PLASMAGENERATOR

Abstract

 Es wird ein Plasmagenerator beschrieben. Dieser umfasst eine Leistungselektronik (10) aus einem Oszillator (12) und einem Transformator (14) zur Erzeugung einer Wechselhochspannung, sowie einen an die Leistungselektronik (10) angeschlossenen Plasmareaktor (16).Dabei besteht der Plasmareaktor (16) aus einem einen Strömungskanal (18) für ein gasförmiges Medium quer durchsetzendes Elektrodengitter (22) aus einer Mehrzahl achsparalleler Elektroden (26), die in einem Rahmen (24) angeordnet sind. Die Elektroden (26) bestehen jeweils aus einer leitfähigen Seele (32) und einem die Seele (32) umgebenden Dielektrikum (34) aus einem keramischen Material. Die Seelen (32) der unmittelbar benachbarten Elektroden (26) sind an entgegengesetztes Spannungspotential der Leistungselektronik (10) angeschlossen. Das keramische Material ist dicht gesintertes Aluminiumoxid Al₂O₃ mit einer Reinheit von wenigstens 99 %, vorzugsweise >99,7 %.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Plasmagenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Zur Neutralisierung von Schadstoffen in damit belasteten Gasen eignet sich eine Plasmabehandlung. Grundidee der Plasmabehandlung ist es, die mit Schadstoffen belasteten Gase durch ein elektrisches Feld strömen zu lassen, welches so stark ist, dass Moleküle der Schadstoffe und Gase wenigstens teilionisiert werden. Durch den Eintrag elektrischer Energie wird ein reaktionsträges Gas zu einem chemisch reaktiven Gascocktail. Dabei kommen an die 600 Gasphasenreaktionen in Gang. Es entstehen unterschiedliche Spezies, wie Elektronen, Ionen, angeregte Atome und Moleküle, reaktive Spezies wie z. B. Ozon, Stickoxid, Hydroxyl-Ionen, atomarer Sauerstoff und Hydroxyl-Radikale. Durch diesen reaktiven Cocktail werden sehr effektiv Bakterien, Pilze, Viren, als auch Biofilme und Sporen abgetötet, oder aber auch Geruchsmoleküle oxidativ abgebaut.

[0003] Stand der Technik-Anlagen zur Plasmabehandlung werden zur Raumluftreinigung in Aufenthaltsräumen, Operationssälen, Küchen, Kantinen und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Zur Behandlung hochbelasteter Abluft, wie sie bei industriellen Produktionsprozessen entstehen, ist ihre Leistung jedoch nicht ausreichend. So ist es weiterhin in der Industrie Standard, dass Abfälle mittels fossiler Energieträger verbrannt werden. Bei vielen industriellen Produktionsprozessen entsteht Abluft, die mit flüchtigen Kohlenwasserstoff-Verbindungen belastet ist. Allein um die vielen internationalen gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen, müssen diese Schadstoffe soweit neutralisiert werden, dass die Abluft den jeweiligen Umwelt- und Gesundheitsrichtlinien entspricht. Dabei kommen noch immer hauptsächlich thermische Nachverbrennungsanlagen zur Anwendung, in denen die Schadstoffe mit fossilem Erdgas bei 900 °C verbrannt werden. Dieser sehr energieintensive Prozess ist aus Kosten- und Umweltgründen zunehmend problematisch, denn es werden Unmengen an zusätzlichem und klimaschädlichen CO₂ produziert.

[0004] Aus der DE 20 2017 107 554 U1 ist Fluidbehandlungsvorrichtung zur Plasmabehandlung eines strömenden Fluids bekannt, umfassend ein von dem Fluid durchströmbares und einen Strömungskanal quer durchsetzendes Gitter aus spannungsbeaufschlagbaren Elektroden. Die Elektroden bestehen jeweils aus einer elektrisch leitenden Seele und einem die Seele umhüllenden Isolatormantel. Eine mit dem Elektrodengitter verbundene Leistungselektronik ist zum Aufbau von Potentialunterschieden zwischen einander nächst benachbarten Elektroden vorhanden. Die Elektroden sind stabförmig ausgebildet, durchsetzen jeweils den Strömungskanal und sind parallel sowie äquidistant zueinander angeordnet.

