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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Turm, einer vom Turm getragenen Gondel, einem an der Gondel drehbar gelagerten Rotor, einer in der Gondel angeordneten Stromerzeugungseinrichtung und einer Kühleinrichtung für die Stromerzeugungseinrichtung, die eine Einrichtung zum Führen von Außenluft in die Gondel und eine Filtereinrichtung für die eingeführte Außenluft vor Beaufschlagung der Stromerzeugungseinrichtung mit derselben umfasst.
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In Windkraftanlagen wird zur Kühlung der in der Gondel angeordneten Stromerzeugungseinrichtung (Generator, Getriebe etc.) Außenluft angesaugt, mit der die Stromerzeugungseinrichtung beaufschlagt wird. Die Außenluft wird dabei beispielsweise über im Turm oder in der Gondel selbst angeordnete Lufteintrittsöffnungen eingeführt, über die Stromerzeugungseinrichtung geleitet und über eine entsprechende Luftaustrittsöffnung aus dem Inneren der Gondel abgegeben. Es ist bekannt, die zugeführte Außenluft entsprechend aufzubereiten, wobei Kühleinrichtungen, Filtereinrichtungen und/oder Tropfenabscheider vorgesehen sind. Insbesondere sollen mit derartigen Einrichtungen Feststoffpartikel (Sandpartikel, Staubpartikel etc.) und Salzpartikel aus der zur Kühlung verwendeten Luft entfernt werden.
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Die bisher eingesetzten Filtereinrichtungen genügen jedoch den gestellten Anforderungen nur bedingt und reinigen die zugeführte Außenluft insbesondere bei starkem Anfall von Feststoffpartikeln, beispielsweise bei Sandstürmen in der Wüste, nur unzureichend. Die Filter setzen sich hierbei sehr rasch zu und müssen in regelmäßigen Abständen ausgetauscht bzw. gewartet werden, so dass nur sehr kurze Wartungsintervalle erreichbar sind. Dadurch fallen sehr hohe Wartungskosten an.
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Die entsprechenden Sand- bzw. Staubpartikel werden abgeschieden und setzen eine konventionelle Filtereinrichtung über die Betriebszeit zu. Dadurch steigt der Druckverlust und erhöhen sich somit auch die Betriebskosten. Die Beladung mit Partikeln ist begrenzt. Beispielsweise bei einem Sandsturm setzen sich die Filtereinrichtungen sehr rasch zu, so dass die Gefahr besteht, dass die Kühlung ganz ausfällt.
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Aus der
US 8 502 405 B2 ist eine Windkraftanlage bekannt, bei der eine Stromerzeugungseinrichtung durch die Beaufschlagung mit Außenluft immer korrekt gekühlt wird, da das Zusetzen einer zugehörigen Filtereinrichtung detektiert wird. In Abhängigkeit vom festgestellten Zustand des Zusetzens der Filtereinrichtung werden Maßnahmen zur Reinigung der Filtereinrichtung getroffen. Die entsprechenden Maßnahmen sind recht aufwendig.
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Ein Kühlsystem für Baugruppen in einer Windkraftanlage ist aus der
DE 199 47 915 A1 bekannt. Hierbei wird Kühlluft über den Turm der Windkraftanlage angesaugt, um eine Stromerzeugungsanlage mit Kühlluft zu beaufschlagen. Für die angesaugte Außenluft ist eine Filtereinrichtung vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine besonders effektive Kühlung der Stromerzeugungsanlage ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Windkraftanlage der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Filtereinrichtung ein für eine Durchströmung mit der Außenluft und zur Ablagerung von in der Außenluft mitgeführten Feststoffpartikeln geeignetes Filtermaterial und eine Reinigungsvorrichtung zur Entfernung der auf dem Filtermaterial abgelagerten Feststoffpartikel vom Filtermaterial durch Druckluftbeaufschlagung und/oder Schwingungserzeugung umfasst und dass eine Einrichtung zum Auffangen und Lagern der gelösten Feststoffpartikel vorgesehen ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung findet eine Filtereinrichtung Verwendung, die ein Filtermaterial aufweist, durch das die in die Gondel eingeführte Außenluft geführt wird (angesaugt oder gedrückt wird). Das Filtermaterial ist dabei so ausgebildet, dass die in der Außenluft mitgeführten Feststoffpartikel, insbesondere Sandpartikel, Staubpartikel, Salzpartikel, am Durchtritt durch das Filtermaterial gehindert werden und sich auf dem Filtermaterial abscheiden, während die gereinigte Außenluft das Material passiert. Die entsprechende Porengröße des Filtermateriales ist auf die jeweiligen Gegebenheiten abzustimmen, so dass sich die Feststoffpartikel der entsprechenden Größe als Filterkuchen auf der Eintrittsseite der Außenluft in das Material abscheiden.
