome eine sehr kräftige Ionenwolke bilden, 5 sen sind. Auch hier wird das vorangehend beschriealso ein leitendes Plasma, in dem das Feld abhängig bene Schirmfeld erzeugt, das bei minimaler Spannung von der Plasmadichte zusammenbricht. eine maximale Ionenzahl mit maximaler Beladung Wenn man die an die Spitze oder den Draht ergibt. Eine aus dem Rohr 5 herausragende isolierte angelegte Spannung unterhalb der Grenzspannung zylindrische Verlängerung 6 a der stromabwärts Hefür das Austreten freier Elektronen aus der Elek- io genden Spitzenelektrode 6 ragt in ein Abscheidetroden- bzw. Spitzenoberfläche hält, dann ist das rohr 7 hinein und ist durch sternförmig angeordnete, elektrische Feld in der Umgebung der Elektrode nur radial durch Wandöffnungen des Rohres 7 ragende in der Lage, die freien in der Atmosphäre befind- Streben 8 außerhalb des Rohres 7 abgestützt. Von liehen Ionen zu beschleunigen. Werden diese Ladungs- der Auslaßseite her ragt außerdem in das geerdete träger in dem hohen Feld beschleunigt, dann erzeu- 15 Abscheiderohr 7 eine spannungführende Gegenelekgen sie durch sogenannte sekundäre Stoßprozesse trode 9 hinein, deren Spannung Ua von jener der eine Ionenlawine, die aber im allgemeinen nicht Spitzenelektroden verschieden ist. Die erzeugte Abausreicht, um eine maximale Ionisation zu erzielen. scheidefeldstärke liegt knapp unter der Durchbruchs-Man kann also auf die aus der Elektrodenoberfläche feldstärke.

austretenden Elektronen nicht verzichten (es sei 20 Es ist auch möglich, die Spannung Ua gleich der denn, man verwendet einen zusätzlichen Ionisator, Spannung Ui zu wählen; in diesem Fall ist der z.B. ein radioaktives Präparat); denn erst dadurch Elektroabscheider nach Fig. 6 ausgebildet. Auch läßt sich die zweite Forderung, die Anzahl der hier ist ein von einem geerdeten Abscheiderohr 10 erzeugten Ionen soll ein Maximum sein, erfüllen, getrenntes, koaxiales Ionisationsrohr 11 vorgesehen, wobei die austretenden Elektronen durch das hohe 35 in das in der beschriebenen Weise die je an der elektrische Feld an der Elektrode zu Geschwindig- Spannung ui liegenden Spitzenelektroden 12 hineinkeiten bis zu 9 · 10⁹ cm/sec beschleunigt werden ragen. Eine axiale zylindrische Verlängerung 12 a der und damit genügend Energie erhalten, um die neu- stromabwärts liegenden Spitzenelektrode 12 des Ionitralen Stickstoff- und Sauerstoffatome zu ionisieren. sators bildet die spannungführende Gegenelektrode Praktische Versuche haben gezeigt, daß der Elektro- 30 des Abscheiders. Der Radius r der Gegenelektrode nenaustritt bei der gewählten Anordnung bereits bei 12 a ist gegenüber dem Innenradius R des Abscheide-Feldstärken erfolgt, bei welchen noch kein Sprühen rohres so gewählt, daß die Abscheidefeldstärke auch auftritt. Es ist dabei gelungen, Feldstärken von 10⁷ hier knapp unter der Durchbruchfeldstärke liegt und bis 10⁸ V/cm an den Elektroden sprühfrei zu erzeu- daß eine minimale Abscheiderlänge L erzielt wird, gen und damit die Forderung nach maximaler Ionen- 35 Der Vorteil dieser Zweikammerabscheider mit vom zahl zu erfüllen. Ionisator getrenntem Abscheider liegt darin, daß Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel praktisch keine Beschränkung des Aerosol-Durchist 3 ein zylindrisches Metallrohr, das dem zu satzvolumens je Sekunde in Kauf genommen werden reinigenden Gasstrom als Durchlaß dient; das Rohr 3 muß. Die Grenze für die Durchsatzgeschwindigkeit ist geerdet und dient einerseits dem Ionisator als 40 ist im allgemeinen gegeben durch die Haftfähigkeit Gegenelektrode und anderseits dem Abscheider als der Partikeln an der Abscheideelektrode. Die Durch-Niederschlagselektrode. Zwei an die gleiche Gleich- Satzgeschwindigkeit wird höher liegen bei Aerosolen spannung Ui angeschlossene Spitzenelektroden 4 _mit flüssigen Partikeln als bei Aerosolen mit festen ragen von den beiden Rohrenden her koaxial so weit Partikeln. Das hohe, noch an der Abscheideelektrode in das Rohr 3 hinein, daß ihr Spitzenabstand 21 ₄₅ wirksame elektrische Feld übt einen elektrischen annähernd gleich dem inneren Rohrdurchmesser 2 ρ Druck auf die Abscheideelektrodenwand aus und ist. Ein Elektroabscheider dieser Art eignet sich für trägt somit dazu bei, daß die Haftfähigkeit der sich jene Fälle, in welchen die Wandergeschwindigkeit langsam entladenden Partikeln noch erhöht wird der zu beladenden und abzuscheidenden Aerosol- und damit also die Durchsatzgeschwindigkeit des partikeln im Rohr 1,5 m/sec nicht übersteigt. In ₅o Aerosols und das Durchsatzvolumen gesteigert werdiesem Fall kann der die Spitzen enthaltende Raum den können.

