Schlauchfilter zur Staubabscheidung: Auslegung, Materialien, Filtergrößenberechnung

Schlauchfilter sind die älteste und am weitesten verbreitete Filtertechnologie zur Abscheidung von Stäuben aus Gasströmen, typischerweise Luft. Obwohl es sich um eine alte Technologie handelt, können modern ausgelegte Schlauchfilteranlagen mit modernen Filtermedien hohe Entstaubungsleistungen erzielen. Diese Seite hilft Ihnen zu verstehen, wie Schlauchfilter hergestellt werden und wie man eine Schlauchfilteranlage dimensioniert.

1. Schlauchfilter: Auslegung

Was ist ein Schlauchfilter?

Schlauchfilter bestehen aus weichen, flexiblen Filtermedien, die auf einem Käfig (meist aus Metall wie Edelstahl) montiert sind, der ihnen mechanische Stabilität verleiht. Filterschläuche sind entweder zylindrisch oder rechteckig und in einer Schlauchfilteranlage angeordnet, die eine einfache Positionierung mit dem erforderlichen Abstand zwischen den Schläuchen für eine optimale Filtration ermöglicht.

Was ist der Unterschied zwischen Schlauchfiltern und Patronenfiltern?

Schlauchfilter haben im Vergleich zu Patronenfilternfolgende Vor- und Nachteile:

Vorteile von Schlauchfiltern gegenüber Patronenfiltern

• Geringere Stückkosten
• Kein Risiko von Verstopfungen zwischen den Falten, wie es bei Patronen der Fall ist.
• Können höhere Filtergeschwindigkeiten handhaben

Nachteile von Schlauchfiltern gegenüber Patronenfiltern

• Geringere Filterfläche bei gleichem Volumen
• Schwieriger zu montieren, Wartung dauert länger
• Für die meisten gängigen Materialien geringere Filtereffizienz

Es ist entscheidend, dass der Schlauch fest mit seinem Tragkäfig und der Tragkäfig mit der Tragplatte verbunden ist. Dies stellt sicher, dass kein Schlauchfilter verrutscht oder herunterfällt, was sonst zu einem Staubaustritt führen würde und auch potenzielle Fremdkörper im Produkt verursachen könnte. Der Kontakt zwischen dem Schlauchfilter und der Tragplatte ist ebenfalls entscheidend, um die elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten und damit die Risiken einer Staubexplosion zu minimieren, die durch elektrostatische Aufladung des Schlauchfilters und plötzliche Funkenbildung bei ausreichend hoher Spannung ausgelöst werden könnte.

2. Schlauchfilter-Materialien

Wie viele Arten von Schlauchfiltern gibt es?

Es gibt zwei Haupttechnologien für die Herstellung von Schlauchfiltern:

• Gewebte Filtermedien
• Vliesstoff-Filtermedien (Nadelfilze)

Gewebte Filtermedien sind die älteste Bauart und heute weniger verbreitet. Sie werden hauptsächlich in Schlauchfilteranlagen verwendet, die Reverse-Air- oder Rüttelreinigung als Reinigungsmechanismen nutzen. Die in gewebten Medien verwendeten Materialien sind typischerweise Glasfaser oder Polyester. Gewebte Medien haben in der Regel eine geringere Effizienz als Nadelfilzmedien aufgrund ihrer geordneten, gewebten Struktur.

Vliesstoff-Filtermedien (Nadelfilze) sind nicht gewebt und bestehen aus kurzen Fasern, die durch Vernadelung ein komplexes Fasernetzwerk bilden. Vliesstoffe werden manchmal durch eine gewebte Schicht, das sogenannte "Scrim", verstärkt. Nadelfilz-Schlauchfilter bestehen in der Regel aus einem der folgenden Materialien: Polyester-Vlies (am häufigsten), Aramid-Vlies (höhere Temperaturbeständigkeit als Polyester), PTFE-Vlies (überlegene chemische und Temperaturbeständigkeit). Vliesfilter sind die effizientesten Medien für den Einsatz in Impulsstrahl-Reinigungs-Schlauchfilteranlagen.