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Wesentlich ist, dass sich das in der Filtereinrichtung vorgesehene Filtermaterial einfach und rasch reinigen lässt. Hierzu sieht die Erfindung eine Druckluftbeaufschlagung des Filtermateriales und/oder eine Schwingungserzeugung in demselben vor. Bei dem Filtermaterial kann es sich dabei um ein festes Material oder um ein flexibles Material handeln. Als Festmaterial ist das Filtermaterial mit entsprechenden Perforationen versehen oder als Siebmaterial ausgebildet, wobei der Durchmesser der Perforationen und der Sieböffnungen naturgemäß so gewählt ist, dass die abzuscheidenden Feststoffpartikel das Material nicht durchdringen können und sich auf der Außenseite desselben ablagern. Bei einer derartigen Ausführungsform arbeitet die vorgesehene Reinigungsvorrichtung vorzugsweise mit Druckluft, die von der gegenüberliegenden Seite durch die Öffnungen des Filtermateriales geblasen wird, um die abgesetzten Feststoffpartikel zu lösen. Beispielsweise kann diese Druckluftbeaufschlagung in Kombination mit einer Schwingungserzeugung durchgeführt werden, die beispielsweise durch einen Rüttelvorgang oder Schlagvorgang generiert wird. Eine solche Schwingungserzeugung soll auch die Erzeugung von Schwingungen mit sehr kleiner Amplitude, d. h. von Vibrationen, umfassen.
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Auch bei der Ausführung des Filtermateriales als flexibles Material kann eine Reinigung durch Druckluftbeaufschlagung und/oder Schwingungserzeugung erfolgen. Hierbei kommt insbesondere ein Pulsverfahren zur Anwendung, bei dem das Filtermaterial mit Druckluftpulsen beaufschlagt wird. Diese Reinigungsmethode wird nachfolgend erläutert.
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Hierbei ist das Filtermaterial dehnbar und umfasst die Reinigungsvorrichtung eine Einrichtung zur Beaufschlagung des Filtermateriales mit Druckluftpulsen.
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Es findet daher hierbei ein dehnbares Filtermaterial Verwendung, das bei der Beaufschlagung des Filtermateriales mit Druckluftpulsen eine Dehnung erfährt, die zu einer Lösung des angesammelten Filterkuchens und damit zu einer Freigabe des Filtermateriales führt. Dabei erfolgt die Beaufschlagung des Filtermateriales mit den Druckluftpulsen von der Seite des Filtermateriales her, auf der sich kein Filterkuchen angesammelt hat.
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Durch die schockartige Beaufschlagung mit den Druckluftpulsen löst sich der Filterkuchen vom Filtermaterial, fällt nach unten und wird aufgefangen und gelagert. Er kann dann in entsprechenden Wartungsintervallen aus der Gondel entsorgt werden.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Windkraftanlage funktioniert daher beispielsweise so, dass im Betrieb der Anlage Außenluft entweder direkt in die Gondel oder über den Turm in die Gondel eingeführt wird, beispielsweise über einen geeigneten Ventilator angesaugt wird. Bevor die Außenluft auf die zu kühlenden Objekte trifft, passiert sie die erfindungsgemäß vorgesehene Filtereinrichtung und durchdringt das Filtermaterial. Die gereinigte Luft wird dann dem zu kühlenden Objekt zugeführt und dann beispielsweise wieder über eine geeignete Austrittsöffnung aus der Gondel abgeführt.
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Wenn sich ein entsprechend dicker Filterkuchen auf dem Filtermaterial angesammelt hat oder einfach in bestimmten Zeitabständen, wird das Filtermaterial auf der vom Filterkuchen abgewandten Seite mit Druckluftpulsen schockartig beaufschlagt, wodurch das Filtermaterial abrupt gedehnt wird, was zur Lösung des Filterkuchens führt. Auf diese Weise lässt sich das Filtermaterial ohne großen Aufwand reinigen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich die Pulsintervalle in Abhängigkeit von der Partikelbeladung ändern können.
