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Erfindungsbereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Luftfiltersysteme. In bestimmten
Anwendungen betrifft sie Luftfilter zur Verwendungen im Lufteinlassstrom
von Gasturbinensystemen. In spezifischen Anwendungen betrifft sie
Filterkonstruktionen, welche in Gasturbinensystemen angewendet werden,
die konstruiert sind, um dem Durchgang von Feuchtigkeit und/oder Salz
durch sie hindurch zu widerstehen. Verfahren zum Filtern, um einen
solchen Effekt zu erreichen, werden ebenfalls bereitgestellt.
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Hintergrund
der Erfindung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Anwendungen angewendet
werden, wurde sie entwickelt zur Verwendung bei Gasturbinenfiltersystemen.
Einstufige, selbstreinigende Luftfiltersysteme sind bekannt. Ein
solches System, kommerziell erhältlich,
ist das Donaldson GDXTM Pulsreinigungsfiltersystem,
erhältlich
von Donaldson Company, Inc., Minneapolis, Minnesota. In 1 ist
eine schematische, quergeschnittene Abbildung eines Donaldson GDMTM Pulsreinigungsfiltersystems 20 dargestellt.
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Bezugnehmend
zu 1 beinhaltet das System 20 eine Kammer 21,
welche eine Lufteinlassseite 22 und eine Luftauslassseite 23 aufweist.
Luft tritt in die Kammer 21 durch eine Vielzahl von vertikal beabstandeten
Einlasshauben 26 ein, die entlang der Lufteinlassseite 22 angeordnet
sind. Die Einlasshauben 26 funktionieren, um die internen
Filter des Systems 20 vor Regeneinwirkung, Schnee und Sonne
zu schützen.
Des weiteren sind die Einlasshauben 26 solcherart konfiguriert,
dass Luft, welche in die Einlasshauben 26 eintritt, zuerst
in einer Aufwärtsrichtung
geführt
wird, angezeigt durch den Pfeil 27, und dann durch Ablenkungsplatten 28 in
einer Abwärtsrichtung
abgelenkt wird, angezeigt durch den Pfeil 29. Die anfängliche
Aufwärtsbewegung
der Luft bewirkt, dass einiges Partikelmaterial und Feuchtigkeit des
Luftstroms sich absetzt oder auf den unteren Bereichen 30 der
Einlasshauben 26 ansammelt. Die darauf folgende Abwärtsbewegung
der Luft treibt Staub innerhalb der Kammer 21 abwärts in Richtung eines
Staubsammelbehälters 32,
der am Boden der Kammer 21 angeordnet ist.
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Die
Kammer 21 des Systems 20 ist in Stromaufwärts- und
Stromabwärtsvolumen 34 und 36 durch
eine Abtrennung 38 unterteilt. Das Stromaufwärtsvolumen 34 stellt
allgemein den „Rohluftabschnitt" des Luftfilterreinigungssystems 20 dar,
wohingegen das Stromabwärtsvolumen
allgemein den „Reinluftabschnitt" des Systems 20 darstellt.
Die Unterteilung 38 bildet eine Vielzahl von Öffnungen 40 aus,
um zu ermöglichen,
dass die Luft von dem Stromaufwärtsvolumen 34 zu
dem Stromabwärtsvolumen 26 fließt. Jede Öffnung 40 ist
durch einen Luftfilter 42 oder eine Filterpatrone bedeckt,
der/die in dem Stromaufwärtsvolumen 34 der
Kammer angeordnet ist. Die Filter 42 sind solcherart angeordnet und
konfiguriert, dass Luft, welche von dem Stromaufwärtsvolumen 34 zu
dem Stromabwärtsvolumen 36 fließt, durch
die Filter 42 hindurchläuft,
bevor sie durch die Öffnungen 40 hindurchtritt.
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Bei
der spezifischen gezeigten Filteranordnung beinhaltet jeder Luftfilter 42 ein
Paar von Filterelementen. Z.B. beinhaltet jeder Luftfilter 42 ein
zylindrisches Element 44 und ein etwas abgestumpftes, konisches
Element 46. Jedes abgestumpfte, konische Element 46 beinhaltet
ein Ende, welches einen größeren Durchmesser
aufweist und ein anderes Ende, welches ein kleineren Durchmesser
aufweist. Das zylindrische Element 44 und das abgestumpfte, konische
Element 46 von jedem Filter 42 sind koaxial ausgerichtet
und end-zu-end mit dem kleineren Durchmesserende von jedem konischen
Element 46 an einem zylindrischen Element 44 in
einer abgedichteten Weise verbunden. Das Ende des größeren Durchmessers
von jedem abgestumpften. konischen Element 46 ist an der
Abtrennung 38 solcherart befestigt, dass eine ringförmige Dichtung
um seine entsprechende Öffnung 40 ausgebildet
ist. Jeder Filter 42 ist allgemein koaxial ausgerichtet
in Bezug auf seine korrespondierende Öffnung 40 und hat
eine Längsachse,
welche allgemein horizontal ist.
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Grundsätzlich wird
Luft während
der Filterung von dem Stromaufwärtsvolumen 34 radial
durch die Luftfilter 42 in das innere Volumen 48 des
Filters 42 geleitet. Nachdem sie gefiltert wurde, fließt die Luft
von dem inneren Volumen 48 durch die Abtrennung 38, über die Öffnung 40 in
das stromabwärts gelegene
Reinluftvolumen 36. Die gereinigte Luft wird dann aus dem
stromabwärts
gelegenen Volumen 36 durch Öffnungen 50 in einen
Gasturbineneinlass gezogen, der nicht gezeigt ist.
