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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Filtereinrichtung
zur filterhilfsmittelfreien Filtration. Insbesondere betrifft die
Erfindung ein Spaltfilter zur Fest/Flüssigtrennung und/oder Gasfiltration. Ganz
speziell betrifft die vorliegende Erfindung ein Spaltfilter mit
veränderbarer
Spaltweite. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur filterhilfsmittelfreien
Filtration.
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Hintergrund der Erfindung, Stand der Technik
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Die
Filtration insbesondere von Prozessflüssigkeiten gehört zu den
zentralen Grundoperationen der Verfahrenstechnik. Aufgrund spezifischer
Charakteristika der zu filtrierenden Medien und der Verfahrensbedingungen
hat jeder Trennprozess eigene Besonderheiten. Durch die Entwicklung
immer feinerer Partikel, bspw. in Lacken, Suspensionen und anderen
Produkten, und den steigenden Anforderungen an die Trenngrenzen
und das Kornspektrum sind neue Lösungsansätze notwendig
geworden. Dazu kommt, dass immer häufiger versucht wird, den Feststoffanteil
im Produkt zu steigern, weshalb steigende Viskositäten zu bewältigen sind.
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Bereits
vor langer Zeit wurden Filtereinrichtungen zur filterhilfsmittelfreien
Filtration von zu filtrierenden Medien, so genannte Spaltsiebe oder
Spaltfilter, mit veränderbarer
Spaltbreite entwickelt, die gegenüber den bis dahin bekannten
Spaltsieben den Vorteil boten, dass nicht mehr viele Einzelsiebvorrichtungen
mit verschiedenen Spaltweiten bereitgehalten werden mussten, über die
das Trenngut nacheinander geführt
wurde.
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So
ist bspw. aus der
DE
23 25 418 B2 ein Spaltsieb mit veränderbarer Spaltbreite bekannt,
das aus Siebstäben
und aus zwischen die Siebstäbe
eingesetzten, die Spalträume
zwischen den Siebstäben teilweise
ausfüllenden,
in einem Rahmen befestigten Elementen besteht, wobei die Siebstäbe und/oder die
Elemente Profilstäbe
mit beispielsweise keilförmigem
Querschnitt sind, deren Profil eine Veränderung der Spaltbreiten durch
unterschiedlich tiefe Lage der Elemente zwischen den Siebstäben erlaubt.
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Inzwischen
werden in der Dead-End-Filtration selbstreinigende Spaltfilter als
Alternative zu Beutel- und Schlauchfiltern eingesetzt. So lassen
sich mit Spaltrohrfiltern z.B. wässrige
oder aggressive Medien trennen. Diese Vorrichtungen bestehen aus
einem Spaltrohrfiltereinsatz, in dem ein Draht spulenförmig auf
Längsstäbe gewickelt
und an jedem Kreuzungspunkt verschweißt wird. Da der Stahldraht
auf den Längsstäben exakt
fixiert wird, ergeben sich gleichmäßige Spalten mit einer Spaltweite
von 30 bis 2000 μm.
Beim Durchströmen
des Filtereinsatzes lagern sich die Schmutzpartikel an den Spalten
ab. Wird der Filtereinsatz manuell oder von einem elektrischen Antrieb
gedreht, wird der Schmutz durch eine fest stehende Vorrichtung abgestreift
und sinkt in einen Schlammsammelraum, wo er durch Öffnen eines
Kugelhahns ausgetragen wird.
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Die
EP 0 810 010 B1 beschreibt
eine Filtereinrichtung zur filterhilfsmittelfreien Filtration von
zu filternden Medien, wobei als Filter ein drahtartiger Filterdraht
verwendet wird, der um einen mindestens weitgehend zylindrischen
ersten Tragkörper
zu einer Filterspule wickelbar ist, die von der zu reinigenden Flüssigkeit
in axialer und durch axiale Spalte der gewickelten Filterspule hindurch
in radialer Richtung durchströmbar
ist, wobei der Filterdraht zur Abreinigung der an ihm anhaftenden
Feststoffpartikel von dem ersten Tragkörper der ersten Filterspule
auf einen zweiten Tragkörper
einer zweiten Filterspule aufwickelbar ist.
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Nachteilig
an den aus dem Stand der Technik bekannten Spaltsieben oder -filtern
ist zum einen, dass sie mehrteilig ausgebildet sind, was herstellungstechnisch
sehr aufwändig
ist. Zum anderen benötigen
solche Lösungen
ein relativ großes
Bauvolumen in Relation zur Filterfläche.
