[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der Hochgradienten-Magnettrenntechnik
zum Abscheiden von magnetisierbaren Teilchen aus einem strömenden Medium mit einer
Filterstruktur, welche mehrere zumindest annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung
des Mediums und in Strömungsrichtung gesehen verhältnismäßig eng hintereinander angeordnete
Drahtnetze aus nicht-korrodierendem, ferromagnetischem Material mit vorbestimmter
Maschenweite und Stärke ihrer Drähte enthält, wobei die Drahtnetze in einem im wesentlichen
parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Mediums gerichteten Magnetfeld
angeordnet sind. Eine solche Abscheidevorrichtung ist aus der DE-PS 26 28 095 bekannt.
[0002] Beim magnetischen Abscheideverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, daß in einer geeigneten
Magnetfeldanordnung ein magnetisierbares Teilchen eine Kraft erfährt, die es gegen
andere an ihm angreifende Kräfte bewegt bzw. festhält. Solche Kräfte sind beispielsweise
die Schwerkraft oder hydrodynamische Reibungskräfte in einem flüssigen Medium. Derartige
Abscheideverfahren sind z.B. für Dampf- oder Kühlwasserkreisläufe in konventionellen
wie auch in nuklearen Kraftwerken vorgesehen. In dem flüssigen oder gasförmigen Medium
dieser Kreisläufe sind Teilchen suspendiert, die im allgemeinen durch Korrosipn entstanden
sind. Bei der Beseitigung dieser Teilchen aus dem Medium mit Hilfe eines magnetischen
Trennverfahrens tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß die zu separierenden Teilchen
sehr verschieden in ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer Teilchengröße und ihrer
Magnetisierbarkeit sind. Z.B. bestehen die Korrosionsprodukte im Sekundärkreis eines
Kernkraftwerkes aus verschiedenen Eisenoxiden, von denen der ferrimagnetische Magnetit
(Fe
30
4) den größten, der antiferromagnetische Hämatit (d-Fe
2O
3) den zweitgrößten Gewichtsanteil und paramagnetische Hydroxide den Rest bilden.
[0003] Mechanische Abscheidevorrichtungen, welche Teilchen aufgrund kleiner Porenweiten
ihrer Filtermatrizen zurückhalten, sind in ihrer Wirksamkeit zwar durch die chemische
Zusammensetzung und die magnetischen Eigenschaften der Teilchen unbeeinflußt; bei
diesen Vorrichtungen treten jedoch zwei Hauptschwierigkeiten auf: Erstens lassen sich
die beladenen Filtermatrizen nur verhältnismäßig schwer reinigen, so daß sie-meistens
nur als teurere Wegwerffilter verwendet werden können. Zweitens haben diese Filtermatrizen
bei einem hohen Durchsatz einen großen Raumbedarf, weil die Filteroberfläche entsprechend
vergrößert sein muß.
[0004] Mit den sich im technischen Einsatz befindlichen sogenannten Kugelfiltern (DE-PS
1 277 488) können im wesentlichen nur leicht magnetisierbare, also hauptsächlich ferromagnetische
Teilchen abgeschieden werden. Eine entsprechende Vorrichtung enthält einen zylinderförmigen
Filterbehälter, der mit Weicheisenkugeln gefüllt ist, die in einem von einer den Filterbehälter
umgebenden elektrischen Spule erzeugten Magnetfeld angeordnet sind. Durch dieses Magnetfeld
erhält man in Verbindung mit den Kugeln ausreichend hohe Feldstärkegradienten, um
die in einer den Filter durchfließenden Flüssigkeit mittransportierten ferromagnetischen
Teilchen an den magnetischen Polen der Kugeln anzulagern. Für eine Reinigung des Filters
können die Kugeln entmagnetisiert werden. Hinsichtlich der Teilchem mit geringerer
Magnetisierbarkeit ist jedoch der Abscheidegrad dieser bekannten Vorrichtung, d.h.
das Verhältnis der Konzentration an vom Kugelfilter abgeschiedenen Schwebstoffen zu
der entsprechenden Konzentration vor Eintritt in das Filter, verhältnismäßig klein.
