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Einrichtung zur elektrischen Abscheidung von Schwebekörpern aus Gasen
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur elektrischen Abscheidung von Schwebekörpern
aus Gasen oder Gasgemischen mit Niederschlagselektroden, die als Hohlkörper mit
durchbrochener Wandung ausgebildet und mit einer axial oder zentral hierzu angeordneten
Ausströmelektrode versehen sind. Die Erfindung besteht darin, daß der oder die Hohlkörper
dem vorzugsweise axial oder zentral einströmenden Gas in an sich bekannter Weise
unbehindert offen stehen, dagegen für die Ab- oder Weiterleitung des Gases nur über
Wanddurchbrechungen solcher Größe und Anordnung verfügen, daß das Gas möglichst
radial, d. h. in Richtung der von dem axial oder zentral angeordneten Ausströmer
ausgehenden elektrischen Kraftlinien des zwischen Hohlkörper und Ausströmer bestehenden
elektrischen Feldes nach außen abgeführt wird. Gemäß der Erfindung stehen also dem
Gas im Gegensatz zu den bisher bekannten Einrichtungen, die mit durchbrochenen Hohlkörpern,
z. B. Zylindern, als Niederschlagselektroden und axial oder zentral hierzu angeordneten
Ausströmern arbeiten, außer den Wanddurchbrechungen des Hohlkörpers keine größeren
freien Austrittsöffnungen zur Verfügung. Auf diese Weise ist es möglich, nahezu
alle Schwebekörper an die Niederschlagsflächen zu befördern und damit den Reinigungsgrad
auf das höchste zu steigern. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt
darin, daß Schwebeteilchen, die schon aufgeladen in das elektrische Feld eintreten,
bei ihrem Durchtritt durch die Durchbrechungen der Niederschlagsfläche angezogen
und mit Sicherheit festgehalten werden. Durch diese in ihrem wesentlichen Teil zur
Niederschlagselektrode radial gerichtete Gasführung wird erreicht, daß die Strömungslinien
des Gases mehr oder weniger mit der Richtung der elektrischen Kraftlinien des Abscheidungsfeldes
zusammenfallen und infolgedessen jedes Schwebeteilchen auf schnellstem Wege an die
Niederschlagsfläche, also an. denjenigen Ort befördert wird, an dem die Anhäufung
bzw. Abscheidung der Teilchen erfolgen soll, wobei folgendes zu beachten bleibt:
Die elektrische Irraft, die beim Durchtritt der Schwebeteilchen durch die durchbrochene
Niederschlagselektrode auf die Teilchen wirkt, wird besonders wirksam, wenn es gelingt,
die Gasgeschwindigkeit in der Nähe der Niederschlagselektroden bis in die Größenordnung
derjenigen Geschwindigkeit der Schwebeteilchen zu bringen, welche diese infolge
ihrer Wanderung, soweit letztere ausschließlich elektrisch bedingt ist, gegenüber
der Gasströmung besitzen. Dieser Bedingung
wird die Gasgeschwindigkeit
bei radial zur Niederschlagselektrode gerichteter Gasströmung immer dann entsprechen,
wenn sich die in irgendeinem Punkte des Strömungsfeldes einstellenden Gasgeschwindigkeiten
im Falle der kugelsymmetrischen Ausbildung der Niederschlagselektrode umgekehrt
wie die zweiten Potenzen, im Falle der zylindrischen Ausbildung der Niederschlagselektrode
wie die ersten Potenzen des diesem Punkt zukommenden Kugel- bzw. Zylinderradius
verhalten, so daß in der Nähe der Niederschlagselektroden sehr kleine Geschwindigkeiten
herrschen, während das Gas an der Eintrittsseite mit normaler Geschwindigkeit zugeführt
werden kann. Der Austritt durch eine freie Öffnung, wie er den meisten der bisherigen
Elektrofilterkonstruktionen zugrunde lag, erfordert, wie noch gezeigt wird, einen
größeren Raum und daher eine teuerere Konstruktion der Gesamtapparatur.
