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Stand der Technik:
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Schon vor ungefähr 2000 Jahren benutzte man bei einem Sandsturm zum Schutz der Atemwege ein Tuch. Aus der Landwirtschaft kennt man das Windsichten beim Einsatz von Dreschflegeln. In der Natur ist das Prinzip der Absetzkammer bekannt, wenn Saharasandstürme bei uns in Europa niedergehen.
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Auch die Technik macht sich dieses Prinzip zueigen, eine Filterfläche als Fangvorrichtung für trockene oder nasse Partikel zu benutzen und je nach zulässigem Druckgefälle die Filterfläche von Zeit zu Zeit zu regenerieren.
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Es sind verschiedene Regenerationsverfahren bekannt, wie zum Beispiel mechanisches Klopfen, kehren, bürsten, schaben und vieles mehr. In der Hightech-Welt wird zum Beispiel mit Druckluft oder/und Gebläse gegengespült, um die Filterfläche vom Filtrat zu befreien und so wieder einsatz- und arbeitsfähig zu machen. Mittlerweile werden diese beiden Vorgänge – filtern und regenerieren – durch elektronische Module gesteuert. Der Erfinder beschäftigt sich unter anderem in den Schriften
DE 2 923 849 A1 und
DE 3 016 293 A1 damit.
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Bekannte Vorrichtungen arbeiten mit rohrförmigen Filtereinsätzen, durch die von außen nach innen das Rohgas hindurchgedrückt bzw. gesaugt wird. Dabei setzt sich das vom Rohgas transportierte, staubförmige Gut mit allmählich wachsender Schichtdicke auf der Außenseite der Filtereinsätze ab und verursacht ein Steigen des Filterwiderstandes. Um den Filterwiderstand nicht zu hoch anwachsen zu lassen, wird von Zeit zu Zeit den Filterelementen ein Rückspülgas-Druckstoß zugeführt, der den auf den Filterelementen abgesetzten Staub in größeren Agglomeraten abwirft.
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Bei einer aus der
US-PS 35 13 638 (
4,
5) bekannten Vorrichtung, die nach diesem Prinzip arbeitet, ist oberhalb der die Filterelemente haltenden Trägerplatte ein Rohrsystem angeordnet, das zur Zuführung von Rückspülgas dient. Die Rohre verlaufen so oberhalb der Öffnungen der Filterelemente, dass das Rückspülgas, das aus mit den Filterelementen fluchtenden Löchern in den Rohren austritt, in die Filterelemente einströmt und auf diese Weise die Filter von einer angesetzten Staubschicht befreit. Es ist dabei jeweils ein Rohr für eine bestimmte Anzahl von Filterelementen vorgesehen, wobei das Rohr eine der betreffenden Zahl der Filterelemente gleiche Zahl von Löchern aufweist. Jedes Rohr ist individuell über einen Schlauch an ein Ventil angeschlossen, das bei seiner Öffnung die betreffende Gruppe von Filterelementen mit Rückspülgas versorgt. Die Schläuche sind dabei nach außen aus dem Gehäuse einzeln herausgeführt und dort an die Ventile angeschossen. Die Steuerung der Ventile erfolgt mittels einer elektrischen Steueranordnung, die außerhalb des Filterkopfes angeordnet ist.
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Weiter bekannt aus der Druckschrift
DE 2 923 849 A1 wird ausgeführt, dass die Service- und Wartungsfreundlichkeit zu wünschen übrig lässt und deshalb eine Vorrichtung zu einem Servicemodul zusammengefügt wurde. In einer weiteren Druckschrift
DE 100 11 835 A1 beschäftigt man sich ebenfalls mit der Optimierung der Regenerierung der Filterfläche. Alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen beschäftigen sich grundlegend und ausschließlich mit der Vorrichtung zur Ausfilterung von staubförmigem Gut und deren interner Steuerung. Die einen regenerieren die Filterfläche mit Klopfen, Vibrationen oder Ultraschall, die anderen mit einem Druckluftimpuls, manche mit der Umkehrung der Förderluft. Alle haben den Nachteil gemeinsam, dass sie sich nur mit den internen Verhältnissen des Filterapparates beschäftigen und überwiegend mit der Druckdifferenz am Filtermedium steuern, die durch die Bildung des Filterkuchens entsteht.