[0005] Jede Elektrode des Elektrodengitters ist als ein mit einem rieselfähigen Pulver eines elektrisch leitfähigen Materials gefülltes, selbsttragendes und an seinen Stirnseiten mit elektrischem Durchgangskontakt zu dem Pulver verschlossenes Rohr aus einem dielektrischen Isolatormaterial ausgebildet. Das dielektrische Isolatormaterial kann Glas, Quarz oder Keramik sein.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmagenerator zu schaffen, der jede Art von hochbelasteter Industrieabluft ohne den Einsatz fossiler Energieträger zu reinigen ermöglicht und so die Richtlinien der Luftreinhaltungsverordnung oder der TA Luft erfüllt.

[0007] Diese Aufgabe wird bei einem Plasmagenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen dieses Anspruchs gelöst.

[0008] Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0009] Durch den Einsatz von dicht gesintertem Aluminiumoxid Al₂O₃ mit einer Reinheit von wenigstens 99 %, vorzugsweise >99,7 % als keramischem Material weist das Dielektrikum eine extrem gute Isolationseigenschaft und eine hohe Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien wie HF, HCL, H₂O₄, HNO₃ oder auch NaOH auf, die Industrieabluft enthalten kann. Der Plasmagenerator kann daher an jedem beliebigen Ort eines Abluftreinigungssystems oder einer Abluftreinigungsanlage zum Einsatz kommen.

[0010] Aufgrund der verwendeten keramischen Materialien ist es möglich, die Elektroden in einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 800 °C zu betreiben. Dadurch ergibt sich nicht nur ein stark erweitertes Einsatzspektrum, sondern auch eine einfache Möglichkeit zur Selbstreinigung der Elektroden. Erhöht man die eingebrachte elektrische Leistung bei gleichzeitig reduzierter Luftkühlung, so erhöht sich auch die Temperatur der Elektroden um typischerweise > 200 °C. Stark kondensierende Abgase, wie Teere, Bitumen, hoch siedende Lösungsmittel, können so karbonisiert, pyrolysiert oder auch oxidiert werden. Rückstände blättern dann einfach ab oder werden zu CO₂ oxidiert. Ohne diese Möglichkeit der Selbstreinigung würde es zu einer Abnahme der Leistung der Plasmabehandlung und zu einer Verstopfung des Plasmagenerators kommen.

[0011] Das keramische Material sollte eine Dichte zwischen 2,5 und 4,5 g/cm³ aufweisen.

[0012] Dadurch werden Hohlräume innerhalb des Dielektrikums vermieden, die sonst zu Spannungsüberschlägen führen könnten.

[0013] Das keramische Material sollte eine Moh's Härte zwischen 8 bis 9 aufweisen.

[0014] Bei diesem Wert handelt es sich um eine der höchsten Härtestufen. Sie sorgt dafür, dass die Elektroden während des Betriebs ihre Form behalten und damit die Abstände zwischen den Elektroden konstant bleiben und eine ausreichend hohe Abriebfestigkeit gegen Partikeln im Gasstrom besitzen. Dies ist für eine gleichmäßige Feldstärke und damit für ein gleichmäßiges Plasma entlang der Elektrodenachsen wichtig.

[0015] Das Dielektrikum weist eine zylindrische Gestalt mit einer Länge zwischen 100 und 500 mm, vorzugsweise 400 mm, einem Innendurchmesser zwischen 2,5 und 6 mm, vorzugsweise 3 mm, einem Außendurchmesser zwischen 5,5 und 9 mm, vorzugsweise 6 mm auf, wobei die Wandstärke mindestens 1 mm, vorzugsweise 1,5 mm beträgt.

[0016] Mit diesen Abmessungen wird ein großer Strömungsquerschnitt für die zu behandelnden Gase ermöglicht. Durch die Wahl der Wandstärke wird außerdem eine Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes entlang der Elektrodenachsen erreicht und unerwünschte lokale Spannungsüberschläge vermieden.

[0017] Gemäß einer Weiterbildung ist die leitfähige Seele ein Pulver, das aus einem der Materialien Eisen, Titan, Kupfer, vorzugsweise aus Titan besteht.

[0018] Da Metalle einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Keramiken haben, muss dafür gesorgt werden, dass keine thermischen Spannungen von der Seele auf den keramischen Mantel ausgeübt werden. Dies wird durch Pulver anstelle eines Vollmaterials erreicht, da die Bestandteile des Pulvers Spannungen ausweichen können. Um eine höhere Temperaturbeständigkeit als beim Stand der Technik zu erreichen, kann auch das Volumen des Pulvers so bemessen werden, dass es auch bei temperaturbedingter höchster Ausdehnung das durch den Innenraum des Dielektrikums vorgegebene maximale Expansionsvolumen nicht überschreitet.

