HEPA-Filter und passende Lüfter
Verfasst: Montag, 15. März 2021 18:37
Hallo,
wenn wir uns eine Filterbank bauen, schauen wir uns ja immer zuerst die Anleitung von Thomas Ederer an.
https://www.orchideenvermehrung.at/lfh/index.htm
Ich möchte hier gern mal ein paar Zusammenhänge besprechen, die meiner Ansicht nach dort zu kurz kommen oder unverständlich sind.
Deswegen soll es hier ausschließlich um Filter, Vorfilter und passende Lüfter gehen. Besprecht andere Details bitte woanders.
Die sonst übliche, aufwändige Berechnung der am Anfang nötigen Leistung des Lüfters findet ihr am Ende dieses Beitrags, wenn es euch interessiert. Viel wichtiger ist es, die auf Dauer nötige Lüfterleistung zu ermitteln, die auch noch bei fast verstopften Filtern ausreicht. Dazu ist nur die Berechnung des gewünschten Volumenstroms nötig. Zusammen mit zwei Werten aus den Datenblättern der Filter ergibt sich alles weitere.
Ich benutze die üblichen Abkürzungen.
mm = Millimeter
cm = Zentimeter
m = Meter
m2 = Quadratmeter
m3 = Kubikmeter
s = Sekunde
h = Stunde
Pa = Pascal (Maßeinheit für Luftdruck)
Der Volumenstrom wird einerseits durch die Geschwindigkeit bestimmt, die der sterile Luftstrom haben soll. Das sind normalerweise 50cm/s, bzw. 0,5m/s. Wichtig ist aber auch die Größe, bzw. die Fläche des Filters. Ein größerer Filter muss schließlich mehr Luft mit 50cm/s bewegen. Wir nutzen folgende Formel:
Volumenstrom [m3/h] = Filterbreite [m] * Filterhöhe [m] * 0,5 m/s * 3600
Die Multiplikation mit 3600 bringt uns von einer Sekunde zu einer Stunde.
Beispiel für einen Filter der Größe 610mm x 305mm:
0,61m * 0,305m * 0,5m/s * 3600 = 334,89m3/h
Werte für gängige Filtergrößen:
305mm x 305mm: 167,45 m3/h
610mm x 305mm: 334,89 m3/h
610mm x 610mm: 669,78 m3/h
762mm x 610mm: 836,68 m3/h
1220mm x 610mm: 1339,56 m3/h
Diesen Wert nenne ich ab jetzt Zielvolumenstrom.
Sowohl der HEPA- als auch der Vorfilter werden bei Benutzung mit der Zeit immer weiter verschmutzen. Dadurch steigen die Druckdifferenzen (bzw. der nötige Druck, damit genügend Luft durchkommt) der Filter so lange an, bis sie einen von den Herstellern als Enddruckdifferenz bezeichneten Maximalwert erreichen und einer oder beide Filter ausgetauscht werden müssen. Für unseren HEPA-Hauptfilter wären das 600 Pa und für den Feinstaub-Vorfilter 400 Pa. Im ungünstigsten Fall, wenn beide Filter gleichzeitig am Ende sind, macht das insgesamt 1000 Pa.
Wir suchen also einen Lüfter, der bei einem Gegendruck von 1000 Pa noch in der Lage ist, unseren Zielvolumenstrom zu liefern.
Den passenden Lüfter erkennen:
Bei so viel Druck und Gegendruck kommen nur Radiallüfter in Frage.
Wir schauen uns nun nach solchen um, bei denen es im Datenblatt oder der Beschreibung ein Diagramm mit einer Kennlinie gibt. In diesem Diagramm suchen wir auf der unteren waagerechten Achse nach unserem Zielvolumenstrom und können senkrecht darüber ablesen, welchen Druck der Lüfter dabei liefern kann. Liegt der ungefähr bei der Summe der Maximalwerte für beide Filter oder darüber, also >= 1000 Pa, haben wir einen perfekten Kandidaten gefunden.
Beispiel für einen Filter der Größe 762mm x 610mm:
Wir berechnen den Zielvolumenstrom oder schauen oben in der Tabelle nach und erhalten ca. 840 m3/h.
