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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere in Form einer Filterkerze zur Entstaubung industrieller Gase, sowie eine Filteranordnung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Filterelements.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bevor industrielle Gase weiterverarbeitet oder als Abgas in die Umwelt abgegeben werden können, müssen diese häufig von unerwünschten Bestandteilen befreit oder zumindest bereinigt werden. Dies betrifft insbesondere im Gas enthaltene Stäube, die durch Filterprozesse zurückgehalten werden können, aber auch andere gasförmige Bestandteile, die z. B. mittels Sorptionsmitteln entweder absorbiert oder nach Reaktion an Katalysatoren in umgewandelter Form im weiterzuverarbeitenden oder im in die Umwelt abzugebendem Gas verbleiben.
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Es kommen daher Filteranlagen zum Einsatz, bei deren Filteranordnungen sogenannte Filterkerzen als Filterelemente eingesetzt werden. Derartige Filterkerzen bestehen aus einem keramikartigen Grundmaterial, sind länglich ausgedehnt, z. B. in kreiszylindrischer Form und sind hochporös mit einem Porenvolumen im Bereich von bis zu über 90%. Im Vergleich zu Filterschäuchen können Filterkerzen in einem weitaus größeren Temperaturfenster eingesetzt werden. Während Filterschläuche typischerweise bis etwa 250°C eingesetzt werden könnnen, können Filterkerzen typischerwiese bis etwa 800°C, teilweise sogar bis etwa 1000°C eingesetzt werden. Zudem weisen Filterkerzen typischerweise eine dickere Filterschicht auf als Filterschläuche, so dass sie besonders gut als Träger für einen Katalysator geeignet sind.
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Aufgrund dieser Eigenschaften sind derartige Filterkerzen als Filterelemente bei der Entstaubung industrieller Gase und/oder als Trägermaterial für Katalysatoren zwar besonders geeignet, besitzen jedoch nur eine begrenzte mechanische Stabilität im Hinblick auf das Tragen des Eigengewichts, des Gewichts der zurückgehaltenen Staubpartikel sowie der Last des Drucks durch die Beaufschlagung mit Gas und insbesondere der sogenannten Abreinigungspulse. Diese Limitierungen im Hinblick auf die mechanische Stabilität können im robusten industriellen Betrieb zu einer Beschädigung der einzelnen Filterelemente, z. B. durch Bruch und Abfallen der Filterkerzen in der Filteranlage, und somit zu einer erhöhten Emission des eigentlich zu filternden Rohgases in den Reingasraum der Filteranlage hinein führen. Dies ist unerwünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Filterelement und insbesondere eine Filterkerze zur Entstaubung industrieller Gase sowie eine Filteranordnung zu schaffen, bei welchen der Filterbetrieb besonders effektiv und zuverlässig durchgeführt und die einzelnen Filterelemente sowie die Filteranordnung einer Filteranlage bei der Herstellung besonders sicher und einfach gehandhabt werden können.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Filterelement erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und bei einer Filteranordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Filterelements sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Filterelement und insbesondere eine Filterkerze zur Entstaubung industrieller Gase mit einem Filterkörper, welcher sich entlang einer Längserstreckungsrichtung z länglich erstreckt, und mit einem Außenskelett, welches so außen am Filterkörper ausgebildet ist, dass sich dadurch der Filterkörper am Außenskelett abstützt und dadurch in Bezug auf Zug, Druck, Biegung und/oder Torsion im Vergleich zu einer Anordnung ohne Außenskelett mechanisch entlastet und stabilisiert ist.
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Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Außenskeletts wird der in der Regel hochporöse Filterkörper des Filterelements mechanisch entlastet und stabilisiert, so dass es auf Grund von Zug, Druck, Biegung und/oder Torsion in weiten Belastungsbereichen zu keiner Überlastung und somit zu keinem Bruch kommen kann. Daher können erfindungsgemäße Filterelemente mit einem höheren Maß an Sicherheit im robusten industriellen Betrieb und in einem erweiterten Parameterbereich hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung und der Druckbelastung eingesetzt werden. Das Risiko von Beschädigungen und damit von unerwünschten Emissionen sinkt durch den Einsatz erfindungsgemäßer Filterelemente. Auf Grund der mechanischen Entlastung und Stabilisierung mittels des vorgesehenen Außenskeletts sind auch Steigerungen der Länge der Filterelemente über das übliche Maß hinaus denkbar, so dass z. B. hochporöse Filterelemente auf keramischer Basis mit einer Konfektionslänge von über 3 m hergestellt und zum Einsatz gebracht werden können. Dies ist bei herkömmlichen Filterelementen ohne Außenskelett nicht oder nur mit einem stark erhöhten Risiko an zusätzlichen Emissionen auf Grund von Defekten in den Filterelementen durch Bruch möglich.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements weist das Außenskelett eine Mehrzahl von mechanischen Stützelementen auf, die in ihrer Gesamtheit den Filterkörper nach Art eines Käfigs oder Korbs außen umgeben. Durch die Mehrzahl von mechanischen Stützelementen kann die mechanische Entlastung besonders gleichmäßig umgesetzt werden, um somit ein höheres Maß an Stabilisierung des Filterelements zu erreichen und damit den Parameterbereich eines besonders zuverlässigen und sicheren Betriebs zu erweitern. Das Außenskelett weist vorzugsweise mindestens drei mechanische Stützelemente auf, besonders bevorzugt vier oder fünf mechanische Stützelemente.