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Jede Öffnung 40 der
Abtrennung 38 beinhaltet einen Pulsstrahlluftreiniger 52,
der in dem stromabwärts
gelegener Volumen 36 befestigt ist. Der Pulsstrahlluftreiniger 52 wird
periodisch betrieben, um einen Pulsstrahl von Luft rückwärts durch
den zugeordneten Luftfilter 42 zu richten, d.h. von dem
inneren Volumen 48 des Filterelements auswärts, um Partikelmaterial,
welches in oder auf dem Filtermedium des Luftfilters 42 gehalten
ist, abzuschütteln
oder in anderer Weise zu entfernen. Die Pulsstrahlluftreiniger 52 können sequenziell
von der Oberseite zu der Unterseite der Kammer 21 betrieben
werden, um das möglicherweise
von den Filtern abgeblasene Partikelmaterial in den unteren Behälter 32 zur
Entfernung zu führen.
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Anordnungen
wir die in 1 gezeigte können sehr groß sein.
Filterpaare, welche in solchen Anordnungen benutzt werden, beinhalten üblicherweise
zylindrische Filter, welche etwa 66cm (26") lang und etwa 32,4cm (12,75") im Durchmesser
sind und abgestumpfte konische Filter welche etwa 66cm (26") lang und etwa 32,4cm
(12,75") im kleineren Durchmesser
und etwa 44,5cm (17,5")
im größeren Durchmesser
sind. Solche Anordnungen können
verwendet werden, z.B, zum Filtern der Einlassluft für ein Gasturbinensystem,
welches einen Luftflussbedarf in der Größenordnung von 13.600 bis 2.040.000 m3/h (8000 bis 1,2 Millionen Cubicfuss per
Minute (ofm)) haben.
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Eine
Vielzahl von Typen von Filterelementen werden in Anordnungen wie
derjenigen mit Bezug zu 1 zuvor beschriebenen, verwendet.
Donaldson Company, Inc. z.B. vertreibt Filterelemente unter der Bezeichnung "GDX Filterelemente" für solche
Systeme, welche gefaltetes Papier umfassen, das ein Gewebe von Submicrondurchmesserfasern
aufweist, die auf die Oberfläche
derselben aufgebracht sind unter Verwendung eines eigenen, geheimen
Donaldson-Verfahrens unter der Bezeichnung Spider-Web®.
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Des
weiteren sind Zweistufenfiltersysteme aus US-A-4,158,449 bekannt,
umfassend, in Kombination, ein Feld von Wirbel-Luftreinigern und
ein Feld von Platten von gewobenem oder nicht gewobenem Material.
Solche Filtersysteme werden verwendet, um grobe und schwere Kontaminationspartikel
aus der Einlassluft von Gasturbinen zu entfernen, ebenso wie leichte
und gut verteilte Kontaminationspartikel, die darin dispergiert
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft Filtersysteme nach Anspruch 1, welche
ein hydrophobes Medium verwenden, um die Konzentration oder die
Menge von wasserlöslichem
Material wie Salz zu reduzieren, das in der Einlassluft eines Gasturbinenmotors oder
einer anderen Art von Umgebung vorhanden ist, welche sensitiv auf
wasserlösliche
Materialien wie Salz ist.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Gasturbineneinlassluftfiltersystem,
beinhaltend einen Luftreiniger der ersten Stufe zum Reduzieren der Konzentration
von Partikelmaterialien der Turbineneinlassluft und eine Filteranordnung
der zweiten Stufe, welche stromabwärts von dem Luftreiniger der ersten
Stufe angeordnet ist. Die Filteranordnung der zweiten Stufe beinhaltet
ein hydrophobes Medium, welches angeordnet und ausgebildet ist,
um die Konzentration von Feuchtigkeit/Salzlösung in der Einlassluft zu
reduzieren.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Sperranordnung zum Filtern
des wasserlöslichen
Materials wie Salz von einem Luftstrom solcherart, dass die Konzentration
von wasserlöslichem
Material reduziert wird. Die Sperranordnung beinhaltet eine Vielzahl
von vertikal voneinander beabstandeten hydrophoben Filterelementen.
Die Sperrranordnung beinhaltet auch eine Vielzahl von geneigten Dämpfern,
die angeordnet und konfiguriert sind, um den Luftstrom aufwärts durch
die hydrophoben Filterelemente zu leiten. Jeder der Dämpfer ist
unterhalb eines entsprechenden hydrophoben Filterelementes positioniert.
Im Betrieb sammelt sich die Salzlösung auf den unteren Oberflächen der
Filterelemente. Die angesammelte Salzlösung tropft von den Filterelementen
auf die geneigten Dämpfer.
Die Neigung der Dämpfer
bewirkt, dass die Salzlösung
abwärts
läuft und
von den Stromaufwärtskanten
der Dämpfer
abtropft.
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Ein
zusätzlicher
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem,
beinhaltend eine Gasturbine, die ausgebildet ist, um Einlassluft anzuziehen.
