Untersuchungen zur Struktur und zur Beladungskinetik von Tiefenfiltern

Die Tiefenfiltration ist für all jene technischen Anwendungen ein klassisches Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus Fluiden, bei welchen die Partikeln nur in mäßiger Konzentration von einigen mg/m3 vorkommen oder der Druckverlust sehr gering sein soll (VDI 3677 Blatt 2). In dieser Arbeit werden Messmethoden und Modelle entwickelt, die zur zukünftigen Simulation der Filtrationskinetik von Faserfiltermedien benötigt werden. Zum einen ist es notwendig, a priori die lokale Packungsdichte in einer Filterprobe zu kennen, um spätere Simulationen und Experimente für dieselbe Probe überprüfen zu können. Dies wird mit der neu entwickelten und verifizierten Methode zur Bestimmung der lokalen Packungsdichte innerhalb einer Filterprobe, basierend auf der mit quantitativer MRI gemessenen Faserstruktur, nun möglich. Weiterhin wird die hierfür notwendige Auflösung bestimmt sowie der Einfluss der Anordnung der lokalen Packungsdichten als auch der Einfluss der Zellengröße auf die Vorhersage des Druckverlustes mittels des in der Filtertechnik üblichen Zellenmodells untersucht. Zum anderen ist ein detailliertes Verständnis der Mikrophänomene bei der Beladung einzelner Fasern notwendig, da sich die Filterperformance aufgrund der abgeschiedenen Partikeln ändert. Hierzu ist, wie die Literaturübersicht zeigt, noch wenig bekannt. Daher wurde das CFD Programm FLUENT durch User-Defined-Functions so erweitert, dass der Aufbau von Partikelstrukturen an einzelnen Fasern unter Berücksichtigung des Sperreffekts als auch des Einflusses der abgeschiedenen Partikeln auf die Strömung sowie durch Modellierung von Haften bzw. Abprallen erstmals wirklichkeitsnah durchgeführt werden kann. Es wird gezeigt, dass eine qualitativ gute Übereinstimmung der Partikelstruktur mit experimentellen Ergebnissen anderer Arbeiten erzielt wird. Die Möglichkeit der Simulation erlaubt es dann, gezielt den Einfluss der Partikelhaftung auf die Morphologie und mittleren Packungsdichte der Partikelstruktur sowie auf die Änderung von Abscheidegrad und Druckverlust mit zunehmender Anzahl abgeschiedener Partikeln zu untersuchen. In weiteren Simulationen wird für monodisperse Latex- und Kalksteinpartikeln bei kleineren Stokeszahlen ein vertieftes Verständnis der Filtrationskinetik an Einzelfasern gewonnen. In einem Ausblick wird abschließend die mögliche Anwendung der neuen Routinen zur Simulation des Clogging von Faserstrukturen aufgezeigt.