1. Einleitung

Die Flüssigpartikelfiltration ist imweiten Anwendungsspektrum der Filtra -tions aufgaben bei den kontinuierlicharbeitenden Verfahren einzuordnen, dennes handelt sich dabei um einen stationärenProzess, der wiederum aus mehrerenTeilaufgaben, wie Partikelabscheidung,Koaleszenz, Flüssigkeitstransport, Flüs -sig keits drainage besteht. Der aus pro zess -technischer Sicht wesentliche Aspektdabei ist das Erreichen dieses stationärenZustandes, der sich dadurch auszeichnet,dass nach einer gewissen Zeit einGleichgewichtszustand erreicht wird, beidem die primär pro Zeiteinheit alsTröpfchen eingetragene Flüssigkeits -menge in der gleichen Zeiteinheit wiederüber die Drainage abgeführt wird. DieFlüssigkeitsmenge im Filtermedium (dersog. Sättigungsgrad) erreicht somit einkonstantes Niveau. Die tropfengebundeneFlüssigkeitsmenge im Reingas ist beivollständiger Drainage und Vernach -lässigung des Reentrainments bei gutenDruckluftfiltern vernachlässigbar. DerSättigungsgrad bestimmt den Druck ver -lust, der bei der Durchströmung des Filtersdurch zusätzlichen Energieeintrag zuüberwinden ist. Ziel vieler Arbeiten ist es,

diesen Druckverlust (also die Betriebs -kosten) im stationären Zustand zu senken;allerdings soll sich dabei die Qualität derDruckluft nicht ver schlechtern. Um dieseOptimierungs aufgabe zu lösen, ist esunerlässlich, zusätzliche Detailin forma -tion über diesen komplexen Prozess derFlüssigpartikelfiltration zu gewinnen.

2. Die Druckluftfiltration

Druckluft wird in einer Vielzahl vontechnischen Prozessen benötigt. DieAufbereitung der Druckluft insbesonderebei hochreinen Prozessen in der Lebens -mittel- und Pharmaindustrie oder in derElektronikindustrie verursacht erheblicheEnergiekosten. Der Energie verbrauch re -sul tiert aus dem Druck luftbedarf(Umgebungsluft wird zunächst auf dasgewünschte Druckniveau komprimiert)und desweiteren aus einem Anteil, dererforderlich ist, um das Druckniveauaufrecht zu halten. Eine Abschätzung fürdas Jahr 2015 /25/ sagt einen Energie -einsatz bei der Druckluftaufbereitung vonca. 127 Mrd kWh mit einem Gesamt -einsparpotential von ca. 30 % voraus; 5 %- 10 % davon entfallen laut dieser Studieauf die Optimierung der Druckluftfilterselbst; zum Beispiel durch die Verringe -rung des Druckverlustes bei gleich -bleibender Abscheideleistung. Mehrkreis -systeme für unterschiedliche Druck -niveaus oder optimierte Strömungs -führung in den Druckluftleitungen sindweitere Möglichkeiten der energetischenOptimierung.

Im Rahmen des ForschungsprojektesZF3 „Zentrum für Filtrationsforschung und

funktionalisierte Oberflächen“, /24/ stehtin einem eigenen Themenbereich dieOptimierung der Flüssigpartikel abschei -dung in den Druckluftfiltern im Mittel -punkt, wobei die Optimierung durchFunktionalisierung der Faseroberflächenerreicht werden soll. Zum Erreichen diesesZiels und insbesondere für eine gezielteOptimierung der Einzelprozesse ist einemesstechnische Erfassung von Detailin -forma tionen zu diesen Prozessen nötig.Dazu werden in Abschnitt „Detailunter -suchungen“ dieser Arbeit Ergebnissevorgestellt und diskutiert. Zunächst sollaber ein kurzer Überblick über denFiltrationsprozess in Druckluftfilterngegeben werden.

