Abstract:
Tiefenfilter werden beispielsweise in Klima-, Reinraum- und Prozesstechnik zur Entfernung von Partikeln aus feststoffbeladenen Gasströmen verwendet. Die Partikelabscheidung findet dabei im Inneren des Filters zunächst an den einzelnen Faser und dann in der porösen Struktur der Fasermatrix statt. Mit zunehmender Betriebszeit akkumuliert sich Partikelmaterial im Filter, was eine Erhöhung des Druckverlusts und folgend einen erhöhten Energieverbrauch verursacht. Schlussendlich wird der Filter ausgetauscht, um dem erhöhten Druckverlust zu minimieren und Platz für neues Partikelmaterial zur Abscheidung zu schaffen. ... mehrDer Druckverlust ist ein Indikator für den Energieverbrauch während des Filtrationsprozesses. Der Verlauf des Druckverlusts und der kritische Druckverlust bestimmen die Lebens- und Nutzungdauer eines Filtermediums.
Bei Tiefenfiltern erfolgt die Ablagerung in der Regel im oberen Drittel des Filters, ausgehend von der Anströmseite. Folglich entsteht eine ungleichmäßige Verteilung des Partikelmaterials. Eine Regeneration des Filters wird im Rahmen der Tiefenfiltration in der Regel nicht durchgeführt.
Um dennoch einen neuen Ansatz zu wählen und die Abscheideleistung aufrechtzuerhalten, sowie den Druckverlust zu verringern, bevor der kritischer Druckverlust erreicht wird, soll eine neue mögliche Lösung darin bestehen, partikelförmiges Material kontrolliert aus den stromaufwärts gelegenen ersten Drittel des Filterbereichs in den Leerraum stromabwärts des Filters zu transferieren.
Die dazu angestrebte Methode liegt in der Dehnung des Kollektors und dem Einbringen von Scher- und Zugspannungen in die Partikelstruktur bei gleichzeitiger Anströmung im filtrationsrelevanten Bereich. Die externe Anregung des Kollektors durch Dehnung soll dabei die Schwelle für die Ablösung durch die Anströmung absenken werden. Für die erfolgreiche Implementierung dieser Methode in einem gesamten Filtersystem ist das detaillierte Grundverständnis der durch Dehnung induzierten Umlagerung und Ablösung von Partikelmaterial notwendig. Um eine detailliertes Verständnis der mikromechanischen Vorgänge zu erhalten werden somit zunächst die Experimente auf vereinfachten Modellen eines Tiefenfilters wie einer dehnbaren Einzelfaser und einem dehnbaren Faserarray durchgeführt. Grundsätzlich widerspricht die Idee der Ablösung von abgeschiedenen Partikelstrukturen der eigentlichen Idee eines Filters. Dennoch wurden auch schon in vorangegenangen Untersuchungen zur strömungsinduzierten Ablösung von Partikeln von einer nicht dehnbaren (starren) Einzelfaser durchgeführt. Die nicht dehnbare Faser diente dabei aber nicht als Initiator für eine Umlagerung oder Ablösung. Im Fall der dehnbaren Einzelfaser sind noch keinen Untersuchungen zur Umlagerung und Ablösung von Partikelstrukturen vorhanden. Das Hauptziel ist somit die Evaluation von Einflussfaktoren wie Anströmgeschwindigkeit, Dehngeschwindigkeit und Morpholgie der Partikelstruktur auf die Umlagerung und Ablösung von Partikelstrukturen auf und von einer dehnbaren Filterfaser und nachfolgend dann von einem dehnbaren Faserarray.
Die experimentellen Untersuchungen der Einflussfaktoren auf das Umlagerung- und Ablöseverhalten der Partikelstrukturen von der Einzelfaser (Mikro Level) und dem Faserarray (Meso Level) in dieser Arbeit erfolgt in fünf Schritten, die auf fünf verschiedenen Studien basieren.