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Vorteilhafterweise werden die mechanischen Elemente jeweils als Draht, Seil oder Stab oder dergleichen ausgebildet. Dabei sind die einzelnen mechanischen Stützelemente insbesondere gleich oder gleichwirkend ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements sind das Außenskelett und insbesondere die mechanischen Stützelemente über ein erstes und über ein zweites Halteelement, welche an einem ersten bzw. an einem zweiten Ende des Filterkörpers in der Längserstreckungsrichtung z des Filterkörpers am Filterkörper angebracht sind, mit dem Filterkörper mechanisch gekoppelt und insbesondere verbunden. Durch diese Maßnahme wird der Filterkörper im Außenskelett eingespannt und dadurch stabilisiert, wobei die mechanische Belastung über das erste und zweite Halteelement an den Enden des Filterkörpers auf die mechanischen Stützelemente übertragen wird. Dies gewährleistet eine besonders zuverlässige mechanische Entlastung des eigentlichen Filterkörpers und somit einen besonders sicheren Einsatz im robusten industriellen Betrieb. Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements ist das Außenskelett so ausgebildet, dass es direkt an einer Kopfplatte befestigbar ist. Dann kann das Außenskelett direkt an der Kopfplatte aufgehängt werden.
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Vorteilhafterweise sind das Außenskelett und insbesondere die mechanischen Stützelemente aus einem Keramikmaterial oder einem metallischen Material, insbesondere aus einem Stahl, vorzugsweise aus Invar oder Pernifer ausgebildet. Durch eine entsprechend geeignete Materialwahl kann erreicht werden, dass auch bei hohen Temperaturschwankungen die thermische Ausdehnung des Außenskeletts, insbesondere im Vergleich zur Ausdehnung des eigentlichen Filterkörpers, besonders gering ausfällt, so dass auch bei thermischen Wechsellasten im industriellen Betrieb keine hohen thermomechanischen Spannungen im erfindungsgemäßen Filterelement entstehen, welche bei Anordnungen ohne entsprechende Maßnahmen ebenfalls zu Beschädigungen im Betrieb führen können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements umfasst ein jeweiliges mechanisches Stützelement ein Seil, das über ein Spannschloss mit einem ersten Halteelement, insbesondere einem Kragenblech, und über eine Gewindekausche mit einem zweiten Halteelement, insbesondere einer Kalotte, verbindbar ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements ist ein jeweiliges mechanisches Stützelement in seiner Längserstreckungsrichtung z aus einer Mehrzahl von Stützelementteilen ausgebildet, wobei die Stützelementteile eines jeweiligen mechanischen Stützelements über eine Verbindung, insbesondere lösbar, miteinander verbunden sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform bei dem erfindungsgemäßen Filterelement der Filterkörper in seiner Längserstreckungsrichtung z aus einer Mehrzahl von Filterkörperabschnitten ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, in ihrer Längserstreckung besonders lang ausgedehnte Filterkörper herzustellen, die jedoch auf Grund ihrer Mehrteiligkeit beim Aufbau einer entsprechenden Filteranlage besonders leicht und ohne erhöhtes Risiko eines Bruchs gehandhabt werden können.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn bei einem derartigen erfindungsgemäßen Filterelement in der Längserstreckungsrichtung z direkt zueinander benachbarte Filterkörperabschnitte des Filterkörpers über eine Muffenverbindung und insbesondere unter Einsatz eines Klebemittels miteinander verbunden sind. Dadurch wird bei Mehrteiligkeit der Filterkörper die mechanische und insbesondere im Hinblick auf die Filterfunktion notwendige materielle Integrität des gesamten Filterkörpers aufrechterhalten oder wiederhergestellt. Geeignete Klebemittel sind beispielsweise die Produkte ”Litaflex-Kleber 600” und ”Litaflex-Kleber 800” der Rex Industrie-Produkte Graf von Rex GmbH, die eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 600°C bzw. 800°C aufweisen.
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Auch ist es besonders vorteilhaft, wenn bei einem erfindungsgemäßen Filterelement zur lateralen Stabilisierung der mechanischen Stützelemente senkrecht zur Längserstreckungsrichtung z Querstabilisierungselemente, insbesondere in Ringform, den Filterkörper außen umgebend ausgebildet sind, an welchen sich die mechanischen Stützelemente in der Längserstreckungsrichtung z und/oder senkrecht dazu abstützen. Dadurch kann, insbesondere bei Mehrteiligkeit des Außenskeletts und insbesondere der mechanischen Stabilisierungselemente, ein besonders hohes Maß an mechanischer Entlastung und Stabilisierung, gerade gegen Biegekräfte auf den Filterkörper, erreicht werden.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine entsprechende Filteranordnung, insbesondere zur Entstaubung industrieller Gase, mit einem Rohgasraum, welchem ein Rohgas zuführbar ist, und mit einem Reingasraum, geschaffen, bei welcher der Rohgasraum und der Reingasraum über ein oder mehrere erfindungsgemäße Filterelemente derart fluidmechanisch miteinander verbunden sind, dass beim Übertritt von Rohgas aus dem Rohgasraum durch das eine oder die mehreren Filterelemente Gas in gereinigter Form in den Reingasraum übertritt. Auf Grund der Verwendung des erfindungsgemäßen Filterelements ist ein besonders zuverlässiger und gleichwohl effizienter Filterbetrieb im Vergleich zu Anordnungen, die das erfindungsgemäße Filterelement nicht verwenden, möglich.
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Diese und weitere Aspekte werden auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1A–1F zeigen in schematischer Art und Weise eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements, wobei 1A eine geschnittene Seitenansicht und die 1B–D Querschnittsansichten senkrecht zur Erstreckungsrichtung z entlang der Schnittlinien B-B, C-C bzw. D-D darstellen.
