Abstract:
Ölnebel, also gasgetragene Öltröpfchen, finden sich in einer Vielzahl von automobilen und industriellen Anwendungen wie zum Beispiel der Entlüftung von Kurbelwellengehäusen, zerspanenden Bearbeitungszentren oder der Druckluft-aufbereitung. Die Filtration von Ölnebel unterscheidet sich grundlegend von weit bekannteren Filtrationsarten wie beispielsweise der Staubfiltration oder der Fest-Flüssig-Trennung. Ölnebelfilter zählen daher zu einer Unterkategorie der Koaleszenzfilter, deren Wirkungsweise im Allgemeinen weit weniger von der Fachliteratur beleuchtet wird, als dies bei den populäreren Filtrationsarten der Fall ist.
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Im Wesentlichen unterscheiden sich Ölnebelfilter von den klassischen Filtrations-arten darin, dass abgeschiedene Öltröpfchen nicht am Ort der Abscheidung verbleiben, sondern miteinander koaleszieren, durch Luftströmung und Kapillar-kräfte im Filter verteilt werden und letztendlich den Filter als Drainage auf der Rückseite verlassen. Bei kontinuierlicher und konstanter Filtration wird das Einsetzen der Drainage auch als der Beginn des stationären Zustandes bezeichnet. Werden Filter darüberhinaus weiterbetrieben, bleiben Betriebs-parameter wie die Drainagerate, die Ölsättigung des Filters, der Druckverlust sowie die Effizienz konstant. Dementsprechend spielt der stationäre Zustand eine herausragende Rolle für die Bewertung des Betriebsverhaltens von Ölnebelfiltern. Ein bedeutender und richtungsweisender Beitrag zum besseren Verständnis der physikalischen Vorgänge in stationär betriebenen Ölnebelfiltern ist das Kanal-Film-Modell von Kampa (2014). Dieses Modell stellt auch den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit dar.
Das Kanal-Film-Modell beschreibt die Auswirkung des abgeschiedenen Öls auf den Filterdruckverlust, $\Delta$p, im stationären Betriebszustand. Dieser setzt sich dabei aus einem Kanaldruckverlust, $\Delta$p$_{\text{channel}}$, und Filmdruckverlust, $\Delta$p$_{\text{jump}}$, zusammen. $\Delta$p$_{\text{channel}}$ hat seinen Ursprung im Filterinneren und lässt sich kanalartigen Ölstrukturen zuordnen, welche von der Luftströmung durch den Filter geleitet werden. $\Delta$p$_{\text{jump}}$ kommt dadurch zustande, dass die zu filternde Luft einen dünnen Ölfilm durch kleinste Poren im Filtermedium passieren muss. Der Ort der Filmbildung hängt von der Benetzbarkeit der verwendeten Medien mit Öl ab: bei Benetzbaren auf der Filterrückseite und bei Nicht-benetzbaren auf der Vorderseite. Die Erkenntnisse von Kampa zeigten erstmals die grundlegenden Mechanismen hinter den lange bekannten Beladungskurven von Ölnebelfiltern unterschiedlicher Benetzbarkeit auf. Darüberhinaus kann das Kanal-Film-Modell auch zur Vorhersage des stationären $\Delta$p verwendet werden.
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, den universellen Anspruch des Kanal-Film-Modells zu untersuchen und seine Anwendbarkeit um wichtige Kenngrößen zu erweitern. Die Untersuchungen zielen dabei nicht nur auf mögliche Modellerweiterungen ab, sondern auch auf bisher im Verborgenen liegende Grenzen des Modells. Direkte und indirekte Hinweise auf solche Grenzen finden sich in der Literatur zumeist in Form von unbekannten Phänomenen beim Übergang eines Ölnebelfilters in den stationären Zustand und darüber hinaus.
Die vorliegende Arbeit umfasst eine kritische Prüfung der einschlägigen Literatur, eine Eingrenzung des thematischen Rahmens sowie des gesteckten Ziels dieser Arbeit, fünf Hauptkapitel mit neuen Ergebnissen, ein zusammenfassendes Fazit sowie einen Ausblick. Vier der Hauptkapitel (Kapitel 6, 8, 9 und 10) sind unabhängig voneinander weil in ihrer Form bereits veröffentlicht. Kapitel 7 basiert teilweise auf einer Publikation, enthält aber auch unveröffentlichten Inhalt. Die Hauptkapitel widmen sich folgenden Untersuchungen:
- Der Einfluss der Anströmgeschwindigkeit auf $\Delta$p$_{\text{channel}}$ und $\Delta$p$_{\text{jump}}$.