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Durch diese spezielle Art der Reinigung werden insgesamt die Wartungskosten und Beschaffungskosten der Filtereinrichtungen stark minimiert. Andererseits ist die Verfügbarkeit der Kühlung und somit der Windkraftanlage sichergestellt.
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Vorzugsweise umfasst die Filtereinrichtung eine Filterkammer, in der das Filtermaterial angeordnet ist und die von der eingeführten Außenluft durchströmt wird. Eine solche Filterkammer ist in der Gondel angeordnet und in Bezug auf den Luftweg der zu kühlenden Stromerzeugungseinrichtung vorgeschaltet. Sie hat zum einen die Aufgabe, das Filtermaterial aufzunehmen und so anzuordnen, dass es von der Außenluft durchströmt werden kann, und zum anderen die Aufgabe, den abgelösten Filterkuchen aufzufangen und einer Entsorgung zuzuführen, beispielsweise in ein unter der Filterkammer angeordnetes Behältnis.
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So kann speziell im unteren Bereich der Filterkammer eine in ein Behältnis führende Auslassöffnung für das abgelöste Feststoffmaterial angeordnet sein. Das Behältnis kann dann in bestimmten Wartungsintervallen entnommen und entleert werden.
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Um die Abführung des abgelösten Feststoffmateriales zu erleichtern, ist die Filterkammer im unteren Bereich vorzugsweise trichterförmig ausgebildet, wobei die Auslassöffnung in der Spitze des Trichters angeordnet ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Filtermaterial in der Form einer Vielzahl von einzelnen Filterelementen ausgebildet. Der Außenluftstrom passiert daher bei dieser Ausführungsform gleichzeitig oder nacheinander eine Vielzahl von Filterelementen, an denen die Feststoffpartikel abgeschieden werden. Zur Entfernung der Feststoffpartikel werden die einzelnen Filterelemente jeweils mit Druckluft beaufschlagt und/oder in Schwingungen versetzt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Filtermaterial in der Form eines Filterschlauches ausgebildet, wobei insbesondere mehrere Filterschläuche Verwendung finden, die hängend in der Filterkammer angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform strömt die Außenluft von außen in das Innere des Filterschlauches und von dort aus dem Filterschlauch heraus. Die Feststoffpartikel setzen sich auf der Außenseite des Filterschlauches ab und werden durch die Beaufschlagung mit Druckluftpulsen im Inneren der Filterschläuche von der Schlauchwand gelöst.
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Speziell sind dabei mehrere Filterschläuche hängend in der Filterkammer angeordnet, die in Querrichtung mit der Außenluft beaufschlagt werden. Die in das Innere der Filterschläuche eingedrungene gereinigte Luft wird dabei nach oben aus den Filterschläuchen entfernt. Die Druckluftpulse werden von oben in die Schläuche gerichtet, die am unteren Ende vorzugsweise geschlossen sind.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist das Filtermaterial in der Form einer Filtertasche ausgebildet. Derartige Filtertaschen können erfindungsgemäß in entsprechender Weise funktionieren wie die vorstehend beschriebenen Filterschläuche. Beispielsweise können derartige Taschen ebenfalls hängend in der Filterkammer angeordnet sein und beispielsweise seitlich vom Außenluftstrom durchströmt werden.
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Andere Ausführungsformen von Filterelementen sind ebenfalls möglich. Die Erfindung ist nicht auf eine spezielle Ausgestaltung dieser Filterelemente beschränkt. Wesentlich ist, dass die Filterelemente ein Material aufweisen, das eine entsprechende Filterfunktion erfüllen kann und durch die Beaufschlagung mit Druckluft und/oder die Erzeugung von Schwingungen so behandelt werden kann, dass sich der gebildete Filterkuchen vom Filtermaterial löst.
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Bei noch einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Filtereinrichtung eine Tropfenabscheidereinheit für den eingeführten Außenluftstrom zugeordnet. Diese Tropfenabscheidereinheit befindet sich vorzugsweise vor der Filtereinrichtung, so dass trockene Außenluft die Filtereinrichtung passiert.
