DE3036448A1

DE3036448A1 - Filter

Info

Publication number: DE3036448A1
Application number: DE19803036448
Authority: DE
Inventors: Ian Raymond West Glenroy Victoria Johnston
Original assignee: Individual
Current assignee: Technisearch Ltd
Priority date: 1979-09-29
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1981-04-16
Also published as: US4340474A; AU539638B2; DE3036448C2; AU6278880A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strömungsfilter zum Abtrennen von Feststoffanteilen aus einem Feststoffpartikel enthaltenden Fluid oder Fluidgemisch. Die Erfindung ist besonders, jedoch nicht ausschließlich, für die Abtrennung von Feststoffanteilen aus den Abgasen eines Kohlekraftwerks bestimmt.

Eine der Fähigkeiten, die bekannten Strömungsfiltern zur Abtrennung von Feststoffpartikeln innewohnen, besteht darin, daß sie den abgeschiedenen Feststoffanteilen oder der Strömung der Abgase unerwünschte Eigenschaften verleihen. Beispielsweise verleiht ein Zyklonabscheider der Gasströmung einen wendelförmig verlaufenden Drall. Bei anderen Filtern backen Feststoffpartikel an der Seite des Filtergehäuses fest und/oder blockieren sie das Filterelement.

Die Zyklonabscheider nutzen die Trägheit der Feststoffpartikel aus. Solche Filter arbeiten daher mit hohen Einlaufgeschwindigkeiten, damit sich ein genügend starkes, auf die Feststoffpartikel einwirkendes Kraftfeld in der Trennungszone ergibt.

In einem bogenförmig verlaufenden Strömungsweg wirkt auf ein mit gleichförmiger Geschwindigkeit sich bewegendes Feststoffpartikel eine radial nach außen gerichtete Kraft F, die der folgenden Gesetzmäßigkeit gehorcht:

F = m^² r (a),

wobei m = Partikelmasse, LtD- Winkelgeschwindigkeit des Partikels auf seiner Bahn, r = Kurvenradius der Bahn ist.

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Alternativ kann man für feine Partikel unter Vernachlässigung des Geschwindigkeitsunterschiedes zwischen Partikel und Trägergas setzen:

F = m u_s ² _/r (b),

wobei u = freie Strömungsgeschwindigkeit (bei mittlerem Radius)

Aus der Gleichung (b) ersieht man, daß die Kraft F sich mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit u ändert. Aus diesem Grunde verwendet man hohe Einlaßgeschwindigkeiten von 15 bis 17 m/sec, um eine wirksame Partikelabscheidung zu erreichen. Bisher sind aber die Turbulenzeffekte, die zu einem Wiederhereinreißen schon abgeschiedener Partikel in die Strömung führen oder die sogar zur Folge haben, daß diese Partikel einer guten Abtrennung entgegenwirken, weitgehend unbeachtet geblieben. Auch haben stets unregelmäßige Wirbelströmungen die Filterwirkung herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter für Festkörperpartikel enthaltende Fluide bzw. Fluidgemische anzugeben, das eine wirksame Abtrennung gefilterten Fluides sicherstellt, aber nicht zum Verstopfen durch Festkörperniederschlag neigt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Durch die Erfindung wird ein Strömungsfilter geschaffen, bei dem feststoffpartikelfreies Fluid aus einer Feststoffpartikel mitführenden Fluidströmung abgezogen werden kann, ohne daß unerwünschte Turbulenzen erzeugt werden.

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-G-

Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Zur Vereinfachung bei der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unterstellt, daß das Fluid ein Gas ist.