- Die Ursache von $\Delta$p$_{\text{jump}}$ und sein Zusammenhang mit der Filmstruktur.
- Eine Erweitung des Kanal-Film-Modells um die Effizienz.
- Der Anstieg von $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus.
- Die Genauigkeit von Porengrößenverteilungen in Ölnebel-Filtermedien.
Die Untersuchungen sind überwiegend experimenteller Natur und beschränken sich auf weitverbreitete Glasfaserpapiere (benetzbar und nicht-benetzbar), welche zu mehrlagigen ebenen Filtern konfektioniert werden. Für die Generierung von sub-mikronem Ölnebel wird ein repräsentatives Öl für Schraubenkompressoren verwendet. Ölanlieferraten wurden zwischen 5 und 1100 mg/(m$^{\text{2}}$s) variiert; Anströmgeschwindigkeiten zwischen 5 und 70 cm/s. Die Bereiche dieser beiden prominenten Betriebsparameter decken nahezu alle Anwendungen der Ölnebelfiltration ab.
Im ersten Hauptkapitel, Kapitel 6, wird anhand eines repräsentativen benetz-baren Filtermediums untersucht, inwiefern $\Delta$p$_{\text{jump}}$, $\Delta$p$_{\text{channel}}$ und die Sättigung im Kanalbereich von der Anströmgeschwindigkeit und der Ölanlieferrate abhängen. (Der Einfluss der Anströmgeschwindigkeit fand keine Berücksichtigung bei Kampa.) Im Rahmen der Messgenauigkeiten ist $\Delta$p$_{\text{jump}}$ unabhängig von diesen beiden Betriebsparametern. Der Einfluss von abgeschiedenem Öl auf $\Delta$p$_{\text{channel}}$ wird anhand des Exzess-$\Delta$p, $\Delta$p$_{\text{channel}}$-$\Delta$p$_{\text{0}}$, untersucht. Das Exzess-$\Delta$p nimmt mit der Ölanlieferrate zu, bleibt aber weitgehend konstant mit der Anströmgeschwindigkeit. Mit anderen Worten: Gleiche Ölmassenströme resultieren auch in einem gleichen Wert für den exzess Kanaldruckverlust und größere Ölmassenströme benötigen mehr exzess Kanaldruckverlust. Daher lässt sich das Exzess-$\Delta$p auch als die für den Öltransport benötigte Energie interpretieren.
Ein konstantes Exzess-$\Delta$p bei gleicher Ölanlieferrate aber unterschiedlicher Anströmgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, dass bei höheren Anström-geschwindigkeiten sich die Sättigung im Kanalbereich reduziert. Aus Bildanalysen des Kanalbereichs geht hervor, dass sich die Sättigung dabei über den Kanaldurchmesser und nicht über die Anzahl der Kanäle anpasst. Diese Beobachtung lässt sich auf die Koaleszenzkaskade im vordersten Bereich der Ölnebelfilter zurückführen. Hier wird der Großteil der feinen Öltröpfchen abgeschieden und koalesziert in größere Tropfen, welche letztendlich in einen Ölkanal münden. Weder das Einzugsgebiet für einen Kanal noch die Koales-zenz von verschiedenen Kanälen untereinander scheinen dabei von den beiden untersuchten Betriebsparametern abzuhängen.
In Kapitel 6 wird des Weiteren das Phänomen eines (sehr) langsamen Anstiegs von $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus vorgestellt. Dieses Phänomen des sogenannten Kriechens des Druckverlustes nimmt mit der Ölanlieferrate und der Anströmgeschwindigkeit zu und wird in Kapitel 9 detailliert behandelt.
