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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der
Einsatzbereich derartiger Vorrichtungen erstreckt sich über
das gesamte Gebiet der Membranfiltration und deckt somit sowohl
die Micro- als auch Ultra- als auch Nanofiltration ab. Sogar im
Bereich der Umkehrosmose ist die Umsetzung der Erfindung möglich.
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Das
Grundprinzip der Filtration besteht darin, das zu filtrierende Fluid-Feststoff-Gemisch
an einer Filterfläche vorbeizuführen, deren Öffnungen
bzw. Poren so auf das Fluid-Feststoff-Gemisch abgestimmt sind, dass
zumindest eine Komponente aus dem Gemisch (Filtrat) die Filterfläche
ungehindert durchströmen kann, während die übrigen
Komponenten (Retentat) von der Filterfläche zurückgehalten
werden. Triebkraft für die Durchströmung der Filterfläche
ist die Druckdifferenz zwischen dem Bereich vor der Filterfläche
und dem Bereich dahinter, die auch als Transmembrandruck bezeichnet
wird.
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Bei
der statischen Filtration wird das zu filtrierende Fluid-Feststoff-Gemisch
unter Druck in den Filterbereich vor der Filterfläche geführt,
von wo es infolge des Transmembrandrucks als Filtrat den Filter passiert.
Dabei sammeln sich größere Partikel auf der Filterfläche
an und bilden einen Filterkuchen. Dieser Vorgang wird auch als Deckschichtbildung
oder Verblockung bezeichnet. Die Folge ist eine verminderte Filterleistung,
die zwar in einem gewissen Rahmen durch eine Erhöhung des
Transmembrandrucks ausgeglichen werden kann. Der maximal aufbringbare
Druck ist allerdings von der Art des zu filtrierenden Gemisches
sowie der mechanischen Festigkeit des Filters begrenzt.
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Sinkt
die Filterleistung infolge Deckschichtbildung unter einen bestimmten
Grenzwert, müssen statische Filter zur Erhaltung der gewünschten
Flussrate bei möglichst geringem Energiebedarf in regelmäßigen
Intervallen durch Rückspülung und/oder Säuberung
der Filterflächen von Verblockungen befreit werden, was
sich infolge der damit verbundenen Unterbrechung des Filtrationsbetriebs
und notwendigen Wartung nachteilig auf die Betriebskosten auswirkt.
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Um
die Verblockungsneigung zu verringern, ist mit der Cross-Flow-Filtration
auch schon ein Verfahren bekannt, bei dem die Filterelemente auf
der Druckseite parallel zu ihren Filterflächen überströmt werden.
Die Überströmung erzeugt dabei parallel zur Filterfläche
gerichtete Scherkräfte, die die an der Filterfläche
anhaftenden Partikel ganz oder wenigstens teilweise loslösen.
Der Vorteil der Cross-Flow-Filtration liegt vor allem in den längeren Standzeiten
der Filterelemente. Als Nachteil erweisen sich jedoch die großen
Volumina des Fluid-Feststoff-Gemisches, die zur Erzeugung der Überströmung
im Kreislauf gepumpt werden müssen und so einen hohen Energiebedarf
verursachen.
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Zur
Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Filterflächen
und zu filtrierendem Gemisch ist zudem die dynamische Filtration
bekannt, bei der eine Überströmung der Filterflächen
durch eine Bewegung des Filters gegenüber dem zu filtrierenden Gemisch
erzielt wird. Wie in der
WO
2002/005935 beschrieben, kann dies beispielsweise durch
Rotation von Filterelementen innerhalb des Filtergehäuses erreicht
werden. Dadurch ist es möglich, mit geringem Transmembrandruck
und geringer Pumpenleistung eine ausreichend starke Überströmung
der Filterflächen zu schaffen, um diese weitgehend frei
von Verblockung zu halten. Allerdings bedingt der rotierende Mechanismus
eine aufwändige und damit teure Konstruktion der Filtervorrichtung
und die mit Druck beaufschlagten Dichtungen stellen gegenüber bewegten
Maschinenteilen eine stets latente Schwachstelle im System dar.
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Eine
Weiterentwicklung der dynamischen Filtration ist in der
WO 2004/018083 beschrieben.
Dort ist ein Filterelement mit einer Vielzahl von auf einer Kreisbahn
um eine zentrale Achse mit einheitlichem Umfangsabstand angeordneten
Filterpakten gezeigt. Jedes Filterpaket besteht im Wesentlichen
aus einer Hohlwelle und darauf planparallelen und in axialem Abstand
angeordneten Filterscheiben, wobei die Filterscheiben unterschiedlicher
Filterpakete jeweils in gemeinsamen übereinander liegenden
Ebenen angeordnet sind. Auf diese Weise ergeben sich zwischen den
Filterscheiben durchgehende Zwischenräume. Im Zentrum der
von den Filterpaketen gebildeten Kreisbahn ist ein Rotor mit einer
Antriebswelle und darauf sitzenden Turbulenzscheiben angeordnet.
