DE102007040776A1 - Regenerierbares Filterelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein regenerierbares Filterelement (10) für das Zurückhalten von Grobstoffen in einem Fluid. Dieses umfasst eine Filterschicht (12) aus miteinander verbundenen Kugeln (14), die zwischen einer sich an die Filterschicht (12) anschließenden durchlässigen inneren Stützschicht (18) und einer sich an die Filterschicht (12) a20) angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein regenerierbares Filterelement für das Zurückhalten von Grobstoffen in einem Fluid. Die Erfindung bezieht sich dabei auf flüssige und gasförmige Fluide.
  • Das Einsatzgebiet für Filterelemente ist sehr weit, was u. a. durch den Grad der gewünschten Filtration, bauliche und räumliche Restriktionen sowie Unterschiede in den Anforderungen aus hygienischen oder lebensmitteltechnologischen Anforderungen begründet ist.
  • Filterelemente für wasserbauliche Anlagen eignen sich z. B. beispielsweise dazu, strömendes Wasser einer Turbine oder Wasserrades zu reinigen. Als Filterelement bzw. Filteranlagen werden üblicherweise Rechen eingesetzt, die in die Strömung des zu reinigenden bzw. zu nutzenden Wassers eingesetzt werden, um Treibgut aus diesem herauszufiltern. Neben Treibgut, beispielsweise Laub, Hausmüll, Ästen usw. ist aber auch das Herausfiltern von kleineren Partikeln, wie beispielsweise Sand oder Pflanzenteilen notwendig. Hierzu ist dem Rechen oftmals ein Sandfang nachgeordnet, der die Trennung von Schwebeteilchen bewirkt, die am Rechen nicht zurückgehalten wurden.
  • Filterelemente sind weiterhin auch in der Lebensmitteltechnologie weit verbreitet, um eine Filtration von Lebensmittelrohstoffen und Zwischenprodukten zu bewirken. Auch in sonstigen technologischen Prozessen werden Filter vielfach eingesetzt.
  • Ein wesentlicher Nachteil der meisten bekannten Filterelemente besteht darin, dass diese nicht zuverlässig rückspülbar ausgeführt sind. Die Filterelemente setzen sich mit der Zeit zu und blockieren den Fluidstrom. Um diese Blockade aufzuheben, ist ein Austausch der Filterelemente oder ein Ausbau und anschließendes Reinigen notwendig. Insbesondere sind in der Feinstfiltration kaum Filterelemente bekannt, die zuverlässig rückspülbar sind. Unter Feinstfiltration wird beispielsweise eine Filtration oder Trenngrenze von weniger als 500 nm verstanden. Nachteilig bei bekannten Filterelementen ist auch, dass eine reproduzierbare und sehr scharfe Trenngrenze oftmals nicht gegeben ist. Schließlich können fein- oder feinsttrennende Filter zwar gespült werden, eine Rückspülung mit relativ hohem Druck ist ohne eine Beschädigung kaum möglich.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Filterelement zu schaffen. Dieses soll rückspülbar sein und eine möglichst scharfe Trenngrenze ermöglichen. Das Filterelement soll je nach Ausführung für Grob-, Fein- und Feinstfiltration einsetzbar sein. Das Filterelement soll dabei kostengünstig herstellbar und möglichst einfach einzusetzen sein.
  • Die Aufgabe wird durch ein regenerierbares Filterelement für das Zurückhalten von Grobstoffen in einem Fluid gelöst, dass mindestens eine Filterschicht aus miteinander verbundenen Kugeln, angeordnet zwischen einer sich an die Filterschicht anschließenden durchlässigen inneren Stützschicht und einer sich an die Filterschicht anschließenden durchlässigen äußeren Stützschicht, aufweist. Das Filterelement ist nicht nur rückspülbar, es ist vielmehr vollständig regenerierbar, es kann nach der Rückspülung ohne Einschränkung wieder verwendet werden. Die Rückspülung wird mit einem Fluid dauert je nach Medium lediglich wenige Sekunden.
  • Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, Kugeln als Filterschicht zu verwenden. Zwischen aufeinander geschichteten Kugeln verbleibt stets ein Freiraum, durch den das zu filternde Fluid hindurchgeführt werden kann. Durch die kugelförmige Oberfläche sind dabei optimale Strömungsbedingungen gegeben. Weiterhin führt die Kugelform dazu, dass der Zwischenraum zwischen den einzelnen Kugeln exakt bestimmbar ist, wodurch eine Trenngrenze bzw. der Grad der Filtration extrem genau einstellbar ist. Insbesondere ist dafür deshalb die Verwendung von kalibrierten Kugeln für eine möglichst genaue Filtration vorteilhaft. Eine Filterschicht besteht minimal aus nur drei Schichten, weitere Schichten sind aber nach Bedarf möglich.
  • Diese Art der Filtration vereint die Filtereigenschaften von Oberflächenfiltern und Tiefenfiltern und ist dann zu 100% regenerierbar, wenn die Kugeln miteinander verbunden oder durch benachbarte Stützschichten fest gehalten sind. Dadurch, dass das rückspülbare Filterelement eine Filterschicht aufweist, die zwischen zwei Stützschichten angeordnet ist, ist auch eine Nutzung des Filterelements unter hohem Druck problemlos möglich. Dies gilt, da die Stützschicht auf beiden Seiten angeordnet wird, in beiden Richtungen, also auch für die Rückspülung.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist die äußere Stützschicht durch einen zusätzlichen durchlässigen Berstschutzmantel aus einem möglichst widerstandsfähigen Material geschützt. Beispielsweise kann ein perforierter Berstschutzmantel aus Stahl oder ein Drahtgeflecht vorgesehen sein.
  • Neben der Filterschicht können auch die Stützschichten durch Kugeln gebildet sein. Diese Kugeln können miteinander verklebt oder durch Sintertechnik miteinander verbunden sein. Sinterfähiges Materialien sind beispielsweise Glas, Ingenieurkeramik oder ein geeigneter Kunststoff. Eine Sinterverbindung hat verschiedene Vorteile, beispielsweise können auch bei einer Filtration aggressiver Medien eine sichere Verbindung gewährleistet werden. Zusätzlich werden alle Nachteile eines Klebstoffs vermieden, beispielsweise dass sich Klebstoff je nach Fluid auflösen oder abbauen kann und somit die Verbindung gefährdet. Möglicherweise können bei einem Klebstoff gesundheitsschädliche Stoffe ausgetragen werden können.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist das rückspülbare Filterelement kerzenförmig bzw. als längliches zylinderförmiges Filterelement ausgeführt. An ein inneres durchlässiges Rohr schließt sich die innere Stützschicht an, die das Rohr umgibt. Die innere Stützschicht ist wiederum von der Filterschicht umgeben, die selbst von der äußeren Stützschicht eingehüllt wird. Je nach Ausführungsvariante kann das zylinderförmige Filterelement eine äußere Stützschicht aus Stahl aufweisen. Das Rohr weist zur Durchleitung des Fluids entsprechende Öffnungen in der Wandung auf. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen zylinderförmigen Ausführungsvariante besteht in der optimalen Raumausnutzung. Insbesondere bei vorgegebenen Querschnitten kann durch die Anordnung mehrerer zylinderförmiger Filterelementen nebeneinander die Filterfläche gegenüber einer Filterwand, die, sich lediglich quer zur Strömungsrichtung erstreckt, deutlich erhöht werden.
