Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den Merkmalen neuartiger Nadelfilzkonstruktionen und ihren Filtereigenschaften bei der Entstaubung PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEl'\ Nr. 2970 / Fachgruppe Textilforschung Herausgegeben vom Minister für Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -Ing. Joachim Lünenschloß Dr. -Ing. Vijaya P. Gupta Kurt Berns Institut für Textiltechnik der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den Merkmalen neuartiger Nadelfilzkonstruktionen und ihren Filtereigenschaften bei der Entstaubung Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1980 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Lünenschloss, Joachim: Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den Merkmalen neuartiger Nadelfilzkonstruktionen und ihren Filtereigenschaften bei der Entstau bung / Joachim Lünenschloss ; Vijaya P. Gupta Kurt Berns. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980. (Forschungsberichte des Landes NordrhAin Westfalen ; Nr. 2970 : Fachgruppe Textil forschung) ISBN 978-3-531-02970-2 NE: Gupta, Vijaya P.:; Berns, Kurt: © 1980 by Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1980 Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN 978-3-531-02970-2 ISBN 978-3-663-19789-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-19789-8 - 1 - Inhalt Verwendete Abkürzungen und Symbole .......•••• 3 2. Einleitung 5 3. Aufgabenstellung • . • • . . • . . . . . . . • • • . • • • . • . . . . • • 9 4. Versuchsdurchführung . . • . • • . . • • • • . . • • . . . . . • . . • 1 0 4.1 Versuchsplanung . • • . • . . • • • • • • • • . . . . . . . . . . . . .• • • 10 4.2 Versuchsmaschinen . . • . . . . . . . • . . . . . . . • . • . • . . . . . 11 4.3 Nadelwerkzeug . . . . . . • . • . . • • . • . . . . . • . . • . . . . . • . . 12 4.4 Träger- und Fasermaterial •...•.••...••..•.... 13 4.5 Labor-Schlauchfilterprüfanlage •.•..••...•.... 14 4.6 Ermittelte Zielgrößen .....••................. 15 4. 6. 1 Flächengewicht mA (nach DIN 53854) ........... 15 4.6.2 Dicke a (nach DIN 53855) ..•..•....•.......... 15 4.6.3 Rohdichte PR (nach DIN 53855) • . . . . . . . . . . . . • . . 15 4.6.4 Luftdurchlässigkeit Ld (nach DIN 53887) ...•.. 15 4.6.5 Höchstzugkraft FH und Höchstzugkraft-Dehnung EH (nach DIN 53815 und 53857) ..•..••......... 15 4.6.6 Feinheitsbezogene Höchstzugkraft RH (nach DIN 53857) ........•.•.•................ 16 4.6.7 Reingasstaubgehal t CR . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.6.8 Entstaubungsgrad (Abscheidegrad) . . . . • • . . . . . . . 16 5. Versuchsergebnisse . . • . . . • . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 5. 1 Einfluß der Nadeleinstichgeometrie .••.••..... 16 5. 1. 1 Flächengewicht . . . . . . . . . . . . . • . . . • . . . . . • . . . . . . . 1 7 5.1.2 Dicke ••.•............•.••..•................. 18 5. 1. 3 Rohdichte . • . . . . • . . • • • . • . . • . . . . . • • . . . • . . . • . . . . 18 5. 1 • 4 Luftdurchlässigkeit ....••..•...•............. 19 5.1.5 Filtereigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . 20 5.1.5.1 Reingasstaubgehal t . . . . . . • . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 - 2 - 5.1.5.2 Mikroskopische bzw. rasterelektronenmikro skopische Aufnahmen zur Beurteilung des Abscheideverhaltens •.•••••••.••••••••••••••• 22 5.1.5.2.1 Mikroskopische Aufnahmen ••••.••••••••••••••• 22 5.1.5.2.2 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen •••• 23 5.2 Einfluß der Einstichdichte,des Nadelwerk- zeuges und der Faserfeinheit ••••••••••••.••• 23 5.2.1 Einfluß der Einstichdichte •••••••••••••••••• 23 5.2.2 Einfluß des Nadelwerkzeuges ••••••••••••••••• 24 5.2.3 Einfluß der Faserfeinheit ••••••••••••••••••• 26 5.3 Anwendung eines Korngrößenanalysators ••••••• 30 5.4 Fasertransportvermögen in Abhängigkeit von der Nadelkonstruktion ••••••••••••••••••••••• 33 5. 4.1 Labor-Vernadelungsmaschine •••••••••••.