Die Vorteile und Nachteile der Vorbeschichtung von plissierten Filterpatronen

Von Mark Belcher, Filtrationsingenieur bei Donaldson Torit

Bei der Filtervorbeschichtung wird absichtlich eine poröse Partikelschicht auf ein Filtermedium in einer Entstaubungsanlage geladen, um einige Leistungsaspekte zu verbessern. Aus den nachstehend erläuterten Gründen wird die Vorbeschichtung manchmal als vorteilhaft für plissierte Patronenfilter angesehen, aber es kann sein, dass sie für viele Anwendungen nicht die beste Wahl sind.

Es gibt zwei grundlegende Gründe, warum eine Vorbeschichtung für neue saubere Filtermedien in Betracht gezogen wird. Bevor Sie sich mit der möglichen Verwendung von Vorbeschichtungen befassen, sollten Sie die Unterschiede und Auswirkungen verstehen, inklusive wie eine einzige Anwendung der Vorbeschichtung nur eine vorübergehende Lösung sein kann.

Vorbeschichtung für eine höhere anfängliche Effizienz

Die Vorbeschichtung wird oftmals als Methode zum Erhöhen der anfänglichen Effizienz von Filtermedien mit einer geringeren Leistung eingesetzt. Neue, ungenutzte Zellulose- oder Zellulose-Synthesemischung-Filtermedien bieten oft Anfangseffizienzen von nur 30 % bei Submikronpartikeln (basierend auf ASHRAE 52.2 Tests). Die Leistungsfähigkeit der Filtrationseffizienz verbessert sich allmählich, wenn sich Staub auf dem Medium ablagert (wenn es belastet ist), aber diese verbesserte Leistungsfähigkeit kann durch die Verwendung einer Vorbeschichtung beschleunigt werden. Da die Vorbeschichtung eine Partikelschicht auf der Oberfläche des Filtermediums bildet, fungiert sie als Vorfilter, um Submikron- und andere Partikel aus dem Luftstrom aufzunehmen, bevor sie in das Filtermedium eindringen können, sodass sich die Gesamtfiltereffizienz verbessert.

Vorbeschichtungslieferanten schlagen oft Mengen von Vorbeschichtungsmaterialanwendung vor – von nur 0,5 lb (227 g) Vorbeschichtung pro Patronenfilter bis zu 2,5 lbs (1.134 g) Vorbeschichtung pro Filter. Es ist zu erwähnen, dass die Vorbeschichtung eines Filters die anfängliche Effizienz zwar erhöhen kann, gleichzeitig aber der aufzunehmende Luftstrom im Filter zunehmend begrenzt wird. Abhängig von der Art und Menge der Vorbeschichtung kann diese Begrenzung sich erheblich auswirken und der erhöhte Druckverlust erfordert mehr Energie, um Luft zu bewegen. Zusätzlich sind mit der Anwendung der Vorbeschichtung sowie der Entsorgung des sekundären Abfallstroms Kosten verbunden.

Das Vorbeschichten von Filtermedien für eine verbesserte Filtrationseffizienz ist nur eine vorübergehende Lösung. Patronen-Entstaubungsanlagen verlängern typischerweise die Filterlebensdauer durch die Verwendung von Druckluftreinigungsimpulsen, um periodisch angesammelten „Staubkuchen“ von der Oberfläche des Filtermediums zu entfernen. Wenn Patronen durch Impulse gereinigt werden, werden große Mengen von gesammelten Partikeln und Vorbeschichtungsmaterialien sowohl gelöst als auch von der Medienoberfläche entfernt. Die Medien, die einmal mit einer Vorbeschichtung bedeckt waren, verhalten sich jetzt eher wie unbehandelte Filtermedien. Die Effizienz wird dementsprechend eingestellt, da das Filtermedium feinen Partikeln ausgesetzt ist, die in die Medien eindringen und diese durchströmen können.

Vorbeschichtung für eine längere Lebensdauer

Das Ende der Lebensdauer für Filtermedien ist erreicht, wenn entweder der Druckverlust über das Filtermedium so hoch wird, dass der Luftstrom wesentlich eingeschränkt ist, oder wenn die benötigte Energie zum Betrieb des Lüfters gegen den erhöhten Widerstand so groß wird, dass es nicht mehr praktikabel ist, den Ventilator weiter mit verstopften Filtern zu betreiben. Die allgemeine Logik hinter der Behauptung einer verlängerten Filterlebensdauer durch Vorbeschichtung ist, dass die Vorbeschichtung die Menge an kleinen Partikeln minimiert, die in die Tiefe des Filtermediums eindringen (was die Verstopfungsrate für die Medien minimiert). Dies ist vermutlich eine vernünftige Annahme unmittelbar nach dem Auftragen des Vorbeschichtungsmaterials, da das Vorbeschichtungsmaterial als Barriere für kleinere Partikel wirkt, die in das eigentliche Medium eintreten. Wie zuvor diskutiert, unterbricht jedoch jede Pulsabreinigung des Filtermediums diese Barriere, und da die Vorbeschichtung mit jeder Pulsreinigung entfernt wird, werden auch deren Vorteile beseitigt. Nachdem die Vorbeschichtung während der Impulsreinigung unterbrochen und entfernt wurde, beginnen die Filterelemente sich wie unbehandelte Filter zu beladen, und der Betriebsdruckverlust steigt entsprechend, wenn das Medium beginnt, zu verstopfen, siehe Abbildung 1.

