DE3247522A1

DE3247522A1 - Vorrichtung der hochgradienten-magnettrenntechnik zum abscheiden magnetisierbarer teilchen

Info

Publication number: DE3247522A1
Application number: DE19823247522
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.rer.nat. 8521 Rathsberg Rupp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-12-22
Filing date: 1982-12-22
Publication date: 1984-06-28
Also published as: EP0111825A1; US4544482A; JPS59120219A; DE3362629D1; EP0111825B1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 3 6 7 QE

Vorrichtung der Hochgradienten-Magnettrenntechnik zum Abscheiden magnetisierbarer Teilchen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der Hochgradienten-Magnettrenntechnik zum Abscheiden von magnet!sierbaren Teilchen aus einem strömenden Medium mit einer Filterstruktur, welche mehrere zumindest annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums und in Strömungsrichtung gesehen verhältnismäßig eng hintereinander angeordnete Drahtnetze aus nicht-korrodierendem, ferromagnetische!!! Material mit vorbestimmter Maschenweite und Stärke ihrer Drähte enthält, wobei die Drahtnetze in einem im wesentlichen parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Mediums gerichteten Magnetfeld angeordnet sind. Eine solche Abscheide-Vorrichtung ist aus der DE-PS 26 28 095 bekannt.

Beim magnetischen Abscheideverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, daß in einer geeigneten Magnetfeldanordnung ein magnetisierbares Teilchen eine Kraft erfährt, die es gegen andere an ihm angreifende Kräfte bewegt bzw. festhält. Solche Kräfte sind beispielsweise die Schwerkraft oder hydrodynamische Reibungskräfte in einem flüssigen Medium. Derartige Abscheideverfahren sind z.B. für Dampf- oder Kühlwasserkreisläufe in konventionellen wie auch in nuklearen Kraftwerken vorgesehen. In dem flüssigen oder gasförmigen Medium dieser Kreisläufe sind Teilchen suspendiert, die im

SIm 2 Hag / 15.12.1982

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allgemeinen durch Korrosion entstanden sind» Bei der Beseitigung dieser Teilchen aus dem Medium mit Hilfe eines magnetischen Trennverfahrens tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß die zu separierenden Teilchen sehr verschieden in ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer Teilchengröße und ihrer Magnetisierbarkeit sind. ZoB«, "bestehen die Korrosionsprodukte im Sekundärkreis eines Kernkraftwerkes aus verschiedenen Eisenoxiden, von denen der ferriaagnetische Magnetit (Fe,0^) den größten_s der antiferromagnetische Hämatit (0!/-Pe₂O,) den zweitgrößten Gewichtsanteil und paramagnetische Hydroxide den Rest bild©n_o

Mechanische AfesoheidevorricJrtungenj, welche Teilchen aufgrund kleiner Po renweit en ihrer Filtematrizen zurückhalten!, sind in ihrer Wirksamkeit zwar durch die chemisch© Zusammensetzung und die magnetischen Eigenschaften der Teilchen unbeeinflußt; bei diesen Vorrichtungen treten 5©ώοεη zi-mi Hauptschwierigkeiten auf: Erstens lassen sich die beladenen Filtermatrizen nur verhältnismäßig schwer reinigen^ so daß-sie meistens nur als teurere Wegwerffilter verwendet werden können. Zweitens haben dies© Filteraatrizen bei einem hohen Durchsatz einen großen Raumbedarfs, weil die Filteroberfläche entsprechend vergrößert sein muß»

Mit den sich im technischen Einsatz befindlichen sogenannten Kugelfiltern (DE=PS 1 277 488) können im wesentlichen nur leicht magnetisierbar, also hauptsächlich ferromagnetische Teilchen abgeschieden werden. Eine entsprechend© Vorrichtung enthält einen zylinderfönaigen Filt®rb©hälter_p der mit Weicheisenkugeln gefüllt ist„ die in einem von siner den Filterbehälter umgebenden elektrischen Spul© erzeugten Magnetfeld angeordnet sind_o Durch dieses Magnetfeld erhält man

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in Verbindung mit den Kugeln ausreichend hohe Feldstärkegradienten, um die in einer den Filter durchfließenden Flüssigkeit mittransportierten ferromagnetischen Teilchen an den magnetischen Polen der Kugeln anzulagern. Für eine Reinigung des Filters

können die Kugeln entmagnetisiert werden. Hinsichtlich der Teilchem mit geringerer Magnetisierbarkeit ist jedoch der Abscheidegrad dieser bekannten Vorrichtung, d.h. das Verhältnis der Konzentration an vom Kugelfilter abgeschiedenen Schwebstoffen zu der entsprechenden Konzentration vor Eintritt in das Filter, _,· verhältnismäßig klein.