Die Ringelemente in dem erfindungsgemäßen Filter können massive Ringe sein, alternativ und vorzugsweise bestehen sie aber aus einem porösen festen Material, wie insbesondere Modellgips, Keramik, Metall oder anderem feinkörnigem Material. Auch kann das Material aus einem gespritzten Polymer oder einer anderen organischen Verbindung bestehen. Die Materialwahl hängt von den zu erwartenden Aufgaben des Filters ab, wie beispielsweise der Temperatur, den Abriebseigeneschaften der Feststoffpartikel, deren Klebeigenschaften, Partikelgröße, Konzentration, monodispersen oder polydispersen Natur und deren Zusammensetzung aus Einzelmineralen oder f4ineralzusammensetzungen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Innenflächen der Ringe porös, während die Außenflächen gasdicht sind. Die Ringe sind mit einer verzweigten Fluid-Druckleitung verbunden, die dem Ringmaterial ein Fluid zuführt. Der Weg, durch den dieses Fluid strömt, wird durch die Tragstützen erweitert, die die einzelnen Ringe zu einer Kaskade miteinander verbinden, die die konische Filterzone bildet. Beim Zusammenbau dieser Anordnung kann eine leichte axiale Druckkraft auf die Ringanordnung durch Federn ausgeübt werden, deren Reaktionskraft durch den äußeren konischen Abschnitt übertragen wird.

Dieses letztgenannte Fluid ist in die axial fließende zweiphasige Hauptströmung gerichtet.

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Je nach verwendetem Material können die porösen Ringe einstückig sein oder aus zwei Teilen bestehen, einem im allgemeinen zylindrischen Teil zur Ausbildung einer Anströmzone, und einem sich keilförmig nach oben erweiternden Teil, das eine Filterzone bildet. Letztgenanntes Teil bildet innerhalb des von dem Ring umschlossenen Raumes einen konischen Abschnitt mit der erwähnten Lippe am stromabwärtigen Ende des Ringes. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens in einem Teilbereich der Längsachse des Filters Flügel angeordnet, die wenigstens teilweise jegliche Tendenz zur Ausbildung einer Rotation in der Gasströmung unterbinden sollen.

Das Fluid bzw. das Fluid-Feststoffpartikel-Gemisch kann der Anströmzone und der Filterzone von einer Absetzkammer her zugeführt werden, in welcher gröbere Feststoffpartikel niedergeschlagen werden. Diese Kammer kann integral mit dem Anströmeinlaß ausgebildet sein und besteht im wesentlichen aus einer großen, in Gegenrichtung verlaufenden Düse, so daß die Strömung vor dem Eintritt in die Anströmzone eine axiale Richtungsumkehr durchführen muß. Diese Richtungsumkehr führt zu einer Abscheidung von Grobpartikeln aus der Strömung. Die niedergeschlagenen Grobpartikel können in einem unteren Sammelgefäß aufgefangen und chargenweise oder kontinuierlich abgezogen werden.

Der Anströmbereich kann ebenfalls ein inneres poröses Bauteil von zylindrischer Gestalt enthalten. In dieses poröse Bauteil wird ein Fluid unter Druck eingeführt, das sich innerhalb des von diesem Bauteil umschlossenen Raumes mit der dort axial strömenden zwei-phasigen, d.h. Feststoffpartikel enthaltenden Fluidströmung durchmischt. Der Anströmbereich hat den Zweck, das Strömungsprofil wie in der Filtrierzone aufzubereiten. Das reine Trägerfluid wird unter genügend hohem Druck injiziert, um ein ausreichendes Maß von innerer Oberflächeninjektion zu

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erreichen. Dieses Injektionsfluid kann entweder durch eine Verzweigungsleitung durchgeführt werden oder mit Hilfe einer konzentrischen äußeren Kammer, die den porösen Zylinder umschließt.

Auch in dem Anströmbereich können Wirbel verhindernde Flügel angeordnet sein, um sicherzustellen, daß sich eine reine Axialströmung ergibt. Die Anordnung solcher Flügel ist notwendig, wenn am Filtereinlaß irgendwelche Wirbelströmungen existieren.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Strömungsfilter nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung des Filters nach Fig. 1, und

Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch ein Blasdüsen-Reinigungssystem.