Im Diagramm mit der Kennlinie des Lüfters schätzen wir ab, wo 840 m3/h auf der unteren waagerechten Achse liegt und denken uns eine senkrechte Linie nach oben, die ich hier rot markiert habe. Sobald diese Linie auf die Kennlinie trifft, denken wir uns eine waagerechte Linie nach links, hier blau, um auf der senkrechten Achse den Druck abzulesen.
Den Lüfter passend einstellen:
Um den Lüfter anfangs bremsen und mit der Zeit wieder beschleunigen zu können, benötigen wir zusätzlich einen Drehzahlregler, der zum Motor des Lüftes passt. Praktischerweise werden Lüfter und Drehzahlregler oft zusammen angeboten. Ist nun alles zusammengebaut, lassen wir den Lüfter erstmal sehr langsam starten und beschleunigen ihn, bis Luft aus dem Filter strömt. Nun könnte man die Geschwindigkeit des Luftstroms mit einem Thermo-Anemometer messen, doch so etwas ist teuer und geht auch einfacher mit einem Zollstock und einem kleinen Stück Watte. Wenn wir den Zollstock bis auf 60 cm aufklappen, in Richtung des Luftstroms hinlegen, mit der Null direkt am Filter und die Watte etwas auseinanderzupfen, können wir den Wattebausch direkt am Filter loslassen und sehen, wie weit er in einer Sekunde fliegt. Zur einfachen Zeitmessung können wir mit einem Smartphone im Internet nach einem Online-Metronom suchen. Dort geben wir bei "BPM" 60 ein und starten. Voila, es knackt einmal pro Sekunde. Nun lassen wir die Watte los, wenn es knackt und schauen, wie weit sie bis zum nächsten Knacken kommt. Wenn wir das ein paarmal wiederholen, können wir die Geschwindigkeit des Luftstroms einschätzen und den Lüfter nachregeln, bis wir bei 50 cm pro Sekunde angekommen sind.
Sparmaßnahmen:
Falls der perfekte Lüfter teuer oder schwer zu finden ist, reichen womöglich auch bis zu 40% weniger Leistung. Zum Einen wird es wohl nicht oft vorkommen, dass beide Filter gleichzeitig komplett verstopft sind. Zum Anderen müssen die 50 cm/s sicher nicht unbedingt bis zur letzten Sekunde erreicht werden. Selbst bei 40cm/s und wahrscheinlich auch bei 30 cm/s kann man noch gut vor dem HEPA arbeiten. Dann würde nämlich auch ein Lüfter in Frage kommen, der bei unserem Zielvolumenstrom mindestens 60% der addierten Enddruckdifferenzen leistet. Im Beispielfall mit einer Filtergröße von 610mm x 305mm müsste er bei 335 m3/h mindestens 600 Pa Druck erzeugen können.
LG, Carsten
Hier noch Links zu den Daten der Filter von Luftfilterbau:
Produktreihe 1:
http://www.luftfilterbau.de/cms/upload/ ... oSF-AL.pdf
Produktreihe 2:
https://www.luftfilterbau.de/cms/upload ... ro%20S.pdf
Vorfilter:
https://www.luftfilterbau.de/cms/upload ... tten-M.pdf
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Die am Anfang nötige Leistung des Lüfters:
Im folgenden möchte ich zeigen, wie man die minimal nötige Leistung des Lüfters für frisch verbaute neue Filter herausbekommt. Die Berechnung des Volumenstroms hatten wir ja schon weiter oben.
Der HEPA-Filter ist ja die Hauptsache, deswegen fange ich damit an.
Hat man das passende Modell und die beste Größe für sich gefunden, sind für die Berechnung der Lüfterleistung zwei Dinge wichtig. Das ist einmal das Volumen des sterilen Luftstroms, der später aus dem Filter kommen soll und dann der Widerstand, den der Filter dem Lüfter entgegensetzt.
So, nun heißt es, wachsam zu sein! Damit dieses Luftvolumen pro Stunde durch den Filter strömt, muss der Lüfter einen gewissen Druck aufbauen. Wieviel genau, hängt von dem jeweiligen Filtermodell, seiner Größe und seinem Alter ab.
