專利名稱：碳纖維復(fù)合物放電電極的制作方法
碳纖維復(fù)合物放電電極
背景技術(shù)：
充電電極(帶電電極，charging electrode)是用于靜電除塵器(ESP)的關(guān)鍵部件，所述靜電除塵器(ESP)是用于從氣流如來(lái)自燒煤的發(fā)電廠的流股中收集粒子的裝置。 在Pasic等人的美國(guó)專利第6，231，643號(hào)以及在2008年8月14日公開(kāi)的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)第US2008/0190296號(hào)中示出了這種裝置的實(shí)例，通過(guò)參考將其兩者并入到本文中。最基本的ESP包含一排線及在其后面的間隔的、平面金屬板的堆。高壓電源將電子從板傳遞到線，從而相對(duì)于收集板，在所述線上產(chǎn)生數(shù)千伏的負(fù)電荷。在典型的ESP中， 收集板是接地的，但是可以將極性反轉(zhuǎn)。氣體流過(guò)線之間的空間，然后通過(guò)所述排的板。通過(guò)充電電極將氣體離子化，從而形成電暈。當(dāng)通過(guò)離子化的氣體攜帶粒子時(shí)，它們變得帶負(fù)電。當(dāng)帶電的粒子移動(dòng)通過(guò)接地的收集板時(shí)，強(qiáng)引力導(dǎo)致將粒子拉向板，直至存在碰撞。一旦粒子接觸接地板，則它們放出電子，由此充當(dāng)收集器的一部分。自動(dòng)“敲擊(振動(dòng)，rapping)”系統(tǒng)和料斗排空裝置在使用ESP的同時(shí)除去收集的顆粒物質(zhì)，由此使得ESP可以保持長(zhǎng)時(shí)間周期運(yùn)行。ESP已經(jīng)隨著放電電極的開(kāi)發(fā)而逐步發(fā)展，所述放電電極如連接許多銳釘從而使電暈產(chǎn)生最大化的剛性放電電極。如果電暈更強(qiáng)且覆蓋大部分流動(dòng)區(qū)域使得粒子不能在帶電區(qū)域附近流動(dòng)且避免帶電(這被稱為“漏氣(旁路竄氣，sneakage)”)，則ESP表現(xiàn)得更好。常規(guī)的放電電極支持在典型地包含支持體棒的金屬結(jié)構(gòu)上。所述棒是導(dǎo)電的，以便于將各個(gè)釘點(diǎn)(spike point)與電源電連接。通常，認(rèn)為必需具有能夠承受因收集基板和放電電極之間的火花放電而經(jīng)常流動(dòng)的電流的金屬釘。放電電極的銳釘還典型地由昂貴的合金(例如HASTELL0Y牌合金)制成以避免或減輕在使用這種電極的嚴(yán)酷環(huán)境中的腐蝕。包含棒的整個(gè)放電電極通常由合金制成，從而導(dǎo)致電極昂貴且笨重，由此需要強(qiáng)的支持結(jié)構(gòu)。聚合物便宜、輕且耐腐蝕，但是它們不導(dǎo)電且它們具有差的拉伸/彎曲強(qiáng)度。即使導(dǎo)電復(fù)合物也具有比金屬小得多的電導(dǎo)率。因此，存在對(duì)于下述放電電極的需求，其輕質(zhì)且便宜，但是仍然具有充分的電流和粒子收集效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是使用碳纖維、納米纖維和納米管以產(chǎn)生電暈放電的充電電極的新設(shè)計(jì)。 技術(shù)目標(biāo)是制造耐腐蝕的低成本電極。本發(fā)明包括具有和不具有聚合物基質(zhì)而形成復(fù)合物的碳纖維電極。復(fù)合物比金屬輕得多-從而也減輕了電極的重量。復(fù)合物具有高強(qiáng)度且可用于制造高耐久性和長(zhǎng)運(yùn)行壽命的電極。所述技術(shù)在來(lái)自鍋爐廢氣、ESP(特別是濕ESP)和空氣凈化器的污染控制中具有強(qiáng)烈的潛在應(yīng)用。在使用電極的各種制造工藝中，復(fù)合材料越來(lái)越成為流行。ESP廣泛用于從燒煤的發(fā)電廠的堆中除去顆粒物質(zhì)。所述技術(shù)能夠因電極的高強(qiáng)度和耐腐蝕性能而幫助提供節(jié)約成本。
與其他商購(gòu)可獲得的充電電極相比，本發(fā)明具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括提高了電極的充電特性；因使用便宜、更輕的材料和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)而降低了電極的成本；降低了全部設(shè)備的成本，因?yàn)橄驕p少了任何支持結(jié)構(gòu)的成本。此外，根據(jù)需要和其運(yùn)行條件，電極的組成和物理構(gòu)造的變化是可行的，且因改進(jìn)了氣流模式而提高了收集效率。在會(huì)不利地影響金屬電極的環(huán)境中提高了耐腐蝕性。根據(jù)本發(fā)明已制造了不同設(shè)計(jì)的電極并在一組不同的條件下對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)以確定它們的性能。進(jìn)行試驗(yàn)以確定電極的電壓-電流(V-I)特性和收集效率。觀察到，與昂貴的不銹鋼電極相比，使用碳纖維作為電暈放電來(lái)源的電極在不同的電壓水平下提高了電
暈電流。


圖1是示出用于試驗(yàn)A的三個(gè)電極的側(cè)視圖。左邊的電極是在聚合物支持棒上包裹的碳粗紗(carbon roving) (A2)，“飛鏢電極(ninja star electrode)” (Al)在中間，且右邊的電極(?。?)具有在聚合物基質(zhì)中具有碳粗紗和碳納米纖維(CNF)的復(fù)合帶。圖2是示出用于試驗(yàn)A中的電極試驗(yàn)的16英尺高的室的側(cè)視圖。圖3是示出在具有和不具有灰塵流的情況下，來(lái)自利用三個(gè)電極的試驗(yàn)A的V-I 試驗(yàn)的結(jié)果的表。圖4是示出試驗(yàn)B中試驗(yàn)的電極的透視圖，所述電極包括環(huán)繞支持棒包裹的碳粗紗(Bi)；四個(gè)沿支持棒拉伸的具有玻璃纖維和CNF的復(fù)合帶(B》；以及環(huán)繞棒包裹的碳納米纖維布(碳納米纖維織物，carbon nanofiber fabric) (B!3)。將這些與類似于Al電極的飛鏢電極進(jìn)行比較。圖5是示出用于試驗(yàn)組B的電極試驗(yàn)室的側(cè)視透視圖。圖6是示出在圖5的短室中對(duì)四個(gè)電極的V-I試驗(yàn)的結(jié)果的表。圖7是示出不使用支持棒的單帶實(shí)驗(yàn)裝置的透視圖。圖8是示出在圖5的短試驗(yàn)室中單懸掛帶的V-I試驗(yàn)的結(jié)果的表。圖9是示出放電電極系統(tǒng)的一種可能構(gòu)造的示意圖。柔性電極可以是纖維或絲的復(fù)合帶或束。支持棒可以是不導(dǎo)電的，諸如復(fù)合纖維玻璃管。圖10是示出放電電極系統(tǒng)的部分(a)機(jī)械支持體，(b)導(dǎo)電介質(zhì)(金屬棒/線) 和(c)放電點(diǎn)的透視圖。圖11是示出具有導(dǎo)電介質(zhì)如線的放電點(diǎn)的示意圖。圖12是示出包含中心支持棒、導(dǎo)電介質(zhì)和放電點(diǎn)的放電電極系統(tǒng)的示意圖。圖13是示出用于在非導(dǎo)電棒中使用槽的放電點(diǎn)的支持體的透視圖。圖14是示出通過(guò)將飛鏢焊接在由內(nèi)部不導(dǎo)電棒或管支持的薄金屬管上的放電點(diǎn)的支持體的透視圖。該產(chǎn)品的成本優(yōu)勢(shì)由通過(guò)復(fù)合物棒/管代替金屬塊(bulk)而產(chǎn)生。圖15是示出“連接放電點(diǎn)”的實(shí)例的透視圖，其中所述材料可以為金屬、導(dǎo)電非金屬、兩者的組合、或復(fù)合物。所述連接可以使用纖維、線、棒或其他連接體完成。圖16是示出“連接放電點(diǎn)”的實(shí)例的透視圖，其中所述點(diǎn)具有與圖15中所示的相比不同的形狀。這證明了可以使用放電點(diǎn)的不同排列。圖17是示出連接放電點(diǎn)和由兩半聚合物和/或復(fù)合材料制成的支持棒的組合的分解透視圖。還期待的是，所述支持體半部之一可以僅是熱塑性材料，且所述復(fù)合物棒可具有聚合物涂層。圖18是示出在將圖17中所示的兩半接合在一起之后圖17的放電電極系統(tǒng)的透視圖。圖19是示出使用金屬濾網(wǎng)而對(duì)放電點(diǎn)提供導(dǎo)電通道并作為連接放電點(diǎn)和聚合物支持棒之間的接合輔助物的本發(fā)明實(shí)施方式的分解透視圖。所述支持棒可以是熱塑性復(fù)合物和純熱塑性棒的一種或兩種復(fù)合物棒，或者其組合。圖20是示出用于并入本發(fā)明的電極的期待支持系統(tǒng)的透視圖，盡管所示的電極可不并入本發(fā)明中。在描述在圖中所示出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式時(shí)，為了清楚，借助于特定的術(shù)語(yǔ)。 然而，本發(fā)明并不旨在受限于如此選擇的特定術(shù)語(yǔ)，且應(yīng)當(dāng)理解，各個(gè)特定術(shù)語(yǔ)包括以類似的方式運(yùn)行而完成類似目的的所有技術(shù)等價(jià)物。例如，經(jīng)常使用詞連接或與其相似的術(shù)語(yǔ)。 它們不限于直接連接，而是包括通過(guò)其他元件的連接，其中這種連接被本領(lǐng)域技術(shù)人員看作是等價(jià)的。
具體實(shí)施例方式通過(guò)參考將在2009年7月9日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/224，121號(hào)并入本申請(qǐng)中。本發(fā)明涉及由一種或多種下列成分的組合制成的放電電極不導(dǎo)電纖維和導(dǎo)電性非金屬纖維如碳纖維、碳納米纖維和聚合物。碳纖維和/或碳納米纖維(CNF)在預(yù)期的所有電極中都是常見(jiàn)的成分。所述纖維和/或復(fù)合物電極可以通過(guò)支持棒，諸如通過(guò)環(huán)繞或沿所述棒包裹導(dǎo)電絲而支持；或者所述纖維可以環(huán)繞對(duì)所述絲施加張力的兩個(gè)基本平行的、隔開(kāi)的支持棒纏繞。在后一種情況中，導(dǎo)電絲環(huán)繞兩個(gè)支持體纏繞，從而產(chǎn)生在所述棒之間延伸的絲的陣列。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，跨度(span)越過(guò)氣體流過(guò)的通道延伸。在其中納米纖維在復(fù)合物中的一些情況中，其端部充當(dāng)支持電暈的點(diǎn)。將根據(jù)本發(fā)明制成的電極的實(shí)例示出在圖1中。示出了環(huán)繞圓柱狀聚氯乙烯 (PVC)管的外部螺旋地包裹的裸露的碳纖維粗紗電極(A》。所述碳纖維粗紗是聚集在一起但是不相互膠粘結(jié)合的基本平行的纖維的組。所述纖維具有在幾微米范圍內(nèi)的直徑，但是這可以通過(guò)數(shù)量級(jí)而或大或小地發(fā)生變化。所述粗紗附著或機(jī)械安裝在所述管的端部以防止移動(dòng)，并可以通過(guò)機(jī)械緊固件或膠粘貼片(adhesive patch)而沿其長(zhǎng)度附著。所述螺旋粗紗的間距為2英寸以便與圖1中所示且在下面討論的飛鏢電極(Al)相當(dāng)。期待的是，可以將導(dǎo)電的非金屬纖維的任何組用作電極材料，且認(rèn)為碳是最可行的材料。可以將導(dǎo)電纖維與不導(dǎo)電纖維如玻璃纖維結(jié)合以便獲得一些結(jié)構(gòu)或節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)。例如，可以在復(fù)合物中將碳納米纖維與玻璃纖維結(jié)合，通過(guò)所述復(fù)合物，熱塑性樹(shù)脂發(fā)生滲入(滲透)然后固化。所述碳可以為粗紗或纖維束的形式，如上所述，但是也可以是紗線的形式，如以紗線的形式聚集在一起而形成直徑比原來(lái)長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的伸長(zhǎng)產(chǎn)物的非常短的纖維(例如納米纖維)的串(string)。這種串或紗線可以是復(fù)合物，諸如通過(guò)用可固化和/或熔化的熱塑性聚合物流體滲入(滲透)的復(fù)合物。聚合物基質(zhì)具有幫助從纖維散熱，從而可以防止或減輕氧化(燃燒)的附加益處，但是也可能稍微降低電極的有效性。還期待用能夠承受環(huán)境的金屬如HASTELL0Y牌合金或任何不銹鋼包覆碳纖維。另外，可以將也能夠承受環(huán)境的任何聚合物用于包覆纖維。另一種電極實(shí)例由通過(guò)經(jīng)由聚丙烯(PP)拉擠碳粗紗以形成帶電極(Α； )而形成的復(fù)合帶制成。所述帶是柔性的且為平條形式。所述帶以2英寸的間距環(huán)繞所述支持棒(PVC 管)螺旋地包裹并附著在所述管的相反端部?？梢匝亻L(zhǎng)度將所述帶附著于所述管。電極的其他實(shí)例示出在圖4中，且試驗(yàn)的電極包含環(huán)繞支持棒螺旋地包裹的碳粗紗(Bi)。這與上述電極A2類似。電極B2由沿支持棒拉伸的四個(gè)復(fù)合帶制成，所述復(fù)合帶具有與碳納米纖維(CNF)結(jié)合的玻璃纖維，所述支持棒由PVC管制成。在復(fù)合帶沿支持棒延伸的至少一部分期間，所述復(fù)合帶與所述支持棒基本平行。根據(jù)本發(fā)明制備的電極的圖4中的另一個(gè)實(shí)例是環(huán)繞PVC管包裹的碳納米纖維布 (B3)。所述碳納米纖維布由納米級(jí)直徑和幾微米長(zhǎng)度的納米纖維制成，所述納米纖維通過(guò)用被固化的聚合物基質(zhì)材料滲入(滲透)而形成為布。將所述布環(huán)繞所述管包裹并在端部且沿通過(guò)重疊邊緣而形成的縫固定至管。示出了帶，但是可以使用其他緊固件。所述電極可以是沒(méi)有支持的，諸如通過(guò)將帶或粗紗自身延伸跨過(guò)氣流通道(即不具有任何固定支持體)，如圖7中所示。在該實(shí)例中，在相反的端部夾住碳纖維粗紗或帶，然后以相反的方向拉拔端部以在粗紗或帶中產(chǎn)生張力。所述張力在以橫向快速流過(guò)電極的氣體的存在下，將電極的位置保持在氣流通道如煙 、煙道或風(fēng)道中。期待保持粗紗或帶端部的圓柱體包含基本平行的隔開(kāi)的圓柱體，環(huán)繞所述圓柱體包裹并固定電極材料，然后以與其他相反的方向?qū)⑺鰣A柱體中的至少一個(gè)替換。所述電極也可以沿它們的長(zhǎng)度而被支持，諸如通過(guò)環(huán)繞優(yōu)選不導(dǎo)電的棒或管螺旋地包裹而被支持(參見(jiàn)圖1)。在可替換的實(shí)施方式中，可以將粗紗或帶排列為與支持管或棒基本平行，如圖4(參見(jiàn)似)和圖9中所示。在圖9中，柔性電極與支持棒的外部徑向地隔開(kāi)，這增加了跨過(guò)電極表面的氣流。然而，期待的是，可以以與支持管基本平行并與其接觸的方式安裝電極，如圖4中所示(參見(jiàn)B3)。在其實(shí)例示出在圖20中的還有的另一個(gè)實(shí)施方式中，可以將電極安裝在僅一個(gè)端部以形成懸臂。其另一個(gè)實(shí)例未被示出，但是被構(gòu)造為具有類似于常規(guī)的瓶刷的構(gòu)造的圓刷，其中纖維或復(fù)合物從剛性的中心支持軸向外徑向延伸。所述中心軸是導(dǎo)電的且支持電極的端部。在備選方案中，諸如通過(guò)環(huán)繞內(nèi)部端部流動(dòng)的塑料而將徑向延伸的纖維埋置在塑料中。本文中所述的電極的試驗(yàn)由作為電壓V的函數(shù)的它們的電暈電流(I)放電的測(cè)量組成(V-I曲線)。將下列材料作為來(lái)自電極的放電電流的源進(jìn)行試驗(yàn)粗紗形式的連續(xù) (長(zhǎng))的碳纖維；碳纖維在聚合物基質(zhì)中的帶；碳粗紗和碳納米纖維在聚合物基質(zhì)中的帶； 布形式的碳納米纖維；玻璃纖維與碳納米纖維在聚合物基質(zhì)中的帶；以及刷子形式的碳纖維。所有這些都為非剛性材料形式且因此它們需要以電極形式被支持。使用支持結(jié)構(gòu)成功地對(duì)上述進(jìn)行試驗(yàn)。還可以在沒(méi)有支持體的情況下使用纖維 (諸如碳粗紗)的帶和束?？梢允褂糜善渌麑?dǎo)電非金屬材料制成的小直徑(小于250微米) 的纖維束來(lái)制備放電電極。本發(fā)明使用未用基質(zhì)材料如樹(shù)脂滲入(滲透)的纖維的束以及用基質(zhì)材料滲入(滲透)的纖維的束。對(duì)于結(jié)構(gòu)完整性，優(yōu)選復(fù)合物，且優(yōu)選的是，導(dǎo)電絲具有小直徑(例如5-7微米)。將上述電極與已知為“飛鏢電極”的常規(guī)金屬電極進(jìn)行比較。下面描述對(duì)復(fù)合物放電電極的三組試驗(yàn)(稱作試驗(yàn)A、B和C)。大部分構(gòu)造使用由在聚合物基質(zhì)如聚丙烯(PP) 中的纖維制成的導(dǎo)電復(fù)合帶。在前兩組試驗(yàn)中，通過(guò)由不導(dǎo)電聚合物管制成的“支持棒”來(lái)支持導(dǎo)電成分(如通過(guò)參考在上文中并入的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)中那樣)。以各種長(zhǎng)度對(duì)電極進(jìn)行試驗(yàn)，其中一組結(jié)果利用10英尺長(zhǎng)放電電極獲得。試驗(yàn)室是圖2中所示的垂直的、16英尺長(zhǎng)的矩形鋼管道(風(fēng)道，duct)。在圖5中所示的較短的室中進(jìn)行幾種試驗(yàn)，在所述室中電極的試驗(yàn)長(zhǎng)度為約21至M英寸。通過(guò)將它們的結(jié)果與飛鏢電極進(jìn)行比較來(lái)在兩個(gè)室中評(píng)價(jià)幾種電極。在所有情況中，放電電極在它們的外徑方面都是幾何相等的?；谧鳛槭┘与妷?V)的函數(shù)的放電電流(I)來(lái)判定電極性能。在具有和不具有氣流的情況下描繪V-I曲線。還將灰塵注入到氣流中以模擬靜電除塵器。下面是來(lái)自三組實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)結(jié)果。下述試驗(yàn)是在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的幾種試驗(yàn)的代表。試驗(yàn)組A 目的是比較三種電極。將飛鏢電極(Al)用作用于試驗(yàn)的基線。所述飛鏢電極由不銹鋼制成，其中所述不銹鋼具有以2英寸的間隔焊接至鋼支持棒的2英寸直徑的飛鏢。該設(shè)計(jì)基于由 Southern Environmental, Inc. (Pensacola, Florida)制造的商業(yè)產(chǎn)生的電極。根據(jù)本發(fā)明的第一電極是環(huán)繞PVC管螺旋地包裹的裸露的碳粗紗電極(A2)。 將間距設(shè)定為2英寸以與飛鏢電極相當(dāng)。根據(jù)本發(fā)明的第二電極是利用以2英寸的間距環(huán)繞PVC管支持棒螺旋地包裹的碳粗紗電極(A3)拉擠的(pultruded)聚丙烯(PP)的帶。在試驗(yàn)A中使用的三種不同電極示出在圖1中。試驗(yàn)室示出在圖2中，其示出了用于在試驗(yàn)組A中試驗(yàn)的電極的16英尺高的室。用于試驗(yàn)組A的三種電極在電流相對(duì)于電壓(V-I)特性方面的結(jié)果示出在圖3中。在具有和不具有氣流的情況下對(duì)各個(gè)電極進(jìn)行試驗(yàn)。所述氣流伴隨有灰塵注入。較高的電流指示較好的電極性能?？梢詮脑囼?yàn)組㈧得到的結(jié)論是碳粗紗電極(A2)產(chǎn)生了最好的結(jié)果。即使當(dāng)在具有灰塵流的情況下V-I性能顯著劣化時(shí)，其仍然好于其他兩種電極。另外，具有碳粗紗的聚丙烯和CNF拉擠帶的電極(A3)表現(xiàn)得稍微好于基線電極(Al)。在幾次運(yùn)行中，該結(jié)果保持一致?；覊m流的效果是降低放電電流，但是在飛鏢電極(Al)和復(fù)合帶電極(??； )的情況下，所述效果很不顯著。試驗(yàn)組B 在圖5中所示的3英尺長(zhǎng)的ESP室中進(jìn)行該試驗(yàn)。放電電極具有21英寸的暴露放電表面。在沒(méi)有任何氣流的情況下進(jìn)行這些試驗(yàn)。目的是比較幾種構(gòu)造的V-I 特性，在圖4中示出了所述構(gòu)造中的一些。在圖4中，所示出的電極是包裹在支持棒上的碳粗紗(Bi)、具有沿支持棒拉伸的玻璃纖維和CNF的四個(gè)復(fù)合帶(B》以及環(huán)繞棒包裹的碳納米纖維布(Β； )。與Al電極類似，將這些電極B1、B2和B3與飛鏢電極進(jìn)行比較。作為在短室中的四種電極上的V-I試驗(yàn)的結(jié)果，將來(lái)自試驗(yàn)組B的結(jié)果示出在圖6 中?？梢詮脑囼?yàn)組(B)獲得的結(jié)論是所述試驗(yàn)確認(rèn)了碳粗紗相對(duì)于其他電極的優(yōu)越性。另夕卜，并不是必需將帶環(huán)繞支持棒螺旋包裹以提供顯著優(yōu)勢(shì)。而是與B2相同，可以將它們沿所述棒縱向拉伸。還進(jìn)一步地，可以利用膠粘劑將碳粗紗包裹在支持棒上以提高結(jié)構(gòu)的完整性?？梢詫⒛z粘劑選擇為導(dǎo)電的以增強(qiáng)性能。此外，可以在具有或不具有支持棒的情況下，將各種幾何圖案用于保持帶以優(yōu)化帶的性能。最后，可以利用聚合物或金屬涂料對(duì)碳粗紗或其他纖維以及復(fù)合物進(jìn)行包覆而提高在ESP環(huán)境中的性能和/或完整性并提高電極的壽命。附加的試驗(yàn)示出了，通過(guò)在各個(gè)電極中使用更多的帶可以增強(qiáng)V-I曲線。試驗(yàn)組C 講行該試驗(yàn)組以對(duì)具有和不具有碳納米纖維(CNF)的碳粗紗的復(fù)合帶進(jìn)行比較。沒(méi)有通過(guò)中心聚合物管對(duì)電極進(jìn)行支持。反而，如圖7中的放大圖中所示，每個(gè)為懸掛在短試驗(yàn)室(圖5)中的21英寸長(zhǎng)、約0. 5英寸寬的帶的形狀。通過(guò)從兩端拉拔來(lái)將試樣保持在張力下而進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)下列電極進(jìn)行評(píng)價(jià)(Cl) 一長(zhǎng)度的具有在聚丙烯(PP) 中的碳粗紗和CNF的復(fù)合帶；(C2) —長(zhǎng)度的具有在PP中的碳粗紗的復(fù)合帶；(C3) —長(zhǎng)度的 0.5英寸寬的金屬帶；以及(C4) 一長(zhǎng)度的具有在PP中的玻璃粗紗和CNF的復(fù)合帶。由于在試驗(yàn)C的實(shí)驗(yàn)中，帶的總長(zhǎng)度短得多，所以與如上報(bào)道的其他兩組實(shí)驗(yàn)相比，V-I曲線中的電流也小得多。將試驗(yàn)C(在較短試驗(yàn)室中的單懸掛帶的V-I試驗(yàn))的結(jié)果示出在圖8中。來(lái)自試驗(yàn)組C的結(jié)論包括所有復(fù)合帶表現(xiàn)得都遠(yuǎn)好于金屬帶電極。此外，復(fù)合帶或?qū)щ姺烹娫槐乇话糁С忠员憩F(xiàn)良好。而是可以將它們以張力保持在頂部和底部支持體之間，而不是保持在與電極軸平行的支持體上。這使得帶或纖維束簡(jiǎn)單且節(jié)省成本。最后，所述帶可以由彈性體與納米纖維或納米管制成，然后可以在兩個(gè)平行棒之間將其拉伸并包裹以作為連續(xù)的柔性電極。來(lái)自試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)和結(jié)論是，利用碳粗紗作為放電電極得到了最好的V-I曲線。通過(guò)2至3的因子，其表現(xiàn)得遠(yuǎn)好于飛鏢電極。另外，復(fù)合帶通常表現(xiàn)得至少與飛鏢一樣，且通常好過(guò)約10%。具有納米纖維的碳粗紗帶看起來(lái)表現(xiàn)得稍微好于其他帶。可行的設(shè)計(jì)包括環(huán)繞支持棒包裹、或者沿支持棒拉伸的、或者在兩個(gè)夾子或圓柱體之間懸掛/拉伸的帶或粗紗。也成功地對(duì)由開(kāi)裂的連續(xù)的導(dǎo)電碳纖維制成的“碳纖維刷”進(jìn)行了試驗(yàn)。碳纖維的端部充當(dāng)放電點(diǎn)。V-I特性優(yōu)異，但是因?yàn)閹缀紊系牟町?，其不可能與飛鏢電極比較 V-I特性。將用于具有不導(dǎo)電支持體的使用帶或纖維束的根據(jù)本發(fā)明制成的放電電極系統(tǒng)電極的期待構(gòu)造示出在圖9中。柔性電極可以是纖維或絲的復(fù)合帶或束。支持棒可以是不導(dǎo)電的(例如復(fù)合纖維玻璃管)或者在其他實(shí)施方式中其可以是導(dǎo)電的。盡管圖9實(shí)施方式是一個(gè)特定的實(shí)例，但是三種普通構(gòu)造是重要的。第一普通構(gòu)造是如下構(gòu)造其中以徑向空間或偏移沿支持棒的長(zhǎng)度拉伸由帶、纖維或絲制成的柔性電極，如圖9中所示。第二普通構(gòu)造是如下構(gòu)造其中柔性電極結(jié)合至支持棒(沿其長(zhǎng)度或繞其包裹)，使得不存在偏移，如圖4中所示(Β； )。第三普通構(gòu)造是如下構(gòu)造其中在氣流通道的頂部和底部的支持結(jié)構(gòu)之間拉伸放電電極帶、纖維或線，且沒(méi)有沿所述帶、纖維或線的長(zhǎng)度延伸的支持棒，如圖7中所示。如果不使用支持棒，則可以具有優(yōu)勢(shì)。首先，可以從設(shè)計(jì)中除去支持棒且在頂部和底部支持體之間拉伸柔性電極。第二，可以拉伸柔性電極的不同密度陣列(每單位面積的電極數(shù))以根據(jù)需要產(chǎn)生電暈放電。例如，在灰塵流的入口可以提供較高的密度。由此，可以對(duì)柔性電極進(jìn)行分布以在ESP中的不同點(diǎn)處提供不同水平的電暈放電。
柔性電極的輕重量使得在ESP內(nèi)更容易地支持和拉伸。這使得可以改變或增加集電板之間的間隔。下面討論了用于將聚合物復(fù)合物支持體結(jié)合至放電點(diǎn)并與放電點(diǎn)電連接的各種方法。當(dāng)然，這種討論不是限制性的而是示例性的，且基于本文中的公開(kāi)內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)容易地設(shè)計(jì)其他方法。通常，可以看出，在“放電電極系統(tǒng)”中的部件必須提供三種功能(a)機(jī)械支持， (b)放電點(diǎn)的電連接和(c)用于電暈產(chǎn)生的放電點(diǎn)。為了描述復(fù)合物電極，將這些功能示于圖10、11和12中的放電電極系統(tǒng)中。圖10示出了包含(a)機(jī)械支持體，(b)導(dǎo)電介質(zhì)(金屬棒/線)和(C)放電點(diǎn)的放電電極系統(tǒng)的構(gòu)成部件。這些部件示意性地示出在圖11和12中。圖12示出了包含中心支持棒、導(dǎo)電介質(zhì)和放電點(diǎn)的放電電極系統(tǒng)。在傳統(tǒng)方法中，放電電極的功能(a)和(b)兩者通過(guò)金屬支持體實(shí)行。本發(fā)明期待兩種類型的創(chuàng)新(1)將金屬改變?yōu)椴煌膶?dǎo)電材料，諸如使用導(dǎo)電聚合物復(fù)合物棒或者O)使用不同的材料來(lái)實(shí)行不同的功能，如圖11和圖12中所示。將放電點(diǎn)連接至支持棒的其他方法示出在圖13和圖14中。圖14示出了通過(guò)將飛鏢焊接在由內(nèi)部不導(dǎo)電棒或管支持的薄金屬管上而支持放電點(diǎn)。從通過(guò)復(fù)合物棒/管取代金屬塊而獲得了成本優(yōu)勢(shì)。在如上討論的情況中，優(yōu)選通過(guò)聚合物或復(fù)合物管來(lái)提供作為提供機(jī)械強(qiáng)度的骨架的電極支持體。電連接介質(zhì)可以為提供從供電電壓到放電點(diǎn)的導(dǎo)電通道的線、棒或薄管。 可以將放電點(diǎn)與導(dǎo)電線或棒的其他組合安裝在不導(dǎo)電聚合物或基于聚合物的復(fù)合物上，因?yàn)榭梢砸匀廴谛问綄?duì)聚合物進(jìn)行處理。下面對(duì)其進(jìn)行描述?？梢詫⒎烹婞c(diǎn)的不同組合結(jié)合至導(dǎo)電介質(zhì)并埋置在含聚合物的支持棒內(nèi)?？梢源嬖诮Y(jié)合至導(dǎo)電線或細(xì)棒的連接放電點(diǎn)或釘?shù)膸追N組合，其中所述導(dǎo)電線或細(xì)棒可以埋置在聚合物或聚合物復(fù)合物支持棒內(nèi)。實(shí)例示出在圖15和圖16中。圖15示出了“連接放電點(diǎn)”的實(shí)例，其中所述材料可以是金屬、導(dǎo)電非金屬、兩者的組合、或者復(fù)合物。可以使用纖維、線、棒或其他形狀來(lái)完成連接。在圖16中，示出了“連接放電點(diǎn)”的實(shí)例，其中所述點(diǎn)具有與圖15中所示的點(diǎn)相比不同的形狀。這證明了，可以使用放電點(diǎn)的不同排列。當(dāng)用于本發(fā)明中時(shí)，熱塑性材料、纖維玻璃復(fù)合物以及其他不導(dǎo)電支持體具有至少下列優(yōu)勢(shì)。在使用碳導(dǎo)電纖維的熱塑性復(fù)合物支持體的情況下，可以通過(guò)熱塑性材料插入熱金屬放電電極點(diǎn)(例如銷)而在熱塑性材料中安裝金屬放電電極點(diǎn)?？赡苄枰〉膶?dǎo)孔，且可以通過(guò)使用超聲或振動(dòng)來(lái)幫助所述過(guò)程。聚合物會(huì)熔化并再凝固，從而產(chǎn)生緊密的密封?？梢栽谥С职舻膬?nèi)部或外部將金屬銷電連接。還期待將放電點(diǎn)接合至連接線或棒，然后將其放在兩個(gè)基本平行的、不導(dǎo)電熱塑性/復(fù)合物棒之間，然后環(huán)繞連接線和放電點(diǎn)接合熱塑性棒。支持體半部之一可以僅是熱塑性材料，且復(fù)合物棒可具有聚合物涂層。將這作為連接放電點(diǎn)和由兩半聚合物和/或復(fù)合材料制成的支持棒的組合示出在圖17中。圖18示出了將圖17中所示的兩半接合在一起之后的放電電極系統(tǒng)?？梢詾閳A柱狀或其他形狀的連接棒可以增強(qiáng)由聚合物或復(fù)合物制成的支持棒。代替使用金屬連接體，可以使用非金屬導(dǎo)電纖維或?qū)щ妿б赃B接金屬放電點(diǎn)，然后將導(dǎo)體埋置在支持棒內(nèi)?？梢詫⒎烹婞c(diǎn)焊接至金屬濾網(wǎng)，然后將金屬濾網(wǎng)放在兩種熱塑性復(fù)合物之間。為了便于接合，復(fù)合物可以具有富樹(shù)脂表面，其可以容易地熔化和結(jié)合。這示出在圖19的圖示中。可以對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行電加熱以將熱塑性材料熔化而用于改進(jìn)接合。金屬濾網(wǎng)對(duì)放電點(diǎn)提供了導(dǎo)電通道，且還作為連接放電點(diǎn)與聚合物支持棒之間的接合輔助物。 所述支持棒可以為熱塑性復(fù)合物和純熱塑性棒的單一棒，或兩種復(fù)合物棒，或者其組合。如果要將碳纖維或?qū)щ娎w維用作放電點(diǎn)，則可以將碳布或碳粗紗的條放置在兩個(gè)聚合物棒之間并膠合在一起，使得纖維端部自由并延伸到支持棒外部。所述碳纖維會(huì)對(duì)復(fù)合物提供強(qiáng)度。在這種情況下，支持棒可以是熱固性復(fù)合物。最終產(chǎn)物看起來(lái)像刷子。對(duì)于制備復(fù)合物，熱固性材料更易于處理，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠袒傲鲃?dòng)容易且它們中的許多可抵抗腐蝕環(huán)境。熱固性材料的優(yōu)勢(shì)在于，可以通過(guò)成形工藝環(huán)繞“連接放電點(diǎn)”固化熱固性樹(shù)脂而將其進(jìn)行埋置。還可以將熱固性材料用于結(jié)合聚合物支持棒。放電電極系統(tǒng)對(duì)ESP結(jié)構(gòu)的附著可以通過(guò)將連接線或棒連接至支持結(jié)構(gòu)，使得電極的重量得到支持而完成?？梢允褂酶郊拥膴A子以防止支持棒的橫向移動(dòng)，如圖20的實(shí)例中所示。圖20中示出了用于并入本發(fā)明的電極的期待的支持系統(tǒng)?？梢栽黾佑糜诮档鸵蛘駝?dòng)而造成的橫向移動(dòng)的夾子數(shù)，但是所述線支持重量。這可能是對(duì)于安裝電極最簡(jiǎn)單且最便宜的系統(tǒng)。結(jié)合附圖的該詳細(xì)說(shuō)明主要旨在作為本發(fā)明目前優(yōu)選實(shí)施方式的說(shuō)明，且不旨在表示可以構(gòu)建或利用本發(fā)明的唯一形式。所述說(shuō)明連同示出的實(shí)施方式提出了實(shí)施本發(fā)明的設(shè)計(jì)、功能、手段和方法。然而，應(yīng)當(dāng)理解，通過(guò)也旨在包含在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的不同實(shí)施方式可以完成相同或相當(dāng)?shù)墓δ芎吞卣?，且在不背離本發(fā)明或所附權(quán)利要求的范圍的情況下，可以采用各種修改。
1權(quán)利要求
1.一種用于靜電除塵器的放電電極，所述靜電除塵器具有連接到至少一個(gè)收集電極的電源以及跨過(guò)所述放電電極和所述收集電極的氣流，所述放電電極包含電連接至所述電源并暴露于所述氣流的至少一種碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電電極，其中，所述至少一種碳纖維還包含以基本上平行的取向相互定位并通過(guò)所述氣流延伸的碳纖維的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放電電極，其中，所述碳纖維的組從與第一支持體的連接通過(guò)所述氣流延伸到與第二支持體的連接，所述第二支持體與所述第一支持體隔開(kāi)，所述碳纖維的組在所述第一支持體和第二支持體之間具有充分的張力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的放電電極，其中，所述第一支持體是第一圓柱體，而所述第二支持體是基本上與所述第一圓柱體平行的第二圓柱體。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放電電極，其中，所述碳纖維的組沿通過(guò)所述氣流延伸的不導(dǎo)電棒的外表面延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的放電電極，其中，所述碳纖維的組與所述棒的所述外表面接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的放電電極，其中，所述纖維的組以螺旋狀環(huán)繞所述棒的表面纏繞。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的放電電極，其中，所述纖維的組基本上平行于所述棒沿所述棒的表面延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放電電極，其中，所述纖維的組從所述棒徑向地間隔至少通過(guò)所述氣流延伸的所述棒的一部分的基本長(zhǎng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電電極，其中，所述至少一種碳纖維還包含已通過(guò)基質(zhì)材料滲入而形成復(fù)合物的碳纖維的組，且所述復(fù)合物通過(guò)所述氣流延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電電極，其中，所述碳纖維的組從與第一支持體的連接通過(guò)所述氣流延伸到與第二支持體的連接，所述第二支持體與所述第一支持體隔開(kāi)，所述碳纖維的組在所述第一支持體和第二支持體之間具有充分的張力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的放電電極，其中，所述第一支持體是第一圓柱體，而所述第二支持體是基本上與所述第一圓柱體平行的第二圓柱體。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電電極，其中，所述復(fù)合物沿通過(guò)所述氣流延伸的不導(dǎo)電棒的外表面延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的放電電極，其中，所述復(fù)合物與所述棒的所述外表面接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的放電電極，其中，所述復(fù)合物以螺旋狀環(huán)繞所述棒的表面纏繞。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的放電電極，其中，所述復(fù)合物基本上平行于所述棒沿所述棒的表面延伸。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的放電電極，其中，所述復(fù)合物從所述棒徑向地間隔至少通過(guò)所述氣流延伸的所述棒的一部分的基本長(zhǎng)度。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電電極，其中，所述碳纖維包含至少一些納米管。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電電極，其中，所述碳纖維包含至少一些納米纖維。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電電極，還在所述纖維的至少一些上包含金屬的涂層。
21.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放電電極，還在所述纖維的至少一些上包含聚合物的涂層。
全文摘要
使用碳纖維、納米纖維和/或納米管而產(chǎn)生電暈放電的放電電極。本發(fā)明期待具有或不具有聚合物基質(zhì)以形成復(fù)合物的碳纖維電極以及螺旋環(huán)繞支持棒包裹纖維的支持構(gòu)造，所述支持棒沿所述電極的長(zhǎng)度延伸。另一種支持構(gòu)造包含跨過(guò)氣流通道拉伸的纖維。還有的另一種支持構(gòu)造包括基本上平行于支持棒沿所述棒的長(zhǎng)度設(shè)置纖維。
文檔編號(hào)B03C3/41GK102470376SQ201080036562
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者M·哈魯爾·阿拉姆 申請(qǐng)人:俄亥俄大學(xué)