Die Erfindung betrifft eine rotationssymmetrische Elektrodenanordung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und wie sie beispielsweise aus der DE 19534232A1 bekannt ist, mit Maßnahmen zur Vermeidung von lokal zerstörerisch wirkenden elektrischen Felddichten.
Eine solche Elektrodenanordnung ist hier Bestandteil einer Fragmentieranlage. Sie besteht aus einer mit Hochspannung beaufschlagbaren, stabförmigen Elektrode, der Hochspannungselektrode und einer stets auf elektrischem Bezugspotential liegenden Gegenelektrode. Beide haben einen vorgegebenen Abstand zueinander. Die Stablängsachse der Hochspannungselektrode liegt auf der Rotationsachse. Die Gegenelektrode ist Bestandteil des Bodens eines Reaktionsgefäßes. Es ist mit Prozessflüssigkeit gefüllt und wird mit Prozessgut beschickt, das über impulsartige und leistungsstarke elektrische Entladung im Elektrodenzwischenraum auf einen geforderten Körnungsbereich fraktioniert wird. Die Hochspannungselektrode ist mit einem Isolator unter Freilassung eines blankliegenden Endbereichs vorgegebener Länge ummantelt. Dieser blanke Endbereich ist völlig in die Prozessflüssigkeit eingetaucht.
Die Elektrodenanordnung ist an einen elektrischen Energiespeicher, einen Marxgenerator z. B., angeschlossen, der bei Erreichen einer vorgegebenen Ladespannung über eine Funkenstrecke in das Zweielektrodensystem entladen wird. In die Prozess- oder auch Reaktionsflüssigkeit, häufig Wasser aber auch andere geeignete Flüssigkeiten, wird Prozessgut in Form von Schuttstücken, irgendwelche fest zusammen gebackene konglomerierte Festkörper, gekippt.
Die Entladung wird über die Einstellung der elektrischen Parameter so gesteuert, dass sich stromstarke Entladungskanäle zwischen den beiden Elektroden ausbilden und dadurch dieselben durch elektrische Einwirkung sprengen und mechanisch über Schockwellen zertrümmern. Die Korngröße der Fragmente kann durch die Anzahl Entladungen in Grenzen gesteuert werden. Am tiefsten Bereich des Reaktionsgefäßes werden die fein zertrümmerten Teile entnommen (siehe hierzu DE 195 34 232).
Zentrales aber hoch belastetes Bauteil einer solchen Fragmentieranlage ist die in die Prozessflüssigkeit im Reaktionsgefäß ragende Elektrode, insbesondere die Stelle, wo die drei Medien: blanke Elektrode, Isoliermantelende und Prozessflüssigkeit - das ist ein Ringbereich - gleichzeitig gegenseitig aufeinandertreffen.
Die Hochspannungselektrode ist ab dem Hochspannungsanschluss bis zum blankliegenden Spitzenbereich unter Berücksichtigung des impulsartigen Betriebs mit zähem Isolatormaterial unmittelbar ummantelt, um die blankliegende Elektrodenoberfläche, die direkten Kontakt mit der Prozessflüssigkeit hat, gezielt klein zu halten. Verlustströme, die vor dem Zünden des fragmentierwirksamen Entladungskanals zwischen Elektrodenspitze und der Gegenelektrode im Boden des Reaktionsgefäßes aufgrund der elektrolytischen Leitfähigkeit der Prozessflüssigkeit fließen, sollen unterbunden, zumindest aber auf ein tolerables Maß beschränkt werden. Damit wird keine oder zumindest aber weniger Energie in der Vorentladungsphase verbraucht. Damit steht pro Entladung mehr Energie in der fragmentierwirksamen Entladungsphase zur Verfügung.
Wesentlich für die Wirksamkeit der Fragmentieranlage ist, dass der elektrische Durchschlag durch das Fragmentiergut hindurch früher erfolgt als nur durch die Prozessflüssigkeit, dem Wasser beispielsweise.
Im praktischen Betrieb hat sich gezeigt, dass die Standzeit des Isolators gemäß der Ausführung nach dem Stand der Technik durch Gleitentladungen entlang seiner Oberfläche zur Prozessflüssigkeit stark begrenzt ist.
Entladungskanäle starten, von der freien Elektrodenoberfläche ausgehend, an der Stoßstelle Prozessflüssigkeit-Isolator-Elektrode und verlaufen bevorzugt entlang der Isolatoroberfläche insbesondere, wenn sich wenig Fragmentiergut im Reaktionsgefäß befindet, dabei wird der Isolator infolge der stromstarken Entladung zerstört.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elektrode mit ihrem ummantelnden Isolator aus zähem Material in ihrer Geometrie im Grenzgebiet Isolator-Elektrodenspitze-Prozeßflüssigkeit so zu gestalten, dass die tangential zur Isolatoroberfläche gerichtete Feldstärke an der Isolatorstirn am Übergang zur Elektrode möglichst gering ist.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß hat die Hochspannungselektrode an ihrem blankliegenden Bereich, der völlig in die Prozessflüssigkeit eingetaucht ist, im Anschluss an den Isolator einen ringförmigen metallischen, zur Umgebung hin runden Wulst zur Entlastung vom elektrischen Feld in diesem Bereich. Der Isolator stößt mit seiner Stirn daran bzw. kommt mit ihr dort dem Wulst sehr nahe. Von dem Wulst aus läuft die Elektrode in die ebenfalls blanke Elektrodenspitze aus und steht der Gegenelektrode im Reaktionsgefäß im vorgegeben Abstand gegenüber.
Die andere oder weitere Maßnahme ist:
Ein kegelstumpfmantelförmiger dielektrischer Einsatz aus nicht sprödem Material befindet sich im Elektrodenzwischenraum. Er verdrängt durch seine Anwesenheit das elektrische Feld in sein Inneres. Der Einsatz liegt mit seiner kleineren Öffnung auf dem Boden des Reaktionsgefäßes rotationssymmetrisch zu der Ro-tationsachse. Grundsätzlich ist als ein solcher dielektrischer Einsatz ein aufsammelndes rotationsförmiges Gebilde geeignet, dessen Achse auf der der Elektrodenanordnung liegt und im Bereich seiner Rotationsachse eine durchgehende Öffnung für den Durchfall der Fragmente hat, die eventuell trichterförmig ist, auf jeden Fall aber die Ausbildung von Entladungskanälen zur Gegenelektrode hin zulässt.
Der Einsatz ist gemäß Anspruch 2 nicht durchlässig und hat damit für das gesamte drauffallende Prozessgut Sammelwirkung zur Mitte hin, oder er ist nach Anspruch 3 perforiert und hat entsprechend der Lochweite für das drauffallende Prozessgut Sieb- oder Separationswirkung, indem, gemessen an der Lochweite, großkörniges Prozessgut zur Mitte durch die kleine Kegelstumpfmantelöffnung und, daran gemessen, kleinkörniges Prozessgut hindurchfällt und absinkt.
Die Schonung des problematischen Drei-Medien-Gebiets, blanke Elektrode, Isolatorstirn und Prozessflüssigkeit, durch die geeignete Feldsteuerung entlastet dasselbe dadurch, dass es nahezu feldfrei bzw. feldschwach gehalten wird. Dadurch ist dort die Ausbildung eines Entladungskanals oder von Entladungskanälen entlang der Isolatoroberfläche sehr unwahrscheinlich. Zur Folge hat das eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer der gesamten Hochspannungselektrode oder gleichbedeutend: ihre elektrischen Eigenschaften bleiben langzeitstabil.