Kleinste ferromagnetische Teilchen oder auch schwachmagnetische, d.h. antiferro- oder paramagnetische Teilchen können mit einem größeren Abscheidegrad auf magnetische Weise praktisch nur mit Abscheidevorrichtungen der sogenannten Hochgradienten-Magnettrenntechnik (HGM-Technik) aus einem strömenden Medium herausgefiltert werden (vgl. z.B. "Journal of Magnetism and Magnetic Materials", Vol. 13, 1979, Seiten 1 bis 10). Bei der aus der eingangs genannten DE-PS 26 28 095 zu entnehmenden Vorrichtung handelt es sich um eine derartige HGM-Abscheidevorrichtung. Sie enthält in einem zentralen Filterraum eine Filterstruktur aus einer Vielzahl von in Strömungsrichtung gesehen eng hintereinander zu einem Stapel angeordneten Drahtnetzen, die senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums in einem verhältnismäßig starken Magnetfeld angeordnet sind.

Dieses Magnetfeld ist parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Mediums im Bereich der Filterstruktur gerichtet und ruft dort beispielsweise eine magnetische Induktion in der Größenordnung von 1 Tesla hervor. Die Stärke der aus ferromagnetische!!! Material bestehenden Drähte der Netze ist dabei sehr klein und

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liegt beispielsweise unter 0_Ρ1 mau Die an ihnen erzeugten Magnetfeldgradienten sind dann folglich sehr hochj, so daß sit dieser Abscheidevorrichtung auch schifach magnetisierbar© Teilehen herausgefiltert werden können„

Es hat sich jedoch gezeigt ₉ daß in Kreisläufen mit in einem Medium suspendierten Teilchen sehr verschiedener Teilchengröße und Magnetisierbarkeit die Drahtnetze dieser Abscheidevorrichtungen auf der Zulaufseite verhältnismäßig schnell beladen werden^ während an den in Strömungsrichtung gesehen ©sichfolgenden Netzen nur geringere Mengen abgeschieden werden«, Der Abscheidegrad und die Standzeit» doh. die Zeit zwischen zwei erforderlichen Reinigungsvorgängen dieser Abscheidevorrichtung j sind dementsprechend begrenzt*

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte Abscheidevorrichtung dahingehend zu verbessern,, daß ihr Abscheidegrad und ihre Standzeit erhöht werden,,

Diese Aufgab© wird ©rfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen ge-25

Bei der erfindungsgeaäß©n Abscheidevorrichtung weist also die erst© Filterteilstruktur die niedrige Feldstärke auf j, und in ihre® Yoluraen werden die leicht magnetisierbarer Teilchen aufgenommen« Die zweite Filtert© il struktur mit der hohen Feldstärke ist dann für die Abscheidung schwach magnetisierbarer Teilchen reservierte Mit der Variation der Drahtstärke der Netze der beiden Filterstrukturen wird der Tatsache Rechnung getragen_s daß die abzuscheidenden Teilchen

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hinsichtlich ihrer Größe und Magnetisierbarkeit verschieden sind. Beide Maßnahmen, nämlich zwei oder mehrere Magnetfeldstärkebereiche und Abstufung der Drahtdurchmesser, führen zu einer gleichmäßigeren Verteilung der abgeschiedenen Teilchen in dem gesamten Filtervolumen. Die mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Abscheidevorrichtung verbundenen Vorteile sind dann insbesondere in einem verhältnismäßig hohen Abscheidegrad, einem nur langsam ansteigenden Druckabfall und in einer langen Standzeit der Filterstruktur zu sehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Abscheidevorrichtung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren Figur eine Abscheidevorrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Bei der in der Figur als Längsschnitt gezeigten Abscheidevorrichtung wird von der aus der DE-PS 26 28 bekannten HGM-Abscheidevorrichtung ausgegangen.

Die allgemein mit 2 bezeichnete Abscheidevorrichtung enthält einen im wesentlichen bezüglich einer Achse rotationssymmetrischen Behälter 4, der aus nichtmagnetischem Material wie z.B. aus Edelstahl besteht.