Das System beinhaltet auch ein hydrophobes Medium, durch welches
die Einlassluft gefiltert wird, bevor sie in die Gasturbine eintritt.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Filtern von
Einlassluft einer Gasturbine. Das Verfahren beinhaltet die Schritte
des Filterns von Partikelmaterial von der Einlassluft in einen Luftreiniger
der ersten Stufe und das Leiten der Einlassluft stromabwärts von
dem Luftreiniger der ersten Stufe durch einen Luftflussspalt zu
einer Salzsperre der zweiten Stufe. Das Verfahren beinhaltet auch
die Schritte des Reduzierens der Konzentration oder des Levels von
Salz in der Einlassluft an der Salzsperre der zweiten Stufe und
das Führen
der Einlassluft stromabwärts
von der Salzsperre der ersten Stufe zu der Gasturbine.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Filter beinhaltend
ein gefaltetes Filterelement, welches eine Vielzahl von Faltspitzen
aufweist und ein elastisches Element, welches Abschnitte aufweist,
die die gefalteten Spitzen überspannen
und Abschnitte, welche sich zwischen den gefalteten Spitzen erstrecken,
um einen Faltabstand aufrecht zu erhalten. In bestimmten Ausführungsformen
umfasst das elastische Element eine Spiralfeder, welche ein Vielzahl
von Spiralen aufweist, die zwischen den Faltspitzen angeordnet sind
zum Aufrechterhalten einer Faltbeabstandung des gefalteten Filterelements.
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Eine
Vielzahl von Vorteilen der Erfindung werden teilweise in der Beschreibung,
welche folgt, fortgesetzt und zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich
oder können
erfahren werden, indem die Erfindung ausgeübt wird. Es ist zu verstehen,
dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch
die folgende detaillierte Beschreibung nur erläuternd sind und nicht beschränkend auf
die Erfindung, wie beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
anliegenden Zeichnungen, welche in diese Beschreibung einbezogen
sind und einen Teil der Beschreibung darstellen, stellen verschiedene
Aspekte der Erfindung dar und zusammen mit der Beschreibung dienen
sie, um die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Eine kurze Beschreibung
der Zeichnungen ist wie folgt:
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1 ist
eine schematische, quergeschnittene Ansicht eines Einlassfiltrationssystems
für eine Gasturbine
nach dem Stand der Technik;
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2 ist
eine schematische, quergeschnittene Ansicht eines Einlassfiltrationssystems
für eine Gasturbine,
konstruiert entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine schematische Ansicht einer dargestellten Salzsperrenanordnung,
konstruiert gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer Salzbarrierenanordnung der 3;
und
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5 ist
eine quergeschnittene Ansicht entlang der Schnittlinie 5-5 der 4.
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Detaillierte
Beschreibung
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Während verschiedene
Aspekte der vorliegenden Erfindung vorwiegend in Bezug auf Gasturbineneinlasssysteme
beschrieben sind, ist anzunehmen, dass die Aspekte der vorliegenden
Anwendung auch in einer Vielzahl von anderen Umgebungen anwendbar,
welche sensibel auf die Kontamination durch wasserlösliche Materialien
wie Salz sind. Z.B. sind die verschiedenen Aspekte der vorliegenden
Erfindung in alternativen Umgebungen anwendbar wie Verbrennungsmotoreinlasssystemen,
Treibeinlasssystemen, Reinraumeinlasssystemen, Heizungsbelüftungs-
und Luftklimatisierungssystemen (HVAC), Krankenhaus HVAC-Systemen,
Luftkompressoreinlasssystemen, Reinkammereinlasssystemen (Minireinraumboxen),
Sterilbänken
und zur Auslassfiltration von industriellen Prozessen.
- A. Salzpartikel als Verunreinigungen in Gasturbineneinlasssystemen.
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In
Meeresumgebungen, wie Offshore-Umgebungen oder Küstenumgebungen wird in der
Luft enthaltenes Salz erzeugt durch Wellenbrechung und wird durch
den Wind transportiert. Die Partikelgrößen werden allgemein als submikron
bis etwa 20 μm
herauf berichtet. In anderen Umgebungen, wie Wüsten und Umgebungen benachbart
zu Industrieauslässen sind
auch verhältnismäßig hohe
Konzentrationen von Salz in der Luft vorhanden. In der Luft transportierte Salzpartikel
sind allgemein Salze, wie NaCl, KCl. Jedoch können auch andere chemische
Salze wie Ammoniumsulfate, Magnesiumsulfat oder andere Sulfate in
der Luft transportiert werden. Allgemein ausgedrückt ist mit dem Begriff Salz
beabsichtigt, jegliche Partikel, Verunreinigungen oder Material
zu meinen, welches sich verflüssigt
oder den physikalischen Zustand ändert
bei variierenden Feuchtigkeitsbedingungen. Der Begriff „Salz" ist auch gedacht,
jegliches Material oder Verunreinigung zu meinen, welches in Wasser
löslich
ist.
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Hohe
Salzkonzentrationen in der Luft stellen Probleme für Gasturbinensysteme
dar. Zum Beispiel kann es, wenn das Salz durch das Einlassluftfiltersystem
eines Gasturbinensystems durchtritt, die Kanäle bedecken und die Kompressorblätter des
Turbinensystems angreifen. Dies führt zu signifikanten Leistungsverlusten.
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Salzpartikel
können
das Filtermedium von Filterpatronen, wie solche, welche in Verbindung
mit 1 zuvor beschrieben wurden, auf verschiedene Weisen
durchdringen. Zum Beispiel können
die Partikel, wenn sie ausreichend klein sind, aufgrund der Partikelgröße und der
Effizienz des Mediums durch das Filtermedium durchlaufen. Jedoch
tritt eine signifikantere Migration des Salzes durch das Filtermaterial
als ein Ergebnis von Feuchtigkeitskontamination auf.
