DE3622629A1 - Filterpack - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterpack für Luft- und/oder Flüssigfiltration mit Filtermedienflächen, die mäanderförmig zwischen Abstandshaltern hin- und hergefaltet sind und abwechselnd luftein- und -austrittsseitig offene Taschen bilden, wobei die Abstandshalter wellenförmig ausgebildet sind und die Kanten der Wellen jedes Abstandshalters vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Ein derartiges Filterpack ist in der früheren Patentanmeldung P 35 42 963.1 beschrieben.

Die Lüftungssysteme z. B. kerntechnischer Anlagen bilden Pfade für mögliche Abgaben von Radioaktivität an die Umgebung, was insbesondere bei Störfällen von Bedeutung ist. Als ein kritischer Fall ist dabei das Versagen von Filterelementen zu betrachten, da infolgedessen Luft hoher Radioaktivität an die Umgebung abgegeben würde. Es ist deshalb im Hinblick auf die Abschätzung von Störfallfolgen bzw. zur Ermittlung der bestehenden Sicherheitsmargen von großer Wichtigkeit, die Versagensgrenzen z. B. von Schwebstoffiltern unter verschiedenen Beanspruchungsarten nicht nur zu kennen, sondern auch Abhilfe- bzw. Vorsorgemaßnahmen zu treffen. Als Versagensgrenze gilt dabei derjenige Differenzdruck, bei dem die erste sichtbare Beschädigung am Filter eintritt.

Versuchs- und Erfahrungswerte haben gezeigt, daß bei tief gefalteten Schwebstoffiltern, die durch hohen Differenzdruck beansprucht sind, sich eine Gruppe benachbarter Falten in Strömungsrichtung ausbeult, zunächst in der Mitte quer aufreißt und später aus dem Rahmen gepreßt wird. Diese Versagensart ist typisch für die Filter des Standardquerschnitts 610×610 mm, aber der halben Rahmentiefe von 150 mm und somit von einer Faltentiefe von nur etwa 130 mm. In Einzelfällen wurde dieser Schadensverlauf auch bei Filtern der Rahmentiefe 292 mm beobachtet. Diese Versagensart dürfte auch bei Druckwellenbeanspruchung auftreten.

Zur näheren Analyse dieses Schadensverlaufes kann von dem folgenden vereinfachten Beanspruchungsmodell ausgegangen werden: Jede der senkrecht verlaufenden Falten des Filtermediums wird als Hohlprofilträger angenommen, der am oberen und unteren Teil des Rahmens frei drehbar gelagert ist. Dieser Träger wird durch eine Streckenlast beansprucht, die aus dem vorliegenden Differenzdruck resultiert. Aufgrund dieser Beanspruchung tritt genau in der Mitte zwischen den Lagerpunkten die maximale Zugspannung in Längsrichtung der Filter σ₁ auf. Für sie wurde die folgende Näherungsformel abgeleitet:

wobei Δ p der Differenzdruck am Filter, h die Faltenlänge, t die Faltungstiefe, d die Filterpapierdicke und A die Zahl der Falten pro Filter bedeuten.

Dieses Beanspruchungsmodell erklärt, weshalb das Faltenpack in der Mitte aufreißt und weshalb die Risse quer verlaufen. Da die Zugspannung mit dem Quadrat der Faltungstiefe abnimmt, wird verständlich, weshalb dieses Schadensbild nicht bei den Schwebstoffiltern mit 292 mm Rahmentiefe, wohl aber bei denen mit halber Tiefe beobachtet wird. Weiterhin wird hierdurch die bei den Filtern der Größe 610×610 mm festgestellte Reduktion der Belastbarkeit erklärt. Bei den Filtern halber Rahmengröße ist dieser Einfluß nicht mehr vorhanden, denn durch die Halbierung von h wird σ₁ auf ⅛ reduziert, so daß dieser Versagensmechanismus auch bei dem Filter der Tiefe 150 mm nicht mehr zum Tragen kommt.

Die Filter mit konventionell gefaltetem Pack der Bautiefe 292 mm, das mit Hilfe einer Kunststoffvergußmasse gut im Rahmen fixiert ist, erlauben die höchsten Belastbarkeiten. Die hier vorliegende Schadensform ist im Hinblick auf eine weitere Erhöhung der Versagensgrenzen von besonderem Interesse.