Die relative Lage von Rotor und Filterelement ist derart, dass sich
die Turbulenzscheiben in die Zwischenräume zwischen den
Filterscheiben hinein erstrecken. Mit Hilfe der rotierenden Scheiben
sollen Turbulenzen an der Oberfläche der Filterscheiben
erzeugt werden, die einer Deckschichtbildung entgegenwirken. Der
Vorteil dieser Weiterentwicklung liegt darin, dass die Turbulenzscheiben
mit einer im Vergleich zu den Filterscheiben höheren Drehzahl
betrieben werden können.
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Eine
Abwandlung dieser bekannten Turbulenzscheiben ist in der
DE 697 31 738 beschrieben. Die
dort offenbarten Turbulenzscheiben weichen von der Kreisform ab
und werden in jeder Ebene von jeweils zwei achssymmetrisch zueinander
angeordneten Flügeln gebildet, die aufgrund ihrer S-förmigen Krümmung
neben Turbulenzen zusätzlich eine radial gerichtete Strömung
in den Zwischenräumen zweier Filterscheiben erzeugen.
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Eine
davon abweichende Art die Filterflächen eines Filterelements
frei von Verblockungen zu halten ist aus der
JP 62269708 A bekannt. Der
dort beschriebene Filter besitzt ebenfalls ein Filterpaket, das
sich aus einer Vielzahl von planparallel und in axialem Abstand
zueinander angeordneten Filterelementen zusammensetzt. Die Filterelemente
sind an ihren planen Oberflächen jeweils mit einer die
Filterflächen bildenden Membran belegt. Durch die axiale Staffelung
der Filterelemente ergeben sich zwischen den Filterflächen
Zwischenräume, durch welche der zu filtrierende Stoff zu
den Filterflächen gelangt. Ein solches Filterpaket ist
axial durchsetzt von einem Rotor mit einer Antriebswelle und zylindrischen
Bürstenelementen, die sich radial in die Zwischenräume
hinein erstrecken und mit ihrem Umfang an beiden den Zwischenraum
begrenzenden Filterflächen anliegen. Im Zuge der Rotationsbewegung
der Bürsten um die Drehachse des Rotors reiben die Bürsten
auf den Filterflächen und lösen auf diese Weise
Verblockungen. Diese Vorrichtung zeichnet sich also durch die kontaktbehaftete
Reinigung der Filterflächen aus mit dem beträchtlichen
Nachteil, dass sowohl die Bürstenelemente als auch die
Filterflächen einem mechanischen Verschleiß ausgesetzt
sind und dass insbesondere kompressible Feststoffe im Fluid-Feststoff-Gemisch,
wie zum Beispiel organische Stoffe, von den Bürsten in
die Poren der Filterfläche hineingetrieben werden und ein
vollständiges Verblocken der Filterfläche verursachen.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine
Filtervorrichtung anzugeben, die einer Deckschichtbildung äußerst
effektiv vorbeugt, ohne dabei den Verschleiß an den Filterelementen
oder den Energiebedarf zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung baut auf dem bekannten Prinzip auf, Verblockungen durch
Schaffung von Turbulenzen im Bereich der Filterflächen
zu verhindern oder gegebenenfalls zu lösen. Die erfindungsgemäße
Umsetzung dieses Prinzips sieht vor, die die Turbulenzen erzeugenden
Wirbel in ihrer Wirkungsweise derart zu beeinflussen, dass sich
deren Wirksamkeit bei der Freihaltung der Filterflächen
von Ablagerungen gegenüber bekannten Vorrichtungen sprunghaft
steigert.
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Erreicht
wird dies durch turbulenzerzeugende Mittel mit ausgeprägter
Längserstreckungsrichtung, das heißt die Länge
des turbulenzerzeugenden Mittels entspricht mindestens dem zehnfachen,
besser mindestens dem zwanzigfachen der größeren Querschnittsabmessung.
Bevorzugt ist ein Verhältnis von Länge zu Breite
oder Höhe ≥ 30, vorzugsweise ≥ 50, wobei
dazwischen liegende Werte auch ohne ausdrückliche Erwähnung
als mitoffenbart anzusehen sind. Die sich daraus ergebende schlanke
Bauform ermöglicht ein Hineinreichen der turbulenzerzeugenden
Mittel in den Zwischenraum zwischen den einzelnen Filterelementen,
wobei konstruktiv stets ein lichter Abstand zu den Filterflächen
eingehalten ist. Diese Konstruktionsart zeichnet sich also durch
eine berührungslose Betriebsart des Rotors aus.
