Lufttechnik + Metallbau AG 5430 Wettingen, Schweiz

Vorrichtung zur Luftreinigung, insbesondere für Lüftungs- und

Klimaanlagen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftreinigung für Lüftungs- und Klimaanlagen gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Luftreinigungsvorrichtungen sind allgemein bekannt und ihre Bedeutung nimmt mit steigender Luftverschmutzung insbesondere des Feinstaubanteils ständig zu. Je nach Wirkungsgrad und Anwendungsfall werden sie als Taschenfilter, Kompaktfilter oder geschlossene Filterzellen ausgeführt, wobei die Taschenfil-

ter die grösste Verbreitung finden. Die Filter werden nach der Europäischen Norm EN 779/EN1822 gemessen und aufgrund der Wirkungsgrade (Partikelzählung) resp. der Abscheidegrade (durch Wägung) in verschiedene Luftfilterklassen eingeteilt. Die Qualität bzw. der Aufbau des verwendeten Filtermaterials, die Filterfläche sowie der Filterwerkstoff (Glas oder Synthetika) bestimmen zusätzlich zu den genannten konstruktiven Unterschieden die Eigenschaften eines Filters.

Für den Betrieb sind nebst den filtertechnischen Daten der Druckverlust und damit der Energieverbrauch der Filteraniage von ausschlaggebender Bedeutung. Der Energieverbrauch kann bei gleichartigen Filtern, auch der gleichen Filterklasse, erheblich auseinander liegen. Wenn auch die Anfangsdruckverluste in den Verkaufsunterlagen meistens noch nahe beieinander sind, so nehmen sie im Verlaufe des Betriebes von Filtertyp zu Filtertyp ganz unterschiedlich zu.

Bei einem Gerät für die Luftreinigung gemäss der Druckschrift US-A-5,622,543 sind in einem gebildeten Luftkanal mehrere hintereinander angeordnete Filter bzw. Platten vorgesehen. Als erstes passiert die Luft einen Drahtgewebefilter und dann eine perforierte Platte, die als Anionenerzeuger ausgebildet ist und zu diesem Zwecke mit einem Hochspannungsgenerator elektrisch verbindbar ist und ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Nach dieser aufladbaren Platte ist ein Staubsammler und anschliessend noch ein Aktivkohlenfilter angeordnet. Nachteilig ist, dass die gesamte Anordnung mit diesen mehreren Filtern und Platten einen sehr niedrigen Wirkungsgrad aufweist und dass dabei diese perforierte Platte mit den rhomboidförmigen Löchern eine solche Geschwindigkeitsreduzierung auf die hindurchströmende Luft bewirkt, dass die Staubpartikel statt bei dem nachfolgenden Staubsammler bereits bei dieser perforierten Platte abscheiden und diese Löcher darin schnell verstopfen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Wirkungsgraderhöhung und eine Reduzierung des Wirkungsgrad-Abfalles und eine weitgehende Beibehal-

tung des Druckverlustes während der gesamten Betriebszeit bei normalen Aus- senluftbedingungen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäss wird bei einem bestimmten Filter der Wirkungsgrad dermas- sen erhöht, dass der Staubdurchlass (die Staub-Penetration) etwa halbiert werden kann. Ausserdem sinkt der Anfangswirkungsgrad während einer üblichen Betriebszeit (z.B. 6'00O Stunden) nur noch unwesentlich, was dem Betreiber eine entscheidende Sicherheit gibt und dies bei nur unwesentlich ansteigendem Druckverlust. Die Energiekosten können dadurch konstant und tief gehalten werden.

Die Erhöhung des Luftfilter-Wirkungsgrades wird branchenüblich durch die Wahl eines feineren Filtermediums gelöst. Feinere dichtere Filtermedien weisen aber einen höheren Luftwiderstand (Druckverlust) auf, welcher während der Betriebszeit zudem wesentlich ansteigt, und es entstehen dadurch höhere Energiekosten. Der erfindungsgemäss dem Luftfilter unmittelbar vorgeschaltete Staub-Agglomerator vergrössert der von der Luft getragene Feinstaub durch Agglomeration derart, dass sie mit einem einfachen Luftfilter besser abgeschieden werden kann. Der Staub wird durch den Agglomerator vorkonditioniert.