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Ein
weiterer Nachteil bei ebenen bzw. bogenförmigen Spaltfiltern, für die auch
Lösungen
mit veränderlicher
Spaltweite bekannt sind, liegt darin, dass große Durchmesser bzw. eine geringe
oder fehlende Krümmung
der Drahtroste Stützstäbe quer
hinter den Filterdrähten
erforderlich machen, mit denen die Filterdrähte verschweißt sind
und so die gewünschte Spaltweite
gewährleisten,
aber andererseits auch die gewollte Änderung verhindern.
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Ebenfalls
nachteilig ist, dass für
die Reinigung der zylindrischen Spaltfilter separate Vorrichtungen
benötigt
werden, die das an den Spaltvorderseiten abgeschiedene Material
mittels schabender Werkzeuge fortlaufend oder in bestimmten zeitlichen Abständen abtragen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spaltfilter
bereitzustellen, das die genannten Nachteile des Standes der Technik
vermeidet.
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Diese
und weitere Aufgaben werden durch den Spaltfilter gemäß Anspruch
1 und das Verfahren gemäß Anspruch
22 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin
zeigen
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1A bis 1F schematisch
die erfindungsgemäß verwendeten
bevorzugten Profildrahtquerschnitte;
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2A bis 2D schematisch
den Aufbau einer Profildrahtwendel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in geschlossener und geöffneter
Stellung;
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3A bis 3C ein
aus erfindungsgemäßen Profildrahtwendeln
aufgebautes, in einem Gehäuse
angeordnetes Filterbündel
für eine
Filtration von außen
nach innen mit handbetätigter
Spaltweitenänderung;
und
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4A bis 4C ein
aus erfindungsgemäßen Profildrahtwendeln
aufgebautes, in einem Flüssigkeitsbehälter angeordnetes
Filterbündel
für eine Filtration
von innen nach außen
mit selbsttätiger,
d.h. vom Innendruck initiierter Spaltweitenänderung.
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Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Erfindungsgemäß ist ein
selbstreinigender und selbsttragender Spaltfilter mit veränderbarer, d.h.,
variabler Spaltweite aus einem in geeigneter, nachfolgend näher beschriebenen
Weise gewendelten Profildraht vorgesehen. Der Begriff „selbsttragend" meint in diesem
Zusammenhang, dass der erfindungsgemäße Spaltfilter keinen Stützkörper aufweist,
um den der Draht gewickelt werden muss.
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Bei
der Herstellung der Wendel aus elastisch-plastischem Material (z. B. Stahl oder
anderen bekannten Metallen bzw. metallischen Legierungen mit federelastischen
Eigenschaften, wie z.B. Messing, Nickel oder Titan) mit möglichst
scharfen Filtrierkanten, d.h., ohne oder mit einer nur sehr geringen
Kantenrundung < 0,1
mm, mit konstantem Querschnitt bei einem möglichst kleinen Außendurchmesser
kleiner dem etwa 20-fachen der maximalen Drahtabmessung (ähnlich einer
Zugfeder oder einer Bowdenzughülle),
entsteht eine formstabile, in Längsrichtung
vorgespannte zylindrische Struktur, die bei Längsstreckung mit einer die
Vorspannung überschreitenden
wegproportionalen Zugkraft innerhalb des elastischen Bereiches der
Materialbeanspruchung einen gleichmäßigen Öffnungsspalt zwischen den Wendellagen über die
gesamte Länge
ergibt. Die Formstabilität
ist vornehmlich abhängig
von dem bei Schraubenfedern als Wickelverhältnis w bekannten Quotienten
aus mittlerem Windungsdurchmesser D und maximaler radialer Profilabmessung (Profildicke)
d. Dieses liegt bei technischen Zugfedern üblicherweise im Bereich w =
3 bis 20. Für
die Zugvorspannung kommt neben dem Wickelverhältnis w = D/d noch die Wickelsteigung,
d.h. die Profilabmessung in Wendellängsrichtung (entspricht etwa der
Profilbreite b), hinzu, wobei bei üblichen Zugfedern aus Runddraht
b = d gilt. Der Drahtquerschnitt beträgt vorzugsweise 0,2 bis 4 mm2. Bei einem bevorzugten Verhältnis b/d
= 2/1 entspricht das einer Profildicke d (in radialer Richtung der
Wendel) von etwa 0,25 bis 1,5 mm und einer Profilbreite b (in Längsrichtung
der Wendel) von etwa 0,5 bis 3 mm. Außen- bzw. Innendurchmesser
betragen so bei einem gegenüber
normalen Zugfedern reduzierten Wickelverhältnis von w = 3 bis 10 etwa
Da = 1,0 bis 15 mm bzw. Di =
0,5 bis 12 mm. Die Wendellänge
kann bei der Herstellung beliebig lang sein, wird allerdings für die Verwendung
als Spaltfilter zur Gewährleistung einer
hinreichend konstanten Spaltweite über die Wendellänge bei
horizontaler Einbaulage vorzugsweise nicht mehr als ca. 100 Drahtwindungen
(d.h. < 50 bis
300 mm) und bei vertikaler Einbaulage nicht mehr als ca. 500 Drahtwindungen
(d.h. < 250 bis 1.500
mm) betragen.
