EP3938073A1 - Filteranordnung nach art eines fliehkraftabscheiders mit turbulenzkörper - Google Patents

Filteranordnung nach art eines fliehkraftabscheiders mit turbulenzkörper

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EP3938073A1
EP3938073A1 EP20715279.4A EP20715279A EP3938073A1 EP 3938073 A1 EP3938073 A1 EP 3938073A1 EP 20715279 A EP20715279 A EP 20715279A EP 3938073 A1 EP3938073 A1 EP 3938073A1
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EP
European Patent Office
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flow
filter
longitudinal axis
filter element
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20715279.4A
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Georg Klass
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Individual
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Publication date
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    • B01D50/20—Combinations of devices covered by groups B01D45/00 and B01D46/00

Definitions

  • the invention relates to a filter arrangement of the type
  • Generic filter arrangements which are designed in the manner of a centrifugal separator and are often also referred to as cyclone filters, use the separating effect of centrifugal force, which acts on particles of solid substances contained within a gaseous or liquid swirl flow.
  • a rotationally symmetrically designed filter housing which is essentially tubular and laterally eccentric, serves to generate the swirl flow
  • Longitudinal axis provides a flow inlet through which the medium to be filtered is fed in with the formation of a swirl flow oriented around the longitudinal axis.
  • a tubular filter element is attached within the filter housing, which is subjected to a vacuum
  • the filter grain size of the filter wall is selected in a suitable manner, so that on the one hand a desired filter effect and on the other hand a sufficient flow passage through the filter wall into the interior of the filter element to produce a cleaned, i.e. filtered mass flow can be achieved.
  • the document EP 2 049 222 B1 discloses a generic filter device for separating impurities from a fluid stream by using a filter element which is accommodated in a filter housing, the
  • the filter housing has a swirl chamber in such a way that the fluid flow to be filtered is at least partially guided around the filter element in a swirl flow.
  • An inlet through which the medium to be filtered is fed opens into the swirl chamber, which is designed in the form of a conical widening of the filter housing, eccentrically to the longitudinal axis.
  • the filter element extending along the filter housing tapers conically with increasing distance from the swirl chamber and is connected in a fluid-tight manner in the area of the swirl chamber to an outlet for the filtered medium from the interior of the filter element.
  • filtering fluid flow which helically flows over the elongated tubular filter element with the formation of a swirl flow and, when pressurized, passes radially from the outside through the filter wall into the interior of the filter element, removing particles of solid substances.
  • the cleaned filtrate flow is pressure-driven from the inside of the filter element via the drain to the outside.
  • Filter cleaning measures often required. For example, backwashing the filter arrangement with cleaning air is suitable for this purpose.
  • the document DE 198 44 441 A1 describes a device for separating particles from a fluid with a rotating filter.
  • the document DE 198 11 090 A1 discloses a cyclone separator with a rotationally symmetrical housing, an inlet for a fluid containing dispersed substances and in each case at least one outlet for the dispersed substances and for the cleaned fluid.
  • the inlet opens into an annular channel.
  • a part of the housing wall is formed in the fleas of the annular channel in the form of a flow straightener connecting the annular channel to the interior of the housing.
  • the inside of the housing is in the form of a front end
  • Shell-shaped bottom wall is formed, the bottom wall being penetrated by a pipe arranged concentrically to the longitudinal axis, which protrudes from the bottom wall in the direction of one end face and serves as an outlet for the cleaned fluid.
  • a pipe arranged concentrically to the longitudinal axis, which protrudes from the bottom wall in the direction of one end face and serves as an outlet for the cleaned fluid.
  • In the bottom wall are near the pipe
  • Drainage openings are provided which serve as an outlet for the dispersed substances.
  • the invention is based on the object of a filter arrangement in the manner of a centrifugal separator or cyclone filter with a filter around a longitudinal axis
  • a filter arrangement according to the solution with the features of the preamble of claim 1 is characterized in that a number of rod-like turbulence bodies are provided in a circular arrangement around the filter element, which are in the form of round, oval or N-shaped rods or pins in cross section and their longitudinal extensions are each oriented parallel to the longitudinal axis of the straight hollow cylinder-shaped filter element.
  • the helical flow of the fluid to be filtered that forms within the separation channel flows around the radially outer jacket surface or the outer one
  • Hollow-cylindrical filter element are attached, eddies form downstream of the overflow and / or flow around each of the turbulence bodies, in the form of so-called Lee vortices, through which material settling
  • the Lee vortices represent local flow rotors, with a
  • Rotor vortex orientation that is opposite to the overflow and / or flow around the direction is directed.
  • the filter wall is acted upon in these flow regions with fluid flow components which are oriented largely orthogonally towards and away from the filter wall.
  • this is also continuously cleaned.
  • the turbulence bodies are preferably each arranged with an equidistant circular spacing around the filter element and each extend along the entire length of the filter element.
  • the turbulence bodies can either be attached seamlessly directly to the outer surface of the straight, hollow cylinder-shaped filter element or attached to the outer surface of the straight, hollow-cylindrical filter element with a spacing or different spacing.
  • the gap that is locally enclosed by the turbulence bodies with the filter wall preferably has a gap or spacing that corresponds to at least half of a largest diameter that can be assigned to the cross section of the turbulence body and at most three times the largest diameter.
