DE3122515C2

DE3122515C2 - Elektrostatische Filteranordnung

Info

Publication number: DE3122515C2
Application number: DE3122515A
Authority: DE
Inventors: Senichi Tokio/Tokyo Masuda; Naoki Kawaguchi Saitama Sugita
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-05
Filing date: 1981-06-05
Publication date: 1986-06-12
Also published as: US4357150A; GB2083380B; DE3122515A1; FR2483806A1; FR2483806B1; JPS571454A; GB2083380A

Abstract

Es wird eine hochwirksame elektrostatische Luftfilteranordnung angegeben, die bei der Staubabscheidung eine hohe Wirksamkeit und eine lange Lebensdauer besitzt. Die Anordnung besteht aus einem Ladungsbereich mit einer Vielzahl von Elektroden, um die Staubteilchen im zu behandelnden Gas zu laden und einem Staubabscheidungsbereich, der mit einem wellenförmigen Filtermedium versehen ist und Abstandselektroden aufweist, die in den Mulden der wellenförmigen Bereiche des Filtermediums angeordnet sind, wobei eine Elektrode jedes Paares von Elektroden im Ladungsbereich und die Abstandselektroden auf einer Seite des Filtermediums im Staubabscheidungsbereich an eine hohe elektrische Spannung angelegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Filteranordnung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher angegeben ist. Elektrostatische Filteranordnungen dieser Art werden insbesondere zur Reinigung von Luft abgeschlossener Räume verwendet; solche Anordnungen haben eine sehr hohe Wirksamkeit und eine lange Lebensdauer.

Die sogenannten HEPA-Einheiten oder Hochleistungs-Luftfilter-Einheiten werden in großem Umfang derzeit vewendet. Diese Einheiten haben eine hohe Staubabscheidungseffizienz, jedoch ist der Druckverlust recht hoch, wenn ein mit Staub beladenes Gas den Filter passiert.

Wenn die Poren des Filters groß oder grob ausgebildet werden, um den Druckverlust zu verringern« wird die Wirksamkeit bei der Staubabscheidung verringert Wenn der Druckverlust abnimmt indem man die Geschwindigkeit des zu behandelnden Gases verringert, muß die Größe des Filters erhöht werden. Außerdem haben andere Nachteile darin bestanden, daß der Druckverlust beim Zusetzen der Poren zunimmt und daß die Lebensdauer des Filters kurz ist Somit wird

ίο häufig ein Vorfilter verwendet um die Lebensdauer eines solchen Filters zu vergrößern.

Aus der GB-PS 6 55 407 ist eine elektrostatische Filteranordnung bekannt bei der auf einen Ionisationsabschnitt ein Staubabscheider folgt Der Staubabscheider enthält ein flaches, wellenförmig zwischen Zinken eines Rahmens gelegtes Filtermaterial. Auf der stromabwärts zum Gasstrom gelegenen Seite des Filtermediums befinden sich Stäbe, die mit einer Hochspannungsquelle verbunden sind. Dac Filtermedium wird in der Nähe dieser Stäbe so aufgeladen, daß die geladenen Staubteilchen von dem Filtermedium angezogen werden. Hierdurch steigt die Effektivität der Filteranordnung an, andererseits drirgen die Staubteilchen in das Filtermedium ein und bilden im Laufe des Betriebes auf ihm eine relativ undurchdringliche Staubschicht, so daß die Gasströmung behindert wird.

Aus der GBPS 8 92 908 ist weiterhin ein slektrostatisches Filter bekannt, bei dem das Filtermedium wellenförmig gekrümmt ist. Stromaufwärts wie stromabwärts sind in aen Mulden des Filters jeweils Elektroden angeordnet, die mit Hochspannung beaufschlagt sind und die zur Ionisation der in dem Gasstrom enthaltenen Staubteilchen dienen. Um die Staubteilchen auf der stromaufwärts liegenden Seite des Filtermediums ionisieren zu können, ist eine solche Polarität der Elektroden notwendig, daß die ionisierten Staubteilchen auf das Filter hin beschleunigt werden. Damit entwickelt sich im Laufe des Betriebes eines solchen Filters ebenfalls eine feste Staubschicht auf dem Filtermaterial.

