DE10045302C2 - Heizeinrichtung eines Grob- und/oder Feinstaubfilters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung eines Grob- und/oder Feinstaubfilters, der mehrere voneinander beabstandete Einströmprofile und Abscheidprofile umfasst, wobei die Einströmprofile und/oder die Abscheidprofile Hohlräume zur Aufnahme von mindestens einem Heizstab aufweisen.

Eine derartige Heizeinrichtung ist durch die WO 99/28011 A1 bekanntgeworden.

Es ist bekannt, Heizelemente in Einströmproflen und Abscheidprofilen von Grobstaubfiltern von Schienenfahrzeugen anzuordnen, um beim Einsatz unter extremen Witterungsbedingungen im Winter bzw. beim Einsatz in Kältegebieten Vereisung des Luftansauggitters bzw. den Verschluss von Luftfilteranlagen infolge von Schneefall oder Eisregen zu verhindern.

Aus der DE 34 07 219 C2 ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Fremdstoffen aus einem Gasstrom bekannt, bei der eine von einem Gasstrom durchströmbare Wand Leitflächen aufweist, die in Anströmrichtung sich verengende Eintrittskanäle bilden und in einem Beruhigungswulst enden. Hinter jeder Leitfläche ist eine konkave Prallfläche angeordnet, die mit Abstand um den Beruhigungswulst herumgewölbt ist. Die Prallflächen lenken den Gasstrom auf die Rückseite der Leitflächen. Leitflächen und Prallflächen sind zumindest annährend rotationssymmetrisch gestaltet und paarweise gleichachsig angeordnet. Schwere Fremdstoffpartikel sammeln sich in der Nähe der Prallfläche und werden an deren Rand durch eine Auffangfläche abgefangen, in eine Sammelkammer geleitet und abgesaugt.

Aus der WO 99/28011 A1 ist eine Filtereinrichtung bekannt, die wenigstens ein Ansaugfilter, das von einem gasförmigen Kühlmedium durchströmbar ist, wenigstens eine Heizvorrichtung, durch die wenigstens ein Ansaugfilter zumindest teilweise beheizbar ist und wenigstens einen Strömungswächter, durch den die Strömung des gasförmigen Kühlmediums erfassbar ist, sowie wenigstens eine Schalteinrichtung, durch die die Heizvorrichtung bei fehlender Strömung zuschaltbar und bei wiedereintretender Strömung abschaltbar ist, umfasst. Als Heizeinrichtung sind Heizelemente vorgesehen, die in und/oder an einem sich verjüngenden Abschnitt eines sich im Querschnitt in Strömungsrichtung verjüngenden Einström- oder Abscheidprofils angeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine effektivere und einfach einbaubare Heizeinrichtung für einen Grob- bzw. Feinstaubfilter zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Heizeinrichtung dadurch, dass der Heizstab jeweils flächig an der gesamten Innenoberfläche desjenigen Abschnitts des Einströmprofils anliegt, der unmittelbar von dem in den Staubfilter einströmenden Gas, insbesondere Luft, angeströmt ist.

Durch die passgenau in die Hohlräume der Einströmprofile eingebrachten und mit der Innenoberfläche des Einströmprofile direkt in Kontakt stehenden Heizstäbe erfolgt eine direkte Beheizung der exponierten Stellen des Grob- bzw. Feinstaubfilters. Das anströmende Gas wird also sofort, wenn es den Staubfilter erreicht, erwärmt. Sollte der Staubfilter vereist sein, z. B. weil ein Schienenfahrzeug über Nacht bei winterlichen Witterungsverhältnissen im Freien gestanden ist, lässt sich die Vereisung aufgrund der hohen Leistungsdichte und der hohen spezifischen Leistung der Heizstäbe einfach und schnell auftauen. Dadurch, dass nicht wie im Stand der Technik der dem einströmenden Gas abgewandte Abschnitt des Einströmprofils, sondern der unmittelbar von dem einströmenden Gas angeströmte Abschnitt erwärmt wird, wird ein höherer Wirkungsgrad der Heizeinrichtung erreicht. Im Sinne der Erfindung genügt es auch, wenn der Heizstab an der nahezu gesamten Innenoberfläche desjenigen Abschnitts des Einströmprofils anliegt, der unmittelbar von dem in den Staubfilter einströmenden Gas angeströmt ist.

Vorzugsweise erweitern sich die Einströmprofile entgegen der Gaseinströmrichtung im Querschnitt. Die Strömungseigenschaften der Einström- bzw. Abscheidprofile werden dadurch verbessert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einström- bzw. Abscheidprofile in etwa stromlinienförmig ausgebildet sind. Die Strömungseigenschaften des einströmenden Gases werden dadurch positiv beeinflusst, und das einströmende Gas wird gleichmäßig auf die Abscheidprofile verteilt.

In einer ersten Ausführungsform ist der in das Einströmprofil eingesetzte Heizstab im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet. Die konvexe Seite des Halbkreises stellt eine optimale Anlage an die konkav ausgebildete Innenoberfläche des Einströmprofils sicher und erlaubt eine formschlüssige Befestigung des Heizstabes in dem Einströmprofil. Die flache Seite des Halbkreises kann auch Wärme abstrahlen und erwärmt somit die im verbleibenden Hohlraum des Einströmprofils befindliche Luft. Außerdem erlaubt die im Querschnitt halbkreisförmige Ausgestaltung das Herstellen des Heizstabs mit geringerem Materialaufwand als dies bei einem kreisrunden Querschnitt und gleichem Radius der Fall wäre.

Vorzugsweise ist der Heizstab im Querschnitt doppelt konvex ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Heizstab eine Außenkontur mit zwei aneinandergrenzenden konvexen Abschnitten aufweist, die bevorzugt unterschiedliche Krümmungsradien haben. Die erste konvexe Seite liegt an der Innenseite des angeströmten Abschnitts des Einströmprofils an und stellt somit einen optimalen Wärmeübergang sicher. Die gegenüberliegende zweite konvexe Seite kann am sich in Gaseinströmrichtung verjüngenden Abschnitt des Einströmprofils anliegen und somit auch diesen Abschnitt des Einströmprofils beheizen. Durch die konvexe Ausgestaltung dieser zweiten Seite entsteht eine größere Oberfläche des Heizstabes, so dass auch mehr Wärme abgestrahlt werden kann. Die formschlüssige Befestigung des Heizstabes kann noch verbessert werden, indem der Heizstab auch am sich verjüngenden Abschnitt anliegt.

Durch ein Wärmeleitmittel zwischen der Außenoberfläche des Heizstabes und der Innenoberfläche des Einströmprofils wird ein besonders guter Kontakt zwischen Heizstab und Einströmprofil hergestellt, so dass ein optimaler Wärmeübergang erfolgt und Kältebrücken nahezu ausgeschlossen werden. Ist das Wärmeleitmittel flüssig oder pastös ausgebildet, so kann der passgenaue Heizstab besonders leicht eingeführt werden, da durch das Wärmeleitmittel eine Schmierung erfolgt. Außerdem wird eine geringe erwünschte Relativbewegung zwischen Heizstab und dem sich bei Erwärmung ausdehnenden Einströmprofil erleichtert.

Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Heizstab aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial und mindestens einem darin eingebetteten Heizelement gebildet ist. Das elektrisch isolierende Trägermaterial ist zwar elektrisch isolierend, weist aber dennoch gute Wärmeleiteigenschaften auf. Eine gute elektrische Isolation ist schon deshalb erforderlich, da die Grobstaubfilter bei etwa 400 V betrieben werden und die Heizeinrichtungen daher eine gute Spannungsfestigkeit aufweisen müssen. Weiterhin dient das elektrisch isolierende Trägermaterial dem mechanischen Schutz des Heizelements. Das Heizelement kann aus einem oder mehreren Heizdrähten bestehen oder als Heizmatte ausgebildet sein, d. h. als ein Geflecht elektrischer Leiter, so dass eine möglichst große wirksame Fläche für die Wärmeabstrahlung entsteht. Weiterhin ist es denkbar, einen elektrischen Leiter, insbesondere einen Heizdraht oder eine Litze, wendel- oder spiralförmig um einen Träger zu wickeln und dann in das isolierende Trägermaterial einzubetten.

Eine Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass als elektrisch isolierendes Trägermaterial Silikon vorgesehen ist. Silikon besitzt eine hohe Steifigkeit aber dennoch eine gewisse Elastizität, so dass es sich besonders für eine formschlüssige Befestigung eignet. Eine Vielzahl von Formen können mit Silikon realisiert werden. Ferner ist es elektrisch besonders gut isolierend, weist aber dennoch eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Außerdem können die Heizelemente relativ einfach in Silikon eingebettet werden.

Vorteilhafterweise ist das Heizelement nahe der Oberfläche des elektrisch isolierenden Trägermaterials angeordnet und als flächiges Heizelement ausgebildet. Der Abstand zwischen Heizelement und zu beheizender Innenoberfläche des Einströmprofils kann dadurch sehr gering gehalten werden, was einen hohen Wirkungsgrad zur Folge hat. Insbesondere durch eine Heizmatte kann somit die Innenoberfläche des angeströmten Abschnitts des Einströmprofils flächendeckend beheizt werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein zweites Heizelement nahe der der an den angeströmten Abschnitt des Einströmprofils anliegenden Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche des elektrisch isolierenden Trägermaterials vorgesehen. Somit lässt sich auch derjenige Abschnitt des Einströmprofils effektiv beheizen, der dem angeströmten Abschnitt abgewandt ist. Dadurch erfolgt eine weitere Erwärmung des einströmenden Gases innerhalb des Staubfilters.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Heizstab in einem Abscheidprofil angeordnet ist, wobei die Oberfläche des Heizstabs zumindest teilweise dem einströmenden Gas ausgesetzt ist und die dem Gas ausgesetzte Oberfläche mit einer Beschichtung, insbesondere Teflon, versehen ist. Durch die Beschichtung wird eine Abnutzung des Heizstabs durch die im anströmenden Gas enthaltenen Partikel vermieden. Ferner kann die Oberfläche der Beschichtung glatt ausgebildet sein, so dass die abgeschiedenen Partikel besonders gut nach unten gleiten.

Bei einer Weiterbildung ist ein Wärmeleitmittel zwischen der Innenseite des Abscheidprofils und dem formschlüssig in einem Hohlraum des Abscheidprofils gehaltenen Heizstab vorgesehen. Dadurch werden zum einen Kältebrücken vermieden, da eventuell auftretende Hohlräume zwischen dem Heizstab und dem Hohlraum des Abscheidprofils gefüllt werden. Zum anderen wird das Einführen des Heizstabes erleichtert, insofern das Wärmeleitmittel gleitmittelartige Eigenschaften aufweist.

Ein an den Staubfilter angeschlossener Auslaufschacht ist vorzugsweise über Flächenheizelemente beheizt. Das verhindert ein Vereisen des Staubfilters von unten und stellt das Abführen der abgeschiedenen Partikel sicher. Ist am Staubfilter ein Auffangbehälter vorgesehen, so ist dieser ebenfalls über Flächenheizelemente beheizbar, um Vereisungen zu verhindern bzw. Eis aufzutauen.

Es versteht sich, dass bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung Heizstäbe nur in den Einströmprofilen oder nur in den Abscheidprofilen eingesetzt sein können. Die effektivste Heizung des Staubfilters wird natürlich dadurch erreicht, indem alle Profile möglichst großflächig beheizt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung eines Grob- bzw. Feinstaubfilters ist in der Zeichnung stark schematisiert dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch einen Grobstaubfilter;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Heizstabs für ein Eintrömprofil; und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Heizstabs für ein Abscheidprofil.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts durch einen Grobstaubfilter 1. Der Grobstaubfilter 1 ist in Gaseinströmrichtung 2 in mehrere Ebenen untergliedert. In der ersten Ebene befinden sich nebeneinander beabstandet mehrere Einströmprofile 3. Die einen Hohlraum 3a aufweisenden Einströmprofile 3 weisen im Querschnitt eine etwa stromlinienförmige Form auf, wobei der Abschnitt 4 der einströmenden Luft zugewandt ist. In einer zweiten Ebene in Gaseinströmrichtung 2 gesehen befinden sich im Grobstaubfilter Abscheidprofile 5, die entgegen der Gaseinströmrichtung geöffnet sind. Luft, die an den Einströmprofilen 3 entlang strömt, gelangt in den Innenraum 6 der Abscheidprofile 5. In der Luft befindliche Partikel werden abgeschieden und fallen aufgrund der Schwerkraft entlang der Innenwand 7 nach unten. Die Partikel gelangen in einen Auslaufschacht oder in einen Auffangbehälter, die beide beheizbar sind. In einer dritten Ebene sind weitere Abscheidprofile 5a angeordnet. Die Luft verlässt den Grobstaubfilter 1 in Gasausströmrichtung 2a. Um bei Einsatz des Grobstaubfilters 1 unter extremen Witterungsverhältnissen ein Vereisen und Zugefrieren des Grobstaubfilters zu verhindern, bzw. um Eis, das sich bereits gebildet hat, aufzutauen, sind in einigen oder allen Einströmprofilen 3 Heizstäbe 8, 9 angeordnet. Die Heizstäbe 8, 9 sind entweder im Querschnitt halbkreisförmig (Heizstab 8) oder doppelt konvex (Heizstab 9) ausgebildet. Eine erste konvexe Oberfläche 10, 11 liegt dabei unmittelbar an der Innenoberfläche 12 des Einströmprofils 3 an. Der Heizstab 8, 9 wird formschlüssig in Anlage an die Innenoberfläche 12 des Einströmprofils 3 gehalten. Um den Wärmeübergang zwischen dem Heizstab 8, 9 und dem Einströmprofil 3 zu verbessern, ist ein Wärmeleitmittel zwischen konkaver Innenoberfläche 12 des Einströmprofils 3 und der ersten konvexen Oberfläche 10, 11 des Heizstabes 8, 9 vorgesehen. Das vorzugsweise flüssige oder pastöse Wärmeleitmittel verbessert nicht nur den Kontakt zwischen Heizstab 8, 9 und Einströmprofil 3, sondern erleichtert zudem das Einbringen des Heizstabes 8, 9. Außerdem kann es für eine bessere Haftung des Heizstabes 8, 9 in dem Einströmprofil 3 sorgen.

Die Innenwand 7 der Abscheidprofile 5 ist durch eine Öffnung 13 unterbrochen. Hinter der Öffnung 13 befindet sich im sich in Gaseinströmrichtung 2 verjüngenden Ende der Abscheidprofile 5 ein Hohlraum 14. Ein Heizstab 15, der einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, kann in dem Hohlraum 14 formschlüssig angeordnet sein. Da der Hohlraum 14 und der Innenraum 6 über die Öffnung 13 miteinander in Verbindung stehen, ist der Heizstab 15 teilweise dem Luftstrom ausgesetzt. Um eine Abnutzung des Heizstabs 15 zu verhindern, sind deshalb die Oberflächen 16, 17 mit einer Beschichtung 18, 19 versehen.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Heizstabes 9 der Fig. 1. Die äußere Form des Heizstabes 9 wird im wesentlichen durch das elektrisch isolierende Trägermaterial 20, insbesondere Silikon, bestimmt. In das elektrisch isolierende Trägermaterial 20 ist ein Heizelement 21, welches als Heizmatte ausgebildet ist, integriert, die sich über die gesamte Länge des Heizstabes 9 erstreckt. Die Länge des Heizstabes 9 ist der Länge der Einströmprofile 3 angepasst. Das Heizelement 21 wird durch die Anschlussleitungen 22, 23 elektrisch gespeist. Ein besonders guter Wärmeübergang wird dadurch sicher gestellt, dass das Heizelement 21 nahe der ersten konvexen Oberfläche 11 angeordnet ist. Es ist jedoch auch denkbar, ein weiteres Heizelement 21a nahe der zweiten konvexen Oberfläche 24 anzuordnen. Ein derartiger Heizstab 9 hat eine hohe spezifische Leistung, die ausreichend ist, einen vereisten Grobstaubfilter 1 aufzutauen, bzw. aufzuheizen.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Heizstabs 15 der Fig. 1. Die äußere Gestalt des Heizstabs 15 wird ebenfalls im wesentlichen durch das elektrisch isolierende Trägermaterial 25 bestimmt. Die Beschichtung 18, 19 erstreckt sich über die gesamte Länge des Heizstabes 15, wobei die Länge des Heizstabes 15 an die Länge der Abscheidprofile 5 angepasst ist. Das von außen nicht sichtbare Heizelement des Heizstabes 15 ist in das elektrisch isolierende Trägermaterial 25 eingebettet und weist einen runden Träger auf, um den ein elektrischer Leiter, insbesondere ein Heizdraht oder eine Litze, wendel- oder spiralförmig aufgewickelt ist. Das Heizelement wird über die Anschlussleitungen 26, 27 elektrisch gespeist.

Heizeinrichtung eines Grob- und/oder Feinstaubfilters 1, der mehrere voneinander beabstandete Einströmprofile 3 und Abscheidprofile 5, 5a umfasst, wobei die Einströmprofile 3 und/oder Abscheidprofile 5, 5a Hohlräume 3a, 14 zur Aufnahme von mindestens einem Heizstab 8, 9, 15 aufweisen. Der Heizstab 8, 9 liegt jeweils flächig an der gesamten Innenoberfläche 12 desjenigen Abschnitts des Einströmprofils 3 an, der unmittelbar von dem in den Staubfilter einströmenden Gas, insbesondere Luft, angeströmt ist. Dadurch erfolgt eine besonders effektive Beheizung des Staubfilters.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Grobstaubfilter

2

Gaseinströmrichtung

2

a Gasausströmrichtung

3

Einströmprofil

3

a Hohlraum

4

Abschnitt

5

Abscheidprofil

5

a Abscheidprofil

6

Innenraum

7

Innenseite

8

Heizstab

9

Heizstab

10

konvexe Oberfläche

11

konvexe Oberfläche

12

Innenoberfläche

13

Öffnung

14

Hohlraum

15

Heizstab

16

Oberfläche

17

Oberfläche

18

Beschichtung

19

Beschichtung

20

Elektrisch isolierendes Trägermaterial

21

Heizelement

21

a Heizelement

22

Anschlussleitung

23

Anschlussleitung

24

Oberfläche

25

Elektrisch isolierendes Trägermaterial

26

Anschlussleitung

27

Anschlussleitung

Claims (12)

1. Heizeinrichtung eines Grob- und/oder Feinstaubfilters (1), der mehrere voneinander beabstandete Einströmprofile (3) und Abscheidprofile (5, 5a) umfasst, wobei die Einströmprofile (3) und die Abscheidprofile (5, 5a) Hohlräume (3a, 14) zur Aufnahme von mindestens einem Heizstab (8, 9, 15) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (8, 9) jeweils flächig an der gesamten Innenoberfläche (12) desjenigen Abschnitts des Einströmprofils (3) anliegt, der unmittelbar von dem in den Staubfilter einströmenden Gas, insbesondere Luft, angeströmt ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einströmprofile (3) entgegen der Gaseinströmrichtung (2) im Querschnitt erweitern.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in das Einströmprofil (3) eingesetzte Heizstab (8) im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet ist.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (9) im Querschnitt doppelt konvex ausgebildet ist.

5. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeleitmittel zwischen der Außenoberfläche (10, 11) des Heizstabes (8, 9) und der Innenoberfläche (12) des Einströmprofils (3) vorgesehen ist.

6. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (8, 9, 15) aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial (20) und mindestens einem darin eingebetteten Heizelement (21, 21a) gebildet ist.

7. Heizeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierendes Trägermaterial (20) Silikon vorgesehen ist.

8. Heizeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (21) nahe der Oberfläche (10, 11) des elektrisch isolierenden Trägermaterials (20) angeordnet ist.

9. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Heizelement (21a) nahe der der an den angeströmten Abschnitt des Einströmprofils anliegenden Oberfläche (10, 11) gegenüber liegenden Oberfläche (24) des elektrisch isolierenden Trägermaterials (20) vorgesehen ist.

10. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizstab (15) in einem Abscheidprofil (5) angeordnet ist, wobei die Oberfläche des Heizstabs (15) zumindest teilweise dem einströmenden Gas ausgesetzt ist und die dem Gas ausgesetzte Oberfläche (16, 17) mit einer Beschichtung (18, 19), insbesondere Teflon, versehen ist.

11. Heizeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeleitmittel zwischen der Innenseite (7) des Abscheidprofils (5) und dem formschlüssig in einem Hohlraum (14) des Abscheidprofils (5) gehaltenen Heizstab (15) vorgesehen ist.

12. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Staubfilter angeschlossener Auslaufschacht über Flächenheizelemente beheizt ist.