Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul FLD legt Drahtgeflecht-Demister und Faserfilter für die Abscheidung von Tropfen und Feststoffpartikeln aus Gasströmen aus. Wer einen Demister berechnen will, braucht neben der Geometrie des Filterpakets (Querschnittsfläche, Höhe, Drahtdurchmesser, Packungsdichte) vor allem die Trenngradkurve: Sie beschreibt, welcher Anteil der Partikel eines bestimmten Durchmessers im Geflecht abgeschieden wird. FLD ermittelt diese Trenngradkurven nach den in der Literatur etablierten Methoden, insbesondere nach A. Bürkholz, "Droplet Separation" (VCH, 1989), dem Standardwerk zur Tropfenabscheidung.
In der Praxis werden Demister überall dort eingesetzt, wo mitgerissene Tropfen nachgeschaltete Apparate schädigen oder Produktverluste verursachen würden: über Verdampfern und Kolonnenköpfen, vor Verdichtern, in Gaswäschern und Abscheidebehältern. Für die Beschreibung des Aufgabeguts stehen die Partikelgrößenverteilungen nach DIN 66143 (Potenzverteilung nach Gates-Gaudin-Schuhmann), DIN 66144 (logarithmische Normalverteilung) und DIN 66145 (RRSB-Verteilung nach Rosin, Rammler, Sperling und Bennett) zur Wahl.
Als Ergebnis liefert die Berechnung neben dem Gesamtabscheidegrad auch den Druckverlust des Filterpakets über Widerstands- und Druckverlustbeiwert sowie die grafische Darstellung von Trenngradkurve und Verteilungsfunktion – die Grundlage, um Geflechtstyp, Anströmgeschwindigkeit und Einbauhöhe wirtschaftlich festzulegen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: A. Bürkholz, Droplet Separation, VCH. 1989
So läuft die Berechnung ab
- Filtergeometrie festlegen: Zunächst wird das Filterpaket beschrieben: Filterquerschnittsfläche, Filterhöhe, Filtermasse bzw. Filterdichte und Drahtdurchmesser. Daraus ergeben sich abgeleitete Kenngrößen wie Filtervolumen, Gesamtdrahtlänge und die relative Stromquerschnittsfläche (Porosität) des Geflechts.
- Betriebsbedingungen und Stoffwerte eingeben: Mittlerer Druck, Eintrittstemperatur, Dichte und dynamische Viskosität des Gases sowie die Dichte der Partikel bzw. Tropfen werden festgelegt. Aus Gasmassenstrom und Filterquerschnitt folgt die Strömungsgeschwindigkeit, aus ihr die Reynolds-Zahl der Drahtumströmung.
- Partikelkollektiv beschreiben: Die Beladung des Aufgabeguts wird als Partikelbeladung, Volumenkonzentration oder Partikelmassenstrom vorgegeben. Für die Größenverteilung wählt der Anwender ein Verteilungsgesetz nach DIN 66143, 66144 oder 66145 und parametriert es über Teilchengrößenparameter und Streuungsparameter bzw. über den Rückstandswert bei einer Bezugskorngröße.
- Trenngradkurve berechnen: Für jeden Partikeldurchmesser wird der Einzelfaser-Abscheidegrad aus den maßgebenden Mechanismen ermittelt; bei Demistern dominiert die Trägheitsabscheidung, die über den Trägheitsabscheideparameter (Stokes-Zahl) erfasst wird. Korrekturfaktoren für Stromrichtung und Stoffparameter gehen ein. Die Integration über das Geflecht liefert den Trenngrad als Funktion des Partikeldurchmessers.