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Feuchtigkeitskontamination
ist insbesondere problematisch in Umgebungen, welche verhältnismäßig hohe
Luftfeuchtigkeiten wie Meeresumgebungen aufweisen. Insbesondere
werden, wenn die Luft, welche durch ein Luftfiltrationssystem läuft, verhältnismäßig feucht
ist, die auf dem Filterelement gesammelten Salze in Lösung gehen
und dann durch das Filtermedium hindurchwandern. Wenn die Salzlösung die
Abstromseite des Filtermediums erreicht, wird die Salzlösung durch
den Luftflussstrom durch den Reinluftraum transportiert und in die
stromabwärts
gelegenen Leitungsanlagen in Richtung der Gasturbine transportiert.
Diese Art der Salzmigration kann wesentliche Probleme für den Gasturbinenbe trieb
verursachen und ist ein besonderes Problem, welches durch die Technik
gemäß der vorliegenden Erfindung
angegangen wird. Es ist zu beachten, dass die Technik, welche in
der vorliegenden Offenbarung beschrieben wird, auch nützlich ist
in Bezug auf Salzmigrationen, welche in gleicher Weise auftreten,
beinhaltend Kontaminationsphasenänderungen
in Bezug auf die Feuchtigkeit.
- B. Allgemeiner
Ansatz zum Verhindern der Salzablagerung auf stromabwärts gelegenen
Leitungsanlagen und Gasturbinenausrüstung- Eine Zweitstufenfeuchtigkeits/Salzbarrierenkonstruktion.
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Gemäß der vorliegenden
Offenbarung wird ein Ansatz bereitgestellt zum Verhindern der Salzlösungsmigration
durch Filterpatronen in Lufteinlassfiltersystemen. Der Ansatz beinhaltet
allgemein die Maßnahme,
stromabwärts
von den Filterpatronen eine zweite Stufenbarriere vorzusehen. Die
Barriere umfasst allgemein einen zweiten Luftfilter, der wenigstens
teilweise ein hydrophobes Medium umfasst. Ein bevorzugtes hydrophobes
Medium ist mikroporöse
Polytetrafluorethylen (PTFE) Membran, umfassend Knoten, welche durch
Fasern verbunden sind. Solche Membranen sind kommerziell erhältlich aus Quellen
wie Tetratec, einer Abteilung von Donaldson Company, Inc., dem Inhaber
der vorliegenden Erfindung, unter der Bezeichnung Tetratex®;
und von W. L. Gore & Associates,
unter der Bezeichnung Gore-Tex®. Die Zubereitung solcher
Membranen wird beschrieben in solchen Referenzen wie den US Patenten
Nr. 5,362,553, 5,157,058, 5,066,683, 4,945,125, 4,187,390, und 3,953,566.
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Typische
Feuchtigkeits-/Salzsperrmedien, welche in Anordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, umfassen ein Laminat einer hydrophoben
Membran, wie eine mikroporöse Polytetrafluorethylen
(PTFE) Membran, welche auf ein Stützsubstrat, wie ein offenes,
faseriges Stützgewebe
aufgebracht ist, welches aus einem Material wie einem Polyesterfilz
hergestellt ist. Ein brauchbares solches Laminat ist eine hydrophobe
Membran, welche auf ein 170 g (6 oz.) Polyestergewebe aufgebracht
ist, erhältlich
z.B. von Reemay Inc. aus Charleston, South Carolina. Ein solches
Laminat ist kommerziell erhältlich
von der Tetratec Devision von Donaldson Company, Inc., unter der
Bezeichnung Tetratex® 6279.
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Es
wird angenommen, dass eine Vielzahl von Filterkonfigurationen und
Materialien verwendet werden kann, um die Konzentration oder den
Pegel von Feuchtigkeit und verflüssigtem
Salz, was in einem Luftstrom vorhanden ist, zu reduzieren. Im Wege
eines nicht beschränkenden
Beispiels beinhalten anschauliche hydrophobe/feuchtigkeitsfilternde Materialien
oder Fasern Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid,
Polysulfon und Polystyren. Materialien und Fasern können auch hydrophob
gemacht werden durch die Verwendung von Oberflächenbehandlungen. Anschauliche
Oberflächenbehandlungen
beinhalten Fluorcarbone und Silikone. Natürlich sind die speziellen hydrophoben, hierin
aufgelisteten Materialien nur Beispiele und andere Materialien können auch
verwendet werden gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung.
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In
bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird das Zweitstufenfilterlaminat in
einer gefalteten Konfiguration verwendet, mit einem Faltabstand
von etwa 6-8 Falten pro 2,54 cm (Zoll), oder 4-10 Faltungen pro
2,54 cm (Zoll), oder wenigstens drei Faltungen pro 2,54 cm (Zoll).
Typische bevorzugte Konstruktionen umfassen rechtwinklige Plattenfilter
mit Faltungen, welche sich über eine
Länge oder
Breite von jeder Platte erstrecken. Ein Beispiel eines solchen Plattenfilters
ist in 4 dargestellt, und wird unten beschrieben. Eine
Falttiefe von wenigstens etwa 0,64 cm (1/4 Zoll), allgemein nicht
größer als
etwa 30,5 cm (12 Zoll) und typischerweise etwa 2,5 bis 10 cm (1
bis 4 Zoll) wird bevorzugt. Eine bevorzugte Porengröße des Filtermediums
ist etwa 3 μm.
Eine Luftdurchlässigkeit
von wenigstens 6,8 m3/h (4 cfm) allgemein
nicht größer als
170 m3/h (100 cfm) und typischerweise etwa
11,9 bis 17 m3/h (7 bis 10 cfm) wird bevorzugt.
Eine bevorzugte Dicke der hydrophoben Membran ist etwa 0,01 mm (.0,4 mil),
während
eine bevorzugte Mediendicke, beinhaltend sowohl die Membran als
auch das Gewebe ist im Bereich von 0,25 bis 1,3 mm (0,01-0,05 Zoll). Während eine
gefaltete Filterkonfiguration bevorzugt wird, können alternative Konfigurationen
wie Z-Konfigurationsfilter auch verwendet werden.