  • the Bernoulli effect comes into play when the air flows through the gap, which results in an increase in flow velocity with a simultaneous local Adjust pressure drop.
  • the Bernoulli effect thus helps to clean and keep the filter wall openings clean.
  • the hollow cylindrical filter element preferably has a perforated sheet metal or a composite of at least two lattice structure or wire mesh layers, each with lattice openings, the lattice openings of which differ at least in opening size.
  • that layer with the smaller lattice openings is arranged radially on the outside.
  • the at least one lattice structure or wire mesh layer arranged radially on the outside has elongated lattice or wire segments, the longitudinal extent of which is oriented parallel to the longitudinal axis.
  • Turbulence bodies on and around the hollow cylindrical filter element in the form of an arrangement fixed in space to the filter element can advantageously be used in cyclone filters which are operated in different ways.
  • a preferred embodiment provides for the integration of the turbulence bodies in accordance with the solution in a filter arrangement, in which a region of the flow channel axially opposite the swirl space to the longitudinal axis
  • the flow outflow emerges eccentrically and transversely to the longitudinal axis from the separation channel, which is fluidically connected to a first suction unit that generates a flow suction.
  • the flow inlet is pressurized with a fluid to be filtered, with a helical flow forming within the flow channel and oriented around the longitudinal axis with a flow direction specified by the swirl chamber and one exclusively through the first
  • Turbulence body flows over transversely or obliquely to their longitudinal extensions.
  • the filtrate space has a filtrate outlet in which a second suction unit is arranged, which generates a flow suction.
  • An alternative filter arrangement provides a pressure source along the flow inlet through which a pressurized fluid to be filtered reaches the swirl space, with a helical flow forming within the flow channel and oriented around the longitudinal axis with a predetermined through the swirl space
  • a filter arrangement designed according to the solution is particularly suitable for the filtration of fluids in the form of aerosols or suspensions, in which a fluid to be filtered is provided to the filter arrangement through the flow inlet in a pressureless or pressure-driven manner.
  • Fig. 1 a longitudinal section through a vacuum-operated filter arrangement
  • Fig. 1b is a longitudinal section through an overpressure-operated filter arrangement
  • FIG. 2b cross-sectional view of a filter element spaced apart from
  • the filter arrangement 1 has a filter housing 2, which is preferably designed in one piece, and an upper swirl chamber 3 as well as a preferably conically tapering, immediately adjoining downward
  • Separation channel 4 includes. However, the separation channel can also
  • the filter housing 2 is essentially rotationally symmetrical about the longitudinal axis 5 and, in the area of the swirl space 3, has a flow inlet 6 which opens into the swirl space 3 essentially transversely to the longitudinal axis 5 and eccentrically to the longitudinal axis 5.
  • a gaseous or liquid fluid F to be filtered flows in through the flow inlet 6.
  • the filter housing 2 comprising the swirl chamber 3 is in this area
  • the swirl space 3 is sealed fluid-tight on one side upward to the longitudinal axis 5 and opens along the longitudinal axis 5 directly into the conically shaped separation channel 4
  • a cylindrical filter element 7 extends through the longitudinal axis 5 through the swirl space 3 and the separation channel 4. In this way, an effective swirl flow D with a high swirl number can develop within the swirl space 3 before the swirl flow D passes into the separation channel 4 with the formation of a helical flow H.
  • the suction unit 9 the fluid F to be filtered is fed into the interior of the Filter housing 1 sucked, whereby the entering the swirl chamber 3, to be filtered fluid F through the predetermined cylindrical contour in a
  • Swirl flow D is forced in the area of the swirl space 3 and the
  • the straight hollow cylinder-shaped filter element 7 has, at its end region facing away from the swirl chamber 3, a filtrate drain 10, along which a second suction unit 11 is arranged.
  • a second suction unit 11 is arranged.
  • the filter effect can be individually adapted by means of the second suction unit 11.
  • the throughput of the fluid F to be filtered which passes through the entire filter arrangement along the swirl chamber 3 and the separation channel 4, can be preset by means of the first suction unit 9.
  • the fluid can be fed under pressure instead of a pressureless fluid feed.
  • a fluid feed pump 12 is arranged in the flow inlet 6, which, driven by pressure, feeds the fluid F into the swirl space 3 and the adjoining separation channel 4, forming the swirl and helical flow D, H, see FIG. 1 b.
  • the straight hollow cylinder-shaped filter element 7 is fluidically connected to a filtrate drain 10, via which the cleaned filtrate emerges from the filter arrangement.
  • the filter element 7 which is preferably designed in the shape of a straight hollow cylinder, has a filter wall which preferably consists of a perforated, largely mechanically wear-resistant sheet metal.
  • a filter wall which preferably consists of a perforated, largely mechanically wear-resistant sheet metal.
  • Wire mesh layer is arranged with the respective smaller grid openings radially outside to the straight hollow cylinder-shaped filter element.
