Untersuchung der Staubbelastungskinetik in Faserfiltern mittels tomographischer Methoden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eine Methode zur Simulation der transienten Staubbeladung eines gefalteten Oberflächenfilters wurde entwickelt. Sie bedient sich der numerischen Strömungssimulation und nutzt Trajektorien-Berechnung nach dem Euler-Lagrange-Verfahren zur Bestimmung der lokalen Staubzuwachsraten. Das Verfahren ist inkrementell: Staubaufgabe und die Neuberechnung des Strömungsfeldes sind getrennt und werden jeweils mehrere hundert Male abwechselnd durchgeführt um einen vollständigen Beladungsvorgang zu erhalten. Die Methode benötigt sowohl die Partikelgrößenverteilung des verwendeten Staubes als auch die Porosität und Permeabilität des von diesem gebildeten Filterkuchens als Eingangsparameter. Die letzteren Werte wurden experimentell an planen Membranfilterronden gemessen. Zur Validierung der Methode wurden experimentelle Untersuchungen an Filterproben durchgeführt. Diese wurden mit Staub beladen und bei ein bis zwei Beladungszuständen tomographiert um die Staubverteilung im Inneren der Probe zu bestimmen. Der Druckanstieg als Funktion der eingelagerten Masse und die räumliche Verteilung des Staubes wurden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Es konnte eine gute Übereinstimmung von Simulation und Experiment für drei Staubarten mit unterschiedlicher mittlerer Partikelgröße gezeigt werden (x50,3 = 1,3, 4,3 und 7,7 µm). Während der feinste verwendete Staub beinahe keine Trägheitseffekte in der Staubverteilung erkennen ließ, waren Staubverteilung und Beladungskurve des gröbsten Staubes deutlich vom Einfluss der Trägheit auf die Partikelflugbahnen geprägt. Eine gewisse Abweichung vom simulierten zum gemessenen Druckanstieg war im Bereich des fortgeschrittenen Faltenschlusses zu beobachten. Die simulierte Kurve verlief hier steiler als die gemessene. Als Grund hierfür wurde die Deformation der Filterfalten unter Druck identifiziert. In den tomographischen Aufnahmen der stärker beladenen Proben ist diese Deformation sichtbar, wenn man diese mit denen der unbeladenen Probe vergleicht. Insgesamt konnte die Methode jedoch überzeugend validiert werden. Die Abweichungen in den Beladungskurven finden sich im Bereich des Faltenschlusses und sind daher von untergeordneter Bedeutung, wenn die Staubkapazität vorhergesagt werden soll. Die Methode bietet die Möglichkeit die Einflüsse von Faltengeometrie, Staubart und weiterer Betriebsbedingungen auf die Staubkapazität und den Druckverlustverlauf von gefalteten Oberflächenfiltern vorherzusagen. Sie könnte etwa dazu dienen die Parametervariationen bei experimentellen Studien zur Optimierung des Filterdesigns in der industriellen F&E deutlich zu verringern.
