Filteranordnung zum Abscheiden von Partikeln aus einem flüssigen und/oder gasförmigen Medium
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filteranordnung zum Abscheiden von Partikeln aus einem flüssigen und/oder gasförmigen Medium, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einem Filterkörper, welcher parallel zur Richtung der Strömung eines die Filteranordnung durchströmenden Mediums im Gehäuse angeordnet ist, und mindestens einem durch den oder die Filterkörper und/oder das Gehäuse gebildeten Kanal.
Gattungsgemäße Filteranordnungen finden vielfältig Einsatz. Insbesondere sind derartige Filteranordnungen auch für Verbrennungsmotoren z.B. im Automobilbereich anzutreffen. Üblicherweise sind aus dem Stand der Technik bekannte Filteranordnungen aufgebaut aus einem Gehäuse, in welchem ein Filter, beispielsweise aus einer gesinterten porösen Metall- oder Keramikschicht, senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Durch eine derartige Filteranordnung wird dann beispielsweise Gas oder Flüssigkeit durchgeleitet. Nachteilig bei derartigen bekannten Filteranordnungen ist insbesondere, daß diese sich mit der Zeit zusetzen, da die in dem Gas und/oder flüssigen Mediumstrom enthaltenen festen Partikel von dem Filter zurückgehalten werden. Hierdurch nimmt zunächst die Permeabilität des in der Filteranordnung angeordneten Filters ab, wohingegen die Druckdifferenz zwischen der Einströmseite und der Ausströmseite der Filteranordnung sich erhöht. Bei weiterem Betrieb der Filteranordnung setzt sich schließlich der Filter vollständig zu, so daß ein vollständiger Funktionsverlust der Filteranordnung die Folge ist. Dies kann letztendlich zu schwerwiegenden Unfällen führen.
Um den vorgenannten schwerwiegenden Nachteilen entgegenzutreten, wird im Stand der Technik üblicherweise vorgeschlagen, entweder derartige Filteranordnungen vorzeitig auszutauschen, oder aber eine Rückspülung des in der Filteranordnung angeordneten Filters bzw. ein Freiblasen derselben vorzunehmen.
Notwendig hierfür ist jedoch ein zumindest teilweiser Ausbau der Filteranordnung aus einer Gesamtvorrichtung oder aber zumindest das vorübergehende Stillegen derselben. Versagen jedoch diese Gegenmaßnahmen, so besteht gleichwohl die Gefahr eines Unfalles.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend beschriebenen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Filteranordnung zum Abscheiden von Partikeln aus einem flüssigen und/oder gasförmigen Medium, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einem Filterkörper vorgeschlagen, welcher parallel zur Richtung der Strömung eines die Filteranordnung durchströmenden Mediums im Gehäuse angeordnet ist, und mindestens einen durch den oder die Filterkörper und/oder das Gehäuse gebildeten, bevorzugt durchgängigen, Kanal, bevorzugt mindestens zwei Kanäle, wobei der Filterkörper mindestens einen in das einströmende Medium hineinragenden Vorsprung auf mindestens einer Seite desselben aufweist.
Vorsprung im Sinne der Erfindung können jedwede Ausbildungen der Filterkörper sein, welche geeignet sind, das die erfindungsgemäße Filteranordnung durchströmende Medium abzulenken und hierdurch eine zumindest teilweise Umlenkung der Strömung des die Filteranordnung durchströmenden Mediums, insbesondere auf den Filterkörper, zu erzielen. Weiterhin wird zwischen benachbarten Kanälen durch die VorSprünge eine Druckdifferenz erzeugt. Eine Druckdifferenz wird z.B. erzeugt in Kanälen, gebildet aus einer Anordnung unterschiedlich ausgebildeter und benachbarter Filterkörper, wodurch ein unterschiedlicher Querschnitt der Kanäle verwirklicht ist. Ein Kanal kann nicht nur zwischen zwei Filterkörpern, sondern auch zwischen Filterkörper und Filtergehäuse angeordnet sein.
Jedwede Abweichung (Erhebung) von einer durch den Filterkörper gedachten Mittelebene auf einer oder beiden Seiten des Filterkörpers ist als Vorsprung anzusehen. Beispielsweise können die Filterkörper der erfindungsgemäßen Filteranordnung zickzackförmig oder wellenförmig ausgebildet sein. Die die parallel zur Strömungsrichtung angeordnete gedachte Mittelebene überragenden Spitzen bzw. Wellenberge sind als Vorsprünge im Sinne der Erfindung anzusehen. Auch kann ein Filterkörper auf mindestens einer Seite z.B. dreieckig ausgebildete Vorsprünge aufweisen. Die Vorsprünge überragen den Filterkörper bzw. die gedachte Mittelebene desselben um mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, weiter bevorzugt minde- stens50%, jeweils bezogen auf die Dicke des Filterkörpers.