In Kapitel 10 wird aufgezeigt, dass $\Delta$p$_{\text{jump}}$ sich aus der Kapillarität von benetz-baren Filtermedien ergibt und nicht aus der Filmdicke, wie es die Veröffentlichungen von Chang et al. (2016, 2017) nahelegen. Eine gute Näherung für $\Delta$p$_{\text{jump}}$ ist der sogennante Bubble Point, der dem kapillaren Austrittsdruck der größten Poren im Filtermedium entspricht und sich mittels Kapillarflussporometrie bestimmen lässt. Experimente wurden mit 4 verschiedenen Medien mit größten Porenklassen zwischen 28 und 47 $\mu$m und Anströmgeschwindigkeiten zwischen 5 und 70 cm/s durchgeführt. Abgesehen von einer erheblichen Streuung der Messwerte bleibt $\Delta$p$_{\text{jump}}$ dabei annähernd konstant. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Anzahl der Poren in der größten Klasse für die meisten Volumenströme in industriellen Anwendungen ausreicht.
Im darauffolgenden Kapitel 8 wird das Kanal-Film-Modell erfolgreich auf die Effizienz von Ölnebelfiltern übertragen. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, mit dessen Hilfe sich der Gesamtwirkungsgrad mehrlagiger Filter in die jeweiligen Beiträge des Films, der Kanäle sowie den Koaleszenzbereich in der ersten Lage von benetzbaren Filtern zerlegen lässt.
Alle untersuchten Medienlagen (je zwei Arten von nicht benetzbaren und benetzbaren Medien) verlieren einen wesentlichen Teil ihrer Effizienz durch die Beladung mit Öl. Die erste Lage weist die höchste Sättigung und damit den größten Unterschied zwischen Nass- und Trockeneffizienz von kleineren Tröpfchen (<100 nm) auf. Größere Tropfen (>500 nm) hingegen werden besser abgeschieden -- vermutlich aufgrund der höheren Geschwindigkeit im Inneren der ersten Lage. Eine typische Kanallage verliert an Effizienz in allen Größenklassen, wobei die nicht benetzbaren Medien effizienter bei der Abscheidung von größeren Tropfen sind.
Für alle Medien verhält sich der Film wie ein Trägheitsabscheider mit einer 50%-igen Abscheidung für etwa 250 nm große Tröpfchen.
Größere Tropfen werden daher durch den Film fast vollständig getrennt, während kleinere Tröpfchen diesen ohne signifikante Abscheidung passieren.
Die Weiterentwicklung des Kanal-Film-Modells ermöglicht es, den Fraktions-abscheidegrad von Ölnebelfiltern mit zunehmender Lagenzahl vorherzusagen. Bei einlagigen Filtern bestimmt die Abscheidung des Films den Gesamtwirkungsgrad. Mit zunehmender Lagenzahl verliert die Filmeffizienz an Bedeutung und die Abscheidung im Kanalbereich dominiert. Die Erkenntnis über eine signifikante Abscheidung von größeren Tröpfchen durch den Film relativiert die oft betonte Rolle der Geschwindigkeitserhöhung im Filterinneren und erklärt scheinbar widersprüchliche Daten in der einschlägigen Literatur.
Anhand von Messungen der Gesamtzahlkonzentration wird außerdem gezeigt, dass die Erzeugung von Nebel durch platzende Blasen im Film mit zunehmender Effizienz oder Anzahl an Filterlagen an Bedeutung gewinnt. Dieses Sekundär-aerosol stellt nicht nur für die Emission von Ölnebelfiltern eine Untergrenze dar, sondern auch für die Anwendung des weiterentwickelten Kanal-Film-Modells in dieser Arbeit.
In Kapitel 9 wird der stationäre Zustand für den kontinuierlichen sowie diskontinuierlichen Betrieb von Ölnebelfiltern eingehend betrachtet. Der Einfluss der Filtermedienstruktur auf das Phänomen des Kriechens wird anhand von vier benetzbaren Medien (von offen- bis feinporig) untersucht. Filtrationsversuche werden sowohl mit anfänglich trockenen als auch mit vorgesättigten Filtern durchgeführt.
Vorgesättigte Filter weisen generell höhere Werte für Druckverlust und Sättigung auf, was sich auf die beobachtete Abwesenheit von Ölkanälen und eine homogenere Verteilung des abgeschiedenen Öls zurückführen lässt. Bei offenporigen Filtermedien sind die Unterschiede im Druckverlust des stationären Zustands zwischen vorgesättigten und anfänglich trockenen Filtern kaum wahrnehmbar; nehmen aber mit zunehmender Feinheit deutlich zu. Während sich die Sättigung S von anfänglich trockenen Filtern umgekehrt proportional (S$\sim$v$^{\text{-1}}$) zur Anströmgeschwindigkeit v verhält, schwächt sich diese Abhängigkeit bei vorgesättigten Filtern deutlich ab (S$\sim$v$^{\text{-0.23}}$).