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Eine derartige Tropfenabscheidereinheit kann mehrere Tropfenabscheider bzw. Tropfenabscheiderstufen aufweisen, die hintereinander im Luftstrom angeordnet sein können. Dabei kann die Tropfenabscheidereinheit insbesondere einen in der Filterkammer vor den Filterelementen angeordneten Tropfenabscheider aufweisen. Auch kann eine Tropfenabscheiderstufe der Filterkammer vorgeschaltet sein, insbesondere direkt im Bereich der Eintrittsöffnung der Außenluft in die Gondel angeordnet sein.
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Insbesondere kann die Windkraftanlage einen von einer Lufteintrittsöffnung in der Gondel zur Filterkammer führenden Luftkanal besitzen, mit dem die Filterkammer quer angeströmt wird. Hierbei befindet sich vorzugsweise ein erster Tropfenabscheider im Bereich der Eintrittsöffnung der Außenluft in die Gondel, von dem aus ein Luftkanal zur Filterkammer führt. Hinter der Eintrittsöffnung des Luftkanals in die Filterkammer befindet sich ein zweiter Tropfenabscheider, der vom Luftstrom quer angeströmt wird. Diesem Tropfenabscheider nachgeordnet sind mehrere hängend angeordnete Filterschläuche.
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Bei dieser Ausführungsform ist daher ein zweistufiges Tropfenabscheidersystem mit einer Filterstufe kombiniert. Dabei übernimmt die erste Stufe des Tropfenabscheiders hauptsächlich die Funktion eines klassischen Tropfenabscheiders, wobei an dieser Stufe auch grobe Partikel abgeschieden werden. Die getrocknete Luft wird dann durch den Luftkanal zur Filterkammer geführt. Hierbei wird die Luft zunächst durch die zweite Tropfenabscheiderstufe in der Filterkammer geleitet, die hauptsächlich die Funktion eines Partikelabscheiders übernehmen und die Strömung in der Kammer vergleichmäßigen soll. In dieser Stufe werden die größeren Partikel abgeschieden. Nach dieser Stufe werden die restlichen Partikel durch die Filterstufe abgeschieden.
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Die Filterelemente der Filterstufe können mit einer Pulstechnik in definierten Zeitabständen gepulst und dadurch gereinigt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Gondel für eine Windkraftanlage, die eine Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist. Auch bezieht sich die Erfindung auf eine Kühleinrichtung für eine Windkraftanlage mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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Die erfindungsgemäß vorgesehenen Tropfenabscheider können beheizt sein. Eine derartige Heizung wird zur Gewährung der Eisfreiheit eingesetzt, wobei sich die Lufttemperatur dabei kaum merklich ändert.
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Die in der Filtereinrichtung vorgesehenen Filterelemente werden vorzugsweise quer angeströmt. Es kann aber auch eine Anströmung parallel zur Achse der Filterelemente folgen, insbesondere wenn es sich hierbei um längliche Elemente, wie Schläuche, handelt. Eine kombinierte Anströmung in Querrichtung und in Axialrichtung ist natürlich ebenfalls möglich.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Windkraftanlage wird die Außenluft durch die Filtereinrichtung gesaugt oder gedrückt. Die entsprechende Einrichtung zum Ansaugen oder zum Drücken der Luft kann sich hierbei sowohl in der Gondel als auch im Turm oder auch in beiden befinden. Die Ansaugung kann auch von der Seite erfolgen, wobei dann die Tropfenabscheidereinheit (d. h. der erste Tropfenabscheider) frontal durchströmt wird.
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Als Beispiele für Filtereinrichtungen, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können, seien Schlauchfilter, Taschenfilter und Kassettenfilter genannt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Vertikalschnittdarstellung eines Teiles einer Windkraftanlage; und
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2 eine schematische Vertikalschnittdarstellung der Gondel der Windkraftanlage der 1 in vergrößertem Maßstab.