In der Lüftungstechnik wird hierzu gern als Beispiel eine Druckdifferenz (Pressure Drop) angegeben, die zwischen den beiden Seiten des Filters herrschen muss, damit der sogenannte Nennvolumenstrom (Nominal Airflow) fließt. Dieser ist leider nicht identisch mit dem Zielvolumenstrom, den wir später haben wollen.
In Datenblättern sieht man auch oft die Angabe "Anfangsdruckdifferenz". Damit ist die Druckdifferenz beim Nennvolumenstrom gemeint, solange der Filter noch neu und sauber ist. Die "Enddruckdifferenz" gibt an, bei welchem Gegendruck der Filter verstopft und nicht mehr brauchbar ist.
Jetzt müssen wir beim Hersteller des Filters ein Diagramm finden, in dem die Druckdifferenz des Filters bei verschiedenen Volumenströmen ablesbar ist. Dort suchen wir auf der waagerechten Achse entweder nach unserem späteren Volumenstrom, nach 0,5m/s oder nach dem Prozentwert, den wir mittels
Zielvolumenstrom / Nennvolumenstrom * 100
erhalten.
Die Höhe der Kurve über dieser Stelle verrät uns nun die Druckdifferenz, die der Lüfter überwinden muss, damit wir unsere 50cm/s bekommen. Diesen Wert merken wir uns.
Beispielfilter: HS-Mikro SF 610mm x 305 mm
Im Datenblatt für die HS-Mikro SF Filter finden wir eine Anfangsdruckdifferenz von 260 Pa bei einem Nennvolumenstrom von 540 m3/h. Weiter unten befindet sich ein Diagramm. Dort schauen wir uns die oberste Kurve an.
Unser Prozentwert ist 335 m3/h / 540 m3/h * 100 = 62%.
Über 62% beträgt der Wert ungefähr 140 Pa.
Nun zum Vorfilter. Sein Zweck ist einzig und allein, den teuren HEPA-Filter vor frühzeitiger Verschmutzung zu bewahren und zuerst zu sterben bzw. zu verschmutzen. Daher sollte er ein richtiger Feinstaubfilter sein, aber eben ein günstiger, wie der Typ M5, den man dann in kürzeren Abständen ersetzt als den Hauptfilter. So ein Feinstaubfilter ist zum Teil sehr dicht gewebt, damit auch kleinste Partikel hängen bleiben. Daher ist hier natürlich zusätzlicher Druck nötig und auch dessen Wert kann man ermitteln.
Wie eben beim HEPA bekommt man vom Hersteller Werte für eine Anfangsdruckdifferenz und einen dazugehörigen Nennvolumenstrom geliefert. Hierbei wurde von einem ganzen Quadratmeter Filterfläche ausgegangen.
Beispiel: M5-Feinstaubfilter HS-E/360: 60 Pa bei 2520 m3/(h*m2)
Da im Datenblatt die Nennströmung zusätzlich mit 0,7 m/s angegeben ist und im darunter befindlichen Diagramm sogar noch eine Skala für die Strömung unter der X-Achse ist, müssen wir gar nichts rechnen, sondern nur noch ablesen, auf welcher Höhe sich die unterste blaue Linie über 0,5 m/s befindet.
Das Ergebnis ist dann die Anfangsdruckdifferenz bei unserem Zielvolumenstrom und beträgt 43 Pa.
Diesen Wert merken wir uns ebenfalls und addieren ihn zur Druckdifferenz, die wir beim HEPA-Filter herausbekommen hatten.
Die Summe aus beiden ist der Druck, den der Lüfter aufwenden muss, um den Zielvolumenstrom durch Vorfilter und Hauptfilter zu blasen, mit anderen Worten das Minimum an Lüfterleistung, welches wir benötigen.
140 Pa + 43 Pa = 183 Pa
Anfangs... das gilt also nur solange, wie Vor- und Hauptfilter neu und sauber sind.
Hier jetzt - wie in vielen Tutorials - den Wert für den Vorfilter nicht zu berechnen und zu sagen, es reicht, ich nehme einen Lüfter, der ein bisschen stärker ist und regele ihn anfangs herunter, finde ich zu hastig. Da ist die Gefahr groß, dass "ein bisschen stärker" viel zu klein ausfällt und der mühsam gebauten Filterbank viel zu schnell die Puste ausgeht. Wenn man aber an diesem Punkt ein wenig weiter denkt, findet man schnell heraus, wie stark der ideale Lüfter sein müsste.
wenn wir uns eine Filterbank bauen, schauen wir uns ja immer zuerst die Anleitung von Thomas Ederer an.
https://www.orchideenvermehrung.at/lfh/index.htm
Ich möchte hier gern mal ein paar Zusammenhänge besprechen, die meiner Ansicht nach dort zu kurz kommen oder unverständlich sind.
Deswegen soll es hier ausschließlich um Filter, Vorfilter und passende Lüfter gehen. Besprecht andere Details bitte woanders.
Die sonst übliche, aufwändige Berechnung der am Anfang nötigen Leistung des Lüfters findet ihr am Ende dieses Beitrags, wenn es euch interessiert. Viel wichtiger ist es, die auf Dauer nötige Lüfterleistung zu ermitteln, die auch noch bei fast verstopften Filtern ausreicht. Dazu ist nur die Berechnung des gewünschten Volumenstroms nötig. Zusammen mit zwei Werten aus den Datenblättern der Filter ergibt sich alles weitere.
Ich benutze die üblichen Abkürzungen.
mm = Millimeter
cm = Zentimeter
m = Meter
m2 = Quadratmeter
m3 = Kubikmeter
s = Sekunde
h = Stunde
Pa = Pascal (Maßeinheit für Luftdruck)
Der Volumenstrom wird einerseits durch die Geschwindigkeit bestimmt, die der sterile Luftstrom haben soll. Das sind normalerweise 50cm/s, bzw. 0,5m/s. Wichtig ist aber auch die Größe, bzw. die Fläche des Filters. Ein größerer Filter muss schließlich mehr Luft mit 50cm/s bewegen. Wir nutzen folgende Formel:
Volumenstrom [m3/h] = Filterbreite [m] * Filterhöhe [m] * 0,5 m/s * 3600
Die Multiplikation mit 3600 bringt uns von einer Sekunde zu einer Stunde.
Beispiel für einen Filter der Größe 610mm x 305mm:
0,61m * 0,305m * 0,5m/s * 3600 = 334,89m3/h
Werte für gängige Filtergrößen:
305mm x 305mm: 167,45 m3/h
610mm x 305mm: 334,89 m3/h
610mm x 610mm: 669,78 m3/h
762mm x 610mm: 836,68 m3/h
1220mm x 610mm: 1339,56 m3/h
Diesen Wert nenne ich ab jetzt Zielvolumenstrom.
Sowohl der HEPA- als auch der Vorfilter werden bei Benutzung mit der Zeit immer weiter verschmutzen. Dadurch steigen die Druckdifferenzen (bzw. der nötige Druck, damit genügend Luft durchkommt) der Filter so lange an, bis sie einen von den Herstellern als Enddruckdifferenz bezeichneten Maximalwert erreichen und einer oder beide Filter ausgetauscht werden müssen. Für unseren HEPA-Hauptfilter wären das 600 Pa und für den Feinstaub-Vorfilter 400 Pa. Im ungünstigsten Fall, wenn beide Filter gleichzeitig am Ende sind, macht das insgesamt 1000 Pa.
Wir suchen also einen Lüfter, der bei einem Gegendruck von 1000 Pa noch in der Lage ist, unseren Zielvolumenstrom zu liefern.
Den passenden Lüfter erkennen:
Bei so viel Druck und Gegendruck kommen nur Radiallüfter in Frage.
Wir schauen uns nun nach solchen um, bei denen es im Datenblatt oder der Beschreibung ein Diagramm mit einer Kennlinie gibt. In diesem Diagramm suchen wir auf der unteren waagerechten Achse nach unserem Zielvolumenstrom und können senkrecht darüber ablesen, welchen Druck der Lüfter dabei liefern kann. Liegt der ungefähr bei der Summe der Maximalwerte für beide Filter oder darüber, also >= 1000 Pa, haben wir einen perfekten Kandidaten gefunden.
Beispiel für einen Filter der Größe 762mm x 610mm:
Wir berechnen den Zielvolumenstrom oder schauen oben in der Tabelle nach und erhalten ca. 840 m3/h.