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Im
Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lösen
sich entlang der oberen und unteren Längskanten der turbulenzerzeugenden
Mittel Wirbel senkrecht zur Rotationseben, und zwar aufgrund der wechselseitigen
Ablösung mit wechselnden Drehsinn, was allein schon zu
einer verbesserten Wirkungsweise führt. Hinzukommt, dass
infolge der Elastizität der turbulenzerzeugenden Mittel
und aufgrund des durch die Bewegung im Fluid-Feststoff-Gemisch induzierten
Strömungswiderstandes eine oszillierende Bewegung des Mittels
in und/oder senkrecht zur Ebene des Zwischenraums ergibt, mit der
Folge einer Variation der Wirbeleigenschaften hinsichtlich deren
Geometrie, Geschwindigkeit und Ausrichtung im Zwischenraum. Weiteren
Einfluss auf die erfindungsgemäße Wirbelbildung
nehmen die am freien Ende der turbulenzerzeugenden Mittel auftretenden
Endwirbel, deren Rotationsachse rechtwinklig zu den zuvor beschriebenen
Wirbel verläuft. Durch die bewusst herbeigeführte Überlagerung
der beiden Wirbelsysteme werden äußerst komplexe
dreidimensional verlaufende Strömungsverhältnisse
geschaffen mit dem Ergebnis, dass eine Deckschichtbildung äußerst
effektiv vermieden und gegebenenfalls vorhandene Ablagerungen wirksam
entfernt werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Ohne sich darauf einzuschränken, betrifft das Ausführungsbeispiel
die Filtration von Flüssigkeiten, aus denen beispielsweise Bakterien
entfernt werden sollen. Soweit möglich werden dabei zum
einfacheren Verständnis für gleiche oder funktionsgleiche
Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Es
zeigt
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1 einen
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung entlang der in 2 dargestellten
Linie I-I,
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2 einen
Querschnitt durch die in 1 dargestellte Vorrichtung entlang
der dortigen Linie II-II,
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3 einen
Teilschnitt durch einen Rotor im Bereich einer Aufnahme im Detail,
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4 einen
Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung mit über
den Umfang des Rotors in Gruppen angeordneten turbulenzerzeugenden
Mitteln,
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5 einen
Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung im
Bereich des Rotors mit unterschiedlich langen turbulenzerzeugenden
Mitteln,
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6 einen
Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung mit
exzentrisch angeordnetem Rotor,
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7 in
schematischer Darstellung die Auslenkung eines turbulenzerzeugenden
Mittels,
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8 einen
Teillängsschnitt durch eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Rotors mit Nabensegmenten,
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9 eine
Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung mit
einem Kontaktschutz an der Filterfläche,
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10 einen
Schnitt durch die in 9 gezeigte Ausführungsform
entlang der Linie X-X,
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11 eine
Detaildarstellung des Bereichs zwischen zwei Filterelementen und
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12 eine
Teilansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf eine Filterfläche.
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Aus
den 1 und 2 ist der genauere Aufbau einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich. Man
sieht ein zu einer Achse 1 rotationssymmetrisches zylindrisches
Gehäuse 2, dessen Stirnseiten von einem Deckel 3 und
einem Boden 4 verschlossen sind. Im vorliegenden Beispiel
ist die Achse 1 vertikal ausgerichtet, wobei auch eine
horizontale Anordnung der Achse 1 möglich ist.
Sowohl Deckel 3 als auch Boden 4 besitzen im Bereich
der Achse 1 jeweils eine Öffnung, in die ein Lager 5 beziehungsweise
eine Drehdurchführung 25 zur drehbaren und gleichzeitig
das Gehäuse 2 druckfest abdichtenden Aufnahme
eines Rotors 6 eingesetzt ist.
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Unterhalb
des Deckels 3 sieht man einen tangential in das zylindrische
Gehäuse 2 mündenden Einlauf 7, über
den die Beschickung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Fluid-Feststoff-Gemisch in Richtung des Pfeils 8 erfolgt.
Oberhalb des Bodens 4 ist ein radial aus dem Gehäuse 2 führender rohrförmiger
Feststoffabzug 9 mit integriertem Regulierorgan angeordnet.