3. Der Filtrations- undFlüssigkeitstransportprozess

3.1 Wirkungsweise

Ein Druckluftfilter (siehe Abb. 1) istüblicherweise mehrschichtig aufgebautund besteht neben Stützgittern imWesentlichen aus einem Filtermedium(weiß plissiert) und aus einem Drainage -medium (blau), wobei die abzu scheiden -den Öltröpfchen zunächst im Filter -medium abgetrennt werden, dort koales -zieren und durch die Druck luft strömung indas direkt dahinterliegende Drainage -medium gelangen, um hier auf Grund derSchwerkraft nach unten in das Druck -luftfiltergehäuse abzutropfen (siehebeispiel haft Abb. 2). Aber auch Feststoff partikel werden abgeschieden undzurückgehalten und verbleiben in derRegel im Filtermedium.

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Schwerpunktthemen

* Dr.-Ing. Wolfgang Mölter-SiemensDipl.-Ing. Georg LauberDipl.-Ing. Almut KerßenboomDipl.-Ing. Jörg LindermannDipl.-Chem. Hartmut Finger, Dr.-Ing. Stefan Haep

Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA)Bliersheimerstr. 6047229 DuisburgTel.: 02065-418-0/300Fax: 02065-418.211Email: moelter@iuta.de

Abscheidung feinster Tropfen mitmehrschichtigen faserförmigenFiltermedien, dargestellt am Beispielder Druckluftfiltration W. Mölter-Siemens, G. Lauber, A. Kerßenboom, J. Lindermann, H. Finger, St. Haep*

Bei der Flüssigpartikelfiltration mit mehrschichtigen Filtermedien handelt es sich um einen komplexen Vorgang,bestehend aus den Einzelprozessen „Filtration im Filtermedium“, „Koaleszenz im Filtermedium“, „Penetration der Partikeldurch Filter- und Drainagemedium“ „Flüssigkeitstransport im Filtermedium“, „Flüssigkeitstransport zum Drainagemedium“,„Flüssigkeitstransport im Drainagemedium“, „Abtropfen der Flüssigkeit in den Drainagebunker“, „Reentrainment vonÖltröpfchen beim Abtropfen“. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Zentrum für Filtrations forschung und funktionalisierteOberflächen – ZF3“ wurden Detailuntersuchungen zu einigen Einzelprozessen an Filtermedien für die Flüssigpartikelfiltrationdurchgeführt. Dabei wurde herausgearbeitet, dass das sog. Drainagemedium eine sehr bedeutende Rolle innerhalb derProzesskette spielt. Es trägt nicht nur dazu bei, dass das Filtermedium seiner eigentlichen Aufgabe der Partikelabscheidungbesser gerecht wird, sondern ist durch den Aufbau der sog. Drainagewand Funktionsträger für das Abfließen der filtriertenFlüssigkeit und damit verbunden maßgeblich für den Druckverlust des Filters. Diese und weitere Erkenntnisse erlaubeneine gezielte Optimierung des Filtrationsprozesses.

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Schwerpunktthemen

3.2 Normung

Die Qualität der Druckluft hinsichtlichder Verunreinigungen wie Partikel,Wasser, Öl oder Mikroorganismen wirdgemäß ISO 8573 („Compressed air“) /21/beurteilt. Teil 1 der Norm definiertDruckluftklassen auf Basis von Maxi mal -werten für die jeweiligen Verunreini -gungen. Die Messmethoden sind in denweiteren Teilen beschrieben. Diese Normbeschreibt also die Methoden zumNachweis der Qualität der Druckluft inden Druckluftversorgungssystemen.

Ein Teil dieser Versorgungssystemesind die Druckluftfilter selbst. Dievergleichbare Prüfung und Beurteilungdieser Druckluftfilter ist Gegenstand einerweiteren Norm ISO 12500 („Filters forcompressed air – Test methods“) Teile 1 –3 /20/. Diese Norm wird zum Beleg derLeistungsfähigkeit gegenüber Kundensowie zur internen Sicherung der Qualitätangewendet.