Durch die erfindungsgemäße Filteranordnung wird vorteilhafterweise ein vollständiges Zusetzen der Filteranordnung mit einem dadurch bedingten Aufbau einer hohen Druckdifferenz vermieden, da auch bei vollständiger Beladung der in der erfindungsgemäßen Filteranordnung angeordneten Filterkörper das diese durchströmende Medium die Filteranordnung mehr oder weniger ungehindert passieren kann. Hierdurch ist die Gefahr von Unfällen erheblich reduziert. Durch die Anordnung von Vorsprüngen auf den in der erfindungsgemäßen Filteranordnung angeordneten Filterkörpern wird das diese durchströmende Medium, welches mehr oder weniger große und feste Partikel transportiert, auf die Filterkörper selbst umgelenkt. Das Medium durchströmt dann den Filterkörper, und die in diesem Medium enthaltenen Partikel werden zurückgehalten.
Weisen die Filterkörper mehrere Vorsprünge auf, wobei diese auch gegebenenfalls unterschiedlich ausgebildet sein können, so wird die Umlenkung der Mediumströmung vervielfacht, wodurch auch die Filterleistung erhöht wird.
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Filteranordnung ein Durchströmungsverhältnis von größer als 1 auf. Das Durch- strömungsverhältnis wird dabei gebildet aus dem Quotienten
des durch den Filterkörper der erfindungsgemäßen Filteranordnung durchtretenden Mediumstroms (Volumenstrom) durch den in die Filteranordnung einströmenden Mediumstrom (Eingangsvolumenstrom) . Bevorzugt beträgt das Durchströmungsverhältnis mehr als 1,5, weiter bevorzugt mehr als 2, noch weiter bevorzugt mehr als 2,5.
Der durch den Filterkörper durchtretende Mediumstrom kann somit ein Mehrfaches des in die Filteranordnung einströmenden Mediumstroms betragen. Hierdurch ist sichergestellt, daß ein sehr großer Teil der aus dem durchströmenden Medium zu filternden Partikel zurückgehalten wird.
Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Filteranordnung einen Kanal auf, der über seine Länge unterschiedliche Querschnitte aufweist. Des weiteren ist es durch die Anordnung von mindestens zwei Filterkörpern in der erfindungsgemäßen Filteranordnung möglich, benachbarte Kanäle mit unterschiedlichen mittleren Durchtrittsquerschnitten zu definieren. Ebenso können Kanäle mit unterschiedlichen mittleren Durchtrittsquerschnitten beispielsweise erzielt werden bei einer Anordnung nur eines Filterkörpers in einem Filtergehäuse, wobei der Filterkörper nicht mittig in diesem angeordnet ist.
Durch derartige Anordnungen kann die Druckdifferenz, welche zwischen der auf der dem einen Kanal zugewandten Seite eines Filterkörpers und der auf der dieser entgegengesetzten Seite des Filterkörpers herrschenden besteht, ebenfalls individuell beeinflußt werden. Hierdurch wird das Abscheideverhalten der von dem durchströmenden Medium transportierten und zu filternden Partikel beeinflußt. Dieses kann somit durch die Vorsehung von Kanälen mit unterschiedlichen mittleren Durchtrittsquerschnitten und/oder von Kanälen mit unterschiedlichen Querschnitten über deren Länge und/oder die spezifische Ausgestaltung der Vorsprünge der Filterkörper gezielt beeinflußt werden. Hierdurch ist es möglich, an die jeweilige Anwendung individuell angepaßte optimierte Filteranordnungen
und, soweit gewünscht, eine sehr gleichmäßige Abscheidung der durch die Filterkörper aufgenommenen Partikel aus dem durchströmenden Medium zu erzielen, so daß lange Standzeiten der erfindungsgemäßen Filteranordnung erzielbar sind.