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Das
Gehäuse 2 dient zur Aufnahme einer Filtereinheit 11 mit
einer Vielzahl ringscheibenförmiger Filterelemente 12,
die in 2 in einer Draufsicht und in 11 in
einem Teilschnitt dargestellt sind. Die Filterelemente 12 besitzen
einen doppelwandigen Aufbau um in ihrem Inneren einen Filtratraum 13 zu
erzeugen (11). Zumindest eine Seite, bevorzugterweise
sowohl die Ober- als auch Unterseite der Filterelemente 12 sind
permeabel und bilden somit Filterflächen 14 aus.
Im Zentrum der Filterelemente 12 sieht man eine zentrale
kreisförmige Öffnung 15. Dadurch weist
jedes ringscheibenförmige Filterelement 12 einen äußeren
Rand 16 und inneren Rand 17 auf, welche den Filtratraum 13 in
radialer Richtung begrenzen und abdichten. Beispielsweise kann ein Filterelement 12 aus
Keramik bestehen, mit einem Außendurchmesser von etwa 312
mm und einem Innendurchmesser von etwa 92 mm. Wie ferner aus 2 ersichtlich,
besitzt jedes Filterelement 12 mehrere im äußeren
Umfangsbereich in gleichmäßigen Umfangsabständen
angeordnete periphere Öffnungen 18, welche das
Filterelement 12 über seine gesamte Dicke durchdringen
und zu deren Rand hin der Filtratraum 13 offen ist.
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Eine
Vielzahl solcher Filterelemente 12 ist zu einem Filterpaket
zusammengefasst und als solches in das Gehäuse 2 eingesetzt.
Dabei nehmen die Filterelemente 12 eine koaxial zur Achse 1 liegende
Position ein, bei der sie unter Einhaltung eines radialen Abstandes
zur Innenwandung des Gehäuses 2 planparallel und
mit gegenseitigem axialem Abstand von beispielsweise 5 mm bis 10
mm übereinander liegen. Auf diese Weise entstehen zwischen
den einzelnen Filterelementen 12 sich senkrecht zur Achse 1 erstreckende
plane Zwischenräume 10. Die Fixierung der Filterelemente 12 im
Gehäuse 2 in dieser Position geschieht über
achsparallele Halterohre 19, die sich innerhalb der axial
fluchtend angeordneten peripheren Öffnungen 18 der
Filterelemente 12 bis über den Boden 4 des
Gehäuses 2 hinaus erstrecken. Im axialen Überlappungsbereich
zwischen den Halterohren 19 und den Filterelementen 12 besitzen
die Halterohre 19 in ihrem Rohrmantel Öffnungen,
die den Zutritt des Filtrats 22 ins Innere der Halterohre 19 ermöglichen.
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Zwischen
den einzelnen Filterelementen 12 sind im Bereich der peripheren Öffnungen 18 die
Halterohre 19 umlaufende Abstandshalter 20 zwischengeschaltet,
die nicht nur die axiale Höhe des Zwischenraums 10 definieren,
sondern auch eine abdichtende Funktion ausüben. Auf diese
Weise bilden Filtratraum 13 und Halterohre 19 ein
zusammenhängendes Kanalsystem, durch welches das Filtrat 22 mit
dem Durchtritt der Halterohre 19 durch den Boden 4 aus
dem Gehäuse 2 abgezogen und nicht weiter dargestellten
Verfahrensprozessen zugeführt wird.
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Der
radiale Wandabstand der Filterelemente 12 zum Gehäuse 2 ist
unter anderem vom Durchmesser der Filterelemente 12 und
dem Volumendurchsatz der Vorrichtung abhängig. Durch geeignete
Wahl des radialen Wandabstands kann eine laminare Fluidströmung
im umfangsäußeren Bereich des Gehäuses 2 erreicht
werden mit dem Vorteil lediglich geringer Druckverluste. Ohne sich
darauf einzuschränken, hat sich im Betrieb einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ein radialer Abstand im Bereich von 10 mm bis 30 mm,
vorzugsweise etwa 20 mm bewährt.
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Wie
vor allem aus 1 hervorgeht, durchsetzt der
bereits eingangs erwähnte Rotor 6 das Gehäuse 2 in
axialer Richtung und tritt im Betrieb einer erfindungsgemäßen
Filtervorrichtung mit der Filtereinheit 11 in Interaktion.
Dazu besitzt der Rotor 6 eine koaxial mit der Achse 1 verlaufende
Rotorwelle 23, d. h. die Rotorwelle 23 verläuft
im Zentrum der axial fluchtenden Öffnungen 15 der
Filterelemente 12 der Filtereinheit 11. Im Bereich
des Bodens 4 ist die Rotorwelle 23 in einem Lager 5 drehbar
gelagert; am Deckel 3 übernimmt eine Drehdurchführung 25 diese Funktion.
