DE10230319A1

DE10230319A1 - Multifunktionssternfilter ts-x P-51.0702

Info

Publication number: DE10230319A1
Application number: DE2002130319
Authority: DE
Inventors: Hartwig Straub
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: DE10230319B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Regenerationsverfahren zur Stofftrennung.

Description

Stand der Technik:
Schon vor ungefähr 2000 Jahren benutzte man bei einem Sandsturm zum Schutz der Atemwege ein Tuch. Aus der Landwirtschaft kennt man das Windsichten beim Einsatz von Dreschflegeln. In der Natur ist das Prinzip der Absetzkammer bekannt, wenn Saharasandstürme bei uns in Europa niedergehen.
Auch die Technik macht sich dieses Prinzip zueigen, eine Filterfläche als Fangvorrichtung für trockene oder nasse Partikel zu benutzen und je nach zulässigem Druckgefälle die Filterfläche von Zeit zu Zeit zu regenerieren.

Es sind verschiedene Regenerationsverfahren bekannt, wie zum Beispiel mechanisches Klopfen, kehren, bürsten, schaben und vieles mehr. In der Hightech-Welt wird zum Beispiel mit Druckluft oder/und Gebläse gegengespült, um die Filterfläche vom Filtrat zu befreien und so wieder einsatz- und arbeitsfähig zu machen. Mittlerweile werden diese beiden Vorgänge – filtern und regenerieren – durch elektronische Module gesteuert. Der Erfinder beschäftigt sich unter anderem in den Schriften DE PS 29 23 849.1 und DE PS 30 16 293.7 damit.

Bekannte Vorrichtungen arbeiten mit rohrförmigen Filtereinsätzen, durch die von außen nach innen das Rohgas hindurchgedrückt bzw. gesaugt wird. Dabei setzt sich das vom Rohgas transportierte, staubförmige Gut mit allmählich wachsender Schichtdicke auf der Außenseite der Filtereinsätze ab und verursacht ein Steigen des Filterwiderstandes. Um den Filterwiderstand nicht zu hoch anwachsen zu lassen, wird von Zeit zu Zeit den Filterelementen ein Rückspülgas-Druckstoß zugeführt, der den auf den Filterelementen abgesetzten Staub in größeren Agglomeraten abwirft.

Bei einer aus der US-PS 35 13 638 (4, 5) bekannten Vorrichtung, die nach diesem Prinzip arbeitet, ist oberhalb der die Filterelemente haltenden Trägerplatte ein Rohrsystem angeordnet, das zur Zuführung von Rückspülgas dient. Die Rohre verlaufen so oberhalb der Öffnungen der Filterelemente, dass das Rückspülgas, das aus mit den Filterelementen fluchtenden Löchern in den Rohren austritt, in die Filterelemente einströmt und auf diese Weise die Filter von einer angesetzten Staubschicht befreit. Es ist dabei jeweils ein Rohr für eine bestimmte Anzahl von Filterelementen vorgesehen, wobei das Rohr eine der betreffenden Zahl der Filterelemente gleiche Zahl von Löchern aufweist. Jedes Rohr ist individuell über einen Schlauch an ein Ventil angeschlossen, das bei seiner Öffnung die betreffende Gruppe von Filterelementen mit Rückspülgas versorgt. Die Schläuche sind dabei nach außen aus dem Gehäuse einzeln herausgeführt und dort an die Ventile angeschlossen. Die Steuerung der Ventile erfolgt mittels einer elektrischen Steueranordnung, die außerhalb des Filterkopfes angeordnet ist.

Weiter bekannt aus der Druckschrift DE-PS 29 23 849 wird ausgeführt, dass die Service- und Wartungsfreundlichkeit zu wünschen übrig lässt und deshalb eine Vorrichtung zu einem Servicemodul zusammengefügt wurde. In einer weiteren Druckschrift DE-OS 100 11 835.6 beschäftigt man sich ebenfalls mit der Optimierung der Regenerierung der Filterfläche. Alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen beschäftigen sich grundlegend und ausschließlich mit der Vorrichtung zur Ausfilterung von staubförmigem Gut und deren interner Steuerung. Die einen regenerieren die Filterfläche mit Klopfen, Vibrationen oder Ultraschall, die anderen mit einem Druckluftimpuls, manche mit der Umkehrung der Förderluft. Alle haben den Nachteil gemeinsam, dass sie sich nur mit den internen Verhältnissen des Filterapparates beschäftigen und überwiegend mit der Druckdifferenz am Filtermedium steuern, die durch die Bildung des Filterkuchens entsteht.

Die Abscheidung erfolgt überwiegend an der Oberfläche des Filtermediums. Es bilden sich eine Filterhilfsschicht und ein Filterkuchen. Die Filterhilfsschicht, auch Staubschicht genannt, stellt die eigentliche hochwirksame Filterschicht dar. Mit dieser werden oft Gesamtabscheidegrade über 99,9 erzielt. Diese Filterapparate werden häufig als Oberflächenfilter bezeichnet. Infolge des Anwachsens der Filterhilfsschicht [Fi_hi] und des Filterkuchens [Fi_ku] nimmt der Druckverlust [Δp] zu. Die Sternfilter werden daher periodisch mittels Druckluft gereinigt. Als Filtermedium werden überwiegend Vliese eingesetzt. Aufgrund der guten Abscheideeigenschaft haben sich diese Art von Filtern in nahezu allen Bereichen durchgesetzt. Trotz des hohen Standes der Technik werden Filterapparate mit Druckluftreinigung noch heute weitgehend auf der Basis von Erfahrung ausgelegt. Es gibt derzeit noch kein allgemeingültiges Berechnungsmodell, welches eine zuverlässige Dimensionierung von Filteranlagen im Voraus zulässt. Schwierigkeiten bei Modellrechnungen bereiten vor allem die instationäre Betriebsweise des Filterapparates sowie die große Zahl von Einflussgrößen.

Aufgabenstellung:

Alle bekannten Systeme haben gemeinsam den Nachteil, dass Filterfläche, Filtermedium, Filtrat und Filterregenerierung als einzelne Systeme betrachtet und eingesetzt werden, vergleichbar etwa den Solisten in einem Orchester. Es fehlt sozusagen der Dirigent des Orchesters, der die Solisten zu einem harmonischen Zusammenspiel führt.

In unserem Fall bedeutet dies, dass aus den einzelnen Elementen eine funktionierende Einheit wird, bei der sich die Einzelelemente gegenseitig und zwangsläufig optimieren. Es stellt sich die Aufgabe, ein ganzheitliches System zu erfinden, das sich selbst regelt, aber auch individuell unterstützt werden kann.

Der Ablösedruck für den Filterkuchen soll so optimiert sein, dass die Filterhilfsschicht, die aus Filtrat oder/und einem Zusatzstoff zur Unterstützung der Filtratration sein kann, erhalten bleibt.

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem die Einflussfaktoren auf das Betriebsverhalten mit berücksichtigt werden, so dass die elektrisch gesteuerte Vorrichtung zur Ausfilterung von staubförmigem Gut den gesamten Prozess des Handlings, Fertigens, Verteilens, Verpackens, Dosierens, Wiegens, kurzum vom Beginn der Filtration bis zum Ende, überwacht, steuert und bewertet.

Die Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten und den Filterapparat bilden die Funktion [T(x) und Δp].

Weitere Einflussfaktoren sind Filtermedien:
Filtermedium: physikalische Eigenschaften, Berstdruck, Luftdurchlässigkeit, Porengröße, Flächengewicht, chemische Eigenschaften
Staub, Schüttgut: Rohgasbeladung, Partikelgrößenverteilung, Schüttdichte, Agglomerationsverhalten, elektrostatische Eigenschaften, chemische Zusammensetzung.
Trägergas: Volumenstrom, Temperatur, Druck, relative Feuchte, chemische Zusammensetzung
Apparatebauweise: Reinigungssystem, Rohgasführung, Apparategeometrie, Filtermedium und Filteranordnung, Sternfiltergeometrie
Betriebsweise: Reinigungsart, Rohgaszufuhr, Reingasabfuhr, Abgasemission Betriebskosten und Investitionskosten

Alle vorgenannten Parameter sollen mit berücksichtigt werden beim Betreiben der Vorrichtung.

Lösung:

Die Lösung besteht darin, dass der Filterkuchen und das System sich gegenseitig automatisch beeinflussen und regeln. Der scheinbare Antagonismus wird aufgelöst. Es wurde eine neue Konstruktion der elastischen Endscheibe gefunden. Der Erfinder beschreibt das in seiner Schrift DE PS 34 39 194.0 . Die Endscheibenform an der Trennebene roh- zu reingasseitig und das Einspannen mit dem Dichtsitz des Filterelements wurde erfunden. Zum Schluss wurde das Filtermedium mit der Fallgeometrie erfunden und in Versuchen bestätigt.

In Grundsatzversuchen und mit der heutigen Messtechnik war es möglich, den Erfindungsgedanken zu verfolgen, nachzuweisen und zu realisieren.

Die Erfindung macht sich zu nutze:

– dass das Filterelement in der Mitte des Elements dem Differenzdruck nachgibt und sich dabei gleichzeitig das Filtrat verdichtet; kurzum die X-Form in Abhängigkeit der Länge und der Durchlässigkeit des Filtrates und des Filtermediums.
– den Elastizitätsmodul des Sternfilters und der Faltengeometrie und
– die zusätzliche Unterstützung zur Regeneration mittels Fremdhilfe, gesteuert und ungesteuert.

Die X-Form-Elastizitätsfunktion des Filterelementes verändert sich in Abhängigkeit des Druckgefälles. Dadurch verdichtet sich das Filtrat zu einem Agglomerat. Je niedriger die Druckdifferenz, je höher ist der Luftdurchsatz. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Filterelemente wird das Gesamtdruckgefälle egalisiert. Durch die Wegnahme der Druckdifferenz, beispielsweise durch Stoppen der Luftführung, Umkehrung des Sauggebläses oder durch Einbringen von Gas (vorzugsweise Luft) in den Abgasstrom, wird das verdichtete Filtrat von der Filterfläche abgelöst, beschleunigt und fallengelassen. Daraus ergibt sich folgende Funktion [T(x); Δp und der Ablösekraft]. Der Ablösedruck, auch Ablösekraft oder Regenerationsdruck genannt, ist die Arbeit = Integral über die Kraft längs des Weges.

Die Erfindung macht sich die Kraft zunutze, die bei einem Körper die Geschwindigkeit und/oder deren Richtung ändert, ihn also beschleunigt, verzögert oder aus seiner Bahn ablenkt. Eine Verzögerung kann man als negative Beschleunigung ansehen. Die Kraft ist ein Vektor, d. h., sie hat wie ein Vektor sowohl einen Betrag als auch eine Richtung. Wirken verschiedene Kräfte auf einen Körper ein, lassen sich diese im Prinzip zu einer resultierenden Kraft kombinieren. Dies gelingt mit dem Multifunktionsfilter. Die auf einen Körper ausgeübte Kraft hängt von seiner Masse und seiner Beschleunigung ab. Das entsprechende Gesetz ist das zweite Newtonsche Axiom, benannt nach dem englischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton. Dem Axiom zufolge ist die auf einen Körper einwirkende Kraft gleich dem Produkt aus der ihm verliehenen Beschleunigung und seiner Masse.

Wenn also eine gleich große Kraft auf zwei Körper unterschiedlicher Masse ausgeübt wird, dann erhält der schwerere Körper eine geringere Beschleunigung, ergo wird der gewünschte Filterkuchen abgelöst und reißt beim freien Fall den kleineren Partikel mit.

In der 1 wird exemplarisch links der Ruhezustand und rechts der Betriebszustand dargestellt. Die Faltentiefe (t) bleibt unverändert, diese ist physikalisch vorgegeben. Im Ruhezustand, auch Außerbetrieb genannt, ist beim rohrförmigen Element der Durchmesser (D) und der Faltenabstand (A) der Ausgangszustand auch das Ausgangsmaß. In der Arbeitsphase verringern sich der Durchmesser (D) auf (DW) und der Faltenabstand (A) auf (AW). Der Anhangsbuchstabe steht für die Arbeit. Bei der Reduzierung des Masse (A) auf (AW) wird das angelagerte Filtrat verdichtet (im linken Bild etwas dicker dargestellt).