3.3 Der Prozess im Detail

Wie eingangs erwähnt haben dieDruckluftfilter die wesentliche Aufgabe,Öltröpfchen, die bei der Komprimierungder Luft als Prozessmedium eingebrachtwerden müssen bzw. entstehen, wieder ausder Druckluft zu entfernen. Dies geschiehtin modernen Druckluftfiltern in einerzweischichtigen Anordnung, bestehendaus einem Filtermedium und einem inStrömungsrichtung kontaktierend da hin -ter liegenden Drainagemedium. Vor eini -gen Jahren ging man zudem dazu über, dasFiltermedium zu plissieren. Dies hat den

Effekt, dass der Druckabfall amFiltermedium bei gleichem Volumenstromdurch das Filter deutlich reduziert wird.Andererseits lässt sich mit Hilfe derPlissierung bei gleichbleibendem Druck -verlust ein deutlich erhöhter Nenn -volumenstrom realisieren. Im letzterenFall bleibt also die Filteranström ge schwin -digkeit in etwa gleich, was dazu führt, dassdie Abscheideleistung des Filters ebenfallsin etwa die gleiche ist. Wird der Nenn -volumenstrom konstant gehalten, also dieFilteranströmgeschwindigkeit auf Grundder größeren Filterfläche reduziert, soändert sich auch die Abscheideleistung. Imdiffusionsdominierten Bereich (geringeAnströmgeschwindigkeit und/oder kleinePartikel) wird die Abscheideleistung durchdie reduzierte Anströmgeschwindigkeitzunehmen, im impaktionsdominiertenBereich (hohe Anströmgeschwindigkeitund/oder große Partikel) abnehmen. Eineausführliche Darstellung der gängigenFiltertheorie ist in /5/ zu finden.

Bei der Druckluftfiltration handelt essich also um einen komplexen, mehr -stufigen Prozess, dessen wissenschaftlicheBearbeitung nachstehend kurz zusammen -gefasst wird.

Eine prinzipielle Abhandlung zurDynamik des kapillarkraftgetriebenenTransports von Flüssigkeiten wurde schon1921 in /18/ erarbeitet. In mehrerenVeröffentlichungen (/4/, /6/, /11/, /19/)sind Teilaspekte des Gesamtvorgangs, wiez. B. das Thema „Abscheiden vonÖltröpfchen in einem Faserfiltermedium“,behandelt. Auch hat man sich in (/1/, /2/,

/3/, /15/) mit anderen Teilprozessenbefasst, wie z. B. dem „Abfließverhaltenvon koalesziertem Öl aus dem Draingage -medium“. Selbst die Abhängigkeiten derFiltrationseigenschaften von der Faser -richtung und das Zusammenspiel derTransportkräfte wie Gravitationskraft undWiderstandskraft (/12/, /13/, /14/) sowieauch die partielle Verdampfung vonleichter flüchtigen Substanzen bei derFiltration von Aerosolen aus Flüssigkeits -gemischen (/10/) wurden wissenschaftlichbearbeitet.

In überwiegendem Maße wurdenjedoch die theoretischen Arbeiten und diezugehörigen experimentellen Unter -suchungen für ein System bei Um ge -bungsdruck durchgeführt. Eine ge -schlossene Darstellung des Gesamt -vorgangs, bestehend aus den Einzel -prozessen „Filtration im Filtermedium“,„Koaleszenz im Filtermedium“, „direktePenetration der Partikel durch Filter- undDrainagemedium“ „Flüssigkeitstransportim Filtermedium“, „Flüssigkeitstransportzum Drainagemedium“, „Flüssigkeits -transport im Drainagemedium“, „Ab -tropfen der Flüssigkeit in den Drainage -bunker“, „Reentrainment von Öltröpfchenbeim Abtropfen“ existiert bislang nicht.

