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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Fluid, insbesondere Filtervorrichtung, mit mindestens einem ersten und einem zweiten rohrförmigen Element, die miteinander einen Elementverbund bilden, wobei das eine Element unter Bildung eines Strömungsraumes zwischen den beiden Elementen in dem anderen Element derart aufgenommen ist, dass ein erstes Element in Richtung der Anströmseite eines zu behandelnden Fluids und ein zweites Element in Richtung der Abströmseite des behandelten Fluids im Elementverbund angeordnet ist, und wobei beide Elemente während der Fluidbehandlung in Hintereinanderfolge von Richtung der Anströmseite kommend zu der Abströmseite durchströmt sind.
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Eine derartige Vorrichtung zum Behandeln von Fluid ist beispielsweise aus
DE 10 2010 003 961 A1 , welche eine Filtervorrichtung für Fluide offenbart, bekannt. Die bekannte Filtervorrichtung weist ein Filtergehäuse auf, in dem mindestens ein, vorzugsweise zwei, eine Längsachse definierendes Filterelement in Form einer Filterpatrone aufnehmbar ist, die an zumindest einem Ende eine eine Einfassung für den betreffenden Endrand des Filtermaterials bildende Endkappe aufweist, die zur Lagefixierung des Filterelements in seiner Funktionsposition an einer mit dem Bodenteil des Filtergehäuses zusammenwirkenden Elementaufnahme festlegbar ist. Die Elementaufnahme bildet für aus dem Filterhohlraum des Filterelements austretendes, abgereinigtes Fluid einen Fluidweg und enthält eine den Fluidweg sperrende Ventilanordnung. Weiter ist an der an der Elementaufnahme festzulegenden Endkappe des Filterelements eine Steuereinrichtung vorgesehen, die bei der Funktionsposition die Ventilanordnung entsperrt.
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DE 103 52 703 B4 offenbart eine Filtervorrichtung mit einem Filtergehäuse und mit einem im Filtergehäuse aufnehmbaren und tauschbaren Filtereinsatz, der ein Filtermaterial aufweist, wobei der Filtereinsatz in Segmente unterteilt zwischen sich jeweils einen Fluidraum begrenzt, von dem aus das zu filtrierende Fluid in entgegengesetzten Richtungen die Segmente mit dem Filtermaterial durchströmt. Ein Deckelteil des Filtergehäuses weist eine Vielzahl an Fluiddurchlassstellen auf, durch die zu filtrierendes Fluid über eine Ausnehmung im Deckelteil in die Vorrichtung eintritt, wobei der Fluidraum in Längsrichtung desselben von einem Bodenteil des Filtergehäuses zum Deckelteil desselben sich konisch erweitert und wobei mehrere stegartige Verlängerungen des bodenseitigen Abschlussteils miteinander Fluiddurchlässe begrenzen.
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Je nach Einsatzzweck, beispielsweise bei einer Trink- oder Prozesswasseraufbereitung, stoßen die bekannten Filtervorrichtungen an ihre Grenzen. Neben einer Erhöhung des Wirkungsgrads beim Behandeln von Fluid ist die Durchführung von bedarfsoptimierten Behandlungsschritten, wie der Abscheidung von Feststoffen, Flüssigkeiten oder einer Kombination von Feststoffen und Flüssigkeiten, erwünscht.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten einer Vorrichtung zum Behandeln von Fluid zu erweitern, wobei insbesondere bedarfsoptimiert unterschiedliche Behandlungsschritte durchführbar sein sollen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Behandeln von Fluid mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit sowie durch eine Fluidbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 in seiner Gesamtheit. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln von Fluid zeichnet sich dadurch aus, dass bezogen auf eine gemeinsame Ansichtsrichtung das der Anströmseite zugewandte erste Element zumindest teilweise eine gleichförmige oder ungleichförmige Kontur und das der Abströmseite zugewandte zweite Element zumindest teilweise eine ungleichförmige oder gleichförmige Kontur aufweist. Durch die gleich- oder gegenstückartige Ausbildung der beiden Elemente mit gleichförmigen Konturen, ungleichförmigen Konturen oder einer Kombination aus gleichförmiger und ungleichförmiger Kontur ist eine hoch spezialisierte, anforderungsindividuelle Ausgestaltung der Vorrichtung zum Behandeln von Fluid erreicht, wobei über die Wahl der jeweiligen Kontur der oder die mit dem jeweiligen Element durchführbaren Behandlungsschritte sowie die erwünschten Eigenschaften, wie ein bestimmtes Durchströmungsverhalten, und das Leistungsvermögen der Vorrichtung mit den durchströmbaren Elementen festgelegt wird. Durch den zwischen den beiden kaskadenartig angeordneten Elementen ausgebildeten Strömungsraum wird das dort einströmende Fluid großflächig und weitestgehend gleichmäßig auf die Einströmfläche des zweiten Elements geleitet. Auf diese Weise sind eine gute Durchströmung der Vorrichtung mit Fluid und ein hoher Wirkungsgrad der mit der Vorrichtung durchgeführten Behandlungsschritte gewährleistet.