Dieser beispielsweise vertikal angeordnete Behälter ist an seiner oberen Stirnfläche mittels eines^s Flanschdeckels 5 verschlossen und enthält in dem sich daran anschließenden Bereich seiner Mantelfläche einen

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seitlichen Anschlußflansch 6„ Das untere Ende des Behälters ist als zentraler Flansch 7 ausgebildet. Durch den seitlichen Anschlußflansch 6 soll ein Medium M, in dsm di© herauszufiltsrnden Seilchen suspendiert sind» in den Innenraum 8 d©s Behälters eingeleitet werdenρ während das gefilterte _s mit M" bezeichnete Medium an dem Flansch 7 aus dem Behälter 4 wieder abgeleitet

Zur Abscheidung sind in dem Innsnraum 8 des Behälters 4 zwei in Strömungsrichtung gesehen hintereinander angeordnete Filterteilstrukturen K) und IJL vorgesehen. ■ Die erste Filterteilstruktur IJ) nimnt dabei auf einer vorbestimmten Länge I₁ ein entsprechendes Filtervolumen ®in_B während das sich auf die vergleichsweise kürzere Länge I₅ erstreckende Filtervolumen der zweiten Filterteilstruktur. IJ₅ entsprechend kleiner ist. Die Längen I^ und 1« sollen sich 'dabei etwa so verhalten wie die Meng© bu der leicht=magnetisierbaren„ d.h. ferro- und ferrimagnetisehen ¥©runr©inigungsteilchen in dem zu filternden Medium M zur Menge m« ^^er übrigen, schwerer magnetisiorbarsn Teilchens, d*h. es soll ungefähr geltens
I^/Ig ¹^ m^/iigo

Jede Filterteilstruktur W und 1& ist aus einer vorbe stimmten Anzahl von Filterelementen 12 bzw» 13 zusammengesetzt ρ die beispielsweise gleiche Ausdehnung in Strömungsrichtung haben^ so daß das Verhältnis der Zahl d@r Elemente 12 der Filterteilstruktur I_-O zur Zahl der Elemente 15 der Filtert©ilstruktur JM. @^tws, dem Verhältnis von I₁ zu I₂ entsprichtο Jedes dieser Filterelemente i'/eist ©in©n beispielsweise hohlzylindri sehen Halterahmen auf₅ um ©ine Vielzahl„ doh» mindestens 50, Vorzugspreis® mindestens 100 in Strömungsrichtung gesehen

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eng hintereinander angeordnete Netze, insbesondere sogenannte Netzronden aufnehmen zu können. In der Figur ist nur bei jeweils einem der Filterelemente 12 und 13 ein Teil der zugehörenden Netze vergröbert durch Linien 14 bzw. 15 angedeutet. Die Netze bestehen aus feinsten Drähten aus nicht-korrodierendem, ferromagnetischem Material, beispielsweise aus Edelstahl, und haben eine vorbestimmte Maschenweite. Die Netze sind dabei so in den einzelnen Filterelementen 12, 13 bzw. Filterteilstrukturen 1,0, IJ_- gehalten, daß sie senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums M in dem Behälter 4 angeordnet sind. Benachbarte Netze 14 und 15 in den Filterelementen 12 und 13 haben dabei einen ungefähr gleichen geringen Abstand von etwa einem Millimeter oder liegen direkt aufeinander. In dem Filtervolumen der ersten Filterteilstruktur 22 *^s"k entsprechend dem Verhältnis I₁ zu Ig eine größere Anzahl von Netzen 14 untergebracht als in dem Filtervolumen der zweiten Filterteilstruktur IJL Es ist jedoch auch möglich, daß die gegenseitigen Abstände der Netze innerhalb eines Filterelementes 12, 13 und/oder von Filterelement zu Filterelement graduiert sind, wobei dann im allgemeinen nach der Auslaufseite der jeweiligen Filterteilstruktur eine größere Packungsdichte an Netzen vorgesehen wird als an der entsprechenden Einlaufseite.

Erfindungsgemäß soll die Stärke der Drähte der Netze 14 an der mit 16 bezeichneten Einlaufseite der ersten Filterteilstruktur I_-O größer 'als die Stärke der Drähte der Netze 15 an der mit 17 bezeichneten Auslaufseite der zweiten Filterteilstruktur VY sein. Hierbei können die Netze 14 der ersten Filterteilstruktur und/oder die Netze 15 der zweiten Filterteilstruktur jeweils gleiche Drahtstärken aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Drahtstärke in jeder der Filterteil-

