WO1997000139A1

WO1997000139A1 - Verfahren und vorrichtung zur beeinflussung von in einer gasströmung befindlichen flüssigkeitstropfen

Info

Publication number: WO1997000139A1
Application number: PCT/EP1996/002652
Authority: WO
Inventors: Malte E. C. Förster
Original assignee: Foerster Malte E C
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 1997-01-03
Also published as: US6003434A; WO1997000116A1; DE59611148D1; EP0782471B1; CA2203891C; CA2203891A1; AU6357796A; ATE283109T1; AU6357696A; EP0782476A1; EP0782476B1; US6080225A; ATE250461T1; EP0782471A1; DE59610732D1; DK0782476T3

Abstract

Mit der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung von in einer Gasströmung befindlichen Flüssigkeitstropfen bereitgestellt, wobei in einen Strömungsabschnitt aufgrund hoher Temperatur elektrische Ladungen erzeugende Oberflächen eingebracht werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von in einer Gasströmung befindlichen Flüssigskeitstropfen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung von in einer Gas¬ strömung befindlichen Flüssigkeitstropfen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einer Reihe von Anwendungsgebieten, in denen strömende Gase einge¬ setzt werden, ergeben sich Probleme mit in der Gasströmung befindlichen Flüssigkeitstropfen. Eine derartige Problematik ergibt sich unter anderem bei Gasturbinen, die mit extrem hohen Eintrittstemperaturen arbeiten. Hier besteht die Gefahr, daß eine Beladung des Gases mit partikulären Bestandteilen auch kleinsten Durchmessers und der Kondensation von gasförmigen Schadstoffen auf Dauer zu Erosion und Korrosion der Schaufelmaterialien führen. Eine Staubabscheidung ist deshalb problematisch, weil bei Temperaturen oberhalb von 700°C Staubpartikel in einen klebrigen Zustand übergehen und eine Ab- reinigung der Abscheider erschwert bis unmöglich wird. Beim Übergang zu noch höheren Temperaturen wird der Fließpunkt derartiger Partikel über¬ schritten, so daß hier eine Abscheidung von Flüssigkeiten erforderlich wird. Für eine Tropfenabscheidung sind im Grunde alle Arten von Staubabscheidern geeignet, beispielsweise filternde Abscheider, Elektroabscheider und Zyklone. Vorzugsweise werden jedoch für Tropfenabscheidungen Lamellen- und Zentrifugalabscheider eingesetzt. Dabei wird dem Gasstrom eine Richtungs¬ änderung aufgezwungen, denen die Flüssigkeitstropfen nicht folgen und sich somit an einer Wand niederschlagen und aus dem Gasstrom entfernt werden können. Es ist jedoch nicht möglich, kleinste Tropfen auf diese Weise abzu¬ scheiden. Es ist bekannt, daß eine Abscheidung von Flüssigkeitstropfen aus einer Gasphase mit kleiner werdendem Durchmesser, insbesondere bei Unter¬ schreiten von Durchmessern ab 1 0 μm, erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Man hat versucht, durch eine spezielle Gasstrom-Führung ein Zusammen¬ treffen und Koagulieren von Tropfen zu begünstigen, um entsprechend große Tropfen wieder einfacher abscheiden zu können. Hierzu werden vorzugsweise Elektrofilter eingesetzt, die allerdings nicht bei den angegebenen Temperatur¬ bereichen verwendbar sind.

Eine im wesentlichen temperaturunabhängige Vorrichtung zur Abscheidung von Tropfen aus einer Gasphase ist in der DE 87 01 718 U1 beschrieben, wobei in einem Strömungsbereich durch Anlegen elektrischer Spannungen ein Magnetfeld erzeugt wird. Entsprechende magnetische bzw. statische Auf¬ ladungen sind auch in den DE 1 1 37 980 A1 und DE 31 51 125 A1 be¬ schrieben. Die vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nicht für den Höchsttemperaturbereich geeignet und auch nicht für jede Art von Tropfen. Insbesondere aber sind die vorbekannten Verfahren nicht ge¬ eignet, Tropfen mit Durchmessern kleiner 10 μm zu beeinflussen.