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2A–2D zeigen in schematischer Art und Weise eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements, wobei 2A eine geschnittene Seitenansicht und die 2B–D Querschnittsansichten senkrecht zur Erstreckungsrichtung z entlang der Schnittlinien B-B, C-C bzw. D-D darstellen.
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3A–3D zeigen in schematischer Art und Weise eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements, wobei 3A eine geschnittene Seitenansicht und die 3B–D Querschnittsansichten senkrecht zur Erstreckungsrichtung z entlang der Schnittlinien B-B, C-C bzw. D-D darstellen.
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements in Längserstreckungsrichtung z.
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5A zeigt in perspektivischer Seitenansicht in schematischer Art und Weise eine andere Ausführungsform eines zweiteiligen Außenskeletts für das erfindungsgemäße Filterelement.
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5B zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform eines unteren Halteelements für den Aufbau einer Ausführungsform des Außenskeletts zum Haltern eines Filterkörpers.
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6 zeigt in schematischer und perspektivischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines einteiligen Außenskeletts für das erfindungsgemäße Filterelement.
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7A zeigt eine andere Ausführungsform eines zweiteiligen Außenskeletts mit einer Kalotte als unterem Halteelement.
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7B zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht das Detail B zur Befestigung eines mechanischen Stützelements der Ausführungsform des Außenskeletts aus 7A an der dort dargestellten Kalotte als unterem Halteelement.
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8A zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filteranordnung unter Verwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements.
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8B, 8C zeigen in schematischer Form die Details B bzw. C zur Befestigung einer Mehrzahl von Kalotten an der Gehäusewand einer erfindungsgemäßen Filteranordnung.
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9 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht Details der Befestigung und Abdichtung eines erfindungsgemäßen Filterelements in einer erfindungsgemäßen Filteranordnung.
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DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
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Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
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Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch Filterkerzen 1, deren Filterkörper 10 ein Filtermaterial 20 aus silikatischen Fasern, also beispielsweise aus Fasern auf der Basis von Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid, also z. B. keramischen Fasern, Glaswolle- oder Mineralwollefasern, umfasst. Es können dabei auch Faserformkeramiken aus AES-Fasern (AlkalineEarthSilicate) verwendet werden, wie z. B. Faserformkeramiken aus biodegradiblen Fasern aus Calcium-Magnesium-Silikat, die ggf. zusammen mit Bindemittel in Wasser dispergiert und auf einen Vakuumkern aufgesogen werden.
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Es können Baulängen von z. B. 3 m Länge verwendet werden, die Kragenform kann konisch oder auch flach, z. B. mit rechtwinkligem Ansatz, ausgebildet sein. Im Bereich des Kragens kann eine stabilisierende Zusatzschicht vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine mechanische Zusatzschicht vorgesehen sein, insbesondere in Form eines Metallkörpers, eines Streckblechs, oder eines Netzes, oder eine chemische Zusatzschicht, insbesondere auf Basis eines reaktiven Systems, wie z. B. Kieselsäure, das den Kragenbereich chemisch stabilisiert.
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Neben der Eigenschaft als Filterkerze 1 mit einer hervorragenden Filterleistung – Staub wird an der äußeren Oberfläche abgeschieden – und einer sehr guten Regenerierbarkeit – z. B. durch Druckluftpulse, wie bei Filterschläuchen – kann die Faserformkeramik auch als Träger für Katalysatormaterialien genutzt werden. So kann neben der Filtration der Staubfracht zusätzlich auch die Zerstörung von Schadgaskomponenten beim Durchströmen der Filterkerze erreicht werden. Die Wandstärke der erfindungsgemäßen Filterkerze 1 kann z. B. 2 cm betragen. Die Wandstärke ist so hoch, um eine ausreichende Festigkeit der Filterkerze zu erzielen und ist auch für die Dotierung mit einem Katalysator hilfreich, da eine längere Kontaktzeit des Gases mit dem Filter bzw. dem Katalysator die Reaktion begünstigt.
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Die Kerzenelemente 1 können bei Dauertemperaturen bis 800°C eingesetzt werden, Probleme ergeben sich hier eher aus dem Anlagenbau bzw. den verfügbaren Werkstoffen.
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Von Anwenderseite wurden die Erfinder z. B. mit der Forderung konfrontiert, die Baulänge der Filterkerzen zu steigern, z. B. auf 6 m.
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Da die mechanischen Eigenschaften der Konstruktion oft nicht als ausreichend angesehen werden können, da z. B. insgesamt das Eigengewicht der Filterkerze 1, das Gewicht des herausgefilterten und anhaftenden Staubs und die durch Abreinigungspulse auf die Filterkerze 1 wirkenden Kräfte dauerhaft gemeinsam getragen werden müssen, wurden durch die Erfinder einerseits Überlegungen entwickelt, die Filterkerzen durch ein Außenskelett 30 z. B. aus Draht, Seilen oder Stäben, insbesondere aus einem Keramikmaterial, zu stabilisieren.
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Alternativ oder zusätzlich wurde andererseits die Überlegung entwickelt, eine zweiteilige Lösung beim Aufbau des eigentlichen Filterkörpers 10 aufzugreifen, welche wesentlich leichter herzustellen und zu transportieren ist.
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Die Filterkerzen 1 sind hochporös, wir haben ein Porenvolumen von z. B. über 90%. Dies erklärt auch die bei bestimmten Anwendungen limitierte mechanische Festigkeit, sowohl auf Zug, Druck, Biegung und/oder Torsion.