In einem ersten Schritt wird der Einfluss der Prozessparameter der Anströmgeschwindigkeit und der Dehngeschwindigkeit einer mit einer kompakten Partikelstruktur beladenen Einzelfaser (Mikro Level) während eines einzigen Dehnzyklus evaluiert. Um die Dehnung der Faser durchzuführen wurde ein spezieller Faserhalter zur Dehnung der Faser entwickelt. In den ersten Tests konnte gezeigt werden, dass bei Anströmgeschwindigkeiten der Faser von kleiner 1 $m\,s^{-1}$ und gleichzeitiger Dehnung unterschiedlicher Geschwindigkeit Umlagerung und Ablösung von Partikelstrukturen detektiert werden. Es konnte während der Versuche beobachtet werden, dass die Partikelstruktur auf der Faser unabhängig von der Dehngeschwindigkeit und der Anströmgeschwindigkeit radial mit der Faserrotation luv und lee rotiert. Es wurde darüber hinaus gezeigt, dass Aufbruch der Partikelstruktur immer von der Oberseite der Struktur auf der Faser ausgeht. Ohne eine gleichzeitige Anströmung mit alleiniger Dehnung war nur sehr geringfügige Ablösung von Partikelstrukturen möglich. Es war auch festzustellen, dass nach der Ablösung von Partikelstrukturen immer eine Residualstruktur auf der Faser zurückbleibt.
Im zweiten Schritt wird für eine Abschätzung des Haftkraftverhältnisse zwischen der Faser und den Spheriglasspartikeln eine Studie zur Haftkraftmessung zwischen Partikeln der Materialien Spheriglass und Polystyrene und der Faser in verschiedenen Dehnungszuständen vorgenommen. Darüber hinaus wird die Oberfläche der Polyurethanfaser in verschiedenen Dehnzuständen, welche äquivalent zum Experiment sind, charakterisiert und die Oberflächenrauigkeit bestimmt. Die Untersuchungen wurde dabei mit dem Rasterkraftmikroskop und dem Weißlichtinterferometrie durchgeführt. Durch die Dehnung der Faser wird mittels Messtechnik eine deutliche Erhöhung der Rauigkeit festgestellt. Mittels Haftkraftmessungen zwischen Partikeln und der Faser in unterschiedlichen Dehnzuständen konnte nachfolgend nachgewiesen werden, dass die Erhöhung der Oberflächenrauigkeit einen reduzierenden Einfluss auf die Haftkraft zwischen Partikel und Faser hat. Unabhängig davon konnte in den Haftkraftmessungen festgestellt werden, dass die Haftkraft zwischen Partikel und Faser über der zweier Partikeln liegt.
Im dritten Schritt wird die Größe und der Moment der Ablösung der abgelösten Partikelstrukturen in einer 5-fachen Dehnung der mit einer kompakten Partikelstruktur beladenen Einzelfaser (Mikro Level) bestimmt. Zusätzlich erfolgt die Bestimmung des relativen abgelösten Anteils der Partikelstruktur. Zu Beginn der fünf Dehnzyklen ist jeweils eine von zwei unterschiedlich großen Partikelstrukturen auf der Faser abgeschiedenen. Für die Detektion der abgelösten Partikelstrukturen direkt unterhalb der Faser, sowie die Beobachtung des Strukturaufbruchs wurde eine selbst konstruierte Laser-Licht Messtechnik auf dem Prinzip der Streulichtmesstechnik, sowie die Beobachtung mittels Kameratechnik genutzt. Insgesamt ergab sich eine stark durch die Anströmgeschwidigkeit dominierte Ablösung von Partikelstrukturen, worin eine Verschiebung des schwerpunktmäßigen Moments der Ablösung im Dehnbereich der Faser von 20 - 38.7 $\%$ zu 0 - 15\,$\%$ durch eine Steigerung der Anströmung von 0.05 $m\,s^{-1}$ auf 0.8 $m\,s^{-1}$ detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass trotz geringer Anströmgeschwindigkeiten der Faser von 0.05 $m\,s^{-1}$ dank mehrmaliger Dehnung bei einer Dehngeschwindigkeit zwischen 0.6 bis 12 $mm\,s^{-1}$ eine vollständige Ablösung der Partikelstruktur realisiert werden konnte. Es konnte zudem festgestellt werden, dass die abgelösten Partikelstrukturen des ersten Dehnzylkus größer sind, als die der nachfolgenden vier Dehnzyklen. Zudem wurde herausgearbeitet wie die der lokale V-förmige Rissbildung der Partikelstruktur, das Versagen von Kohäsion und Adhäsion in Rahmen der Partikelstruktur auf der Faser mit dem Ablösen der Struktur von der Faser zusammenhängen.