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strukturen in Strömungsrichtung aes Mediums M gesehen in der Weise variiert, daß am Eintritt die gröberen, am Ausgang die feineren Drähte angeordnet sind. Hierdurch wird in jeder der beiden Filterteilstrukturen berücksichtigt, daß die abzuscheidenden Teilchen hinsichtlich ihrer Größe und Magnetisierbarkeit variieren können» Vorzugsweise wird die Drahtstärke der Netze an der Einlaufseite 16 der ersten Filterteilstruktur V3 mindestens doppelt so groß gewählt wie die Drahtstärke der letzten Neztes 15 an der Auslaufseite 17 der zweiten Filterteilstruktur IJL Hierbei können z.B. die Netze 14 aller Filterelemente 12 die gleiche Drahtstärke aufweisen,, während für die Netze 15 der Filterelemente 13 die gleiche, um das vorbestimmte Maß geringere Drahtstärke gewählt wird«, Daneben kann man auch in mindestens einer der Filterteilstrukturen TO oder V^* beispielsweise nur in der Filterteilstruktur 21^ die Drahtstärke in Strömungsrichtung gesehen von der stärkeren zur geringeren hin variieren. Im allgemeinen liegt die Stärke der Drähte der Netze 14 der ersten Filterteilstruktur Ij) unter 0„4 mm,, vorzugsweise bei etwa Oj, 2 mm„ während für die Netze 15 der nachgeordneten Filterteilstruktur IJ_- Drähte mit Stärken unter O₈₁I um vorgesehen Zierden»

Außerdem können die Metz® 14 der Filterelemente 12 und/oder die letze 15 der Filterelemente 13 auch insichtlich ihrer Magehenweite so graduiert sein, daß die Netze mit der größeren Maschenweite jeweils an der Einlaufseite und die Netze mit der geringeren Maschenweite an der Auslaufseite angeordnet werden. Dabei sieht man für die Netze 14 und 15 im allgemeinen Maschenweiten zwischen 1_p0 mm und 0,1 ■ vor»

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Wie aus der Figur ferner zu entnehmen ist, soll die erste Filterteilstruktur JjD einem parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Mediums M gerichteten, weitgehend homogenen Magnetfeld ausgesetzt sein. Dieses Magnetfeld wird von einer im Bereich der Filterteilstruktur 1_0 um den Behälter 4 angeordneten Magnetspule 18 erzeugt und ruft in dieser Filterteilstruktur eine durch eine gepfeilte Linie angedeutete magnetische Flußdichte B₁ hervor, die im allgemeinen zwischen 0,01 Tesla und 0,1 Tesla liegt. In entsprechender Weise ist auch die zweite Filterteilstruktur ΛΛ_ von einer Magnetspule 19 umschlossen, die für eine magnetische Flußdichte Bp in dieser Filterteilstruktur zwischen etwa 0,1 Tesla und 1,0 Tesla ausgelegt ist. Gemäß der Erfindung soll nämlich die in der Filterteilstruktur I_-O von der Spule 18 hervorgerufene Flußdichte B₁ geringer, vorzugsweise höchstens halb so groß sein wie die Flußdichte Bp» die von der Spule 19 in der nachgeordneten Filterteilstruktur IjL erzeugt wird. Um die von den Spulen 18 und 19 hervorgerufenen Magnetfelder im wesentlichen auf den Bereich der jeweiligen Filterteilstruktur I₁O bzw. Y\_ zu konzentrieren, ist jede dieser Spulen noch von einem Eisenmantel 20 bzw. 21 so umgeben, daß nur die der je- weiligen Filterteilstruktur zugewandte Seite der Spule offenbleibt.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel der in der Figur dargestellten Abscheidevorrichtung nach der Erfindung für einen Flüssigkeitsdurchsatz von etwa 100 t/ h. hat ihr Behälter 4 aus unmagnetischem Edelstahl einen Innendurchmesser von etwa 400 mm und eine Wandstärke von 5 mm. Die erste Filterteilstruktur JjD setzt sich auf einer Länge I₁ von etwa 500 mm aus 1000 innerhalb von 11 Filterelementen 12 unmittelbar