In /17/ wurde eine sehr übersichtlicheBilanz der Flüssigkeits-Massenströmedurch ein Luftfilter erarbeitet; allerdingswurde dabei das Filter als Ganzesbetrachtet und nicht als Kombination vonFiltermedium und Drainagemedium.Diese Bilanz ist in Abb. 3 dargestellt. Das Filtermedium wird mit einem Träger -

Abb. 1: Aufbau eines Druckluftfilters (aus /22/). Abb. 2: Druckluftfilter in Betrieb

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gasvolumenstrom, der die Partikelphaseund die Gasphase des Partikelmaterials (z.B. Kompressoröl) enthält, beaufschlagt.Der Großteil der Partikel wird imFiltermedium abgeschieden, koalesziertdort und wird in die Drainage abgeleitet;der andere Teil der Partikelphase penetriertdas Filter (die Gasphase durchströmt dasFilter nahezu ungehindert). Beim Austrittder koaleszierten Flüssigkeit in dieDrainage kann es zudem zum Reentrain -ment kommen, was die Partikelphase imReingas wieder anreichert. Eine über -lagerte Verdampfung von Partikelmaterialim Filtermedium ist möglich.

In /17/ wurde zudem ein Bilanz -gleichungs system aufgestellt und dabeidie einzelnen Beiträge separat phäno -menologisch betrachtet. Kampa /9/ hatdies aufgenommen, die Ortsabhängig -keiten eingearbeitet und die darausresultierende Differenzialgleichung gelöst.Die daraus abgeleitete örtliche Verteilungder Sättigung für den sich nach gewisserZeit einstellenden stationären Zustand istin Abb. 4 dargestellt. Dabei wurde einFiltermedium von insgesamt 5 mm Dickeschichtweise aufgebaut und modell -theoretisch abgebildet. Man erkennt den

hohen Sättigungsgrad an der Anströmseitedes Filters. Die Übertragbarkeit auf dieAnwendung von Filtermedien bei derrealen Druckluftfiltration sollte allerdingsüberprüft werden, da in der RealitätFiltermedien mit Dicken um 0,5 mm,gefolgt von Drainagemedien mit Dickenum ca. 1 mm, eingesetzt werden.

3.4 Bewertung des Druckverlustsund des Abscheidegrades beider Beladung von Filtermedienmit einem Ölaerosol

Parallel zur Differenzdruckmessungwurde in /7/ auch der Abscheidegrad desFiltermediums für Öl-Tröpfchen beiverschiedenen Beladungszuständen ver -messen. Die Ergebnisse dieser Messungzeigen, dass sich der Abscheidegrad mitzunehmender Beladung zunächst ver -schlechtert, sich in der Beladungsphasedes steilen Druckverlustanstieges wiederetwas verbessert und schließlich beimÜbergang in die stabile Sättigungsphaseauf einen relativ konstanten Wert ein -pegelt; allerdings liegt der Sättigungswertdes Abscheidegrades auf einem geringerenNiveau als der Abscheidegrad imjungfräulichen Filtermedium. Zur Bestim -mung des Abscheidgrades wurde die

Gesamtmasse (Wägung) der abge schie de -nen Öl-Tröpfchen im Vergleich zur Masse,die hinter dem Prüffilter gefunden wurde,herangezogen. Die Änderung des Ab -scheide grades war umso größer, je kleinerdie Anströmgeschwindigkeit wurde.

Diese Ergebnisse eines schlechterwerdenden Abscheidegrades stehen imWiderspruch zu den eigenen Vorunter -suchungen an Druckluftfiltern unterBetriebsbedingungen. Hier wurde in denersten Experimenten eine Verbesserungdes Abscheidegrades mit zunehmenderBeladung zumindest in der Anfangsphaseder Beladung festgestellt. Diese Beobach -tungen stehen auch im Einklang mitanderen Arbeiten /6/, /11/. Mit weitererZunahme der Beladung wurden dannallerdings auch wieder mehr Partikel imReingas gefunden als in der erstenBeladungsphase.