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Die gemeinsame Ansichtsrichtung kann von außen auf den Elementverbund, aber auch von innen heraus, gegeben sein. Bei einer Filtrationsrichtung von außen nach innen ergibt sich einen Trennung „fest-flüssig“. Bei einer Filtrationsrichtung von innen nach außen ergibt sich eine „flüssigflüssig“ oder eine „flüssig-gasförmige“ Koaleszenz. Bei der Filtrationsrichtung respektive der gemeinsamen Ansichtsrichtung von außen nach innen ist die Kontur des ersten Elementes, das der Anströmseite zugewandt ist, gleichförmig und die Kontur des zweiten Elements, das der Abströmseite zugewandt ist, ungleichförmig. Bei der Filtrationsrichtung respektive der gemeinsamen Ansichtsrichtung von innen nach außen ist mithin die Kontur des ersten Elementes (vormals das zweite Element), das der Anströmseite zugewandt ist, ungleichförmig und die Kontur des zweiten Elements (vormals erstes Element), das dann der Abströmseite zugewandt ist, gleichförmig. Unabhängig von der jeweiligen Ansichts- oder Durchströmungsrichtung des Elementverbundes kann jedenfalls immer ein Element eine gleichförmige Kontur aufweisen und das andere Element eine ungleichförmige.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der gemeinsamen Ansichtsrichtung in einem vorgebbaren Sektor bei der gleichförmigen Kontur eine Elementgeometrie des einen Elements sich in gleichförmiger Ausprägung stetig wiederholt und die ungleichmäßige Kontur des anderen Elements mit ihrer Elementgeometrie unstetig verläuft. Die sich in gleichförmiger Ausprägung stetig wiederholende Elementgeometrie ist vorzugsweise durch eine entsprechende Faltung eines ein- oder mehrlagigen Materials, insbesondere eines Filtermaterials, gebildet. Hierbei ist vorzugsweise die gleichförmige Kontur durch gleichartige Elementfalten, insbesondere Filterfalten, gleicher Höhe und die ungleichförmige Kontur durch Elementfalten, insbesondere Filterfalten, mit zumindest unterschiedlicher Faltenhöhe vorgegeben.
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Vorgebbarer Sektor im Sinne der Erfindung meint einen vorgebbaren Winkelabschnitt der rohrförmigen, typischerweise koaxial zueinander angeordneten, Elemente. Das radial außenliegende, erste oder zweite, Element weist einen größeren Umfang und folglich im vorgebbaren Sektor einen größeren Bogenabschnitt auf. Je nach Durchströmrichtung der Vorrichtung, von innen nach außen oder von außen nach innen, sind die Konturen und die durch diese festgelegten Anström- und Abströmflächen bedarfsgerecht ausgestaltet. Eine beispielsweise durch Elementfalten gebildete Kontur ist zweckmäßigerweise in einer vertikalen, parallel zur axialen Ausrichtung des Elementverbunds verlaufenden Richtung ausgerichtet und gibt dementsprechende An- oder Abströmkanäle vor. Es ist jedoch auch vorstellbar, An- oder Abströmkanäle in einer von der vertikalen Richtung abweichenden Ausrichtung und alternativ oder zusätzlich in einem bogenförmigen Verlauf am jeweiligen Element auszugestalten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die stetig ausgebildete Elementgeometrie innerhalb des Sektors durch Teile eines Hohl- oder Wickelzylinders aus filtrierendem und/oder koalisierendem Material oder durch eine Anzahl von Elementfalten eines Filter- und/oder Koaleszermaterial gebildet, die einen wellenförmigen Verlauf mit gleicher Frequenz und gleicher Amplitude aufweisen. Durch die anforderungsindividuelle Ausgestaltung der Elemente aus einem filtrierendem und/oder einem koalisierenden Material sowie eine zugehörige Formgestaltung werden bestmögliche Eigenschaften der Vorrichtung zum Behandeln von Fluid eingestellt.
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Sofern eine Abscheidung von partikelförmigen Feststoffen, wie Sand, Rost, Abrasion, Paraffine, Asphaltene oder dergleichen, werden beide Elemente aus einem filtrierenden Material gebildet. Bei einer Abscheidung von Flüssigkeiten, wie Aerosole, Ölnebel, Kondensate oder dergleichen, werden beide Elemente aus einem koalisierenden Material gebildet. Bei einer Kombination der Abscheidung von Feststoffen und Flüssigkeiten wird ein Element aus einem filtrierenden und ein anderes Element aus einem koalisierenden Material gebildet. Hierbei ist vorzugsweise das der Anströmseite zugeordnete erste Element zur Partikelfiltration und das der Abströmseite zugeordnete zweite Element zur Koaleszenzfiltration ausgebildet. Je nach Einsatzzweck können die Filtermedien zur Oberflächenfiltration oder zur Tiefenfiltration geeignet gewählt sein. Bei einer reinen Feststoffabscheidung weist typischerweise das zuerst durchströmte erste Element eine gröbere Filterfeinheit als das danach durchströmte zweite Element auf.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die unstetig gebildete Elementgeometrie innerhalb des Sektors durch eine Anzahl von Elementfalten eines weiteren oder gleichen Filter- und/oder Koaleszermaterial gebildet, die einen Wellenverlauf mit gleicher Frequenz und verschiedener Amplitude aufweisen. Je nach Durchströmungsverhalten und Filter- bzw. Koaleszereigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im vorgebbaren Sektor die Anzahl, die Frequenz und die Anordnung der Elementfalten der beiden Elemente gewählt. Typischerweise sind die Elementfalten der beiden Elemente derart zueinander angeordnet, dass im jeweiligen Sektor zumindest eine Elementfalte des einen Elements mit einer weiteren Elementfalte des anderen Elements zur Symmetrieachse der rohrförmigen Elemente fluchtend ausgerichtet ist. Durch eine Anordnung von zwei aus Filterfalten gebildeten Elementen ist eine auf die jeweilige Filtrationsaufgabe abgestimmte Filterleistung und weiter eine hohe Betriebssicherheit, auch bei Schmutzschüben durch einen Kaskadeneffekt beim Durchströmen der Vorrichtung, sichergestellt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die vorgebbaren Sektoren in Hintereinanderabfolge mit ihren jeweils stetig und unstetig verlaufenden Elementgeometrien je den einen Hohlzylinder für das eine und das andere Element aus. Durch die gleichförmige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gleichförmige Prozessleistung, insbesondere eine gleichmäßige Filter- und/oder Koaleszerleistung, der Vorrichtung über deren gesamte Mantelfläche erreicht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zumindest innerhalb eines Sektors die unstetig verlaufenden Elementfalten in Hintereinanderabfolge auf Abstand unter Bildung einer Kanalführung und anschließend auf Block gehalten, und im zuordenbaren Sektor überdecken die stetig verlaufenden Elementfalten an vorgebbaren Stellen ihrer Umlenkung mit einem Radialversatz zumindest teilweise die Kanalführung. Durch die Anordnung und Ausgestaltung der Elementfalten am jeweiligen Element werden dort bedarfsgerecht An- und Abströmkanäle für das zu behandelnde Fluid ausgebildet. Durch die zumindest teilweise Überdeckung der Kanäle an den beiden benachbart in- bzw. zueinander angeordneten Elementen wird eine weitestgehend störungsfreie Durchströmung und eine entsprechende Verlangsamung oder Beschleunigung des durchströmenden Fluids beim Kontakt mit der jeweiligen An- oder Abströmfläche erreicht.