Im Unterschied zu den herkömmlichen Elektrofiltern besitzt der Erfindungsgegenstand nur ein einziges Gleichstrom-Hochspannungsfeld, welches die Staubpartikel durch Ionisierung und anschliessender Agglomeration vergrössert, wodurch der Staub im nachgeschalteten Luftfilter von branchenüblicher Ausführung höhergradig abgeschieden wird. Die mehrheitlich gleichpolig geladenen abgeschiedenen Staubpartikel bilden zudem eine elektrostatisch aktive Fläche im Luftfilter, welche die Staubbindung im Filtergewebe zusätzlich verstärkt und die unerwünschte Staubablösung (Shedding) reduziert.

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Im Vergleich dazu bleibt bei herkömmlichen Luftfiltern ohne Staub- Agglomerator die während der Medienfabrikation erzeugte elektrostatische Ladung nur solange wirksam, bis die elektrische Ladung abgebaut und damit neutralisiert ist. Dies geschieht bereits nach wenigen Tagen bis Wochen.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird dank des elektrostatischen Feldes die Agglomerator-Wirkung ständig erneuert und der Abscheidegrad bleibt während der Betriebszeit auf dem anfänglich hohen Niveau weitgehend erhalten. Diese Wirkung stellt sich bei Glasfasern wie auch bei synthetischen Filtermedien ein.

Die in der Luft vorhandenen Staubpartikel werden im Staub-Agglomerator in grossere, in der Anzahl reduzierte Staubteilchen umgewandelt, welche wirkungsvoller abgeschieden werden können. Das Filtermedium braucht somit nicht so engmaschig ausgelegt zu sein, was weniger Druckverlust und damit geringerer Energieverbrauch bedeutet. Mit andern Worten, die gleiche Reinigungswirkung kann mit einem "schlechteren" Filter erreicht werden. Wirtschaftlichkeitsberechnungen schliessen den zusätzlichen Energieverbrauch für den Hochspannungsgleichrichter ein.

Die Vorrichtung eignet sich auch bestens für das kostengünstige Nachrüsten bestehender Filteranlagen auf höhere Wirkungsgrade, ohne dass Ventilatoren und Antriebsmotoren wegen der dafür erforderlichen höheren Druckverluste ausgewechselt werden müssen.

Die Vorrichtung eliminiert auch den naturgemässen Nachteil der traditionellen Elektrofilter, indem bei Stromausfall jede Abscheidewirkung des Elektrofilters entfällt. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung bleibt jedoch bei Stromausfall der normale Abscheidegrades Gewebefilters erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Luftreinigung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Staub-Agglomerates für die erfin- dungsgemässe Vorrichtung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Staub-Agglomerates mit einem integrierten Hochspannungs-Gleichrichter, und

Fig. 4 ein Diagramm als Vergleich des Wirkungsgrades einer erfindungsgemässen Vorrichtung gegenüber einem herkömmlichen Luftfilter.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Luftreinigung, insbesondere für Lüftungs- und Klimaanlagen, welche in einem durch ein Kanalgehäuse 25 gebildeten Luftkanal 10 montiert ist, durch welchen die zu reinigende Luft in Strömungsrichtung S gefördert wird. Es handelt sich beispielsweise um einen Normkanal für eine Filterzelle, der üblicherweise einen Querschnitt von 61 O x 610 mm aufweist. Die Luftmenge kann beispielsweise 2700 m ³ /h oder 3400 m ³ /h betragen, was einer Luftgeschwindigkeit im Kanal von 2 m/s bzw, 2,5 m/s entspricht.

Dieser Vorrichtung im Luftkanal 10 ist ein Luftfilter 11 zugeordnet, welcher zur Abscheidung von in der Luft vorhandenen Staubpartikeln dient. Es handelt sich dabei um einen handelsüblichen Taschen- bzw. Kompaktfilter, wie solche in verschiedenen Luftfilterklassen auf dem Markt erhältlich sind. Solche Luftfilter bestehen in der Regel aus einem engmaschigen synthetischen Gewebe.