Dies gilt auch für eine Vorrichtung gemäß DE 1 5 21 696 A1 , in welcher vor¬ geschlagen ist, durch Verbinden von Teilen eines Strömungsquerschnittes mit einer Stromquelle ein elektrisches Feld aufzubauen. Hier werden in der Gas¬ phase befindliche Teilchen daran gehindert, schädigend auf Metallflächen oder Halbleiterflächen aufzutreffen, indem die Teilchen mittels des elektrischen Feldes auf einen kristallinen Stoff gelenkt werden, so daß sie stark gebremst und ggf. einer elektrochemischen Reaktion unterzogen werden. Dieses Ver¬ fahren ist im Grundsatz auch nicht für beliebig kleine Tropfen anwendbar, auch nicht bei beliebig hohen Temperaturen, da die Stromzuführungen be¬ rücksichtigt werden müssen, und ist darüber hinaus, wie auch alle anderen genannten Verfahren, wegen des zusätzlichen Strombedarfs energie¬ aufwendig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren zur Beeinflussung von in einer Gas¬ strömung befindlichen Flüssigkeitstropfen bereitzustellen, die einfach und wirtschaftlich herstellbar, in extrem hohen Temperaturbereichen einsetzbar und auch zum Beeinflussen von Flüssigkeitstropfen kleiner 10 μm verwendbar ist. Weiterhin soll mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden. Verfahrensseitig wird zur technischen L ö s u n g dieser Aufgabe vorge¬ schlagen, daß in einem Strömungsabschnitt wenigstens eine aufgrund hoher Temperatur elektrische Ladungen erzeugende Oberfläche eingebracht wird.

Die Erfindung nutzt den Effekt, daß bei einigen Materialien infolge des Ein¬ satzes im Hochtemperaturbereich eine erhöhte Elektronenbeweglichkeit auf¬ tritt, so daß sich eine elektrische Ladung einstellt. Wird wenigstens eine Ober¬ fläche aus einem derartigen Material in einen Strömungsabschnitt eingebracht, so daß das Gas diese Oberfläche überstreicht, so kann, sofern die Ladung der Oberfläche zu den Schadstoffladungen gegensätzlich ist, der Schadstoff extrahiert werden.

Tropfen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind das bevorzugte Anwendungsgebiet. Die Erfindung bezieht und eignet sich für jede Art von Partikeln, selbst wenn diese sich in Abhängigkeit von der Temperatur in anderen Aggregat- oder Zwischenzuständen befinden.

In besonders vorteilhafter Weise werden in einem Strömungsabschnitt zum Aufbau eines elektrischen Feldes wenigstens zwei zueinander weisende, auf¬ grund hoher Temperatur jeweils unterschiedliche elektrische Ladungen er¬ zeugende Oberflächen eingebracht. Das elektrische Feld kann zur Beein¬ flussung der Tropfen verwendet werden, beispielsweise um den Tropfen eine bestimmte Richtung zu geben, diese auf eine bestimmte Oberfläche zu leiten und dergleichen.