In der 2 wird die Abhängigkeit (dw1) (dw2) von der Länge des rohrförmigen Elementes dargestellt. Bei unveränderten Betriebsbedingungen bleibt der Durchmesser (D) konstant auch bei unterschiedlichen Längen (l1) und (l2) und verändert sich der Durchmesser (dw1) und (dw2). Dies hat wiederum zur Folge, dass das Filtrat mit unterschiedlicher Kraft verdichtet bzw. agglomeriert wird.

In der 3 werden die unterschiedlichen Arbeitsphasen dargestellt. Durchmesser (D) bedeutet Ausgangsmaß; in der Arbeitphase wird etwa in der Mitte des rohrförmigen Zylinders (d) auf (dw) reduziert; danach folgt die Arbeitspause und (dw) geht auf Ausgangsmaß (d) zurück; nach dem Regenerationsimpuls geht für einem Moment (D) auf das vergrößerte Maß (DR). Dies bewirkt, dass ein Teil des Filtrates ablöst, beschleunigt wird und absinkt.

In der 4 wird die Situation mit einem Stützkörper dargestellt. In der Regenerationsphase wird der (⌀C) auf (⌀D) vergrößert, in der Regeneration prallt (⌀B) auf (⌀A) (Stützkörper); dabei werden die angelagerten Partikel plötzlich abgebremst und aufgrund der Verzögerung (Bremsvorgang) in das Filtermedium tiefer hineingeschleudert.

In 5 wird die Abhängigkeit des Δp und V in Zeiteinheit aufgezeigt und verdeutlicht, dass alle Anstrengungen, um das Δp zu verringern, sich in einen Mehrfachen der Trägergasmenge niederschlägt.

In der 6 wird ein rohrförmiges Filterelement dargestellt, dergestalt dass das Normmaß D in der einen Variante an der gegenüberliegenden Seite einmal größer und der anderen Variante kleiner ist. Die Angabe (DR) zeigt die Regenerationsphase. Das kegelrohrförmige Element beeinflusst die Geschwindigkeitsprofile entlang der Filterfläche. Es wird vermutlich das Abwerten, das Anlagern und der Aufbau der Filterhilfsschicht mit dem Filterkuchen, beeinflusst und möglicherweise begünstigt. Auch kann das stützfreie, rohrförmige Filterelement angewendet werden. Mit der Konizität des Filterelements lassen sich die Widerstandskräfte und somit das zulässige Δp steuern. Die einwirkenden Kräfte werden entsprechend des Winkels (Konus, Kegel) eingeleitet und gesteuert.

Claims

Verfahren und Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Faltfilterelement so gestaltet ist, dass es ohne Stützkörper sich selbst formstabil in der Anwendung verhält und die Trennfunktion trefflich erfüllt. Die konstruktionsbedingte Symbiose aus Filterhilfsschicht, Filterkuchen, Trägergasdurchlässigkeit und die mechanische Steifigkeit des rohrförmigen Faltfilterelements bilden eine Einheit und sorgen für eine Egalisierung der Filterflächennutzung und begünstigen die Regeneration der Filterfläche.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Faltfilterelement so gestaltet ist, dass ein rohrförmiges Stützelement im Bedarfsfall ohne Werkzeug eingebracht werden kann.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Faltfilterelement so gestaltet ist, dass das rohrförmige Stützelement im Bedarfsfall einem Maximaldruck nachgibt und sich bei Entlastung in seine Ausgangslage zurückstellt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Faltfilterelement so gestaltet ist, dass ein Sicherungsring an einer Seite eingebracht ist und so ein ungewolltes Entfernen behindert.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Falftilterelement so gestaltet ist, dass das rohrförmige Element ein Kegelstumpf ist und mit dem kleinen Maß der Trennebene zugewandt ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Faltfilterelements so gestaltet ist, dass das rohrförmige Element ein Kegelstumpf ist und mit dem kleinen Maß der Trennebene abgewandt ist.