ITWM bietet simulationsbasierte Lösungen für Filtrationsanwendungen

Filter werden in vielen Bereichen der Industrie und des täglichen Lebens eingesetzt. Sie schützen Menschen vor toxischen oder allergenen Stoffen und erhalten die Funktionsfähigkeit von Maschinen. Vor allem müssen Filter an ihren jeweiligen Einsatzbereich angepasst sein. Reinraumfilter müssen selbst kleinste Staubpartikel aus der Luft filtern, Ölfilter hingegen müssen im Hinblick auf den Differenzdruck weitaus durchlässiger sein. Für jede Filtrationsanwendung existiert also eine ganz spezifische Lösung.

Konventionell werden Prototypen konstruiert und getestet. Dies ist sehr zeit- und kostenaufwändig, da sowohl die Filtereffizienz als auch die Aufnahmekapazität von Filtern durch das komplexe Zusammenspiel vieler Faktoren bestimmt werden. Zu den Faktoren zählen auf der Ebene der Filtermedien u.a. die physikalisch-chemischen und geometrischen Eigenschaften der Einzelfasern, die räumliche Anordnung der Fasern im Filtergewebe, die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit sowie Größe, Masse und Form der zu filternden Partikel. Auf der Ebene der Filterelemente sind u.a. die Gehäuseform, die Form der eingesetzten Filtermedien (z.B. gefaltet und/oder flach) und die Kombination verschiedenartiger Medien in einem Filterelement als interagierende Einflussfaktoren entscheidend für die Leistung des Bauteils.

Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern entwickelte seit 2001 die Software GeoDict. Mit GeoDict können die Filtrationseigenschaften eines Filtermediums virtuell ermittelt werden. Die Mikrostruktur, die das Filtermedium in der Simulation repräsentiert, kann entweder virtuell nach Vorgabe bestimmter Spezifikationen erzeugt oder aus der Rekonstruktion von drei-dimensionalen Computertomografien realer Filter gewonnen werden. Durch eine speziell für komplexe Materialstrukturen entwickelte Strömungssimulation sind wichtige Eigenschaften wie z. B. die Permeabilität der Mikrostruktur ermittelbar. Das Modul FilterDict berücksichtigt die unterschiedlichen Filtrationsmechanismen für große und kleine Partikel und berechnet die Filtereffizienz sowie die Verteilung der Schmutzbeladung des Filters (Tiefen- und Kuchenfiltration). Durch Berücksichtigung des Strömungswiderstandes der abgelagerten Partikel kann der Differenzdruck bei Durchströmung des beladenen Mediums bestimmt werden. Die Mikrostruktur kann mit GeoDict auch verändert werden (virtuelles Materialdesign), was den Bedarf an aufwändigen Tests mit real erzeugten Medien reduziert. Seit Januar 2013 wird GeoDict von der Math2Market GmbH, einer Ausgründung des Fraunhofer ITWM, weiterentwickelt und vermarktet.

Seit 2002 entwickelt das Fraunhofer ITWM Modelle und numerische Methoden, die Ingenieure bei der Auslegung des gesamten Filterelements unterstützt. Diese Kenntnisse und Erfahrungen sind nun in FiltEST, der Filter Element Simulation Toolbox, gebündelt worden. FiltEST versetzt die Entwickler von Filterelementen in die Lage, frühzeitig und zuverlässig Qualität und Leistungsfähigkeit eines Designs einzuschätzen. Die Software beinhaltet u.a. Module zum Importieren von CAD-Geometrien und Berechnungsmodule für die Vorhersage des Strömungsfeldes, der Filtrationseffizienz sowie der Differenzdruckentwicklung bei Beladung. Die Simulationsergebnisse werden in Datenformate für die effektive 3D-Visualisierung und weitere Post-Processing-Schritte exportiert.

GeoDict und FiltEST können auch miteinander gekoppelt eingesetzt werden, so dass die Simulation von Filtrationsprozessen auch das komplexe Zusammenspiel von Effekten auf der Mikro- und der Makroskalenebene widerspiegelt. GeoDict und FiltEST sind deshalb wesentliche Schritte in Richtung des virtuellen Designs von Filterelementen und -medien.

In praktischen Anwendungen werden die strukturmechanischen Eigenschaften von Filtermedien immer relevanter. Für die Mikrostruktur sind bereits Simulationswerkzeuge vorhanden, mit deren Hilfe die effektiven elastischen Eigenschaften eines Mediums aus den Daten des Fasermaterials berechnet werden können (FeelMath, ElastoDict). Diese Ergebnisse können dann für die Simulation der strömungsinduzierten Verformung des Mediums auf Gehäuseebene benutzt werden.

Das Fraunhofer ITWM präsentiert diese und viele andere Entwicklungen auf dem Gebiet der Filtration und Separation wieder auf der FILTECH 2018 in Köln, Stand A9.


Printed on 2017-12-18