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Als Beispiel sei zunächst ein mehr oder weniger engmaschig durchbrochener,
oben geschlossener Zylinder als Niederschlagselektrode angenommen, `dessen Mantelfläche
aus einer großen Zahl von Längsstäben gebildet wird, und zwar so, daß nur kleine
Öffnungen zwischen je einem Stab und seinen Nachbarn übrigbleiben. Das elektrische
Feld, das zwischen einem axial in diesem Zylinder angeordneten Ausströmer und der
aus Stäben bestehenden Niederschlagselektrode herrscht, läßt sich angenähert auch
in der Nähe eines Stabes bzw. der von zwei Stäben gebildeten Öffnung berechnen.
Daher ist auch die Bewegung eines Schwebeteilchens bekannt, das getrieben von der
radialen Gasströmung und abgelenkt durch die elektrischen Kräfte, die nach den Stäben
gerichtet sind, das Schwebeteilchen zu den Stäben führt oder durch den Stabzwischenraum
entweichen läßt. Man kann auch unschwer den Anteil an Staub, der auf diese Weise
von den Stäben festgehalten wird, in bezug auf die gesamte Staubmenge, also den
Reinigungsgrad des Filters, bestimmen. Er ergibt sich abhängig von zwei fundamentalen
Größen: Die eine ist das Verhältnis des Durchmessers der Stäbe zu ihrem Zentralabstand,
sie sei der Kürze halber mit »Sperrfähigkeit« des Gitters bezeichnet; die andere
ist das Verhältnis der mittleren Wanderungsgeschwindigkeit des Teilchens in der
Nähe der Niederschlagselektrode, soweit diese ausschließlich auf elektrische Einflüsse
zurückzuführen ist, zur Gasgeschwindigkeit an derselben Stelle; sie sei mit dem
Namen »elektrische Ablenkung« belegt. Ist die elektrische Ablenkung gleich Null,
so wird der Reinigungsgrad einfach gleich der Sperrfähigkeit des Gitters; ist aber
die elektrische Ablenkung äußerst groß, dann wird der Reinigungsgrad praktisch ioo
°%. Je kleiner also die Gasgeschwindigkeit im Verhältnis ,zur Wanderungsgeschwindigkeit
in der Nähe der Niederschlagselektrode gehalten wird, desto größer ist der erzielte
Effekt. Praktisch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Gasgeschwindigkeit in
der Nähe der Niederschlagselektrode ungefähr gleich der elektrischen Wanderungsgeschwindigkeit
zu halten. Man kann ferner wirksam mit einer elektrischen Wanderungsgeschwindigkeit
von 5 cm/Sek. arbeiten, so daß auch die Gasgeschwindigkeit nur die geringe Größe
von etwa 5 cm/Sek. haben soll.
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Im Vergleich zu der bei der elektrischen Gasreinigung üblichen Gasgeschwindigkeit,
die nach Metern pro Sekunde zählt, ist diese Geschwindigkeit sehr gering. Trotzdem
benötigt man für die Reinigung einer gewissen stündlichen Gasmenge bei dem hier
beschriebenen Verfahren einen geringeren Aufwand an Elektrodenmaterial als bei den
bisherigen Methoden. Dies möge an folgendem Beispiel klargelegt werden: Durch ein
Rohr von 3 m Länge, das einen in der Gasreinigungstechnik üblichen Durchmesser von
a75 mm besitzt, im übrigen den Forderungen des Anspruchs i entsprechend mit Wanddurchbrechungen
versehen ist, entweicht bei der eben angegebenen geringen Geschwindigkeit von 5
cm/Sek. eine sekundliche Gasmenge von o,i3 cbm/Sek. Reinigt man ein Gas auf andere
Weise, nämlich indem man es durch ein ebensolches Rohr hindurchleitet, das aber
eine freie Austrittsöffnung und keine durchbrochene Wandung im Sinne der Erfindung
besitzt, und hält dabei die Gasströmungsgeschwindigkeit, wie sonst in der elektrischen
Gasreinigungstechnik durchweg üblich, auf i m/Sek., was bei der angegebenen Rohrlänge
von 3 m zu einer einigermaßen guten Reinigung führen würde, so würden dem Rohr nur
o,o6 cbm/Sek. entströmen. Man könnte also nach der bisher üblichen Art in der Zeiteinheit
efwa nur die Hälfte derjenigen Gäsmenge reinigen, die in einem Elektrofilter gemäß
Erfindung in der Zeiteinheit bewältigt werden kann, und zwar mit etwa demselben
Aufwand an Elektrodenmaterial für beide Fälle.