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aufeinandergestapelten Netzronden 14 aus nichtkorrodierendemj, ferromagnetischem Edelstahl zusammen. Dabei sind an der Einlaufseite 16.der Filterteilstruktur 20 Netzronden 14 mit Drahtstärken von 0,2 mm und Maschen weiten von etwa 1 mm vorgesehen,, während auf der der Filterteilstruktur V}_ zugewandten Auslaßseite der Filterteilstruktur W. die Netzronden 14 aus Drähten mit 0,1 mm Stärke und Maschenweiten von 0,2 mm bestehen. Die nachgeordnete Filterteilstruktur V[ enthält auf einer Länge Ip von etwa 250 mm etwa 500 in 6 Filterelementen 13 aufeinanderliegende Netzronden 15, die an der der Filterteilstruktur W zugewandten Einlaufseite Drahtstärken von etwa O₁,1 mm und Maschenweiten von 0,2 m aufweisen,, während an der Auslauf seite 17 Netzronden 15 mit Drahtstärken von 0_s05 mm und Maschenweiten von 0,1 mm vorgesehen sind«, Dabei sind innerhalb der beiden Filter-feeilstrukturen I_-O und IJ_- die Werte für die Drahtstärken und Maschenweiten zwischen den Werten der jeweiligen Einlauf™ und Auslaufseite graduiert. Die Spule 18 ist zur Erzeugung einer magnetischen Flußdichte B* von 0„05 Tesla, die Spule 19 für eine magnetische Flußdichte Bp von etwa 0,2 Tesla ausgelegt» Mit einer so gestalteten Vorrichtung läßt sich dann Wasser, das mit einer Korrosionsprodukt-Konzentration von etwa 10ppb Fe der ungefähren Zusammensetzung 60 % Magnetit,, 33 % Hämatit, 7 % Hydroxide verunreinigt ist,, mit einem Abscheidegrad von etwa 95 % reinigen. Die Standzeit eines solchen Filters beträgt etwa 1 Jahr» Gemäß diesem Ausführungsbeispiel beträgt 1^/I₂ = 2₉ während m^/nu ungefähr bei 1,5 liegt.

11 Patentansprüche
1 Figur

4H - Leerseite

Claims

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1.)Vorrichtung der Hochgradienten-Magnettrenntechnik Sum Abscheiden von magnetisierbaren Teilchen aus einem strömenden Medium mit einer Filterstruktur, welche mehrere zumindest annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums und in Strömungsrichtung gesehen verhältnismäßig eng hintereinander angeordnete Drahtnetze aus nieht-korrodierendem,, ferromagnetischem Material mit vorbestimmter Maschenweite und Stärke ihrer Drähte enthält, wobei die Drahtnetze in einem im wesentlichen parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Mediums gerichteten Magnetfeld angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterstruktur mindestens zwei in Strömungsrichtung des Mediums (M) gesehen nacheinander angeordnete Teilstrukturen (20., 21) enthält, wobei im Bereich der ersten Filterteilstruktur (I₁O) eine magnetische Flußdichte (B₁) hervorgerufen ist, die geringer ist als die im Bereich der zweiten Filterteilstruktur (11) erzeugte magnetische Flußdichte (B^)» und wobei zumindest die Drähte der letze (14) an der Eintrittsseite (16) des Mediums (M) in die erste Filterteilstruktur (I₁O) eine größere Stärke aufweisen als die Drähte der Netze (15) an der Austrittsseite (17) des Mediums (M") aus der zweiten-Filterteilstruktur (11).

2» Abseheidevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Flußdichte (B₉) in der zweiten Filterteilstruktur (11) mindestens doppelt so hoch wie die magnetische Flußdichte (B₁) in der ersten Filterteilstruktur (10) ist.

3. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, g e kennzeichnet durch Hetze (14) der ersten Filterteilstruktur (10) mit gleicher Drahtstärke.

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4. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 3, gekennzeichnet durch Netze (15) der zweiten Filterteilstruktur (I₁I) mit Drähten gleicher Stärke.

5. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtstärke der Netze (14; 15) der ersten und/oder zweiten Filterteilstruktur (I₁O bzw. IJ.) ^ⁿ Strömungsrichtung gesehen abnimmt.

6. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch- gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Filterteilstrukturen (10, H) die Drahtstärke der Netze an der Einlaufseite mindestens doppelt so groß wie die Drahtstärke der Netze an der Auslaufseite ist.

7. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von der ersten Filterteilstruktur (1_O) eingenommene Filtervolumen größer als das von der zweiten Filterteilstruktur (IJ.) eingenommene Volumen ist.

8. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Filterteilstrukturen (.10, V\) eine unterschiedliche Anzahl von Netzen (14 bzw. 15) aufweisen.

9. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen benachbarten Netzen (14; 15) in der ersten und/oder in der zweiten Filterteilstruktur (.10 bzw. TV) unterschiedliche Größen aufweisen.

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10» Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Netze (14) der ersten Filterteilstruktur (10) und/oder die Netze (15) der zweiten Filterteilstruktur (Ti.) jeweils an der Einlaufseite eine größere Maschenweite haben als an der AuslaufSeite»

11. Abscheidevorrichtung nach ©inem der Ansprüche 1 bis 1Oj₁ dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Netze (14) der ersten Filterteilstruktur (1,0) größere Maschenweite haben als die Netze (15) der zweiten Filterteilstruktur (IJ.).