Transitional phenomena in oil mist filtration

Ölnebel, also gasgetragene Öltröpfchen, finden sich in einer Vielzahl von automobilen und industriellen Anwendungen wie zum Beispiel der Entlüftung von Kurbelwellengehäusen, zerspanenden Bearbeitungszentren oder der Druckluft-aufbereitung. Die Filtration von Ölnebel unterscheidet sich grundlegend von weit bekannteren Filtrationsarten wie beispielsweise der Staubfiltration oder der Fest-Flüssig-Trennung. Ölnebelfilter zählen daher zu einer Unterkategorie der Koaleszenzfilter, deren Wirkungsweise im Allgemeinen weit weniger von der Fachliteratur beleuchtet wird, als dies bei den populäreren Filtrationsarten der Fall ist. Im Wesentlichen unterscheiden sich Ölnebelfilter von den klassischen Filtrations-arten darin, dass abgeschiedene Öltröpfchen nicht am Ort der Abscheidung verbleiben, sondern miteinander koaleszieren, durch Luftströmung und Kapillar-kräfte im Filter verteilt werden und letztendlich den Filter als Drainage auf der Rückseite verlassen. Bei kontinuierlicher und konstanter Filtration wird das Einsetzen der Drainage auch als der Beginn des stationären Zustandes bezeichnet. Werden Filter darüberhinaus weiterbetrieben, bleiben Betriebs-parameter wie die Drainagerate, die Ölsättigung des Filters, der Druckverlust sowie die Effizienz konstant. Dementsprechend spielt der stationäre Zustand eine herausragende Rolle für die Bewertung des Betriebsverhaltens von Ölnebelfiltern. Ein bedeutender und richtungsweisender Beitrag zum besseren Verständnis der physikalischen Vorgänge in stationär betriebenen Ölnebelfiltern ist das Kanal-Film-Modell von Kampa (2014). Dieses Modell stellt auch den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit dar. Das Kanal-Film-Modell beschreibt die Auswirkung des abgeschiedenen Öls auf den Filterdruckverlust, $\Delta$p, im stationären Betriebszustand. Dieser setzt sich dabei aus einem Kanaldruckverlust, $\Delta$p$_{\text{channel}}$, und Filmdruckverlust, $\Delta$p$_{\text{jump}}$, zusammen. $\Delta$p$_{\text{channel}}$ hat seinen Ursprung im Filterinneren und lässt sich kanalartigen Ölstrukturen zuordnen, welche von der Luftströmung durch den Filter geleitet werden. $\Delta$p$_{\text{jump}}$ kommt dadurch zustande, dass die zu filternde Luft einen dünnen Ölfilm durch kleinste Poren im Filtermedium passieren muss. Der Ort der Filmbildung hängt von der Benetzbarkeit der verwendeten Medien mit Öl ab: bei Benetzbaren auf der Filterrückseite und bei Nicht-benetzbaren auf der Vorderseite. Die Erkenntnisse von Kampa zeigten erstmals die grundlegenden Mechanismen hinter den lange bekannten Beladungskurven von Ölnebelfiltern unterschiedlicher Benetzbarkeit auf. Darüberhinaus kann das Kanal-Film-Modell auch zur Vorhersage des stationären $\Delta$p verwendet werden. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, den universellen Anspruch des Kanal-Film-Modells zu untersuchen und seine Anwendbarkeit um wichtige Kenngrößen zu erweitern. Die Untersuchungen zielen dabei nicht nur auf mögliche Modellerweiterungen ab, sondern auch auf bisher im Verborgenen liegende Grenzen des Modells. Direkte und indirekte Hinweise auf solche Grenzen finden sich in der Literatur zumeist in Form von unbekannten Phänomenen beim Übergang eines Ölnebelfilters in den stationären Zustand und darüber hinaus. Die vorliegende Arbeit umfasst eine kritische Prüfung der einschlägigen Literatur, eine Eingrenzung des thematischen Rahmens sowie des gesteckten Ziels dieser Arbeit, fünf Hauptkapitel mit neuen Ergebnissen, ein zusammenfassendes Fazit sowie einen Ausblick. Vier der Hauptkapitel (Kapitel 6, 8, 9 und 10) sind unabhängig voneinander weil in ihrer Form bereits veröffentlicht. Kapitel 7 basiert teilweise auf einer Publikation, enthält aber auch unveröffentlichten Inhalt. Die Hauptkapitel widmen sich folgenden Untersuchungen: - Der Einfluss der Anströmgeschwindigkeit auf $\Delta$p$_{\text{channel}}$ und $\Delta$p$_{\text{jump}}$. - Die Ursache von $\Delta$p$_{\text{jump}}$ und sein Zusammenhang mit der Filmstruktur. - Eine Erweitung des Kanal-Film-Modells um die Effizienz. - Der Anstieg von $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus. - Die Genauigkeit von Porengrößenverteilungen in Ölnebel-Filtermedien. Die Untersuchungen sind überwiegend experimenteller Natur und beschränken sich auf weitverbreitete Glasfaserpapiere (benetzbar und nicht-benetzbar), welche zu mehrlagigen ebenen Filtern konfektioniert werden. Für die Generierung von sub-mikronem Ölnebel wird ein repräsentatives Öl für Schraubenkompressoren verwendet. Ölanlieferraten wurden zwischen 5 und 1100 mg/(m$^{\text{2}}$s) variiert; Anströmgeschwindigkeiten zwischen 5 und 70 cm/s. Die Bereiche dieser beiden prominenten Betriebsparameter decken nahezu alle Anwendungen der Ölnebelfiltration ab. Im ersten Hauptkapitel, Kapitel 6, wird anhand eines repräsentativen benetz-baren Filtermediums untersucht, inwiefern $\Delta$p$_{\text{jump}}$, $\Delta$p$_{\text{channel}}$ und die Sättigung im Kanalbereich von der Anströmgeschwindigkeit und der Ölanlieferrate abhängen. (Der Einfluss der Anströmgeschwindigkeit fand keine Berücksichtigung bei Kampa.) Im Rahmen der Messgenauigkeiten ist $\Delta$p$_{\text{jump}}$ unabhängig von diesen beiden Betriebsparametern. Der Einfluss von abgeschiedenem Öl auf $\Delta$p$_{\text{channel}}$ wird anhand des Exzess-$\Delta$p, $\Delta$p$_{\text{channel}}$-$\Delta$p$_{\text{0}}$, untersucht. Das Exzess-$\Delta$p nimmt mit der Ölanlieferrate zu, bleibt aber weitgehend konstant mit der Anströmgeschwindigkeit. Mit anderen Worten: Gleiche Ölmassenströme resultieren auch in einem gleichen Wert für den exzess Kanaldruckverlust und größere Ölmassenströme benötigen mehr exzess Kanaldruckverlust. Daher lässt sich das Exzess-$\Delta$p auch als die für den Öltransport benötigte Energie interpretieren. Ein konstantes Exzess-$\Delta$p bei gleicher Ölanlieferrate aber unterschiedlicher Anströmgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, dass bei höheren Anström-geschwindigkeiten sich die Sättigung im Kanalbereich reduziert. Aus Bildanalysen des Kanalbereichs geht hervor, dass sich die Sättigung dabei über den Kanaldurchmesser und nicht über die Anzahl der Kanäle anpasst. Diese Beobachtung lässt sich auf die Koaleszenzkaskade im vordersten Bereich der Ölnebelfilter zurückführen. Hier wird der Großteil der feinen Öltröpfchen abgeschieden und koalesziert in größere Tropfen, welche letztendlich in einen Ölkanal münden. Weder das Einzugsgebiet für einen Kanal noch die Koales-zenz von verschiedenen Kanälen untereinander scheinen dabei von den beiden untersuchten Betriebsparametern abzuhängen. In Kapitel 6 wird des Weiteren das Phänomen eines (sehr) langsamen Anstiegs von $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus vorgestellt. Dieses Phänomen des sogenannten Kriechens des Druckverlustes nimmt mit der Ölanlieferrate und der Anströmgeschwindigkeit zu und wird in Kapitel 9 detailliert behandelt. In Kapitel 10 wird aufgezeigt, dass $\Delta$p$_{\text{jump}}$ sich aus der Kapillarität von benetz-baren Filtermedien ergibt und nicht aus der Filmdicke, wie es die Veröffentlichungen von Chang et al. (2016, 2017) nahelegen. Eine gute Näherung für $\Delta$p$_{\text{jump}}$ ist der sogennante Bubble Point, der dem kapillaren Austrittsdruck der größten Poren im Filtermedium entspricht und sich mittels Kapillarflussporometrie bestimmen lässt. Experimente wurden mit 4 verschiedenen Medien mit größten Porenklassen zwischen 28 und 47 $\mu$m und Anströmgeschwindigkeiten zwischen 5 und 70 cm/s durchgeführt. Abgesehen von einer erheblichen Streuung der Messwerte bleibt $\Delta$p$_{\text{jump}}$ dabei annähernd konstant. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Anzahl der Poren in der größten Klasse für die meisten Volumenströme in industriellen Anwendungen ausreicht. Im darauffolgenden Kapitel 8 wird das Kanal-Film-Modell erfolgreich auf die Effizienz von Ölnebelfiltern übertragen. Es wird ein neuer Ansatz vorgestellt, mit dessen Hilfe sich der Gesamtwirkungsgrad mehrlagiger Filter in die jeweiligen Beiträge des Films, der Kanäle sowie den Koaleszenzbereich in der ersten Lage von benetzbaren Filtern zerlegen lässt. Alle untersuchten Medienlagen (je zwei Arten von nicht benetzbaren und benetzbaren Medien) verlieren einen wesentlichen Teil ihrer Effizienz durch die Beladung mit Öl. Die erste Lage weist die höchste Sättigung und damit den größten Unterschied zwischen Nass- und Trockeneffizienz von kleineren Tröpfchen (500 nm) hingegen werden besser abgeschieden -- vermutlich aufgrund der höheren Geschwindigkeit im Inneren der ersten Lage. Eine typische Kanallage verliert an Effizienz in allen Größenklassen, wobei die nicht benetzbaren Medien effizienter bei der Abscheidung von größeren Tropfen sind. Für alle Medien verhält sich der Film wie ein Trägheitsabscheider mit einer 50%-igen Abscheidung für etwa 250 nm große Tröpfchen. Größere Tropfen werden daher durch den Film fast vollständig getrennt, während kleinere Tröpfchen diesen ohne signifikante Abscheidung passieren. Die Weiterentwicklung des Kanal-Film-Modells ermöglicht es, den Fraktions-abscheidegrad von Ölnebelfiltern mit zunehmender Lagenzahl vorherzusagen. Bei einlagigen Filtern bestimmt die Abscheidung des Films den Gesamtwirkungsgrad. Mit zunehmender Lagenzahl verliert die Filmeffizienz an Bedeutung und die Abscheidung im Kanalbereich dominiert. Die Erkenntnis über eine signifikante Abscheidung von größeren Tröpfchen durch den Film relativiert die oft betonte Rolle der Geschwindigkeitserhöhung im Filterinneren und erklärt scheinbar widersprüchliche Daten in der einschlägigen Literatur. Anhand von Messungen der Gesamtzahlkonzentration wird außerdem gezeigt, dass die Erzeugung von Nebel durch platzende Blasen im Film mit zunehmender Effizienz oder Anzahl an Filterlagen an Bedeutung gewinnt. Dieses Sekundär-aerosol stellt nicht nur für die Emission von Ölnebelfiltern eine Untergrenze dar, sondern auch für die Anwendung des weiterentwickelten Kanal-Film-Modells in dieser Arbeit. In Kapitel 9 wird der stationäre Zustand für den kontinuierlichen sowie diskontinuierlichen Betrieb von Ölnebelfiltern eingehend betrachtet. Der Einfluss der Filtermedienstruktur auf das Phänomen des Kriechens wird anhand von vier benetzbaren Medien (von offen- bis feinporig) untersucht. Filtrationsversuche werden sowohl mit anfänglich trockenen als auch mit vorgesättigten Filtern durchgeführt. Vorgesättigte Filter weisen generell höhere Werte für Druckverlust und Sättigung auf, was sich auf die beobachtete Abwesenheit von Ölkanälen und eine homogenere Verteilung des abgeschiedenen Öls zurückführen lässt. Bei offenporigen Filtermedien sind die Unterschiede im Druckverlust des stationären Zustands zwischen vorgesättigten und anfänglich trockenen Filtern kaum wahrnehmbar; nehmen aber mit zunehmender Feinheit deutlich zu. Während sich die Sättigung S von anfänglich trockenen Filtern umgekehrt proportional (S$\sim$v$^{\text{-1}}$) zur Anströmgeschwindigkeit v verhält, schwächt sich diese Abhängigkeit bei vorgesättigten Filtern deutlich ab (S$\sim$v$^{\text{-0.23}}$). Im kontinuierlichen Betrieb erreichen vorgesättigte Filter relativ rasch einen stationären Zustand mit einem konstanten und zeitlich stabilen Druckverlust. Bei anfänglich trockenen Filtern beobachtet man dagegen einen langsamen Anstieg von Sättigung und $\Delta$p über den stationären Zustand hinaus. Letzterer ist bei anfänglich trockenen Filtern durch ein zeitliches Abflachen des Druckverlustes und den Beginn der Drainage gekennzeichnet. Das Kriechen von Sättigung und $\Delta$p wird durch Ölanlieferraten von 1100 mg/(m$^{\text{2}}$s) beschleunigt und in zeitlich begrenzten Experimenten (100 Stunden) untersucht. Bei offenporigen