  • Durch eine Verwendung von kalibrierten Kugeln kann erfindungsgemäß eine sehr scharfe Trenngrenze realisiert werden. Der freie Porenraum kann exakt berechnet und umgesetzt werden, wobei fertigungsabhängige Abweichungen minimiert sind. Ein unverformbarer Körper mit einem Durchmesser von 15,47% des Durchmessers der kalibrierten Kugeln wird zuverlässig zurückgehalten. Hieraus ist auch abzuleiten, dass der Durchmesser für die Herstellung der Filterschicht verwendeten Kugeln beispielsweise 0,032 mm betragen muss, wenn eine Trenngrenze von ca. 0,005 mm erzielt werden soll. Durch die Nutzung der Ergebnisse aus der Forschung und Entwicklung im Bereich der Nanotechnologie sind Trenngrenzen von kleiner 1,0 nm realisierbar.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine problemlose Rückspülung je nach Medium mit geringem Druck (z. B. 0,5 bar mit etwa 100 bar problemlos möglich ist. Eine Filtration ist über einen weiten Temperaturbereich von –150° bis zu 1.800°C je nach Filtermaterial, z. B. Glas möglich sind. Als Filtermaterial können auch Buntmetall, rost- und säurebeständiger Stahl, Hartguss sowie alle weiteren Materialien, aus denen kalibrierte Kugeln geformt werden können, verwendet werden.
  • Die Stützschichten haben nicht nur stützende Wirkung, sie fungieren gleichzeitig auch als Polizeifilter. Das erfindungsgemäße Filterelement kann neben der beschriebenen Platten oder Zylinderform auch als Kugelform und in Segmentbauweise gefertigt werden.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert: Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind dabei nicht einschränkend zu verstehen, sondern sollen lediglich eine Ausführungsvariante der Erfindung verdeutlichen.
  • Es zeigen:
  • 1: Ein erfindungsgemäßes Filterelement in einer ersten Ausführungsvariante in Seitenansicht,
  • 2: das Filterelement aus 1 im Schnitt,
  • 3: eine Anordnung zweier Filterelemente hintereinander,
  • 4: ein Reihenaufbau aus erfindungsgemäßen Filterelementen,
  • 5: eine Prinzipdarstellung von fünf Kugeln von oben,
  • 6: eine Prinzipdarstellung von geschichteten Kugeln in drei Lagen in Seitenansicht.
  • Ein erfindungsgemäßes Filterelement 10 weist wie in 2 gezeigt eine Filterschicht 12 auf, die aus Kugeln 14 (vergleiche auch 5 oder 6) gebildet ist. Die Kugeln 14 sind vorzugsweise kalibriert, weisen also alle den gleichen Durchmesser auf. Die 5 und 6 verdeutlichen die grundsätzliche Idee der Filterschicht. Zwischen den aneinander liegenden Kugeln 14 ergibt sich stets ein Zwischenraum 16 gleicher Größe. Somit ist eine sehr scharfe und exakte Trenngrenze erreichbar. Aus 6 wird die Anordnung mehrerer Kugeln 14 übereinander deutlich.
  • Die Filterschicht 12 ist zwischen einer inneren Stützschicht 18 und einer äußeren Stützschicht 20 angeordnet. Die beiden Stützschichten 18, 20 können vorzugsweise ebenfalls aus Kugeln 14 gebildet sein. Die Kugeln 14 sind fest miteinander verbunden, beispielsweise durch Klebstoff oder einen Sintervorgang. Alternativ ist aber auch eine lose Schüttung möglich, wenn die entsprechende Schicht 12, 18 oder 20 entsprechend eng zwischen zwei weiteren Schichten eingefasst ist.
  • In den Figuren ist weiterhin ein äußerer Berstschutzmantel 22 gezeigt, der aus einem widerstandsfähigen, durchlässigen Material gebildet ist.
  • Die Figuren zeigen eine Ausführung des Filterelements 10 als zylinderförmiger Körper. Im Inneren des Filterelements 10 ist ein Rohr 24 zur Ab- oder Zuleitung des Fluids erkennbar. Dieses Rohr 24 weist Öffnungen 26 auf.
  • Das erfindungsgemäße Filterelement 10 kann kopfseitig einen Deckel 28 aufweisen, es kann aber auch mit einem oder mehreren weiteren Filterelementen 10 über das Rohr 24 in Reihe geschaltet werden. 3 verdeutlicht eine solche Anordnung, wobei nur an einem Filterelement 10 endseitig ein Deckel 28 vorgesehen ist.