Die Belastbarkeitstests zeigen, daß bei diesem Filtertyp das Aufreißen von Faltungsenden auf der Abströmseite des Faltenpacks als typische Schadensform auftritt. Weiterhin konnte festgestellt werden, daß sich die aufreißenden Falten zuerst aufgebläht hatten. Diese Schadensform war bereits beobachtet worden. Im Rahmen von Untersuchungen zur Belastbarkeit von Schwebstoffiltern unter der Einwirkung hoher Feuchten war das Aufblähen und Reißen einzelner Falten gleichfalls festgestellt worden, ebenso wie bei Untersuchungen unter hohen Lufttemperaturen.

Zur Erklärung der Versagensart des Aufreißens einer durchströmten Falte ist in Fig. 1 die Beanspruchung des Filtermediums in Umfangsrichtung dargestellt. Die vorliegende Zugspannung σ _u errechnet sich wie folgt:

wobei r der Radius der Falte ist, d die Dicke des Filtermediums und Δ p der vorliegende Differenzdruck. Infolge des Aufblähens wächst der Radius der Falte und damit auch die Zugspannung σ _u im Filterpapier so lange, bis dessen Zugfestigkeit überschritten wird und die Falte aufreißt. Dies erklärt, weshalb bereits eine gewisse Korrelation zwischen der Zugfestigkeit des Filtermediums und der Versagensgrenze beobachtet wurde, daß die Falten immer längs aufreißen und ferner, daß die aufgeblähten Falten zuerst beschädigt werden. Die nähere Untersuchung der beschädigten Faltungsenden ergab, daß die Schäden üblicherweise an den Faltenkanten aufgetreten sind. Dieser Befund zeigt, daß die Zugfestigkeit des Filterpapiers längs dieser Kanten vermindert ist. Vorgeschädigte Stellen konnten durch rasterelektronenmikroskopische Analyse nachgewiesen werden.

Im Laufe neuester Untersuchungen wurde außerdem erkannt, daß sich das Ende der aufgeblähten Falten entgegen der Strömungsrichtung zurückverlagert und somit dem schädigenden mechanischen Angriff des Abstandshalters ausgesetzt ist (s. Fig. 2).

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, das eingangs genannte Filterpack derart zu verbessern, daß Schadensformen der geschilderten Art nicht mehr auftreten und somit hohe mechanische Belastbarkeiten, höhere Betriebssicherheiten, geringere Ausschußquoten, höhere Sicherheitsmargen bei Störfällen und verbesserte Möglichkeiten der Abreinigung gewährleistet werden können.

Die Lösung ist erfindungsgemäß im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung dar.

Es ist zwar aus dem DE-GM 81 18 532 bekannt, an der Innenseite des Bodens jeder Tasche mit dem zickzackförmigen Abstandshalter eine streifenförmige, der Breite des Filtermaterials entsprechende, die benachbarten Ränder des Abstandshalters übergreifende Einlage aus luftdurchlässigem Vlies- oder Schleierwerkstoff anzuordnen. Diese Streifen dienen allerdings dazu, die Filter bzw. das Filtermaterial beim Fertigungsprozeß, Transport oder im Einsatz vor äußeren mechanischen Einwirkungen zu schützen. Diese Maßnahme bewirkt dahingegen, daß der Rand des Filterpacks aufgeweitet wird, wodurch sich die verfügbare Faltenzahl und somit auch die Belastbarkeit des Filters reduziert, daß die Innenschichten sich während des Betriebs auflockern und daß der Nennvolumenstrom verringert wird. Außerdem erweist sich diese Maßnahme als unzureichend und teuer.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der Fig. 3-9 näher erläutert, wobei im Prinzip von einem Filterpack ausgegangen wird, wie es in der früheren Patentanmeldung P 35 42 963 bereits beschrieben wurde.

In der Fig. 3 ist ein Teil eines erfindungsgemäßen Filterpacks in einem Gehäuse 13 dargestellt. Die Abstandshalter 2 liegen jeweils zwischen einer Falte des Filtermediums 6, welches mäanderförmig gefaltet ist. Die Strömungsrichtung 10 des zu filternden Fluids ist eingezeichnet.