Die in Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen werden in der Zeichnung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt:
In Figur 1 ist das rotationssymmetrische Gebilde: Isolator-Elektrode 1, 3 ausschnittsweise dargestellt. Die Anordnung ist hier wegen der Art der Symmetrie nur hälftig zur Rotationsachse 8, dem linken Bildrand, dargestellt. Dort, wo Isolator 3, Hochspannungselektrode 1 und Prozessflüssigkeit 6, hier Wasser, alle drei sich gegenseitig treffen (Drei-Medien-Stoßstelle/Gebiet), besteht, feldtechnisch gesehen, die Feldentlastung. Die Hochspannungselektrode 1 hat dort, wo sie aus dem ummantelnden Isolator 3 in die Prozessflüssigkeit 6 tritt einen ringförmigen Wulst 9 um den Umfang, der nach außen hin keine Kanten aufweist, also mit dem Radius gleich der halben Wulstdicke abgerundet ist. Die Rundung kann auch mit anderen Maßen durchgeführt sein, diese hier ist nur fertigungstechnisch sehr einfach.
Die Dichte der Äquipotentiallinien 11 ist in diesem Drei-Medien-Stoßgebiet gering, folglich starten von dort aus sehr wahrscheinlich keine Entladungskanäle. Die bilden sich höchstwahrscheinlich bzw. vorzugsweise in Gebieten hoher Äquipotentialliniendichte aus, also an dem zur Gegenelektrode 2 weisenden Gebiet der Stirn des Wulstes 9 oder eben der Elektrodenspitze, wie die Anordnung der Linienschar 11 zeigt. Die Entladungen werden im Stirnbereich der blanken Hochspannunungselektrode 1 bevorzugt starten.
Das kegelstumpfmantelförmige, der in Figur 2 angedeutete Einsatz 4 ist hier ein Gitter aus dielektrischem, zähem Material wie PE bzw. Nylon oder dergleichen. Das schon hinreichend fragmentierte Gut kann im dortigen Bereich hindurch rieseln. Dieser Einsatz zerrt je nach dielektrischer Eigenschaft gewissermaßen die Äquipotentiallinen 11 noch zusätzlich zu sich und setzt damit die Dichte derselben im Elektrodenbereich weiter herab. Die Voraussetzung, dass dort Entladungskanäle starten können, ist durch diese Maßnahmen auch ganz erheblich und damit wirksam abgebaut.
Die Wirksamkeit der Maßnahme zeigt sich durch den Vergleich der Gestaltung (Figur 3) nach dem Stand der Technik mit dem (Figur 1 und/oder 2) der Erfindung. Die Dichte der Äquipotentiallinien 11 ist in der herkömmlichen Gestaltung in der Drei-Medien-Zone ungleich höher, und damit die elektrische Belastung des Isolators 3 in seiner Stirnzone ungleich größer.
In Figur 4 sind der Übersicht halber die Bedeutung der Hochspannungselektrode 1 und deren Belastung im Betrieb hervorgehoben. Die gesamte Fragmentieranlage ist schematisch mit ihren wesentlichen Baugruppen skizziert. An den elektrischen Energiespeicher 10, den Marx-Generator, ist die Fragmentiereinrichtung über die im einfachsten Fall im Selbstdurchbruch arbeitende Funkenstrecke 12 am Ausgang angeschlossen. An die Funkenstrecke 12 koppelt die ins Reaktionsgefäß 5 ragende Hochspannungselektrode 1 unmittelbar an. Im Bereich des Reaktionsgefäßes 5 ist die Hochspannungselektrode 1 mit dem Isolator 3 ummantelt. Der Isolator 3 ragt über den Pegel der Prozessflüssigkeit 6, hier Wasser, hinaus, so dass in diesem Gebiet im Betrieb sicher Isolation besteht. Er lässt in der Prozessflüssigkeit 6 den Endbereich der Hochspannungselektrode 1 frei, da nur von dort sich die Entladungskanäle in Reihe durch das Prozessgut 7 und die Prozessflüssigkeit 6 ausbilden sollen.
Die Gestaltung der Gegenelektrode 2 ist prozessabhängig und hier z.B. nur der Boden des Reaktionsgefäßes 5, von dem aus es elektrisch unmittelbar zurück zum Marx-Generator 10 geht.