Das Strömungsfilter nach Fig. 1 ist säulenartig aufgebaut und besteht aus drei miteinander verbundenen Abschnitten. Der untere Abschnitt ist ein trichterförmiger Sammelbehälter 10, der eine Absetzkammer 12 umschließt, in der Grobpartikel niedergeschlagen werden sollen. In die Absetzkammer 12 führt seitlich ein Einlaßkanal 14, durch den die Feststoffpartikel mitführenden Gase in das Gefäß 10 nach unten gerichtet eingeleitet werden. Dabei fließt das Gas zunächst durch einen ringförmigen Kanal 11 nach unten und dann nach oben in die Anströmzone 13 des Filters. Ein Steuerventil 18 im Boden des Gefäßes 10 kann manuell oder

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autamatisch zu bestimmten Zeitpunkten geöffnet werden, um niedergeschlagene Feststoffpartikel abzuziehen.

Der Zwischen- oder Anströmabschnitt 13 besteht aus zwei äußeren Zylindern 20, die jeweils an ihren Enden Flansche aufweisen. Die Zylinder 20 sind axial aneinandergefügt und miteinander verbunden und der untere Zylinder ist mit einem Flansch am oberen Ende des Gefäßes 10 verbunden. Jeder Zylinder 20 weist einen seitlichen, von einem Ventil gesteuerten Einlaß 22 auf, durch den ein unter Druck stehendes Gas eingeleitet werden kann. Konzentrisch in den Zylindern 20 ist ein poröser Membrankörper 24 angeordnet. Dieser Membrankörper besteht vorzugsweise aus einem Sintermetall, kann jedoch auch aus jedem anderen geeigneten Material, wie lose gepacktem und verschmolzenem Porzellan bestehen. Befriedigende Ergebnisse hat man mit einer Metallplatte erzielt, die mit Löchern versehen ist. Zwischen den Membrankörper und der zylindrischen Wand wird eine Gasverteilungskammer 26 ausgebildet, in der das durch die Einlasse 22 zugeführte Gas gleichmäßig um den Außenumfang des Membrankörpers 24 verteilt wird. Das Gas kann dann im wesentlichen gleichmäßig durch den Membrankörper hindurchtreten und wird auf der ganzen Länge desselben in den von dem Membrankörper umschlossenen Innenraum gleichmäßig injiziert. Es wurde festgestellt, daß man eine zufriedenstellende Injektion bei Gasdrücken in der Größenordnung von 25 kPa (0,25 At) erhält.

Das injizierte Gas kann Luft oder ein Gasgemisch sein, es kann auch dasselbe Gas sein, das die von dem Filter abzuscheidenden Feststoffpartikel trägt. Das injizierte Gas hat die Aufgabe, die in der Gasströmung enthaltenen Feststoffpartikel dem Kernbereich der das Filter durchströmenden Strömung zuzuführen. Damit ist zugleich der Vorteil verbunden, daß die Wände des

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Membrankörpers von Kollisionen mit den Feststoffpartikeln verschont bleiben.

Die obere oder Konvergenzzone des Filters besteht aus einer im wesentlichen konischen äußeren haube 29, die unten mit einem Flansch versehen ist und an dem zugehörigen Flansch des oberen Zylinders 20 befestigt ist. Über ein Steuerventil 28 wird ein Ras oder Gasgemisch einer Verzweigungsleitung 30 zugeführt, die das Gas in eine Mehrzahl von Ringelementen 31 injiziert, die deutlicher erkennbar in Fig. 2 dargestellt sind. Jedes Ringelement weist Löcher auf oder besteht aus porösem Material, beispielsweise einem Sintermetall oder einer porös verschmolzenen Keramik. Die Ringelemente weisen einen gegenseitigen Abstand auf und tragen sich gegenseitig mittels Haltenasen 35. Zufriedenstellende Ergebnisse hat man mit einem Siliciumdioxid-Chrom-Kobalt-Formpulver, das beim Investmentguß Verwendung findet und manchmal als zerstoßenes Opalpulver bezeichnet wird, erzielt. Eine poröse und feste Struktur erhält man durch einfaches Mischen des Pulvers in Wasser.