  • 4 verdeutlicht einen erfindungsgemäßen Reihenaufbau von mehreren Filterelementen 10 als getauchte Ausführung, bei der das gereinigte Fluid in einer Sammelleitung 30 abgeführt wird. Die Bestückung bzw. die Anzahl der Sammelleitungen 30 kann im Bedarf angepasst werden. Es kann ein Ventil 32 zur Abriegelung bzw. zum Verschließen der Sammelleitung vorgesehen sein. Die Rückspülung 34 erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Rückspülleitung 34.
  • Zylinderförmige Filterelemente 10 werden vorzugsweise derart betrieben, dass sie vollständig von dem zu reinigenden Fluid umspült werden. Wird eine Einheit gemäß 4 beispielsweise in einer Kläreinrichtung verwendet, sollte der Abstand der Sammelleitung 30 zum Beckenboden ausreichend groß sein, dass eine geeignete Räumeinheit problemlos zwischen Beckenboden und der Einheit arbeiten kann. Bei extremer Schmutzfracht können die Filterelemente 10 durch rotierende, z. B. mit Wasser betriebene Düsen zusätzlich zur Rückspülung 34 von außen gereinigt werden.
  • Der Arbeitsprozess bzw. die Filtration wird auch dann nicht unterbrochen oder beeinträchtigt, wenn mehrere Filterreihen mit Filterelementen 10 vorgesehen sind und einzeln abgereinigt werden.
  • Neben der beschriebenen Ausführung mit zwei Stützschichten 18, 20 und einer Filterschicht 12 kann auch ein mehrschichtiger Aufbau vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine sehr feine erste Filterschicht 12 von zwei ersten Stützschichten 18, 20 umgeben sein, die selbst wiederum von zwei weiteren Stützschichten umhüllt sind. Der Durchmesser der Kugeln 14 nimmt dabei ausgehend von der sehr feinen ersten Filterschicht 12 bis hin zur äußersten Filterschicht 20 stetig zu. Ein entsprechender Aufbau kann auch schichtweise, also nicht in Zylinderform, realisiert werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch sämtliche weiteren gleichwirkenden Ausführungsformen, eine Verwendung im Druckbetrieb mit Filtergehäusen.

Claims (9)

  1. Regenerierbares Filterelement (10) für das Zurückhalten von Grobstoffen in einem Fluid, mit mindestens einer Filterschicht (12) aus miteinander verbundenen Kugeln (14), angeordnet zwischen einer sich an die Filterschicht (12) anschließenden durchlässigen inneren Stützschicht (18) und einer sich an die Filterschicht (12) anschließenden durchlässigen äußeren Stützschicht (20).
  2. Regenerierbares Filterelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die innere Stützschicht (18) und die äußere Stützschicht (20) durch miteinander verbundene Kugeln (14) gebildet ist.
  3. Regenerierbares Filterelement (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (14) aus einem sinterfähigen Material bestehen und durch Sintern verbunden sind.
  4. Regenerierbares Filterelement (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (14) miteinander verklebt sind.
  5. Regenerierbares Filterelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (14) kalibriert sind.
  6. Regenerierbares Filterelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die äußere Stützschicht (20) ein durchlässiger Berstschutzmantel (22) aus einem widerstandsfähigem Material anschließt.
  7. Regenerierbares Filterelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zylinderförmige Ausführung mit einem zentralen Rohr (24), dass schichtweise umgeben ist von – der inneren Stützschicht (18), – der Filterschicht (12), – der äußeren Stützschicht (20), – dem Berstschutzmantel (22).
  8. Regenerierbares Filterelement (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Stützschicht (20) aus einem Geflecht mit kreisförmigem Querschnitt gebildet ist.
  9. Regenerierbares Filterelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (12) und die Stützschichten (18, 20) mit einer bioaktiven oder katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sind.
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