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Es
ist vorgesehen, dass in typischen Gasturbinensystemen die Zweitstufenkonstruktion
solcher Art angeordnet ist, dass die Mediumsgeschwindigkeit bei
etwa 1,22-3,66 m/min (4-12 Fuß pro
Minute (fpm)), oder etwa 1,53-4,58 m/min (5-15 fpm) oder etwa 1,53-12,2
m/min (5-40 fpm) liegt. Insbesondere beträgt die Mediumsgeschwindigkeit
vorzugsweise etwa 2,75 m/min (9 fpm) und ist typischerwei se nicht größer als
6,1 m/min (20 fpm). Der Begriff „Mediumsgeschwindigkeit" bezieht sich in
diesem Zusammenhang auf den Volumenfluss durch das Filtermedium pro
Oberflächeneinheit
des Filtermediums. Es ist auch vorgesehen, dass in typischen Gasturbinensystemen
die Zweitstufenkonstruktion solcher Art angeordnet wird, dass die
Umfangsgeschwindigkeit etwa 152,5-274,5 m/min (500-900 Fuß pro Minute
(fpm)), ist und typischerweise nicht größer als etwa 305 m/min (1000
fpm) ist. Der Begriff „Umfangsgeschwindigkeit" bezieht sich in
diesem Zusammenhang auf den Volumenfluss durch das Filtermedium
pro Umfangsbereich des Filtermediums. Folglich berücksichtigt
die Umfangsgeschwindigkeit nicht eine zusätzlich bereitgestellte Fläche durch
Mittel wie beispielsweise eine Faltung.
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2 ist
eine schematische, quergeschnittene Abbildung eines Gasturbineneinlasssystems 54 beinhaltend
eine Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Allgemein beinhaltet das System 54 ein Zweistufenfiltersystem
zum Entfernen von sowohl Partikelmaterial und luftgebundenem Salz
von der Einlassluft, welche durch das System zu einer Gasturbine 64 gezogen
wird. Kleine Gasturbinensysteme können Luftflussbedürfnisse
im Bereich von 13.600 m3/h (800 cfm) aufweisen,
wohingegen große
Gasturbinensysteme Einlassluft bei Raten so groß wie 2.040.000 m3/h
(1.2 Millionen cfm) aufweisen.
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Das
System 54 beinhaltet einen Erststufenluftreiniger 20' und eine Zweitstufensalzsperranordnung 60,
welche stromabwärts
von dem Erststufenluftreiniger 20' angeordnet ist. Leitungsanlagen 62 führen gefilterte
Luft von der Salzsperranordnung 60 zu der Gasturbine 64.
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Der
Erststufenluftreiniger 20' hat
eine gleiche Konfiguration wie das in 1 abgebildete
Filtrationssystem 20. Zum Beispiel beinhaltet der Erststufenreiniger 20' eine Kammer 21', welche eine
Lufteinlassseite 22' und
eine Luftauslassseite 23' aufweist. Luft
tritt in die Kammer 21' durch
eine Vielzahl von vertikal beabstandeten Einlasshauben 26' ein, welche
entlang der Lufteinlassseite 22' angeordnet sind. Die Kammer 21' des Reinigers 20' ist unterteilt
in stromaufwärts
und stromabwärts
gelegene Volumina 34' und 36' durch eine
Unterteilung 38'.
Das stromaufwärts
gelegene Volumen 34' stellt
allgemein den „Rohluftabschnitt" des Luftreinigers 20' dar, wohingegen
das stromabwärts
gelegene Volumen 36' allgemein
den „Reinluftabschnitt" des Luftreinigers 20' darstellt.
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Die
Unterteilung 38 definiert eine Vielzahl von Öffnungen 40', um zu ermöglichen,
dass Luft von dem stromaufwärts
gelegenen Volumen 34' zu
dem stromabwärts
gelegenen Volumen 36' fließt. Die
Filter 42' oder
Filterpatronen sind solcher Art angeordnet und konfiguriert, dass
Luft, welche von dem stromaufwärts
gelegenen Volumen 34' zu
dem stromabwärts
gelegenen Volumen 36' zwangsläufig durch
die Filter 42' läuft bevor
sie zu den Öffnungen 40' gelangt. Die Öffnungen 40' der Abtrennung 38' beinhalten
Pulsstrahlluftreiniger (nicht gezeigt) zur periodischen Reinigung über Rückdruck.
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Es
wird erkannt werden, dass für
einen Betrieb im kleinen Maßstab
ein Filter 42' und
eine Öffnung 40' verwendet werden
können.
Im Gegensatz dazu kann ein Betrieb im großen Maßstab hunderte von Filterelementen 42' und Öffnungen 40' erfordern. Auch
können,
während
Filtersysteme bevorzugt sind, die Strahlluftreiniger aufweisen,
auch statische Systeme verwendet werden. Zusätzlich können auch andere Luftreinigungskonfigurationen
verwendet werden, um die Luft in der ersten Stufe zu reinigen. Zum Beispiel
können
Plattenfilter, Trägheitsseparatoren, Wasserwaschsysteme,
und andere Techniken zum Entfernen von Partikelmaterialien auch
verwendet werden.
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Allgemein
wird während
der Filterung die Luft von dem stromaufwärts gelegenen Volumen 34' radial durch
die Luftfilter 42' in
das innere Volumen des Filters 42' geführt. Nachdem sie gefiltert
wurde fließt die
Luft von dem inneren Volumen der Filter 42' durch die Abtrennung 38', über die Öffnungen 40', in das stromabwärts gelegene
Reinluftvolumen 36'.