Der in der erfindungsgemäßen Filteranordnung angeordnete Filterkörper kann in jedweder Art in dem von der Filteranordnung umfaßten Gehäuse angeordnet sein, d. h. insbesondere auch parallel zu einer gedachten Bodenfläche desselben, soweit nur sichergestellt ist, daß der Filterkörper in Richtung der Strömung des die erfindungsgemäße Filteranordnung durchströmende Mediums angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß der in der erfindungsgemäßen Filteranordnung angeordnete Filterkörper parallel zur Gravitationsrichtung der Partikel angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung des Filterkörpers im Gehäuse, welches im übrigen jedwede Gestalt aufweisen kann, insbesondere einen recht- bzw. viereckigen oder aber kreisförmigen Querschnitt, ergeben sich insbesondere bei der Abreinigung der erfindungsgemäßen Filteranordnung große Vorteile. Denn es fallen bei Abreinigung beispielsweise durch eine einfache Vibration der Filteranordnung die gefilterten und an den Filterkörpern haftenden Partikel aufgrund der Gravitationswirkung auf den Gehäuseboden, und nicht auf die benachbarten Filterkörper. Hierdurch ist die Abreinigung der erfindungsgemäßen Filteranordnung erheblich vereinfacht und erfolgt auch vollständiger. Weitere Methoden der Abreinigung der erfindungsgemäßen Filteranordnung sind das Entstauben derselben, sei es durch Durchleitung eines Gasstroms, oder aber nach einer erfolgten Vibration der Filteranordnung, darüber hinaus ist es auch insbesondere möglich, die gefilterten Partikel durch Oxidation/Verbrennung oder andere chemische Reaktionen in die Gasphase zu überführen und hierdurch die erfindungsgemäße Filteranordnung zu reinigen. Aber auch jedwede andere, aus dem Stand der Technik bekannte Reinigungsverfahren für Filteranordnungen sind anwendbar.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß der in der erfindungsgemäßen Filteranordnung angeordnete Filterkörper hergestellt ist aus Materialen aus einer Gruppe umfassend Papiere, Textilien, Polymermembranen, Metall, Kunststoffe, Faserstoffe (hier insbesondere Vliese, Filze, Gestricke und/oder Gewirke), keramische Materialien und/oder deren Kombinationen. Weiter bevorzugt ist der Filterkörper hergestellt aus Metallen und/oder keramischen Materialien in Pulver- und/oder Faserform.
Vorteilhafterweise sind die Metalle und/oder keramischen Materialien sinterbar, wodurch poröse, gesinterte Filterkörper erhalten werden. Als metallische Materialien sind nicht nur Materialien aus reinen Metallen, sondern auch Materialien aus Metallegierungen und/oder Materialmischungen aus unterschiedlichen Metallen und Metallegierungen verwendbar. Hierzu gehören insbesondere Stähle, vorzugsweise Chrom-Nickel-Stähle, Bronzen, Nickelbasis-Legierungen, Hastelloy, Inconel oder dergleichen, wobei die Materialmischung hochschmelzende Bestandteile enthalten kann wie beispielsweise Platin. Einsetzbare Fasern sind bevorzugt hergestellt auf der Basis von Eisenwerkstoffen (beispielsweise gemäß den Werkstoffnormen 1.4404, 1.4767 oder 1.4841) und/oder Legierungen auf der Basis Eisen-Chrom-Aluminium oder Nickel-Aluminium. Grundsätzlich sind aluminiumhaltige Legierungen bevorzugt, da diese eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Bevorzugt sind dabei Aluminiumgehalte in einem Bereich von etwa 3 bis 40 Gew%, bevorzugt 4 bis 10 Gew%, bezogen auf die Gesamtmenge der in der Legierung vorhandenen Metalle. Vorzugsweise besteht der poröse Filterkörper, angeordnet in der erfindungsgemäßen Filteranordnung, ausschließlich aus metallischen Fasern. Im Sinne der Erfindung können auch Gemische aus Pulvern mit Fasern als sinterbare Materialien Verwendung finden.