•••••• 33 5.4.1.1 Indirekte Methode • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 34 5.4.1.2 Direkte Methode • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 34 5.4.2 Versuchsergebnisse ••••••••••••••••••••.••••• 35 5.4.3 Optische Analyse des Fasertransportes ...••.. 36 5.4.4 Diskussion der gewonnenen Erkenntnisse •••••• 36 5.4.5 Abhängigkeit der Trägerbeschädigung von der Ausrüstung • • . • • • . . • . . • • . • . • • • • • • • • • • • • • • 38 6. Zusammenfassung • . . . . • . . • . . . • • • . • • • • • • • • . • • • . 39 7. Danksagung . • • . • • • • • • . • . • • . . • . . • • • • • . . • • . • • . • 4 1 8. Literaturverzeichnis .••••••••••••••.•••••••• 42 9. Abbildungen • • . • • • • . • • • • • • • • . • • . • • . • . • • • • • • • • 46 - 3 - 1. Verwendete Abkürzungen und Symbole Einflußgrößen Ew 0] Einstichwinkel Ed E/cm2 Einstichdichte Et mm] Einstichtiefe (Abstand der Nadel spitze zur Oberkante der Lochplatte) eins. einseitige Vernadelunq bds. beidseitige Vernadelunq glz. gleichzeitige Vernadelunq alt. alternierende Vernadelunq Pass. Passage RB Regular-Barb CB Close-Barb Wh Widerhaken 1B/E Widerhaken pro Kante 2B/E 2 Widerhaken pro Kante 3B/E 3 Widerhaken pro Kante 3B/1E 3 Widerhaken an einer Kante 3B/2E 3 Widerhaken an zwei Kanten Zielgrößen mA g/m2 Flächengewicht a [ mm ] Dicke PR g/cm3 Rohdichte Ld [ l/(dm2 • min) ] Luftdurchlässigkeit, Meßfläche = 20 cm2, Unterdruck = 2 mbar q2 Ld • mA • PR [ Kennwert für Luftdurchlässigkeit min cm4 daN Höchstzugkraft - 4 - RH cN/tex 1 feinheitsbezogene Höchstzugkraft eR mg/m3 Reingasstaubgehalt -5 eR mA m Kennwert für Reingasstaubgehalt " Abscheidegrad ms Staubzugabe - 5 - 2. Einleitung Die atmosphärische Luft enthält neben Nebel und Rauch auch dispers verteilte Feststoffe (Stäube) verschiedener Größen. Feine Staubpartikeln weisen relativ zu ihrer geringen Masse eine große Oberfläche auf, was zu einem hohen Luftwiderstand und somit zu einer geringen Sinkgeschwindigkeit fUhrt. Außer dem verhindern die atmosphärischen Turbulenzen, daß sich sol che Feinstäube aufgrund der Schwerkraft absetzen können. Durch den Regen wird zwar der Luftstaubgehalt verringert, aber durch natUrliehe Ereignisse, wie Brand, Vulkane, Wind- und Rauchent wicklung wird jedoch immer wieder Staub hochgewirbelt [1,2]. Der zusätzlichen Umweltbelastung durch industrielle Abgase wird deshalb eine große Bedeutung zugemessen, zumal sie nicht nur harmlose, sondern auch schädliche bis hochgiftige Partikeln enthalten können. Das Abscheidevermögen des menschlichen Nasen Rachenraumes ist für feinere Teilchen - unterhalb 25 prn aerodynamischer Durchmesser (a.D) - sehr gering. Derartige Feinstäube gelangen beim Einatmen in die Lungen (Tracheo Bronchialba~und Partikeln kleiner als 10 prn sogar in den Alveolarbereich und lagern sich dort ab [3]. Die durch Einat men verursachten Schäden hängen von der Schadstoffwirkung, der Konzentration und der Expositionszeit ab. Die Entstaubung der zu- und Abluft, d.h. Entfernung von Fest stoffen aus Aerodispersionen, ist mit hohen Kosten verbunden. Die zunehmend strengeren Auflagen seitens des Gesetzgebers zwingen alle Industriezweige, Entstaubungsanlagen zu entwickeln bzw. zu betreiben, die bei hohem Wirkungsgrad geringe Kosten verursachen. In der Entstaubungstechnik wird· im wesentlichen zwischen fil ternden und elektrischen Abscheidern sowie zwischen mechani schen und naßarbeitenden Entstaubern unterschieden. Bei der Abreinigung industrieller Abgase finden fiberwiegend textile Filtermedien und Elektrofilter Verwendung. Während die An schaffungskosten einer mit Filtermedien arbeitenden Anlage geringer sind, verursachen diese Verfahren jedoch höhere Be triebskosten. Hinzu kommt, daß diese Anlagen fUr die Entstau- - 6 - bung aggressiver und heißer Abgase nur bedingt geeignet sind. Der Wirkungsgrad der elektrostatischen Entstauber im Vergleich zu Filtermedien ist kleiner und hängt auch von dem elektri schen Widerstand der Staubpartikeln ab, indem sie eine isolie rende Schicht auf den Elektroden ausbilden können. Eine Kombi nation beider Entstaubungssysteme könnte theoretisch die besten Filtereigenschaften