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Weiter ist vorteilhaft, dass das Verhältnis der Elementzahlen in mindestens einem benachbarten Sektor von stetiger zu unstetiger Elementgeometrie zwischen 1 zu 2 bis 1 zu 4 liegt. Typischerweise ist das eine größere Elementzahl im vorgegebenen Sektor aufweisende Element radial außen angeordnet und je nach Durchströmungsrichtung der Vorrichtung das erste oder zweite Element. Durch das Verhältnis der Elementzahlen im vorgegebenen Wertebereich lässt sich eine besonders gut graduierte Filtrationsleistung einstellen mit einem hohen Speichervolumen für Verschmutzung und einer guten Abstufung zwischen Grobfiltration im ersten Element und Feinfiltration im zweiten Element. Die Elementfalten weisen an der An- bzw. Abströmseite je nach Ausgestaltung jeweils einen kantenartigen oder einen wellenartigen Übergang auf.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist je nach Anströmrichtung des Elementverbundes zumindest das auf der Abströmseite liegende Element außen- und/oder innenumfangsseitig mit einer Stützstruktur, wie vorzugsweise einem perforierten Stützrohr, versehen. Je nach Ausgestaltung der Elemente ist radial innen- oder außenliegend jeweils eine vorzugsweise gitterartige Stützstruktur vorgesehen, wodurch die Formstabilität des Elementverbunds im Betrieb während der Behandlung von Fluid erhöht ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen den beiden Elementen im Elementverbund ausschließlich oder zusätzlich eine Drainagelage angeordnet, die auch in der Art eines Hohlraumes zwischen den Elementen ausgebildet sein kann. Die Drainagelage füllt den Strömungsraum zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus und bewirkt ein gewünschtes Strömungsverhalten des Fluids beim Übertritt vom ersten Element zum zweiten Element. Der Strömungsraum weist die Form eines radialen Ringraums auf mit vorzugsweise konstanter radialer Erstreckung. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen mit variabler Ausdehnung, beispielsweise durch Erweiterungen oder Verengungen in axialer oder radialer Richtung, vorstellbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient zumindest eines der Elemente als Trenn- oder Koaleszerfilter ausgebildet der Phasenauftrennung flüssiger Medien, wie Suspensionen, insbesondere der Abtrennung von Wasser und/oder Luft aus Betriebsmedien, wie Hydrauliköl oder Kraftstoff, und das jeweils andere Element dient der Abreinigung von partikulären Verschmutzungen aus dem Medienstrom. Eine derart ausgebildete Vorrichtung ist besonders gut geeignet für den Einsatz in einer Anlage zur Prozess- oder Trinkwasseraufbereitung aus Meer- oder Oberflächenwasser eines Gewässers. Die unterschiedlichen Behandlungsschritte sind clusterartig dem einen Element zur Phasenauftrennung flüssiger Medien und dem anderen Element zur Abreinigung des Medienstroms zugeordnet. Besonders bevorzugt sind die beiden Elemente lösbar zum Elementverbund zusammengesetzt und an diesem unabhängig voneinander austauschbar. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass je nach Verschmutzung oder Beanspruchung während des Filtrations- und Koasleszenzbetriebes die Elemente bedarfsgerecht einzeln ausgetauscht werden können und eine kosten- und materialsparsame Betriebsweise der Vorrichtung gewährleistet ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Elementverbund das eine, vorzugsweise äußere, Element an seinen freien Stirnseiten von je einer Elementkappe abgeschlossen, die das Elementmaterial des äußeren Elements aufnimmt und die auf ihrer, dem inneren Element zugewandten Seite einen stegartigen Führungsring aufweist, an dem sich die zuordenbare Endkappe des anderen, vorzugsweise inneren, Elements abstützt. Auf diese Weise ist ein sicherer, lösbarer Verbund der beiden Elemente über die zusammenwirkenden Endkappen sichergestellt. Typischerweise werden die Elemente mit den Endkappen separat voneinander gefertigt und bedarfsgerecht zu einem Elementverbund zusammengesetzt. Hierbei ist die Ausbildung eines Baukastensystems zur Bevorratung, zum Vertrieb und zur Bereitstellung der Elemente als Ausrüstung von industriellen Anlagen, insbesondere zur Trink- und Prozesswasseraufbereitung, vorstellbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schließen die einander zuordenbaren, benachbarten Paare von Endkappen des einen und des anderen Elements stirnseitig zumindest teilweise, insbesondere im Bereich der Aufnahmeöffnung des jeweils stegartigen Führungsringes, miteinander ab. Auf diese Weise wird eine in einer vorzugsweise senkrecht zur Symmetrieachse des Elementverbundes ausgerichteten Ebene liegende Abschlussfläche am jeweiligen Ende des Elementverbundes ausgebildet. Dies erleichtert den Transport, die Bevorratung und die Stapelfähigkeit der Vorrichtung.