Im nächste und vierte Schritt liegt der Fokus auf der Betrachtung der Abscheidung einer Partikelstruktur auf dem Faserarray (Meso Level). Dabei wird der Abscheideprozess der dendritischen und kompakten Partikelstrukturen (St=0.52 - 10.05) auf den Fasern und in den Faserzwischenräumen kontinuierlich mittels in situ Bildanalyse in Anströmrichtung ausgewertet und bis zum clogging point und einer TIF von $2.8\cdot10^8\,\#\,mm^{-2}$ bei einzelnen Partikelstrukturen auf dem Array begleitet. In Kombination mit der Bilanzierung der abgeschiedenen Masse auf dem Array ergibt sich eine Wachstumskinetik der Partikelstrukturen, die Unterschiede hinsichtlich der kompakten Abscheidung mit viel Masse und der großflächigen Abscheidung der dendritischen Strukturen mit weniger Masse (in Beobachtungsrichtung) zeigt.
Ebenso erfolgt mit einer automatisierten MATLAB-Bildauswertung eine Detektion von Brückenbildung und Porenwachstum zwischen den inneren Fasern des Arrays. Dabei konnte die charakteristischen Merkmale wie die weitverzweigten dendritischen Randstrukturen der Partikelstrukturen auch im Porenwachstum erfasst werden, da sich dabei viele kleine Poren mit wenigen Mikrometer (3 - 78 $\mu m$) ergaben. Im Gegensatz dazu ergab sich beim Brückenwachstum der kompaktenstrukturen große Brücken von bis zu 270 $\mu m$ entlang der Faserachse.
Das Ziel des fünften Schritt ist es, erste Informationen über die Umlagerung und Ablösung von Partikelstrukturen auf/von einem Faserarray (Mesoebene) während fünf aufeinanderfolgender Dehnzyklen zu erhalten und dabei die Unterschiede und zusätzlichen . Es wird dabei wie schon in den fünf aufeinanderfolgenden Versuchen mit der partikelbeladenen Einzelfaser mit der Laser-Licht Messtechnik quantitativ der Moment der Ablösung der Partikelstrukturen während der Dehnung und auch die Größe der abgelösten Agglomerate erfasst. Des weiteren erfolgt eine Analyse der relativen Belegung der Faserzwischenräume, welche für eine Beurteilung einer potentiellen Durchströmung relevant ist. Darüber hinaus wurde eine qualitative Analyse der Rissmuster und der Umlagerung der Partikelstrukturen auf der Grundlage ihrer Morphologie (dendritisch oder kompakt) und ihres Wachstumszustands (non-clogged, clogged durchgeführt. Die Wahl der Anströmgeschwindigkeit und Dehngeschwindigkeit während der Dehnversuche Faserarray erfolgte aus den Erfahrungen der Ergebnisse mit den Einzelfasern und lag zwischen 0.05 $m\,s^{-1}$ und 0.8 $m\,s^{-1}$. Die Dehngeschwindigkeit wurde zwischen 0.6 $mm\,s^{-1}$ und 1.2 $mm\,s^{-1}$ variiert. So konnten, wie schon in den Experimenten an der Einzelfaser, Umlagerungsereignisse und nachfolgende Ablösung der Partikelstruktur vom Faserarray detektiert werden. Auch eine radiale Umlagerung und Rotation der Partikelstrukturen war teilweise zu beobachten. Mit einer Modikation des Faserhalters wurde eine Möglichkeit geschaffen den Abstand der Faser im Array während der Dehnung zu verkleinern und zu vergrößern und so statt einer uniaxialen Dehnung eine biaxialen Dehnung zu etablieren. Es konnte so ein mehrdimensionaler Spannungzustand mit Scher- und Zugkräfte in der gecloggten Partikelstruktur auf dem Faserarray erzeugt werden, der sich deutlich in ausgeprägteren Rissmustern und Ablösung von Partikelstrukturen zeigte.
Die Arbeit leistet eine wichtige Beitrag auf mikroskopischer und mesoskopischer Ebene für die kommenden Untersuchungen an einem zukünftigen dehnbaren Filter (Makro Level) und dem dafür notwendigen Verständnis der bei der Dehnung ablaufenden Umlagerungs- und Ablöseprozessen der Partikelstrukturen, sowie dem Einfluss der verschiedenen Prozessgrößen.