Im Diagramm mit der Kennlinie des Lüfters schätzen wir ab, wo 840 m3/h auf der unteren waagerechten Achse liegt und denken uns eine senkrechte Linie nach oben, die ich hier rot markiert habe. Sobald diese Linie auf die Kennlinie trifft, denken wir uns eine waagerechte Linie nach links, hier blau, um auf der senkrechten Achse den Druck abzulesen.
Den Lüfter passend einstellen:
Um den Lüfter anfangs bremsen und mit der Zeit wieder beschleunigen zu können, benötigen wir zusätzlich einen Drehzahlregler, der zum Motor des Lüftes passt. Praktischerweise werden Lüfter und Drehzahlregler oft zusammen angeboten. Ist nun alles zusammengebaut, lassen wir den Lüfter erstmal sehr langsam starten und beschleunigen ihn, bis Luft aus dem Filter strömt. Nun könnte man die Geschwindigkeit des Luftstroms mit einem Thermo-Anemometer messen, doch so etwas ist teuer und geht auch einfacher mit einem Zollstock und einem kleinen Stück Watte. Wenn wir den Zollstock bis auf 60 cm aufklappen, in Richtung des Luftstroms hinlegen, mit der Null direkt am Filter und die Watte etwas auseinanderzupfen, können wir den Wattebausch direkt am Filter loslassen und sehen, wie weit er in einer Sekunde fliegt. Zur einfachen Zeitmessung können wir mit einem Smartphone im Internet nach einem Online-Metronom suchen. Dort geben wir bei "BPM" 60 ein und starten. Voila, es knackt einmal pro Sekunde. Nun lassen wir die Watte los, wenn es knackt und schauen, wie weit sie bis zum nächsten Knacken kommt. Wenn wir das ein paarmal wiederholen, können wir die Geschwindigkeit des Luftstroms einschätzen und den Lüfter nachregeln, bis wir bei 50 cm pro Sekunde angekommen sind.
Sparmaßnahmen:
Falls der perfekte Lüfter teuer oder schwer zu finden ist, reichen womöglich auch bis zu 40% weniger Leistung. Zum Einen wird es wohl nicht oft vorkommen, dass beide Filter gleichzeitig komplett verstopft sind. Zum Anderen müssen die 50 cm/s sicher nicht unbedingt bis zur letzten Sekunde erreicht werden. Selbst bei 40cm/s und wahrscheinlich auch bei 30 cm/s kann man noch gut vor dem HEPA arbeiten. Dann würde nämlich auch ein Lüfter in Frage kommen, der bei unserem Zielvolumenstrom mindestens 60% der addierten Enddruckdifferenzen leistet. Im Beispielfall mit einer Filtergröße von 610mm x 305mm müsste er bei 335 m3/h mindestens 600 Pa Druck erzeugen können.
LG, Carsten
Hier noch Links zu den Daten der Filter von Luftfilterbau:
Produktreihe 1:
http://www.luftfilterbau.de/cms/upload/ ... oSF-AL.pdf
Produktreihe 2:
https://www.luftfilterbau.de/cms/upload ... ro%20S.pdf
Vorfilter:
https://www.luftfilterbau.de/cms/upload ... tten-M.pdf
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Die am Anfang nötige Leistung des Lüfters:
Im folgenden möchte ich zeigen, wie man die minimal nötige Leistung des Lüfters für frisch verbaute neue Filter herausbekommt. Die Berechnung des Volumenstroms hatten wir ja schon weiter oben.
Der HEPA-Filter ist ja die Hauptsache, deswegen fange ich damit an.
Hat man das passende Modell und die beste Größe für sich gefunden, sind für die Berechnung der Lüfterleistung zwei Dinge wichtig. Das ist einmal das Volumen des sterilen Luftstroms, der später aus dem Filter kommen soll und dann der Widerstand, den der Filter dem Lüfter entgegensetzt.
So, nun heißt es, wachsam zu sein! Damit dieses Luftvolumen pro Stunde durch den Filter strömt, muss der Lüfter einen gewissen Druck aufbauen. Wieviel genau, hängt von dem jeweiligen Filtermodell, seiner Größe und seinem Alter ab.
In der Lüftungstechnik wird hierzu gern als Beispiel eine Druckdifferenz (Pressure Drop) angegeben, die zwischen den beiden Seiten des Filters herrschen muss, damit der sogenannte Nennvolumenstrom (Nominal Airflow) fließt. Dieser ist leider nicht identisch mit dem Zielvolumenstrom, den wir später haben wollen.