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Weiter ist vorteilhaft, dass die einander gegenüberliegenden Endkappen zumindest eines, vorzugsweise des äußeren, Elements mit korrespondierend ausgebildeten Führungsschrägen versehen sind, die in einem Stapelverbund von mindestens zwei übereinander angeordneten Elementen je eines Elementverbundes den Eingriff der einen Endkappe des einen Elementverbundes in die benachbart angeordnete, nachfolgende Endkappe des anderen Elementverbundes ermöglicht. Bei einer Aneinanderanordnung von mehreren Elementverbünden werden diese entlang ihrer Symmetrieachsen nacheinander angeordnet und an den Endkappen aneinandergesetzt. Durch die Führungsschrägen wird ein wechselseitiger Eingriff und somit eine Lagefixierung der beiden aneinander angeordneten Elementverbünde sichergestellt. Typischerweise sind die Führungsschrägen in radialer Richtung verlaufend an der jeweiligen Endkappe ausgebildet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die im Stapelverbund aneinanderliegenden Führungsschrägen der beiden Elemente je eines Elementverbundes mittels einer Dichteinrichtung, insbesondere in Form eines O-Dichtringes, gegenseitig abgedichtet. Neben einer zusätzlichen Lagefixierung der beiden aneinander angeordneten Elementverbünde bietet sich hieraus insbesondere der Vorteil einer sauberen Fluidführung innerhalb der aneinander angeordneten Elementverbünde, welche im Gesamten eine Vorrichtung zur Behandlung von Fluiden bilden und von Fluid durchströmbar sind. Typischerweise sind die Elementverbünde in einem Filtergehäuse aufgenommen, an welchem zumindest ein Fluideinlass und zumindest ein Fluidauslass ausgebildet sind.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Fluidbehandlungsvorrichtung mit einem vorzugsweise aufständerbaren Gehäuse mit einem Zu- und Ablauf für unbehandeltes bzw. behandeltes Fluid, das aus mindestens zwei voneinander separierbaren topfartigen Gehäuseteilen besteht, von denen ein Gehäuseteil eine Elementaufnahme aufweist für die Aufnahme mindestens eines Elementverbundes, und dass zwei benachbarte Gehäuseteile sich mittels einer Spanneinrichtung aneinander lösbar festlegen lassen. Durch das aus zwei Gehäuseteilen bestehende Gehäuse ist ein Aufnahmeraum für die Elemente zur Behandlung des Fluids und ein Strömungsraum für das zu behandelnde Fluid vorgegeben. Die lösbare Befestigung der beiden Gehäuseteile ermöglicht einen Austausch von Elementen des Elementverbundes sowie Wartungs- und Reparaturarbeiten mit wenigen Handgriffen und in einfacher Weise.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die weiter angeführten Merkmale können erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen an einer Vorrichtung zur Behandlung von Fluid oder an einer Fluidbehandlungsvorrichtung ausgebildet sein. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigen:
- 1a einen erfindungsgemäß ausgestalteten Elementverbund in perspektivischer, teilweise geschnittener Darstellung;
- 1b eine separate Darstellung des radial außen angeordneten ersten Elements aus 1a;
- 1c eine separate Darstellung des radial innen angeordneten zweiten Elements aus 1a;
- 2 einen Querschnitt durch einen Teilabschnitt des Elementverbunds aus 1a;
- 3 eine Draufsicht auf einen Stapelverbund aus mehreren erfindungsgemäß ausgestalteten Elementverbünden mit teilweise auseinandergezogener Darstellung und separater Darstellung eines Schnitts durch und einer Draufsicht auf einen Verbindungsbereich zwischen zwei benachbarten Elementverbünden;
- 4 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgestalteten Elementverbund im Gesamten mit separater Darstellung beider Endkappen in Draufsicht;
- 5 einen Längsschnitt durch den Elementverbund aus 4;
- 6a und 6b vergrößerte Teilansichten der Endkappenbereiche des Elementverbunds aus 5; und
- 7 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Fluidbehandlungsvorrichtung in gebrauchsfertiger Aufstellung.
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1a zeigt in perspektivischer Darstellung einen Elementverbund 10 aus einem ersten Element 12 und einem zweiten Element 14, welche jeweils hohlzylinderförmig und rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse R ausgebildet sind. Der in 1a gezeigten Darstellung des zusammengesetzten Elementverbundes 10 ist entnehmbar, dass beide Elemente 12, 14 koaxial benachbart zueinander angeordnet sind und einen zylinderförmigen Hohlraum umschließen. Hierbei ist das in der Darstellung der 1b separat dargestellte erste Element 12 radial außenliegend angeordnet. Das in der Darstellung der 1c separat gezeigte zweite Element 14 ist radial innenliegend angeordnet.