Abstract (englisch):
Depth filters are used in air conditioning, clean rooms, and process technology to remove particles from gas flow. Particle separation occurs inside the filter, first on the individual fibers and then in the porous structure of the fiber matrix. As the operating time increases, particle material accumulates in the filter, leading to an increase in pressure drop and subsequently, increased energy consumption. Finally, the filter is replaced to minimize the increased pressure drop and make room for new particle material to be separated. The development of pressure drop is an indicator of the energy consumption during the filtration process. ... mehrThe development of the pressure drop and the critical pressure drop determine the service life of a fibrous filter.
In fibrous filters particle separation occurs in the upper third of the filter, starting from the upstream side. Regeneration of fibrous filters is not common. The particle material within the filter is inhomogeneously distributed, which affects separation efficiency and increase of pressure drop during the filtration process. However, to address this issue, a possible solution is to transfer particulate material from the upstream area, first third of the filter, to the empty space downstream of the filter before the critical pressure drop is reached.
The desired method to enable this transfer is to stretch the collector and introduce shear and tensile stress into the separated particle structure while applying a low velocity airflow. Stretching the collector as an external excitation is intended to lower the threshold for detachment of particle structures by the air flow. A detailed understanding of the rearrangement and detachment of particle material induced by stretching is necessary for a successful implementation of this method in an entire future filter system. To gain a comprehensive understanding of the micromechanical processes, experiments are conducted on simplified collector models of a depth filter, such as a stretchable single fiber and a stretchable fiber array. The detachment of separated particle structures from a filtration collector contradicts the actual concept of a filter, nevertheless previous studies have already investigated and obtained the detachment of particles from a non-stretchable (stiff) single fibers induced by air flow above the normal level of filtration. In this study the non-stretchable (stiff) fiber did not initiate any rearrangement or detachment of particle structures. For investigation with a stretchable single fiber or fiber array, there are currently no studies available on the rearrangement and detachment of particle structures. The main objective of this work (dissertation) is to evaluate the influence of process parameter such as flow velocity, stretching velocity, and particle structure morphology on the rearrangement and detachment of particle structures from a stretchable filter fiber and from a stretchable fiber array.
The investigation in this work are performed in five consecutive steps which evaluate the rearrangement and detachment of particle structures on a single fiber (micro level) and on a more complex fiber array (meso level). The different steps are based on five different experimental studies.
The evaluation of process parameters, such as flow velocity and stretching velocity, during a single stretching cycle with a single stretchable fiber (micro level) and a compact particle structure is the focus of the first step. To stretch the fiber, a special fiber clamping device was developed. The experiments showed that particle structures are rearranged and detached at flow velocities of less than 1 $m\,s^{-1}$ and simultaneous stretching at different stretching velocities. During the experiments, it was observed that the particle structure on the fiber is rearranged radial and rotates with the fiber regardless of the stretching velocity and flow velocity. Additionally, the experiments obtained that the V-cracks develop always from the top of the particle structure on the fiber during stretching. Only minimal detachment of particle structures was observed without a simultaneous air flow and fiber stretching only. In the experiments was obtained that a residual structure remains on the fiber after detachment of large particle structures from the fibers during one stretching cycle.
In the second step, AFM measurements are conducted to measure the adhesion force between particles of spheriglass and polystyrene and the fiber in various stretching states. This is done to estimate the ratio of adhesion force between the fiber and the particle and the contact of particle-particle. A reduction in the adhesive force between the particle and fiber was observed in the adhesive force measurements with the AFM, which could be attributed to an increase in fiber elongation. In order to identify the underlying cause of this phenomenon, the surface roughness of the polyurethane filter fiber was characterized in different stretching states using an AFM and white light interferometry. These experiments revealed a significant increase in surface roughness when the fiber was stretched. The adhesion force measurement results indicate that the reduction in adhesion force between a single particle and the fiber is a function of the increase in surface roughness. As with these experiments in this work, models can be used to quantify this phenomenon. Nevertheless, the ratio of adhesive force is more favorable for the bond between particle and fiber in every stretching state than between particle and particle.