Eine Reihe von Verbesserungen der Filtermedien kann durch spezielle Behandlungen oder den Einsatz von Fasermischungen erreicht werden. Die häufigsten Verbesserungen für Schlauchfiltermedien sind unten aufgeführt. Sie betreffen hauptsächlich Vliesfiltermedien:

• Ohne Behandlung: Nadelfilzfilter sind anfällig für das Eindringen von Staub in das Filtermedium. Feinstaub dringt zunächst in den Filter ein, bleibt zwischen den Fasern hängen, und sobald diese erste Phase abgeschlossen ist, beginnt sich der Staub als Schicht auf der Filteroberfläche anzusammeln und bildet den sogenannten Filterkuchen. Der Filterkuchen wirkt tatsächlich selbst als Filter und verbessert so die Filtereffizienz. Allerdings setzt sich das Staubeindringen mit der Zeit fort und führt zu einem Anstieg des Druckverlusts des Filters, was schließlich zu dessen Verstopfung führt. Diese Filter sind eine gute Wahl, wenn der Staub nicht zu fein ist und der Luftstrom nicht zu hoch.
• Beschichtung: Zur Beschichtung eines Filters wird Acryl oder PTFE auf die Filteroberfläche gesprüht. Die Beschichtung ist nicht durchgehend und verhindert daher nicht das tiefe Eindringen von Staub in das Filtermedium. Besonders bei großen Partikeln erleichtert sie jedoch die Ablösung des Filterkuchens und ermöglicht so eine bessere Reinigbarkeit.
• Membran: Eine PTFE-Membran wird auf die Oberfläche eines Polyester-Nadelfilzmediums aufgebracht. Die Membran bildet eine durchgehende, sehr feine Schicht, die selbst kleine Partikel daran hindert, in die Polyestermatrix einzudringen. Dies ermöglicht eine bessere Filtration, einen geringeren Druckverlust und eine bessere Ablösung des Filterkuchens, was die Reinigung durch Impulsstrahl effizienter macht.

Spezielle Filtermedien bieten Lösungen für einige der häufigen Probleme, mit denen Industrieunternehmen konfrontiert sind. [Scoble] gibt einige Empfehlungen, welche Filter für spezifische Probleme gewählt werden sollten:

Schlechte Ablösung des Filterkuchens (Verstopfung des Filters durch eine dicke Materialschicht)	Glänzende Vliesfilter (glazed felt filters) Verwendung einer PTFE-Membran
Staubaustritt	Verwendung von Vliesfiltern aus ultrafeinen Fasern (Mikrodenier) Verwendung einer speziellen Fasermischung Verwendung einer PTFE-Membran
Filterverschleiß	Verwendung von beschichteten Filtern mit einer Silikonlösung
Filtration von faserigen Stäuben	Glänzende Vliesfilter (glazed felt filters) Verwendung einer PTFE-Membran

3. Schlauchfilter: Berechnung der erforderlichen Filterfläche, Filterdimensionierung

Dimensionierung von Schlauchfiltern: Wie dimensioniert man ein Schlauchfiltersystem?

Bei der Auslegung eines Staubabscheiders mit Schlauchfiltern müssen folgende Dimensionierungskriterien berücksichtigt werden: Luft-zu-Medien-Verhältnis (Filtergeschwindigkeit), Zwischenraumgeschwindigkeit (Interstitial Velocity) und Eintrittsgeschwindigkeit (Can Velocity).

3.1 Luft-zu-Medien-Verhältnis für Filterpatronen

Das Luft-zu-Medien-Verhältnis entspricht tatsächlich der Filtergeschwindigkeitsberechnung, die durch Division des volumetrischen Luftstroms am Einlass des Staubabscheiders durch die gesamte installierte Filterfläche ermittelt wird.

Luft_zu_Medien_Verhaeltnis = Q_Luft/S_{filter_wirksam}

mit:

Q_Luft = gesamter Luftvolumenstrom am Einlass des Filtergehäuses (m³/s)
S_{filter_wirksam} = tatsächlich verfügbare Filteroberfläche (m²)

In den USA wird dieselbe Berechnung durchgeführt, jedoch mit cfm (Kubikfuß pro Minute) und ft² (Quadratfuß)² was ein Luft-zu-Medien-Verhältnis in ft/min ergibt. Es ist wichtig zu wissen, in welchen Einheiten das Verhältnis angegeben ist, da die Werte sonst nicht vergleichbar sind.

Für Schlauchfilter erwähnt die Literatur Filtergeschwindigkeiten von bis zu 0,06–0,07 m/s, aber präzisere Werte können den Herstellerangaben entnommen werden.

Beispiel: Ein Patronenhersteller gibt folgende Daten an

Der Hersteller gibt eine Permeabilität von 65 l/dm²·min an, was einer Filtergeschwindigkeit bzw. einem Luft-zu-Medien-Verhältnis von 0,108 m/s entspricht. Dieser Wert liegt leicht über dem zuvor genannten Referenzbereich.

Das Luft-zu-Medien-Verhältnis ist das gängigste Auslegungskriterium für Filter. Bei Pulse-Jet-Systemen, bei denen die Filterschläuche vertikal montiert sind und der staubbeladene Lufteinlass unter den Patronen liegt, darf jedoch die Luftgeschwindigkeit *unter* und *zwischen* den Filtern nicht vernachlässigt werden. Ist diese zu hoch, verhindert sie, dass der durch den Druckluftimpuls von den Filtern gelöste Staub nach unten fällt. Die aufwärts strömende Luft würde das Pulver sofort wieder mitreißen (Re-Entrainment) und die Reinigungswirkung des Pulse-Jet-Systems zunichtemachen.

3.2 Kammergeschwindigkeit (Can Velocity)

Die Kammergeschwindigkeit ist definiert als der volumetrische Luftstrom dividiert durch die Querschnittsfläche der Filterkammer.

Kammergeschwindigkeit = Q_Luft/S_kammer

Mit:

Q_Luft = gesamter Luftvolumenstrom am Einlass des Filtergehäuses (m^³/s)
S_kammer = Querschnittsfläche der Filterkammer (m^²)

3.3 Interstitielle Geschwindigkeit

Die interstitielle Geschwindigkeit bezeichnet die Strömungsgeschwindigkeit *zwischen* den Filtern. Sie wird berechnet, indem der volumetrische Luftstrom durch die Differenz aus der Querschnittsfläche der Kammer und der Summe der Querschnittsflächen *aller Filter* dividiert wird.

Interstitielle_Geschwindigkeit = Q_Luft/(S_kammer-S_{querschnitt_filter})

Mit:

Q_Luft = gesamter Luftvolumenstrom am Einlass des Filtergehäuses (m^³/s)
S_kammer = Querschnittsfläche der Filterkammer (m^²)
S_querschnitt_filter = Summe der Querschnittsflächen aller Filter

4. Filtergrößen-Excel-Rechner

Verschiedene filterrelevante Auslegungsparameter können mit diesem kostenlosen Excel-Rechner abgeschätzt werden: Berechnungstool – Filterdimensionierung (Excel-Rechner) (hier klicken)

Hinweis: Dieser Rechner dient nur der Veranschaulichung der auf dieser Seite beschriebenen Konzepte und ist *nicht* für detaillierte Auslegungen vorgesehen. Es handelt sich nicht um ein kommerzielles Produkt; für die Richtigkeit der Ergebnisse wird keine Gewähr übernommen. Für präzise Auslegungen konsultieren Sie bitte einen anerkannten Fachplaner.

Quelle

[Scoble] Spezialfiltermedien für anspruchsvolle Anwendungen, Scoble, PBE (Powder and Bulk Engineering)