In Datenblättern sieht man auch oft die Angabe "Anfangsdruckdifferenz". Damit ist die Druckdifferenz beim Nennvolumenstrom gemeint, solange der Filter noch neu und sauber ist. Die "Enddruckdifferenz" gibt an, bei welchem Gegendruck der Filter verstopft und nicht mehr brauchbar ist.
Jetzt müssen wir beim Hersteller des Filters ein Diagramm finden, in dem die Druckdifferenz des Filters bei verschiedenen Volumenströmen ablesbar ist. Dort suchen wir auf der waagerechten Achse entweder nach unserem späteren Volumenstrom, nach 0,5m/s oder nach dem Prozentwert, den wir mittels
Zielvolumenstrom / Nennvolumenstrom * 100
erhalten.
Die Höhe der Kurve über dieser Stelle verrät uns nun die Druckdifferenz, die der Lüfter überwinden muss, damit wir unsere 50cm/s bekommen. Diesen Wert merken wir uns.
Beispielfilter: HS-Mikro SF 610mm x 305 mm
Im Datenblatt für die HS-Mikro SF Filter finden wir eine Anfangsdruckdifferenz von 260 Pa bei einem Nennvolumenstrom von 540 m3/h. Weiter unten befindet sich ein Diagramm. Dort schauen wir uns die oberste Kurve an.
Unser Prozentwert ist 335 m3/h / 540 m3/h * 100 = 62%.
Über 62% beträgt der Wert ungefähr 140 Pa.
Nun zum Vorfilter. Sein Zweck ist einzig und allein, den teuren HEPA-Filter vor frühzeitiger Verschmutzung zu bewahren und zuerst zu sterben bzw. zu verschmutzen. Daher sollte er ein richtiger Feinstaubfilter sein, aber eben ein günstiger, wie der Typ M5, den man dann in kürzeren Abständen ersetzt als den Hauptfilter. So ein Feinstaubfilter ist zum Teil sehr dicht gewebt, damit auch kleinste Partikel hängen bleiben. Daher ist hier natürlich zusätzlicher Druck nötig und auch dessen Wert kann man ermitteln.
Wie eben beim HEPA bekommt man vom Hersteller Werte für eine Anfangsdruckdifferenz und einen dazugehörigen Nennvolumenstrom geliefert. Hierbei wurde von einem ganzen Quadratmeter Filterfläche ausgegangen.
Beispiel: M5-Feinstaubfilter HS-E/360: 60 Pa bei 2520 m3/(h*m2)
Da im Datenblatt die Nennströmung zusätzlich mit 0,7 m/s angegeben ist und im darunter befindlichen Diagramm sogar noch eine Skala für die Strömung unter der X-Achse ist, müssen wir gar nichts rechnen, sondern nur noch ablesen, auf welcher Höhe sich die unterste blaue Linie über 0,5 m/s befindet.
Das Ergebnis ist dann die Anfangsdruckdifferenz bei unserem Zielvolumenstrom und beträgt 43 Pa.
Diesen Wert merken wir uns ebenfalls und addieren ihn zur Druckdifferenz, die wir beim HEPA-Filter herausbekommen hatten.
Die Summe aus beiden ist der Druck, den der Lüfter aufwenden muss, um den Zielvolumenstrom durch Vorfilter und Hauptfilter zu blasen, mit anderen Worten das Minimum an Lüfterleistung, welches wir benötigen.
140 Pa + 43 Pa = 183 Pa
Anfangs... das gilt also nur solange, wie Vor- und Hauptfilter neu und sauber sind.
Hier jetzt - wie in vielen Tutorials - den Wert für den Vorfilter nicht zu berechnen und zu sagen, es reicht, ich nehme einen Lüfter, der ein bisschen stärker ist und regele ihn anfangs herunter, finde ich zu hastig. Da ist die Gefahr groß, dass "ein bisschen stärker" viel zu klein ausfällt und der mühsam gebauten Filterbank viel zu schnell die Puste ausgeht. Wenn man aber an diesem Punkt ein wenig weiter denkt, findet man schnell heraus, wie stark der ideale Lüfter sein müsste.