In the third step, the size and moment of detachment of the detached particle structures is determined during five consecutive stretching cycle of a single fiber (micro level). Additionally, the cumulative fraction of the detached particulate structure is determined after each stretching cycle.
Before the start of fiber stretching (5 stretching cycle), a compact particle structures of different size is separated on the fiber. To detect detached particle structures directly below the fiber and observe the cracking of the particle structure on the fiber during stretching, a laser light sheet measurement technique based on the detection principle of scattered light including a camera technique was established. The stretching experiments obtained that the detachment of particle structures is strongly influenced by the air flow velocity. An increase in the air flow velocity from 0.05 $m\,s^{-1}$ to 0.8 $m\,s^{-1}$ resulted in a shift for the moment of the detachment from 20 to 38.7 $\%$ to 0 to 15\,$\%$ fiber stretching. Furthermore, it was found that even with a low fiber flow velocity of 0.05 $m\,s^{-1}$, the particle structure could be completely detached by repeated stretching with stretching velocities between 0.6 to 12 $mm\,s^{-1}$. Further, the experiments revealed that the detached particle structures of the first stretching cycle are larger than those of the following four stretching cycles. Additionally, the experiments revealed a correlation between the local V-shaped cracking of the particle structure, the observed residual structures on the fiber, and the failure of cohesion and adhesion within the particle structure on the fiber. These observations provide indirect evidence of the effect of the measured adhesive forces between particles, particles, and particle-fiber in the context of the stretching experiment.
In the fourth step the focus is on the separation of a particle structure on a fiber array (meso level). The separation process of dendritic and compact particle structures (St=0.52 - 10.05) on the fiber array and in the fiber interspaces is evaluated using in situ image analysis in the direction of flow. The evaluation is performed until a TIF (time integrated flow) of $2.8\cdot10^8\,\#\,mm^{-2}$ is reached where some particle structures on the fiber array are clogged. The combination of observing the growth of the particle structure during separation on the fiber array and weighing the particle mass on the fiber array results in a growth kinetics for a particle structure of different morphology on an array. Differences can be observed between compact particle structure with large mass and dendritic particle structure with large and wide form (in direction of flow) but with less mass due to high porosity.
Automated MATLAB-image analysis is used to determine the size and number of particle bridges between neighboring fibers as well as the growth of pores in the interspaces of the inner fibers of the array. The image analysis identifies characteristic features, such as the widely branched dendritic particle structure on the array with a rapid growth of small pores. The size of pores ranged from 3 to 78 $\mu m$. In contrast, the growth of the compact structures resulted in large bridges of up to 270 $\mu m$ along the fiber axis.
The fifth step focuses on rearranging and detaching particle structures from a fiber array (meso level) during five consecutive stretching cycles. The moment of detachment and size of the detached structures are determined using a laser light sheet measurement technique, as in the experiments with a single fiber and five consecutive stretching cycles. An image analysis was used to determine the relative free projection area in the fiber interspaces, providing information on the free flowable area between the fibers of the fiber array. Furthermore, a qualitative analysis of the crack patterns and particle structure rearrangement was conducted based on their morphology (compact or dendritic) and growth state (non-clogged or clogged).
The flow velocity and stretching velocity chosen for the stretching test with a fiber are based on the results obtained from experiments with single fibers and ranged between 0.05 $m\,s^{-1}$ and 0.8 $m\,s^{-1}$. The stretching velocity varied between 0.6 $mm\,s^{-1}$ and 1.2 $mm\,s^{-1}$. As in the experiments with a single fiber, rearrangement and subsequent detachment of the particle structure from the fiber array were observed. In some cases, radial rearrangement and rotation of the particle structures were also detected. A modification was made to the fiber clamping device to adjust the distance between fibers in the array during stretching, allowing a transition from uniaxial to biaxial stretching with the fiber clamping device. This modification enables the generation of a stress with shear and tensile forces in the clogged particle structure on the fiber array. This results in noticeable crack patterns and detachment of particle structures, that could not be observed before with a clogged structure with simple uniaxial stretching
The presented five steps provide experimental results that help to quantify the influencing factors on the rearrangement and detachment of particle structures during the stretching procedure of a single fiber (micro level) and a filter array (meso level). Based on this, the present work contributes significantly to the future of fundamental investigations on a complete stretchable filter (macro level) and lead the way to an optimization of the filtration process for fibrous filters.
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