[0019] Das Pulver kann einen Partikelgrößenbereich zwischen 0 bis 500 µm, vorzugsweise einen Polydispersbereich zwischen 0 und 210 µm aufweisen.

[0020] Alternativ kann das Pulver einen Partikelgrößenbereich zwischen 0 bis 1/3 des Innendurchmessers des Dielektrikums aufweisen

[0021] Dies stellt einen Kompromiss zwischen dem Füllgrad und der Verlagerbarkeit auf der einen Seite und möglichst geringen Übergangswiderständen von Partikel zu Partikel durch Verringerung der Anzahl der Kontakte dar.

[0022] Vorzugsweise ist jede leitfähige Seele mit der Leistungselektronik durch leitfähige Stifte, vorzugsweise Schrauben, an einer Stirnseite der Elektroden verbunden.

[0023] Dadurch wird eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den elektrischen Anschlüssen der Elektroden und den Partikeln des Pulvers erreicht.

[0024] Die Schrauben können Zylinderkopfschrauben M2 sein.

[0025] Dadurch verbleibt innerhalb des Dielektrikums ein Ringraum für die Seele aus Pulver, um eine sichere elektrische Kontaktierung zu ermöglichen.

[0026] Außerdem weisen die leitfähigen Stifte eine Länge zwischen 10 und 40 mm auf.

[0027] Diese Länge sorgt für eine ausreichende Fläche der Kontaktierung zwischen der Zylinderkopfschraube und der Seele aus Pulver.

[0028] Die leitfähigen Stifte können aus verzinktem Stahl oder aus Messing bestehen.

[0029] Diese Materialien sorgen für eine gute Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

[0030] Die leitfähigen Stifte sind vorzugsweise durch Federn gegen die leitfähige Seele aus Pulver gedrückt.

[0031] Die Federn sorgen für einen festen Sitz der Elektroden in einem dafür vorgesehenen Halter sowie unabhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur und damit der Wärmeausdehnung für eine gute Anlage der Kontaktflächen zwischen der jeweiligen Zylinderkopfschraube und der Seele aus Pulver.

[0032] Weiterhin sind die der Stirnseite der Elektroden mit den leitfähigen Stiften gegenüberliegenden Stirnseiten mit einer isolierenden Hochtemperaturpaste verschlossen.

[0033] Dadurch kann die mit der Hochtemperaturpaste verschlossene Stirnseite der Elektrode an einem auf Massepotenzial liegenden Halter fixiert werden.

[0034] Die Breite der isolierenden Hochtemperaturpaste sollte zwischen 20 und 50 mm, vorzugsweise 35 mm betragen.

[0035] Bei dieser Breite ist sichergestellt, dass auch bei den höchsten einstellbaren Spannungen kein Überschlag auftreten kann.

[0036] Die Elektroden sollten einen gegenseitigen Abstand zwischen 1 und 3 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 1,5 mm aufweisen.

[0037] Dieser Abstand sorgt für ein stabiles Plasma und einen ausreichenden Strömungsquerschnitt für das zu behandelnde Gas.

[0038] Die Achsen der Elektroden im Gasstrom können horizontal oder vertikal, vorzugsweise horizontal angeordnet sein.

[0039] Beide Varianten haben Vor- und Nachteile. Bei horizontal ausgerichteten Elektroden ist der Druck auf die Partikel des Pulvers entlang der Achsen der jeweiligen Elektroden konstant. Dagegen besteht die Gefahr, dass sich bei besonders langen Elektroden diese durchbiegen können. Diese Gefahr besteht bei vertikal ausgerichteten Elektroden nicht. Dafür nimmt aber der Druck auf die Partikel des Pulvers nach unten hin aufgrund der Last der darüberliegenden Partikel zu, so dass die Verteilung des elektrischen Feldes ungünstig beeinflusst werden kann.

[0040] Bei Elektrodengittern mit zwei um 90° versetzten Elektrodengruppen können auch beide Elektrodengruppen waagerecht ausgerichtet werden, wenn gleichzeitig der Strömungskanal so ausgerichtet wird, dass die Durchströmungsrichtung senkrecht verläuft.

[0041] Vorzugsweise ist die Ausgangsspannung Peak zu Peak der Leistungselektronik zwischen 5 und 40 kV einstellbar.

[0042] Dadurch kann die Behandlungs- und Reinigungsleistung des Plasmas an den Verschmutzungsgrad des Gases und den Volumenstrom angepasst werden.