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Die
Federsteifigkeit ist u.a. umgekehrt proportional der 3. Potenz des
Wickelverhältnisses,
d.h. bei einer Vergrößerung des
Wickelverhältnisses
auf das 10-fache, wie es bei bekannten gewickelten zylindrischen
Spaltfilterkörben üblich ist,
sinkt die Längssteifigkeit
auf 1/1000 ab, so dass ohne stützende
Tragstäbe
keine gleichmäßige Spaltweite
zu garantieren wäre.
Allein das Eigengewicht der Profildrähte würde ohne Tragstäbe schon
zu nicht tolerierbaren Deformationen sowohl in Wendellängsrichtung als
auch der radialen Lage zweier benachbarter Windungen führen.
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Der
erfindungsgemäß verwendete
Profildraht ist in seinem Querschnitt vorzugsweise in Wendellängsrichtung
größer als
in radialer Richtung, wodurch bei gleicher Materialdeformation und
gleichem Wickelverhältnis
kleinere Außendurchmesser und
eine stärkere
Längsvorspannung
möglich
sind als bei den herkömmlichen
Spaltfilterprofilen mit entgegengesetzten Querschnittsrelationen,
weil bei diesen die größere Profilhöhe für die Biegesteifigkeit
der Drahtprofile zwischen den Tragprofilen erforderlich ist.
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Im
Allgemeinen werden erfindungsgemäß Profildrähte 2 mit
unrundem, d.h., ovalem oder polygonalem, vorzugsweise einfach symmetrischem,
konischem Querschnitt mit mindestens zwei gegenüberliegenden, möglichst
scharfen, d.h., nicht oder nur minimal gerundeten Kanten 4 verwendet,
die innerhalb der Wendeloberfläche
nur einen einzigen Filterspalt in Form einer Schraubenlinie bilden.
Je nach vorgesehener Filtrierrichtung von außen nach innen oder von innen
nach außen
ist der Spalt-Öffnungswinkel
auf der Eintrittsseite sehr groß,
d.h. nahe bei oder gleich 180°,
und auf der Austrittsseite relativ klein, jedoch > 0° (vgl. 1A bis 1F und 2A bis 2D).
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Der
bevorzugte Profildrahtquerschnitt ist ein Zweikant-Profil ("nicht ganz halbrundes
Profil") gemäß 1A.
Es handelt sich um einen einseitig ebenen Ovaldraht 6,
wobei der nicht ganz halbrunde Querschnitt (die Profildicke d ist
nur geringfügig
kleiner als die Hälfte
der Profilbreite b) von selbst die für den Filtrierspalt gewünschte positive
Konizität
a in Durchströmungsrichtung
ergibt. Weitere bevorzugte Ausführungsformen
sind ein beidseitig konkaver Ovaldraht 8 (1B),
sowie ein konvex-konkaver Ovaldraht 10 (1C).
Ihr Vorteil gegenüber
dem erstgenannten Zweikant-Profil besteht in einer günstigeren
Herstellung. Drei weitere bevorzugte Ausführungen gemäß den 1D bis 1F haben
als Vormaterial gebräuchliche
Flachdrahtprofile 12, vorzugsweise mit geschnittener Kante
und dem gewünschten
Dicken-Breiten-Verhältnis, die
durch entsprechendes Nachwalzen mit der geforderten Konizität a versehen
werden, entweder ohne Querstauchung (1D) oder
mit Querstauchung (1E) oder durch Querbiegung (1F).
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Diese
Profile erfüllen
nicht nur die vorgenannten, als positiv für die erfindungsgemäße Lösung erwähnten geometrischen
Relationen, sondern sind bei der Herstellung durch Ziehen und/oder
Walzen weniger werkzeugaufwändig
und bei der Weiterverarbeitung in Federnwindemaschinen auch einfach und
sicher zu führen.
