Erforschung des Einflusses der Mikro- und Makrostruktur textiler Filtermedien auf die periodische Ablösung von Staubschichten mineralischer inerter Partikeln mit dem Ziel der quantitativen Prognose des Langzeitbetriebsverhaltens zyklisch regenerierter Oberflächenfilter
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der vorliegenden Forschungsarbeit wurde erstmals eine systematische Vorgehensweise zur theoretischen Beschreibung der quantitativen Verhältnisse zwischen der Oberflächenbeschaffenheit und dem Betriebsverhalten von Nadelfilzen entwickelt, und am Beispiel einer Modellreihe von realen Filtermedien mit einer gewissen Bandbreite erprobt. Basierend auf den Kenntnissen aus den mikroskopischen Untersuchungen wurde eine einfache Modellvorstellung mit wenigen geometrischen Kenngrößen zur quantitativen Beschreibung der Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlicher Nadelfilze der Modellreihe entwickelt. Für die Filtermedien der gewählten Modellreihe wurden diese Kenngrößen experimentell gewonnen. Anhand der gewonnenen geometrischen Kenngrößen wurden zahlreiche Modellfilter in kleinen Abmessungen erstellt und mittels einer kommerziellen Software zum 3D-Aufbau von Filterkuchen unter realen Filtrationsbedingungen simuliert. Die lokalen Porositäten in den durch Simulation generierten Filterkuchen wurden mit einem eigen dazu entwickelten Verfahren ausgewertet. In Verbindung mit einer bekannten Modellvorstellung zur Kuchenablösung wurden dann aus den lokalen Porositäten der Partikelstruktur die lokalen Bruchstellen mit den zugehörigen Haftzugfestigkeitswerten im Filterkuchen evaluiert. In einem weiteren Schritt konnten Haftkräfte für Kuchenelemente in makroskopischen Abmessungen mit dem Ziel der Simulation der Partikelschichtablösung für die gewählten realen Filtermedien generiert werden. Mit den evaluierten realitätsnahen Haftkräfteverteilungen wurden die Kuchenablösevorgänge auf makroskopischer Ebene für verschiedene Filtermedien mithilfe des bestehenden Blockmodells simuliert, wobei neben den evaluierten Haftkräften weitere Parameter zum Vergleich zwischen den gewählten Filtermedien variiert wurden. Zum Vergleich der Ergebnisse aus Theorie und Experiment ist hervorzuheben, dass die Auswertungsergebnisse der räumlichen Verteilung von Bruchstellen und der dazugehörenden Haftzugfestigkeitsverteilung aus den Simulationsarbeiten mit Modellfiltern durch experimentelle Befunden bestätigt werden können, und dass die Unterschiede in den simulierten Kuchenablösevorgängen zwischen den drei gewählten Nadelfilzen auch bei den entsprechenden Experimenten beobachtet wurden. Die Gewinnung der Kenntnisse durch die enge Verzahnung zwischen Experiment und Theorie bildet einen fundierten Schritt für die theoretische Beschreibung der quantitativen Verhältnisse zwischen der Oberflächenbeschaffenheit und dem Betriebsverhalten von textilen Filtermedien. Damit ist ein zentrales Teilziel des beantragten Forschungsvorhabens erreicht worden. Ein weiteres Teilziel des beantragten Forschungsvorhabens, eine Vorhersage über das Langzeitverhalten eines Filtermediums auf Basis einer quantitativen Beschreibung der Oberflächenstruktur des Filtermediums zu ermöglichen, konnte jedoch nicht erreicht werden. Da es mit den eingesetzten bildgebenden Verfahren inkl. Probenpräparationstechnik trotz intensiver Ausprobungen keine zufriedenstellenden Daten zur Beschreibung der Faser-Partikel-Struktur auf der mikroskopischen Ebene generiert werden konnte, scheiterte die geplante enge Verzahnung zwischen experimentellen Arbeiten und Simulationsarbeiten in diesem Arbeitsschritt. Statt dessen brachte eine detaillierte Auswertung der Partikelmessungen im Reingas zu Beginn eines Filtrationszyklus während verschiedener Betriebsstadien für unterschiedliche Filtermedien neue Aspekte in die theoretische Beschreibung der Filtrationskinetik für reale Filtermedien ein, die neue Ansätze für zukünftige Forschungsarbeiten ermöglichen. Die in der vorliegenden Forschungsarbeit gewonnenen Kenntnisse im Grundlagenwissen sollen gewinnbringend in der industriellen Praxis angewendet werden können, mit dem Ziel, eine gezielte Herstellung bzw. Modifikation von textilen Filtermedien auf einer quantitativen Basis mit fundierter Theorie zu unterstützen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016). Investigation into the operating performance of periodic regenerated surface filters as a function of the filter media structure, FILTECH 2016, 11-13 Oct. 2016, Cologne, conference proceedings, G10-01
Schelp, J., Zhang, Q., Schmidt, E.
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(2018). Experimental investigations into structure and operating performance of surface filters, FILTECH 2018, 13-15 March 2018, Cologne, conference proceedings, G10-01
Schelp, J., Zhang, Q., Schmidt, E.
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(2018). Filter media structure and operation performance of surface filters for gas cleaning. FPS 2018, 15-17 Oct. 2018, Lyon, conference proceedings, P110, 1-2
Zhang, Q., Schmidt, E.
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(2019). Simulation and experiments on the cake formation in dust filtration with fabric filters, FILTECH 2019, 22-24 Oct. 2019, Cologne, conference proceedings, G08-01
Zhang, Q., Horst, D., Schmidt, E.