so ausgelegt werden, daß die Ionenerzeugung, die Der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Elektro-

lonenanlagerung und die Partikelabscheidung inner- abscheider arbeitet analog dem Beispiel nach F i g. 5

halb der Länge L des Rohres erfolgen. Diese Länge L nach dem Einkammersystem, besitzt jedoch mehrere

hängt vom Radius ρ des Rohres, der Strömungs- ₅₅ hintereinander angeordnete Ionisations- und Ab-

geschwindigkeit des Aerosols und der elektrischen scheiderstufen. Im zylindrischen, geerdeten Rohr 13,

Geschwindigkeit ab, wobei die letztere eine Funktion das sowohl als Gegenelektrode für den Ionisator als

der Größe und der Ladungszahl der Partikeln, der auch als Abscheideelektrode des Abscheiders dient,

dynamischen Zähigkeit des Aerosols und der Feld- sind drei koaxiale Sätze von Spitzenelektroden 14,14 α

stärke ist. Auch hier zeigt sich, daß zur Erzielung 60 angeordnet. Die Spitzenelektrodenpaare 14 a, 14 bzw.

einer maximalen Abscheidung die getroffene Wahl ±4,14 sind mittels radialer, durch Wandöffnungen im

des Spitzenabstandes von ausschlaggebender Bedeu- Rohr 13 nach außen ragender Streben 15 z. B. an

tung ist, da nur bei angenäherter Gleichheit von einem Gehäuse des Abscheiders ortsfest verankert

Spitzenabstand und Rohrdurchmesser die für maxi- und liegen alle an der gleichen Gleichspannung ui.

males Abscheiden erforderliche maximale Feldstärke 65 Zwischen den einander zugekehrten Spitzenelektro-

an der Rohrwand erzielt werden kann. den 14 wird das eine maximale Beladung der Aerosol-

Die Fig.4 und 5 zeigen einen Elektroabscheider partikeln gewährleistende Schirmfeld erzeugt, und

mit vom Ionisator getrenntem Abscheider. Im zylin- gleichzeitig ist die Anordnung so getroffen, daß auch

die Abscheidung innerhalb der diese Spitzenpaare enthaltenden Rohrabschnitte erfolgt. Die einlaßseitige Spitzenelektrode 14 a bewirkt dabei eine gewisse Vorionisation, während die auslaßseitige Spitzenelektrode 14 a einer Restabscheidung dient.

Bei dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel ist der rotationssymmetrische Beladungsraum durch ein sich in Durchströmrichtung α konisch erweiterndes, geerdetes Rohr 16 gebildet. Mit 17 sind hier die einander entgegenwirkenden, das Schirm- oder Gegenfeld erzeugenden Elektrodenspitzen bezeichnet, die in das Rohr 16 hineinragen und an der gleichen Gleichspannung ui liegen. Der gegenseitige Spitzenabstand 21 ist annähernd gleich dem mittleren Durchmesser 2 ρ des zwischen den Spitzen 17 liegenden Rohrabschnittes. Da die Höhe der zulässigen Spannung vom Radialabstand der Spitze von der Rohrwand abhängt, könnte in diesem Fall an die stromabwärts liegende Spitze 17 eine größere Spannung angelegt sein als an die einlaßseitige Spitze 17. Um allzu große Feldverzerrungen gegenüber dem Normalfall mit zylindrischem Beladungsraum zu vermeiden, darf der Konuswinkel des Rohres nicht zu groß sein; die praktische Grenze dürfte etwa bei 20° liegen. _

