Die Filterkonstruktion Minipleat

Warum ist ein Panelfilter mit MiniPleat-Konstruktion die beste Wahl?

Die Entwicklung von Luftfilterkonstruktionen hat in den letzten Jahrzehnten markante Veränderungen durchlaufen. Auf dem Markt sind neue Textil-Materialien und Fertigungsverfahren erschienen, welche es ermöglicht haben, neue Filtereigenschaften aber auch Energieeinsparungen zu erzielen. In den letzten Jahren konzentriert sich die gesamte Branche vor allem auf Nanomaterialien, welche bei der Luftfiltration einen besonders starken Aufschwung erleben. Wir können also wohl auch in den kommenden Jahren die Entwicklung von neuen Herstellungsverfahren und Anwendungen erwarten, welche uns diese neuen Materialien bieten können. Wenn es gleichzeitig gelingt, die Herstellungskosten zu reduzieren, steht ihrer breiteren Anwendung nichts im Wege.
Wenn wir jedoch Luftfilter betrachten, die bereits heute frei auf dem Markt erhältlich sind und die gängig in Lüftungsanlagen  eingesetzt werden, können wir hier deutliche Unterschiede erkennen. Diese Filter haben verschiedene Formen, unterschiedliche Abmessungen, es werden verschiedene Textil-Materialien für sie verwendet, sie unterscheiden sich in ihren Herstellungskosten und vor allem in ihrer Filtrationsleistung.

Druckverlust und Abscheidegrad
Der Druckverlust eines Filters ist einer der wichtigsten Parameter, zusammen mit dem Abscheidegrad des Filters. Leider sind diese Filtrationscharakteristiken miteinander verknüpft und beeinflussen sich gegenseitig. Sofern wir also einen Filter mit einem hohen Abscheidegrad benötigen, so muss zu dessen Herstellung ein Textil mit höherer Faserdichte verwendet werden,  wodurch sie die Schadstoffe aus der Luft besser auffangen.
Solche Materialien haben also eine höhere Materialdichte, beziehungsweise ein höheres Flächengewicht. Durch diese Zunahme des Flächengewichts wird zwar der Abscheidegrad der Filtration verbessert, da wir mehr Schadstoffpartikel auffangen, gleichzeitig nimmt jedoch auch der Widerstand des Materials gegenüber durchströmender Luft zu und die Lüftungsanlage muss eine höhere Leistung  aufbringen. Allgemein kann gesagt werden, dass es nicht möglich ist, einen Luftfilter herzustellen, der über eine hohe Abscheideleistung und gleichzeitig über einen sehr geringen Druckverlust verfügt.
Möglicherweise fragen Sie sich nun, wie wir also den Druckverlust des Filters deutlich reduzieren können, wenn wir Filter einer höheren Filterklasse verwenden möchten? Die Antwort auf diese Frage ist relativ einfach – man muss mit der Filtrationsfläche arbeiten. Genau dies ist der grundlegende und entscheidende Parameter eines jeden Filters, mit dem gearbeitet werden muss.
Für eine detailliertere Erklärung kommen wir nicht aus ohne die Darcy-Gleichung und ihre absichtliche Vereinfachung, welche die Beziehung zwischen der Filterfläche und dem Druckverlust beschreibt:

Q = A • Δp • k

wobei Q der Luftdurchsatz (m³/s),  A die Filterfläche (m²) und Δp der Druckverlust (Pa) ist.

Die Konstante k vereint in sich die Filterstärke (m), die dynamische Viskosität (Pa•s) des Fluids und die Permeabilität des Filters (m²).
Diese Gleichung gilt praktisch für jedes poröse Material, und dessen Struktur wird von den in der Konstante k enthaltenen Parametern beschrieben.
Sofern wir also weitere Einflüsse vernachlässigen, wie zum Beispiel die Dynamik des Fluids und Turbulenzen, welche durch den Durchfluss der Luft durch den Filter entstehen, so folgt aus dieser Gleichung ganz klar, dass die Beziehung zwischen der Filterfläche und dem Druckverlust linear ist.
Bei gleichem konstantem Durchfluss gilt, dass: wenn wir z. B. die Filterfläche 10x vergrößern, so reduziert sich der Druckverlust ebenfalls um ein Zehnfaches. Wie bekommen wir jedoch einen 10x größeren Filter in unsere Lüftungsanlage?