Die Außenseite 34 jedes Ringelements ist vorzugsweise undurchlässig gemacht, indem man diese Fläche mit einem härtenden, fixierenden Material umkleidet, womit sichergestellt ist, daß sich ein nur nach innen gerichteter Fluß des injizierenden Gases ergibt. Dieses Umkleidungsmaterial kann ein Kunstharz sein, wenn das Filter bei normalen Umgebungsbedingungen Einsatz findet, es kann auch ein Silikonharz oder ein Inert-Metall sein, wenn das Filter unter Heißgasbedingungen Einsatz findet. Auf jeden Fall wird diese abdeckende Schicht erst aufgebracht, nachdem die Verzweigungsleitung 30 mit den Ringelementen, beispielsweise durch Verklebung, verbunden worden ist.

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Die Innenseiten der Ringelemente lassen sich in zwei Abschnitte einteilen, nämlich einen ersten Abschnitt, der aus einem ebenen Zylinder 36 besteht, der in den zweiten Abschnitt übergeht, der die Form eines kegelstumpfförmigen Konus 38 aufweist oder kugelförmig ist. Der kegelstumpfförmige Abschnitt erstreckt sich mit einem Winkel zwischen 35 und 45 , wobei der gewählte Winkel von dem zu filternden Material abhängt. Der kegelstumpfförmige Abschnitt des Ringelements ist an seiner Oberseite 32 abgeschrägt, um einen sich nach außen erweiternden Strömungsweg für die gereinigten Gase zu bilden, die in den Zwischenräumen zwischen den Ringelementen austreten. Die in der zentralen Gasströmung mitgeführten Festkörperpartikel werden aufgrund ihrer eigenen Trägheit an den Zwischenräumen zwischen benachbarten Elementen vorbeigeleitet. Der Anteil der Feststoffpartikel, der von dem mittleren Abschnitt des Filters zum konvergierenden Abschnitt strömt, kann als gegen die Längsachse des letztgenannten Abschnitts fokussiert gedacht werden, der Gasanteil des Feststoff-Gasgemischs wird von den porösen Bauteilen durch das in diese injizierte Fluid ferngehalten. Die porösen Bauteile sind so angeordnet, daß sie diesem gasförmigen Gemisch eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeit in den verschiedenen Abschnitten verleihen. Gewünschtenfalls kann eine Mehrzahl von im Abstand angeordneter radialer Flügel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die sich längs des konvergierenden Abschnitts erstrecken, um eine Gasrotation darin zu vermeiden und den Fokussiereffekt an den Festkörperpartikeln begünstigen.

Die Gasströmung durch das Filter wird mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit aufrechterhalten, wobei diese Geschwindigkeit groß genug sein muß, um die Feststoffpartikel in der Gasströmung mitzuführen. Auch der Druck ist im wesentlichen konstant gehalten, während das Gasvolumen während des Durchlaufens des Filters abnimmt, da gereinigtes Gas nach außen aus dem Filter abgezogen wird. Die nachfolgende Tabelle zeigt die

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Ergebnisse von Vergleichsversuchen, die mit einem erfindungsgemäßen Filter und einem konventionellen Zyklonabscheider durchgeführt wurden.

Der Luftdurchsatz repräsentiert den Fluiddurchsatz durch jedes Filter.

Der Druckabfall ist derjenige, der in mmWS zwischen dem Einlaß und dem Auslaß für gereinigte Luft gemessen wurde.

Der Massenwirkungsgrad ist der Prozentsatz der aus dem Fluid abgeschiedenen Feststoffanteile gegenüber der Gesamtmasse der Feststoffe am Einlaß zum Filter.

Die Einlaß- und Auslaßkonzentration steht für die Partikelkonzentration im Fluid am Einlaß und am Auslaß.

Die Durchschnittsmasse der Partikel repräsentiert die Durchschnittspartikelgröße in /U.

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	Abscheider	Partikel	Luft	Druck	Massen	Partikel	Partikel	Partikel	Partikel	1,8
	bzw. Filter	material	durch	abfall	wirkungs	gehalt	gehalt	durchmesser	durchmesser
			satz		grad	Einlaß	Auslaß	Mittelwert	Mittelwert
			m /min	mrnWS	%	g/m³	g/m³	(Stokes) Einlaß	(Stokes) Auslaß
								/^U	/^U	3,2
	Zyklon (1)	Sand	48,1	101	50	13	N/A	5,3
	AStern	und
	AP	Kies
	V111P406								N/A
	Zyklon (2)	Sand	348	48	87	504	N/A	8,2
ω		und
! ο		Kies
ο									14
	Erfindung	gemahle	33	23	78	4	0,4	29
	Ausf. 1	ner
O		Quarz							18
OO
-»	Erfindung	gemahle	40	36	84	13	1,9	24
G)	Ausf. 2	ner
		Quarz
	Erfindung	gemahle	51	74	79	8	1,1	20
	Ausf. 3	ner
		Quarz

CO O CO CD 4>> -P-CO

Die Konstruktion des Strömungsfilters, das zur Durchführung der Versuche verwendet wurde, war dadurch vereinfacht, daß undurchlässige anstelle von porösen Bauteilen verwendet wurden. Man kann hieraus schließen, daß man bessere Ergebnisse erhält, wenn man poröse Körper für die Ringe und das Anströmrohr verwendet.

Die Zahlen zum erreichten Massenwirkungsgrad sind vergleichbar jenen, die sich mit konventionallen Zyklonabscheidern erreichen lassen, sie sind wesentlich besser als die von Zyklonabscheider 1 und leicht schlechter als jene von Zyklonabscheider 2. Die Ergebnisse wurden mit relativ geringen Strömungsdurchsätzen und Druckabfällen erzielt.

Nach dem Verlassen des Filters kann das die Feststoffpartikel mitführende Abgas eine weitere Filterstufe durchlaufen, alternativ kann man es auch einem üblichen Zyklonabscheider für die weitere Aufbereitung zuführen und dann in die Atmosphäre entlassen. Alternativ kann man einen Teil des schon behandelten Gases rezirkulieren und dazu verwenden, den mittleren Abschnitt der Filtervorrichtung unter Druck zu setzen.

An der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung sind verschiedene Modifikationen möglich. Beispielsweise können die Ringelemente einen zylindrischen Bereich mit einer nach innen und oben gerichteten Lippe aus einem festen Material aufweisen, um die mitgeführten Feststoffpartikel besser zur Mitte der Strömung zu lenken.

Auch kann ein Filter allein aus dem konvergierenden Bereich, d.h. ohne die Absetzkammer und den Anströmbereich, aufgebaut werden.

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Eine weitere Modifikation der Erfindung besteht in der Hin-

zuführung eines Blasdüsensystems 40, mit welchem periodisch die Oberseiten 32 der Ringelemente von etwa dort niedergeschlagenen Feststoffpartikeln gereinigt werden können. Bei dieser, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsart sind die Blasdüsen 42 um die Ringelemente herum angeordnet, um Niederschläge 44 darauf hinwegzublasen. Die Anzahl der Röhrchen 46 kleinen Durchmessers, die die Düsen tragen, ist ungefähr 6 pro Ring. Die Röhrchen sind miteinander mit einer Hauptleitung 48 verbunden, die ihrerseits über ein oder mehrere Ventile mit einer Druckgasquelle verbunden ist. Die Betätigung dieser Ventile kann manuell oder automatisch erfolgen.

