Filtrationskinetik offener Partikelfilter

Niedermeyer, Lars

Das Reinigen eines partikelbeladenen Aerosols mit Hilfe faserbasierter Filter ist eine weit verbreitete Methode. Die der Reinigung zugrunde liegenden Vorgänge sind hochkomplex und in einfachen Modellen mathematisch nicht zu beschreiben. Die numerische Berechnung faserbasierter Filter in ihrer Gesamtheit stellt heutzutage immer noch eine sehr große Hürde dar. Bekannte Ansätze beschränken sich meist auf die ausschnittsweise Beschreibung der Vorgänge in kleinen Teilen des Filters oder betrachten nur einzelne Fasern des Filters. Die ganzheitliche Berechnung der Vorgänge in einem Partikelfilter muss stets unter Berücksichtigung aller, die Abscheidung von Partikeln betreffender Größenskalen erfolgen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der methodischen Entwicklung eines Berechnungsansatzes für die numerische Berechnung der zeitabhängigen Filtration eines Gesamtfilters in einer 3D Simulation. Berücksichtigt werden dabei insbesondere die in verschiedenen Größenskalen ablaufenden Vorgänge der Filtration. Dazu zählen vor allem das Abscheiden von Partikeln an einzelnen Fasern, die Durchströmung des Vlieses, das Durchströmen des Gesamtfilters sowie die zeitabhängige Beladung des Filters. Den Beginn der Arbeit stellt die Entwicklung eines Programms zur Bestimmung der Einzelfasereffektivität durch die Berechnung der Partikeltrajektorien um die Faser für verschiedene Partikeldurchmesser und Anströmgeschwindigkeiten dar. Berücksichtigung in dieser Berechnung finden Abscheidemechanismen wie die Diffusion, die Interzeption und die Impaktion. Das Ergebnis der Berechnungen ist eine Datenbank, die die Einzelfasereffektivität für das Intervall von Partikelgrößen und Anströmgeschindigkeiten über einen gegebenen Faserdurchmesser wiedergibt. Aufbauend auf diesem Ergebnis wird ein 3D CFD Simulationsmodell des Partikelfilters erstellt und zunächst für den stationären Fall das Strömungsfeld und die Abscheideeffektivität berechnet. Strömungsfeld und Abscheideffektivität werden anhand geeigneter, experimenteller Untersuchungen plausibilisiert. Mit der Kenntnis der stationären Ergebnisse wird die zeitabhängige Beladung des Modells berechnet. Abschließend wird gezeigt, das die erarbeitete Methodik für beliebige, faserbasierte Filter anwendbar ist.

Cleaning of particle loaded aerosols with the help of fiber based filters is a widespreaded technique. The processes underlying the cleaning are highly complex and not mathematically describable with simple calculation models. Today the numeric calculation of a hole filter is still a big hurdle. Known approaches mostly are restricted to a despription of processes in the filter in small sections of the filter or consider only single fibers. An entirely simulation of the processes taking place in the inner structures of the filter has to consider all size scales affecting the seperation of particles. The focus of this thesis is the development of a methodically approach for the numerical calculation of the time-dependent filtration of an entire filter in 3D CFD. Special consideration is taken to the different size scales in which the filteration takes place. There is for example the deposition of single particles on single fibers, the flow through the filtration fleece or the time-dependent loading of the filter. The development of the calculation approach beginns with the development of a programm that calculates the single-fiber effciency by calculating the flow of particles around a single-fiber for different inflow velocities and different particle sizes. In this programm the filtration mechanisms diffusion, interception and impaktion are considered. The result of the calculation is a database consisting of the single-fiber effciency for an intervall of particle sizes and inflow velocities for a given fiber diameter. Up on this result a CFD model of the particulate filter is build and the flow field and the seperation effciency is calculated for stationary case. Flow field and seperation effciency are made plausible by suitable, experimental investigations. With the results of the stationary calculations the time-dependent loading of the model is calculated. Finally it is shown that the developed method is adaptable for random fiber based filters.

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Niedermeyer, Lars: Filtrationskinetik offener Partikelfilter. Ilmenau 2019.

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