  • the lattice structure or wire mesh layer which is arranged at least radially on the outside and preferably has elongated lattice or wire segments, in such a way that the longitudinal extension of the lattice or
  • Wire segments is oriented as parallel as possible to the longitudinal axis 5 of the filter arrangement. In this way, each individual grid opening is formed close to the surface
  • the filter arrangement 1 is characterized in that in a circular, preferably uniformly distributed arrangement around the straight cylinder-shaped filter element 7, a number of rod-like formed turbulence body 13, for example in the form of rods or pins with a round, oval or N-cornered cross section, see FIG. 2a, is attached, the longitudinal extensions of which are each oriented parallel to the longitudinal axis 5 of the straight hollow cylinder-shaped filter element 7.
  • the rod-like turbulence body 13 can directly, s. 2a, or be arranged at a distance from the filter wall surface of the filter element, see FIG. Figure 2b.
  • the rod-like turbulence bodies 13 are overflowed by the helical flow H obliquely or orthogonally to their longitudinal extension, whereby in each case in
  • Form flow vortices so-called Lee vortices 14, which prevent or at least make it more difficult for particles to settle in and on the filter wall openings.
  • turbulence bodies 13 are made of abrasion-resistant material, preferably metal, solder, weld or adhesive connections are suitable.
  • Turbulence bodies 13 need to be attached directly or indirectly to the top and bottom of the filter, for example using a fastening ring or ring that is firmly attached to the filter element.
  • the distance a between the turbulence body 13 and the outer wall of the filter is preferably at least half the largest turbulence body diameter and at most three times the largest turbulence body diameter in each case.

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Abstract

Beschrieben wird eine Filteranordnung nach Art eines Fliehkraftabscheiders bzw. Zyklonfilters mit einem um eine Längsachse rotationssymmetrischen Filtergehäuse, das ein zentrisch zur Längsachse angeordnetes sowie hohlzylinderförmig ausgebildetes, einen inneren, zylinderförmigen Filtratraum umschließendes Filterelement radial umfasst und mit diesem einen im Querschnitt ringförmigen Strömungskanal begrenzt, der einen Drallraum, in den außermittig und quer zur Längsachse ein Strömungszulauf mündet, sowie einen sich längs der Längsachse mittel- oder unmittelbar stromab zum Drallraum anschließenden Separationskanal aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass um das Filterelement eine Anzahl stabartig ausgebildeter Turbulenzkörper in zirkularer Anordnung vorgesehen ist, die in Form von im Querschnitt Rund- Oval- oder N-eckigen Stäben oder -Stiften ausgebildet und deren Längserstreckungen jeweils parallel zur Längsachse des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes orientiert sind.

Description

Filteranordnung nach Art eines Fliehkraftabscheiders mit Turbulenzkörper
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranordnung nach Art eines
Fliehkraftabscheiders bzw. Zyklonfilters mit einem um eine Längsachse
rotationssymmetrischen Filtergehäuse, das ein zentrisch zur Längsachse
angeordnetes, hohlzylinderförmig ausgebildetes und einen inneren, zylinderförmigen Filtratraum umschließendes Filterelement radial umfasst und mit diesem einen im Querschnitt ringförmigen Strömungskanal begrenzt, der einen Drallraum, in den außermittig und quer zur Längsachse ein Strömungszulauf mündet, sowie einen sich längs der Längsachse mittel- oder unmittelbar stromab zum Drallraum
anschließenden Separationskanal aufweist.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Filteranordnungen, die nach Art eines Fliehkraftabscheiders ausgebildet sind und häufig auch als Zyklonfilter bezeichnet werden, nutzen die separierende Wirkung der Zentrifugalkraft, die auf innerhalb einer gasförmigen oder flüssigen Drallströmung enthaltenen Teilchen fester Stoffe wirkt. Zur Erzeugung der Drallströmung dient ein rotationssymmetrisch ausgebildetes Filtergehäuse, das im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und seitlich außermittig, zu dessen
Längsachse einen Strömungszulauf vorsieht, durch den das zu filtrierende Medium unter Ausbildung einer um die Längsachse orientierten Drallströmung eingespeist wird. Mittig zur Längsachse ist innerhalb des Filtergehäuses ein rohrförmiges Filterelement angebracht, das mit einer unterdruckbeaufschlagten
Strömungsableitung fluidisch verbunden ist. Die Zentrifugalkraft getriebene
Entmischung von innerhalb des gasförmigen oder flüssigen Mediums enthaltenen Teilchen fester Stoffe führt zu einer Ansammlung der Teilchen im Bereich der das Filterelement radial umgebenden Filtergehäusewand längs der die Teilchen strömungsdynamisch gesammelt und nötigenfalls entsorgt werden. Flingegen sind die Strömungsbereiche der Drallströmung, die die Filterwand des mittig
angeordneten rohrförmigen Filterelementes unmittelbar umströmen, weitgehend aufgereinigt und enthalten allenfalls leichtgewichtige Teilchen fester Stoffe, die es gilt an einem Durchtritt durch die Filterwand in das Innere des Filterelementes zu hindern. Hierzu ist die Filterkorngröße der Filterwand in geeigneter Weise gewählt, so dass einerseits eine gewünschte Filterwirkung und andererseits ein ausreichender Strömungsdurchtritt durch die Filterwand in das Innere des Filterelementes zur Erzeugung eines gereinigten, d.h. gefilterten Massenstroms, erzielt werden.