Dem Luftfilter 11 ist unmittelbar davor ein Staub-Agglomerator 12 vorgeschaltet, der auch in Fig. 2 vereinfacht dargestellt ist. Der Staub-Agglomerator 12 weist erfindungsgemäss eine Anzahl von zueinander beabstandeten Elektroden 16 und Blech-Lamellen 15 auf, wobei die drahtähnlich ausgebildeten Elektroden 16 und die Blech-Lamellen 15 jeweils abwechslungsweise angeordnet sind

und mit den Elektroden 16 im Luftkanal ein Spannungsfeld, insbesondere ein Gleichspannungsfeld, erzeugbar ist.

Die Elektroden 16 und Blech-Lamellen 15 sind in Reihe in dem rahmenförmig ausgebildeten Staub-Agglomerator 12 in querer Ausrichtung zum Luftkanal 10 angeordnet. Die Blech-Lamellen 15 verlaufen hierbei mit ihrem länglichen Querschnitt in Luftströmungsrichtung S und sie sind zusammen mit den Elektroden vorteilhaft jeweils in einem gleichmässigen Abstand parallel zueinander verlaufend angeordnet, wobei die Elektroden 16 annähernd im Mittenbereich der Blech-Lamellen 15 positioniert sind. Sie können jeweils vorzugsweise als eine Drahtelektrode aus Wolfram oder einem andern Spezialstahl ausgebildet sein, die in Längsrichtung zu den rechteckigen Lamellen 15 (Gegenelektroden) verläuft. Die Elektroden könnten auch wellenförmig ausgebildet und somit wie eine Feder in dem Staub-Agglomerator spannbar sein.

Die Elektroden 16 sind für die Erzeugung des Gleichspannungsfeldes über die Verbindungsleitungen 22, 23 an einen Hochspannungsgleichrichter 13 angeschlossen, und dieser ist seinerseits über eine Leitung 14 mit dem Stromnetz verbunden. Die Spannung des Hochspannungsgleichrichters 13 kann z.B. zwischen 5 kV und 12 kV betragen.

Gemäss Fig. 3 kann der Hochspannungsgleichrichter 13' auch direkt im Staub- Agglomerator 12 integriert sein, so dass diese zusammen als eine einzige Baueinheit auswechselbar sind und damit nur gerade ein Steckeranschluss für die Stromversorgung (z.B. 230 V AC) dieses Gleichrichter vorhanden sein muss. Dieser Hochspannungsgleichrichter 13' ist so dimensioniert, dass er zum Rahmen des Agglomerators 12 nicht vorsteht, so dass der an sich in Normgrösse hergestellte Rahmen in einen entsprechend normierten Kanal eingeschoben werden kann, ohne dass dieser Kanal speziell angepasst werden müsste.

Der rahmenförmige Staub-Agglomerator 12 ist als Einschubmodul ausgebildet und quer in dem Kanalgehäuse 25 vor dem parallel zu ihm angeordneten Luft-

filter 11 fixierbar. Er kann auch direkt dem Filterrahmen bzw. dem Filter vorgehängt bzw. an ihm befestigt und als eine gemeinsame Einheit in eine Anlage ein- bzw. ausgebaut werden. Durch eine Optimierung der Konstruktion kann die Tiefe t des Staub-Agglomerator 12 so niedrig gehalten werden, dass auch bestehende Klimageräte bzw. Anlagen mit ihm nachgerüstet werden können. Die Tiefe eines solchen Agglomerators 12 beträgt vorzugsweise zwischen 40 und 60 mm. Auch die Abstände der Elektroden zu den Lamellen sind so gewählt, dass sich optimale Verhältnisse in Bezug auf den Luftwiderstand des Agglomerators 12, auf die elektrostatische Ladung beim Filter und auf die elektrostatische Beeinflussung des Staubes ergeben. Zwischen den Elektroden und den Lamellen ist vorzugsweise ein Abstand von 10 bis 50 mm vorgesehen. Die Lamellen könnten grundsätzlich auch fast wie ein Draht ausgebildet sein.

Vorteilhaft ist dem Staub-Agglomerator 12 ein strichpunktiert dargestellter Vorfilter 19 vorzuschalten, welcher ebenso als handelsüblicher Filter vorgesehen sein kann. Dieser Vorfilter 19 ist vorzugsweise grobmaschig ausgebildet, so dass er den Agglomerator 12 nur von groben Schmutzteilen (Insekten oder ähnlichem) schützen muss.

