Untersuchung der Gasfiltration mit Vliesen und offenen Schaumstrukturen unter Berücksichtigung der numerischen Strömungssimulation

Kurzfassung Die Abscheidung von Stäuben jeglicher Art gewinnt in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung. Aufgrund unterschiedlichster Grenzwerte und Verordnungen zur Minderung von Luftschadstoffen werden unterschiedlichste Filtermedien eingesetzt. Die Wahl eines geeigneten Filtermediums für den Einsatzbereich ist maßgeblich, um einen optimalen Luftdurchsatz zu gewährleisten. Wichtige Kriterien für ein Filtermedium ist der Fraktionsabscheidegrad bzw. die Trennkurve des unbeladenen Filters. Verschiedene Partikelgrößen werden zu unterschiedlichen Anteilen in einem Filtermedium abgeschieden. Darüber hinaus ist der Druckverlust ein wesentliches Auslegungskriterium, um einen vorgegebenen Luftvolumenstrom hindurch zu fördern. In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Tiefenfiltermedien bezüglich Partikelabscheidung und Druckverlust in Faserfilter und porösen Schaumstrukturen untersucht. Dabei werden experimentelle mit theoretischen Untersuchungen in Form von empirischen Ansätzen verglichen. Neben den phänomenologischen Modellgleichungen wird die 3D Simulation eingesetzt, um die wirkenden Transportmechanismen innerhalb der untersuchten Tiefenfilter zu untersuchen. Neben den gängigen Transportmechanismen wird zusätzlich ein Vergleich von geladenen Partikeln und geladenem Filtermedium in einer 3D Struktur simuliert. Nicht bekannte Strukturparameter der Ausgangsmaterialien werden durch Labormessungen ermittelt, welche dann in die erstellten Modelle zur Simulation einfließen. Die Messungen werden an einem konstruierten Filterprüfstand durchgeführt. Die Untersuchungen zur Partikelabscheidung werden im mikronen und submikronen Größenbereich mittels hochauflösender Messtechnik durchgeführt. Weiterhin wird der Einfluss unterschiedlicher Anströmgeschwindigkeiten auf die Partikelabscheidung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Trennverhalten von symmetrisch aufgebauten Fil-termedien sowohl mit den dafür empirischen Modellgleichungen als auch mit der 3D Simulation berechnet werden können. Empirische Ansätze können für asymmetrische Filterstrukturen nur bedingt eingesetzt werden. Durch die numerische Simulation sind Untersuchungen an ungleichmäßigen Filterstrukturen realisierbar. Durch Parameterstudien im Vorfeld, können verschiedenste Variation des Filteraufbaus einfach und preiswert untersucht werden. Die Simulation kann insbesondere mittels realitätsnaher Tomographieaufnahmen weitere Erkenntnisse zur Partikelabscheidung liefern. Durch zukünftige steigende Rechenleistung, wird die detaillierte Untersuchung größerer Modelle und sogar ganzer Filtereinheiten ermöglicht. Demzufolge kann auch die Berechnung des Fraktionsabscheidegrades und des Druckverlustes noch genauer simuliert werden.