Methode zur optimalen Auslegung von dicken Tiefenfilterschichten aus hochporösen Mineralwolleschichten sowie der Einfluss der Inhomogenität auf die Partikelabscheidung

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war eine Methode zu entwickeln mit deren Hilfe aus einer großen Menge an zur Verfügung stehenden, mehreren Zentimeter dicken Steinwolleprodukten unterschiedlicher Rohdichten, Schichtdicken bzw. unterschiedlicher Porositäten und Flächenmassen, diejenige optimale Filtermittelkombination ausfindig zu machen, die bei einem vorgegebenen Differenzdruck ein Maximum an Partikelabscheidung sicherstellt.<br />Des Weiteren galt es bei diesem vorgegeben Differenzdruck die zugehörige Schichtdicke zu ermitteln, mit der höchste Partikelabscheidung erzielt werden kann.<br />Auf Basis der Trennfunktion der "most penetrating particle size, MPPS", konnte eine die Abscheidung beschreibende Konstante k1 gefunden werden, welche für verschiedene Schichtdicken gültig ist. Unter Verwendung einer weiteren Konstanten k2, welche das Druckverlustverhalten beschreibt, wurde in weiterer Folge eine Optimierungsmethode entwickelt.<br />Mit Hilfe der Filtergüte q konnte herausgefunden werden, dass die optimale Filtermittelanordnung eine möglichst dicke Schicht einer einzigen Qualität mit der besten Filtergüte q darstellt und aus einem sehr porösen Material besteht. Die in dieser Arbeit verwendeten dicken, hochporösen Steinwolleschichten zeichneten sich zum Teil durch eine besonders inhomogene Struktur aus.<br />Aus diesem Grund galt es sich ausführlich mit der Inhomogenität von mehreren Zentimeter dicken, hochporösen Schichten zu beschäftigen.<br />In einem ersten Schritt wurde die Inhomogenität der zu untersuchenden dicken Steinwolleschichten erfasst bzw. charakterisiert Im Anschluss daran erfolgte die Untersuchung des Einflusses der Inhomogenität auf die Partikelpenetration bei unterschiedlich dicken Filterschichten. Dieser Zusammenhang wurde bis zu diesem Zeitpunkt in der Literatur noch nicht untersucht. Die hierzu durchgeführten Untersuchungen erfolgten auf zwei unterschiedlichen Wegen.<br />Zum einen wurde die Entwicklung der Gesamtinhomogenität beim Übereinanderstapeln von Schichten gleicher Einzelschichtinhomogenität untersucht. Eine Modellierung der Inhomogenität bei dicken Schichten in Abhängigkeit von der Schichtdicke wurde durchgeführt.<br />Zum zweiten wurde mittels eines entwickelten Modells zur Beschreibung der Inhomogenität von dicken Mineralwolleschichten eine Möglichkeit geschaffen, wie man an Einzelschichten gleicher Flächenmasse, bzw.<br />gleicher Schichtdicke verschieden große definierte Inhomogenitäten erzeugen kann, was für die Untersuchungen des Inhomogenitätseinflusses notwendig ist.<br />Abschließend wurden die Partikelpenetration in Abhängigkeit der, die Inhomogenität beeinflussenden Parameter wie Lagenanzahl N und Inhomogenität einer Einzelschicht mittels eines Tiefenfilterteststandes experimentell aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, je höher die Inhomogenität der Einzelschicht, desto höher die Partikelpenetration bei Filterschichten gleicher Flächenmasse. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass bei einer mehrstufigen Anordnung dieser Filterschichten, der Einfluss der Inhomogenität der Einzelschichten auf die Partikelpenetration mit zunehmender Schichtanzahl bzw. Lagenanzahl sinkt.<br />

The aim of the work was to develop a method, by which an optimal filter sheet combination, consisting of single filter sheets with different mineral wool qualities can be found to guarantee maximum particle separation for a given pressure loss. Furthermore the layer thickness for the given pressure loss should be determined by using this method.<br />In a first step the fractional separation efficiency and the pressure drop behaviour of the different filter media were determined by using a depth filter test rig. On basis of the most penetrating particle size (MPPS) a constant k1 was found, which describes the fractional separation efficiency for different layer thicknesses. By using a constant k2, which describes the pressure drop behaviour, an optimization method was developed.<br />By using the filter quality q it was found, that a thick layer arrangement of only the most porous mineral wool should be used for aerosol separation. This maximum thick layer thickness was the result for a given pressure drop.<br />For the aerosol separation in the current work mineral wool sheets were used with high porosities and thick layer thicknesses. This mineral wool sheets shows partially a very inhomogeneous structure. For that reason the inhomogeneity of this type of filter media, several centimeter thick and high porosity, were a matter of interest.<br />In a first step the inhomogeneity of the considered mineral wool sheets should be realised and characterized.<br />After that step, research of the influence of the inhomogeneity on the particle penetration of thick filter media was executed. At that time in the literature this relationship was not investigated yet. The following research was done on two different ways.<br />At first several mineral wool sheets consisting of the same inhomogeneity were staged one on the other to determine the overall inhomogeneity of mineral wool sheets when staged together. For the relationship inhomogeneity to the number of layers arranged one on the other, a model was generated.<br />Secondly it was made a possibility to generate defined inhomogeneities at single layers consisting of the same weight per unit area, which is necessary for the research of the influence of the inhomogeneity. An inhomogeneity model was developed for the generation of the defined inhomogeneities for thick depth filter media and the same weight per unit area.<br />At least the particle penetration was determined depending on the number of layers arranged one on the other and the inhomogeneity of single layers by using a depth filter test rig. It could be shown, the higher the inhomogeneity of the single layer, the higher the particle penetration or the worst the particle separation for filter media with the same weight per unit area. Furthermore it could be shown, that the influence of inhomogeneity decreases with the number of layers arranged on the other.