[0043] Die Frequenz des Oszillators der Leistungselektronik kann auf die Plasmaresonanzfrequenz, vorzugsweise zwischen 5 und 100 kHz, weiter vorzugsweise zwischen 15 und 40 kHz einstellbar sein.

[0044] Dadurch lässt sich die Anzahl der Zündungen des Plasmas bedarfsweise an die Verschmutzung des Gases und den Volumenstrom anpassen.

[0045] Ferner ist die Systemleistung steuerbar und beträgt mindestens 1 kW.

[0046] Ab dieser Leistung ist es möglich, auch größere Volumenströme belasteter Gase effektiv zu behandeln.

[0047] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.

[0048] Darin zeigen:

Fig. 1

ein prinzipieller Aufbau eines Plasmagenerators,

Fig. 2

ein Plasmamodul aus zwei Plasmareaktoren und

Fig. 3

ein Längsschnitt durch eine Elektrode.

[0049] Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Plasmagenerators. Dieser umfasst eine Leistungselektronik 10 aus einem Oszillator 12, einem Transformator 14 und wenigstens einem Plasmareaktor 16. Ausgangsseitig des Transformators 14 ist der Plasmareaktor 16 angeschlossen. Der Plasmareaktor 16 besteht aus einem Strömungskanal 18 für ein gasförmiges Medium, in dem ein quer zur Strömungsrichtung 20 ausgerichtetes Elektrodengitter 22 angeordnet ist. Das Elektrodengitter 22 besteht aus einem Rahmen 24, in dem eine Mehrzahl Elektroden 26 achsparallel und in einer Reihe ausgerichtet angeordnet sind. Die Elektroden 26 sind abwechselnd an den einen und den anderen Anschluss des Transformators 14 angeschlossen. Dadurch wird zwischen den Elektroden 26 ein Wechselfeld ausgebildet, dass jeweils ein Plasma zwischen benachbarten Elektroden 26 erzeugt.

[0050] Im Betrieb wird ein mit Schadstoffen hochbelasteter Abluftstrom durch ein Plasmafeld geleitet, das aus den einzelnen Plasmaanteilen in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Elektroden besteht. Plasma ist ein hochenergetischer Zustand, in dem die Luft ironisiert und hochreaktiv wird. Die Moleküle in der durchströmenden Abluft werden nur kurzzeitig extrem erhitzt. Zusätzlich werden dabei aktive Sauerstoffverbindungen erzeugt, die direkt mit den Schadstoffen reagieren und diese unschädlich machen.

[0051] Fig. 2 zeigt ein Plasmamodul 28 aus zwei Plasmareaktoren. Innerhalb eines Rahmens 24 sind zwei Elektrodengitter 22 aus einer Mehrzahl achsparalleler Elektroden 26 hintereinander angeordnet. Aus dem Rahmen 24 ragen Anschlüsse 30 zur Spannungsversorgung der Elektroden 26. Diese Anschlüsse 30 sind mit den Ausgängen eines Transformators verbunden. Es kann sich dabei um einen Hochspannungsausgang und einen Masseanschluss handeln.

[0052] Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Elektrode 26. Die Elektrode 26 besteht aus einem eine Seele 32 umgebenden Dielektrikum 34 aus keramischem Material, nämlich aus dicht gesintertem Aluminiumoxid. Das Dielektrikum 34 hat die Gestalt eines Zylinders. Im Inneren befindet sich die leitfähige Seele 32 aus einem Pulver, vorzugsweise aus Titan. Da Metalle einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als Keramiken haben, kann sich das Pulver innerhalb des Dielektrikums 34 verlagern und dadurch einen Druck von innen auf die Wandung des Dielektrikums 34 vermeiden. Daher ist das Dielektrikum 34 im kalten Zustand auch nicht vollständig mit Pulver gefüllt. Das Pulver kann sich sowohl radial als auch axial in der Länge verlagern, da an einer Stirnseite des Dielektrikums 34 eine Zylinderkopfschrauben 36 angeordnet ist, die von einer Feder 38 beaufschlagt ist. Bei Erwärmung kann sich so das Pulver ausdehnen und die Zylinderkopfschraube 36 etwas nach außen drücken. Durch die Feder 38 wird aber ein Druck aufrechterhalten, der für einen sicheren Kontakt zwischen den elektrischen Anschlüssen und dem Pulver wichtig ist. Die Federn sorgen außerdem für einen festen Sitz der Elektroden in einem dafür vorgesehenen Halter.

