Abscheidung submikroner Aerosolpartikeln in elektrostatisch ausgerüsteten Vliesstoffen
Experimente und numerische Untersuchungen
Maximilian Friedrich Kerner
Elektret-Filter sind Vliesstoffe bestehend aus elektrostatisch ausgerüsteten Fasern und werden üblicherweise zur Abscheidung submikroner Aerosolpartikeln eingesetzt. Durch die elektrostatisch ausgerüsteten Fasern können die Partikeln zusätzlich aufgrund den elektrostatisch wirksamen Effekten abgeschieden (Coulomb-Effekt, Dielektrophorese und Spiegelladungs-Effekt) werden. Gegenüber konventionellen Filtermedien ohne elektrostatische Ausrüstung resultiert entsprechend eine Forcierung der Abscheidung bei annähernd konstantem Druckverlust.
Für die Beschreibung und Optimierung des Abscheideverhaltens von Elektret-Filtern ist folglich die Bestimmung der Faserladung und im Resultat das Verständnis über die Interaktion von Partikeln und Faserladung innerhalb der porösen Faserstruktur maßgeblich. Fokus dieser Dissertation ist somit neue Informationen über die Faserladung durch experimentelle und numerische Untersuchungen des Abscheideverhaltens zu gewinnen.
Dazu wurden verschiedene Elektret-Filter, elektrostatisch ausgerüstet durch Korona-Entladung und durch triboelektrischen Ladungsaustausch, untersucht. Sowohl aus den Experimenten als auch aus den Simulationen war ersichtlich, dass die Filtermedien bipolar geladen sind und sich dabei der Anteil von positiv sowie negativ geladenen Teilflächen gleicht. Die Ladungsintensität wurde durch den Abgleich der experimentell und numerisch ermittelten anfänglichen Abscheidung quantifiziert und damit auch die neu entwickelte Simulationsmethode selbst validiert.
Die Experimente zeigten zudem eine Reduktion der Abscheidung mit zunehmender Beladung des Filtermediums mit Partikeln. Eine detaillierte Betrachtung der verwendeten Partikelgröße und Partikelladungsverteilung ergab, dass die Ladungsneutralisierung durch die Ladung der abgeschiedenen Partikeln in diesem Fall der dominierende Effekt für die Filteralterung ist. Die Umsetzung dieser Wechselwirkung zwischen Partikel- und Faserladung in der Simulationsmethode konnte anhand Einzelfaseruntersuchungen validiert werden und zeigte auch bei Verwendung einer porösen Faserstruktur eine Übereinstimmung mit den Experimenten.
Folglich konnten durch die Kombination aus experimentellen und numerischen Untersuchungen erfolgreich Informationen über die Faserladung ermittelt und eine neue Simulationsmethode zur Beschreibung der anfänglichen als auch beladungsabhängigen Abscheidung entwickelt werden.