Der mit dem Hochspannungsgleichrichter 13 (oder bei Grossanlagen mit einer gemeinsamen Gleichstrom-Spannungsquelle) -verbundene Staub-Agglomerator 12 besitzt ein einziges Gleichspannungsfeld, so dass im Agglomerator keine Staubabscheidung stattfindet. Die Luft wird ionisiert, und der Staub wird erst in dem zum Staub-Agglomerator 12 nachgeschalteten Luftfilter 11 aufgefangen. Die mehrheitlich gleichpolig geladenen Staubpartikel bilden eine elektrostatisch aktive Fläche im Luftfilter 11 , welche die Staubbindung im Filtergewebe zusätzlich verstärkt. Dies ist auch dann besonders wirksam, wenn die zu reinigende Luft Flüssigkeitströpfchen, zum Beispiel Oelpartikel enthält, welche mit der er- findungsgemässen Vorrichtung besser aus der Luft abgeschieden werden.

Während bei herkömmlichen Filtervorrichtungen ohne Staub-Agglomerator die elektrostatische Ladung nur solange wirksam war, bis die Filtergewebe-Fasern

mit Staub belegt worden sind resp. die Ladung neutralisiert wurde, wodurch man sich den anfänglich hohen Wirkungsgrad erklärt, ist bei der erfindungsge- mässen Vorrichtung das elektrische Feld ständig vorhanden und der Wirkungsgrad bleibt während der Betriebszeit praktisch auf dem anfänglichen hohen Niveau, wie dies aus dem Diagramm in Fig. 4 ersichtlich ist. Das Diagramm zeigt den prinzipiellen Wirkungsgradverlauf beispielhaft in Abhängigkeit der Betriebsstunden und in Bezug auf einen Staubdurchmesser von wenigstens 0.4 μm. Bei einer Vorrichtung mit einem erfindungsgemässen Staub-Agglomerator bei Verwendung eines Taschenfilters der Klasse F7 mit einem synthetischen Medium kann der Wirkungsgrad dauerhaft auf nahezu 80% gehalten werden, indes bei der Verwendung eines gleichen Taschenfilters ergibt sich ein Wirkungsgrad, der auf weniger als 30% absinkt.

Die in der Luft vorhandenen Staubpartikel werden im Staub-Agglomerator 12 in grossere, in der Anzahl reduzierte Staubteilchen umgewandelt, welche wirkungsvoller abgeschieden werden können. Das Luftfilter 11 braucht weniger engmaschig zu sein, was auch weniger Druckverlust bei einem bestimmten Wirkungsgrad bedeutet. Mit anderen Worten, das gleiche Reinigungsresultat kann mit einem „schlechteren" Filter erreicht werden, oder der gleiche Filter ist für kompaktere Lösungen (mit kürzeren Luftfiltern) geeignet.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist wirtschaftlich günstiger als herkömmliche Luftreinigungsvorrichtungen mit vergleichbarem Wirkungsgrad, trotz der Notwendigkeit von zusätzlicher elektrischer Energie für den Staub- Agglomerator, da die Anlagen mit Filtern einer tieferen Klasse und damit kleinerem Druckverlust (Energieverbrauch und Anschaffungskosten) ausgerüstet werden können.

Sie ist nicht nur für Lüftungs- und Klimaanlagen sondern auch für technisch, industrielle Zwecke wie in der Reinraumtechnik von Bedeutung, oder für Füter- anwendungen in der pharmazeutischen Industrie oder in der Kemindustrie.

Der Nutzen des Agglomerators zeigt sich besonders im submikronen Partikelbereich, wo die Brown'sche Bewegung der Moleküle wirksam ist. Die Brown'sche Bewegung wird durch die zugeführte Feld-Energie verstärkt (Kinematische Koagulation), weshalb die erfindungsgemässe Vorrichtung besonders im submikronen Feinstaubbereich und in der Nanotechnologie Verwendung findet.

Es sei hierbei noch erwähnt, dass erfindungsgemässe Agglomeratoren aber auch den Filterzellen von ganzen Filterwänden bei Grossanlagen vorgeschaltet werden können.