Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT 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
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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
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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
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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
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RH cN/tex 1 feinheitsbezogene Höchstzugkraft
eR mg/m3 Reingasstaubgehalt
-5
eR mA m Kennwert für Reingasstaubgehalt
" Abscheidegrad
ms Staubzugabe
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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-
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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
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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-