Eine ähnliche Filteranordnung ist auch aus der DE-OS 16 32 442 bekannt. Bei diesem elektrostatischen Staubfilter erfolgt die Aufladung der Staubteilchen mit Hilfe von Eleklroden, die zu beiden Seiten des Filtermediums angeordnet sind. Die stromaufwärts gelegenen Elektroden sind positiv vorgespannt, die stromabwärts gelegenen negativ, so daß auch bei diesem Filter die Staubteilchen nach ihrer Aufladung auf das Filtermedium hin beschleunigt werden und sich im Laufe des Betriebes eine verhältnismäßig feste Staubschicht in und auf dem Filtermedium ausbildet

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrostatische Filter-.nordnung so auszugestalten, daß sich beim Betrieb der Filteranordnung keine feste Staubschicht in und auf dem Filtermedium ausbildet.

Diese Aufgabe wird mit einer im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen elektrostatischen Filteranordnung gelöst, die nach dem Kennzeichenteil dieses Anspruchs ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren dargestellten Alisführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert. En zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Luftfilteranordnung, bei der ein Ladungsbereich und ein Staubabscheidungsbereich getrennt sind, um die gesamte An-

Ordnung deutlich zu machen,

F i g. 2 eine elektrische Schaltung für eine derartige Ausführungsform,

F i g. 3 eine schematische Draufsicht eines Teils des Staubabscheidungsbereiches zur Erläuterung des Zustsnds des mit Staub beladenen Gasstromes, und in

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines Teils des Staubabscheidungsbereiches zur Erläuterung der Richtung des elektrischen Feldes sowie der Bewegungsrichtung der elektrisch geladenen Teilchen, die man das Filtermediuin passieren läßt

Die erfindungsgemäße Luftfilteranordnung besteht aus einem Ladungsbereich 1 und einem Staubabscheidungsbereich 5. Ein Rahmen 2 des Ladungsbereiches 1 ist mit einer Vielzahl von Plattenelektroden 3 versehen, die parallel zueinander angeordnet sind. Jede der Plattenelektroden 3 ist geerdet, und die Ebene der Elektrode 3 verläuft in paralleler Anordnung zur Richtung der zu behandelnden Luft, in den Zwischenräumen zwischen den Plattenelektroden 3 sind Ladungselektroden 4 angeordnet, die an eine Hochspannungsquelle 10 für die Gleichspannung angeschlossen sind.

Ein Rahmen 6 des Staubabscheidungsbereiches 5 ist mit einem Filtermedium 7 versehen, das in gewellter Form zusammengefaltet ist. In den Mulden der Wellen sind sowohl an der stromaufwärtigen Seite als auch der stromabwärtigen Seite Abstandselektroden 8, SA und SB vorgesehen, die z. B. aus gewellten Metallblechen bestehen. Die Abstandselektroden SA auf der stromaufwärtigen Seite sind geerdet, während die anderen Abstandselektroden 85 auf der stromabwärtigen Seite an eine elektrische Spannungsversorgung 9 angeschlossen sind, um eine Hochspannung an sie zu legen.

Wenn man den Auslaß des oben beschriebenen Ladungsbereiches 1 an den Einlaß des Staubabscheidungsbereiches 5 anschließt, läßt sich die verbesserte hochwirksame elektrostatische Filteranordnung gemäß der Erfindung herstellen. Der Ladungsbereich 1 und der Staubabscheidungsbereich 5 können gewünschtenfalls zusammen in dem gleichen Rahmen eingebaut werden.

Nachstehend soll die Wirkungsweise der oben beschriebenen Luftfilteranordnung näher erläutert werden. Eine hohe Gleichspannung von 1 kV bis 3 kV wird an die Ladungselektorden 4 und die Abstandselektroden SB an der stromabwärtigen Seite angelegt. Das zu behandelnde, mit Staub beladene Gas wird von dem Einlaß des Ladungsbereichs 1 zugeführt, in welchem Staubteilchen mit einer Coronaentladung elektrisch geladen werden. Das Gas, welches die geladenen Staubteilchen trägt, durchläuft dann den Staubabscheidungsbereich 5, wie es mit strichlierten Pfeilen in F i g. 3 und 4 angedeutet ist. Bei diesem Vorgang werden die meisten geladenen Teilchen 13 von den Abstandselektroden SA auf der stromaufwärtigen Seite angezogen, geben ihre elektrische Ladung ab und setzen sich auf den Flächen der Elektroden SA ab. Somit werden die meisten Staubteilchen im zu behandelnden Gas entfernt. Je größer die Teilchengröße, desto höher ist die Wirkung dieser Staubabscheidung.