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Denkbar ist also die Herstellung von Teilfilterkörpern 11, 12 mit einer Länge von z. B. 3 m, um dann den Übergang durch eine Muffenverbindung – z. B. durch Abfräsen von 1 cm Wandstärke, also der halben Materialstärke, außen bzw. innen – herzustellen, die mit einem keramischen Kleber versehen wird, der nach dem Aushärten sowohl eine partikeldichte Verbindung der beiden Filterkörperteile oder -abschnitte 11, 12 zum gesamten Filterkörper 10 erlaubt, als auch eine mechanisch stabile Verbindung realisiert.
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Um eine solche Verbindung weiter zu sichern – z. B. auch während der Aushärtephase des eingesetzten Klebers – können zusätzliche Keramikbolzen, -stifte oder -schrauben eingesetzt werden, die z. B. radial von außen vom Mantel 10m in der Übergangsstelle, vorzugsweise in Sacklöchern, eingebracht werden, z. B. 3 oder 4 Stück radial verteilt.
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Um die gesamte Konstruktion ausreichend stabil zu halten, ist das Außenskelett 30 hilfreich, das z. B. mit mechanischen Stützelementen 31 in Form von Metallseilen, -drähten oder auch in der Form von Stäben, z. B. aus Keramik, eine Art Käfig order Korb bildet, die das Abbrechen und Abfallen der Filterkerzen 1 verhindern und somit eine erhöhte Emission durch Bruch vermeiden sollen.
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Die Einsatztemperatur kann z. B. 400°C bis 450°C betragen, mit normalen Stählen ist eine Käfigkonstruktion auf Grund der thermischen Ausdehnung der Stahlteile gegenüber der Keramik aber u. U. problematisch. Sonderstähle wie Invar oder Pernifer haben aber eine vorteilhaft geringere Ausdehnung. Ein 6 m langes Stützelement 31 aus einem derartigen Sonderstahl wird sich bei einer Erwärmung von Rautemperatur z. B. auf 400°C gerade um 5 mm ausdehnen.
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Eine andere Idee im Hinblick auf ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Filteranordnung 100 oder Filteranlagen 100 besteht also z. B. darin, in einer solchen Filteranlage 100 erst einen sehr exakt herstellbaren Stützkorb 30 aus Seilen 31 z. B. mit Toleranzen im Bereich von 1 mm über die Kopfplatte 32 in die Anlage 100 einzubringen und diese so weit abzulassen, z. B. über Seilstopper, dass die untere Kerzenhälfte, also der zweite oder untere Filterkörperabschnitt 12, gerade noch aus der Kopfplatte 32 herausschaut. Das Oberteil, also der erste oder obere Filterkörperabschnitt 11, wird dann z. B. nach Antrag eines Klebers im Muffenbereich 15 eingesetzt, z. B. unter Verwendung einer Stützkonstruktion für exakt lineare Ausrichtung beim Einbau, ausgerichtet und z. B. verdübelt.
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Danach wird die zusammengesetzte Filterkerze 10 ganz in die Anlage 100 abgelassen, bis die Halteplatte 131 mit der Kopfplatte 32 verbunden werden kann, z. B. durch Schweißen, Schrauben oder dergleichen.
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Die untere Halterung 33 der Kerze stellt z. B. eine Kalotte dar, die zur Abpufferung und/oder Überbrückung z. B. mit einem Mineralfaserfilz ausgelegt wird. Die Kalotte 33 kann mit einem Zentrierstift z. B. in einem Gitter eingelassen werden, um so eine zu große Auslenkung aus der Vertikalen und damit ein Bruchrisiko zu verhindern.
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Die Herstellung des Außen- oder Stützskeletts 30 kann bei metallischen Werkstoffen vorteilhaft mit den üblichen und etablierten Verbindungstechniken erreicht werden.
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Eine weitere Kernidee ist also insgesamt die bessere Ausnutzung einer Filteranlage 100 mit längeren Filtermedien 1, was Kostenvorteile beim Anlagenbau bringt. Die Stabilisierung und/oder Sicherung der modular aufgebauten Filterelemente 1 vereinfacht die Herstellung und den Transport zur Anlage 100. Die komplette Montage der Filterelemente 1 kann dann an der Anlage vorgesehen sein.
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Das hier vorgestellte Konzept der Zweiteiligkeit der Filterkörper 10 über eine Mehrzahl von Filterkörperabschnitten 11, 12 kann auch unabhängig vom Vorsehen eines Außenskeletts 30 zur Stabilisierung angewandt werden. Die Mehrteiligkeit der Filterkörper 10 vereinfacht insbesondere die Herstellung und vor allem die Montage eines Filterkörpers 10 in einer erfindungsgemäßen Filteranordnung 100 oder Filteranlage 100. Gerade bei längeren Filterkörpern 10, z. B. mit einer Länge von mehr als 2 m bietet sich die Mehrteiligkeit in vorteilhafter Weise an, da sich durch die stückweise Herstellung und Montage auch längere Filterkörper 10 realisieren lassen, wobei dann bei der Montage diese stückweise von unten nach oben erfolgt, wobei entsprechende Verklebungsschritte gegebenenfalls eingefügt werden können. Es ist somit klar, dass auch ohne Vorsehen eines Außenskeletts die Zweiteiligkeit des Aufbaus eines Filterkörpers 10 erfindungsgemäß zu Vorteilen gegenüber herkömmlich montierten Filterkörpern führt.