Die Reinluft wird dann aus dem stromabwärts gelegenen Volumen 36' durch Öffnungen 50' in die Zweitstufensalztrennanordnung 60 herausgezogen.
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Die
Luftfilter 42' beinhalten
vorzugsweise ein Zellulose- oder Synthetikfiltermedium, welches
in einer gefalteten Konfiguration angeordnet ist. In bestimmten
Ausführungsformen
ist ein Gewebe aus Fasern im Submikron-Durchmesser-Bereich, wie
ein Spider-Web® Filtermedium,
welches von Donaldson Company erhältlich ist, an der äußeren Oberfläche des
Filtermediums befestigt. Es ist vorgesehen, dass in typischen Gasturbinensystemen
die Erststufenkonstruktion solcher Art angeordnet wird, dass die Mediumsgeschwindigkeit
im Bereich von 0,3-1,53 m/min (1-5 Fuß pro Minute (fpm)) liegt und
typischerweise nicht größer ist
als 1,53 m/min (5 fpm).
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Der
Erststufenluftreiniger 20' hat
vorzugsweise eine verhältnismäßig hohe
Filtereffizienz in Bezug auf Partikelmaterial. Zum Beispiel können Filter, welche
eine Anfangsfiltrationseffizienz im Bereich von 65-75 % oder größer als
65 % aufweisen, verwendet werden. Die Filtrationseffizienzen werden vorzugsweise
bestimmt unter Verwendung der American Society for Testing and Materials
(ASTM) Standardtest ASTM F1215-89 zum Bestimmen der Anfangseffizienz
eines Flachlagenfiltermediums in einem Luftfluss unter Verwendung
von Latexkügelchen.
Vorzugsweise wird der Test mit einer einzigen Partikelgröße von 0,76 μm und einer
einzigen Flächengeschwindigkeit
von 6,1 m/min (20 Fuß pro
Minut(e) durchgeführt.
Es wird auch erkannt werden, dass für einige Anwendungen es wünschenswert sein
kann, Luftreiniger zu verwenden, welche andere Filtrationseffizienzen
aufweisen als diejenigen, welche zuvor beschrieben wurden.
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Wiederum
bezugnehmend auf 2 ist die Zweitstufensalzsperranordnung 60 unmittelbar stromabwärts von
dem Erststufenluftreiniger 20' angeordnet und funktioniert, um
die Konzentration von verflüssigtem
Salz in der Luft zu reduzieren, welche aus dem Erststufenluftreiniger 20' austritt. Die
Sperranordnung 60 beinhaltet ein(e) stromaufwärts gelegene(s)
Volumen oder Seite 66 und ein(e) stromabwärts gelegene(s)
Volumen oder Seite 68. Ein im wesentlichen vertikales Gestell 70 ist
zwischen der stromaufwärts
und der stromabwärts
gelegenen Seite 66 und 68 angeordnet. Das Reinluftvolumen 36' und das stromaufwärts gelegene
Volumen 66 bilden vorzugsweise einen Luftflussspalt zwischen
dem Erststufenluftreiniger 20' und der Zweitstufensalzsperranordnung 60.
Die Auslassseite 23' kann
eine Wand beinhalten, welche Öffnungen ähnlich zu
der Auslassseite 23 der 1 definiert
oder kann offen sein, um einen im wesentlichen unbeschränkten Fluss
zwischen dem Reinluftvolumen 36' und dem Volumen 66 zu
fördern.
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Eine
Vielzahl von Filtermodulen 72 sind an dem Gestell in einem
vertikal gestaffelten Verhältnis befestigt.
Jedes der Filtermodule 72 beinhaltet ein Filtermedium,
wie das zuvor beschriebene hydrophobe Filtermedium, ausgebildet
zum Entfernen oder Filtern von Salz und Feuchtigkeit aus dem Luftstrom solcher
Art, dass die Konzentration der Salzlösung in der Einlassluft reduziert
wird. Die Filtermodule 72 sind in einem abgedichteten Verhältnis in
Bezug auf das Gestell 70 befestigt, solcher Art, dass Luft
von der stromaufwärts
gelegenen Seite 66 zwangsläufig durch ein Filtermedium
läuft,
um die stromabwärts gelegene
Seite 68 zu erreichen.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht von einem der Filtermodule 72.
Das Filtermodul 72 beinhaltet eine Vorderseite, welche
entlang einer im wesentlichen vertikalen Frontebene A ausgerichtet
ist, und eine Rückseite,
welche entlang einer im wesentlichen vertikalen Rückebene
B ausgerichtet ist. Eine Vielzahl von Filterelementen 74 sind
zwischen der Front- und Rückebenen
A und B angeordnet. Die Filterelemente 74 sind in einem
vertikal gestaffelten, von einander beabstandeten und im wesentlichen parallelen
Verhältnis.
Jedes Filterelement 74 ist entlang einer im wesentlichen
horizontalen Ebene ausgerichtet. Eine bevorzugte vertikale Beabstandung
s zwischen den Filterelementen 74 ist im Bereich von 2.54-15,24
cm (1-6 Zoll).
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Die
Filterelemente 74 beinhalten vorzugsweise eine Vielzahl
von Faltungen 75 (gezeigt in 4) und sind
vorzugsweise konstruiert aus einem gefalteten, hydrophoben Material.
Wie gezeigt in 4, sind die Faltungen allgemein
parallel in Bezug auf die Luftflussrichtung (gezeigt durch den Pfeil 77) ausgerichtet.