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Die Zeichnung veranschaulicht in mehreren Beispielen, wie der der
Erfindung zugrunde liegende Gedanke verwirklicht werden kann.
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In Abb. i, die einen Axialschnitt darstellt, ist i eine zentral angeordnete,
unten bei a offene rohrförmige Ausströmelektrode, in die die Gase in der Pfeilrichtung
einströmen, um sie, wie an sich bekannt, in radialer Richtung durch die sprühenden
Austrittsöffnungen 3 zu verlassen. Diese Austrittsöffnungen nehtuen,
was
an sich ebenfalls nicht neu ist, in Richtung der Gasströmung, d. h. nach oben hin,
an Anzahl und Querschnitt zu. Um die Ausströmelektrode i ist eine durchbrochene
N iederschlagselektrode q. gestellt, derart, daß der senkrechte Abstand zwischen
den beiden Elektroden i und q. an allen Seiten nahezu derselbe ist. Die Niederschlagselektrode
q. wird durch die Stäbe 5 gebildet, die an ihrem oberen Teile kuppelartig zusammenlaufen
und eine Art Käfig darstellen, dessen Querschnitt sich aus Abb. 2 ergibt.
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Den unteren Abschluß bildet ein vorteilhaft ringförmiger, mit einem
Verschlußorgan 8 versehener Bunker 6 zur Aufnahme des im Innern des Käfigs q. von
den Elektrodenstäben 5 abfallenden Staubes. Der von den Außenseiten der Stäbe 5
sich ablösende Staub gelangt in einen Auffangraum 7, der ebenfalls ein geeignetes
Verschlußorgan trägt.
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Die Ausströmelektrode i ist an ihrem unteren Ende durch den Isolator
9 geführt, der sie von dem geerdeten System, bestehend aus Niederschlagselektrode
und Bunkerraum, elektrisch trennt. Zum Schutze des Isolators 9 gegen herabfallenden
Staub ist ein Schirm io vorgesehen.
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Als Schutz gegen das staubhaltige Gas dient auch das zackig ausgebildete
Ende i i der Elektrode i, das gegen das geerdete Einströinrohr 12 sprüht und so
in bekannter Weise verhindert, daß Staubteilchen in den Isolationsraum 13 eindringen
können.
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Die mit einer mehr oder weniger großen Geschwindigkeit in das Rohr
12 einströmenden staubbeladenen Gase gelangen in das Elektrodenrohr i, treten radial
durch die Sprühöffnungen 3 aus und kommen mit stark verminderter Geschwindigkeit
an die Stäbe 5 zier käfigartigen Niederschlagselektrode .I. Nachdem sich die Staubteilchen
an den Stäben 5 und in deren Zwischenräumen abgesetzt haben, tritt das Gas gereinigt
aus dem Käfig .I entweder ins Freie oder strömt in ein auf die gezeichnete Anordnung
gestülptes Gefäß oder Rohr weiter. Sowohl die Ausströmelektrode wie die Niederschlagselektrode
können in bekannter Weise durch Erschüttern oder Klopfen gereinigt werden.
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Eine andere Ausführungsform ist in Abb. 3 im Längsschnitt schematisch
dargestellt.
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Die am Umfang durchlöcherte und geerdete Niederschlagselektrode 1.4
ist an ihrem oberen Ende durch den Deckel 15 abgeschlossen, an dem der Isolator
16 befestigt ist, der den draht- oder stabartigen Ausströmer 17 trägt. Die Niederschlagselektrode
1q. steht auf einem Sammelgefäß 18, durch das hindurch der elektrische Strom unter
Zuhilfenahme des Durchführungsisolators i9 und der Verbinching 2o dem Ausströmer
17 zugeleitet wird. 21 ist die Eintrittsöffnung für die Gase und 22 ein Bunker mit
dem Verschlußorgan a3.
Die Niederschlagselektrode 1q. ist so gestaltet, daß
sie, auf die Längen- und Zeiteinheit bezogen, allerorts dieselbe Gasmenge hindurchläßt.
