Grundsätze der Partikelfilterung

Mechanische Luftfilter scheiden Partikel aus dem Luftstrom ab, weil Partikel in Kontakt mit der Faseroberfläche im Filtermedium gelangen und sich an die Fasern anhaften. Die Mechanismen, durch die die Partikel in Kontakt mit den Fasern im Filtermedium gelangen, umfassen Filtern (Sieben), Abfangung, Diffusion, Trägheitsabscheidung und elektrostatische Anziehung. Der erste dieser Mechanismen gilt hauptsächlich für mechanische Filter und wird von der Partikelgröße beeinflusst. Elektrostatische Filterung wird durch Ladung der Medien als Teil des Fertigungsprozesses erreicht.

Mechanismen

Es gibt fünf Mechanismen, durch die Partikel mit Luftfiltermedien aus der Luft gefiltert werden. Dies umfasst Filtern (Sieben), Abfangung, Diffusion und Trägheitsabscheidung und elektrostatische Anziehung. Jeder Mechanismus hat einen bestimmten Größenbereich, in dem er der dominierende Faktor für die Partikelfilterung ist. Trägheitsabscheidung und Abfangung sind die dominierenden Sammelmechanismen für Partikel größer als 0,2 μm und Diffusion ist dominierend für Partikel kleiner als 0,2 μm. Elektrostatische Anziehung wird durch Ladung der Medien als Teil des Fertigungsprozesses erreicht.


Filtern

Tritt auf, wenn die Öffnung zwischen den Medienteilen (Fasern, Siebmaschen, Riffelblech, etc.) kleiner ist als der Partikeldurchmesser des Partikels, den der Filter abfangen soll. Dieses Prinzip gilt für die meisten Filterdesigns und ist vollständig bezogen auf Partikelgröße, Medienabstandsflächen und Mediendichte.


Trägheitsabscheidung

Nutzt einen schnellen Wechsel der Luftströmungsrichtung und die Trägheitsprinzipien, um die Masse (Schwebstoffe) von dem Luftstrom zu trennen. Partikel mit einer bestimmten Geschwindigkeit tendieren dazu, bei dieser Geschwindigkeit zu bleiben und in kontinuierlicher Richtung weiterzuströmen. Dieses Prinzip wird normalerweise angewendet, wenn eine hohe Konzentration von Grobstaub vorhanden ist, und in vielen Fällen als Vorfilterungs-Modus für hocheffiziente Endfilter.


Abfangung

Um abgefangen zu werden, muss ein Partikel in einen Abstand zu einer Faser innerhalb seines eigenen Radius kommen. Das Partikel kommt dadurch in Kontakt mit der Faser und haftet sich an. Der Abfangmechanismus kann in Kontrast zum Impaktionsmechanismus gesehen werden, bei dem ein Partikel, das abgefangen wird, kleiner ist und seine Trägheit nicht hoch genug ist, um dafür zu sorgen, dass das Partikel weiter in einer geraden Linie strömt. Es folgt daher dem Luftstrom bis es in Kontakt mit einer Faser kommt.


Diffusion

Tritt auf, wenn die zufällige (Brownsche) Bewegung eines Partikels dazu führt, dass das Partikel mit einer Faser in Kontakt kommt. Wenn ein Partikel einen Bereich in dem Medium durch Anziehung und Abfangung verlässt, schafft es einen Bereich geringerer Konzentration innerhalb des Mediums, in den ein anderes Partikel eindringt, um dann selbst abgefangen zu werden. Um die Möglichkeit dieser Anziehung zu erhöhen, funktionieren Filter, die dieses Prinzip verwenden, bei geringen Mediengeschwindigkeiten und/oder hohen Konzentrationen der mikrofeinen Fasern, Glasfasern oder anderem. Je mehr Zeit ein Partikel in der „Abfangzone“ verweilt, desto größer ist der Oberflächenbereich der Sammelmedien (Fasern), und desto größer ist die Abfangchance. Filterhersteller haben zwei verschiedene Verfahren dieses Prinzip umzusetzen – die Anwendung von mehr Fläche mit feinen glasmattenartigen Medien oder die Anwendung von weniger Fläche mit hochflorigen Glasfaser-Medien.


Elektrostatische Anziehung

Filter, die Fasermedien mit großem Durchmesser verwenden, nutzen elektrostatische Ladungen, um ihre Effizienz der Feinpartikelabscheidung zu erhöhen. Fasermedien mit großem Durchmesser werden üblicherweise aufgrund ihrer niedrigen Kosten und Luftströmungswiderstände gewählt. Diese Filter verlieren jedoch oft ihre elektrostatische Ladung über die Zeit, da die Partikel, die auf ihrer Oberfläche abgefangen werden, geladene Stellen besetzen und dadurch deren elektrostatische Ladung neutralisieren.


Mechanische und elektrostatische Filter

Wenn mechanische Filter sich mit der Zeit mit Partikeln beladen, steigert sich typischerweise ihre Abscheideeffizienz und der Druckabfall. Allmählich blockiert der ansteigende Druckabfall den Luftstrom erheblich und die Filter müssen ausgetauscht werden. Aus diesem Grund wird der Druckabfall bei mechanischen Filtern häufig überwacht, da er anzeigt, wann die Filter ausgetauscht werden müssen.

Umgekehrt können elektrostatische Filter, die aus polarisierten Fasern bestehen, ihre Abscheideeffizienz mit der Zeit verlieren oder wenn sie bestimmten Chemikalien, Schwebstoffen oder hoher relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden. Der Druckabfall in einem elektrostatischen Filter steigt im Allgemeinen in einer geringeren Rate an als in einem mechanischen Filter mit ähnlicher Effizienz.

Deshalb ist, anders als beim mechanischen Filter, der Druckabfall beim elektrostatischen Filter ein schlechter Indikator für die Notwendigkeit eines Filterwechsels. Wenn ein HVAC-Filter ausgewählt wird, sollten Sie diese Unterschiede zwischen mechanischen und elektrostatischen Filtern berücksichtigen, da sie Auswirkungen auf die Leistung Ihres Filters haben (Abscheideeffizienz über die Zeit), ebenso auf die Instandhaltungsanforderungen (Austauschzeitpläne).


ABBILDUNG OBEN ERFORDERLICH Feine Glasfaser-Medien funktionieren nach einem mechanischen Abscheidungsprinzip und die Fasern verlieren ihre Effizienz über die Zeit nicht. Ihre anfängliche Effizienz unterscheidet sich nicht von der aktuellen Effizienz nach einer bestimmten Nutzungsdauer, dem Benutzer steht die spezifizierte Partikelabscheidungsleistung zur Verfügung.
ABBILDUNG OBEN ERFORDERLICHGrobe/Elektret-Fasern sind aufgrund ihrer enormen Größe einfacher und kostensparender herzustellen. Die primäre Wirkung der Partikelabfangung erfordert eine Ladung, die während des Fertigungsprozesses an der Faser angelegt wird. Wenn die Ladung aufgrund der Schwebstoffbelastung abgebaut wird, geschieht dies auch mit der Effizienz des Filters. Dies ist ein kritischer Zustand, wenn 88 % aller Partikel unter 1 Mikrometer Größe liegen – der Bereich, in dem diese Filtertypen einen beträchtlichen Effizienzverlust erleiden.
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