Jedoch wird erkannt werden, dass in alternativen Ausführungsformen
die Falten senkrecht zu oder in querliegenden Winkeln in Bezug auf
die Luftflussrichtung, wie angezeigt durch den Pfeil 77, ausgerichtet
sein können.
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Wie
am besten in 4 gezeigt, ist jedes Filterelement 74 vorzugsweise
in einem allgemein rechtwinkligen Rahmen 76 befestigt.
Die Rahmen 76 und Filterelemente 74 bilden zusammen
allgemein horizontale, vertikale gestaffelte Filtersätze oder – tafeln.
Einkapselungsmaterial stellt vorzugsweise eine Abdichtung entlang
des Umfangs von jedem Filterelement 74 dar und funktioniert
zum Sichern der Filterelemente 74 zu ihrem entsprechenden
Rahmen 76. Stromaufwärts
gelegene Enden des Rahmens 76 sind vorzugsweise an einem
allgemein rechtwinkligen Befestigungsflansch befestigt zur Verwendung beim
Verbinden oder Klemmen des Moduls 72 zu dem Gestell 70.
Das Modul 72 beinhaltet auch erste und zweite Sätze von
Seitenwandstücken 73 (nur
einer der Sätze
der Sei tenwandstücke
ist in 4 gezeigt) welche sich allgemein zwischen den
Vorder- und Rückseiten
des Moduls 72 erstrecken. Wie in 4 gezeigt,
beinhalten die Seitenwandstücke 73 abgestumpfte,
dreieckige Stücke.
Einteilige kontinuierliche Seitenwände können auch benutzt werden.
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Bezugnehmend
zu 3 ist ein geneigter Dämpfer 78 unterhalb
jedes Filterelements 74 angeordnet. Die Dämpfer 78 erstrecken
sich zwischen den Vorder- und
Rückebenen
A und B und sind vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 5 bis
30 Grad ausgerichtet, oder wenigstens 2 Grad, in Bezug auf die Horizontale.
Wie in 3 gezeigt, erstrecken sich die Dämpfer 78 zwischen
den stromaufwärts
und den stromabwärts
gelegenen Enden des Rahmens 76 und sind im wesentlichen
parallel und allgemein eben. Zum Beispiel, hat jeder Dämpfer 78 eine
stromaufwärts
gelegene Kante 82, die allgemein in der Frontebene A angeordnet
ist und eine stromabwärts angeordnete
Kante 83, allgemein in der rückwärtigen Ebene B. Die Dämpfer 78 neigen
sich in einer Richtung, die sich von der Frontebene A zu der Rückebene
B erstreckt, solcher Art, dass die stromaufwärts gelegene Kante 82 von
jedem Dämpfer 78 tiefer
ist als die stromabwärts
gelegene Kante 83 von jedem Dämpfer 78.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Dämpfer 78 auch
zwischen den Seitenwänden 73 des
Moduls 72. Wie in 4 gezeigt,
erstreckt sich jedes Seitenwandstück 73 aufwärts von
einem der Dämpfer 78 zu einer
entsprechenden Filterplatte, die direkt oberhalb des Dämpfers 78 angeordnet
ist.
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Die
Dämpfer 78 sind
angeordnet und konfiguriert, um den Luftstrom aufwärts durch
die Filterelemente 74 zu lenken und um zu verhindern, dass Luft
die Filterelemente 42 umgeht. Wie in 3 gezeigt,
erstrecken sich die Dämpfer 78 zwischen
den Filterelementen 74 über
vertikale Spalten oder Abstände
s, welche zwischen den Filterelementen 74 bestehen. Die
Dämpfer 78 sind
auch angeordnet und konfiguriert, um die Luft, welche aufwärts durch
die Filterelemente 74 fließt nach auswärts durch
die Rückebene
B des Moduls 72 zu leiten. Durch Ablenken der Luft, welche
in das Modul 72 eintritt und es verlässt, wird ein gleichförmiger Fluss
durch die Filterelemente 74 verstärkt.
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Bezugnehmend
wieder zu 3 ist die stromaufwärts gelegene
Seite 66 auf der linken Seite des Filtermoduls 72 angeordnet,
während
die stromabwärts
gelegene Seite 68 auf der rechten Seite des Filtermoduls 72 ist.
Wie durch Pfeile 77 gezeigt, tritt Luft in das Modul 72 durch
die Frontebene A ein. Wenn die Luft in das Modul 72 eintritt,
wird die Luft aufwärts
geleitet (gezeigt durch Pfeile 80) durch die Filterelemente 74 durch
obere Oberflächen
der geneigten Dämpfer 78.
Nach dem Durchlaufen der Filterelemente 74 wird der Luftstrom
aus der Rückebene
B des Moduls 72 durch Unterseiten der Dämpfer 78 geleitet.
Pfeile 85 stellen die Luft dar, welche das Modul 72 verlässt.
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Wenn
die Luft aufwärts
durch die Filterelemente 74 fließt, sammelt sich verflüssigtes
Salz auf Unterbodenoberflächen/stromaufwärts gelegenen Abschnitten
des Filters 74 und tropft herunter auf die oberen Oberflächen der
Dämpfer 78.
Die Neigung der Dämpfer 78 ist
vorzugsweise ausreichend steil, um zu verursachen, dass die Salzlösung abwärts läuft, gegen
die Richtung des Luftflusses und von den stromaufwärts gelegenen
Kanten 82 der Dämpfer 80 abtropft.
