Es ist eine verbreitete Annahme, Filter täten sich mit sehr kleinen Partikeln schwer. Die Wahrheit ist interessanter: Die Abscheidegradkurve ist U-förmig, und der niedrigste Abscheidegrad tritt bei einer mittleren Größe auf.
Drei Mechanismen, drei Größenbereiche
Diffusion. Sehr kleine Partikel werden von der Brownschen Molekularbewegung umhergestoßen und treffen mit hoher Wahrscheinlichkeit auf eine Faser. Je kleiner sie werden, desto höher der Abscheidegrad.
Sperreffekt und Trägheitsabscheidung. Grobe Partikel können der Stromlinie nicht folgen, treffen durch Trägheit auf eine Faser oder sind schlicht zu groß, um hindurchzukommen. Je größer sie werden, desto höher der Abscheidegrad.
Die Größe dazwischen. Es gibt einen Bereich, in dem beides schwach ist — die am stärksten durchdringende Partikelgröße (MPPS). Die Klassifizierung von Hochleistungsfiltern ist über den Abscheidegrad genau bei dieser Größe definiert [1].
Die praktische Folge: Einen Filter nach seinem Abscheidegrad bei 0,3 µm zu bewerten mag der Norm entsprechen, aber was für die Anlagenauslegung zählt, ist die Größenverteilung des eigenen Staubs.
Auch die Geschwindigkeit beeinflusst den Abscheidegrad
Steigt die Anströmgeschwindigkeit, bleibt der Diffusion weniger Zeit, und der Abscheidegrad auf der feinen Seite sinkt. Derselbe Filter verliert bei höherem Volumenstrom mehr Druck und scheidet zugleich weniger ab. Einen größeren Ventilator einzubauen ist deshalb nicht immer die Antwort.
Modellierung
Der Filter wird im Strömungsfeld als poröser Bereich dargestellt, mit der Kennlinie Druckverlust über Volumenstrom aus den Herstellerdaten. Die innere Struktur des Filters aufzulösen ist weder nötig noch praktikabel.
Die eigentliche Analysefrage ist meist nicht der Filter selbst, sondern die Verteilung der ankommenden Strömung: Wird die Luft nicht gleichmäßig über die Filterfläche verteilt, setzen sich die Bereiche hoher Geschwindigkeit früher zu und scheiden zugleich weniger ab. Die Standzeit des Filters wird weitgehend von dieser Verteilung bestimmt.
Die Verschmutzung ändert sich mit der Zeit
Mit zunehmendem Zusetzen steigt der Widerstand, der Volumenstrom sinkt und der Betriebspunkt der Anlage verschiebt sich. Siehe die Notiz zum Ventilatorbetriebspunkt. Die Analyse sollte zweimal gerechnet werden, mit dem Widerstand des sauberen und des verschmutzten Filters; die Auslegung muss auch im verschmutzten Zustand funktionieren.
Referenzen
- ISO 29463 / EN 1822. High efficiency filters and filter media for removing particles from air — Classification, performance testing and marking.
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.