[0005] Kleinste ferromagnetische Teilchen oder auch schwachmagnetische, d.h. antiferro-
oder paramagnetische Teilchen können mit einem größeren Abscheidegrad auf magnetische
Weise praktisch nur mit Abscheidevorrichtungen der sogenannten Hochgradienten-Magnettrenntechnik
(HGM-Technik) aus einem strömenden Medium herausgefiltert werden (vgl. z.B. "Journal
of Magnetism and Magnetic Materials", Vol. 13, 1979, Seiten 1 bis 10). Bei der aus
der eingangs genannten DE-PS 26 28 095 zu entnehmenden Vorrichtung handelt es sich
um eine derartige HGM-Abscheidevorrichtung. Sie enthält in einem zentralen Filterraum
eine Filterstruktur aus einer Vielzahl von in Strömungsrichtung gesehen eng hintereinander
zu einem Stapel angeordneten Drahtnetzen, die senkrecht zur Strömungsrichtung des
Mediums in einem verhältnismäßig starken Magnetfeld angeordnet sind. Dieses Magnetfeld
ist parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Mediums im Bereich der Filterstruktur
gerichtet und ruft dort beispielsweise eine magnetische Induktion in der Größenordnung
von 1 Tesla hervor. Die Stärke der aus ferromagnetischem Material bestehenden Drähte
der Netze ist dabei sehr klein und liegt beispielsweise unter 0,1 mm. Die an ihnen
erzeugten Magnetfeldgradienten sind dann folglich sehr hoch, so daß mit dieser Abscheidevorrichtung
auch schwach magnetisierbare Teilchen herausgefiltert werden können.
[0006] Es hat sich jedoch gezeigt, daß in Kreisläufen mit in einem Medium suspendierten
Teilchen sehr verschiedener Teilchengröße und Magnetisierbarkeit die Drahtnetze dieser
Abscheidevorrichtungen auf der Zulaufseite verhältnismäßig schnell beladen werden,
während an den in Strümungsrichtung gesehen nachfolgenden Netzen nur geringere Mengen
abgeschieden werden. Der Abscheidegrad und die Standzeit, d.h. die Zeit zwischen zwei
erforderlichen Reinigungsvorgängen dieser Abscheidevorrichtung, sind dementsprechend
begrenzt.
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte Abscheidevorrichtung
dahingehend zu verbessern, daß ihr Abscheidegrad und ihre Standzeit erhöht werden.
[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen
Maßnahmen gelöst.
[0009] Bei der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung weist also die erste Filterteilstruktur
die niedrige Feldstärke auf, und in ihrem Volumen werden die leicht magnetisierbaren
Teilchen aufgenommen. Die zweite Filterteilstruktür mit der hohen Feldstärke ist dann
für die Abscheidung schwach magnetisierbarer Teilchen reserviert. Mit der Variation
der Drahtstärke der Netze der beiden Filterstrukturen wird der Tatsache Rechnung getragen,
daß die abzuscheidenden Teilchen hinsichtlich ihrer Größe und Magnetisierbarkeit verschieden
sind. Beide Maßnahmen, nämlich zwei oder mehrere Magnetfeldstärkebereiche und Abstufung
der Drahtdurchmesser, führen zu einer gleichmäßigeren Verteilung der abgeschiedenen
Teilchen in dem gesamten Filtervolumen. Die mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Abscheidevorrichtung verbundenen Vorteile sind dann insbesondere in einem verhältnismäßig
hohen Abscheidegrad, einem nur langsam ansteigenden Druckabfall und in einer langen
Standzeit der Filterstruktur zu sehen.
[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Abscheidevorrichtung nach der Erfindung gehen aus
den Unteransprüchen hervor.
[0011] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten
Weiterbildungen wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren Figur eine Abscheidevorrichtung
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
[0012] Bei der in der Figur als Längsschnitt gezeigten Abscheidevorrichtung wird von der
aus der DE-PS 26 28 095 bekannten HGM-Abscheidevorrichtung ausgegangen.
[0013] Die allgemein mit 2 bezeichnete Abscheidevorrichtung enthält einen im wesentlichen
bezüglich einer Achse 3 rotationssymmetrischen Behälter 4, der aus nichtmagnetischem
Material wie z.B. aus Edelstahl besteht.
[0014] =Dieser beispielsweise vertikal angeordnete Behälter ist an seiner oberen Stirnfläche
mittels eines Flanschdeckels 5 verschlossen und enthält in dem sich daran anschließenden
Bereich seiner Mantelfläche einen seitlichen Anschlußflansch 6. Das untere Ende des
Behälters ist als zentraler Flansch 7 ausgebildet. Durch den seitlichen Anschlußflansch
6 soll ein Medium M, in dem die herauszufilternden Teilchen suspendiert sind, in den
Innenraum 8 des Behälters eingeleitet werden, während das gefilterte, mit M' bezeichnete
Medium an dem Flansch 7 aus dem Behälter 4 wieder abgeleitet wird.