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Die Abscheidung erfolgt überwiegend an der Oberfläche des Filtermediums. Es bilden sich eine Filterhilfsschicht und ein Filterkuchen. Die Filterhilfsschicht, auch Staubschicht genannt, stellt die eigentliche hochwirksame Filterschicht dar. Mit dieser werden oft Gesamtabscheidegrade über 99,9% erzielt Diese Filterapparate werden häufig als Oberflächenfilter bezeichnet. Infolge des Anwachsens der Filterhilfsschicht [Fihi] und des Filterkuchens [Fiku) nimmt der Druckverlust [Δp] zu. Die Sternfilter werden daher periodisch mittels Druckluft gereinigt. Als Filtermedium werden überwiegend Vliese eingesetzt. Aufgrund der guten Abscheideeigenschaft haben sich diese Art von Filter in nahezu allen Bereichen durchgesetzt. Trotz des hohen Standes der Technik werden Filterapparate mit Druckluftreinigung noch heute weitgehend auf der Basis von Erfahrung ausgelegt. Es gibt derzeit noch kein allgemeingültiges Berechnungsmodell, welches eine zuverlässige Dimensionierung von Filteranlagen im Voraus zulässt. Schwierigkeiten bei Modellrechnungen bereiten von allem die instationäre Betriebsweise des Filterapparates sowie die große Zahl von Einflussgrößen.
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Aus der Druckschrift
DE 377 735 A ist die Regeneration von Filterfläche, die taschenförmig ausgebildet ist und die nach einander gereinigt werden, bekannt. In der Offenlegungsschrift
DE 27 31 123 A1 ist eine auswechselbare Filterpatrone im Wesentlichen zylindrischen Filterhülse bekannt, die mit Blasstrahlen gereinigt wird. In der Offenlegungsschrift
DE 34 13 214 A1 ist ein starres Filterelement, das mit Druckluft gereinigt wird, bekannt. In der Offenlegungsschrift
DE 42 11 752 A1 ist ein konisches Filterelement als starres Filterelement beschrieben, das durch Stützringe in der Zeichnung Pos. 9 die Steifheit des Filterelements sicher stellt. In dem Gebrauchsmuster
DE 9307614 U1 ist ein konisches Filterelement mit einem zusätzlichem konischem Inneteil beschrieben und als starrer Körper ausgebildet. In der
DE 200 05 756 U1 ist ein konisches Filterelement als starrer Körper dargestellt. Aus der Schrift
DE 199 31 307 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die ein rohrförmiges Faltfilterelement (Filtereinrichtung 2) enthält, das sowohl mit als auch ohne Stützelement (Innenrohr bzw. Stützkonstruktion 5) formstabil ist. Aus der Schrift
DE 94 03 868 U1 ist eine Filterpatrone bekannt, die ebenfalls als starrer Körper ausgebildet ist und die durch einen Klebstoffring 2 im inneren Umfang 20 zusätzlich gestützt wird. Aus der Schrift
DE 86 23 695 U1 ist eine konische Luftfilterpatrone bekannt, die als steifer Körper ausgebildet ist, insbesondere durch durch die Einbringung eines Versteifungsmittel.
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Aufgabenstellung:
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Alle bekannten Systeme haben gemeinsam den Nachteil, dass Filterfläche, Filtermedium, Filtrat und Filterregenerierung als einzelne Systeme betrachtet und eingesetzt werden, vergleichbar etwa den Solisten in einem Orchester. Es fehlt sozusagen der Dirigent des Orchesters, der die Solisten zu einem harmonischen Zusammenspiel führt.
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In unserem Fall bedeutet dies, dass aus den einzelnen Elementen eine funktionierende Einheit wird, bei der sich die Einzelelemente gegenseitig und zwangsläufig optimieren. Es stellt sich die Aufgabe, ein ganzheitliches System zu erfinden, das sich selbst regelt, aber auch individuell unterstützt werden kann.
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Der Ablösedruck für den Filterkuchen soll so optimiert sein, dass die Filterhilfsschicht, die aus Filtrat oder/und einem Zusatzstoff zur Unterstützung der Filtratration sein kann, erhalten bleibt.