- Gesamtabscheidegrad und Druckverlust auswerten: Durch Faltung der Trenngradkurve mit der gewählten Partikelgrößenverteilung ergibt sich der Gesamtabscheidegrad. Parallel werden Widerstandsbeiwert, Druckverlustbeiwert und die Druckdifferenz über das Filterpaket berechnet. Die Ergebnisse werden grafisch als Trenngrad- und Verteilungskurven dargestellt.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Filterquerschnittsfläche | F | m² |
| Filtermasse | M | kg |
| Filterhöhe | H | m |
| Filtervolumen | V | m³ |
| Filterdichte | G | kg/m³ |
| Drahtdurchmesser | D | m |
| Drahtlänge | L | m |
| Drahtdichte | ρD | kg/m³ |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Dichte | ρF | kg/m³ |
| Korrekturfaktor für die Stromrichtung | f | - |
| Relative Stromquerschnittsfläche | prel | - |
| Strömungsgeschwindigkeit | v | m/s |
| Reynolds-Zahl | Re | - |
| Widerstandsbeiwert | cw | - |
| Druckverlustbeiwert | ζ | - |
| Druckdifferenz | ΔP | Pa |
| Stoffparameter | S | - |
| Korrekturfaktor | a* | - |
| Partikeldurchmesser | dp | m |
| Teilchengröße | dp50 | m |
| Teilchengröße | dp25 | m |
| Teilchengröße | dp75 | m |
Häufige Fragen
Worin unterscheiden sich die Verteilungsgesetze nach DIN 66143, 66144 und 66145?
Alle drei beschreiben die Korngrößenverteilung eines Partikelkollektivs, unterscheiden sich aber im mathematischen Ansatz: DIN 66143 verwendet ein Potenznetz (Gates-Gaudin-Schuhmann), DIN 66144 die logarithmische Normalverteilung und DIN 66145 die RRSB-Verteilung nach Rosin, Rammler, Sperling und Bennett. Welche Verteilung passt, hängt vom Entstehungsprozess der Tropfen bzw. Partikel ab; bei mechanisch erzeugten Sprühnebeln beschreibt die RRSB- oder Log-Normal-Verteilung die Realität meist am besten. Im Zweifel sollte eine gemessene Verteilung im entsprechenden Verteilungsnetz aufgetragen und das Gesetz mit der besten Linearisierung gewählt werden.
Warum darf die Anströmgeschwindigkeit eines Demisters weder zu niedrig noch zu hoch sein?
Die Trägheitsabscheidung wächst mit der Gasgeschwindigkeit, weil Tropfen den Stromlinien um die Drähte dann schlechter folgen und aufprallen. Bei zu niedriger Geschwindigkeit fällt der Abscheidegrad für kleine Tropfen deutlich ab. Bei zu hoher Geschwindigkeit setzt dagegen Wiedermitriss (Re-Entrainment) ein: Die im Geflecht ablaufende Flüssigkeit wird vom Gas erneut zerteilt und ausgetragen, außerdem steigt der Druckverlust stark an. Demister werden deshalb in einem engen Geschwindigkeitsfenster betrieben, das über Belastungskennzahlen aus Gas- und Flüssigkeitsdichte bestimmt wird.
Für welche Tropfengrößen ist ein Drahtgeflecht-Demister geeignet?
Drahtgeflecht-Demister scheiden Tropfen ab etwa 3 bis 5 µm wirksam ab; der Trenngrad steigt mit dem Tropfendurchmesser schnell auf nahezu 100 %. Für Submikron-Aerosole und feine Nebel unter 1 bis 2 µm reicht die Trägheitsabscheidung nicht aus – hier sind Faserfilter (Kerzenfilter) mit deutlich kleineren Faserdurchmessern erforderlich, bei denen zusätzlich Diffusions- und Sperreffekt wirken. Das Modul deckt beide Bauarten ab, die Wahl richtet sich nach der zu erwartenden Tropfengrößenverteilung.
Welche Rolle spielt der Druckverlust bei der Auslegung?
Der Druckverlust eines sauberen Drahtgeflecht-Demisters ist mit typischerweise wenigen Millibar gering, geht aber direkt in die Energiebilanz von Verdichtern oder in die verfügbare Druckdifferenz von Vakuumsystemen ein. Er wird aus dem Widerstandsbeiwert der Drahtumströmung, der Packungsstruktur und dem Staudruck berechnet. Im Betrieb kann er durch Flüssigkeitsbeladung oder Feststoffablagerungen deutlich ansteigen; eine Reserve gegenüber dem Rechenwert für den trockenen Zustand ist daher einzuplanen.