Hierfür wurde die Filterkonstruktion mit dem Namen MiniPleat entwickelt
Diese Filterkonstruktion entstand als Alternative zu Taschenfiltern, deren Druckverlust dank der großen Filterfläche der Taschen gering ist, wodurch ohne Bedenken auch Filtermedien höherer Filterklassen verwendet werden können. Der Nachteil dieser Taschenfilter ist die Tatsache, dass sie durch die voluminösen Taschen viel Platz in den Lüftungsanlagen in Anspruch nehmen, wodurch sie nicht für kompakte Systeme geeignet sind, wie sie in Wohnungen oder Einfamilienhäusern zum Einsatz kommen. Verwendung finden Taschenfilter somit vor allem in Systemen mit Luftdurchsätzen größer 500 m3/h. Bei niedrigeren Durchsätzen werden diese Filter nur sporadisch eingesetzt.

Die Konstruktion MiniPleat – hohe Leistung auf kleiner Fläche
Die Bezeichnung MiniPleat kann aus dem Englischen frei als Mini-Falte übersetzt werden. Es handelt sich um eine Filterkonstruktion, bei der das Filtermedium maschinell in dichte Falten mit einer vorgegebenen einheitlichen Höhe gelegt wird, wobei die Falten anschließend mit einem speziellen Heißkleber fixiert werden. Der Abstand zwischen den einzelnen Faltungen bewegt sich im Bereich von einigen Millimetern. Dank dieser Konstruktion mit dichter Faltung kann mehr Filtermedium in eine vorgegebene Filterabmessung gepackt werden, wodurch die Filterfläche wesentlich vergrößert und eine Reduzierung des Druckverlusts erzielt wird.

Ein wichtiger Parameter bei dieser Filterkonstruktion ist die Anzahl der Faltungen pro 1 m Länge. Dieser Parameter wird als Faltendichte bezeichnet. Das folgende Diagramm zeigt die Abhängigkeit zwischen der relativen Filterfläche und der Faltendichte.

Wenn wir aus einem Filtermedium also z. B. einen Filter mit MiniPleat-Konstruktion und einer Höhe von 40 mm sowie 100 Faltungen pro 1 Meter Länge herstellen, so hat dieser Filter gegenüber seiner tatsächlichen Größe eine achtmal größere Filterfläche. Die Abhängigkeit zwischen Faltenanzahl und Filterfläche ist nahezu linear. Es muss hierbei jedoch angemerkt werden, dass bei sehr hohen Faltendichten der Bereich blockiert wird, welcher von der zugeführten Luft durchströmt wird, wodurch die Nutzfläche reduziert wird. Dieser Wert wird als kritische Faltendichte bezeichnet.
 
Die Technische Universität in Liberec hat einen Test an zwei unterschiedlichen Filtermedien durchgeführt, um den Einfluss der Faltendichte auf den Druckverlust bei einer Strömungsgeschwindigkeit der Luft von 5 m/min zu untersuchen. Das nachfolgende Diagramm zeigt den Einfluss der Faltendichte auf den Druckverlust für zwei Filtermedien mit unterschiedlicher Flächendichte des Materials (100 g/m2 vs. 35 g/m2) und einer Filterfläche von 20 mm.

Aus dem Diagramm ist klar ersichtlich, dass das Material mit der kleineren Flächendichte eine wesentlich geringere Reduzierung des Druckverlusts erfährt, als das Material mit der höheren Flächendichte. Die kritische Faltendichte wird bei dem Material mit der höheren Flächendichte bei einem Wert um die 150 m-1 erreicht. Nach Überschreiten dieses Werts beginnt der Druckverlust wieder leicht anzusteigen.
Dennoch kann durch die Faltung des Filtermediums bei dem Material mit 35 g/m² Flächendichte eine bis zu zehnfache Reduzierung des Druckverlusts und bei dem Material mit 100 g/m² Flächendichte eine bis zu dreizehnfache Reduzierung des Druckverlusts erzielt werden.

Alle oben genannten Tatsachen zeigen klar auf, dass die Variierung der Filterfläche die einzig mögliche Art ist, um eine Reduzierung des Druckverlusts eines Luftfilters zu erreichen. Auf dieser Grundlage basiert die Konstruktion der Filter MiniPleat, welche den Druckverlust um ein Vielfaches reduziert, indem das Filtermedium in dichte Falten gelegt wird. MiniPleat ermöglicht die Verwendung von Filtermedien einer hohen Filterklasse in klimatechnischen Anlagen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum die Luftfilterreihe SafeLuft den Konstruktionstyp MiniPleat verwendet – eine hohe Filterleistung, eine deutlich längere Nutzungsdauer dank einer größeren Filterfläche und ein niedrigerer Druckverlust.

Verwendete Literatur und Quellen
RUKATECH, s.r.o : Interne Dokumente
TU Liberec, Ing. Jakub Hruza, Ph.D.: Verbesserung der Filtrationseigenschaften von Fasermaterialien