Gasströme 11, welche die übrigen geladenen Teilchen 13 enthalten, bewegen sich weiter, wie es mit den Pfeilen in der Zeichnung dargestellt ist, d. h. die Gasströme 11 passieren das Filtermedium 7 längs des kürzesten Weges aufgrund des Filterwiderstandes. Somit bewegen sich die Gasströme 11, wie in F i g. 4 dargestellt, parallel zueinander und entgegengesetzt zu den Kraftlinien der elektrischen Feldstärke 12, die von der Abstandselektrode 8ß zur Abstandselektrode SA gerichtet sind.

Gleichzeitig wird die Geschwindigkeit pro Querschnittsflächeneinheit der Gasströme 11 durch das Filtermedium 7 sehr niedrig, verglichen mit der Geschwindigkeit auf der stromaufwärtigen Seite dieses Staubab-Scheidungsbereiches 5. Da die Richtung des elektrischen Feldes und die Richtung der Gasströme entgegengesetzt zueinander sind, bewegen sich die geladenen Teilchen 13 entgegengesetzt zur Richtung der Gasströme. Wenn die Geschwindigkeit dieser entgegengesetzten Bewegung der Teilchen die Geschwindigkeit der Gasströme durch das Filtermedium 7 überschreitet, können die geladenen Teilchen 13 nicht in die Poren des Filtermediums 7 eintreten. Da jedoch die Gasstromgeschwindigkeit außerhalb des Filtermediums 7 groß ist, werden die geladenen Teilchen 13 schließlich im porösen Zustand auf der Oberfläche des Filtermediums 7 abgelagert. Auch wenn die geladenen Teilchen 13 in die Poren des Filtermediums 7 aufgenommen werden, werden sie in porösem oder lockeren Zustand längs der Feldlinien des elektrischen Feldes abgeschieden, das von den Abstandselektroden SA und 8ß angelegt wird, und sie werden durch die Fasern des Filtermediums 7 verteilt. Da der Zustand der Abscheidung von Staubteilchen porös oder locker ist, ist die Menge an Staub, der vom Filtermedium 7 abgefangen wird, sehr groß im Vergleich zu dem Falle, bei dem Staubteilchen unregelmäßig auf und in dem Filtermedium 7 abgeschieden werden.

Bei dem oben beschriebenen Staubabscheidungsmechanismus kann die Wirksamkeit der Staubabscheidung sehr verbessert werden, und man kann sauberes Gas am Auslaß des Staubabscheidungsbereiches 5 erhalten. Da außerdem größere Teilchen wirksamer entfernt werden, tritt kaum ein Vollsetzen der Poren des Filtermediums 7 auf, was eine wesentlich längere Lebensdauer ergibt. In Verbindung mit der Wirksamkeit der Staubabscheidung ist die Luftfilteranordnung gemäß der Erfindung untersucht und getestet worden, um die Wirksamkeit der Anordnung zu bestätigen.

Testverfahren

Von einem Gebläse zugeführte Luft wurde gereinigt, indem man eine Hochleistungs-Luftfilter-Einheit verwendete, um suspendierte feine Teilchen von fremden Substanzen zu entfernen. Die gereinigte Luft wurde dann mit einer Suspension von feinen DOP-Teilchen (Dioktylphthalat-Teilchen) gemischt, die unter Verwendung eines Aerosol-Suspensionsgenerators erhalten wurden. Die so erhaltene Gasmischung wurde dann durch ein Strömungs-Reguliergitter, einen stromaufwärtigen Dichtemeßbereich, einen Filtertestbereich und einen stromabwärtigen Dichtemeßbereich durchgeführt und das untersuchte Gas abgelassen. Testproben wurden durch eine Verdünnungseinrichtung mit einem Durchsatz von 100 ml pro 20 see aus Probenröhren abgenommen, die am stromaufwärtigen Dichtemeßbereich und am stromabwärtigen Dichtemeßbereich angebracht waren. Die Anzahl von DOP-Teilchen wurde mit einem Lichtstreuungs-Teilchenzähler gezählt, die Wirksamkeit der Staubabscheidung wurde auf der stromaufwärtigen Teilchendichte und der stromabwärtigen Teilchendichte gemäß der nachstehenden Formel berechnet. Die stromaufwärtige Teilchendichte von Teilchen mit einem Durchmesser von 0,3 μηι oder mehr betrug ungefähr 5000/ml.