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Jedes Element 12, 14 weist eine untere Endkappe 16a, 16b und eine obere Endkappe 18a, 18b auf. Die Endkappen 16a, 16b, 18a, 18b sind jeweils rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse R ausgebildet. Die am ersten Element 12 ausgebildete obere Endkappe 18a weist eine schräg verlaufende Fläche, vergleichbar einem Kegelstumpf, und am oberen Ende einen bundartigen Abschluss auf. Die am zweiten Element 14 ausgebildete obere Endkappe 18b weist an ihrer Oberseite eine flache, senkrecht zur Symmetrieachse R ausgerichtete Fläche auf. Die Dimensionen der beiden Elemente 12, 14 sind derart gewählt, dass das zweite Element 14 samt Endkappen 16b, 18b über zumindest eine der von den Endkappen 16a, 18a am ersten Element 12 vorgegebenen Öffnungen in das erste Element 12 eingesetzt werden kann.
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Der zumindest teilweise geschnittenen Darstellung des zusammengesetzten Elementverbunds 10 in 1a ist entnehmbar, dass die Elementmaterialien 20, 22 der beiden Elemente 12, 14 jeweils plissiert mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Elementfalten 28, 30a, 30b (vgl. 2) ausgebildet sind. Zur Lagestabilisierung des jeweiligen Faltenverbunds beim Durchströmen des Elementverbunds 10 mit zu behandelndem Fluid, im gezeigten Ausführungsbeispiel von außen nach innen, ist an jedem Element 12, 14 radial außenliegend ein Stützrohr 24, 26 angeordnet, wie in 1b und 1c gut sichtbar. Die Stützrohre 24, 26 sind jeweils perforiert aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet und weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel Beschriftungsfelder für eine Produkt- oder Herstellerbezeichnung auf.
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Die Schnittdarstellung der 2 eines Teilabschnitts des Elementverbundes 10 aus 1a zeigt, dass im Elementverbund 10 das außenliegende erste Element 12 eine gleichförmige Kontur und das innenliegende zweite Element 14 eine ungleichförmige Kontur aufweist. Das erste Elementmaterial 20 des ersten Elements 12 umfasst in enger Folge nebeneinanderliegend angeordnete erste Elementfalten 28, welche in radialer Richtung die gleiche Faltenhöhe aufweisen und an bogenförmigen Umlenkungen ineinander übergehen. Die das zweite Elementmaterial 22 des zweiten Elements 14 bildenden zweiten Elementfalten 30a, 30b unterscheiden sich von den ersten Elementfalten 28 dadurch, dass sie zwei unterschiedliche Faltenhöhen aufweisen, eine kleine Faltenhöhe der zweiten Elementfalten 30a und eine große Faltenhöhe der zweiten Elementfalten 30b.
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Eine gemeinsame Ansichtsrichtung auf den Elementverbund 10 im Sektor 32 ist mit Pfeil P angedeutet. Bezogen auf die Ansichtsrichtung P weist das erste Element 12 eine gleichförmige Kontur, gebildet aus stetig mit gleicher Frequenz und gleicher Amplitude verlaufenden ersten Elementfalten 20, und das zweite Element 14 eine ungleichförmige Kontur, gebildet aus unstetig mit gleicher Frequenz und unterschiedlicher Amplitude verlaufenden zweiten Elementfalten 22, auf. In Abhängigkeit der erwünschten Eigenschaften des Elementverbunds 10 ist als erstes Elementmaterial 20 bevorzugt ein Hohl- oder Wickelzylinder aus filtrierendem und/oder koalisierendem Material eingesetzt. Zudem weist besonders bevorzugt das zweite Elementmaterial 22 zweite Elementfalten 30a, 30b mit einem Wellenverlauf mit verschiedener Frequenz auf.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis zwischen den Faltenhöhen derart gewählt, dass die Faltenhöhe der kürzeren Elementfalten 30a etwa 2/3 der Faltenhöhe der längeren Elementfalten 30b beträgt. Auch die zweiten Elementfalten 30a, 30b gehen an bogenförmigen Umlenkungen ineinander über. Die kürzeren und längeren zweiten Elementfalten 30a, 30b sind jeweils abwechselnd nacheinander im zweiten Elementmaterial 22 angeordnet. Hier ist jede beliebige, vorzugsweise sich periodisch wiederholende Folge von zweiten Elementfalten 30a, 30b unterschiedlicher Faltenhöhe denkbar.
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Bei dem von außen nach innen durchströmten Elementverbund 10 ist eine Anströmseite 29 radial außen und eine Abströmseite 31 radial innen angeordnet. Die Stützrohre 24, 26 sind jeweils radial außenliegend, zur Anströmseite 29 gerichtet, am jeweiligen Element 12, 14 angeordnet und liegen dort an den Umlenkungen der jeweiligen Elementfalten 28, 30a, 30b an. Alternativ oder zusätzlich kann am jeweiligen Element 12, 14 ein weiteres, in 2 nicht gezeigtes Stützrohr radial innenliegend, zur Abströmseite 31 gerichtet, angeordnet sein. Die mittels des Elementverbundes 10 aus einem von der Anströmseite 29 zur Abströmseite 31 strömenden Fluid abgereinigte Verschmutzung 27 ist in der Darstellung der 2 in zumindest teilweiser Anlage am ersten Stützrohr 24 angedeutet. Zwischen erstem 12 und zweitem Element 14 ist ein schmaler, ringförmiger Strömungsraum 33 ausgebildet, welcher im gezeigten Ausführungsbeispiel frei von weiteren Komponenten gehalten ist. Es ist jedoch vorstellbar, hier zumindest teilweise eine Drainagelage zur Strömüngsleitung des Fluids beim Übergang vom ersten Element 12 zum zweiten Element 14 anzuordnen.