Zu diesem Zweck werden die Siebmaschen oder Wanddurchbrechungen um so zahlreicher,
je mehr sich das Gas dem Deckel 15 bzw. dem Isolator 16 nähert. Der Strömungswiderstand
wird also nach oben zu geringer.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend ist eine weitere Anordnung möglich,
die in Abb..I schematisch veranschaulicht ist. Hier ragt ein Durchführungsisolator
2q. in einen halbkugelförmig durch eine netz- oder siebartige Niederschlagselektrode
25 begrenzten Raum hinein. Durch den Isolator 24 ist ein an Hochspannung liegender
Stab 27 geführt, der eine im Mittelpunkt der Halbkugel justierte sprühende Spitze
28 trägt. Die geerdete Elektrode 25 ist an einem Rohrstück 29 befestigt,
dessen Wände die Strömungslinien des Gases derart ablenken, daß im Sinne der Pfeile
eine vorwiegend radiale Strömung nach den Durchbrechungen oder Maschen der Elektrode
25 erzielt wird. Gegenüber der Einströmöffnung 3o befindet sich eine ebenfalls diesem
Zwecke dienende Leitfläche 31. Die Sprühspitze 28 genügt, um die Abscheidung in
den Maschen der Elektrode 25 herbeizuführen, da die Geschwindigheit der in das Rohr
30 einströmenden staubhaltigen Gase auf der großen Oberfläche der Elektrode
25 sich derartig verringert, daß die elektrische Ablenkung sehr groß wird und keine
geladenen Staubteilchen aus den Öffnungen der Elektrode 25 entweichen können.
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Eine sinngemäße Anwendung der Anordnung nach Abb. 3 für eine größere
Gasmenge ist in Abb.5 dargestellt. Hier ist 32 ein gemeinsamer Sammelraum für die
durch die Öffnung 33 einströmenden Gase. Nach unten ist dieser Sammelraum durch
den gemeinsamen Bunker 34. abgeschlossen, nach oben hin durch eine Platte 35, in
der sich kreisförmige Löcher 36 befinden. Auf diesen stehen die oben gesehlossenen,
auf ihrem Umfang durchbrochenen Niederschlagselektroden 37. Als Ausströmelektroden
sind im Innern von 37 an Hochspannung liegende Drähte oder Stäbe 38 eingesetzt,
die an einem gemeinsamen Träger 39 befestigt sind. Dieser Träger wird von dem Durchführungsisolator
.Io und dem Stützisolator 41 gehalten. Auf dem Sammelraum 32 ist der Reingasraum
.I2 mit der Austrittsöffnung 43 aufgebaut. Das staubbeladene Gas tritt durch 33
ein, gibt bei seineirr Durchtritt durch die Niederschlagselektroden 37 den Staub
an die Elektrodenwand ab, gelangt dann in den Sainmelraum
42 und
strömt durch 43 gereinigt ab. Die Niederschlagselektroden können mit Hilfe der aus
dem Raum 42 nach -außen durchgeführten Bolzen 44 von Zeit zu Zeit gestrafft oder
geklopft werden, um den an ihnen haftenden Staub in den Bunker 34 abfallen zu lassen.
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Selbstverständlich kann man, falls die Niederschlagsflächen nicht
ausreichen, diese auch dadurch vergrößern, daß man über die durchbrochene Sammelelektrode
eine zweite, dritte usf. ebenfalls geerdete konzentrische Elektrode stülpt, die
die aus der inneren Elektrode etwa noch nach außen tretenden geladenen. Teilchen
anzieht und festhält, wie in Abb.6angegeben. Hier bedeutet 45 eine halbkugelförmige
Elektrode nach Abb.4, die von einer zweiten, 46, und noch einer dritten Elektrode
47 umgeben wird. Dieselbe Anordnungsweise ist natürlich auch für Rohrzylinder nach
Abb. 3 oder Käfige nach Abb. i möglich.
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In Abb.7 ist ein weiteres Beispiel veranschaulicht. Hier ist an Stelle
der in Abb. 4 mit a5 bezeichneten halbkugelförmigen Sammelelektrode ein mit Boden
versehener durchbrochener Zylinder 54, 55 gewählt. In diese topfförmige Niederschlagselektrode
ragt der stabartige oder drahtförmige Ausströmer 56 hinein. Wie die Pfeile zeigen,
ist die Gasströmung auch in diesem Falle wenigstens in der Nähe der durchbrochenen
Niederschlagselektrode 54 und 55 vorwiegend radial gerichtet.