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Durch
das Wendeln des Profildrahtes 2 mit kleinem Wendeldurchmesser
und Längsvorspannung
der aneinander liegenden Drahtwindungen ähnlich einem Zugfederstrang
wird somit ein radial nach innen (2A und 2B)
oder außen (2C und 2D)
aufgehender, konischer Spalt, jeweils beginnend bei Spaltweite 0,
erhalten. 2A zeigt schematisch den Aufbau
einer Profildrahtwendel 14 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
für eine
Filtration von außen nach
innen bei noch geschlossenem Spalt mit den geometrischen Profil-
und Wendelparametern Profilbreite b, Profildicke d, Windungsdurchmesser
D, Innendurchmesser Di und Außendurchmesser
Da. 2B zeigt schematisch die gleiche Profildrahtwendel 14,
allerdings in Betriebsstellung mit geöffnetem Filterspalt unter Angabe
der Spaltweite s und der hier nach innen weiter zunehmenden Konizität a sowie
des Zulaufs des zu filtrierenden Mediums (Pfeile 16) und
des Ablaufs des Filtrats (Pfeil 18). 2C zeigt
schematisch den Aufbau einer Profildrahtwendel 20 einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
für eine
Filtration von innen nach außen
bei noch geschlossenem Spalt. 2D zeigt
schematisch die gleiche Profildrahtwendel 20 wie 2C,
allerdings in Betriebsstellung mit geöffnetem Filterspalt unter Angabe
des Zulaufs des zu filtrierenden Mediums (Pfeil 22) und
des Ablaufs des Filtrats (Pfeile 24).
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Durch
Längsstreckung
der einzelnen Wendeln 14, 20 (vgl. 2B und 2D)
oder von bündelweise
angeordneten Wendeln 26 (vgl. z.B. die 3A und 3B,
wobei 3A einen Schnitt entlang der
Linie A-A der 3A darstellt) mit ein- oder beidseitig
kraftschlüssig
und mediendicht angeordneten Anschlüssen 28 erfolgt eine über die
Wendellänge
gleichmäßige, wegproportionale,
sehr feinfühlige
Spaltöffnung.
So ergibt z.B. eine Profilbreite b von 1 mm, eine Wendellänge von
100 mm und eine Streckung um 1 mm eine mittlere Spaltweite s von
nur 10 μm.
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Je
nach Spaltrichtung, d.h., Spaltorientierung, erfolgt nun die Filtration
von außen
nach innen (2B, 3A und 3C)
oder von innen nach außen
(2D, 4A und 4C). In
den 3A und 4A ist
der Zulauf des zu filtrierenden Mediums mit 30 und in 3A der
Ablauf des Filtrats mit 32 gekennzeichnet. Bei der Filtration
von innen nach außen
(vgl. 4A und 4C) besteht
außerdem die
verfahrenstechnisch günstige
Möglichkeit,
die Spaltöffnung
durch den Staudruck des zu filtrierenden Mediums zu bewirken, wobei
die Spaltweite staudruck- und somit volumenstromabhängig ist.
Bei Beendigung des Volumenstromes schließt sich der Spalt wieder von
selbst und bewirkt dabei auch noch eine selbsttätige Abreinigung der zurückgehaltenen Feststoffpartikel
(z.B. Schmutzpartikel in einer Hydraulikflüssigkeit). Außerdem wirkt
ein derartiger „Rücklauffilter" 38 bei
Einbau bspw. in einen Öltank 40 gleichzeitig
als Strömungsdiffusor
zur Beruhigung des Rücklaufstromes
in den Tank 40 (vgl. 4A).
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Die
einfache Reinigung des erfindungsgemäßen Filters erfolgt nicht nur
durch Schließen
des Spaltes beim Entspannen der Wendel (diese Methode funktioniert
vornehmlich bei körnigen
und ähnlichen
Feststoffen, die sich an der Spaltvorderseite ansammeln). Bei klebrigen
bzw. faserigen Bestandteilen des Filterkuchens wird, wie auch sonst üblich, auch
durch Rückspülen gereinigt,
allerdings hier vorzugsweise bei gleichzeitiger weiterer Vergrößerung der
Spaltweite z. B. auf ein mehrfaches des beim Filtrieren eingestellten
Wertes.
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Der
erfindungsgemäße Filter
erlaubt einen geringeren Bauraum bei gleicher Filterfläche. So
ergibt sich z. B. für
die beiden in den 3A bis 3C und 4A bis 4C dargestellten
Bündelvarianten
nur ca. 1/4 des Volumens je m2 Filterfläche eines üblichen
zylindrischen Spaltfilters mit dem gleichen Durchmesser wie die
hier gewählten
Bündelaußendurchmesser.
Die vorzugsweise beidseitig kraftschlüssig und mediendicht angeordneten
Anschlüsse 28 für die Filterbündel bestehen
vorzugsweise aus jeweils drei deckungsgleichen Lochplatten 44, 46,
wobei die außen
liegenden 44 starr sind und die dazwischen liegende 46 elastisch
ist (bspw. aus Gummi oder ähnlichem
Material). Die Lochplatten können
von einem einteiligen (3A bis 3C), z.B.
tiefgezogenen und bei der Montage umbördelten, oder einem mehrteiligen
(4A bis 4C) Verbindungsflansch 48, 34 umschlossen
und dabei so gegeneinander gepresst werden, dass alle Wendelenden
an Ihrem Außendurchmesser
vom Gummi gehalten und gedichtet werden (3C und 4C).
Bei größeren Bündeln können die
jeweils drei Lochplatten zusätzlich
noch durch einzelne Verbindungselemente 50 (4B,
die einen Schnitt entlang der Linie B-B der 4A darstellt),
z.B. Schrauben oder Nieten oder dergleichen, verspannt sein.
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Das
nicht ganz halbrunde Profil des Drahtes hat den Vorteil, dass der
Spalt bereits an seinem „Anfang" eine positive Konizität aufweist,
die stetig zunimmt. Außerdem
lassen sich mit diesem Profil kleinere und gleichmäßigere Windungsdurchmesser
als mit V- oder trapezförmigen
Profilen, die höher
als breit sind, erzielen.
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Die
Spaltverstellung durch Längenänderung der
Wendeln kann, wie in 3A gezeigt, sehr einfach mittels
bspw. einer Verstellspindel 52 und einem Drehknopf 54 erfolgen,
wie es von Ventilstelleinrichtungen bekannt ist. In der in 3A dargestellten Ausführungsform
sind die bündelweise
angeordneten Wendeln 26 dazu in ein Gehäuse 42 eingesetzt, so
dass die Filtereinrichtung abgeschlossen ist. Die bei der Filtration
durch Schließen
des Spalts abgefilterten Feststoff- bzw. Schmutzpartikel werden in einem
außerhalb
der Filtereinrichtung am Boden des Gehäuses 42 angeordneten,
so genannten Schlammsammelraum 56 gesammelt und können durch öffnen der
Ablassschraube 58 entfernt werden.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß der 4A befindet
sich der Schlammsammelraum 60 zur Aufnahme der Schmutzpartikel
innerhalb der Filtereinrichtung und kann nach Ausbau derselben aus
dem Tank 40 durch öffnen
der Ablassschraube 62 entleert werden.
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Der
erfindungsgemäße Spaltfilter
kann bspw. für
die Fest/Flüssigtrennung,
z.B. bei der Schlammentwässerung
oder der Feststoffabscheidung aus Flüssigkeiten, u.a. in Bergbau,
Hydraulik, Papierindustrie, chemischer Industrie, beim Recycling
und im kommunalem Bereich angewendet werden. Andere mögliche Anwendungsgebiete
sind die Gasfiltration sowie die Sortierung und Klassierung von
Granulaten und ähnlichen
Korngemischen.
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Im
Gegensatz zu bei bekannten Spaltfiltern verwendeten geschweißten Drahtrosten,
die eine gewollte Änderung
der Spaltweite verhindern, kann erfindungsgemäß durch sehr enges (kleines)
Wickelverhältnis
D/d und dichtes (Anfangsspaltweite 0) Wendeln des Profildrahtes
mit einem vorzugsweise „knappen", d.h., nicht ganz
halbrunden Profil, ähnlich einer
Bowdenzughülle
oder eines Zugfederstranges, sowohl auf die aufwendigen Stützprofile
verzichtet werden (selbsttragender Spaltfilter), als auch eine stufenlose,
gleichmäßige Spaltweitenänderung durch
einfaches Strecken der Wendel erzielt werden.
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Durch
die Möglichkeit,
Automaten zur Zugfederherstellung bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Filter
zu verwenden, können
die erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen
erheblich kostengünstiger
produziert werden.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen
Spaltfiltern, bei denen aufwändige,
separate Vorrichtungen zur Reinigung der zylindrischen Spaltfilter
verwendet werden, können
diese erfindungsgemäß ganz entfallen,
da die Abreinigung durch Aufheben der Wendelstreckung und damit
das Schließen
des Filterspaltes erfolgt.
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Der
erfindungsgemäße Spaltfilter
zeigt ein geringes Bauvolumen in Relation zur Filterfläche, was
erheblich günstiger
ist und durch Bündelanordnung
vieler Wendel zu noch größeren Filterflächen bei
kleinem Bauvolumen führen
kann.