[0015] Zur Abscheidung sind in dem Innenraum 8 des Behälters 4 zwei in Strömungsrichtung
gesehen hintereinander angeordnete Filterteilstrukturen 10 und 11 vorgesehen. Die
erste Filterteilstruktur 10 nimmt dabei auf einer vorbestimmten Länge 1
1 ein entsprechendes Filtervolumen ein, während das sich auf die vergleichsweise kürzere
Länge 1
2 erstreckende Filtervolumen der zweiten Filterteilstruktur 11 entsprechend kleiner
ist. Die Längen 1
1 und 1
2 sollen sich dabei etwa so verhalten wie die Menge m
1 der leicht-magnetisierbaren, d.h. ferro-und ferrimagnetischen Verunreinigungsteilchen
in dem zu filternden Medium M zur Menge m
2 der übrigen, schwerer magnetisierbaren Teilchen, d.h. es soll ungefähr gelten: 1
1/1
2 ≈ m
1/m
2.
[0016] Jede Filterteilstruktur 10 und 11 ist aus einer vorbestimmten Anzahl von Filterelementen
12 bzw. 13 zusammengesetzt, die beispielsweise gleiche Ausdehnung in Strömungsrichtung
haben, so daß das Verhältnis der Zahl der Elemente 12 der Filterteilstruktur 10 zur
Zahl der Elemente 13 der Filterteilstruktur 11 etwa dem Ver-
hältnis von
11 zu
12 entspricht. Jedes dieser Filterelemente weist einen beispielsweise hohlzylindrischen
Halterahmen auf, um eine Vielzahl, d.h. mindestens 50, vorzugsweise mindestens 100
in Strömungsrichtung gesehen eng hintereinander angeordnete Netze, insbesondere sogenannte
Netzronden aufnehmen zu können. In der Figur ist nur bei jeweils einem der Filterelemente
12 und 13 ein Teil der zugehörenden Netze vergröbert durch Linien 14 bzw. 15 angedeutet.
Die Netze bestehen aus feinsten Drähten aus nicht-korrodierendem, ferromagnetischem
Material, beispielsweise aus Edelstahl, und haben eine vorbestimmte Maschenweite.
Die Netze sind dabei so in den einzelnen Filterelementen 12, 13 bzw. Filterteilstrukturen
10, 11 gehalten, daß sie senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums M in dem Behälter
4 angeordnet sind. Benachbarte Netze 14 und 15 in den Filterelementen 12 und 13 haben
dabei einen ungefähr gleichen geringen Abstand von etwa einem Millimeter oder liegen
direkt aufeinander. In dem Filtervolumen der ersten Filterteilstruktur 10 ist entsprechend
dem Verhältnis 1
1 zu 1
2 eine größere Anzahl von Netzen 14 untergebracht als in dem Filtervolumen der zweiten
Filterteilstruktur 11. Es ist jedoch auch möglich, daß die gegenseitigen Abstände
der Netze innerhalb eines Filterelementes 12, 13 und/oder von Filterelement zu Filterelement
graduiert sind, wobei dann im allgemeinen nach der Auslaufseite der jeweiligen Filterteilstruktur
eine größere Packungsdichte an Netzen vorgesehen wird als an der entsprechenden Einlaufseite.
[0017] Erfindungsgemäß soll die Stärke der Drähte der Netze 14 an der mit 16 bezeichneten
Einlaufseite der ersten Filterteilstruktur 10 größer als die Stärke der Drähte der
Netze 15 an der mit 17 bezeichneten Auslaufseite der zweiten Filterteilstruktur 11
sein. Hierbei können die Netze 14 der ersten Filterteilstruktur und/oder die Netze
15 der zweiten Filterteilstruktur jeweils gleiche Drahtstärken aufweisen. Besonders
vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Drahtstärke in jeder der Filterteilstrukturen
in Strömungsrichtung des Mediums M gesehen in der Weise variiert, daß am Eintritt
die gröberen, am Ausgang die feineren Drähte angeordnet sind. Hierdurch wird in jeder
der beiden Filterteilstrukturen berücksichtigt, daß die abzuscheidenden Teilchen hinsichtlich
ihrer Größe und Magnetisierbarkeit variieren können. Vorzugsweise wird die Drahtstärke
der Netze 14 an der Einlaufseite 16 der ersten Filterteilstruktur 10 mindestens doppelt
so groß gewählt wie die Drahtstärke der letzten Neztes 15 an der Auslaufseite 17 der
zweiten Filterteilstruktur 11. Hierbei können z.B. die Netze 14 aller Filterelemente
12 die gleiche Drahtstärke aufweisen, während für die Netze 15 der Filterelemente
13 die gleiche, um das vorbestimmte Maß geringere Drahtstärke gewählt wird. Daneben
kann man auch in mindestens einer der Filterteilstrukturen 10 oder 11, beispielsweise
nur in der Filterteilstruktur 11, die Drahtstärke in Strömungsrichtung gesehen von
der stärkeren zur geringeren hin variieren. Im allgemeinen liegt die Stärke der Drähte
der Netze 14 der ersten Filterteilstruktur 10 unter 0,4 mm, vorzugsweise bei etwa
0,2 mm, während für die Netze 15 der nachgeordneten Filterteilstruktur 11 Drähte mit
Stärken unter 0,1 mm vorgesehen werden.
[0018] Außerdem können die Netze 14 der Filterelemente 12 und/oder die Netze 15 der Filterelemente
13 auch insichtlich ihrer Maschenweite so graduiert sein, daß die Netze mit der größeren
Maschenweite jeweils an der Einlaufseite und die Netze mit der geringeren Maschenweite
an der Auslaufseite angeordnet werden. Dabei sieht man für die Netze 14 und 15 im
allgemeinen Maschenweiten zwischen 1,0 mm und 0,1 mm vor.
[0019] Wie aus der Figur ferner zu entnehmen ist, soll die erste Filterteilstruktur
f10 einem parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des Mediums M gerichteten,
weitgehend homogenen Magnetfeld ausgesetzt sein. Dieses Magnetfeld wird von einer
im Bereich der Filterteilstruktur 10 um den Behälter 4 angeordneten Magnetspule 18
erzeugt und ruft in dieser Filterteilstruktur eine durch eine gepfeilte Linie angedeutete
magnetische Flußdichte B
1 hervor, die im allgemeinen zwischen 0,01 Tesla und 0,1 Tesla liegt. In entsprechender
Weise ist auch die zweite Filterteilstruktur 11 von einer Magnetspule 19 umschlossen,
die für eine magnetische Flußdichte B
2 in dieser Filterteilstruktur zwischen etwa 0,1 Tesla und 1,0 Tesla ausgelegt ist.
Gemäß der Erfindung soll nämlich die in der Filterteilstruktur 10 von der Spule 18
hervorgerufene Flußdichte B
1 geringer, vorzugsweise höchstens halb so groß sein wie die Flußdichte B
2, die von der Spule 19 in der nachgeordneten Filterteilstruktur 11 erzeugt wird. Um
die von den Spulen 18 und 19 hervorgerufenen Magnetfelder im wesentlichen auf den
Bereich der jeweiligen Filterteilstruktur 10 bzw. 11 zu konzentrieren, ist jede dieser
Spulen noch von einem Eisenmantel 20 bzw. 21 so umgeben, daß nur die der jeweiligen
Filterteilstruktur zugewandte Seite der Spule offenbleibt.
[0020] Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel der in der Figur dargestellten Abscheidevorrichtung
nach der Erfindung für einen Flüssigkeitsdurchsatz von etwa 100 t/ h. hat ihr Behälter
4 aus unmagnetischem Edelstahl einen Innendurchmesser von etwa 400 mm und eine Wandstärke
von 5 mm. Die erste Filterteilstruktur 10 setzt sich auf einer Länge 1
1 von etwa 500 mm aus -_
1000 innerhalb von 11 Filterelementen 12 unmittelbar aufeinandergestapelten Netzronden
14 aus nicht- korrodierendem, ferromagnetischem Edelstahl zusammen. Dabei sind an
der Einlaufseite 16 der Filterteilstruktur 10 Netzronden 14 mit Drahtstärken von 0,2
mm und Maschenweiten von etwa 1 mm vorgesehen, während auf der der Filterteilstruktur
11 zugewandten Auslaßseite der Filterteilstruktur 10 die Netzronden 14 aus Drähten
mit 0,1 mm Stärke und Maschenweiten von 0,2 mm bestehen. Die nachgeordnete Filterteilstruktur
11 enthält auf einer Länge 1
2 von etwa 250 mm etwa 500 in 6 Filterelementen 13 aufeinanderliegende Netzronden 15,
die an der der Filterteilstruktur 10 zugewandten Einlaufseite Drahtstärken von etwa
0,1 mm und Maschenweiten von 0,2 mm aufweisen, während an der Auslaufseite 17 Netzronden
15 mit Drahtstärken von 0,05 mm und Maschenweiten von 0,1 mm vorgesehen sind. Dabei
sind innerhalb der beiden Filterteilstrukturen 10 und 11 die Werte für die Drahtstärken
und Maschenweiten zwischen den Werten der jeweiligen Einlauf- und Auslaufseite graduiert.