In vorteilhafter Weise ist die wenigstens eine Oberfläche eine Keramik. Die bei hohen Temperaturen zum Einsatz kommenden Werkstoffe sind meist keramische Materialien. Diese werden entweder in hochreiner Form oder als Mischungen eingesetzt. Dabei sind die Hauptbestandteile meist Siliciumoxid und Aluminiumoxid. Besondere Feuerfesteigenschaften werden durch Bei¬ mischung weiterer Oxide erreicht. Spezielle Eigenschaften hinsichtlich der Temperaturwechselbeständigkeit und der chemischen Resistenz werden durch spezielle Bearbeitungsprozesse, beispielsweise Sintern oder isostatisches Pressen, erzeugt. Im allgemeinen sind keramische Materialien als elektrische Isolatoren ein¬ zuordnen, wobei die Leitfähigkeit sowohl von der Zusammensetzung als auch von der Temperatur abhängig ist. Gute Isolatoreigenschaften kann man jedoch nicht bei allen Keramiken in jedem Temperaturbereich antreffen. So haben sich beispielsweise zirkonoxidhaltige Keramiken ab einer Temperatur über 600°C als gegenüber guten Isolatoren eine stark abweichende Änderung in der Leit¬ fähigkeit aufweisende Materialien erwiesen, die bei steigender Temperatur rapide in einen Bereich von Leitern mit einem Widerstand im Kiloohmbereich gelangen. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei schmelzgegossenen Keramiken und beruht offensichtlich auf einer durch die besondere Struktur des Materials gegebenen erleichterten Elektronenbeweglichkeit. Die Ver¬ wendungen von Oxiden aus der Reihe der Nebengruppenelemente, beispiels¬ weise Zirkonoxid und dergleichen sind somit zu bevorzugen.

Zum Aufbau eines Feldes zwischen wenigstens zwei Oberflächen der ge¬ nannten Art wird der als Thermoemission bezeichnete Effekt genutzt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in einem Gasstrom enthaltene Teilchen abgelenkt, gesammelt, neutralisiert oder sonstwie beeinflußt werden. Verfahrensgemäß können die Oberflächen auf einer Wandung eines Strömungsabschnittes, auf einem Zusatzelement oder auf einem im Strömungsbereich ohnehin anzuordnenden Bauteil ausgebildet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt besondere Materialeigenschaften bei entsprechenden Temperatur- und Strömungsbedingungen, um in einem Gas¬ strom befindliche Tropfen kleinster Durchmesser abzulenken, zu sammeln oder sonstwie zu beeinflussen, wobei die erfindungsgemäßen Maßnahmen wirtschaftlich und einfach realisierbar sind.

Vorrichtungsseitig wird mit der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen, die in einen Strömungsabschnitt einsetzbar oder ausbildbar ist und wenigstens eine bei Hochtemperatur eine elektrische Ladung erzeugende Oberfläche um¬ faßt. Diese Vorrichtung weist erfindungsgemäß wenigstens eine Keramik¬ oberfläche auf, welche Bestandteile von Zirkonoxid enthält. Die Vorrichtung kann ein zusätzliches Bauteil sein, eine auf einem im Strömungsbereich vorhandenen Bauteil ausgebildete Oberfläche oder ein massiv ausgebildetes Funktionselement darstellen, im Bereich einer Wandung eines Strömungsabschnittes ausgebildet sein und dergleichen.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zueinander parallel angeordnete Platten eine entsprechende Vorrichtung ausbilden. Dabei wird vorgeschlagen, daß eine Vielzahl von Platten durchströmbare Gassen bilden. Die Gassenbreite ist dabei so gewählt, daß unter Berücksichtigung der Gasgeschwindigkeit die Wahrscheinlichkeit für einen Gas-/Oberflächenkontakt maximiert ist. Anstelle der Platten können auch andere Formelemente entsprechende durchströmbare Gassen bilden. Die Gassenbreite steht in Beziehung zur Geschwindigkeit des Gases und der elektrischen Felder. Je höher die Geschwindigkeit und je enger die Gassen um so geringer kann das elektrische Feld sein. Umgekehrt kann eine geringe Geschwindigkeit bei elektrisch geladenen Partikeln ebenfalls eine gute Abscheidung bei der Durchströmung von Gasen zwischen Formelementen erbringen.

Mit der Erfindung wird eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Beeinflussung von in einer Gasströmung befindlichen Flüssigkeitstropfen auch kleinster Durchmesser bereitgestellt, die durch einfaches Ausbilden von Oberflächen mit Materialien mit entsprechenden Eigenschaften wirtschaftlich realisierbar ist. In Kombination mit strömungstechnischen Effekten lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. Die Realisierung als Gesamtbauteil, beispielsweise in Form von Turbinenschaufeln oder dgl., oder als darauf ausgebildete Ober¬ fläche läßt die Gesamtströmungseinheit effektiv und wirtschaftlich werden.