bewirken [1 ]. Innerhalb der Entstaubungstechnik kommt dem filternden Medium eine besondere Bedeutung zu. Der Anwendung von Geweben als Filtermedium für die Trockenfil tration von Stäuben sind aufgrund ihrer Konstruktion Grenzen gesetzt. Kennzeichnend für die Gewebestruktur sind einerseits festgepackte und gerichtete Faserstränge, d.h. durch Drehung verfestigte Fasern in Form von Kett- und Schußgarnen, anderer seits oft nur unvollkommen überdeckte Öffnungen zwischen den Kreuzungspunkten der Garne. Durch sehr dichte Einstellungen und Aufrauben der Gewebe werden zwar Abhilfen geschaffen, diese Maßnahmen sind jedoch mit großem Druckverlust beim Filterprozeß verbunden. Filze und Vliesstoffe stellen eine andere wichtige Gruppe von Filtermedien dar, deren Struktur nicht durch sich verkreuzende Fäden sondern durch die Anordnung der Einzelfasern gekennzeich 1 net ist. Diese quasi Wirrfasergebilde sind in der Lage, die Trägerphase in Einzelströme aufzulösen und somit günstigere Voraussetzungen für das Anstoßen und Abscheiden von Partikeln an Fasern zu schaffen. Die filtertechnische Uberlegenheit von Filzen und Vliesstoffen beruht daher zunächst auf einem schnel len Staubbrückenaufbau, der - begünstigt durch die dreidimen sional angeordneten Wirrfasern - den Staubdurchgang sehr schnell auf extrem niedrige Werte absinken läßt [4 ]. Die Wollfilze wurden aufgrund höherer Preise, ungenügender Festigkeit, höherer Dehnung und schlechterer chemischer Resi. stenz trotz hervorragender F'iltereigenschaften durch Nadel vliesstoffe aus Synthesefasern weitgehend substituiert. Me chanisch verfestigte Nadelvliesstoffe (auch Nadelfilze genannt) bieten aufgrund ihrer dreidimensionalen, feinporigen Struktur, verbunden mit größtem Porenvolumen, optimale Voraussetzungen - 7 - für ein gutes Abscheideverrnögen. Die Faserabstände in diesem kornplizierten Gebilde sind normalerweise sehr groß im Vergleich zu den Faserdurchmessern und den abzuscheidenden Staubteilchen. Die Fasern nehmen weniger als ein Zehntel des Filtermediumvolu mens ein. Nach Meinung vieler Fachleute kommt deshalb nicht der Siebeffekt wie bei Gewebefiltern, sondern vielmehr der Träg heits-, Sperr- und vor allem der Diffusionseffekt zur Wirkung [5-8]. Die Abscheidung geschieht nicht nur auf der Oberfläche des Nadelvliesstoffes, sondern auch in seinem porösen Innern infolge der Penetration der Feinstaubpartikeln. Während man bei Geweben in der Regel mit einer Filterflächen belastungzwischen 0,8- 1,2 rn3/(rn2 · rnin) arbeitet, eignen sich Vliesstoffilter für Belastungen über 3,0 rn3/(rn2 · rnin). Dies erlaubt eine Verkleinerung der Filterfläche, spart somit Raum und Energie und vergrößert die Wirtschaftlichkeit der An lage. In der Praxis werden verstärkte Nadelvliesstoffe für Filterzwecke in Gewichtsklassen zwischen 300 und 700 g/rn2 ein gesetzt. Je nach Qualität können Reingasstaubgehaltswerte unter 5 rng/Nrn3 auch bei Körnchengrößen von kleiner als 1 prn erreicht werden. Bei Nadelvliesstoffen, die im technischen Sektor Verwendung fin den, werden zur Erzielung höherer Festigkeit und Dimensionssta bilität Gewebe als Trägermaterial eingesetzt. Sie besitzen hohe Festigkeit und geringe Dehnung und beeinflussen das K-D-Verhal ten der Nadelvliesstoffe maßgeblich [9]. Durch die Vernadelung eines Faservlieses ändern sich sowohl seine dynamometrischen als auch geometrisch-physikalischen Eigenschaften. Kombinatio nen dieser Eigenschaften basieren einerseits auf Erfahrungen des Herstellers und richten sich andererseits nach den Erforder nissen der Filterprüfanlagen. Die Stauhabscheidung im trockenen Bereich ist neben der Struk tur des Filtermediums jedoch von einer Reihe anderer Faktoren abhängig. Dazu zählen z.B. Faserstoffe, Konfektionsart (Schlauch, Tasche oder Flächenbespannung), Ausrüstung, Konstruk tion der Filteranlage, Abreinigungsart (Rütteln oder Rückspü len), Abreinigungsfrequenz, Filterflächenbelastung, Betriebs temperatur, Feuchtigkeitsgehalt des Trägergases, Härte, Abra-
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