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Die Faltenanordnung im Sektor 32, welcher einem vorgegebenen Winkelabschnitt des hohlzylinderförmigen Elementverbundes 10 entspricht, veranschaulicht, dass das erste Element 12 eine größere Faltenzahl aufweist als das zweite Element 14. Im Sektor 32 sind 2,5 erste Elementfalten 28 und zwei zweite Elementfalten 30a, 30b angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Faltenhöhen der zweiten Elementfalten 30a, 30b ist sowohl an- als auch abströmseitig jeweils eine Kanalführung 35a, 35b ausgebildet. Die der Anströmseite 29 zugewandte Kanalführung 35a entsteht durch eine Aufspreizung des zweiten Elementmaterials 22 aufgrund der entsprechenden Faltung. Die der Abströmseite 31 zugewandte Kanalführung 35b entsteht durch unterschiedliche Positionen der Umlenkungen zwischen benachbarten zweiten Elementfalten 30a, 30b unterschiedlicher Faltenhöhe. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ragen die längeren zweiten Elementfalten 30b in Richtung der Abströmseite 31 über die kürzeren zweiten Elementfalten 30a vor. Es ist denkbar, weitere Elementfalten mit gleicher oder abweichender Faltenhöhe im zweiten Elementmaterial 22 anzuordnen, insbesondere wobei diese weiteren Elementfalten zur Anströmseite 29 gerichtet über die anderen zweiten Elementfalten 30a, 30b vorstehen und insoweit Kanalführungen festlegen.
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Die Elementmaterialien 20, 22 sind jeweils ein- oder mehrlagig, je nach Anforderungsprofil für den Elementverbund 10 aus einem koalisierenden oder filtrierenden Material ausgebildet. Typischerweise finden mehrfach übereinandergeschichtete, verschieden poröse Filterlagen, im Fachjargon auch „Multilayer“ genannt, Anwendung. Durch eine geeignete Materialwahl sowie eine geeignete Elementgeometrie wird die Schmutzaufnahmekapazität optimal eingestellt und die Standzeit einer Vorrichtung zur Behandlung von Fluid mit zumindest einem Elementverbund 10 größtmöglich ausgebildet. Mittels großporiger Materiallagen werden große Schmutzpartikel rückgehalten, die Abscheidung kleinerer Partikel erfolgt in in Strömungsrichtung folgenden, Filterfeinheit bestimmenden Materiallagen. Durch einen damit einhergehenden Tiefenfiltereffekt ist erreicht, dass auch bei hohem Differenzdruck keine Migration von Schmutzpartikeln oder Gelen von der Schmutzseite auf die Reinseite erfolgt.
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Sofern ein oder beide Filterelemente im Elementverbund als Koaleszenzelement eingesetzt werden oder über mindestens eine Medienlage mit Koaleszenzeigenschaft verfügen, kann hierfür bevorzugt ein Vlies eingesetzt werden, das einen gerichteten Poren- und Größengradienten von fein nach grob aufweist. Innerhalb des Fluids feinst verteilte Luftblasen mit geringer Auftriebsneigung werden ausgehend von einem feinen Porengradienten des Vlieses in Richtung eines groben Porengradienten transportiert, so dass mit Koaleszenz der Luftblasen innerhalb der Medienlage große Luftblasen mit hoher Auftriebsneigung generiert werden, die dann die Medienlage in Richtung der Umgebung verlassen. Durch die angesprochene Abstufung von fein nach grob bekommt die Medienlage im Querschnitt gesehen eine Art trichterförmige V-Struktur, wobei der sich nach außen hin erweiternde Trichter der auftriebsgemäßen Abgabe großer Luftblasen nach der vorangehenden Koaleszenz dient. Filterelemente mit Koaleszenzeigenschaft erlauben, dass die zunächst im Fluidstrom feinst dispergiert vorliegenden Luftblasen zu zusehends größeren Einheiten zusammengefasst werden, so dass sich das Luftblasenvolumen vergrößert mit der Folge, dass die nun größeren Luftblasen mit Ihrer jeweiligen Oberflächenspannung einen größeren Auftrieb, sprich eine schnellere Aufstiegsgeschwindigkeit besitzen und dergestalt die Luft schneller aus dem Fluid abgeführt wird, sprich dass das Fluid schneller und besser entgast werden kann, als dies sonst der Fall ist.
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Die jeweilige Medienlage mit der Koaleszenzeigenschaft ist bevorzugt bei allen Durchströmungsrichtungen mit dem Fluid auf der jeweiligen Abströmseite des Filterelements angeordnet. Dergestalt kann verhindert werden, dass die von der Koaleszenzlage vergrößerten Luftblasen gegebenenfalls von einem in Durchströmungsrichtung nachgeschalteten feinerem Filtermaterial wieder ungewollt „zerkleinert“ werden.
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Durch den plissierten Elementaufbau, insbesondere mit Parallelfaltung, ist eine extrem hohe Faltenstabilität bei großem Elementumfang gewährleistet. Ein derart ausgestaltetes Element 12, 14 hält auch hohen Volumenströmen stand. Durch eine robuste und hochwertige Lagenstruktur ist neben einer hohen Schmutzaufnahmekapazität ein geringer Druckverlust beim Fluiddurchtritt gewährleistet. In einer Anlage zur Trinkwasseraufbereitung aus Meerwasser oder Oberflächenwasser kann der Elementverbund 10 sowohl in einem Grobfilter, einem Feinfilter als auch in einem Feinstfilter eingesetzt sein. Hierbei werden insbesondere Sedimente, Zooplankton, Phytoplankton und Bakterien sowie weitere Partikel und Verunreinigungen aus dem aufzubereitenden Wasser abgeschieden. Ein in einem derartigen Prozess aufbereitetes, insbesondere gereinigtes und entsalztes, Wasser dient beispielsweise als Trinkwasser oder Kesselspeisewasser.