Im kontinuierlichen Betrieb erreichen vorgesättigte Filter relativ rasch einen stationären Zustand mit einem konstanten und zeitlich stabilen Druckverlust.
Bei anfänglich trockenen Filtern beobachtet man dagegen einen langsamen Anstieg von Sättigung und $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus. Letzterer ist bei anfänglich trockenen Filtern durch ein zeitliches Abflachen des Druckverlustes und den Beginn der Drainage gekennzeichnet. Das Kriechen von Sättigung und $\Delta$p wird durch Ölanlieferraten von 1100 mg/(m$^{\text{2}}$s) beschleunigt und in zeitlich begrenzten Experimenten (100 Stunden) untersucht. Bei offenporigen Filtermedien ist das Kriechen nach weniger als 20 Stunden Beladung beendet. Diese Filter nähern sich der Sättigung ihrer vorgesättigten Vergleichsexperimente aber ohne einer Konvergenz des Druckverlustes, da die Ölkanäle erhalten bleiben. Feinporige Filtermedien zeigen zwar ein ähnliches Verhalten, erreichen allerdings nie einen echten stationären Zustand innerhalb einer praktikablen Beladungszeit. Die Ursache für das Phänomen des Kriechens ist offenbar die Abscheidung und Ansammlung von feinsten Öltröpfchen in der Tiefe des Filters zwischen den Ölkanälen.
In Kapitel 9 wird auch untersucht, inwiefern sich der diskontinuierliche Betrieb auf die Sättigung und den Druckverlust auswirkt. Bei einer Unterbrechung der Filtration kommt es in anfänglich trockenen Filtern zu einer kapillaren Umverteilung der Flüssigkeit und zu einer homogeneren Verteilung des Öls. Das Fortsetzen der Filtration führt daher zu einem sprunghaften Anstieg von $\Delta$p auf ein höheres stationäres Niveau. Der Anstieg des Druckverlusts begrenzt sich allerdings auf wenige Ein-Aus-Zyklen und bleibt dabei weit unter dem deutlich höheren stationären $\Delta$p von vorgesättigten Filtern. Der vorgesättigte Zustand kann allerdings auch für anfänglich trockene Filtermedien erreicht werden: Eine Reduzierung der Anströmgeschwindigkeit führt entsprechend der o.g. Korrelation, S$\sim$v$^{\text{-1}}$, zu einer deutlich höheren Sättigung. Wird nach einer solchen Vorsättigung im Betrieb die Anströmgeschwindigkeit wieder auf ihren ursprünglichen Wert erhöht, geht die Struktur der Ölkanäle unwiederruflich verloren, und der Filter befindet sich im gleichen Zustand wie sein vorgesättigtes äquivalent.
Das letzte Hauptkapitel, Kapitel 10, untersucht die Genauigkeit der Kapillar-flussporometrie als eine Schlüsselmethode zur Charakterisierung von Porengrößenverteilungen von Filtermedien aus Mikroglasfasern. Fluorkohlenwasserstoffe, die häufig bei dieser Methode als Benetzungsflüssigkeit zum Einsatz kommen, verdunsten während einer Messung mit trockener Druckluft. Die Verdunstung beschleunigt sich insbesondere, wenn die Probenoberfläche von einem nassen in einen feuchten Zustand übergeht. Dieses Phänomen wird durch eine abrupte und charakteristische Trennung in der Mitte der Porengrößenverteilung sichtbar und führt dazu, dass ein Großteil der kleineren Porenklassen sich nicht in den Messergebnissen widerspiegelt. Die Lage der Porengrößenverteilung wird daher durch die Kinetik der Verdunstung bestimmt und ist damit für unterschiedliche Labore und Messgeräte kaum kontrollierbar.