Die Druckschrift EP 2 049 222 B1 offenbart eine gattungsgemäße Filtervorrichtung zur Abscheidung von Verunreinigungen aus einem Fluidstrom mittels Einsatz eines Filterelementes, das in einem Filtergehäuse aufgenommen ist, wobei das
Filtergehäuse einen Drallraum derart besitzt, so dass der zu filtrierende Fluidstrom zumindest teilweise in einer Drallströmung um das Filterelement herumgeführt wird.
In den in Form einer konischen Erweiterung des Filtergehäuses ausgebildeten Drallraum mündet außermittig zur Längsachse ein Zulauf, durch den das zu filtrierende Medium zugeführt wird. Das sich längs des Filtergehäuses erstreckende Filterelement verjüngt sich konisch mit zunehmendem Abstand zum Drallraum und ist im Bereich des Drallraumes fluiddicht mit einem Ablauf für das filtrierte Medium aus dem Inneren des Filterelementes verbunden.
Die Betriebsweise an sich bekannter Fliehkraftabscheider sieht eine
druckbeaufschlagte, in den Drallraum des Filtergehäuses einmündende zu
filtrierende Fluidströmung vor, die unter Ausbildung einer Drallströmung das länglich rohrförmig ausgebildete Filterelemente helikal überströmt und druckbeaufschlagt radial von außen durch die Filterwand in das Innere des Filterelementes unter Abreinigung von Teilchen fester Stoffe hindurchtritt. Der gereinigte Filtratstrom gelangt so druckgetrieben aus dem Inneren des Filterelementes über den Ablauf nach außen. Systembedingte, in und auf der Wandung des Filterelementes anhaftende
Filterrückstände führen zur Verschlechterung der Filterwirkung und machen
Filterreinigungsmaßnahmen häufig erforderlich. Beispielsweise eignen sich hierzu Rückspülungen der Filteranordnung mit Reinigungsluft.
Die Druckschrift DE 198 44 441 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Abtrennen von Teilchen aus einem Fluid mit einem rotierend gelagerten Filter.
Die Druckschrift DE 198 11 090 A1 offenbart einen Zyklonabscheider mit einem rotationssymmetrischen Gehäuse, einem Einlaß für ein dispergierte Stoffe enthaltendes Fluid und jeweils wenigstens einem Auslaß für die dispergierten Stoffe und für das gereinigte Fluid. Der Einlaß mündet in einen Ringkanal. Ein Teil der Gehäusewand ist in Flöhe des Ringkanals in Form eines den Ringkanal mit dem Inneren des Gehäuses verbindenden Strömungsgleichrichters ausgebildet. Die Innenseite des Gehäuses ist an einem Stirnseitenende in Form einer
schalenförmigen Bodenwandausgebildet ist, wobei die Bodenwand von einem konzentrisch zur Längsachse angeordneten Rohr durchsetzt ist, das von der Bodenwand in Richtung der einen Stirnseite hin vorsteht und als Auslaß für das gereinigte Fluid dient. In der Bodenwand sind in der Nähe des Rohres
Abflußöffnungen vorgesehen, die als Auslaß für die dispergierten Stoffe dienen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung nach Art eines Fliehkraftabscheiders bzw. Zyklonfilters mit einem um eine Längsachse
rotationssymmetrischen Filtergehäuse, das ein zentrisch zur Längsachse
angeordnetes, hohlzylinderförmig ausgebildetes und einen inneren, zylinderförmigen Filtratraum umschließendes Filterelement radial umfasst und mit diesem einen im Querschnitt ringförmigen Strömungskanal begrenzt, der einen Drallraum, in den außermittig und quer zur Längsachse ein Strömungszulauf mündet, sowie einen sich längs der Längsachse mittel- oder unmittelbar stromab zum Drallraum,
anschließenden Separationskanal aufweist, derart weiterzubilden, so dass die vorstehenden Maßnahmen zur Filterreinigung nicht mehr erforderlich sind oder zumindest im Vergleich zu bisher bekannten Lösungen in deutlich größeren
Zeitabständen durchzuführen sind.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Eine lösungsgemäße Filteranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass um das Filterelement eine Anzahl stabartig ausgebildeter Turbulenzkörper in zirkularer Anordnung vorgesehen ist, die in Form von im Querschnitt Rund- Oval- oder N-eckigen Stäben oder -Stiften ausgebildet und deren Längserstreckungen jeweils parallel zur Längsachse des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes orientiert sind.
Die sich innerhalb des Separationskanals ausbildende Helikalströmung des zu filtrierenden Fluids umströmt die radial äußere Mantelfläche bzw. die äußere
Filterwand des hohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes mit
Strömungsanteilen, die durch die in der Helikalströmung vorherrschende
Zentrifugalkraft weitgehend aufgereinigt sind. Gleichwohl enthalten auch diese, das Filterelement Wand-nah umströmenden Strömungsanteile feststoffliche Anteile, die sich an den Öffnungen der perforiert ausgebildeten Filterwand zumindest zeitweise festsetzen können. Durch Vorsehen der sich quer oder schräg zur
Umströmungsrichtung der Helikalströmung orientierten, Stangen- oder stabartigen Turbulenzkörpern, die mittel- oder unmittelbar an der Mantelfläche des
hohlzylinderförmigen Filterelementes angebracht sind, bilden sich jeweils stromab zur Über- und/oder Umströmungsrichtung zu jedem der Turbulenzkörper Wirbel aus, in Form sogenannter Lee-Wirbel, durch die ein Festsetzen von stofflichen
Verunreinigungen an der Filterwand vermieden oder zumindest signifikant erschwert wird. Die Lee-Wirbel stellen lokale Strömungsrotoren dar, mit einer
Rotorwirbelorientierung, die der Über- und/oder Umströmungsrichtung entgegen gerichtet ist. Hierdurch wird die Filterwand in diesen Strömungsbereichen mit Fluidströmungskomponenten beaufschlagt, die weitgehend orthogonal auf die Filterwand zu und von dieser weg orientiert sind. Neben dem bereits erwähnten Effekt einer erschwerten Festsetzung stofflicher Partikel in den Filterwandöffnungen oder an der Filterwandoberfläche wird diese zudem kontinuierlich gereinigt.