Filtermedien ist das Kriechen nach weniger als 20 Stunden Beladung beendet. Diese Filter nähern sich der Sättigung ihrer vorgesättigten Vergleichsexperimente aber ohne einer Konvergenz des Druckverlustes, da die Ölkanäle erhalten bleiben. Feinporige Filtermedien zeigen zwar ein ähnliches Verhalten, erreichen allerdings nie einen echten stationären Zustand innerhalb einer praktikablen Beladungszeit. Die Ursache für das Phänomen des Kriechens ist offenbar die Abscheidung und Ansammlung von feinsten Öltröpfchen in der Tiefe des Filters zwischen den Ölkanälen. In Kapitel 9 wird auch untersucht, inwiefern sich der diskontinuierliche Betrieb auf die Sättigung und den Druckverlust auswirkt. Bei einer Unterbrechung der Filtration kommt es in anfänglich trockenen Filtern zu einer kapillaren Umverteilung der Flüssigkeit und zu einer homogeneren Verteilung des Öls. Das Fortsetzen der Filtration führt daher zu einem sprunghaften Anstieg von $\Delta$p auf ein höheres stationäres Niveau. Der Anstieg des Druckverlusts begrenzt sich allerdings auf wenige Ein-Aus-Zyklen und bleibt dabei weit unter dem deutlich höheren stationären $\Delta$p von vorgesättigten Filtern. Der vorgesättigte Zustand kann allerdings auch für anfänglich trockene Filtermedien erreicht werden: Eine Reduzierung der Anströmgeschwindigkeit führt entsprechend der o.g. Korrelation, S$\sim$v$^{\text{-1}}$, zu einer deutlich höheren Sättigung. Wird nach einer solchen Vorsättigung im Betrieb die Anströmgeschwindigkeit wieder auf ihren ursprünglichen Wert erhöht, geht die Struktur der Ölkanäle unwiederruflich verloren, und der Filter befindet sich im gleichen Zustand wie sein vorgesättigtes äquivalent. Das letzte Hauptkapitel, Kapitel 10, untersucht die Genauigkeit der Kapillar-flussporometrie als eine Schlüsselmethode zur Charakterisierung von Porengrößenverteilungen von Filtermedien aus Mikroglasfasern. Fluorkohlenwasserstoffe, die häufig bei dieser Methode als Benetzungsflüssigkeit zum Einsatz kommen, verdunsten während einer Messung mit trockener Druckluft. Die Verdunstung beschleunigt sich insbesondere, wenn die Probenoberfläche von einem nassen in einen feuchten Zustand übergeht. Dieses Phänomen wird durch eine abrupte und charakteristische Trennung in der Mitte der Porengrößenverteilung sichtbar und führt dazu, dass ein Großteil der kleineren Porenklassen sich nicht in den Messergebnissen widerspiegelt. Die Lage der Porengrößenverteilung wird daher durch die Kinetik der Verdunstung bestimmt und ist damit für unterschiedliche Labore und Messgeräte kaum kontrollierbar. Eine zuverlässigere Messung von Porengrößenverteilungen lässt sich unter Verwendung von schwerflüchtigen Silikonölen durchführen. Messungen mit dieser Benetzungsflüssigkeit zeigen, dass etwa 20% der Porengrößenverteilung in dem untersuchten Medium kleiner als 2 $\mu$m sind, was in etwa 400 mbar Differenzdruck entspricht. Aufgrund des hohen Kapillardrucks in diesen Porengrößen kann die hier eingeschlossene Flüssigkeit nicht mittels Kapillarflussporometrie, und darüber hinaus auch nicht in Filtrationsvorgängen durch Luft verdrängt werden. Des Weiteren kann ein Einfluss der Viskosität des Benetzungsmittels, wie in der Literatur vermutet, nicht nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der vorliegenden Arbeit das Kanal-Film-Modell für variable Betriebsbedingungen validiert und um den Fraktionsabscheidegrad erweitert wird. Die Erweiterung des Kanal-Film-Modells ermöglicht daher die Auslegung von Ölnebelfiltern bei vorgegebenen Grenzwerten für Druckverlust und Effizienz in stationärem Zustand. Im Kontext des erweiterten Modells werden auch etablierte, manchmal jedoch widersprüchliche Erkenntnisse aus der einschlägigen Literatur neu bewertet. Dabei bilden die in dieser Arbeit aufgedeckten, bisher noch unbekannten Phänomene bei der Beladung von Ölnebelfiltern ein Schlüsselelement, um diese scheinbar konträren Positionen zu vereinen