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Die Reinigung größerer Gasmengen mit Hilfe der erwähnten Topfsiebe
nach Abb.7 kann gemäß Abb.8 und 9 so erfolgen, daß das Gas bei 57 in einen Behälter
58 eintritt und diesen gereinigt bei 59 wieder verläßt. Die Filtertöpfe 6o sind
hier in Querwände 61 des Behälters 58 eingesetzt. Abb. 8 ist ein Grundriß und Abb.
9 ein Aufriß der Einrichtung. Die in die Filtertöpfe hineinragenden Ausströmelektroden
6:2 sitzen an Querarmen 63, 64 und diese an den am Gehäuse 58 befestigten
Isolatoren 65 und 66. Der Staub fällt beim Klopfen durch die Maschen der Topfelektroden
6o in den Bunker 67.
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Die Ausbildung des Filters selbst ist selbstverständlich nicht auf
die dargestellten Ausführungsformen der Niederschlagselektroden beschränkt. Ein
weiteres Beispiel zeigt das Schaubild nach Abb. io. Hier besteht die Niederschlagselektrode
aus einer Reihe von übereinandergestülpten kegeligen Ringen 68, die durch in der
Abbildung nicht gezeichnete Stege so im Abstand voneinander gehalten werden, daß
nur ein geringer Zwischenraum zwischen je zwei benachbarten Ringen entsteht. Die
in das Innere dieses Elektrodengebildes eintretenden staubhaltigen Gase strömen
in der Pfeilrichtung nach außen und lassen während dieser Wanderung durch die Zwischenräume
der Ringe den Staubteilchen genügend Zeit, um sich sowohl durch elektrische Anziehung
als auch durch Schwerkraft an den Tellerwandungen abzusetzen.
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Auch die Zentrifugal- oder Stoßabscheidung kann man zu Hilfe nehmen,
wenn man, wie in Abb. i i schematisch dargestellt, die Filteröffnungen als gekrümmte
Röhrchen 69 ausbildet.
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Statt dieser gekrümmten Röhrchen kann man auch radial gerichtete Kanäle
verwenden und ihren Austrittsöffnungen Stoßflächen beliebiger Bauart entgegenstellen.
Als besonders einfache Bauart einer solchen Stoßfläche erscheint ein konzentrisches
Rohr vorteilhaft.
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In Abb. ia ist als weiteres Beispiel eine Anordnung gezeichnet, die
zeigt, daß die Filterrohre auch an dem der Eintrittsöffnung entgegengesetzten Ende
offen sein können, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke, daß nämlich die Austrittsöffnungen
der Gase nur auf die mehr oder weniger engen Zwischenräume der Filterwandung beschränkt
sein sollen, verlassen wird. In der Tat sind die Öffnungen 7o der Abb. 1a nicht
etwa als Austrittsöffnungen für die gereinigten Gase zu betrachten, da der Raum
über der Abdeckplatte 71 außer diesen Öffnungen sonst völlig geschlossen ist, also
als toter Raum gelten muß, in den nur der Durchführungsisolator 7a nebst den Trägern
73 für die Ausströmer 74 hineinragt. Eine zweite Grundplatte 75 schließt den unteren
Teil des Gefäßes 76 mit dem daran befindlichen Bunker 77 ab. In diesen unteren Raum
strömen. die zu reinigenden Gase durch die Eintrittsöffnung 78 ein und dringen durch
die Löcher 79 der Platte 75 in die als Niederschlagselektroden dienenden Filterschläuche
8o, durch deren Maschen die Gase radial hindurchtreten, um den zwischen den Böden
71 und 75 befindlichen Raum durch den Austritt 81 zu verlassen. Die z. B. aus Drähten
bestehenden Ausströmer sind axial in den Filtern 8o angeordnet und durch Gewichte
82 und den Rahmen 83 gegen Pendeln gesichert.