Vorzugsweise sind die Turbulenzkörper jeweils mit einem äquidistanten zirkularen Abstand um das Filterelement angeordnet und erstrecken sich jeweils längs der gesamten Länge des Filterelementes.
Die Turbulenzkörper können entweder direkt an der Mantelaußenfläche des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes nahtlos angebracht sein oder zur Mantelaußenfläche des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes mit einem Abstandsmaß oder mit unterschiedlichen Abstandsmaßen angebracht sein.
Im ersteren Fall stellt sich ein vorstehend erläutertes Strömungsbild mit Lee-Wirbel ein. Im zweiten Fall kann stellt sich in Abhängigkeit des gewählten Abstandmaßes mit dem jeder der stab- oder stangenförmige Turbulenzkörper von der radial äußeren Filterwand beabstandet angeordnet ist, zusätzlich zur erläuterten Lee- Wirbelausbildung eine wandnahe Fluidströmung ein, die durch den von der
Filterwand und jedem der Turbulenzkörper lokal eingeschlossenen Spalt
hindurchtritt. Der jeweils von den Turbulenzkörpern mit der Filterwand lokal eingeschlossene Spalt weist vorzugsweise ein Spalt- bzw. Abstandmaß auf, das wenigstens der Hälfte eines dem Querschnitt des Turbulenzkörpers zuordenbaren größten Durchmessers und maximal dem dreifachen des größten Durchmessers entspricht.
Je nach Wahl des Abstandsmaßes und der Querschnittsform der Turbulenzkörper kommt der Bernoulli-Effekt bei der Durchströmung des Spaltes zum Tragen, wodurch sich eine Strömungsgeschwindigkeitserhöhung mit gleichzeitigem lokalen Druckabfall einstellen. Der Bernoulli-Effekt trägt somit gleichsam unterstützend zum Reinigen und Reinhalten der Filterwandöffnungen bei.
Das hohlzylinderförmige Filterelement weist als Filterwand vorzugsweise ein perforiertes Blech oder einen Verbund aus wenigstens zwei Gitterstruktur- oder Drahtgeflechtlsagen, jeweils mit Gitteröffnungen auf, deren Gitteröffnungen sich zumindest in der Öffnungsgröße unterscheiden. Im Falle der Verwendung von Gitterstruktur- oder Drahtgeflechtslagen ist jene Lage mit den jeweils kleineren Gitteröffnungen radial aussenliegend angeordnet. Zudem besitzt die wenigstens eine radial außenliegend angeordnete Gitterstruktur- oder Drahtgeflechtslage, längliche Gitter- oder Drahtsegmente, deren Längserstreckung parallel zur Längsachse orientiert sind.
Die lösungsgemäße Anordnung der stab- oder stangenförmig ausgebildeten
Turbulenzkörper an und um das hohlzylinderförmige Filterelement in Form einer zum Filterelement raumfesten Anordnung ist in vorteilhafter Weise in Zyklonfilter einsetzbar, die unterschiedlicher Weise betrieben werden.
So sieht eine bevorzugte Ausführungsform die lösungsgemäße Integration der Turbulenzkörper in einer Filteranordnung vor, bei der in einem, dem Drallraum axial zur Längsachse gegenüberliegenden Bereich des Strömungskanals ein
Strömungsablauf außermittig und quer zur Längsachse aus dem Separationskanal austritt, der mit einer ersten, einen Strömungssog erzeugenden Sogeinheit fluidisch verbunden ist. Der Strömungszulauf wird dabei drucklos mit einem zu filtrierenden Fluid beaufschlagt, wobei eine sich innerhalb des Strömungskanals ausbildende und um die Längsachse orientierte Helikalströmung mit einer durch den Drallraum vorgegebenen Strömungsrichtung und einer ausschließlich durch die erste
Sogeinheit bestimmte Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, die die
Turbulenzkörper quer oder schräg zu deren Längserstreckungen überströmt. Zum Zwecke der Abführung des durch die Filterwand in den Filtratraum gelangten und dadurch gereinigten Filtrats, weist der Filtratraum einen Filtratablauf auf, in dem eine, einen Strömungssog erzeugende zweite Sogeinheit angeordnet ist. Eine alternative Filteranordnung sieht längs des Strömungszulaufs eine Druckquelle vor, durch die ein zu filtrierendes Fluid druckbeaufschlag in den Drallraum gelangt, wobei eine sich innerhalb des Strömungskanals ausbildende und um die Längsachse orientierte Helikalströmung mit einer durch den Drallraum vorgegebenen
Strömungsrichtung und einer durch die Druckquelle bestimmte
Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, die die Turbulenzkörper quer oder schräg zu deren Längserstreckungen überströmt. Der Filtratraum ist auch in diesem Fall mit einem Filtratablauf fluidisch verbunden ist, in dem jedoch keine Sogeinheit erforderlich ist.