Eine zuverlässigere Messung von Porengrößenverteilungen lässt sich unter Verwendung von schwerflüchtigen Silikonölen durchführen. Messungen mit dieser Benetzungsflüssigkeit zeigen, dass etwa 20% der Porengrößenverteilung in dem untersuchten Medium kleiner als 2 $\mu$m sind, was in etwa 400 mbar Differenzdruck entspricht. Aufgrund des hohen Kapillardrucks in diesen Porengrößen kann die hier eingeschlossene Flüssigkeit nicht mittels Kapillarflussporometrie, und darüber hinaus auch nicht in Filtrationsvorgängen durch Luft verdrängt werden. Des Weiteren kann ein Einfluss der Viskosität des Benetzungsmittels, wie in der Literatur vermutet, nicht nachgewiesen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der vorliegenden Arbeit das Kanal-Film-Modell für variable Betriebsbedingungen validiert und um den Fraktionsabscheidegrad erweitert wird. Die Erweiterung des Kanal-Film-Modells ermöglicht daher die Auslegung von Ölnebelfiltern bei vorgegebenen Grenzwerten für Druckverlust und Effizienz in stationärem Zustand. Im Kontext des erweiterten Modells werden auch etablierte, manchmal jedoch widersprüchliche Erkenntnisse aus der einschlägigen Literatur neu bewertet. Dabei bilden die in dieser Arbeit aufgedeckten, bisher noch unbekannten Phänomene bei der Beladung von Ölnebelfiltern ein Schlüsselelement, um diese scheinbar konträren Positionen zu vereinen.
Abstract (englisch):
The filtration of oil mists, or air-borne oil droplets, can be found in a variety of technical applications such as the crankcase ventilation of engines, metal cutting and compressed air conditioning. The loading behavior of mist filters differs significantly from more habitual types of filtration, such as solid-liquid separation and dust filtration, in that deposited droplets are moved by the air flow and capillary forces of the filter medium. Therefore, mist filters are a subcategory of coalescence filters which have generally received much less scientific attention than other well-known fields of filtration. ... mehrAnd to make matters worse, the few publications in the narrow field of oil mist filtration often seem to contradict each other.
Unlike ``classic'' and static filters which have to be cleaned or replaced when fully loaded, the deposited droplets in mist filters coalesce with each other and are then moved by the air flow to the filter rear side where they drain in direction dictated by gravity. The on-set of drainage also marks the start of an equilibrium between the oil flow entering and exiting the filter. This so-called steady state results in constant values for the drainage rate from the filter, the liquid saturation (or hold-up) of the filter media, and the significantly increased level of pressure drop, $\Delta$p. The steady state performance - currently best described in the Film-and-Channel-Model by Kampa (2014) - is therefore of utmost importance for filter evaluation and comparisons between different mist filters.
The Film-and-Channel-Model phenomenologically describes the presence of deposited liquid in form of thin films and channel patterns and quantifies their contributions to the steady-state $\Delta$p. The ``internal'' channel pressure drop, $\Delta$p$_{\text{channel}}$, is caused by the transportation and hold-up of oil within the filter medium. The ``external'' film pressure drop, $\Delta$p$_{\text{jump}}$, is, on the other hand, caused by a thin liquid film, either where the oil leaves a wettable or enters a non-wettable filter medium. The findings of Kampa not only revealed the physical mechanisms behind the loading curves of mist filters of different wettabilities but also allowed for the first time to reliably predict the steady-state $\Delta$p. As pioneering as the Film-and-Channel-Model might be, it is anything but complete and left open questions which serve as a starting point for the present thesis.
The main goal of this work is to extend the scope of the Film-and-Channel-Model to a broader range of operating conditions and filter media properties, and to incorporate the filter efficiency into the model framework. Therefore, investigations focus not only on findings to validate and enhance this model but also on its physical limits. The current limitations of the Film-and-Channel-Model might be significantly shifted by filter media properties and hitherto unidentified transitional phenomena of pressure drop and efficiency. Published data indicate that such phenomena occur prior to and beyond steady-state operation.
The thesis at hand comprises a critical literature review, a statement of its scope and objectives, followed by five main chapters, summarizing conclusions and an outlook. Four of the main chapters (Chapter6, 8, 9, and 10) represent independent modules, published as separate units in the relevant literature. Chapter 7 is partially based on a publication but contains also unpublished material. The principal objectives of the main chapters are to investigate:
- the impact of the filter face velocity on $\Delta$p$_{\text{channel}}$ and $\Delta$p$_{\text{jump}}$,
- the cause of $\Delta$p$_{\text{jump}}$ and its correlation with the film morphology,
- an extension of the Film-and-Channel-Model towards the efficiency,
- the causes for an increase of $\Delta$p beyond the steady state,
- and the accuracy of measuring pore size distributions of mist filter media.