Neben den genannten Werkstoffen können andere Keramiken oder keramikähnliche Werkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise nicht-oxydische Keramiken wie Carbide, Silicide, Nitride oder ähnliches. Darüber hinaus liegt es im Rahmen der Erfindung, den genannten Effekt der ladungserzeugenden Oberfläche aufgrund hoher Temperatur zu verstärken durch das zusätzliche Anlegen von Strom.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungs¬ beispiels für einen Abscheider.

In Figur 1 ist schematisch ein Plattenpaket gezeigt, welches aus einer Vielzahl paralleler Platten besteht, die zwischen sich Gassen freilassen, die Abstände sind einstellbar, wozu Einstellbolzen und -Scheiben verwendet werden können. Diese Befestigungsbereiche können außerhalb des durchströmten Bereiches liegen oder gegenüber diesem strömungsgünstig verkleidet sein.

Die Platten 2, 3 können aus Materialien hergestellt sein, die unterschiedliche Ladungen bei der Durchströmung mit sehr heißen Gasen hervorbringen, so daß sich ein elektrisches Feld aufbauen läßt. Dieses kann in beschriebener Weise die Abscheidung von Flüssigkeitstropfen erheblich fördern. Der Ab¬ scheider 1 weist die Platten 2, 3 auf, die in einem Gehäuse 4 mittels Einstell¬ bolzen 5, 6 zur Bildung entsprechend enger Gassen einstellbar sind. Im ge¬ zeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Durchströmung in Richtung des Pfeils 7.

Die Platten können auch in Durchströmungsquerschnitte eingehängt, in Nuten eingesetzt oder sonstwie befestigt werden. Die Platten können emittierend als leitende/isolierende Platten oder mit umgekehrter Polarität eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste:

1 Abscheider

2 Platten

3 Platte

4 Gehäuse

5 Einstellbolzen

6 Einstellbolzen

7 Durchströmungsrichtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1 . Verfahren zur Beeinflussung von in einer Gasströmung befindlichen Flüssigkeitstropfen, wobei in einem Strömungsabschnitt wenigstens einer aufgrund hoher Temperatur elektrische Ladungen erzeugende Oberfläche eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in einem Strömungsabschnitt zum Aufbau eines elektrischen Feldes wenigstens zwei zueinander weisende, aufgrund hoher Temperatur jeweils unterschiedliche elektrische Ladungen erzeugende Oberflächen eingebracht werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Oberflächen aus keramischen Materialien gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die keramischen Materialien Oxide aus der Reihe der Nebengruppenelemente eingebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium- Carbid eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zirkonoxid eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Flüssigkeitstropfen abgelenkt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Flüssigkeitstropfen auf wenigstens einer Oberfläche ge¬ sammelt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Oberfläche auf we. igstens einer Wandung eines Strömungsabschnittes ausgebildet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Oberfläche auf wenigstens einem mit der Gasströmung zusammenwirkenden Bauteil ausgebildet wird.

1 1 . Vorrichtung zur Beeinflussung von in einer Gasströmung befindlichen Flüssigkeitstropfen, dadurch gekennzeichnet, daß diese wenigstens eine bei Hochtemperatur eine elektrische Ladung erzeugende Oberfläche um¬ faßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ober¬ fläche keramische Materialien aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Vorrichtung eine auf einem mit der Gasströmung zu¬ sammenwirkenden Bauteil ausgebildete Oberfläche ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Vorrichtung ein mit der Gasströmung zusammen¬ wirkendes Bauteil ist.

1 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß diese eine auf einer Wandung eines Strömungsabschnittes ausgebildete Oberfläche ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß diese in den Strömungsweg des Gases einbringbare, vom Gas durchströmbare, Gassen bildende Formelemente aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassenbreite so gewählt wird, daß unter Berücksichtigung der Gas¬ geschwindigkeit die Wahrscheinlichkeit für einen Gas/Oberflächenkontakt maximiert wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 17, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Vorrichtung einen Plattenstapel umfaßt.