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Es ist ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Einflussfaktoren auf das Betriebsverhalten mit berücksichtigt werden, so dass die elektrisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausfilterung von staubförmigem Gut den gesamten Prozess des Handlings, Fertigens, Verteilens, Verpackens, Dosierens, Wiegens, kurzum vom Beginn der Filtration bis zum Ende, überwacht, steuert und bewertet.
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Die Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten und den Filterapparat bilden die Funktion [T(x) und Δp]. Weitere Einflussfaktoren sind Filtermedien:
Filtermedium: physikalische Eigenschaften, Berstdruck, Luftdurchlässigkeit, Porengröße, Flächengewicht, chemische Eigenschaften
Staub, Schüttgut: Rohgasbeladung, Partikelgrößenverteilung, Schüttdichte, Agglomerationsverhalten, elektrostatische Eigenschaften, chemische Zusammensetzung.
Trägergas: Volumenstrom, Temperatur, Druck, relative Feuchte, chemische Zusammensetzung Apparatebauweise: Reinigungssystem, Rohgasführung, Apparategeometrie, Filtermedium und Filteranordnung, Sternfiltergeometrie
Betriebsweise: Reinigungsart, Rohgaszufuhr, Reingasabfuhr, Abgasemission Betriebskosten und Investitionskosten
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Alle vorgenannten Parameter sollen mit berücksichtigt werden beim Betreiben der Vorrichtung.
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Lösung:
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Die Lösung besteht darin, dass der Filterkuchen und das System sich gegenseitig automatisch beeinflussen und regeln. Der scheinbare Antagonismus wird aufgelöst. Es wurde eine neue Konstruktion der elastischen Endscheibe gefunden. Der Erfinder beschreibt das in seiner Schrift
DE 3 439 194 A1 . Die Endscheibenform an der Trennebene roh- zu reingasseitig und das Einspannen mit dem Dichtsitz des Filterelements wurde erfunden. Zum Schluss wurde das Filtermedium mit der Fallgeometrie erfunden und in Versuchen bestätigt.
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In Grundsatzversuchen und mit der heutigen Messtechnik war es möglich, den Erfindungsgedanken zu verfolgen, nachzuweisen und zu realisieren.
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Die Erfindung macht sich zu nutze:
- • dass das Filterelement in der Mitte des Elements dem Differenzdruck nachgibt und sich dabei gleichzeitig das Filtrat verdichtet; kurzum die X-Form in Abhängigkeit der Länge und der Durchlässigkeit des Filtrates und des Filtermediums.
- • den Elastizitätsmodul des Sternfilters und der Faltengeometrie und
- • die zusätzliche Unterstützung zur Regeneration mittels Fremdhilfe, gesteuert und ungesteuert.
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Die X-Form-Elastizitätsfunktion des Filterelementes verändert sich in Abhängigkeit des Druckgefälles. Dadurch verdichtet sich das Filtrat zu einem Agglomerat. Je niedriger die Druckdifferenz, je höher ist der Luftdurchsatz. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Filterelemente wird das Gesamtdruckgefälle egalisiert. Durch die Wegnahme der Druckdifferenz, beispielsweise durch Stoppen der Luftführung, Umkehrung des Sauggebläses oder durch Einbringen von Gas (vorzugsweise Luft) in den Abgasstrom, wird das verdichtete Filtrat von der Filterfläche abgelöst, beschleunigt und fallengelassen. Daraus ergibt sich folgende Funktion [T(x); Δp und der Ablösekraft]. Der Ablösedruck, auch Ablösekraft oder Regenerationsdruck genannt, ist die Arbeit = Integral über die Kraft längs des Weges.