Die Korngröße der einsetzbaren Pulverpartikel liegt in einem Bereich von etwa 0,05 μm bis etwa 150 μm, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,5 μm bis etwa 100 μm. Die porösen, ge-
sinterten Filterkörper weisen Zugfestigkeiten in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 500 N/m2 gemäß DIN EN 10002, einen definierten mittleren Durchmesser in einem Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 50 μm, sowie eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 500 μm auf.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Filteranordnung als Abgasfilter für Verbrennungsmotoren in Automobilen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Filteranordnung Verwendung finden als Dieselrußfilter bei dieselbetriebenen Motoren. Hierdurch können einerseits die durch verschiedene Normen vorgegebenen Abgasgrenzwerte ohne weiteres eingehalten werden, darüber hinaus wird der wesentliche Nachteil der Verbrennung von Diesel gegenüber sonstigen Benzinarten bei der erfindungsgemäßen Verwendung vermieden, nämlich daß die bei der Verbrennung von Diesel entstehenden Rußpartikel ungefiltert in die Umwelt gelangen.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen und Beispielen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Anordnung der Filterkörper an einer erfindungsgemäßen Filteranordnung;
Fig. 2 eine Aufsicht einer ersten Ausführungsform der Filteranordnung; und
Fig. 3 eine Aufsicht einer zweiten Ausführungsform der Filteranordnung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Filteranordnung. Hierbei sind insgesamt vier mit dem Bezugszeichen 2 versehene Filterkörper wellenförmig ausgebildet in Richtung der durch die Einströmrich-
tung 3 und Ausströmrichtung 4 vorgegebenen Strömung eines die Filterkörper 2 durchströmenden Mediums angeordnet. Zwischen den insgesamt vier Filterkörpern 2 sind insgesamt drei Kanäle 8 angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Filteranordnung in einer ersten Ausführungsform, wobei diese insgesamt vier zickzackformig ausgebildete Filterkörper 2, welche senkrecht, d.h. parallel zur Gravitationsrichtung der zu filternden Partikel, in einem zylinderförmigen Gehäuse 5 mit rundem Querschnitt angeordnet sind. Bei axialsymmetrischen Gehäuseformen erfolgt die Anordnung der Filterkörper in Bezug auf die Anordnung des Gehäuses 5 in einer Gesamtvorrichtung, so daß auch hier parallel zur Gravitationsrichtung der zu filternden Partikel die Filterkörper angeordnet sind. Zwischen den vier Filterkörpern 2 sind insgesamt drei Kanäle 8.1, 8.2 und 8.3 angeordnet. Weitere Kanäle 8.4 und 8.5 sind zwischen Filterkörper und dem Gehäuse 5 gebildet. Bei der Anordnung der Filterkörper 2 im Gehäuse 5 wurde eine solche gewählt, bei welcher jeweils zwei Filterkörper so zueinander gruppiert sind, daß die Spitze eines Zackens eines zickzack- förmige ausgebildeten Filterkörpers 2 auf jedem zweiten Zak- ken auf die Spitze eines Zackens eines benachbart angeordneten Filterkörpers 2 zeigt. Die solchermaßen gebildeten zwei Gruppen zu je zwei Filterkörpern 2 sind zueinander um eine (Zacken-)Position versetzt angeordnet. Somit weisen sämtliche Kanäle 8 über ihre Länge unterschiedliche Querschnitte auf, wohingegen der mittlere Durchtrittsquerschnitt der Kanäle 8.4 und 8.5 geringer ist als derjenige der Kanäle 8.1, 8.2 und 8.3. Dieses Aufbauprinzip, d.h. die Kombination von durchgängigen Kanälen mit unterschiedlichen Querschnitten über ihre Länge, die untereinander abweichende Durchtrittsquerschnitte aufweisen, ist eine bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung.
Durch den Filterkörper 2 ist eine Mittelebene 7 definiert. Diese Mittelebene 7 ist sowohl in Richtung der Strömung des
die Filteranordnung 1 durchströmenden Mediums, als auch in Gravitationsrichtung der Partikel in dem Gehäuse 5 angeordnet. Von dieser Mittelebene 7 der Filterkörper 2 ausgehend sind auf beiden Seiten derselben Vorsprünge (Zacken) 6.1 und 6.2 definiert. Das die Filteranordnung 1 durchströmende Medium strömt in Richtung der Einströmrichtung 3 durch die Filteranordnung 1 hindurch. Hierbei trifft es auf die Vorsprünge
6.1 und 6.2 der insgesamt vier Filterkörper 2. Die mit dem durchströmenden Medium transportierten und abzuscheidenden Partikel werden von den Filterkörpern 2 zurückgehalten. Dadurch, daß die Kanäle 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 und 8.5 jeder für sich unterschiedliche, d. h. variierende Querschnitte und auch unterschiedliche mittlere Durchtrittsquerschnitte aufweisen, entstehen innerhalb der einzelnen Kanäle und auch untereinander durch die Filterkörper 2 hindurch Druckdifferenzen, durch welche die Abscheidung von Partikeln auf den Filterkörpern 2 erhöht wird. Die Abweichung der Vorsprünge 6.1 und 6.2 beträgt mehr als 500%, bezogen auf die Dicke des Filterkörpers 2, von der Mittelebene 7 bei Annahme einer Dicke derselben entsprechend dem Filterkörper.