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Die in der Teildarstellung der 1 schematisch gezeigte Windkraftanlage besitzt einen Turm 1, der eine drehbare Gondel 3 trägt. An der Gondel 3 ist ein Rotor 2 drehbar gelagert, der durch Windkraft in Drehungen versetzt wird und dadurch eine im Inneren der Gondel angeordnete, nur schematisch dargestellte Stromerzeugungseinrichtung 12 mit Rotationskraft beaufschlagt, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Es kann sich hierbei beispielsweise um einen üblichen Generator mit Getriebe und zugehörigen weiteren Aggregaten handeln. Bei der Stromerzeugung wird Wärmeenergie generiert, die entsprechend abgeführt werden muss, um die Aggregate nicht zu beschädigen. Hierzu ist eine entsprechende Kühleinrichtung vorgesehen, die in der Gondel 3 angeordnet ist und schematisch bei 20 dargestellt ist.
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Mit der Kühleinrichtung 20 wird Außenluft angesaugt, die über eine Lufteintrittsöffnung 4 in die Gondel gelangt. Die Kühleinrichtung bewirkt eine Entfeuchtung und Reinigung der Außenluft, die von der Kühleinrichtung abgegeben und mit der die Stromerzeugungseinrichtung 12 beaufschlagt wird. Nachdem die Kühlluft die Stromerzeugungseinrichtung 12 passiert hat, wird sie über eine geeignete Luftaustrittsöffnung 13 aus der Gondel abgeführt.
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Der Aufbau der Kühleinrichtung 20 ist im Einzelnen in 2 dargestellt. Der Lufteintrittsöffnung 4 in die Gondel 3 ist ein erster Tropfenabscheider 5 nachgeschaltet, der die Funktion eines herkömmlichen Tropfenabscheiders übernimmt. Die getrocknete Luft gelangt dann in einen Luftkanal 6, mit sie in eine Filterkammer 7 eingeführt wird. Die Luft wird hierbei über einen geeigneten Ventilator 11 angesaugt.
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In der Filterkammer 7 befinden sich ein zweiter Tropfenabscheider 8, der mit der Luft aus dem Luftkanal 6 in Querrichtung beaufschlagt wird. Mit dem Tropfenabscheider 8 werden restliche Tropfen abgeschieden. Ferner übernimmt der Tropfenabscheider 8 die Funktion einer Strömungsvergleichmäßigung.
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Die von Feuchtigkeit befreite Luft trifft dann auf mehrere Filterschläuche 9, die hängend in der Filterkammer angeordnet sind. Sie durchdringt die Schläuche von außen nach innen und wird nach oben aus den Schläuchen abgeführt, wie durch die entsprechenden Pfeile angedeutet. An den hängend angeordneten Filterschläuchen 9 findet eine Abscheidung von Feststoffpartikeln (Sandpartikel, Staubpartikel etc.) statt, so dass gereinigte Luft der Stromerzeugungseinrichtung 12 zugeführt wird. Nachdem sie diese zur Kühlung derselben passiert hat, wird sie über die Luftaustrittsöffnung 13 aus der Gondel abgeführt.
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Durch die Feststoffpartikelabscheidung an den Filterschläuchen 9 sammelt sich auf der Außenseite der Filterschläuche ein mit zunehmendem Betrieb immer dicker werdender Filterkuchen an. Dieser Filterkuchen wird in regelmäßigen Wartungsintervallen durch die Beaufschlagung der Filterschläuche 9 mit Druckluftpulsen von den Schläuchen entfernt. Dabei werden die Schläuche von ihrem Inneren her pulsartig mit Druckluft beaufschlagt, wodurch sich die aus dehnbarem Material bestehenden Schläuche kurzzeitig ausdehnen, so dass der Filterkuchen gelöst wird und nach unten herabfällt. Das gelöste Material wird über einen Trichter 10 in ein darunter befindliches Behältnis 14 eingeführt, das in bestimmten Wartungsintervallen entleert wird.
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Das hier beschriebene Kühlsystem ist besonders wartungsfreundlich. Durch die vorgeschalteten beiden Tropfenabscheider wird sichergestellt, dass die eigentliche Filtereinrichtung nur mit trockener Luft beaufschlagt wird, so dass der angesammelte Filterkuchen keine extremen Anbackungseffekte zeigt und durch die beschriebene Pulstechnik relativ einfach vom Filtermaterial gelöst werden kann. Hierdurch wird eine kombinierte und sichere Tropfen- und Partikelabscheidung gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8502405 B2 [0005]
- DE 19947915 A1 [0006]