Die Spule 18 ist zur Erzeugung einer magnetischen Flußdichte B
1 von 0,05 Tesla, die Spule 19 für eine magnetische Flußdichte B
2 von etwa 0,2 Tesla ausgelegt. Mit einer so gestalteten Vorrichtung läßt sich dann
Wasser, das mit einer Korrosionsprodukt-Konzentration von etwa 10ppb Fe der ungefähren
Zusammensetzung 60 % Magnetit, 33 % Hämatit, 7 % Hydroxide verunreinigt ist, mit einem
Abscheidegrad von etwa 95 % reinigen. Die Standzeit eines solchen Filters beträgt
etwa 1 Jahr. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel beträgt 1
1/1
2 = 2, während m
1/m
2 ungefähr bei 1,5 liegt.
1. Vorrichtung der Hochgradienten-Magnettrenntechnik zum Abscheiden von magnetisierbaren
Teilchen aus einem strömenden Medium mit einer Filterstruktur, welche mehrere zumindest
annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums und in Strömungsrichtung gesehen
verhältnismäßig eng hintereinander angeordnete Drahtnetze aus nicht-korrodierendem,
ferromagnetischem Material mit vorbestimmter Maschenweite und Stärke ihrer Drähte
enthält, wobei die Drahtnetze in einem im wesentlichen parallel oder antiparallel
zur Strömungsrichtung des Mediums gerichteten Magnetfeld angeordnet sind, dadurch
gekennzeichnet , daß die Filterstruktur mindestens zwei in Strömungsrichtung des Mediums
(M) gesehen nacheinander angeordnete Teilstrukturen (10, 11) enthält, wobei im Bereich
der ersten Filterteilstruktur (10) eine magnetische Flußdichte (B1) hervorgerufen ist, die geringer ist als die im Bereich der zweiten Filterteilstruktur
(11) erzeugte magnetische Flußdichte (B2), und wobei zumindest die Drähte der Netze (14) an der Eintrittsseite (16) des Mediums
(M) in die erste Filterteilstruktur (10) eine größere Stärke aufweisen als die Drähte
der Netze (15) an der Austrittsseite (17) des Mediums (M') aus der zweiten Filterteilstruktur
(11).
2. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die magnetische
Flußdichte (B2) in der zweiten Filterteilstruktur (11) mindestens doppelt so hoch wie die magnetische
Flußdichte (B1) in der ersten Filterteilstruktur (10) ist.
3. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Netze (14) der
ersten Filterteilstruktur (10) mit gleicher Drahtstärke.
4. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Netze
(15) der zweiten Filterteilstruktur (11) mit Drähten gleicher Stärke.
5. Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a - durch gekennzeichnet , daß die
Drahtstärke der Netze (14; 15) der ersten und/oder zweiten Filterteilstruktur (10
bzw. 11) in Strömungsrichtung gesehen abnimmt.
6. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet ,
daß in mindestens einer der Filterteilstrukturen (10, 11) die Drahtstärke der Netze
an der Einlaufseite mindestens doppelt so groß wie die Drahtstärke der Netze an der
Auslaufseite ist.
7. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a dur c h gekennzeichnet
, daß das von der ersten Filterteilstruktur (10) eingenommene Filtervolumen größer
als das von der zweiten Filterteilstruktur (11) eingenommene Volumen ist.
8. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ,
daß die beiden Filterteilstrukturen (10, 11) eine unterschiedliche Anzahl von Netzen
(14 bzw. 15) aufweisen.
9. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Abstände zwischen benachbarten Netzen (14; 15) in der ersten und/oder in der
zweiten Filterteilstruktur (10 bzw. 11) unterschiedliche Größen aufweisen.
10. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet
, daß die Netze (14) der ersten Filterteilstruktur (10) und/oder die Netze (15) der
zweiten Filterteilstruktur (11) jeweils an der Einlaufseite eine größere Maschenweite
haben als an der Auslaufseite.
11. Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet
, daß zumindest einige der Netze (14) der ersten Filterteilstruktur (10) größere Maschenweite
haben als die Netze (15) der zweiten Filterteilstruktur (11).