Ein Sammelbecken oder Abfluss ist vorzugsweise am Boden der zweiten
Stufe der Salzbarriereanordnung 60 angeordnet zum Sammeln
der Salzlösung,
welche aus dem Luftstrom durch die Filterelemente 74 entfernt
wird. Luft, welche durch die Filterelemente 74 läuft, wird
in Richtung der Leitungsanlage 62 geleitet und fließt durch
die Leitungsanlage 62 zur Gasturbine 64.
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Im
Betrieb tritt die Luft in das Gasturbineneinlasssystem 54 durch
die Einlasshaube 26' ein
und wird in einer Abwärtsrichtung
in das stromaufwärts gelegene „Rohluft" Volumen 34' geleitet. Die
Luft fließt
dann von dem stromaufwärts
gelegenen Volumen 34' zu
dem stromabwärts
gelegenen Volumen 36' durch
die Luftfilter 42'.
Die Luftfilter 42' entfernen einen
großen
Prozentsatz des Partikelmaterials von dem Luftstrom, so dass die
Luft, welche in das stromabwärts
gelegene Volumen 36' eintritt,
im wesentlichen rein ist. Jedoch kann in bestimmten Umgebungen Salz
migrieren oder auf andere Weise durch die Filter 43' gelangen. Folglich
wird die Luft, um die Salzkonzentration, welche in dem Luftstrom
nach der Erststufenfiltration vorhanden sein kann, zu reduzieren,
durch einen zweiten Filtrationsstufenschritt in Gestalt der Salzbarrierenanordnung 60 geleitet. Wenn
die Luft durch die Filterelemente 74 der Salzbarrierenanordnung 60 aufwärts läuft, sammelt
sich Salzlösung
auf den stromaufwärts
gelegenen Seiten des Fil terelements 74 und tropft auf die
geneigten Dämpfer 78.
Die Salzlösung
tropft dann von den Dämpfern 78 ab
und wird in einem Becken oder Abfluss am Boden der Salzbarrierenanordnung 60 gesammelt.
Im Ergebnis ist Luft, welche durch die Filterelemente 74 läuft, vorzugsweise
im wesentlichen frei von Salz. Folglich wird verhindert, dass Salz
sich in nachfolgenden Einlassleitungsanlagen 62 oder auf Kompressorschaufeln
des Turbinensystems ablagert oder ansammelt.
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Grundsätzlich würde eine
bevorzugte Feuchtigkeits/Salzbarrierenkonstruktion Medien beinhalten wie
allgemein zuvor charakterisiert, um den Durchtritt von Feuchtigkeit
und Salz dort hindurch zu verhindern. Weil ein erster Filtrationsstufenschritt
verwendet wird, um effizient Partikelmaterial zu filtern, kann in
bestimmten Ausführungsformen
die Salzbarrierenkonstruktion kleine Porengrößen verwenden und kann auch
ein statisches Mediensystem verwenden.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Technik
zum Aufrechterhalten des Faltabstandes und/oder der Faltform in
einem gefalteten Filter. Allgemein betrifft der Aspekt die Verwendung
von gebogenen Drähten
oder anderen länglichen
elastischen Elementen, welche Abschnitte haben, die die Faltenspitzen
eines gefalteten Filters überspannen,
und Abschnitte, welche sich zwischen den Falten erstrecken zum Aufrechterhalten
der Faltbeabstandung. Zum Beispiel, wie gezeigt in den 3 und 4,
beinhalten die Filterelemente 42 schraubenförmige Spiralen 96 oder
Federn zum Aufrechterhalten des Faltabstandes und der Faltform. Wie
in 5 gezeigt, sind separate Faltspitzen 75 des
Filterelements 42 zwischen aufeinanderfolgenden Spiralen 100 der
schraubenförmigen
Spirale 96 angeordnet. Auch können Abschnitte von einer oder mehrerer
der Spiralen 100 zwischen aufeinanderfolgenden Faltspitzen 75 des
Filterelements 42 angeordnet sein, und Abschnitte der Spiralen 100 überspannen
die Faltenspitzen 75. Durch Variieren der Anzahl der Spiralen 100,
die zwischen aufeinanderfolgenden Faltspitzen 75 angeordnet
sind, kann eine gewünschte
Beabstandung zwischen den Faltenspitzen auch variiert werden. Die
Faltspitzenbeabstandung und die Faltform kann weiterhin variiert
werden, indem Spiralen verwendet werden, die verschiedene Federsteigungen,
Durchmesser und Drahtdurchmesser aufweisen. Des weiteren können die
Spiralen aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden,
wie Metall oder Plastik. Zusätzlich
können auch
Spiralen verwendet werden, die aus Drähten oder Elementen geformt
wurden, die nicht runde Querschnitte aufweisen.
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Während die 4 und 5 Federn
darstellen, die in Verbindung mit gefalteten Plattenfiltern verwendet
werden, wird erkannt werden, dass Spiralen auch verwendet werden
können
zum Aufrechterhalten des Faltabstands in anderen Arten von gefalteten
Filtern wie gefalteten zylindrischen Filtern. Des weiteren können Spiralen
verwendet werden zum Aufrechterhalten der Faltform. Zum Beispiel,
können Spiralen
verwendet werden, um ein Aufbauschen der Falten zu steuern oder
zu verhindern oder 8 Falten. Auch
können,
während
Spiralen oder andere Draht/elastische Elementkonfigurationen gezeigt oder
beschrieben wurden zum Aufrechterhalten des Faltabstands, andere
bekannte Techniken wie Abstandraupen, Abstandstreifen oder Abstandsbuckel/vorsprünge, die
auf dem Filtermedium selbst ausgebildet sind, auch verwendet werden.