Filter (Fluid)

Der Filter (fachsprachlich auch das Filter) hält, wie ein Sieb, Feststoffe aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom zurück. Die feststofffreie Phase wird Filtrat genannt, der am Filter zurückbleibende Feststoff heißt Filterkuchen. Die Trennkraft einer Filtration ist eine Druckdifferenz des Transportmediums vor- und nach dem Filter. Das Medium wird entweder durch den Filter gesaugt (Beispiel Zigarettenfilter, Nutsche), oder durch Überdruck durch den Filter gepresst.

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Funktionsprinzip

Die Filtration geschieht durch:

• Kuchenfiltration: Auf dem Filtermedium bildet sich ein Filterkuchen mit wachsender Dicke, der selbst wiederum als immer dichter werdendes Filtermedium wirkt. Der Filterkuchen muss regelmäßig abgetragen werden. Man erhält sowohl den Feststoff, als auch das gereinigte Trägermedium.
• Tiefenfiltration: Die Abscheidung erfolgt bei Tiefen- oder Speicherfiltern im Inneren des Filtermediums. Hierbei ist das fluide Medium der Wertstoff, da sich der Feststoff nur schwer aus dem Filter extrahieren lässt.
• Querstromfiltration: Das Filtermedium liegt quer zur Strömungsrichtung. Durch die Scherkräfte wird verhindert, dass sich ein Filterkuchen bildet, die Oberfläche wird abgereinigt. In Strömungsrichtung konzentriert sich die Suspension, das Konzentrat muss abgeführt werden.

Die Filterwirkung beruht auf physikalischen Eigenschaften:

• Die Partikel sind größer als die Poren des Filters und können daher nicht in das Filtermedium eindringen. Dieser Effekt taucht vornehmlich bei membranbeschichteten Oberflächenfiltern auf.
• Aufgrund ihrer Trägheit können die Partikel der Strömung nicht folgen und sie treffen auf das Filtermaterial, an dem das Medium tangential vorbeiströmt. Als Maß für die Trägheitsabscheidung wird die Stokes-Zahl verwendet.
• Aufgrund der Brownschen Molekularbewegung schwankt die Partikelbahn statistisch um die Stromlinie auf der sich das Partikel bewegt, wodurch es zum Kontakt der Partikel mit dem Filtermaterial kommen kann. Dieser auch als Diffusionsabscheidung bezeichnete Effekt wird durch die Peclet-Zahl beschrieben und spielt nur für sehr kleine Partikel (kleiner als wenige hundert Nanometer) eine Rolle.
• In Filterkuchen von Oberflächenfiltern ist der Sperreffekt der bestimmende Abscheidemechanismus. Beim Sperreffekt führt die Bahn des Masseschwerpunktes der Partikel zwar am Filtermaterial vorbei, das Partikel kann aber aufgrund seiner geometrischen Ausdehnung das Filtermaterial nicht passieren und wird abgeschieden.
• Bei genügend langer Wartezeit trennen sich die Partikel durch Thermophorese, wenn sie entlang eines Temperaturgradienten diffundieren.
• Im Gasstrom lassen sich kleine Partikel elektrostatisch herausfiltern. Dazu verwendet man Vliesfilter, deren Fasern bei der Herstellung elektrisch polarisiert oder geladen werden, sogenannte Elektret-Fasern.

Filtermedien

Als Filtermedien werden verwendet:  

• Filze bzw. allgemein faserorierentierte Vliese
• Spinnvliese bzw. allgemein Wirrfaservliese
• Schüttungen
• poröse Festkörper, beispielsweise Sintermetalle
• Gewebe
• Papier

Hierbei können je nach Einsatzgebiet die verschiedensten Materialien zum Einsatz kommen, beispielsweise Kunstfasern (aus Polyester, Polyphenylensulfid, Polytetrafluorethylen etc.), keramische Fasern/Sinterkörper, Glasfasern oder auch Metalle.

Hinzu kommen chemische oder physikalische Behandlungen des Filters (beispielsweise bei Filzen sengen und kalandern) und Oberflächenbeschichtungen (zum Beispiel Membranen).

Eigenschaften eines Filters

Folgende Eigenschaften dienen zur Beurteilung und Klassifizierung von Filtern:

• Der Filterwirkungsgrad beschreibt die Effizienz, mit der das Trenngut vom Medium abgeschieden wird. 100 % bedeutet, dass sämtliches Trenngut herausgefiltert wird.
• Bei der Einlagerung des Trennguts wird zwischen oberflächlicher (Oberflächenfilter) und innerer (Tiefenfilter) Einlagerung unterschieden.
• Der Druckverlust am Filter entsteht dadurch, dass das Medium durch das Filter hindurchströmt. Dabei muss unterschieden werden zwischen dem Anfangsdruckverlust des Filtermaterials und dem Druckanstieg durch steigende Einlagerung und Anlagerung des Trennguts.
• Die Reinigung des Filters beschreibt, inwieweit das Trenngut aus dem Filter wieder herausgeholt werden kann. Es gibt dabei Filter, die nur einmal genutzt werden können, da das Trenngut nicht mehr herausgeholt werden kann. Hierbei ist auch zu unterscheiden, ob das Trenngut unmittelbar genutzt, weiter- oder aufgearbeitet oder entsorgt wird.