Die Erfindung erlaubt die Verwendung sehr viel niedrigerer Einlaßgeschwindigkeiten als die üblichen Zyklonabscheider. Der Wirkungsgrad des Strömungsfilters nach der Erfindung hängt teilweise von der Einrichtung eines mehr geordneten Strömungsbildes im Bereich der Gasabtrennung ab, d.h. im konvergierenden Strömungsbereich. Turbulenzen werden auch durch geringere axiale Durchschnittsgeschwindigkeiten vermindert. Das Strömungsfilter arbeitet mit geringen Axialgeschwindigkeiten (im Bereich von 2 bis 4 m/sec), wo die Intensität von freien Strömungsturbulenzen im Vergleich zu Zyklonabscheidern drastisch herabgesetzt ist. Im Gegensatz dazu braucht ein Zyklonabscheider hohe Geschwindigkeiten, um effektiv arbeiten zu können. Ein Zyklonabscheider hat deshalb auch einen sehr viel höheren Energieverbrauch als ein Filter nach der vorliegenden Erfindung .

Kö/Ro

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-Ak-

Leerseite

Claims

Ansprüche

1. Filter für Festkörperpartikel enthaltende Fluide bzw. Fluid- gemische, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen vertikal angeordnete Filtereinrichtung (29,31) zur Aufnahme des zu filternden Fluides an einem Ende größeren Durchmessers, die eine Mehrzahl im Abstand zueinander angeordnete, im wesentlichen ringförmiger Elemente (31) aufweist, von denen jedes mit einer Fokussierungseinrachtung (38) versehen ist, die die im Fluid enthaltenen Feststoffpartikel in die zentrale Hauptströmung des Fluides in der Filtereinrichtung leiten, und daß Einrichtungen zum Abziehen des Fluides zwischen den Ringelementen vorhanden sind.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (31) zusammen einen sich nach oben verjüngenden Kernraum umschließen und jedes Ringelement (31) eine nach innen gerichtete Lippe (38) an seinem stromabwärts gelegenen Ende aufweist.

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3. Filter zum Abtrennen wenigstens eines Anteils des Feststoffpartikelgehalts aus einem Feststoffpartikel enthaltenden Fluid bzw. Fluidgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen konisch geformtes Gehäuse (29) vorgesehen ist, dessen Ende größeren Durchmessers Fluideinlaß und dessen Ende kleineren Durchmessers Fluidauslaß ist, daß in dem Gehäuse (29) eine Mehrzahl von Ringelementen (31) progressiv abnehmenden Durchmessers in gegenseitigem Abstand in Strömungsrichtung axial hintereinander angeordnet ist, wobei das Ringelement (31) größten Durchmessers dem Fluideiniaß benachbart ist, und daß alle Ringelemente (31) an ihrem stromabwärtigen mit einer(m) nach innen vorstehenden Ablenklippe, Rand (38) od.dgl. versehen sind.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (31) aus porösem Material bestehen und mit einer Vorrichtung (30) zum Einleiten eines Fluids in die Ringkörper (31) verbunden sind.

5. Filter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des konischen Gehäuses (29) sich an dieses ein zylindrisches Gehäuse (20) anschließt, in welchem ein zylindrischer Rohrkörper (24) aus porösem Material angeordnet ist, der mit einer Einrichtung (22,26) zum Einleiten eines Injektionsfluides in das Rohrmaterial verbunden ist, und daß der Rohrkörper (24) mit einer Absetzkammer (12) zum Niederschlagen von groben Partikeln vor dem Durchleiten des zu filternden Fluides durch den Rohrkörper (24) verbunden ist.

6. Filter nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Auslaß vorgesehen ist, durch welchen der Kernbereich der Fluidströmung abziehbar ist.

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7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Querauslaß im konischen Bereich vorgesehen ist, durch welchen das gefilterte Fluid abziehbar ist.

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