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Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
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Die 1A bis 1F zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements 10. Dabei zeigt die 1A eine geschnittene Seitenansicht des erfindungsgemäßen Filterelements 10 entlang der Längserstreckungsrichtung z, wogegen die 1B bis 1D Schnitte senkrecht zur Längserstreckungsrichtung z entlang der Linien B-B, C-C bzw. D-D liefern. Die 1E zeigt ausschließlich das Außenskelett 3 aus 1A, wogegen die 1F ausschließlich den Filterkörper 10 der Anordnung aus 1A darstellt.
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Die in den 1B bis 1D dargestellten Schnitte verlaufen in einer Ebene senkrecht zur Längserstreckungsrichtung z des Filterkörpers 10 und entlang der jeweiligen Linien B-B, C-C bzw. D-D.
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Der Filterkörper 10 hat bei der Ausführungsform der 1 die Form eines senkrechten Kreiszylinders und weist ein erstes oder oberes Ende 10a und ein zweites oder unteres Ende 10b auf. Gebildet wird der Filterkörper von einem Filtermaterial 20, z. B. auf Keramik- oder Glaswollebasis. Der Filterkörper 10 besitzt eine zentrale Ausnehmung 10z, welche zum ersten oder oberen Ende 10a des Filterkörpers 10 hin geöffnet ist und aber zum zweiten oder unteren Ende 10b des Filterkörpers 10 hin geschlossen sein kann. Der Filterkörper 10 kann beispielsweise 150 mm Außendurchmesser, 110 mm Innendurchmesser und 20 mm Wandstärke aufweisen.
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Der Filterprozess erfolgt z. B. durch gerichtete Strömung – z. B. durch Erzwingen eines entsprechenden Druckgradienten – eines Rohgases über die Mantelfläche 10m durch das poröse Filtermaterial 20 hindurch zur zentralen Ausnehmung 10z hin, wobei während der Diffusion Staubpartikel im porösen Material 20 anhaften bleiben und/oder bei gegebenenfalls vorgesehenem Katalysatormaterial alternativ oder zusätzlich eine chemische Umsetzung eines oder mehrerer Gasbestandteile des Rohgases während der Diffusion im Filtermaterial 20 erfolgt, so dass im zentralen Bereich 10z ein gegenüber dem Rohgas modifiziertes Gas vorliegt, welches als Reingas bezeichnet wird und der zentralen Ausnehmung 10z insbesondere über das erste oder obere Ende 10a des Filterkörpers 10 in den Reingasraum 120 entnommen werden kann.
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Zur mechanischen Entlastung und Stabilisierung des Filterkörpers 10 ist ein Außenskelett 30 vorgesehen, welches sich in der Längserstreckungsrichtung z des Filterkörpers 10 außen am Filterkörper 10 erstreckt. Das Außenskelett 30 besteht aus einer Mehrzahl von Stabilisierungselementen 31, welche ein erstes oder oberes Ende 31a und ein zweites oder unteres Ende 31b aufweisen, mit welchem sie an einem ersten oder oberen Halteelement 32, welches auch als Kopfplatte ausgebildet sein kann, bzw. an einem zweiten oder unteren Halteelement 33 angebracht sind, welches auch als Kalotte ausgebildet sein kann.
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Die ersten und zweiten Halteelemente 32 bzw. 33 stützen sich an den Enden 10a und 10b des Filterkörpers 10 ab, so dass das Außenskelett 30 insgesamt den Filterkörper 10 nach Art eines Käfigs oder Korbs umgibt, wobei der Filterkörper 10 über den mechanischen Kontakt der ersten und zweiten Enden 10a und 10b mit den ersten und zweiten Halteelementen 32 und 33 quasi zwischen den Halteelementen 32 und 33 eingespannt wird, um dadurch eine mechanische Entlastung und Stabilisierung im Hinblick auf Zug, Druck, Biegung und/oder Torsion im Vergleich zu einer Anordnung ohne Außenskelett 30 zu erzielen.
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Die horizontalen Schnittansichten senkrecht zur Längserstreckungsrichtung z gemäß den 1B bis 1D erläutern die eben beschriebenen Zusammenhänge im Querschnitt.
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Die Querschnittsform des Filterkörpers 10 und entsprechend der oberen und unteren Halteelemente 32 bzw. 33 ist nicht auf die hier dargestellte Kreisform beschränkt. Vielmehr sind auch elliptische Formen, quadratische oder rechteckige Formen als Grundflächen denkbar. Bei der Kreisform als Grundfläche können jedoch die auftretenden Kräfte besonders gut gleichmäßig verteilt werden.
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Auch wenn sich hier und im Folgenden die mechanischen Stützelemente 31 jeweils nur an den an den Kopfenden 10a und 10b befindlichen ersten und zweiten Halteelementen 32 bzw. 33 abstützen, so ist es jedoch denkbar, dass im Verlauf der mechanischen Stützelemente 31 in der Längserstreckungsrichtung z ein oder mehrere Querstabilisierungselemente 35 vorgesehen sind, wie dies im Zusammenhang mit den 2A bis 2D dargestellt ist, die im Wesentlichen – bis auf den eben beschriebenen Zusatz der Querstabilisierungselemente 35 – die in den 1A bis 1D beschriebene Situation wiedergeben.
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Zusätzlich oder alternativ können diese Querstabilisierungselemente 35 sich auch an der Mantelfläche 10m des Filterkörpers 10 abstützen.
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In der 2A ist auch eine Unterteilung der mechanischen Stützelemente 31 in jeweils ein erstes oder oberes Stützelementteil 31-1 und ein zweites oder unteres Stützelementteil 31-2 dargestellt, die mit ihren jeweiligen einander zugeordneten Enden in den Querstabilisierungselementen 35 verankert sind.