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Typischerweise umfasst die Lagenfolge eines mehrlagigen Elementmaterials 20, 22 eine Drainagelage, einen Schutzvlies, einen Vorfilter, einen Hauptfilter, einen weiteren Schutzvlies und eine weitere Drainagelage. Die Filterfeinheiten sind besonders bevorzugt im Wertebereich von 1 µm bis 90 µm gewählt. Zweckmäßigerweise ist als Filtermaterial ein Kunststoff, wie Polyester oder Polypropylen, gewählt. Die Einsatzbereiche von mit einem oder mehreren Elementverbünden 10 ausgestatteten industriellen Anlagen sind vielfältig und erstrecken sich auf sämtliche Wasserquellen, insbesondere Salzwasser, Grundwasser, Oberflächenwasser eines Sees oder Flusses, Brackwasser, Meerwasser, Industriewasser sowie Abwasser aus Kläranlagen.
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3 zeigt in Draufsicht einen Stapelverbund von drei entlang der Symmetrieachse R nacheinander angeordneten Elementverbünden 10, 10', 10". Der oben gezeigte Elementverbund 10 ist auseinandergezogen dargestellt. Die beiden Elemente 12, 14 weisen an der Oberseite jeweils einen Deckel 34a, 34b auf, welche über ein Befestigungsteil 36 fixiert sind und insoweit einen oberen Abschluss des Stapelverbundes bilden. Ein Verbindungsbereich 42 zwischen einer unteren Endkappe 16' des mittleren Elementverbundes 10' sowie der oberen Endkappe 18" des unteren Elementverbundes 10" ist rechts von dem im Gesamten gezeigten Stapelverbund als vergrößerter Ausschnitt dargestellt.
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Ein Schnitt durch den Verbindungsbereich 42 verdeutlicht, dass an jeder der beiden Endkappen 16', 18" ein Führungsring 38, 40 mit U-förmigem Querschnitt ausgebildet ist, in welchen ein unterer oder oberer Endbereich des jeweiligen Elementmaterials 20', 20" aufgenommen ist. Weiter kann am jeweiligen Führungsring 38, 40 eine in der Darstellung der 3 nicht gezeigte Endkappe eines innenliegenden Elements in radialer Richtung zur Anlage kommen. An der jeweiligen Endkappe 16', 18" ist weiter jeweils eine Führungsschräge 44, 46 ausgebildet, wobei beide Führungsschrägen 44, 46 korrespondierend zueinander ausgebildet sind und im zusammengebauten Zustand der Elementverbünde 10', 10" bündig aneinanderliegen. Die Formgestaltung ist derart gewählt, dass die an der unteren Endkappe 16' ausgebildete Führungsschräge 44 radial innenliegend ausgebildet ist und von oben nach unten dem Verlauf einer konischen Erweiterung folgt. Die an der oberen Endkappe 18" ausgebildete weitere Führungsschräge 46 ist gegenstückartig radial außenliegend ausgebildet und folgt von unten nach oben dem Verlauf einer konischen Verjüngung. An der in der Darstellung der 3 oberen Führungsschräge 44 ist weiter eine ringförmige Nut ausgebildet, in welcher eine Dichteinrichtung 48 in Form eines O-Ringes angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine Abdichtung an den aneinander anliegenden Führungsschrägen 44, 46 erreicht.
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4 zeigt in einer Seitenansicht den Elementverbund 10 mit dem außen angeordneten ersten Element 12 sowie den beiden Endkappen 16a, 18a. In separat gezeigten Draufsichten von oben sowie von unten auf den Elementverbund 10 sind nicht nur die dem ersten Element 12 zugeordneten Endkappen 16a, 18a, sondern auch die am innenliegenden zweiten Element (14, in 4 nicht sichtbar) ausgebildeten Endkappen 16b, 18b gezeigt. Die unteren Endkappen 16a, 16b und die oberen Endkappen 18a, 18b sind jeweils koaxial zueinander angeordnet und rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse R ausgebildet.
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5 zeigt einen Längsschnitt entlang einer die Symmetrieachse R beinhaltenden, vertikalen Ebene A - A durch den Elementverbund 10. Die zwischen den Endkappen 16a, 16b, 18a, 18b angeordneten sowie von diesen randseitig aufgenommenen Elementmaterialien 20, 22 sind benachbart zueinander angeordnet und begrenzen zwischen sich den vergleichsweise schmalen Strömungsraum 33. Das radial außenliegende erste Element 12 weist gegenüber dem radial innenliegenden zweiten Element 44 eine kleinere Erstreckung in radialer Richtung auf. Dies ist auch in 2 gut erkennbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Anströmseite 29 radial außen und die Abströmseite 31 radial innen in einem vom Elementverbund 10 umgebenen zylinderförmigen Hohlraum. Es versteht sich, dass der Elementverbund 10 auch in umgekehrter Richtung, von innen nach außen, durchströmbar ausgestaltet sein kann.