Beispiele

Übersicht

  Das einfachste Filter ist das Sieb. Teure Kaffeefilter bestehen aus einem Metallsieb, einfache aus einer Filtertüte. Zigarettenfilter sind Vlies-Filter, ähnlich wie die zum Absaugen des Küchendampfes verwendeten Mattenfilter in der Dunstabzugshaube. Als Japanmatte bezeichnet man spezielle Filter, die in Pools und Gartenteichen zum Filtern des Wassers verwendet werden. In Klimaanlagen und PKW befinden sich Luftfilter, der Treib- und Schmierstoffe eines Autos werden durch Kraftstoff- und Ölfilter gereinigt. Die Feuerwehr benutzt Atemschutzfilter. Hauptbestandteil ist Aktivkohle. Die große innere Oberfläche adsorbiert komplexe Gasmoleküle.

Partikelfilter können die Partikelemissionen eines Kraftfahrzeugdieselmotors deutlich reduzieren. Mikrofilter (HEPA-Filter, Filtermembran) halten in der Medizin und bei der Wasseraufbereitung Mikroben zurück. Ein Zusatz-Filter zur Absicherung wird Polizeifilter genannt. In der Giesserei werden keramische Filter zur Reinigung von Metallschmelzen eingesetzt.

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Rückspülfilter

Die Bilder zeigen einen kontinuierlich arbeitenden Rückspülfilter. Hierbei wird die sich auf der Filterfläche bildende Masse aus Feststoffen durch einen geringen Teilstrom der Flüssigkeit abgespült. Ein über der Filterfläche umlaufender und wie ein Staubsauger wirkender Rotor fördert dabei die Feststoffe aus dem Filter über eine angeschlossene Rohrleitung heraus. Die Technologie wird zur Filtration großer Kühlwassermengen innerhalb von Dampfkraftwerken verwendet, um Turbinenkondensatoren und Rohrbündelwärmeübertrager von Fouling frei zu halten. Eine besondere Herausforderung in der Konstruktion ist die Filtration langfaseriger Verschmutzungen wie beispielsweise das Affenhaar aus dem Kühlwasser.

Eine Weiterentwicklung im Bereich dieser Rückspülfilter sind die so genannten Aktiven Filterelemente. Diese Elemenente verhalten sich im Betrieb wie ganz normale Filterflächen, während des Rückspülvorgangen geben sie jedoch einen vergrößerten Querschnitt frei, so dass die filtrierten Feststoffe leichter von der Filterfläche ablösen können. Solche Filter werden für die Feinfiltration von Festkörpern von 1000 µm bis 50 µm Größe hergestellt.

Filter in der Haustechnik

Das Wasserwerk liefert Trinkwasser, welches den Qualitätsanforderungen der DIN 2000 entspricht; insbesondere ist es danach auch frei von festen und Feinstpartikeln. Auf dem Weg zur Hausinstallation können sich jedoch Inkrustationen von den Rohren lösen und in die Wasserleitung gelangen, so wie es auch möglich ist, dass in Neubaugebieten oder bei Arbeiten am öffentlichen Netz Sand und andere Verschmutzungen in die Hausanschlussleitung gelangen. Damit diese Einschwemmungen keine Schäden verursachen, sind entsprechend DIN 1988 für metallische Rohre pflichtgemäß und für Kunststoffrohre empfohlenermaßen Filter nach DIN 19632 einzubauen. Diese Filter, auch Feinstfilter genannt, werden im Hausanschlussraum zwischen dem Wasserzähler und dem Druckminderer installiert. Die metallenen Rohre werden so vor diversen Korrosionserscheinungen wie Lochfraß mit möglich folgendem Rohrbruch geschützt; die Armaturen setzen sich nicht zu und bleiben funktionsfähig.

Im Wesentlichen gibt es zwei Filterbauarten, rückspülbare und nicht-rückspülbare Filter, sowie solche mit automatischer Anzeige aufgrund des größer werdenden Differenzdruckes des sich zusetzenden Filters. Bei rückspülbaren Filtern wird mit Öffnen eines Kugelhahnes die Durchflussrichtung geändert, wobei sich die Filterpartikel vom Filtergewebe lösen und über einen Ablauf fortgeschwemmt werden. Bei nicht-rückspülbaren Filtern muss der Filtereinsatz, meist ein Filterstrumpf, ausgewechselt werden.

Beide Filterarten bedürfen einer regelmäßigen Inspektion und Wartung, die entweder vom Betreiber der Hausanlage oder von einem Vertragsinstallationsunternehmen (VIU) durchzuführen ist.