Das dortige Ende der Antriebswelle 23 ist mit einem mit 26 angedeuteten
Antrieb gekoppelt, der im vorliegenden Beispiel den Rotor 6 in
Richtung des Pfeils 21 dreht, aber auch mit gegenläufigem Drehsinn
betreibar ist um einen Reversierbetrieb zu ermöglichen.
Die Rotorwelle 23 hat beispielsweise einen Außendurchmesser
von 40 mm und hält einen radialen Abstand zum inneren Rand 17 der
Filterelemente 12 ein
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Aus 1 geht
ferner hervor, dass jeweils auf Höhe der Zwischenräume 10 und
ausgehend von der Rotorwelle 23 sich turbulenzerzeugende
Mittel 27 in die Zwischenräume 10 hinein
erstrecken. Zu diesem Zweck sind am Außenumfang der Rotorwelle 23 zylindrische
oder schlitzförmige Aufnahmen 32 (3, 8)
angeformt, in die die turbulenzerzeugenden Mittel 27 eingefügt,
eingeklebt oder anderweitig damit kraftschlüssig verbunden
werden. Es ist möglich jeder Aufnahme ein einzelnes turbulenzerzeugenden
Mittel 27 zuzuordnen wie in 2 dargestellt
oder aber zwei oder mehr zu Bündeln zusammengefasste turbulenzerzeugende
Mittel 27 pro Aufnahme 32 vorzusehen. Der Anschlusswinkel
der turbulenzerzeugenden Mittel 27 an die Tangente des Umfangs
der Rotorwelle 23 im Bereich der Aufnahme 32 kann
dabei 90° betragen, was einem radialen Anschluss an die
Rotorwelle 23 entspricht. Es ist auch möglich,
diesen Anschlusswinkel in einem Bereich von ±20° zu
variieren, um Einfluss auf die Wirbelbildung zu nehmen. Ebenso können
die turbulenzerzeugenden Mittel 27 eine gegenüber
der Ebene des Zwischenraums leicht geneigte Position einzunehmen.
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Wie
aus 3 hervorgeht besteht eine besondere Art der Befestigung
der turbulenzerzeugenden Mittel 27 an der Rotorwelle 23 darin,
das turbulenzerzeugende Mittel 27 um eine Achse 33 zu
knicken und mit seinem Knickpunkt in die Aufnahme 32 an
der Rotorwelle 23 zu stecken und dort zu fixieren. Durch
ein mittiges Knicken entstehen dadurch zwei gleich lange turbulenzerzeugende
Mittel 27, die sich mit gegenseitiger Spreizung in den
Zwischenraum 10 hinein erstrecken. Ein außermittiges
Knicken führt hingegen zu turbulenzerzeugenden Mitteln 27 unterschiedlicher
Länge. Je nach Ausrichtung der Knickachse 33 beim
Einstecken der turbulenzerzeugenden Mittel 27 in die Aufnahme 32 kann
eine Spreizung der turbulenzerzeugenden Mittel 27 in der
Ebene des Zwischenraums 10 oder aber auch senkrecht oder
schräg dazu erfolgen um die Wirbelbildung zu beeinflussen.
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Die
turbulenzerzeugenden Mittel 27 können, wie in 2 dargestellt,
in jeder Ebene in einem einheitlichen Umfangsabstand angeordnet
sein, das heißt die turbulenzerzeugenden Mittel 27 sind
gleichmäßig über den Umfang der Rotorwelle 23 verteilt. Alternativ
hierzu ist in 4 eine davon abweichende Verteilung
der turbulenzerzeugenden Mittel 27 dargestellt. Bei dieser
Ausführungsform sind die turbulenzerzeugenden Mittel 27 zu
Gruppen mit innerhalb der Gruppe engerem gegenseitigem Umfangsabstand
zusammengefasst, während die einzelnen Gruppen untereinander
einen größeren Umfangsabstand aufweisen.
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Bei
der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung besitzen die beispielsweise aus Polyamidfasern bestehenden
turbulenzerzeugenden Mittel 27 einer gemeinsamen Lotebene
auf die Achse 1 eine einheitliche Länge, zum Beispiel
90 mm bei einem Durchmesser von 1,6 mm, und erstrecken sich ausgehend
von der Rotorwelle 23 bis in den äußeren
Umfangsbereich der Filterelemente 12. Eine demgegenüber
abgewandelte Ausführungsform sieht die in 5 dargestellt
Ausbildung vor, bei der die Länge der turbulenzerzeugenden
Mittel 27 in Umfangsrichtung variiert, so dass sich eine
alternierende Abfolge von längeren turbulenzerzeugenden
Mitteln 27 und kürzeren turbulenzerzeugenden Mitteln 27' ergibt.
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Wie 6 zeigt
ist auch eine asymmetrische Verteilung unterschiedlich langer turbulenzerzeugender
Mittel 27 über den Umfang des Rotors 6 möglich. Die
damit einhergehende ungleiche Massenverteilung führt bei
Rotation des Rotors 6 zu einer gewollten Unwucht, durch
welche Vibrationen in die turbulenzerzeugenden Mittel 27 eingetragen
werden, deren Reinigungseffekt dadurch wiederum gesteigert wird.
Zusätzlich oder auch unabhängig davon kann die
Rotorwelle 23 exzentrisch zu den zentralen Öffnungen 15 der
Filterelemente 12 angeordnet sein. Dies bewirkt eine Störung
der ansonsten regelmäßig fließenden Kreisströmung
innerhalb des Gehäuses 2 und fördert
somit eine intensivere Verwirbelung.
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Die
turbulenzerzeugenden Mittel 27, 27' bestehen vorzugsweise
aus Metall- oder Kunststoffstäben, -drähten, -stiften,
-fasern oder -borsten mit über die Länge konstantem
Querschnitt und besitzen in einer einfachen Ausführungsform
einen Kreisquerschnitt (z. B. Durchmesser 1,5 mm) oder einen Rechteckquerschnitt.
Andere Querschnittsformen mit konkavem oder konvexem Querschnitts
liegen ebenso im Rahmen der Erfindung. Bei Verwendung eines gegenüber
den Filterelementen 12 weicheren Materials kann zudem sichergestellt
werden, dass bei ungewollten Berührungen der turbulenzerzeugenden Mittel 27 an
der Oberfläche der Filterelemente 12 kein Verschleiß an
den hochwertigen Filterelementen 12 entsteht.
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Wesentliches
Merkmal im Sinne der Erfindung ist, dass die turbulenzerzeugenden
Mittel 27 im lichten Abstand 28 zu den Filterflächen 14 angeordnet
sind (1 und 11), was jedoch nicht ausschließt,
dass im Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sich kurzzeitige gegenseitige Berührungen ergeben. Um jedoch
ehe im Wesentlichen kontaktlose Betriebsart zu ermöglichen,
können die turbulenzerzeugenden Mittel 27 so ausgebildet
sein, dass ihre Biegesteifigkeit senkrecht zur Ebene des Zwischenraums 10 größer
ist als quer dazu. Dies kann durch eine geeignete Querschnittswahl
erreicht werden, bei der z. B. die Querschnittsabmessungen senkrecht
zur Ebene des Zwischenraums 10 größer sind
als in der Ebene. Zudem können Profilierungen an der Oberfläche
der Mittel 27 bzw. besondere Querschnittsformen die Erzeugung
von Wirbeln begünstigen.
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In
der Ebene der Zwischenräume 10 ist nach einer
bestimmten Ausführungsform der Erfindung eine bestimmte
Biegesteifigkeit erwünscht, die eine elastische Verformung
der turbulenzerzeugenden Mittel 27 zulässt. Das
bringt zunächst bei der Endmontage einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung den Vorteil, dass ein fertig vormontierter Rotor mit
beispielsweise innerhalb eines Montagerohres in Umfangsrichtung
elastisch verformten turbulenzerzeugenden Mittel 27 in
die zentralen Öffnungen 15 der Filterelemente 12 eingeschoben
werden kann. Durch axiales Ziehen des Montagerohres nehmen dann
die turbulenzerzeugenden Mittel im Zuge ihrer elastischen Rückverformung
ihre bestimmungsgemäße Lage in den Zwischenräumen 10 ein.
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Im
Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt
eine gewisse Elastizität der turbulenzerzeugenden Mittel 27 eine
selbsttätige Anpassung an die Viskosität des Fluid-Feststoff-Gemischs 8 durch
Einnahme einer mehr oder minder gekrümmten Form. Zusätzlich
kommt es im Zuge der elastischen Ver- und Rückverformung
zu einer Variation der Umfangsgeschwindigkeit der turbulenzerzeugenden
Mittel 27 und damit zu sich ständig ändernden Wirbelablösungen. 7 zeigt
den Verlauf eines turbulenzerzeugenden Mittels 27 sowohl
in Ruhestellung (durchgezogene Linie) als auch in Betriebsstellung
(gestrichelte Linie), wobei die auf die auf die Länge L
bezogene Auslenkung A des Endes des turbulenzerzeugenden Mittels 27 bis
zu 100% betragen kann, im Regelfall jedoch unter 50% liegen wird.
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8 zeigt
einen alternativen Aufbau des Rotors 6 mit einer wiederum
durchgehenden Rotorwelle 23. Auf der Rotorwelle 23 sitzen
in axialer Staffelung drehfest mit der Rotorwelle 23 verbundene Nabenteile 24,
von denen aus sich wiederum die turbulenzerzeugenden Mittel 27 in
die Zwischenräume 10 hinein erstrecken.
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Die
in den 9 und 10 gezeigte Ausführungsform
der Erfindung, mit einem Rotor 6 mit 4 über den
Rotorumfang verteilten turbulenzerzeugenden Mittel 27,
betrifft einen Kontaktschutz für die Filterelemente 12,
der sicherstellt, dass die turbulenzerzeugenden Mittel 27 zu
keiner Zeit die empfindliche Oberfläche der Filterelemente 12 berühren.
Zu diesem Zweck ist an den betroffenen Filterflächen 14 jeweils
konzentrisch zur zentralen Öffnung 15 eine kreisförmige
Abstandsrippe 34 angeordnet, die monolithisch aus dem Filterelement 12 hervorgehen oder
auch nachträglich aufgebracht sein kann und deren über
die Ebene der Filterflächen 14 überstehende
umlaufenden Kante im Bedarfsfall den turbulenzerzeugenden Mittel 27 zur
Anlage dient. Insbesondere bei in Bündeln angeordneten
turbulenzerzeugenden Mitteln 27, die naturgemäß zu
einem Aufspreizen zum freien Ende hin neigen, wird auf diese Weise
ein wirksamer Schutz der Filterelemente 12 vor Verschleiß erreicht.
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Um
das Maß der Aufspreizung der turbulenzerzeugenden Mittel 27 zu
deren freiem Ende hin zu begrenzen ist gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
die Enden miteinander zu verbinden. Dies kann beispielsweise durch
Verkleben, Verschmelzen oder auch durch Aufsetzen einer Kappe geschehen.
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Die
Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nachstehend unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 11 und 12 näher
erläutert. Über den Einlauf 7 wird die
erfindungsgemäße Vorrichtung unter Druck mit einem
Fluid-Feststoff-Gemisch 8 beschickt. Das Gehäuse 2 ist
dabei zumindest teilweise mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch 8 befüllt.
Der Rotor 6 dreht sich mit konstanter oder auch variabler
Drehzahl in einem Bereich von etwa 400 bis 3000 Umdrehungen pro
Minute, was einer maximalen Umfangsgeschwindigkeit der Enden der turbulenzerzeugenden
Mittel 27 von etwa 50 m/s entspricht. Infolge des Drucks,
mit dem das Fluid-Feststoff-Gemisch in das Gehäuse 2 eingeleitet
wird, entsteht ein Druckgefälle gegenüber den
Filtraträumen 13 der Filterelemente 12.
Dieses Druckgefälle, auch als Transmembrandruck bezeichnet,
bewirkt ein Eindringen des Filtrats 22 über die
Filterflächen 14 in den Filtratraum 13,
wo es über das Kanalsystem aus dem Gehäuse 2 geführt
wird. Der damit einhergehenden Neigung zur Deckschichtbildung auf
den Filterflächen 14 wird durch eine hochturbulente
Strömung im Bereich der Filterflächen 14 entgegengewirkt,
die mittels des Rotors 6 erzeugt wird.
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In 11 ist
dabei die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Detail dargestellt. Die turbulenzerzeugenden Mittel 27 bewegen sich
angetrieben vom Rotor 6 in dem von den Filterflächen 12 axial
begrenzten Zwischenraum 10 auf einer Kreisbahn um die Achse 1 in
Richtung des Pfeils 29. Aufgrund der axialen Höhe
des Zwischenraums 10 und den Querschnittsabmessungen der
turbulenzerzeugenden Mittel 27 ergibt sich jeweils ein
lichter Abstand 28 zwischen den turbulenzerzeugenden Mitteln 27 und
den Filterflächen 14, der zu einer örtlichen
Verengung des Zwischenraums 10 führt.
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Durch
die Rotationsbewegung der turbulenzerzeugenden Mittel 27 wird
das Fluid-Feststoff-Gemisch 8 im Zwischenraum 10 ebenfalls
in Rotation versetzt. Nach der Grenzschichttheorie nimmt jedoch die
Geschwindigkeit des Fluid-Feststoff-Gemisches 8 in Richtung
zu den Filterflächen 14 hin ab. Die turbulenzerzeugenden
Mittel 27 bewegen sich daher relativ zum umgebenden Fluid-Feststoff-Gemisch 8, was
eine Umströmung des turbulenz-erzeugenden Mittels 27 bedingt.