Die Zusammenfassung der unterschied -lichen Ergebnisse erlaubt folgende Aus -sagen: Der Druckverlust steigt mit zunehmenderBeladung, unterliegt dabei aber einemcharakteristischen Verlauf.

Der Abscheidegrad ändert sich eben -falls mit zunehmender Beladung. Aller -dings hängen der qualitative und derquantitative Verlauf der Änderung vomFiltrationsprozess und dessen Parameternab. Ein wichtiger Parameter in diesemZusammenhang ist die Strömungs ge -schwindig keit. Hier ist aber zu unter -schieden zwischen der Anströmge -schwindigkeit unmittelbar vor dem Filter -medium und der Durchströmge schwin -digkeit im Filtermedium, also der tat -sächlichen Strömungsgeschwindigkeit umdie Fasern und durch die sich aufbauendeStruktur aus Fasern, benetzten Fasern undFlüssigkeitsbrücken. Die Anströmge -schwin dig keit bleibt während der Bela -dung konstant, die Durchströmge schwin -dig keit wird größer.

Unter bestimmten Randbedingungenkann die Abscheideleistung mit zu -nehmender Beladung geringer werden,

152 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 3

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Abb.3: Massenstrombilanz an einem Druckluftfilter (aus /17/). Abb. 4: Sättigung eines Filtermediums (aus /9/).

Abb. 5: Fraktionsabscheidegrad bei Druckniveaus von 1,2 bar (a) bis 7,2 bar (a).

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wobei diese umso stärker auftritt, jegeringer die Anströmgeschwindigkeitensind (diffusionsdominierter Bereich). Mitzunehmender Beladung steigt hier dieinterne Durchströmgeschwindigkeit unddie diffusionsbedingte Partikel ab schei -dung wird geringer.

Mit höheren Anströmgeschwindig -keiten nimmt der Abscheidegrad zu (bzw.nach /7/ weniger ab), was auf denzunehmenden Einfluss von impaktions -dominierten Abscheideeffekten schließenlässt. Mit steigender interner Durch -strömgeschwindigkeit (verursacht durchdie zunehmende Beladung) nimmt dieimpaktionsbedingte Partikelabscheidungweiter zu, bis andere Effekte (wie z. b. dasReentrainment) zum Tragen kommen.

Die bisherigen Überlegungen habenden gemeinsamen Ansatz, dass sich dieprinzipielle Anordnung der Fasern imFiltermedium mit zunehmender Beladungnicht ändert. Zwar werden auf Grund derzunehmenden Beladung die verbleibendenZwischenräume immer enger, die Grund -struktur bleibt aber erhalten. In /16/ wirdaber zusätzlich darauf hingewiesen, dasssich Fasern in losen Strukturen auf Grundder Oberflächenspannung der abgeschie -denen Flüssigkeit zusammen lagern kön -nen. Daraus könnte zusätzlich eineVerringerung der Abscheideleistung resul -tieren (allerdings auch eine strukturbe -dingte Verringerung des Druckverlustes).

Wie aus allen Überlegungen undArbeiten (sowohl eigene, als auch zitierte)zu erkennen ist, handelt es sich um einenhochkomplexen dynamischen Vorganginnerhalb der Filtermedien bei derBeaufschlagung mit Flüssigaerosol. Basisfür eine gezielte Optimierung desGesamtprozesses ist eine eingehendeUntersuchung der Ausgangsituation; alsodie messtechnische Erfassung von Einzel -vorgängen und Zuständen innerhalb desdynamischen Prozesses. Diese werden imFolgenden beschrieben.

4. Detailuntersuchungen

4.1 Abscheideleistung in Abhängigvom Druckniveau

An einem Prüfstand für Druckluftfilternach ISO 12500 war es unter Verwendungeines druckfesten optischen Partikel -zählers möglich, die Änderung des Frak -tionsabscheidegrades in Abhängigkeitvom angelegten Druckniveau mess tech -nisch zu erfassen (siehe /23/). Die Unter -suchungen wurden an einem Druck -luftfilter mit einem aus Glasfasernbestehenden Filtermedium bei einermittleren Packungsdichte von ca. 5 %durchgeführt.