Bei dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel ist der Beladungsraum wiederum durch ein zylindrisches, geerdetes Rohr 18 gebildet. Das Rohr 18 ist axial von einem Rundstab 19 aus Isoliermaterial durchsetzt, der zwei Drahtringelektroden 20 als Träger dient. Die Zuführung der zweckmäßig gleichen Gleichspannung zu den beiden Elektroden 20 kann durch den Stab 19 hindurch erfolgen. Der axiale Abstand der beiden Drahtelektroden 20 ist wenigstens annähernd gleich dem freien Durchmesser 2 ρ des Rohres 18. Es versteht sich, daß auch hier analog dem Beispiel nach Fig. 3 die Anordnung so getroffen sein kann, daß die Abscheidung innerhalb des Rohres 18 selbst stattfindet. Andererseits kann natürlich auch, wie in allen andern beschriebenen Fällen, ein separater Abscheider nachgeordnet sein; Fig. 11 zeigt eine Mehrstufenvariante des Beispiels nach Fig. 10, d. h., auf dem Stab 19 ist eine Mehrzahl von im Abstand 21 = 2 ρ angeordneten Drahtringelektroden 20 angeordnet, die paarweise je das genannte Schirmfeld erzeugen. .

Bei den vorangehend beschriebenen Beispielen wurde stets davon ausgegangen, daß der Beladungsprozeß auf einer Feldionisation beruhe, d. h., die spannungführenden Draht- oder Spitzenelektroden erzeugen nicht nur ein der Beschleunigung freier Ionen dienendes Feld, sondern erzeugen selbst Ionen durch Elektronenaustritt aus der Elektrodenoberfläche, ohne aber dabei zum Sprühen zu kommen. Beim Beispiel nach Fig. 12, dessen Beladungsraum durch das geerdete zylindrische Rohr 21 begrenzt wird, sind von entgegengesetzten Seiten koaxial in das Rohr 21 hineinragende Elektroden 22 als Träger für je ein radioaktives Präparat 23, z. B. einen a- oder ß-Strahler, ausgebildet. Die beiden Trägerelektroden liegen an der gleichen Gleichspannung ui, und ihr gegenseitiger Abstand 21 ist mindestens annähernd gleich dem inneren Rohrdurchmesser 2 ρ.

In. allen vorangehenden Beispielen wurde angenommen, daß die einander entgegenwirkenden Ionisatorelektroden jeweils gleicher Art seien. Es ist aber ohne weiteres möglich, die verschiedenen Elektrodenarten kombiniert anzuwenden; so könnte z.B. die eine der Ausführungen nach Fig. 12 durch eine Spitzenelektrode oder eine Drahtringelektrode ersetzt sein.

Im vorangehenden wurden Elektroabscheider beschrieben, bei welchen der Abscheider stets analog dem Ionisator durch eine zylindrische Außenelektrode und eine dazu koaxiale Innenelektrode gebildet ist. Obwohl dies in vielen Fällen die zweckmäßigste Ausführungsform darstellen wird, sind auch Ausführungen mit ineinandergeschachtelten Zylinderelektroden möglich.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrostatischer Abscheider mit geerdeter Abscheideelektrode und mit axial in einem rotationssymmetrischen Beladungsraum, der durch ein geerdetes Rohr gebildet ist, angeordneten spannungführenden Ionisationselektroden, von denen die eine kegelförmig zugespitzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Achse des rohrförmigen Beladungsraumes (1, 3, 5, 11, 13,18) noch eine zweite kegelförmig ausgebildete Elektrode (2, 4, 6, 12, 14) liegt, die an derselben Gleichspannung liegt wie die ersterwähnte kegelförmige Elektrode, und daß die Spitzen beider Elektroden gegeneinander gerichtet je von einem Rohrende her so angeordnet sind, daß der Abstand (2/) der Spitzen voneinander annähernd gleich dem mittleren freien Durchmesser (2 o) des zwischen diesen Elektroden liegenden Abschnittes des Beladungsraumes ist.

2. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen Rohr (13) hintereinander mehrere sich gegenüberstehende Spitzenpaare (14) angeordnet sind (Fig. 7).

3. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem die lonisatorelektroden enthaltenden Rohr (5) ein als Abscheideelektrode dienendes geerdetes Rohr (7) nachgeordnet ist (Fig.4).

4. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Verlängerung (6 a) der stromabwärts liegenden Ionisationselektrode (6) des Beladungsraumes in das nachgeordnete Rohr (7) hineinragt und der Abscheideelektrode als spannungführende Gegenelektrode dient (Fig. 4).

5. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im nachgeordneten Abscheiderohr (7) eine koaxiale spannungführende Gegenelektrode (9) angeordnet ist, deren Spannungshöhe von jener der lonisationselektroden (6) verschieden ist.

. 6. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lonisatorelektroden (22) als Träger eines radioaktiven Präparates (23) ausgebildet sind (Fig. 12).

7. Elektrostatischer Abscheider nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beladungsraum in der Durchströmrichtung konisch erweitert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen