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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Filtrationsanlage mit mehreren
vertikal in Reihe angeordneten Filtrationsmodulen, an deren beiden
Stirnseiten je ein Zulauf für
die zu filtrierende Flüssigkeit
angeordnet ist, die in je zugeordneten sich längs erstreckenden Sammelleitungen
münden,
wobei jedes Filtrationsmodul mindestens einen Ablauf für das Filtrat aufweist,
welche in eine Filtratsammelleitung münden.
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Das
Einsatzgebiet derartiger Filtrationsanlagen erstreckt sich von Einrichtungen
der Wasser- und
Abwasseraufbereitung bis hin zu Industrieanlagen. Durch die Filtration
werden je nach Membrantyp Flüssigkeiten – insbesondere
Wasser – von
Partikeln und gelösten
Substanzen befreit. Es ist auch eine Abtrennung gelöster Stoffe – wie Salze – möglich. Das Filtrationsverfahren
ist einfach und sicher durchzuführen,
ohne Zusatz von Chemikalien und mit geringem Energieaufwand. Zum
Einsatz kommen sogenannte Filtrationsmodule, welche üblicherweise
aus länglichen
Hohlzylindern als Gehäuse
bestehen, die zur Unterbringung von Filtrationsmembranen dienen. Moderne
Filtrationsmembranen besitzen beispielsweise mehrere einzelne poröse Kapillaren
oder Flachmembranen. Die zu filtrierende Flüssigkeit wird im Fall von Kapillarmembranen
in diese hineingepresst. Durch die porösen Kapillarwandungen dringt dann
die filtrierte Flüssigkeit
hindurch. Ein Filtrationsmodul enthält ein Bündel vieler einzelner solcher
Filtrationsmembranen. In der Regel wird das Filtrationsmodul in
eine Rohrleitung eingebunden, durch welche die zu filtrierende Flüssigkeit
fließt.
In der erfindungsgegenständlichen
Filtrationsanlage werden mehrere solcher Filtrationsmodule parallel
geschaltet, um den erwünschten
Durchflusswert zu erreichen. Es kann auch die umgekehrte Fließrichtung
zur Reinigung betrieben werden. Neben Kapillarmembranen kommen auch
Flachmembranen zum Einsatz.
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Aus
dem Prospektblatt „Referenz-Wasserwerk
Partenstein" (inge
AG, 2003) geht eine gattungsgemäße Filtrationsanlage
hervor. In einem Gestell sind die einzelnen Filtrationsmodule vertikal
nebeneinander angeordnet. Stirnseitig jedes Filtrationsmoduls ist
dieses mit einer zylinderförmigen
Kappe verschlossen, von wo aus je ein Verbindungsrohr quer abgeht,
welches in längs
der Reihe der Filtrationsmodule verlaufende Sammelleitungen mündet. Nachteilig
hierbei ist, dass dieser Aufbau einer Filtrationsanlage einen recht
großen
Platzbedarf erfordert und es sind recht viele Verbindungsbauteile – wie Rohrkupplungen – erforderlich,
um die quer abgehenden Verbindungsrohre mit der zugeordneten Sammelleitung
zu verbinden.
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Aus
der DE 20 2004 002 835 U1 geht eine andere Filtrationsanlage hervor,
deren je stirnseitig der horizontalen Filtrationsmodule angeordneten Verbindungsrohre
koaxial abgehen und über
einen Knick zu jeweils zentralen Sammelleitungen führen. Zur Überleitung
zwischen dem Filtrationsmodul und des koaxial abgehenden Verbindungsrohres
kleineren Durchmessers sind trichterartige Endkappen vorgesehen,
welche über
Rohrkupplungen am Filtrationsmodul befestigt sind. Auch diese Verbindungslösung erfordert
recht viele einzelnen Bauteile, welche aufwendig zu montieren sind.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Filtrationsanlage
der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiterzuverbessern, dass
mit wenigen und einfach zu montierenden Bauteilen eine platzsparende
Konstruktion realisiert wird.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einer Filtrationsanlage gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass entlang der Stirnseiten jeder Reihe
von Filtrationsmodulen eine Sammelleitung verläuft, die jeder Stirnseite der
Filtrationsmodule zugeordnete Abzweige aufweist, über welche
das hier zugeordnete Filtrationsmodul direkt anschließbar ist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass auf separate Verbindungsteile zwischen
den Filtrationsmodulen und den Sammelleitungen gänzlich verzichtet werden kann. Je
eine Sammelleitung ist den Stirnseiten einer Reihe von Filtrationsmodulen
zugeordnet. Sind beispielsweise zwei Reihen von vertikalen Filtrationsmodulen vorgesehen,
so erfordert die erfindungsgemäße Lösung insgesamt
vier Sammelleitungen, welche an einem Ende zu einer Hauptsammelleitung
zusammengeführt
werden. Der Montageaufwand verringert sich entsprechend.
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Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass
neben jeder Reihe an Filtrationsmodulen eine zusätzliche Reihe an Filtrationsmodulen
angeordnet werden kann, die mit je zugeordneten Sammelleitungen
in Verbindung stehen. Durch diese Maßnahme kann platzsparend die
Durchflussrate der Filtrationsanlage erhöht werden, denn diese baut
hierdurch in die Breite und nicht weiter in die Länge, was
insgesamt einen kompakteren Aufbau ermöglicht.
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Die
erfindungsgegenständliche
Sammelleitung kann nach mehreren alternativen Ausführungsformen
gestaltet sein. So ist es zum Einen möglich, die Sammelleitung einstückig auszubilden,
wobei deren horizontaler Durchmesser dem Durchmesser jedes Abzweigs
entsprechen kann, der dem Durchmesser der Filtrationsmodule entspricht.
Es ist jedoch auch möglich,
den Abschnitt der horizontalen Sammelleitung mit einem kleineren
Durchmesser auszubilden, um weniger Totvolumen zu erzeugen. Alternativ
hierzu ist es auch denkbar, die Sammelleitung aus einzelnen T-Stücken zusammenzusetzen, welche
miteinander in der Horizontalen verbunden sind. Diese Maßnahme bietet
den Vorteil, dass die sich an der Anzahl der in Reihe befindlichen
Filtrationsmodule orientierende Länge der Sammelleitung flexibel
aus einzelnen T-Stücken
aufgebaut werden kann. Daneben ist es auch möglich, die Sammelleitung aus
einzelnen T-Stücken
zusammenzusetzen, welche über
ein horizontales, durchgehendes Innenrohr miteinander verbunden
sind. Hierbei ist zu beachten, dass Dichtringe zwischen dem Außendurchmesser
des Innenrohres und der Innenwandung der T-Stücke
erforderlich sind, um Undichtheiten zu vermeiden.
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Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass
zur optimalen Strömungsverteilung
in die Abzweige der Sammelleitung je ein Blendenelement einsetzbar
ist. Zur Beeinflussung des jeweiligen Volumenstroms bzw. Druckabfalls
können
die Öffnungen
in den Blendenelementen unterschiedlich groß gestaltet werden, und zwar
abhängig
von der Position relativ zur Sammelleitung, um eine gleichmäßige Beaufschlagung der
Filtrationsmodule zu gewährleisten.
Anstelle einer einzigen Öffnung
pro Blende kann der Gesamtöffnungsquerschnitt
auch über
mehrere einzelne kleine nebeneinander angeordnete Öffnungen
pro Blende erzeugt werden.
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Alternativ
zu einzelnen Blendenelementen ist es jedoch auch möglich, zur
optimalen Strömungsverteilung
die Abzweige der Sammelleitung direkt mit Öffnungen kleineren Durchmessers
auszubilden. Insoweit werden die Öffnungen direkt in der Sammelleitung
erzeugt. Auch hier können
die Durchmesser der Öffnungen
zum dem Anschluss gegenüberliegenden Ende
der Sammelleitung hin, d.h. mit der Länge der Sammelleitung, zunehmen,
um eine optimale Strömungsverteilung
zu erreichen. Zu diesem Zwecke kann auch der Querschnitt der Sammelleitung
selbst entlang der Länge
variieren.
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Die
im Rahmen der Erfindung verwendeten Sammelleitungen sind vorzugsweise
aus Kunststoff, wie Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polypropylen
und dergleichen hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, die
Sammelleitungen aus einem Metall – beispielsweise Edelstahl – herzustellen.
Die Materialwahl richtet sich nach den chemischen Eigenschaften
der zu filtrierenden Flüssigkeit.
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Vorzugsweise
sind die Abzweige der Sammelleitung mit der Stirnseite des je korrespondierenden
Filtrationsmoduls lösbar über Rohrverbinder oder über Victaulic-Kupplungen verbunden.
Diese Verbindungselemente ermöglichen
eine axiale Längsausdehnung
der einzelnen Filtrationsmodule aufgrund von beispielsweise Temperaturdifferenzen.
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Es
ist jedoch auch denkbar, die Abzweige der Sammelleitungen mit der
Stirnseite des je korrespondierenden Filtrationsmoduls unlösbar durch
Kleben oder Schweißen
zu verbinden. Sind die Verbindungselemente in der Lage axiale Kräfte aufzunehmen,
wird kein zusätzliches
Gestell benötigt.
Auch eine Kombination verschiedenartiger Verbindungselemente ist
denkbar.
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Falls
die an dieser Stelle gewählten
Verbindungsmittel jedoch nicht Axialkräfte aufnehmen können, wird
vorgeschlagen, dass zur Aufnahme von axial der Filtrationsmodule
auftretenden Kräften
ein Gestell verwendet wird, das vorzugsweise aus einzelnen beabstandet
zueinander angeordneten, im Wesentlichen doppel-T-förmigen Aufnahmerahmen bestehen,
die an die endseitigen Querstreben einander zugewandte Aufnahmeelemente
aufweisen. Natürlich
kann das Gestell auch anders ausgebildet sein – beispielsweise rahmenartig – solange
es in der Lage ist, den beschriebenen Einsatzzweck zu erfüllen.
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Gemäß einer
weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass die Filtratabläufe
einander gegenüberliegender
oder schräg
gegenüberliegender
Filtrationsmodule einander zugewandt angeordnet sind und über eine
T-förmige
Verbindungsleitung miteinander und mit einer Filtratsammelleitung
in Verbindung stehen. Somit werden die Abläufe der Filtrationsmodule zur
Erzielung eines kompakten Aufbaus der Filtrationsanlage nach innen
gerichtet. Verbindet die Verbindungsleitung schräg gegenüberliegende Filtrationsmodule miteinander,
so ist diese Verbindung zwischen benachbarten Filtrationsmodulen
hindurch von außen sichtbar.
Wird nun diese Verbindungsleitung zumindest teilweise transparent
ausgeführt,
können
darin befindliche Luftblasen erkannt werden, was eine einfache Integritätsmessung
ermöglicht.
Des Weiteren kann durch diese Maßnahme der Abstand der einzelnen
Reihen von Filtrationsmodulen zueinander kleiner ausgeführt werden,
was einer kompakteren Bauform zu Gute kommt.
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Die
Filtratsammelleitung, in welche die einzelnen T-förmigen Verbindungsleitungen
einmünden, wird
vorzugsweise oberhalb zweier benachbarter Sammelleitungen und parallel
hierzu verlaufend angeordnet. Diese Maßnahme ergibt eine kompakte und
stabile Konstruktion.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Filtrationsanlage mit zwei Reihen
von Filtrationsmodulen,
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2 eine
stirnseitige Ansicht der Filtrationsanlage nach 1,
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3 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Filtrationsanlage mit vier
Reihen von Filtrationsmodulen,
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4 eine
stirnseitige Ansicht der Filtrationsanlage nach 3,
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Gestells für die Filtrationsanlage
nach 1,
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6 eine
Ansicht von unten auf eine Filtrationsanlage mit schräg verlaufenden
Verbindungsleitungen,
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7 eine
Draufsicht auf eine Filtrationsanlage mit gerade verlaufenden Verbindungsleitungen,
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8 ein
Längsschnitt
durch eine Sammelleitung nach einer ersten Ausführungsform,
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9 ein
Längsschnitt
durch eine Sammelleitung nach einer zweiten Ausführungsform,
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10 ein
Längsschnitt
durch eine Sammelleitung nach einer dritten Ausführungsform, und
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11 ein
Längsschnitt
durch eine Sammelleitung nach einer vierten Ausführungsform.
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Die
in 1 dargestellte Filtrationsanlage besteht aus je
einer, beidseits eines Gestells 1 vertikal in Reihe angeordneten
Filtrationsmodulen 2, an deren beiden Stirnseiten je ein
Zulauf 3a und 3b für die zu filtrierende Flüssigkeit
angeordnet ist. Die Zuläufe 3a und 3b sind
durch die Stirnseiten der zylindrischen Filtrationsmodule 2 gebildet
und münden
in jeweils zugeordnete Sammelleitungen 4a–4d,
von denen je zwei Sammelleitungen 4a, 4b und 4c, 4d an der
Oberseite bzw. Unterseite der Filtrationsanlage angeordnet sind
und sich längs
des Gestells 1 erstrecken. Die oberen Sammelleitungen 4a und 4b münden in
eine obere Hauptsammelleitung 5a, wogegen die unteren beiden
Sammelleitungen 4c und 4d in eine untere Hauptsammelleitung 5b münden. Über die
Hauptsammelleitungen 5a und 5b wird den in der Filtrationsanlage
parallel geschalteten einzelnen Filtrationsmodulen 2 die
zu filtrierende Flüssigkeit
zugeleitet. Das Filtrat verlässt
die Filtrationsmodule 2 über entsprechende – hier nicht
erkennbare – Abläufe und wird
in einer oberen Filtratsammelleitung 6 gesammelt und zur
weiteren Verwendung abgeleitet.
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Jedes
Filtrationsmodul 2 enthält
ein Bündel von
rohrförmigen
Ultrafiltrationsmembranen mit mehreren Kapillaren, durch welches
die zu filtrierende Flüssigkeit über die
Zuläufe 3a und 3b entweder gleichzeitig
oder abwechselnd gepumpt wird und über die poröse Materialstruktur gefiltert
durch die Wandung hindurch nach außen dringt. Das sich hierdurch
im Inneren des Filtrationsmoduls 2 ansammelnde Filtrat
wird anschließend
abgeführt.
Von Zeit zu Zeit ist es erforderlich, die Filtrationsmembranen von
den durch die Filtration hieran haftenden Rückständen zu befreien, was durch
Rückspülung – also Umkehr
der Flussrichtung – erfolgt.
In diesem Falle bildet der Zulauf 3a und/oder 3b dann
den Ablauf für die
Flüssigkeit
mit den abgelösten
Rückständen. Im normalen
Filtrationsbetrieb brauchen nicht beide Zuläufe 3a und 3b mit
der zu filtrierenden Flüssigkeit
beaufschlagt werden. Es ist hinreichend, wenn einer der Zuläufe 3a oder 3b genutzt
wird. Dies bietet den Vorteil, dass der jeweils ungenutzte Zulauf 3b bzw. 3a für die Rückspülung genutzt
werden kann, so dass die Schmutzpartikel innerhalb der Filtrationsanlage
nicht hin- und hergespült
werden.
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Die 2 verdeutlicht
die Lage der Anschlüsse
an den Filtrationsmodulen 2. Entlang der Stirnseite jeder
Reihe 7a und 7b der Filtrationsmodulen 2 verläuft eine
je zugeordnete Sammelleitung 4a–4d. Das je zugeordnete
Filtrationsmodul 2 ist über orthogonal
zur Längserstreckung
der Sammelleitungen 4a–4d angeordnete
Abzweige 8 direkt an die Sammelleitung 4a–4d anschließbar.
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Einander
gegenüberliegend
angeordnete Filtrationsmodule 2, 2' besitzen einander zugewandte Abläufe 9, 9', welche über eine
T-förmige
Verbindungsleitung 10 miteinander und mit der Filtratsammelleitung 6 verbunden
sind. Die Filtratsammelleitung 6 verläuft oberhalb und parallel zu
den beiden oberen Sammelleitungen 4a und 4b.
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Die
Sammelleitungen 4a–4d,
die Filtratsammelleitung 6 sowie die Gehäuse der
Filtrationsmodule 2 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel
aus Kunststoff. Die zu jedem Filtrationsmodul 2 von den Sammelleitungen 4a–4d abgehenden
Abzweige 8a, 8b sind mit der Stirnseite der korrespondierenden
Filtrationsmodule 2 hier über Rohrverbinder verbunden.
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Gemäß der in 3 dargestellten
Ausführungsform
ist neben jeder beidseits des Gestells 1 angeordneten Reihe 7a und 7b an
Filtrationsmodulen 2, 2' eine außenliegenden zusätzliche Reihe 7c, 7d an
Filtrationsmodulen 2'' und 2''' angeordnet.
Diese Reihen 7c und 7d stehen mit je zugeordneten oberen
und unteren Sammelleitungen 4e–4h in Verbindung.
Mit dieser Ausführungsform
erfolgt eine Parallelschaltung weiterer Filtrationsmodule 2 zur
Erhöhung
der Durchflussrate der Filtrationsanlage.
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Aus 4 geht
die Anordnung der entlang der Stirnseiten jeder zusätzlichen
Reihe 7c und 7d vorgesehene Sammelleitungen 4e–4h hervor,
welche nach demselben Prinzip wie bei der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
erfolgt.
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Aus 5 ist
der Aufbau eines Gestells 1 der Filtrationsanlage einzeln
ersichtlich. Das Gestell 1 besteht aus einzelnen beabstandet
zueinander angeordneten, im Wesentlichen doppel-T-förmigen Aufnahmerahmen 11a, 11b, 11c,
etc., die an je endseitigen Querstreben 12a und 12b einander
zugewandte Aufnahmeelemente 13 zur formschlüssigen Aufnahme über die – hier nicht
weiter dargestellten – oberen und
unteren Sammelleitungen aufweisen.
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Gemäß 6 sind
die Abläufe 9, 9' schräg gegenüberliegender
Filtrationsmodule 2, 2' miteinander über je T-förmige Verbindungsleitungen 10 verbunden,
welche in die Filtratsammelleitung 6 ausmünden. Jede
Verbindungsleitung 10 ist hier transparent und kann hinsichtlich
Luftblasenentwicklung von außen
her kontrolliert werden.
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Nach 7 sind
gemäß einer
weiteren Ausführungsvariante
die Abläufe 9, 9' einander direkt
gegenüberliegender
Filtrationsmodule 2, 2' miteinander über die T-förmigen Verbindungsleitung 10 verbunden.
Diese sind hier ebenfalls transparent.
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Die
in der 8 gezeigte Ausführungsvariante einer Sammelleitung 4 ist
einstückig
aus Kunststoff im Spritzgussverfahren geformt, wobei deren horizontaler
Durchmesser hier gleich dem Durchmesser jedes Abzweigs 3 ist.
Der Durchmesser der Abzweige 3 entspricht jeweils dem Durchmesser
der hier anzuschließenden – nicht
weiter dargestellten – Filtrationsmodule.
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In
der 9 ist ein T-Stück 14 dargestellt, welches
durch Aneinanderreihen einzelner gleichartiger T-Stücke 14 eine
Sammelleitung 4 bildet. Die einzelnen T-Stücke 14 können durch
Schweißen
miteinander verbunden werden. Zur Strömungsverteilung ist in dem
Abzweig 8 ein Blendenelement 15 eingesetzt, dessen Öffnung 16 entsprechend
der gewünschten
strömungsdynamischen
Eigenschaften dimensioniert ist.
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Gemäß 10 kann
auch eine einstückige Sammelleitung 4 im
Bereich ihrer Abzweige 8 Öffnungen 16a–16e kleineren
Durchmessers zur Anpassung der Strömungsdynamik aufweisen. Zu
diesem Zwecke nimmt der Durchmesser der Öffnung 16a–16e zu
dem den Anschluss der Sammelleitung gegenüberliegenden Ende hin zu.
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Nach
der in 11 dargestellten Ausführungsvariante
einer Sammelleitung 4 kann diese auch aus einzelnen T-Stücken 14' bestehen, die über ein
vertikales durchgehendes Innenrohr 17 miteinander verbunden
sind. Zwischen dem Innerohr 17 und dem T-Stück 14' sind Dichtringe 18a und 18b vorgesehen.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die vorstehend überschriebenen
Ausführungsformen und
Varianten. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche
vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es auch
denkbar, Filtrationsanlagen mit mehr als zwei oder vier Reihen von
Filtrationsmodulen auszustatten. Die erfindungsgemäße Anschlusstechnik
eignet sich in besonderer Weise für eine flexible Dimensionierung
von Filtrationsanlagen hinsichtlich der Anzahl an gewünschten
Filtrationsmodulen. Ebenso ist es möglich mehrere einzelne Filtrationsanlagen
mit Rohrkupplungen auf einzelne Weise zu verschalten, um die Kapazität zu erhöhen. Anstelle
eines Gestells können
auch Bügel,
Bänder
und dergleichen zur Aufnahme der erwähnten Axialkräften zum
Einsatz kommen. Die einzelnen Filtrationsmodule brauchen nicht streng vertikal
in der Filtrationsanlage angeordnet sein. Eine leichte Schrägstellung,
die hier ebenfalls unter dem Begriff verstanden wird, erleichtert
die Entlüftung.
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- 1
- Gestell
- 2
- Filtrationsmodul
- 3
- Zulauf
- 4
- Sammelleitung
- 5
- Hauptsammelleitung
- 6
- Filtratsammelleitung
- 7
- Reihe
- 8
- Abzweig
- 9
- Ablauf
- 10
- Verbindungsleitung
- 11
- Aufnahmerahmen
- 12
- Querstrebe
- 13
- Aufnahmeelement
- 14
- T-Stück
- 15
- Blendenelement
- 16
- Öffnung
- 17
- Innenrohr
- 18
- Dichtring