Wirksamkeit der
Staubabscheidung (ι,)

1 -

*~out

Q_n

wobei Q_n die Teilchenanzahl auf der stromautwärtigen Seite vor der Filterung und C_oui die Teilchenanzahl auf der stromabwärtigen Seite nach der Filterung angeben.

Testergebnisse (Wirksamkeit der Staubabscheidung)

Einzelheiten

Testl

Test 2

10

Nur Filtermedium 99,997% 97,7%

erfindungsgemäße 99,999997% 99,998%

Luftfüteranordnung

Druckverlust (in beiden 25,4 mmAq 8,5 mmAq

Fällen)

Aus den obigen Testergebnissen ergibt sich, daß dann, wenn die erfindungsgemäße Luftfüteranordnung verwendet wird, die Wirksamkeit der Staubabscheidung um drei Dezimalstellen gegenüber der Wirksamkeit des herkömmlichen Falles mit dem Filtermedium allein verbessert werden kann.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden wellenförmige elektrisch-leitende Platten als Abstandselektroden 8/4 und 85 verwendet, um Zwischenräume zwischen den Spitzen oder Scheiteln des gefalteten Filtermediums 7 zu bilden. Wenn jedoch das Filtermedium 7 aus einem harten Material besteht, können die Abstandselektroden SA und SB auch aus flachen Platten bestehen, da die muldenförmigen Zwischenräume der Wellenform des Filtermediums 7 durch die Festigkeit oder Steifigkeit des Materials aufrechterhalten werden können.

Außerdem ist bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Richtung des elektrischen Feldes zwischen den Abstandselektroden entgegengesetzt zur Richtung der Gasströme. Es darf jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Richtung des elektrischen Feldes auch die gleiche sein kann wie die Richtung der Gasströme, oder aber die beiden Richtungen können relativ zueinander geneigt sein. Wenn die Richtung des elektrischen Feldes zwischen den Abstandselektroden die gleiche ist wie die Richtung der Gasströme, werden die meisten geladenen Teilchen in den Poren des Filtermediums abgeschieden.

Wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform die an die Abstandselektroden angelegte elektrische Spannung zu hoch ist, treten Funken zwischen den Abstandselektroden auf, welche das Filtermedium beschädigen. Wenn andererseits die elektrische Spannung zu niedrig ist, kann eine wesentliche Verbesserung der Staubabscheidungs-Wirksamkeit nicht erwartet werden. Somit sollte die elektrische Spannung, die an die Abstandselektroden angelegt wird, einen solchen Pegel haben, daß die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen in der Richtung der Feldlinien des elektrischen Feldes gleich oder größer als die Geschwindigkeit der Gasströme ist, die das Filtermedium passieren. Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, ist es erforderlich, die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen durch das Filiermedium zu verringern, und somit wird dem Filtermedium eine wellenförmige Gestalt gegeben, um seinen effektiven Bereich oder seine wirksame Fläche zu vergrößern.

Wenn außerdem die elektrisch leitenden Abstandselektroden SA auf der stromabwärtigen Seite mit Isoliermaterial umhüllt sind, können Funken vermieden werden. Somit kann ein intensives elektrisches Feld zwischen den Abstandselektroden erzeugt und die Wirksamkeit der Staubabscheidung wesentlich verbessert werden. Da außerdem die Staubabscheidung sehr wirksam ist, ist die Staubdichte auf der stromabwärtigen Seite sehr niedrig. Somit kann die Verringerung der Staubabscheidungs-Wirksamkeit aufgrund des auf der Oberfläche des Isoliermaterials über den Abstandselektroden abgeschiedenen Staubes gut vermieden werden.

Bei der erfindungsgemäßen Luftfüteranordnung werden die Staubteilchen elektrisch geladen und dann mit drei Maßnahmen abgeschieden, und zwar auf den Abstandselektroden, auf den Oberflächen des Filtermediums und in den Poren des Filtermediums. Mit anderen Worten, die Staubteilchen werden zunächst einmal von den Abstandselektroden abgeschieden, die verbleibenden Staubteilchen werden auf den Oberflächen des Filtermediums abgeschieden, und die dann noch verbleibenden Staubteilchen werden schließlich in den Zwischenräumen zwischen den Fasern des Filtermediums abgeschieden. Somit ist die erfindungsgemäße Luftfüteranordnung in der Lage, eine sehr hohe Wirksamkeit bei der Staubabscheidung zu erreichen sowie für eine lange Lebensdauer zu sorgen, wobei diese beiden Wirkungen bei herkömmlichen Anordnungen sich gegenseitig ausschließen.