Investigations are mostly of an experimental nature and limited to commonly used glass microfiber filter media (wettable & non-wettable) loaded in stacks of flat sheet layers. The oil dispersed into sub-micron droplets is limited to a single type, representative for the use in oil-flooded screw compressors. Oil loading rates were varied between 15 and 1100 mg/(m$^{\text{2}}$s); face velocities between 5 and 70 cm/s. The range of these two operating conditions covers the operation of most mist filter applications.
The first main chapter, Chapter 6, investigates the dependence of $\Delta$p$_{\text{jump}}$, $\Delta$p$_{\text{channel}}$, and the internal saturation on the face velocity and the oil loading rate for a representative wettable filter medium. Within the accuracy of the experiments, $\Delta$p$_{\text{jump}}$ is found to be independent of either variable. The contribution of deposited liquid to $\Delta$p$_{\text{channel}}$ is evaluated on basis of $\Delta$p$_{\text{channel}}-\Delta$p$_{\text{0}}$ or the excess channel-$\Delta$p, i.e. the increase in $\Delta$p over the pressure drop of the dry filter, $\Delta$p$_{\text{0}}$. The excess channel-$\Delta$p increases with the oil loading rate but remains largely constant with the face velocity. In other words, a constant mass flow of liquid to be transported always results in the same excess channel-$\Delta$p and increases only if more liquid is to be transported. Hence, the excess channel-$\Delta$p can be interpreted as the energy required for the internal oil transport.
In order to maintain a constant excess channel-$\Delta$p for a given oil loading rate, the saturation in the channel region decreases with the face velocity. Image analyses reveal that the saturation adjusts itself by reducing the oil channel diameter and not via the number of channels per area. This observation is due to the coalescence cascade in the upstream region of the filter. The bulk of oil mist is deposited uniformly in this region, coalesces into larger drops and eventually forms a channel. Neither the capture area to feed a single channel nor possible coalescence among several channels seem to be influenced from variations of the two principal operating conditions.
Also, Chapter 6 introduces the phenomenon of a slow increase in $\Delta$p beyond the steady state. This so-called $\Delta$p-creep was found to become more pronounced with increasing oil loading rate and filter face velocity. This transitional phenomenon is investigated in detail in Chapter 9.
Chapter 7 demonstrates that $\Delta$p$_{\text{jump}}$ of wettable filter media must be linked to capillary phenomena and not to the film thickness as recently stated by Chang et al. (2016,2017). A good approximation for $\Delta$p$_{\text{jump}}$ is the bubble point which corresponds to the largest pore size of the filter medium and can be derived from capillary flow porometry measurements. Experiments were conducted at variable face velocities between 5 and 70 cm/s with 4 different media grades having largest pore sizes between 28 and 47 $\mu$m. Despite considerable scatter in the data, $\Delta$p$_{\text{jump}}$ remains approximately constant across this wide range of face velocities indicating that the number of largest pores is sufficiently high to cope with most air flows in industrial applications.
In the following Chapter 8, the Film-and-Channel-Model is successfully extended towards the filter efficiency. A new approach is presented to break down the overall efficiency of a mist filter into separate contributions of the film, the channel region as well as the coalescence region in the first layer of wettable filters.
All media investigated (2 grades each of non-wettable and wettable media) lose a significant part of their efficiency when saturated with oil. The first layer in a wettable filter has the highest saturation and thus the largest difference between wet and dry efficiencies. The subsequent channel layers within the filter depth have a lower and constant level of saturation and consequently also a higher efficiency. Moreover, the channel efficiency of non-wettable media is considerably higher than in wettable media of about the same grade. For both wettabilities, the film acts as an inertial separator with a 50% cut-off for droplets of about 250 nm. Hence, larger droplets are almost completely removed by the film while smaller droplets do pass without significant hindrance.
The enhanced Film-and-Channel-Model also predicts the fractional efficiency of mist filters with increasing layer numbers. For single-layer filters, the film efficiency governs the overall efficiency while for thicker filters, the film's contribution becomes less significant than the channel efficiency. The newly discovered contribution of the film to the improved efficiency of larger droplets puts the often-emphasized role of the interstitial velocity in perspective and helps to explain seemingly contradictory data in the literature.