Die Ergebnisse sind beispielhaft in Abb.5 dargestellt. Man erkennt, dass sich bei

Erhöhung des Druckniveaus von 1,2 auf7,2 bar (a) die Position der durch Im pak -tion und Interzeption dominierten Flankedes Fraktionsabscheidegrades (dp > 0,5μm) nur gering verschiebt, dass jedoch dieAbscheideleistung im MPPS (mostpenetrating particle size) deutlich ab nim -mt (92% -> 80%).

Diese Tendenz steht in guter Über ein -stimmung mit theoretischen Überlegungen(siehe /5/), basierend auf der Berück sichti -gung der abnehmenden mittleren freienWeglänge der Luft mole küle bei steigen -dem Druck (Stichwort Knudsen zahl). DieÄnderung der Viskosität der Luft alsTrägergas kann in den be trachtetenDruckbereichen vernachlässigt werden.

Für Partikelgrößen kleiner 0,2 μmliegen keine Messergebnisse vor, da beieinem Druckniveau von ca. 8 bar (a) fürdiesen Messbereich kein kommerziellverfügbarer optischer – oder aerodynami -scher Partikelzähler einsetzbar ist.

4.2 Lokales Strömungsprofil

An einem Laborströmungskanal (siehe/27/) für senkrecht angeordnete Flach -Filtermedien wurde mittels einer abström -seitig installierten Staudrucksonde dielokale Durchströmungs geschwindig keitbei Umgebungsdruck gemessen. DieUntersuchungen belegen, dass eintrockenes Filtermedium nahezu homogendurchströmt wird, ein mit Flüssigkeit

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gesättigtes Medium jedoch ein deutlich inhomogenes Strömungs -profil aufzeigt. Die Durchströmungsgeschwindigkeit nimmt imoberen Bereich (Höhe 10 mm) ab und im unteren Bereich (Höhe90 mm) zu. Da sich der Tropfenabriss vorwiegend im unterenBereich abspielt, könnte sich dies wiederum negativ auf denTropfenabriss und somit auf das Reentrainment auswirken. Abb. 6zeigt die Ergebnisse zu diesem Experiment.

Außerdem führen die unterschiedlichen Strömungsge schwin -dig keiten zu unterschiedlichen lokalen Filtrationseigenschaften,deren Überlagerung sicher nicht zum gleichen Ergebnis führen, alswürde das Filter homogen durchströmt. Näheres zur Auswirkungvon inhomogenen Strukturparametern ist in /26/ zu finden.

4.3 Partikelabscheidegrad in Abhängigkeit von der Sättigung

Diese Versuche wurden am gleichen Laborströmungskanaldurchgeführt. Es wurden Filter mit drei unterschiedlichennominalen Abscheidegraden verwendet: FM1 mit 92 %, FM2 mit97 % und FM3 mit 99,96 %.

In Tabelle 1 sind die Ergebnisse zusammengestellt. Der obereDreierblock enthält die Ergebnisse der Messungen an den reinenFiltermedien, im unteren Dreierblock die Ergebnisse derMessungen an den jeweiligen Kombinationen mit einem (jeweilsgleichen) Drainagemedium.

Neben dem jeweiligen Druckverlust ist die Anzahl der proZeiteinheit penetrierten Partikel (gemittelt über den Ort) an -gegeben, die bei gleicher Rohgaskonzentration gemessen wurden.