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Aus dem Schema nach Abb. 13, in der alle Einzelheiten, wie Isolatoren,
Bunker u. dgl., weggelassen sind, ist ersichtlich, daß man zylinderförmige Filter
auch so anordnen kann, daß die Gase durch beide offene Enden des zylindrischen Filters
eindringen können. Die Filter 84 befinden sich hier in einem Raum 85 mit der Austrittsöffnung
86. An diesen Raum schließt sich von außen der durch das Gehäuse 87 begrenzte Raum
88 an. Die Gase treten durch die Öffnung 89 und werden gezwungen, durch .die Filter
84 in
den Raum 85 ein- und aus diesem durch die öffnung 86 abzuströmen.
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Das Material der als Elektroden benutzten Filter richtet sich in erster
Linie selbstverständlich nach der Natur der abzuscheidenden Stoffe (Stäube, Schlamm,
Flüssigkeiten, wie Säuren u. dgl.). Es können Geflechte aus Metall oder poröse Metalle
oder Halbleiter benutzt werden. Ebenso ist es möglich, in geeigneten Fällen Nichtleiter
zu verwenden, die sich z. B. infolge der Abscheidungen oberflächlich mit einer leitenden
Schicht überziehen oder mit leitenden Substanzen durchtränkt sind. Ebenso kann man
Faserstoffe verwenden, die in bekannter Weise leitend gemacht, z. B. bronziert oder
metallisiert sind. Die Elektroden können auch in Form von Säcken oder Schläuchen
hergestellt werden, die sich dann in an sich bekannter Art etwa durch Straffziehen
gut abreinigen lassen.
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Die Form der Niederschlagselektrode richtet sich vielfach nach ihrem
Baustoff und ihrem zweckmäßigen Einbau in den Gasreinigungsapparat. Insbesondere
lassen sich konische Säcke verwenden, um in an sich bekannter Weise eine Abstufung
des elektrischen Feldes zu erreichen.
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Man kann ferner sehr dichte Gewebe verwenden, um Giftstoffe, Bakterien
u. dgl. durch die gemeinsame Wirkung des elektrischen Feldes und der Adsorptionskräfte
zur Abscheidung zii bringen. Diese Vorrichtungen sind für den Atmungsschutz deshalb
besonders geeignet, weil solche Filter dein Durchtritt der gereinigten Lufteinen
weitaus geringeren Widerstand bieten als diejenigen, die nur auf der Adsorptionskraft
beruhen.
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Es läßt sich ferner die hier dargestellte Methode auch unschwer mit
den bekannten Methoden der elektrischen Gasreinigung kombinieren, z. B. auch in
der Weise, daß man die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzten Filterflächen
auch von außen mit Elektrizität besprüht, so daß die etwa noch austretenden Staubteilchen
erneut in den Bereich einer Koronaentladung kommen und auch an der Außenseite der
Filterflächen abgeschieden werden.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen bilden die Sprühelektrode
und die Niederschlagselektrode ein elektrisches Feld, das auch, was ebenfalls bereits
bekannt ist, durch die Maschen oder Durchbrechungen der Niederschlagselektrode hindurchgreift.
Man kann nun außer diesen beiden Elektroden noch eine dritte anbringen, und zwar
an einem solchen Potential, daß das resultierende Feld aller drei Elektroden zusammengenommen
die hindurchgreifende Wirkung des Feldes, das ohne die dritte Elektrode entstehen
würde, schwächt und daher diejenigen wenigen Staubteilchen, die noch durch die Maschen
der Sammelelektrode gewandert sind, zur Umkehr auf diese veranlaßt. Ein Beispiel
zeigt Abb. 14, in der 3 wieder die Sprühelektrode und 4. den als Niederschlagselektrode
dienenden Käfig bedeuten. Auf der Außenseite von 4 sind Stäbe oder Flächen 9o angeordnet,
die dieselbe Polarität haben wie die Sprühelektrode und entweder dasselbe Potential
besitzen wie diese oder im Potential abgestuft sind, z. B. derart, daß die Außenelektrode
9o an einer Spannung von io ooo Volt liegt, wenn die Sprühelektrode 3 mit 4o ooo
Volt betrieben wird. Dabei ist die Außenelektrode 9o jedoch in ihren Einzelelementen
oder, sofern sie einteilig ist, auch nur als Ganzes so ausgebildet und angeordnet,
daß eine Sprühwirkung an ihr nicht auftritt.