Um Schädigungen des Filtermediums durch die Abstandshalter, insbesondere unter Betriebsbedingungen, zu vermeiden, ebenso um die Steifigkeit des Filterpacks zu verbessern, sind folgende Maßnahmen durchführbar:

• I. Abrunden der seitlichen, stirnseitigen Kanten 1 der Abstandshalter 2 durch Anbringen eines Materialfadens 3, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, gemäß Fig. 4 durch Tauchen in einen Kunststoffschmelzkleber. Der Fadendurchmesser beträgt typischerweise 1-2 mm.
• II. Abrunden der Wellenmaxima 4 (s. Fig. 5) an der Seite durch Verformen, wie z. B. Tiefziehen. Diese Maßnahme kann durch zusätzliches Anbringen eines Fadens gemäß Fig. 4 ergänzt werden.
• III. Ausbildung V-förmiger Faltungsenden 5 (gemäß Fig. 6 und 7) einschließlich des Filtermediums 6 anstelle der bisher U-förmigen Bauweise durch einmaliges Knicken und Einbau von Abstandshaltern 2 mit entsprechend modifizierten Abstandshalterenden 7. Die Abstandshalter 2 werden dabei z. B. durch Tiefen oder Tiefziehen wellenförmig plissiert. Als Modifikationen sind vorsehbar:
  • 1. Man läßt ein Ende 5 unverformt und falzt es einfach oder mehrfach so um, daß ein Radius von ca. 0,5 mm entsteht. Der dann überstehende Teil 8 ist typischerweise 5 bis 10 mm breit.
  • 2. Um das unverformt bleibende Ende 5 wird eine U-förmig gefaltete Folie 9 (siehe Fig. 7) gelegt und fixiert.
  • 3. Der entsprechend 1 oder 2 geformte Abstandshalter 2 wird
    • - ohne Spiel zum Filtermedium 6 im Faltungsende 5 eingebaut,
    • - ohne Spiel zum Filtermedium 6 eingebaut und längs der Kante 1 verklebt,
    • - mit Spiel eingebaut.
  • 4. Die Faltkante 5 des Filtermediums 6 wird innen z. B. durch Einlegen eines Fadens 3 (gemäß Fig. 4) aus einem Kunststoffkleber verstärkt unter Ausbildung eines Radius von ca. 1 mm.
• IV. Ausbildung eines flachen Auslaufes 11 der Abstandshalterenden 5 auf An- bzw. Abströmseite 10 (gemäß Fig. 8), d. h. der nicht von Filtermedium 6 bedeckten Stirnseiten der Abstandshalter 2′ zwischen mit Filtermedium 6 bedeckten Abstandshaltern 2. Diese Abläufe 11 können zusätzlich einfach (gemäß Fig. 8) oder mehrfach gefalzt sein.
• V. Ausbildung des flachen Auslaufes 11 der Abstandshalter (gemäß Fig. 8), aber zusätzlicher Aufhängung an einem oder mehreren Querstegen 12, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Sie zeigt zwei Abstandshalter 2′ zwischen drei Abstandshaltern 2 mit Filtermedium 6. Die Querstege 12 sind selbst am Rahmen (nicht dargestellt) des Filterpacks befestigbar und durch eine entsprechende Lochung der Enden 11 geführt. Diese Maßnahme erhöht die Festigkeit des Filterpacks und erleichtert darüber hinaus eine automatische Fertigung. Weiterhin stellt sie bei wärmeleitender Verbindung eine vorteilhafte Möglichkeit dar zur eventuellen Abfuhr der Zerfallswärme eingespeicherter Radionuklide.

Claims (6)

1. Filterpack für Luft- und/oder Flüssigfiltration mit Filtermedienflächen, die mäanderförmig zwischen Abstandshaltern hin- und hergefaltet sind und abwechselnd luftein- und -austrittsseitig offene Taschen bilden, wobei die Abstandshalter wellenförmig ausgebildet sind und die Kanten der Wellen jedes Abstandshalters vorzugsweise parallel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die in der geschlossenen Tasche anzuordnenden Abstandshalter (2) stirnseitig (1) derart ausgebildet sind, daß ein Schutz gegenüber den Filtermedienflächen (6) erzielbar ist.

2. Filterpack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Stirnseite (1) des Abstandshalters (2) ein Randfaden (3) aufgebracht ist.

3. Filterpack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (4) an der Stirnseite (1) durch Tiefziehen oder dergleichen geformt sind.

4. Filterpack nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Tiefziehen oder einem ähnlichen Prozeß geformten Wellen (4) der Stirnseite (1) in einem gemeinsamen Bord (5) auslaufen, dessen Stirnkante ein- oder mehrfach falzbar ist.

5. Filterpack nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (11) der Abstandshalter (21) mittels Halterungen (12) gemeinsam arretierbar sind.

6. Filterpack nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch die Verwendung der Ränder (11) und/oder der Halterungen (12) zur Wärmeleitung.