Dies ergibt sich aus den drei Funktionen der Abstandselektroden: Sie halten die Abstände zwischen den gefalteten Teilen des Filtermediums aufrecht und verstärken das Filtermedium mechanisch; sie dienen als Staubabscheidungsplatten für die geladenen Teilchen; und sie dienen als Elektrodenplatten zur Ausbildung eines elektrischen Feldes in den Zwischenräumen zwischen ihnen und dem Filtermedium und in den Poren des Filtermediums. Der Aufbau oder die Struktur ist unterschiedlich von herkömmlichen Staubabscheidungseinrichtungen, z. B. Anordnungen, bei denen das Filtermedium in ein Drahtnetz eingehüllt ist, um ein elektrisches Feld innerhalb des Filtermediums zu erzeugen, und wobei die Elektroden getrennt eingebaut sind. Sie unterscheidet sich auch von solchen Anordnungen, bei denen ein zweistufiger elektrischer Staubabscheider getrennt auf der stromaufwärtigen Seite angebracht ist.

Mit dem oben beschriebenen dreistufigen Staubabscheidungsmechanismus gemäß der Erfindung läßt sich eine hohe Wirksamkeit bei der Staubabscheidung erzielen, wenn man es mit dem Fall vergleicht, bei dem keine elektrische Spannung angelegt wird. Außerdem läßt sich aufgrund des vorhergehenden Staubabscheidungseffektes mit den Abstandselektroden und der Art der Staubabscheidung in der porösen Struktur auf der Oberfläche des Filtermediums eine sehr wirksame Luftfüteranordnung erhalten, bei der kein Zusetzen der Filterporen auftritt und bei der ein sehr niedriger Druckverlust eintritt.

Außerdem ist es möglich, wie sich aus den Ergebnissen beim Test 2 ergibt, einen Luftfilter anzugeben, der eine sehr hohe Wirksamkeit der Staubabscheidung bei sehr niedrigem Druckverlust erzielt Mit anderen Worten, wenn die Wirksamkeit der Staubabscheidung und die Größe der Anordnung die gleichen sind wie bei herkömmlichen Vorrichtungen, so ist es möglich, eine Luftfüteranordnung zu schaffen, die eine große Behandlungskapazität aufweist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrostatische Filteranordnung mit einem Aufladungsbereich (1), der eine Anzahl von Elektrodenpaaren aufweist, von denen jeweils eine Elektrode (4) an eine Hochspannung gelegt und die andere Elektrode (3) geerdet ist und mit einem Staubabscheidungsbereich (5), in dem senkrecht zur Strömungsrichtung des zugeführten Gases ein wellenförmig gelegtes, flaches Filtermedium (7) angeordnet ist und zu beiden Seiten des Filtermediums (7) Elektroden (8Λ, 8B) angeordnet sind, wobei die Elektroden (8B) auf der einen Seite des Filtermediums an einer Hochspannung liegen und die anderen Elektroden (8A)geerdet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8A, 8B) flächenhaft ausgedehnt und in den Mulden der wellenförmigen Teile des Filtermediums (7) an den stromaufwärts und stromabwärts liegenden Seiten des Filtermediums (7) angeordnet sind, daß wesentliche Gebiete der Elektroden einen Abstand von der Oberfläche des Filtermediums haben, und daß die zwischen den Elektroden herrschende Feldstärke dem Gasstrom entgegengerichtet ist.

2. Elektrostatische Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannung (9) eine Gleichspannung im Bereich von 1 kV bis 3 kV ist.

3. Elektrostatische Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8A, 8B) wellenförmig gekrümmte Metallplatten sind.

4. Elektrostatische Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselektroden (8A, 8B) aus ebenen Metallplatten bestehen.

5. Elektrostatische Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (4) eines jeden Elektrodenpaares im Ladungsbereich (1) und die Abstandselektroden (8B) auf der stromabwärtigen Seite des Filtermediums (7) im Staubabscheidungsbereich (5) an eine positive elektrische Spannung angelegt sind.

6. Elektrostatische Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (4) eines jeden Elektrodenpaares im Ladungsbereich (1) und die Abstandselektroden (8B) auf der stromabwärtigen Seite des Filtermediums (7) im Staubabscheidungsbereich (5) an eine negative elektrische Spannung angelegt sind.