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Die in den 2B bis 2D dargestellten Schnitte verlaufen wieder entlang einer Ebene senkrecht zur Längserstreckungsrichtung z des Filterkörpers 10 und entlang der jeweils angegebenen Linien B-B, C-C bzw. D-D. Hierbei wird aus der 2C die Anordnung des Querstabilisierungselements 35 in Form eines den Filterkörper 10 umgebenden Rings deutlich, der jedoch den Mantel 10m des Filterkörpers nicht berührt.
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Die in den 3A bis 3D dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in den 1A bis 1F dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements 1, wobei jedoch bei dieser Ausführungsform der Filterkörper 10 aus einer Mehrzahl von Filterkörperabschnitten 11 und 12 besteht, die über eine Muffenverbindung 15 in der Längserstreckungsrichtung z des Filterkörpers 10 hier etwa in der Mitte der Gesamtlänge des Filterkörpers 10 aneinander angebracht sind, wobei zur Stabilisierung dieser Muffenverbindung 15 gegebenenfalls ein Klebemittel zum Einsatz kommen kann.
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Insbesondere aus der Schnittdarstellung der 3C wird die Anordnung der Muffenverbindung 15 über einander entsprechende innere und äußere Ausfräsungen im Filtermaterial 20 deutlich.
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Die Anordnung gemäß der 4 entspricht vom Aufbau des Filterkörpers 10 her im Wesentlichen der Anordnung aus den 3A bis 3D. Jedoch ist hier eine doppelte Unterteilung der mechanischen Stützelemente 31 in ein erstes oder oberes Stützelementteil 31-1, ein zweites oder mittleres Stützelementteil 31-2 und ein drittes oder unteres Stützelementteil 31-3 dargestellt, wobei die Stützelementteile 31-1 bis 31-3 mit ihren jeweils benachbarten und zugeordneten Enden in vorgesehenen Querstabilisierungselementen 35 verankert sind.
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Die 5A und 5B zeigen Details eines Außenskeletts 30 einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelements 1. Dabei ist 5A eine perspektivische Seitenansicht dieser Ausführungsform des Filterskeletts 30. Diese Anordnung entspricht dem Kern nach der Ausführungsform gemäß den 2A bis 2D und zeigt ebenfalls eine Zweiteilung des Außenskeletts 30 durch eine entsprechende Unterteilung der mechanischen Stützelemente 31 in ein erstes oder oberes Stützelementteil 31-1 und ein zweites oder unteres Stützelementteil 31-2, wobei die einander zugeordneten Enden der ersten und zweiten Stützelementteile 31-1 und 31-2 über entsprechend vorgesehene Querstabilisierungselemente 35 und einen mit diesen ausgebildeten Verbindungsbereich 36, z. B. in Form einer mechanischen Kupplung oder einer Bajonettanordnung, miteinander mechanisch verbindbar oder verbunden sind.
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Das zweite oder untere Halteelement 33 bei der Anordnung gemäß den 5A und 5B ist wieder in Form einer Kalotte 33 dargestellt, an deren unterem Bereich oder Boden sich ein Sicherungsstift oder -zapfen 33-1 befindet, welcher im montierten Zustand bei einer Filteranlage 100 oder Filteranordnung 100 in eine Sicherungsausnehmung 133 eingreift, welche z. B. auf einer Haltestange 132 oder auf einem Haltegestänge 132 mit ersten und zweiten Enden 132a bzw. 132b montiert sein kann. Aus der geschnittenen Seitenansicht der 5B wird deutlich, dass die als zweites oder unteres Halteelement 33 fungierende Kartusche 33 in ihrem Inneren mit einem Dichtungselement oder einer Dichtungsmatte 33-2, beispielsweise einer Filzmatte, ausgelegt sein kann. Dieses Dichtungs- bzw. Kompensationselement besteht vorzugsweise aus einem elastischen Material, das auch bei der vorgesehenen Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Filterkerze eine hohe Elastizität beibehält. Über dieses Dichtungs- bzw. Kompensationselement kann die Ausdehnungsfuge zwischen dem praktisch indifferenten Kerzenkörper und dem gering ausdehnenden Stahlgerüst kompensiert werden.
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Im Hinblick auf die in den 5A bis 5B dargestellte Anordnung ist noch zu bemerken, dass die Stützelemente 31 vor der Komplettmontage des Filterelements 1, also außerhalb des Filterkörpers 10, montiert werden können. Dabei handelt es sich hier z. B. auch um eine starre und mehrteilige Ausführungsform für das Außenskelett 30, bei welcher das erste oder obere Halteelement 32 als eine Art Flansch mit einer unten angebrachten Dichtung ausgebildet ist, um nach der Montage den Rohgasraum 110 vom Reingasraum 120 partikeldicht und gasdicht derart zu trennen, dass ausschließlich über den oder die Filterkörper 10 eine fluidmechanische Verbindung zwischen diesen besteht.
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Die mit den Aufnahmen 133 für die Sicherungszapfen 33-1 ausgebildete Stange 132 befindet sich als starres Element im Rohgasraum 110 der Filteranlage 100 oder Filteranordnung 100 und unterhalb der Filterelemente 1 und stabilisiert somit gegebenenfalls auch eine Mehrzahl gleichartiger Filterelemente 1. Die Montage dieser Aufnahmestange 132 wird im Zusammenhang mit den 8A bis 8C im Detail beschrieben.