Man erkennt, dass die gemessene Anzahl penetrierter Partikelbei den Versuchen im oberen Dreierblock für die ölgesättigtenFilter ohne Drainagemedium in der gleichen Größenordnung lag,ganz im Gegensatz zu den trockenen Filtern. Das „gute Medium“wurde also schlechter und das „schlechte Medium“ wurde durchdie Flüssigkeitseinlagerung besser. Dies gibt Anlass zu derVermutung, dass der gemessene Abscheidegrad der Medien vonder eingelagerten Flüssigkeitsmenge bestimmt wird und diese deneigentlichen Filtrationsbeitrag der einzelnen Fasern aufhebt.

Betrachtet man nun den unteren Dreierblock, so ist zu erkennen,dass durch das Hinzufügen der Drainageschicht der ursprünglicheAbscheidegrad wieder reaktiviert und sogar verbessert wird.

4.4 Druckverlust während der SättigungDie im letzten Absatz dargestellten Messergebnisse beziehen

sich auf die Filtrationseigenschaft Abscheidegrad, ein wichtigerParameter für die Qualität, also für die Reinheit der Druckluft. Derzweite wesentliche Parameter ist der Druckverlust, der bei derDurchströmung der Filter überwunden werden muss. DerDruckverlust ist relevant für den Energieeinsatz und damit für dieBetriebskosten beim Einsatz von Druckluftfiltern.

Aus diesem Grund wurden Voruntersuchungen an Druck -luftfiltern im Hinblick auf den Druckverlust während derkontinuierlichen Beaufschlagung des Filters mit Ölaerosoldurchgeführt. Dabei wurde der Druckluftfilter unter Normbedin -gungen mit einer Ölkonzentration von ca. 30 mg/Nm3 konti -nuierlich über einen Zeitraum von 20 h beaufschlagt und paralleldazu der Druckverlust mit ausreichender Zeitauflösung gemessen.In Abb. 7 ist das Ergebnis einer solchen Messung dargestellt. Manerkennt zu Beginn der Beaufschlagung des Testfilters mitÖlaerosol einen etwa linearen Anstieg des Druckverlustes währendder ersten 6 Stunden. Danach folgt innerhalb eines relativ kurzenZeitraums ein steiler Anstieg des Verlaufes, der dann nahezu abruptin die Sättigungsphase mit konstantem Druckverlust übergeht.Diese Messungen wurden in der Literatur /7/, /8/ tendenziellbestätigt, wobei dort allerdings nicht unter Normtestbedingungen(7 bar Ü), sonder bei Umgebungsdruck gemessen wurde.

4.5 Die DrainagewandIn einem weiteren Experiment zur Darstellung der Flüssig -

keitsverteilung an durchströmten Medien konnte gezeigt werden,

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Schwerpunktthemen

Tab. 1: Anzahl der penetrierten Partikel gemittelt über Ort (aus /28/).

Abb. 6: Abhängigkeit der Abströmgeschwindigkeit von der Höhe (aus/28/).

Abb. 8: Abströmseitige Flüssigkeitsschicht am Filtermedium ohneDrainagemedium.

Abb. 7: Differenzdruckanstieg mit zunehmender Beladung

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dass sich auf der Abströmseite der Filtermedien regelrecht einFlüssigkeitsfilm bildet, wobei die Strömung selbst nicht mehr umdie Fasern erfolgt, sondern durch Poren geführt wird, die sich indiesem Film bilden. Dies hat wiederum eine deutliche Änderungdes Strömungsverhaltens im Filtermedium zur Folge, was sichwiederum direkt auf die Filtrationseigenschaften auswirkt. DasExperiment wurde mit einem Flüssigklebstoff durchgeführt, derbei Bestrahlung mit UV Licht innerhalb von wenigen Sekundenaushärtet. Dabei wurde das Filtermedium mit der Kleberflüssigkeitvollständig gesättigt, in einen Laborströmungskanal eingebaut undsolange mit Reinluft durchströmt, bis der Druckabfall konstantblieb. Bei fortgesetzter Durchströmung wurde die UV Lampeeingeschaltet und somit die Flüssigkeitsverteilung während derDurchströmung fixiert. Abb. 8 zeigt den abströmseitigenverfestigten Flüssigkeitsfilm mit den Poren. Man erkennt zudem,dass die Fasern im Filtermedium selbst wieder überwiegend alsEinzelfasern vorliegen.