Eine lösungsgemäß ausgebildete Filteranordnung eignet sich insbesondere zur Filtration von Fluiden in Form von Aerosolen oder Suspensionen, bei der ein zu filtrierendes Fluid drucklos oder druckgetrieben der Filteranordnung durch den Strömungszulauf bereitgestellt wird.
Eine bevorzugte Ausbildungsform der lösungsgemäß ausgebildeten Filteranordnung ist im Weiteren unter Bezugnahme von Figuren illustriert.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 a Längsschnitt durch eine Unterdruck-betriebene Filteranordnung,
Fig. 1 b Längsschnitt durch eine Überdruck-betriebene Filteranordnung,
Fig. 2a Querschnittsdarstellung eines Filterelementes mit unmittelbar an der
Filteraußenwand angebrachten Turbulenzkörpern sowie
Fig. 2b Querschnittsdarstellung eines Filterelementes mit beabstandet zur
Filteraußenwand angebrachten Turbulenzkörpern. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die Filteranordnung 1 weist ein Filtergehäuse 2 auf, das vorzugsweise einstückig ausgebildet ist und einen oberen Drallraum 3 sowie einen sich nach unten unmittelbar anschließenden, sich vorzugsweise konisch verjüngenden
Separationskanal 4 einschließt. Der Separationskanal kann jedoch auch
geradzylinderförmig bzw. geradringzylinderförmig ausgebildet sein. Das
Filtergehäuse 2 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse 5 ausgebildet und weist im Bereich des Drallraumes 3 einen im Wesentlichen quer zur Längsachse 5 und außermittig zur Längsachse 5 in den Drallraum 3 einmündenden Strömungszulauf 6 auf. Durch den Strömungszulauf 6 erfolgt die Zuströmung eines gasförmigen oder flüssigen zu filtrierenden Fluids F.
Das den Drallraum 3 umfassende Filtergehäuse 2 ist in diesem Bereich
vorzugsweise zylinderförmig gestaltet. Der Drallraum 3 ist einseitig nach oben zur Längsachse 5 fluiddicht abgeschlossen und mündet längs der Längsachse 5 unmittelbar in den konisch ausgeformten Separationskanal 4. Zentrisch zur
Längsachse 5 durchragt ein zylinderförmig ausgebildetes Filterelement 7 den Drallraum 3 sowie den Separationskanal 4. Auf diese Weise kann sich innerhalb des Drallraumes 3 eine wirkungsvolle Drallströmung D mit hoher Drallzahl ausbilden, bevor die Drallströmung D in den Separationskanal 4 unter Ausbildung einer Helikalströmung H Übertritt.
Je nach Ausbildung und Betriebsweise der Filteranordnung kann die
Strömungsinitierung für die Ausbildung der Drall- und Helikalströmung über- oder unterdruckgetrieben erfolgen.
In dem in Figur 1a dargestellten Fall ist zur Erzeugung einer sich innerhalb des Filtergehäuses 2 ausbildenden Drall- sowie Helikalströmung, längs eines mit dem Separationskanal 4 fluidisch verbundenen Strömungsablaufes 8 eine Sogeinheit 9, vorzugsweise in Form einer Säugpumpe integriert. Vermittels der Sogeinheit 9 wird das zu filtrierendes Fluid F über den Strömungszulauf 6 in das Innere des Filtergehäuses 1 gesaugt, wodurch das in den Drallraum 3 eintretende, zu filtrierende Fluid F durch die zylinderförmig vorgegebene Kontur in eine
Drallströmung D gezwungen wird, die im Bereich des Drallraumes 3 und die
Längsachse 5 sowie dem zentrisch zur Längsachse 5 angeordneten rohrförmigen Filterelement 7 rotiert. Aufgrund der Sogwirkung der Sogeinheit 9 geht die in Form eines Rotationswirbels innerhalb des Drallraumes 3 ausgebildete Drallströmung D in eine helikal um das rohrförmige Filterelement umströmende Helikalströmung H über, bevor sie über den Strömungsablauf 8 aus dem Filtergehäuse 2 austritt.
Das geradhohlzylinderförmig ausgebildete Filterelement 7 weist an seinem den Drallraum 3 abgewandten Endbereich einen Filtratablauf 10 auf, längs dem eine zweite Sogeinheit 11 angeordnet ist. Je nach Beschaffenheit des zu filtrierenden Fluids F sowie der Art und Größe der in dem zu filtrierenden Fluid F enthaltenen Teilchen fester Stoffe kann die Filterwirkung vermittels der zweiten Sogeinheit 11 individuell angepasst werden. Überdies lässt sich der Mengendurchsatz des zu filtrierenden Fluids F, der die gesamte Filteranordnung längs des Drallraumes 3 sowie des Separationskanals 4 passiert, vermittels der ersten Sogeinheit 9 vorgebbar einstellen.
