A251
Vergleich der Filtermittelfeinheit und Permeabilität von Metalldrahtgeweben und Metallfaservliesen – Verfahrenstechnische Entwicklung von Bewertungsmethoden
(A251 S 24/10145/2007)
Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2008 - 31. Dezember 2010
Filtermedien werden in einer großen Produktvielfalt angeboten. Neben Metalldrahtgeweben sind Metallfaser-, Glasfaser-, Naturfaser- und Kunststofffaservliese, Schäume sowie gesinterte Körper aus unterschiedlichen Materialien im Einsatz. Der Einsatzbereich der metallischen Filtermedien umfasst nahezu die gesamte Palette aller Filtrationsaufgaben. Die Medienauswahl erfolgt auf Basis der verfahrenstechnischen Aufgaben, Vorgaben und Anforderungen. Metalldrahtgewebe und Metallfaservliese sind erste Wahl, wenn Filtrationsprozesse mit einem qualitativ hohen Anforderungsprofil zur Anwendung kommen.
Beim Anwender erfolgt die Auswahl der metallischen Filtermedien im Allgemeinen durch Vorgabe verfahrenstechnischer Ziel- und Bewertungsgrößen, um die Anforderungen an die Filtermedienhersteller zu quantifizieren und um einen Produktvergleich zu ermöglichen. Da sowohl bei den Produzenten als auch beim Anwender keine standardisierten Bewertungsmethoden vorliegen, eröffnen diese technologischen Defizite spekulative und widersprüchliche, häufig falsche Aussagen im Zusammenhang mit Qualitätsfragen und Einsatzbereichen von Metalldrahtgeweben und Metallfaservliesen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Testmethoden von Hersteller zu Hersteller individuell unterschiedlich angewandt und interpretiert werden. Dies führt fälschlicherweise zu einem prinzipiellen Mangel an Vertrauen in die Qualität von Filtermedien aus Metall. Aufgrund der im abgeschlossenen AVIF-Projekt A 224 entwickelten experimentellen und rechnerischen Bewertungsmethoden und der resultierenden Ergebnisse sind diese Unsicherheiten bei Metalldrahtgeweben ausgeräumt.
Im Rahmen des nun abgeschlossenen Ergänzungsvorhabens konnten belastbare und objektive Bewertungsmethoden für Metallfaservliese identifiziert, weiter entwickelt und einer industriellen Anwendung zugänglich gemacht werden. Auf der Basis dieser Bewertungsmethoden erfolgte ein fundierter Vergleich der Filtrationseigenschaften von Metalldrahtgeweben und Metallfaservliesen hinsichtlich Trennschärfe, Druckverlust, Schmutzaufnahmekapazität und Abreinigbarkeit.
Ein in der Praxis einfach und schnell anzuwendendes Prüfverfahren zur Bestimmung der Porengröße bei der Qualitätskontrolle ist das Kapillardruckmessverfahren (Bubble-Point-Test). In diesem Zusammenhang wurden die dynamischen Vorgänge während der Blasenbildung analysiert, um die Messdaten beim Erfassen des Kapillardruckes eindeutig der maximalen Porengröße zuordnen zu können. Um den Dynamikeinfluss wissenschaftlich fundiert zu untersuchen, wurde zunächst ein geeigneter Versuchsaufbau entwickelt. Hierzu wurde darauf geachtet, eine hohe zeitliche Auflösung bei der Messung des Drucksignals zu erreichen, das gleichzeitig mit der Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitskamera synchronisiert ist. So konnte das Drucksignal jederzeit eindeutig dem zugehörigen Bubble-Point-Wert bei Bildung der halbkugelförmigen Blase zugeordnet werden. Bei Edelstahlkapillaren konnte ein eindeutiger Einfluss der Druckanstiegsgeschwindigkeit bis zur Blasenbildung auf den Bubble-Point-Druck mit nachgewiesen werden. Der Einfluss nimmt mit der Kapillarlänge zu. Dagegen konnte ein Einfluss bei realen Medien wie Metallfaservliesen oder Drahtgeweben nicht nachgewiesen werden. Über einen breiten Bereich der Druckanstiegsgeschwindigkeit konnte mit der zeitlich und visuell hoch aufgelösten Messtechnik der physikalische Einfluss für die Praxis damit quasi ausgeschlossen werden. Fehlerquellen sind in der Praxis dennoch vorhanden, da bei hohen Druckanstiegsgeschwindigkeiten die Anforderungen an die verwendete Messtechnik steigen. So ist es häufig am Drucksignal nicht ersichtlich, ob der Bubble-Point bereits erreicht ist. Hier ist die exakte Zuordnung nur visuell möglich. Geschieht dies mit bloßem Auge, ist eine große Messunsicherheit vorhanden. Auch bei geringer zeitlicher Auflösung des Drucksignals ist der Bubble-Point nicht ausreichend genau bestimmbar. Dank dieser Untersuchungen haben die Hersteller nun die nötigen Ergebnisse zur Verfügung, um die Rahmenbedingungen für den Einsatz der Blasendruckmethode als schnelles Prüfverfahren einzuhalten.
Über umfangreiche Untersuchungen zum Bubble-Point und zur absoluten Filterfeinheit von Metallfaservliesen mittels Glasperlentest konnte eine Korrelation auf Basis eines Formfaktors zur Bestimmung des maximalen Kugeldurchlasses über die Messung des Bubble-Points ermittelt werden, die die Abweichungen von ideal Kreiszylindrischen Poren im realen Vliesmedium berücksichtigt. Untersuchungen zur Trennschärfe bei der Nasssiebung mit sphärischen Glaskugeln zeigten die Überlegenheit der Gewebe hinsichtlich dieser Filtereigenschaft.