Fig. 3 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform der Filteranordnung 1, wobei hier jedoch die einzelnen Filterkörper 2 gleichförmig zueinander angeordnet sind, d. h. die Vorsprünge 6.1 des einen Filterkörpers auf die Vorsprünge 6.1 des diesem benachbarten Filterkörpers weisen. Hierdurch weisen die zwischen den Filterkörpern 2 gebildeten Kanäle 8.1,
8.2 und 8.3 eine gleichen mittleren Durchtrittsquerschnitt auf, ebenso die Kanäle 8.4 und 8.5, wobei derjenige der Kanäle 8.1, 8.2 und 8.3 von demjenigen der Kanäle 8.4 und 8.5 abweicht, nämlich geringer ist. Nur die Kanäle 8.4 und 8.5 weisen unterschiedliche, variierende Durchtrittsquerschnitte Q2 und Q3 auf. Eine nicht gezeigte mögliche weitere Ausführungsform wäre eine Filteranordnung, bei welcher in einem Gehäuse mit rundem Querschnitt ein Zickzack- oder wellenförmiger Filterkörper spiralförmig gewickelt ist. Das in eine solche Filteranordnung einströmende Medium strömt radial nach außen,
wobei die in der Spirale gebildeten Kanäle unterschiedliche mittlere Durchtrittsquerschnitte und/oder Querschnitte aufweisen können, so daß durch die so erzielten Druckdifferenzen eine Erhöhung der Filterleistung erzielt wird.
Mit einer finite Elemente-Berechnung (CFD-Methode, CFD bedeutet "computational fluid dynamics") wurde das Durchströmungsverhältnis der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Filteranordnungen 1 berechnet. Dabei wurde von einem Durchströmbarkeits- koeffizienten des Filterkörpers 2 gemäß DIN ISO 4022, ermittelt gemäß
α = (VPunkt*s*η )/(A*Δp),
wobei Punkt: Volumenstrom s: Filterdicke η dynamische Viskosität
A: Fläche
Δp: Druckdifferenz,
ausgegangen, wobei drei Situationen berücksichtigt wurden, nämlich daß der Durchströ barkeitskoeffizient αi = 20 x 10"12 m2 beträgt, d. h. daß hier die Filterkörper 2 vollkommen frei sind, in einer zweiten Situation wurde der Durchströmbarkeitskoeffizient α2 = 10 x 10"12 m2 gesetzt, was bedeutet, daß die Durchlässigkeit der Filterkörper 2 halbiert ist, und schließlich wurde der Durchströmbarkeitskoeffizient α3 = 0 betrachtet, was einem zugesetzten Filterkörper 2 entspricht.
Dabei wurde ein Eingangvolumenstrom VPunkt von 0,13 m3/s angenommen.
Bei der Berechnung wurde eine Dicke der Filterkörper 2 von 0,3 mm angenommen mit den weiteren Dimensionen Vz al = bl = 10
mm, cl = 2 mm (1. Ausführungsform gemäß Fig. 2), c2 = 5 mm (2. Ausführungsform gemäß Fig. 3) und 11 = 200 mm angenommen. Die vorgegebenen geometrischen Abmessungen sind den Fig. 2 und 3 entnehmbar.
Für die 1. Ausführungsform gemäß Fig. 2 konnten für den Volu- menstrom durch die Filterkörper 2 Werte VI = 0,478 m3/s, V2 = 0,309 m3/s und V3 = 0 m3/s ermittelt werden. Für die 2. Ausführungsform gemäß Fig. 3 konnten entsprechend Werte VI = 0,32 m3/s, V2 = 0,18 m3/s und V3 = 0 m3/s berechnet werden.
Aus den solchermaßen berechneten Werten wurde ein Durchströmungsverhältnis VI für die 1. Ausführungsform gemäß Fig. 2 von 3,7 betreffend einen vollkommen freien Filterkörper 2 und V2 von 2,4 betreffend einen halb zugesetzten Filterkörper 2 ermittelt werden. Für die 2. Ausführungsform gemäß Fig. 3 konnte ein Durchströmungsverhältnis VI von 2,5 und V2 = 1,4 ermittelt werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Filteranordnung zur Verfügung gestellt, welche die insbesondere bei Verwendung der aus dem Stand der Technik bekannten Filteranordnungen auftretenden Unfälle vermeidet. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Filteranordnung leicht zu reinigen und weist wesentlich längere Standzeiten als übliche Filteranordnungen auf.