Alternativ zu der vorstehend erläuterten Unterdruck-getriebenen Ausbildung und Betriebsweise einer Zyklonfilteranordnung gemäß Fig. 1 a kann anstelle einer drucklosen Fluidzuführung die Fluidzuführung druckbeaufschlagt erfolgen. Hierzu ist im Strömungszulauf 6 eine Fluidförderpumpe 12 angeordnet, die das Fluid F druckgetrieben in den Drallraum 3 und den sich anschließenden Separationskanal 4 unter Ausbildung der Drall- und Helikalströmung D, H einspeist, siehe Figur 1 b. Das geradhohlzylinderförmig ausgebildete Filterelement 7 ist mit einem Filtratablauf 10 fluidisch verbunden, über den das gereinigte Filtrat aus der Filteranordnung austritt.
Das vorzugsweise geradhohlzylinderförmig ausgebildete Filterelement 7 verfügt über eine Filterwand, die vorzugsweise aus einem perforierten, weitgehend mechanisch abriebfesten Blech besteht. Alternativ ist es möglich, die Filterwand aus einem Verbund aus wenigstens zwei Gitter oder Drahtgeflechtslagen auszubilden, die jeweils über Gitteröffnungen verfügen, deren Gitteröffnungen sich lageweise voneinander unterscheiden dergestalt, so dass die Gitterstruktur- oder
Drahtgeflechtslage mit den jeweils kleineren Gitteröffnungen radial außenliegend zum geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelement angeordnet ist. Zudem ist es vorteilhaft, die wenigstens radial außenliegend angeordnete Gitterstruktur - oder Drahtgeflechtslage, die vorzugsweise über längliche Gitter- oder Drahtsegmente verfügt, derart anzuordnen, so dass die Längserstreckung der Gitter- oder
Drahtsegmente möglichst parallel zur Längsachse 5 der Filteranordnung orientiert ist. Auf diese Weise bilden sich oberflächennah über jede einzelne Gitteröffnung
Strömungsturbulenzen aus, die ein Festsetzen von Teilchen fester Stoffe innerhalb und auf der Filterwand vermeiden bzw. erschweren.
Um die Ausbildung der Strömungsturbulenzen signifikant zu unterstützen und ein Festsetzen von Teilchen fester Stoffe innerhalb aber vor allem auf oder an der Filterwand zu vermeiden zeichnet sich die Filteranordnung 1 dadurch aus, dass in zirkularer, vorzugswiese gleichverteilter Anordnung um das geradzylinderförmig ausgebildete Filterelement 7 eine Anzahl stabartig ausgebildeter Turbulenzkörper 13, bspw. in Form von im Querschnitt Rund- Oval- oder N-eckigen Stäben oder -Stiften, s. Fig. 2a, angebracht ist, deren Längserstreckungen jeweils parallel zur Längsachse 5 des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes 7 orientiert sind. Die stabartigen Turbulenzkörper 13 können unmittelbar, s. Figur 2a, oder beabstandet zur Filterwandoberfläche des Filterelementes angeordnet sein, s. Figur 2b. Die stabartigen Turbulenzkörper 13 werden von der Helikalströmung H schräg oder orthogonal zu deren Längserstreckung überströmt, wodurch sich jeweils in
Überströmungsrichtung unmittelbar nach jedem Turbulenzkörper 13
Strömungswirbel, sogenannte Lee-Wirbel 14 ausbilden, die ein unerwünschtes Festsetzen von Teilchen innerhalb der und auf den Filterwandöffnungen verhindern bzw. zumindest erschweren.
Die unmittelbare Anbringung der Stangen- oder stabförmigen Turbulenzkörper 13 an der Außenwand des hohlzylinderförmigen Filterelementes 7, siehe
Querschnittsdarstellung in Figur 2a, erfolgt mit an sich bekannten Fügetechniken. Da die Turbulenzkörper 13 aus abriebfestem Material, vorzugsweise Metall bestehen, bieten sich Löt-, Schweiß- oder Klebverbindungen an.
Im Falle der radial zur Filteraußenwand beabstandeten Anbringung der
Turbulenzkörper 13 gilt es diese köpf- und bodenseitig mittel- oder unmittelbar am Filter fest zu fügen, bspw. unter Verwendung jeweils eines am Filterelement fest angebrachten Befestigungsringes- oder -kranzes. Das Abstandsmaß a zwischen Turbulenzkörper 13 und Filteraußenwand beträgt vorzugsweise wenigstens der Hälfte des größten Turbulenzkörperdurchmessers und maximal dem drei-fachen des jeweils größten Turbulenzkörperdurchmessers.
Aufgrund der Beabstandung zwischen den Turbulenzkörpern 13 und der Außenwand des Filterelementes 7 bilden sich wand-nahe Fluidströmungen 15 aus, die durch die lokale Strömungskanalverengung aufgrund des Bernoulli-Effektes eine
Strömungsgeschwindigkeitserhöhung und Druckreduzierung erfahren, wodurch der durch die Lee-Wirbelbildung entstehende, auf die Filterwand wirkende
Reinigungseffekt nochmals unterstützt wird.