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Die Erfindung macht sich die Kraft zunutze, die bei einem Körper die Geschwindigkeit und/oder deren Richtung ändert, ihn also beschleunigt, verzögert oder aus seiner Bahn ablenkt. Eine Verzögerung kann man als negative Beschleunigung ansehen. Die Kraft ist ein Vektor, d. h., sie hat wie ein Vektor sowohl einen Betrag als auch eine Richtung. Wirken verschiedene Kräfte auf einen Körper ein, lassen sich diese im Prinzip zu einer resultierenden Kraft kombinieren. Dies gelingt mit dem Multifunktionsfilter. Die auf einen Körper ausgeübte Kraft hängt von seiner Masse und seiner Beschleunigung ab. Das entsprechende Gesetz ist das zweite Newtonsche Axiom, benannt nach dem englischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton. Dem Axiom zufolge ist die auf einen Körper einwirkende Kraft gleich dem Produkt aus der ihm verliehenen Beschleunigung und seiner Masse. Wenn also eine gleich große Kraft auf zwei Körper unterschiedlicher Masse ausgeübt wird, dann erhält der schwerere Körper eine geringere Beschleunigung, ergo wird der gewünschte Filterkuchen abgelöst und reißt beim freien Fall den kleineren Partikel mit.
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In der 1 wird exemplarisch links der Ruhezustand und rechts der Betriebszustand dargestellt. Die Faltentiefe (t) bleibt unverändert, diese ist physikalisch vorgegeben. Im Ruhezustand, auch Außerbetrieb genannt, ist beim rohrförmigen Element der Durchmesser (D) und der Faltenabstand (A) der Ausgangszustand auch das Ausgangsmaß. In der Arbeitsphase verringern sich der Durchmesser (D) auf (DW) und der Faltenabstand (A) auf (AW). Der Anhangsbuchstabe steht für die Arbeit. Bei der Reduzierung des Masse (A) auf (AW) wird das angelagerte Filtrat verdichtet (im linken Bild etwas dicker dargestellt).
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In der 2 wird die Abhängigkeit (dw1) (dw2) von der Länge des rohrförmigen Elementes dargestellt. Bei unveränderten Betriebsbedingungen bleibt der Durchmesser (D) konstant auch bei unterschiedlichen Längen (l1) und (l2) und verändert sich der Durchmesser (dw1) und (dw2). Dies hat wiederum zur Folge, dass das Filtrat mit unterschiedlicher Kraft verdichtet bzw. agglomeriert wird.
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In der 3 werden die unterschiedlichen Arbeitsphasen dargestellt. Durchmesser (D) bedeutet Ausgangsmaß; in der Arbeitphase wird etwa in der Mitte des rohrförmigen Zylinders (d) auf (dw) reduziert; danach folgt die Arbeitspause und (dw) geht auf Ausgangsmaß (d) zurück; nach dem Regenerationsimpuls geht für einem Moment (D) auf das vergrößerte Maß (DR). Dies bewirkt, dass ein Teil des Filtrates ablöst, beschleunigt wird und absinkt.
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In der 4 wird die Situation mit einem Stützkörper dargestellt. In der Regenerationsphase wird der (⌀C) auf (⌀D) vergrößert, in der Regeneration prallt (⌀B) auf (⌀A) (Stützkörper); dabei werden die angelagerten Partikel plötzlich abgebremst und aufgrund der Verzögerung (Bremsvorgang) in das Filtermedium tiefer hineingeschleudert.
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In 5 wird die Abhängigkeit des Δp und V in Zeiteinheit aufgezeigt und verdeutlicht, dass alle Anstrengungen, um das Δp zu verringern, sich in einen Mehrfachen der Trägergasmenge niederschlägt.
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In der 6 wird ein rohrförmiges Filterelement dargestellt, dergestalt dass das Normmaß D in der einen Variante an der gegenüberliegenden Seite einmal größer und der anderen Variante kleiner ist. Die Angabe (DR) zeigt die Regenerationsphase. Das kegelrohrförmige Element beeinflusst die Geschwindigkeitsprofile entlang der Filterfläche. Es wird vermutlich das Abwerfen, das Anlagern und der Aufbau der Filterhilfsschicht mit dem Filterkuchen, beeinflusst und möglicherweise begünstigt. Auch kann das stützfreie, rohrförmige Filterelement angewendet werden. Mit der Konizität des Filterelements lassen sich die Widerstandskräfte und somit das zulässige Δp steuern. Die einwirkenden Kräfte werden entsprechend des Winkels (Konus, Kegel) eingeleitet und gesteuert.