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Durch
die Verengung im Bereich des lichten Abstands 28 erfährt
das Fluid-Feststoff-Gemisch 8 eine plötzliche
Beschleunigung. Die dadurch eingetragene kinetische Energie wird
in dem Bereich hinter dem turbulenzerzeugenden Mittel 27 in
Wirbeln 30 senkrecht zur Rotationsebene freigesetzt, die
sich wechselweise entlang der Längskanten des turbulenzerzeugenden
Mittels 27 ablösen, und auf diese Weise eine alternierende
Abfolge von Wirbeln 30 mit wechselndem Drehsinn erzeugen.
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Im
Gegensatz zu einer laminaren Überströmung oder
Wirbeln, wie sei beim Cross-Flow-Verfahren erzeugt werden, besitzen
die erfindungsgemäß erzeugten Wirbel 30 ein
erhebliches größeres Wirkungspotential, da sich
sowohl Richtung als auch Geschwindigkeit der der Deckschichtbildung
entgegenwirkenden Strömung ständig ändern.
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Zur
Steigerung des Wirkungsgrades ist gemäß einer
besonderen Ausführungsform der Erfindung eine Überlagerung
unterschiedlich ausgerichteter Wirbel beabsichtigt, um eine Zone
mit räumlich komplexen Strömungsverhältnisse
zu schaffen. Wie aus 12 ersichtlich, bilden sich
an den Enden der turbulenzerzeugenden Mittel 27 nach deren
Umströmen zusätzlich Wirbel 31 im Zwischenraum 10,
also in der Rotationsebene und somit um 90° versetzt zu den
unter 11 beschriebenen Wirbeln 30,
die senkrecht zur Rotationsebene ausgerichtet sind. Durch Überlagerung
dieser beiden Wirbelarten 30, 31 kommt es im äußeren
Umfangsbereich der turbulenzerzeugenden Mittel 27 zu den
erwünschten komplexen Strömungsverhältnissen.
Durch Längenvariation der turbulenzerzeugender Mittel 27, 27' beschränkt
sich diese Zone nicht allein auf den äußeren Umfangsbereich
der Filterfläche 14, sondern kann gezielt über
die gesamte Filterfläche 14 der Filterelemente 12 angewandt
werden, um so äußerst effektiv eine Deckschichtbildung
zu verhindern.
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Die
besondere Wirksamkeit der bereits unter 4 beschriebenen
Ausführungsform der Erfindung beruht auf dem unterschiedlichen
Umfangsabstand, mit dem die turbulenzerzeugenden Mittel 27 zueinander
angeordnet sind. Auf diese Weise entstehen Gruppen, bei denen die
turbulenzerzeugenden Mittel 27 in engem Umfangsabstand
zueinander angeordnet sind, während die einzelnen Gruppen
untereinander einen größeren Umfangsabstand aufweisen.
Dadurch ergeben sich geometrische Verhältnisse innerhalb
der Gruppen, bei denen infolge des geringen Umfangsabstands zweier
turbulenzerzeugender Mittel 27 nur Wirbel 30 mit
kleinem Durchmesser, aber großer Umfangsgeschwindigkeit
erzeugt werden. Hingegen führen die größeren
Umfangsabstände der Gruppen untereinander zu einem vergrößerten
Raum, der die Ausbildung von Wirbeln 30 größeren
Durchmessers bei kleinerer Umfangsgeschwindigkeit erlaubt. Die ständig
wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten führen
zu einer deutlich höheren Wirksamkeit gegen Verblockung
der Filterflächen 14. Zur Ausnutzung dieses Effekt
ist es nicht notwendig, dass die turbulenzerzeugenden Mittel 27, 27' in Gruppen
angeordnet sind. Vielmehr ist es auch möglich benachbarte
turbulenzerzeugende Mittel 27, 27' in jeweils
wechselndem Umfangsabstand anzuordnen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die in den
einzelnen Ausführungsformen beschriebenen Merkmalskombinationen
beschränkt ist, sondern auch Kombinationen von Merkmalen
unterschiedlicher Ausführungsformen umfasst. So ist es
beispielsweise möglich, turbulenzerzeugenden Mittel 27 mit
unterschiedlichem Umfangsabstand und mit unterschiedlicher Länge
miteinander zu kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2002/005935 [0006]
- - WO 2004/018083 [0007]
- - DE 69731738 [0008]
- - JP 62269708 A [0009]