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Die in der 6 in perspektivischer Seitenansicht dargestellte Ausführungsform für ein Außenskelett 30 für ein erfindungsgemäßes Filterelement 1 ähnelt von der Grundstruktur her der mit den 1A bis 1F vorgestellten Ausführungsform. Hierbei handelt es sich jedoch um eine einteilige Ausführungsform, welche insbesondere auch über einteilige und flexible Stützelemente 31 unter der Verwendung von Stahlseilen ausgebildet sein kann. Das zweite oder untere Halteelement 33 kann nach Art eines rechtwinkligen Topfs oder einer Kugelkalotte oder -kartusche ausgebildet sein, an deren Unterseite wiederum ein Sicherungsstift 33-1 zur Montage, Fixierung und Ausrichtung im Rohgasraum 110 angebracht ist.
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Die 7A und 7B beschreiben eine weitere Ausführungsform eines Außenskeletts 30 für ein erfindungsgemäßes Filterelement 1. Hierbei ist das Außenskelett 30 im Wesentlichen dreiteilig aufgebaut, wobei die mechanischen Stützelemente 31 eine zweiteilige Struktur mit einem jeweils ersten oder oberen Stützelementteil 31-1 und einem zweiten oder unteren Stützelementteil 31-2 besitzen. Die einander zugeordneten Enden der ersten und zweiten Stützelementteile 31-1 und 31-2 sind in ringförmigen Querstabilisierungselementen 35 verankert und werden über einen entsprechenden Verbindungsbereich 36, wie er oben bereits beschrieben wurde, miteinander verbunden. Während sich die ersten oder oberen Enden 31a der Stützelemente 31 im ersten oder oberen Halteelement 32 verankert abstützen, weisen die zweiten oder unteren Enden 31b der Stützelemente 31 neben einem hier optional zusätzlich vorgesehenen Querstabilisierungselement 35 in Form eines Rings ein Zapfenelement 37 auf, welches sich jeweils radial nach außen erstreckt und dazu dient, in Längsausnehmungen 33-3 oder Langlöchern 33-3 der zweiten oder unteren Halteelemente 33 in Kalottenform zur Fixierung, Positionierung oder Ausrichtung einzugreifen. 7B zeigt in größerem Detail den Bereich des zweiten oder unteren Endes 31b eines jeweiligen Stützelements 31 mit dem dort angebrachten Befestigungszapfen 37 zum Einfädeln in die Langlöcher 33-3.
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Zu bemerken ist noch, dass hier die Kalotten 33, welche die zweiten oder unteren Halteelemente 33 bilden, vorzugsweise fest an einem Gestänge 132 oder einer Haltestange 132 angebracht sind.
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Zur Ausführungsform gemäß den 7A und 7B ist noch zu bemerken, dass die Positionierung und Ausrichtung der mechanischen Stützelemente 31 eines jeweiligen Filterelements 1 durch Positionieren der Zapfen 37 im Langloch 33-3 der Kalotte 33 erfolgt. Die Anordnung der dabei fest installierten Kalotten 33 muss so erfolgen, dass die Zapfen 37 eines jeweiligen mechanischen Stützelements 31 nach Art eines Längsstabs oben eingefädelt werden. Diese Anordnung mit dem Einfädeln im Langloch 33-3 hat den Vorteil, dass unter thermischer Expansion bei steigender Temperatur der Längsstab des mechanischen Stützelements 31 sich in der Führung durch das Langloch 33-3 nach unten ausdehnen kann, ohne dass dabei die Position der Kalotte 33 verändert werden muss, so dass eine starre Montage der Kalotten 33 möglich ist.
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Die 8A bis 8C zeigen nun eine Anwendung des erfindungsgemäßen Filterelements 1 in einer Filteranordnung 100 oder Filteranlage 100.
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In der geschnittenen Seitenansicht gemäß der 8A ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filteranordnung 100 dargestellt. Diese besteht aus einem Rohgasraum 110 und einem Reingasraum 120, welche von einem gemeinsamen Gehäuse mit einer entsprechenden Gehäusewand 130 umgeben werden und welche voneinander fluidmechanisch mittels einer so genannten Halteplatte 131 separiert sind, wobei eine fluidmechanische Verbindung des Rohgasraums 110 und des Reingasraums 120 ausschließlich über in der Halteplatte 131 aufgenommene erfindungsgemäße Filterelemente 1 erfolgt.
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Die Filterelemente 1 durchdringen die Halteplatte 131 und sind an dieser mittels des ersten oder oberen Halteelements 32 in Form einer Kopfplatte gasdicht und partikeldicht montiert. Eine Ausführungsform dieser gas- und partikeldichten Montage wird im Zusammenhang mit der 9 unten im Detail erläutert.
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Die Filterkörper 10 der vorgesehenen Filterelemente 1 erstrecken sich entgegen der Längserstreckungsrichtung z nach unten und fußen mit ihren zweiten oder unteren Enden 10b in als zweiten oder unteren Halteelementen 33 dienenden Kalotten, die ihrerseits an einem entsprechenden Haltegestänge 132 oder an einer Haltestange 132 angebracht sind.
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Zur Vereinfachung der Darstellung sind hier die Außenskelette 30 der erfindungsgemäßen Filterelemente 1 nicht explizit dargestellt.
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Das Haltegestänge 132 oder die Haltestange 132 weisen ein erstes und ein zweites Ende 132a bzw. 132b auf, welche in der Gehäusewand 130 über entsprechende Befestigungsbereiche 140 z. B. lösbar angebracht sind.
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Die 8B und 8C beschreiben in einer seitlichen Schnittansicht bzw. in einer seitlichen perspektivischen Schnittansicht Details einer Ausführungsform des Befestigungsbereichs 140 sowie der Aufnahme der Haltestange 132 darin. Der Befestigungsbereich 140 besteht im Wesentlichen aus einer Befestigungsauflage 141 in U-Form, die sich mit ihrer Befestigungsausnehmung 142 nach oben in der Längserstreckungsrichtung z hin öffnet und der Auflage eines jeweiligen Endes 132a, 132b der Haltestange 132 für die Kalotten als zweiten oder unteren Halteelementen 33 dient.