Bezugszeichenliste
1 Filteranordnung
Filtergehäuse
Drallraum
Separationskanal
Längsachse
Strömungszulauf
Filterelement
Strömungsablauf
9 Sogeinheit
10 Filtratablauf
11 Zweite Sogeinheit
12 Fluidpumpe
13 Turbulenzkörper
14 Lee-Wirbel
15 wand-nahe Fluidströmungen
D Drallströmung
F Fluidströmung, Fluid
H Helikalströmung

Claims

Patentansprüche
1. Filteranordnung nach Art eines Fliehkraftabscheiders bzw. Zyklonfilters mit einem um eine Längsachse (5) rotationssymmetrischen Filtergehäuse (2), das ein zentrisch zur Längsachse (5) angeordnetes sowie hohlzylinderförmig ausgebildetes, einen inneren, zylinderförmigen Filtratraum umschließendes Filterelement (7) radial umfasst und mit diesem einen im Querschnitt ringförmigen Strömungskanal begrenzt, der einen Drallraum (3), in den außermittig und quer zur Längsachse (5) ein Strömungszulauf (6) mündet, sowie einen sich längs der Längsachse (5) mittel oder unmittelbar stromab zum Drallraum (3), anschließenden Separationskanal (4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass um das Filterelement (7) eine Anzahl stabartig ausgebildeter Turbulenzkörper (13) in zirkularer Anordnung vorgesehen ist, die in Form von im Querschnitt Rund- Oval- oder N-eckigen Stäben oder -Stiften ausgebildet und deren Längserstreckungen jeweils parallel zur Längsachse (5) des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes (7) orientiert sind.
2. Filteranordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzkörper (13) jeweils mit einem
äquidistanten zirkularen Abstand um das Filterelement (7) angeordnet sind.
3. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzkörper (13) direkt an der
Mantelaußenfläche des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes (7) nahtlos angebracht sind.
4. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzkörper (13) zur Mantelaußenfläche des geradhohlzylinderförmig ausgebildeten Filterelementes (7) mit einem Abstandsmaß (a) oder mit unterschiedlichen Abstandsmaßen angebracht sind.
5. Filteranordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Abstandsmaß (a) wenigstens der Hälfte eines dem Querschnitt des Turbulenzkörpers (13) zuordenbaren größten Durchmessers und maximal dem dreifachen des größten Durchmessers entspricht.
6. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) eine Filterwand aufweist, die ein perforiertes Blech oder einen Verbund aus wenigstens zwei Gitterstruktur- oder Drahtgeflechtlsagen, jeweils mit Gitteröffnungen aufweist, deren Gitteröffnungen sich zumindest in der Öffnungsgröße unterscheiden, und
dass die Gitterstruktur- oder Drahtgeflechtlage mit den jeweils kleineren
Gitteröffnungen radial aussenliegend angeordnet ist.
7. Filteranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die radial außenliegend angeordnete Gitterstruktur- oder Drahtgeflechtslage, längliche Gitter- oder Drahtsegmente besitzt, deren Längserstreckung parallel zur Längsachse orientiert sind.
8. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem, dem Drallraum (3) axial zur Längsachse (5) gegenüberliegenden Bereich des Strömungskanals ein Strömungsablauf außermittig und quer zur Längsachse (5) aus dem Separationskanal (4) austritt, der mit einer ersten, einen Strömungssog erzeugenden Sogeinheit (9) fluidisch verbunden ist,
dass der Strömungszulauf (6) drucklos mit einem zu filtrierenden Fluid beaufschlagt ist, und dass eine sich innerhalb des Strömungskanals ausbildende und um die Längsachse (5) orientierte Helikalströmung (H) mit einer durch den Drallraum (3) vorgegebenen Strömungsrichtung und einer ausschließlich durch die erste
Sogeinheit (9) bestimmte Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist, die die
Turbulenzkörper (13) quer oder schräg zu deren Längserstreckungen überströmt, und dass der Filtratraum mit einer zweiten, einen Strömungssog erzeugenden Sogeinheit (11 ) fluidisch verbunden ist.
9. Filteranordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) an seinem dem Drallraum (3) abgewandten Endbereich mit einem Filtratablauf (10) verbunden ist, der mit der zweiten Sogeinheit (11 ) fluidisch verbunden ist.
10. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass längs des Strömungszulauf eine Druckquelle angeordnet ist, durch die ein zu filtrierendes Fluid druckbeaufschlagt in den
Drallraum (3) gelangt, dass eine sich innerhalb des Strömungskanals ausbildende und um die Längsachse (5) orientierte Helikalströmung (H) mit einer durch den Drallraum (3) vorgegebenen Strömungsrichtung und einer durch die Druckquelle bestimmte Strömungsgeschwindigkeit erzeugbar ist, die die Turbulenzkörper (13) quer oder schräg zu deren Längserstreckungen überströmt, und
dass der Filtratraum mit einem Filtratablauf (10) fluidisch verbunden ist.
11. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungskanal des Separationskanals (4) in Durchströmungsrichtung im Strömungsquerschnitt verjüngt oder
geradringzyl inderförmig ausgebildet ist.
12. Verwendung der Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Filtration von Fluiden in Form von Aerosolen oder Suspensionen, bei der ein zu filtrierendes Fluid drucklos der Filteranordnung durch den Strömungszulauf (6) bereitgestellt wird.
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