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Die vergrößerte Teildarstellung der Endkappenbereiche in den 6a und 6b zeigt, dass die Elementmaterialien 20, 22 an der Ober- bzw. Unterseite jeweils von der zugehörigen Endkappe 16a, 16b, 18a, 18b aufgenommen und durch diese Anordnung lagefixiert sind. Über die Dichteinrichtung 48a an der Führungsschräge 44a der unteren Endkappe 16a ist bei Anlage mit einer korrespondierenden Führungsschräge, vergleichbar der weiteren Führungsschräge 46a der oberen Endkappe 18a, eine entsprechende Abdichtwirkung erreicht. Über weitere Dichteinrichtungen 48b ist jeweils die radiale Aneinanderlage von äußerer Endkappe 16a, 18a und innerer Endkappe 16b, 18b abgedichtet. Durch die Führungsschrägen 44, 44a, 46, 46a an den konisch geformten Endkappen 16a, 16', 18a, 18" ist eine exakte Führung des jeweiligen Elements 12 auf dem zugehörigen Stützrohr erreicht und ein Ausscheren der zugehörigen Dichteinrichtung 48, 48a wirksam vermieden. Weiter ist beim Zusammenbau des in 3 gezeigten Stapelverbundes ein Verklemmen der Elementverbünde 10 - 10" unterbunden und somit eine einfache Handhabung bei Montage-, Wartungs-, Reparatur- und Demontageschritten sichergestellt.
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7 zeigt im Schnitt eine Fluidbehandlungsvorrichtung 50 mit einem filtertopfartigen Gehäuse 52. Das Gehäuse 52 ist aus einem oberen Gehäuseteil 54, welches zugleich ein Deckelteil beinhaltet, und einem unteren Gehäuseteil 56, welches zugleich ein Bodenteil beinhaltet, zusammengesetzt. Beide Gehäuseteile 54, 56 sind über eine entlang des Umfangs verlaufende Spanneinrichtung 58 lösbar miteinander befestigt. Das Gehäuse 52 als Ganzes ist auf einen koaxial zur Symmetrieachse R angeordneten Ständer 60 aufgesetzt. Am unteren Ende sitzt der Ständer 60 auf einer Bodenplatte 62 auf, welche eine stabile Lage der gesamten Fluidbehandlungsvorrichtung 50 gewährleistet. Zur einfachen Handhabung, insbesondere bei Reparatur- und Wartungsarbeiten, sind am oberen Gehäuseteil 54 zwei Haltegriffe 64a, 64b zur erleichterten Abnahme des oberen Gehäuseteils 54 vom unteren Gehäuseteil 56 ausgebildet. Die beiden Haltegriffe 64a, 64b sind gleichartig ausgebildet und radial außen, gegenüberliegend an der Außenseite des oberen Gehäuseteils 54, angeordnet.
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Im Inneren des Gehäuses 52, welches rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse R ausgebildet ist, ist im unteren Gehäuseteil 56 eine Elementaufnahme 66 ausgebildet, welche gegenstückartig zu den unteren Endkappen 16a, 16b des in 4 und 5 gezeigten Elementverbundes 10 ausgebildet ist. Die Elementaufnahme 66 ist auf einer Trägerplatte 67 aufgesetzt und bildet den Träger für den Elementverbund 10, welcher sich entlang der Axialerstreckung des Gehäuses 52 nahezu bis zum Deckelteil erstreckt. An der dem Deckelteil zugewandten Oberseite des Elementverbunds 10 ist ein Deckel 34, vergleichbar der Darstellung der 3, angeordnet und schließt einen vom Elementverbund 10 umgebenen Elementinnenraum 72 insoweit ab.
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In der Darstellung der 7 links unten ist am ortsfesten unteren Gehäuseteil 56 ein Zulauf 68 für zu behandelndes Fluid vorgesehen. Über den Zulauf 68 strömt Fluid in einen Gehäuseinnenraum 70 des Gehäuses 52 ein und erreicht weiter durch den Elementverbund 10 hindurch den Elementinnenraum 72 des Elementverbundes 10. Beim Durchströmen des Elementverbundes 10 durch das erste Element 12, den Strömungsraum 33 und das zweite Element 14 werden die zur Behandlung, insbesondere Abreinigung, des Fluids erforderlichen Prozessschritte durchgeführt. Von dem die Reinseite darstellenden Elementinnenraum 72, welcher vom Elementverbund 10 festgelegt ist, erreicht das Fluid einen Ablauf 74 und verlässt das Gehäuse 52.
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Der Ablauf 74 für das behandelte, insbesondere abgereinigte, Fluid schließt sich über eine entsprechende Durchbrechung in der Elementaufnahme 66 und der Trägerplatte 67 unten an den Elementinnenraum 72 an. Zusätzlich ist am Bodenteil des unteren Gehäuseteils 56 ein manueller Fluidauslass 76 angeordnet. In der gebrauchsfertigen, in 7 gezeigten Darstellung der Fluidbehandlungsvorrichtung 50 sind der Zulauf 68 und der Ablauf 74 jeweils durch eine Absperreinrichtung 78a, 78b versperrt. Die Absperreinrichtungen 78a, 78b sind zum Betrieb der Fluidbehandlungsvorrichtung 50 zu öffnen. Die Komponenten der Fluidbehandlungsvorrichtung 50, insbesondere das Gehäuse 52 mit oberem 54 und unterem Gehäuseteil 56 sowie der Ständer 60 und die Bodenplatte 62, sind typischerweise aus einem Metallwerkstoff gefertigt. Auch für die Trägerplatte 67 und die Elementaufnahme 66 ist ein formstabiler Werkstoff, insbesondere ein Metallwerkstoff, zu wählen. Es versteht sich, dass im Gehäuse 52 mehrere Elementverbünde 10, 10', 10" (vgl. 3) nebeneinander auf der Trägerplatte 67 mit entsprechenden Elementaufnahmen 66 oder im Stapelverbund entlang der Symmetrieachse R auf einer gemeinsamen Elementaufnahme 66 angeordnet sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010003961 A1 [0002]
- DE 10352703 B4 [0003]