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9 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht Details der Befestigung und Abdichtung eines oberen Endes 1a eines erfindungsgemäßen Filterelements 1 über das Außenskelett 30 an der Halteplatte 131 einer erfindungsgemäßen Filteranordnung 100.
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Hier ist insbesondere dargestellt, dass ein jeweiliges mechanisches Stützelement 31 des Außenskeletts 30 dieser Ausführungsform von einem flexiblen Stahlseil, z. B. aus Pernifer, gebildet sein kann. Das erste oder obere Ende 31a des Stützelements 31 ist über ein Befestigungselement 31c in dem ersten oder oberen Halteelement 32 verankert, welches gebildet wird von einer abgesetzten Kopfplatte 32-1, welche radial umgeben wird von einem Stützring 32-2, welcher die eigentlichen Befestigungselemente 31c der mechanischen Stützelemente 31 aufnimmt. Die Kopflplatte 32-1 ist mit dem Stützring 32-2 vorzugsweise durch ein Klebemittel 32-4, beispielsweise Litaflex-Kleber 600 oder Litaflex-Kleber 800, verklebt. Zur mechanischen Fixierung und Stabilisierung des jeweiligen Filterkörpers 10 im Außenskelett 30 befindet sich im Bereich des ersten oder oberen Endes 31a des mechanischen Stützelements 31 noch ein Spannschloss 31s, über welches das an sich flexible Stahlseil, welches das mechanische Stützelement 31 bildet, gespannt werden kann. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 9 der über das Spannschloss 31s mittels des Stahlseils 31 einzuspannende Filterkörper 10 nicht dargestellt. Die von dem Stützring 32-2 umgebene Kopflatte 32-1 ist durch eine Dichtung 32-3 gegenüber der Halteplatte 131 abgedichtet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden also ein Filterelement 1, insbesondere in Form einer Filterkerze zur Entstaubung industrieller Gase, sowie eine Filteranordnung 100 unter Verwendung des Filterelements 1 vorgeschlagen.
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Das erfindungsgemäße Filterelement 1 weist einen Filterkörper 10 und ein Außenskelett 30 auf. Das Filterelement 10 ist mit oder aus einem keramischen Filtermaterial 20 ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Erstreckungs- oder Längsrichtung z in länglicher Form. Das Außenskelett 30 ist so außen am Filterkörper 10 ausgebildet oder angebracht, dass sich dadurch der Filterkörper 10 am Außenskelett 30 abstützt und folglich in Bezug auf Zug, Druck, Biegung und/oder Torsion im Vergleich zu einer Anordnung ohne Außenskelett mechanisch entlastet und stabilisiert ist. Bei der erfindungsgemäßen Filteranordnung 100 sind ein Rohgasraum 110 und ein Reingasraum 120 über ein oder mehrere erfindungsgemäße Filterelemente 1 derart fluidmechanisch miteinander verbunden, dass im Betrieb beim Übertritt von Rohgas aus dem Rohgasraum 110 durch das eine oder die mehreren Filterelemente 1 Gas in gereinigter Form in den Reingasraum 120 übertritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erfindungsgemäßes Filterelement, Filterkerze
- 10
- Filterkörper
- 10a
- erstes oder oberes Ende des Filterkörpers 10
- 10b
- zweites oder unteres Ende des Filterkörpers 10
- 10m
- Mantelfläche des Filterkörpers 10
- 10z
- zentrale Ausnehmung des Filterkörpers 10
- 11
- erster oder oberer Filterkörperabschnitt
- 12
- zweiter oder unterer Filterkörperabschnitt
- 15
- Muffenverbindung
- 20
- Filtermaterial
- 30
- Außenskelett
- 31
- mechanisches Stützelement
- 31-1
- erstes Stützelementteil oder erster Stützelementabschnitt
- 31-2
- zweites Stützelementteil oder zweiter Stützelementabschnitt
- 31-3
- drittes Stützelementteil oder dritter Stützelementabschnitt
- 31a
- erstes oder oberer Ende/erster oder oberer Endbereich des Stützelements 31
- 31b
- zweites oder unteres Ende/zweiter oder unterer Endbereich des Stützelements 31
- 31c
- Befestigungselement des Stützelements 31
- 31s
- Spannschloss
- 32
- erstes oder oberes Halteelement, Kopfplatte
- 32-1
- abgesetzte Kopfplatte
- 32-2
- Stützring
- 32-3
- Dichtung
- 32-4
- Klebemittel
- 33
- zweites oder unteres Halteelement, Kalotte, Kartusche
- 33-1
- Sicherungszapfen, Sicherungsstift
- 33-2
- Dichtungselement, Dichtungsmatte
- 33-3
- Langloch
- 35
- Querstabilisierungselement, Stabilisierungsring
- 36
- Verbindungsbereich, Kupplung, Bajonett
- 100
- Filteranordnung, Filteranlage
- 110
- Rohgasraum
- 120
- Reingasraum
- 130
- Gehäusewand
- 131
- Halteplatte
- 132
- Haltestange, Haltegestänge
- 132a
- erstes Ende der Haltestange 132
- 132b
- zweites Ende der Haltestange 132
- 133
- Aufnahme für Sicherungszapfen 33-1
- 140
- Befestigungsbereich
- 141
- Befestigungsauflage
- 142
- Befestigungsausnehmung
- z
- Längserstreckungsrichtung