[0053] Die andere Stirnseite des Dielektrikums 34 ist mit einer isolierenden Hochtemperaturpaste 40 verschlossen. Die Breite der Isolierschicht beträgt zwischen 30 und 50 mm, bevorzugt 35 mm.

Bezugszeichenliste:

[0054] 

10

Leistungselektronik

12

Oszillator

14

Transformator

16

Plasmareaktor

18

Strömungskanal

20

Strömungsrichtung

22

Elektrodengitter

24

Rahmen

26

Elektroden

28

Plasmamodul

30

Anschlüsse

32

Seele

34

Dielektrikum

36

Zylinderkopfschrauben

38

Feder

40

Hochtemperaturpaste

Ansprüche

1. Plasmagenerator, umfassend eine Leistungselektronik (10) aus einem Oszillator (12) und einem Transformator (14) zur Erzeugung einer Wechselhochspannung, sowie einen an die Leistungselektronik (10) angeschlossenen Plasmareaktor (16), wobei der Plasmareaktor (16) aus einem einen Strömungskanal (18) für ein gasförmiges Medium quer durchsetzendes Elektrodengitter (22) aus einer Mehrzahl achsparalleler Elektroden (26) besteht, die in einem Rahmen (24) angeordnet sind, und die Elektroden (26) jeweils aus einer leitfähigen Seele (32) und einem die Seele (32) umgebenden Dielektrikum (34) aus einem keramischen Material bestehen und die Seelen (32) der unmittelbar benachbarten Elektroden (26) an entgegengesetztes Spannungspotential der Leistungselektronik (10) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material dicht gesintertes Aluminiumoxid Al₂O₃ mit einer Reinheit von wenigstens 99 %, vorzugsweise >99,7 % ist.

2. Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material eine Dichte zwischen 2,5 und 4,5 g/cm³ aufweist.

3. Plasmagenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material eine Moh's Härte zwischen 8 und 9 aufweist.

4. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (34) eine zylindrische Gestalt mit einer Länge zwischen 100 und 500 mm, vorzugsweise 400 mm, einem Innendurchmesser zwischen 2,5 und 6 mm, vorzugsweise 3 mm, einem Außendurchmesser zwischen 5,5 und 9 mm, vorzugsweise 6 mm aufweist, wobei die Wandstärke mindestens 1 mm, vorzugsweise 1,5 mm beträgt.

5. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Seele (32) ein Pulver ist, das aus einem der Materialien Eisen, Titan, Kupfer, vorzugsweise aus Titan besteht.

6. Plasmagenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Partikelgrößenbereich zwischen 0 bis 500 µm, vorzugsweise einen Polydispersbereich zwischen 0 und 210 µm aufweist.

7. Plasmagenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver einen Partikelgrößenbereich zwischen 0 bis 1/3 des Innendurchmessers des Dielektrikums (34) aufweist.

8. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede leitfähige Seele (32) mit der Leistungselektronik (10) durch leitfähige Stifte, vorzugsweise Schrauben, an einer der Stirnseiten der Elektroden verbunden ist.

9. Plasmagenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben Zylinderkopfschrauben (36) M2 sind.

10. Plasmagenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Stifte eine Länge zwischen 10 und 40 mm aufweisen.

11. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Stifte aus verzinktem Stahl oder aus Messing bestehen.

12. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Stifte durch Federn (38) gegen die leitfähige Seele (32) aus Pulver gedrückt sind.

13. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, die der Stirnseite der Elektroden (26) mit den leitfähigen Stiften gegenüberliegende Stirnseite mit einer isolierenden Hochtemperaturpaste (40) verschlossen ist.

14. Plasmagenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der isolierenden Hochtemperaturpaste (40) zwischen 20 und 50 mm beträgt, vorzugsweise 35 mm.

15. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (26) einen gegenseitigen Abstand zwischen 1 und 3 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 1,5 mm aufweisen.

16. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Elektroden (26) oder Elektrodengitter (22) im Gasstrom horizontal oder vertikal, vorzugsweise horizontal angeordnet sind.

17. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung peak zu peak der Leistungselektronik zwischen 5 und 40 kV einstellbar ist.

18. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Oszillators (12) der Leistungselektronik (10) auf die Plasmaresonanzfrequenz , vorzugsweise zwischen 5 und 100 kHz, weiter vorzugsweise zwischen 15 und 40 kHz einstellbar ist.

19. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemleistung steuerbar ist und mindestens 1 kW beträgt.

Zeichnung