Diese Untersuchungen geben Anlass zur Vermutung, dass sichdas Problem des Reentrainments auf die abströmseitigen Gegeben -heiten an den Filtermedien fokussiert. Die in Abb. 8 gezeigtenPoren werden nicht ortsfest und nicht von langer Lebensdauer sein.Es werden sich vielmehr ständig neue Poren bilden, was mit einerständigen Generierung von Reentrainmentpartikeln verbunden seinkann.

In einer weiteren Untersuchung wurde das Experiment mit einerKombination aus Filtermedium und Drainagemedium wiederholt.Auch hier wurden die Medien tauchgesättigt, senkrecht in denFilterhalter eingespannt und einige Minuten mit Reinluftdurchströmt, bis sich der Druckabfall nicht mehr änderte.Anschließend erfolgte wieder die Fixierung des Klebers mit derUV Lampe, diesmal beidseitig. Die Abb. 9 zeigt die REMAufnahme der abströmseitigen Flüssigkeitsschicht des Drainage -mediums. Auch hier erfolgt die Strömung nicht mehr um dieeinzelnen Fasern sondern durch Poren. Weiterhin sind die deutlichdickeren Fasern des Drainagemediums im Vergleich zumFiltermedium zu erkennen.

Abb. 10 schließlich zeigt die Abströmseite des Filtermediumsaus dem Versuch mit Filtermedium und Drainagemedium. Manerkennt, dass sich bei der Kombination an der Abströmseite desFiltermediums keine Flüssigkeitsschicht ausbildet. Viele Fasernliegen wieder als Einzelfasern vor, allerdings scheint es, als obeinige dünne Fasern auf Grund von Oberflächenkräften an dickereFasern angelagert wurden.

Aus diesen Bildern lässt sich schließen, dass bei derKombination aus Filtermedium und Drainagemedium dasStrömungsfeld innerhalb des Filtermediums nicht eine so starkeÄnderung erfährt wie beim Versuch mit dem Filtermedium alleine.Dies stützt die Vermutung, dass durch die Anwesenheit des

Drainagemediums die „ursprünglichen“ Filtrationseigenschaftendes Filtermediums wieder reaktiviert werden.

5. Schluss

Die in dieser Arbeit dargestellten Detailuntersuchungen anFiltermedien für die Flüssigpartikelfiltration wurden durchgeführtim Rahmen des Forschungsprojektes „Zentrum für Filtra -tionsforschung und funktionalisierte Oberflächen – ZF3“. Das Zieldes Projektes ist u. A. die Optimierung von Faserfiltermediendurch Funktionalisierung der Faseroberflächen.

Um eine gezielte Optimierung zu ermöglichen, wurdenzunächst Experimente durchgeführt, die die Filtrations eigen -

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 3 155

Schwerpunktthemen

Abb. 9: Abströmseitige Flüssigkeitsschicht am Drainagemedium. Abb. 10: Abströmseite des Filtermediums nach dem Versuch mitDrainagemedium.

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schaften von Medien für die Druck luft -filtration näher beleuchten und diekritischen, optimierungsbedürftigen Teil -pro zesse des komplexen Vorgangesherausarbeiten.

Aus den Experimenten kann ge schlos -sen werden, dass zum Beispiel die sog.Drainagewand zum Einen vom eigent -lichen Filtermedium fernzuhalten ist unddass man zum Anderen der Poren durch -strömung (Strömung durch Pinholes undMikrokanäle im Gegensatz zur Strömungum Fasern) dieser Wand erhöhteAufmerksamkeit widmen sollte. AufGrund dieser Detailuntersuchungen kön -nen die weiteren Arbeiten zur Funktiona li -sierung zielgerichtet fortgeführt werden.

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