Downstream measurements of the total number concentration further reveal that re-entrainment of bursting bubbles from the film gradually gains significance as the number of media layers increases and the filter becomes more efficient. This generation of droplets sets a limit not only to mist filter efficiencies but also to the application of the extended Film-and-Channel-Model in this work.
Chapter 9 critically reviews the concept of steady state(s) for mist filter operation and investigates the (very) slow but steady increase of $\Delta$p beyond the common definition of oil mist filter's ``steady'' state. This creep phenomenon can be found only in initially dry filters. Pre-saturated filters on the other hand reach their steady operation typically relatively rapidly and then maintain a very constant and stable $\Delta$p during continued loading, although at a higher level than the initially dry filter.
The creep phenomenon is investigated by comparisons of initially dry (and well-defined) pre-saturated filter media of fine and coarse grades. Experiments were accelerated by higher oil loading rates and exceed by far the time required to reach the on-set of steady operation. The inital working hypothesis that the creep approaches the higher $\Delta$p of pre-saturated filters was proven wrong: The asymptote (or the end point) of the creep always remains below the pre-saturated reference values and has to be considered as a separate steady state. The underlying cause for the creep is a gradual accumulation of very fine droplets of coalesced oil in the depth of the filter between the oil channels. As a result of this continued accumulation, both the saturation level and the interstitial air velocity increase and cause a significant and additional $\Delta$p -- especially in finer media grades. The higher $\Delta$p of pre-saturated filters is, on the other hand, caused by an absence of oil channels and a homogeneous liquid distribution at the same saturation level than the initially dry filters. The difference between pre-saturated and initially dry filters and a very pronounced creep phenomenon in finer media grades help to reconcile apparent contradictions in the relevant literature.
Most oil mist filters in the industry are neither pre-saturated nor subject to a long-term creep during continuous filtration but are started dry and operated discontinuously throughout their complete life. The impact of a more realistic operation on saturation and $\Delta$p is therefore also addressed in discontinuous experiments and especially in on-off operation as the most common type of application.
Interruptions of the air flow lead to a capillary redistribution of oil from the channels and a slightly more homogeneous liquid pattern of the same saturation. Resuming operation at previous conditions causes therefore an increase of the steady-state $\Delta$p at a higher level. $\Delta$p increases only in the first few cycles, becomes eventually constant for continued on-off operation, and remains here below the value of pre-saturated filters.
However, the pre-saturated (and ultimate) state of a mist filter can be achieved in another type of discontinuous operation when the face velocity is temporarily reduced to a lower level. Low face velocities cause a highly saturated filter which when resuming operation at the previous higher velocity, irreversibly loses the oil channel patterns and ends at the same state as its pre-saturated counterpart.
The last of the main chapters, Chapter 10, evaluates the accuracy of capillary flow porometry as a key method to characterize pore size distributions of a glass microfiber medium. Low-volatility fluorocarbons, commonly used as a wetting liquid for this method, were found to evaporate quickly during a scan, leading to major distortions of the pore size distribution derived from such a measurement. This behavior becomes visible in an abrupt and characteristic cut-off in the middle of the pores size distribution. The location of the cut-off is determined by the kinetics of the evaporation and thus totally arbitrary. Obviously, this makes comparisons between different laboratories almost impossible.
A reliable evaluation of pores below the cut-off can be done with less volatile silicone oils. Measurements with this wetting liquid reveal that about 20% of the pore size distribution in the reference medium is smaller than 2 $\mu$m corresponding to about 400 mbar in differential pressure. Liquid in these fine pores could not be removed in capillary flow porometry experiments and remains also trapped during filtration experiments. Furthermore, experiments with variable kinematic viscosities (5--100 mm$^{\text{2}}$/s) of silicone oils did not show a dependence of capillary flow porometry on the viscosity of the wetting liquid as assumed in the literature.
In summary, this work validates the Film-and-Channel-Model for variable operating conditions and expands it to include the filter efficiency. Therefore, the current Film-and-Channel-Model allows for the design of mist filters with predetermined values of $\Delta$p and efficiency at their corresponding steady state. In the light of this enhanced model, the present thesis re-evaluates well-established yet sometimes contradicting findings of older literature and closes these gaps by revealing unidentified transitional phenomena during mist filter loading.