Hochwertige Filtermedien können die verbesserten Filtrationseigenschaften bieten, die durch die Vorbeschichtung versprochen werden, ohne den möglichen Verlust an Filtrationsleistung, der beim Verlust der Vorbeschichtungsmaterialien während der Impulsreinigung auftritt. Diese Möglichkeit für eine verbesserte Leistung wird unten erläutert.

Eine bessere Lösung

Um die Nachteile der Vorbeschichtung zu vermeiden, könnten die Benutzer stattdessen hochwertige Filter verwenden. Hochwertige Filter bieten in der Regel eine permanente Oberflächenbehandlung, die Partikel auf der Oberfläche des Mediums sammelt und das Substrat vor Staubbelastung schützt. Die häufigsten Arten von Oberflächenbehandlungen umfassen direkt aufgebrachte Nanofasern, Meltblown-Laminierungen oder PTFE-Schichten. Sogenannte "Meltblown"-beschichtete Premium-Filter bieten eine hohe Effizienz, führen jedoch keine effektive Pulsreinigung durch, da Partikel unter einem Mikrometer oft in der Tiefe der Meltblown-Schicht eingefangen werden. Dies führt zu einer kürzeren gesamten Filterlebensdauer. PTFE-beschichtete Filter sind in der Regel ebenfalls effizient und führen in den meisten Fällen eine effektive Pulsreinigung durch, arbeiten jedoch typischerweise bei einem höheren Widerstand oder Druckverlust (und verbrauchen mehr Energie). Typischerweise sind sie auch deutlich teurer als andere hochwertige Filter. Filter mit einer direkt aufgebrachten Nanofaser-Oberflächenschicht bieten hervorragende Effizienz und effektive Pulsreinigung. Des Weiteren arbeiten sie bei relativ geringen Druckverlusten und sind im Allgemeinen sehr kostengünstig, siehe Abbildung 2.

Nanofaserfilter der Premium-Qualität stellen in den meisten Fällen die beste Option dar. Medien für Premium-Filter mit Nanofasern bestehen aus einem Substrat (oft ähnlich wie generische Cellulose-Patronenmedien) mit einer permanenten Oberflächenschicht aus feinen Fasern. Diese Schicht ist oft weniger als einen Mikrometer dick, sodass eine Verstopfung oder Tiefenbelastung in dieser Schicht kein Problem darstellt. Die hochwertigen feinen Fasern auf Nanofaser-Patronen von hoher Qualität sind Nanofasern, die gewöhnlich einen Durchmesser von 0,3 Mikrometern oder weniger haben, und sie bilden eine permanente Matrix aus kleinen Poren auf der Oberfläche der Filtermedien. Da die Fasern in der Oberflächenschicht so klein sind, erhöhen sie die Luftbeständigkeit nicht merklich, sodass der anfängliche Druckverlust geringer bleibt.

Wenn ein Benutzer eine höhere anfängliche Effizienz wünscht, sind Nanofaserfilter eine ausgezeichnete Option. Die Effizienz einer sauberen und neuen Nanofaserpatrone ist viel höher als bei einer gewöhnlichen Patrone. Typische Nanofaserpatronen sind bei Partikeln unter einem Mikrometer mindestens zu 65 % effizient, während ein gewöhnlicher Filter Schwierigkeiten hat, eine anfängliche Effizienz von 30 % zu erreichen, und die Betriebseffizienz des Nanofaserfilters steigt sehr schnell an. ASHRAE 52.2-Tests zeigen, dass, nachdem eine Unze (oder 28,35 Gramm) Partikel einer Nanofaserpatrone zugeführt wurde, deren Effizienz unter einem Mikrometer leicht 90 % überschreiten kann.

Benutzer, die eine längere Lebensdauer der Filterpatrone wünschen, profitieren von der Verwendung von hochwertigen Nanofaserfiltern. Im Betrieb sammelt sich Staub auf der Oberfläche der Nanofasermedien an. Wenn das Medium durch Impulse gereinigt wird, wird der größte Teil des Staubkuchens vom Medium gelöst und aus dem Filter entfernt. Die Nanofaserschicht bleibt jedoch intakt und schützt das Substrat weiterhin vor Tiefenbelastung und Verstopfung. Da die Tiefenbelastung nicht mehr signifikant ist, reinigen die Nanofaserpatronen kontinuierlich auf einen niedrigeren Betriebsdruckverlust als alle anderen Medienoptionen und führen zu einer deutlich längeren Lebensdauer, siehe Abbildung 3.

Schließlich führt die verbesserte Impulsreinigungsleistung von hochwertigen Nanofasermedien zu einem weniger häufigen Reinigungsbedarf und einem geringeren mittleren Widerstand gegen die Luftströmung (Druckverlust) über die Filter, da das Substrat nicht die mit einem gewöhnlichen Medienfilter verbundene Tiefenbelastung erleidet. Der niedrigere Impulsreinigungsbedarf spart Druckluft, und da hochwertige Nanofaserfilter bei einem niedrigeren durchschnittlichen Druckverlust im Betrieb arbeiten, sparen die hochwertigen Nanofasermedienpatronen während des Lüfterbetriebs Leistung. Die Kombination aus PS- und Druckluft-Einsparungen kann im Laufe der Nutzungsdauer zu erheblichen Energieeinsparungen führen.

Die verlängerte Lebensdauer, die verbesserte Effizienz und die Energieeinsparungen, die von hochwertigen Nanofaserpatronen geboten werden, führen dazu, dass sie im Allgemeinen eine kostengünstigere Lösung als das Vorbeschichten sind.