Eine zentrale charakteristische Eigenschaft von Filtermedien ist der Strömungswiderstand als Funktion des Volumenstroms. Dieser konnte in Form einer universellen Beziehung als Funktion der Reynoldszahl und der geometrischen Strukturdaten (Porosität, Faserdurchmesser und Mediendicke) für Metallfaservliese mathematisch-physikalisch modelliert werden. Diese Vorgehensweise wurde bereits im Projekt A 224 erfolgreich für verschiedene Metalldrahtgewebe durchgeführt und erlaubt damit Aussagen über die Schmutzaufnahmekapazität. Zur Durchführung reproduzierbarer Experimente für die Validierung der Berechnungsgleichung wurde die Versuchseinrichtung aus dem Projekt A 224 automatisiert und die Messtechnik erweitert. Durch den Einsatz der numerischen Strömungssimulation konnte der Einsatzbereich der Berechnungsgleichung auf Porositäten von 70 -90 % erweitert werden, ohne derartige Medien zunächst aufwändig herstellen undmMesstechnisch untersuchen zu müssen.
Um dem hohen experimentellen Aufwand bei der Untersuchung von Aufbau und Wirkungsweise der Filtermedien auf der mikroskopischen wie auch der makroskopischen Größenskala zu umgehen, bietet die numerische Strömungssimulation und dabei insbesondere das neu entwickelte Programmsystem GeoDict™/FilterDict™ des Fraunhofer Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) die Möglichkeit, Aussagen zu den Filtrationseigenschaften mit geringerem Aufwand zu erhalten. Zur Validierung wurden zunächst Strömungssimulationen mit der etablierten Software Fluent™ sowie experimentelle Untersuchungen an Regelstrukturen durchgeführt. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung der Simulationen mit dem Experiment. Auf Basis realer Metallfaservliese wurden anschließend Wirrfasermedien am Rechner erstellt. Auch hier zeigte sich für die untersuchten Medien eine sehr gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit Experimenten. Die Strömungssimulationen bilden dann die Grundlage der Berechnung der Partikelabscheidung an Filtermedien. Hierzu wurde ein Abscheidemodell, das Abpralleffekte der Partikel von den Fasern berücksichtigt, programmiert und in FilterDict™ implementiert. Das Modell wurde mit experimentellen Daten an Einzelfasern aus der Literatur, sowie mit eigenen Experimenten an Geweben unter Verwendung von Latex-Partikelstandards validiert. Auch für Wirrfasermedien unter Verwendung von Quarz-Teststäuben wurden Messungen des Fraktionsab-scheidegrad durchgeführt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Hierbei zeigte sich, dass ein auf der Messung des Streulichts der Partikel basierendes Messsystem für den Vergleich mit Simulationsergebnissen ungeeignet ist, da die Partikelverteilung hier insbesondere bei realen, beliebig geformten Partikelsystemen zu breit bestimmt wird. Die Folge ist ein zu flacher Verlauf des Trenngrades. Die Partikelanalyse mit einem Aerodynamic Particle Sizer (APS) löst die Partikelgrößenverteilung dagegen besser auf. Hier konnte eine gute Übereinstimmung des gemessenen Auftreffgrades auf die Filterfasern zwischen Messwerten und Simulationsergebnissen erzielt werden. Eine Parametrisierung des Abscheidemodells für reale Teststäube ist jedoch nötig, um das Abprallen der Partikel berechnen zu können. Somit konnte die Anwendbarkeit der numerischen Simulation als Werkzeug zur Bestimmung von Druckverlust und Fraktionsabscheidegrad von Drahtgeweben und Metallfaservliesen gezeigt werden.
An einem Prüfstand zum Test der Abreinigbarkeit von Filtermedien (VDI 3926) konnte ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Bewertung von Filtermedien im Rahmen des Projektes untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Filtermedien aus Metall. Die beste Abreinigbarkeit wurde bei Metallgeweben in glatter Tressenbindung ermittelt. Metallfaservliese weisen bei ähnlicher Filterfeinheit deutlich höhere Restdruckverluste am Ende des Alterungsversuches auf. Köpertressengewebe, die aufgrund ihrer komplexeren Webart höhere Materialfestigkeiten und geringere Filterfeinheiten ermöglichen, weisen jedoch aufgrund der Porenstruktur ebenfalls eine schlechtere Abreinigbarkeit im Vergleich zu den glatten Tressengeweben auf.
Auf Basis der umfangreichen im Rahmen des Projektes gewonnenen Messdaten wurden schließlich verschiedene neue Filtermedien hergestellt und einer Bewertung unterzogen. So wurden die geometrischen Eigenschaften von Metallfaservliesen verändert und die Auswirkungen auf die übrigen, filtertechnisch relevanten Eigenschaften ermittelt. Des Weiteren wurden zweilagige Kombinationsmedien aus Geweben, aus Geweben und Vliesen, sowie aus verschiedenen Vliesen hergestellt. Durch die Kombination von Geweben kann neben der mechanischen Stabilität auch der Gesamtabscheidegrad verbessert werden. Über die Wahl der Ausgangsmedien sowie der Anströmrichtung kann dabei auf die Abreinig-barkeit Einfluss genommen werden. Die Kombination von Vliesen und Geweben begünstigt einen geringen Druckanstieg bei der Beladung, da durch ein geeignetes Metallfaservlies das Verblocken des Gewebes verhindert werden kann.
Forschungsstelle:
Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (IMVT), Stuttgart
http://www.imvt.uni-stuttgart.de
Forschungsleiter:
Prof. Dr.-Ing. habil Manfred Piesche
(vorgelegt vom Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung e.V. (WSM) für Vereinigung Deutscher Drahtwebereien e.V. (VDD))
Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.
Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF