Patronenfilter für Stäube: Konstruktion, Materialien, Filtergrößenberechnung

Bei der Entstaubung eines Gasstroms können Patronenfilter im Vergleich zu herkömmlichen Schlauchfiltern erhebliche Vorteile bieten, insbesondere hinsichtlich der Filterfläche in einem reduzierten Volumen. Diese Seite hilft Ihnen zu verstehen, wie Patronenfilter hergestellt werden, und wie man ein Filtrationssystem mit Patronenfiltern dimensioniert.

1. Patronenfilter: Konstruktion

Was ist ein Patronenfilter?

Im Gegensatz zu Schlauchfiltern, die wie ein flexibles Tuch geformt sind und auf einem Käfig montiert werden, um ihre Form zu erhalten, bestehen Patronenfilter aus starren, gefalteten Patronen. Das Filtermedium ist in Falten angeordnet, die eine größere Filterfläche als Schlauchfilter im gleichen Volumen ermöglichen.

Was ist der Unterschied zwischen Patronenfiltern und Schlauchfiltern?

Patronenfilter haben im Vergleich zu Schlauchfiltern folgende Vor- und Nachteile:

Vorteile von Patronenfiltern gegenüber Schlauchfiltern

• Höhere Filterfläche im gleichen Volumen, dadurch Möglichkeit eines kleineren Entstaubers
• Einfache Montage und Demontage der Patronen, Zeitersparnis bei der Wartung
• Bessere Filtrationsleistung
• Längere Lebensdauer bei sachgemäßer Verwendung

Nachteile von Patronenfiltern gegenüber Schlauchfiltern

• Höhere Stückkosten
• Verstopfungsrisiko zwischen den Falten bei klebrigen Materialien

Die Patronen sind hohl, was den Luftdurchtritt durch das Filtermedium ermöglicht und gleichzeitig die Reinigung der Patrone durch das Einblasen von Druckluft in den Filterkörper unterstützt. Die Endkappe der Patrone besteht jedoch nicht aus Filtermaterial und stellt daher eine "verlorene" Oberfläche sowohl für die Filtration als auch für die Reinigungswirkung dar, da die Reinigungsluft nicht hindurchtreten kann.

Neue Konstruktionen wurden jedoch kürzlich eingeführt, bei denen die Endkappe des Filters durch einen inneren Kegel ersetzt wird, der den doppelten Vorteil bietet, die Filterfläche zu vergrößern und gleichzeitig die Reinigungswirkung des Luftimpulses zu verbessern.

2. Patronenfilter: Materialien

Wie viele Arten von Patronenfiltern gibt es?

Folgende Materialien werden häufig für Patronenfilter verwendet:

• Zellulose-Mischungen
• Spunbond-Polyester

Zellulose-Mischungen (Zellulose + Polyester) sind die einfacheren und kostengünstigeren Materialien, bieten jedoch im Vergleich zu Polyester, das tendenziell leistungsfähiger ist, eine relativ geringe Leistung. Spunbond-Polyester bietet eine bessere Filtration, einen geringeren Druckverlust, lässt sich leichter mit einem Impulsstrahlsystem reinigen und ist langlebiger.

Diese beiden Medien filtern, indem sie den Staub in das Material eindringen lassen, was zu einem hohen Druckverlust führt.

Die grundlegende Polyestermatrix kann weiter verbessert werden, indem eine Schicht aus speziellen Materialien aufgebracht wird, die es ermöglicht, den Staub an der Oberfläche zu halten und so ein tiefes Eindringen in das Material zu verhindern:

• Nanofasern: eine sehr dünne Schicht (<1 Mikron) aus Nanofasern (<0,3 Mikron) wird auf das Trägermaterial aufgebracht. Dies verhindert, dass feinere Stäube tief in die Patrone eindringen und diese verstopfen. Dadurch wird auch die Reinigung des Filters erleichtert.

• Schmelzblas-Laminierung (Meltblown): ein thermoplastisches Material wird geschmolzen und auf das Trägermaterial geblasen. Dies verbessert die Filtrationsleistung, aber Staub kann tief in die Schmelzblas-Laminierung eindringen, was die Reinigung erschweren kann.

• ePTFE: eine PTFE-Membran kann leicht auf die Oberfläche der Patronen aufgebracht werden. Die Membran ermöglicht eine bessere Filtrationsleistung, reduziert die Anhaftung von Partikeln und fördert so eine effiziente Reinigung. Die Leistung ist mit Nanofasern vergleichbar, erreicht jedoch eine höhere Effizienz, was sich auch in höheren Kosten im Vergleich zu Nanofaser-Behandlungen niederschlägt.

Auch die Dichte der Falten muss bei der Auswahl eines Patronenfilters berücksichtigt werden. Zwar ist es verlockend, die Anzahl der Falten zu erhöhen, um die Filterfläche zu vergrößern, doch kann dies zu Problemen führen, da sich Staub leichter zwischen den Falten ansammelt, was die tatsächliche Filterfläche deutlich verringert. Hier muss ein Kompromiss gefunden werden, der stark vom verarbeiteten Material abhängt.

Zusätzlich ist es sinnvoll, bei hoher Faltenzahl Konstruktionen mit Abstandhaltern in Betracht zu ziehen, die verhindern, dass die Falten sich berühren und der Zwischenraum zwischen ihnen geschlossen wird. Die Abstandhalter können außen oder innen an der Patrone angebracht sein.

Weitere Optionen sind z. B. flammhemmende Filtermedien.

3. Patronenfilter: Berechnung der erforderlichen Filterfläche, Filterdimensionierung

Dimensionierung von Patronenfiltern: Wie dimensioniert man ein Patronenfiltersystem?

Bei der Konstruktion eines Entstaubers mit Patronenfiltern müssen folgende Auslegungskriterien berücksichtigt werden: Luft-zu-Medien-Verhältnis (Filtrationsgeschwindigkeit), Zwischenraumgeschwindigkeit und Behältergeschwindigkeit (Can Velocity).

3.1 Luft-zu-Medien-Verhältnis für Filterpatronen

Das Luft-zu-Medien-Verhältnis entspricht tatsächlich der Filtrationsgeschwindigkeit, die durch Division des volumetrischen Luftstroms am Einlass des Entstaubers durch die gesamte installierte Filterfläche berechnet wird.

Luft_zu_Medien_Verhaeltnis = Q_{_Luft}/ S_{_Filter_effektiv}

mit:

Q_{_Luft} = Gesamtluftstrom am Einlass des Schlauchfilters (m³/s)
S_{_Filter_effektiv} = tatsächlich verfügbare Filterfläche (m²)

In den USA wird dieselbe Berechnung durchgeführt, jedoch mit cfm und ft²,² was ein Luft-zu-Medien-Verhältnis in ft/min ergibt. Es ist wichtig zu wissen, in welchen Einheiten das Verhältnis ausgedrückt wird, da sich die Werte unterscheiden.

Für Schlauchfilter werden in der Literatur Filtrationsgeschwindigkeiten von bis zu 0,06–0,07 m/s erwähnt, bei Patronenfiltern liegen die Filtrationsgeschwindigkeiten jedoch typischerweise niedriger, im Bereich von 0,025 m/s, manchmal sogar dreimal niedriger als bei Schlauchfiltern. 0,025 m/s ist ein guter Richtwert für eine erste Näherung, genauere Werte können jedoch den Herstellerangaben entnommen werden.

Beispiel: Ein Patronenhersteller gibt folgende Daten an:

Der Hersteller gibt eine Permeabilität von 150 m^³/m^²h an, was einer Filtrationsgeschwindigkeit bzw. einem Luft-zu-Medien-Verhältnis von 150 m/h = 0,0416 m/s entspricht, was etwas höher ist als der oben angegebene Wert.

Das Luft-zu-Medien-Verhältnis ist das häufigste Auslegungskriterium für Filter. Bei Impulsstrahlsystemen, bei denen die Patronen vertikal montiert sind und der staubbeladene Lufteinlass sich unter den Patronen befindet, darf jedoch die Luftgeschwindigkeit darunter und zwischen den Filtern nicht vernachlässigt werden. Ist sie zu hoch, verhindert sie, dass der durch den Druckluftimpuls aus den Filtern gelöste Staub nach unten fällt. Die aufwärts strömende Luft würde den Staub sofort wieder mitreißen, was die Reinigung durch den Impulsstrahl unwirksam macht.

3.2 Behältergeschwindigkeit (Can Velocity)

Die Behältergeschwindigkeit ist definiert als der volumetrische Luftstrom geteilt durch die Querschnittsfläche der Filterkammer.

Schwebegeschwindigkeit = Q_Luft/S_Kammer

Mit:

Q_Luft = gesamter Luftvolumenstrom am Einlass des Filtergehäuses (m^³/s)
S_Kammer = Querschnittsfläche der Filterkammer (m^²)

3.3 Interstitielle Geschwindigkeit

Die interstitielle Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit zwischen den Filtern, was bedeutet, dass sie durch den volumetrischen Luftstrom definiert wird, dividiert durch (die Querschnittsfläche der Kammer minus die Summe der Querschnittsflächen der Filter)

Interstitielle_Geschwindigkeit = Q_Luft/(S_Kammer-S_{Filterquerschnitte})

Mit:

Q_Luft = gesamter Luftvolumenstrom am Einlass des Filtergehäuses (m^³/s)
S_Kammer = Querschnittsfläche der Filterkammer (m^²)
S_Filterquerschnitte = Summe der Querschnittsflächen der Filter

3.4 Ein weiteres Kriterium

[Kenchin] schlägt in einem Artikel ein weiteres Kriterium für Patronenfilter vor: die **Filter-Umfangs-Luftströmungsgeschwindigkeit**. Die Filtrationsgeschwindigkeit (Luft-zu-Gewebe-Verhältnis) wird zwar auf der gesamten Filtrationsfläche der Patronen (einschließlich aller Falten) berechnet, doch die "Hüllfläche" des Filters weist eine deutlich geringere Fläche auf. Dies bedeutet, dass die Luftgeschwindigkeit beim Annähern an die Patronen deutlich höher ist. Bei bestimmten Stäuben kann die Filter-Umfangs-Luftströmungsgeschwindigkeit zu hoch sein, um ein Absetzen der Partikel vom Filter zu ermöglichen, was die Effizienz der Reinigung beeinträchtigt.

Umfangsgeschwindigkeit = Q_Luft/[n_Patrone*(S_Umfang)]

Mit:

Q_Luft = gesamter Luftvolumenstrom am Einlass des Filtergehäuses (m^³/s)
n_Patrone = Anzahl der Patronen in der Filterkammer
S_Umfang = Oberfläche der Hüllfläche der Filterpatrone (m^²)

Quelle

[Kenchin] **Auslegung eines Patronenentstaubers für bessere Filterreinigung und zuverlässige Leistung**, Kenchin, PBE
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