Digitalisierte Optimierung von Faltenfiltern

Gefaltete Filter bieten eine große Filteroberfläche bei vergleichsweise geringem Platzbedarf und werden daher in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt. Selbst bei geringer Verfügbarkeit von Bauraum und anderen Einschränkungen verbleiben noch viele Freiheitsgrade bei der Auslegung von Faltenfiltern wie etwa die Faltenlänge, -weite (Faltenlegungsdichte) und die geometrische Form der Filterfalten an sich.

Eine rein empirische Herangehensweise zur Bestimmung einer optimalen Auslegung von gefalteten Filtern kann daher sehr zeitaufwendig und kostspielig werden. Um die Produktinnovation zu unterstützen und zu beschleunigen, entwickeln wir Modelle und Methoden zur rechnergestützten Optimierung von Faltenfiltern.

Strömungsoptimierung von Filterfalten

Um die Faltenauslegung mit dem niedrigsten Differenzdruck im unbeladenen Zustand zu identifizieren, können sowohl analytische Modelle als auch problemangepasste Strömungssimulationen (CFD) verwendet werden. Die simulationsgestützte Methode bietet den zusätzlichen Vorteil, dass diejenige Faltengeometrie bestimmt werden kann, die einen geringen Differenzdruck sowie eine möglichst gleichförmige Anströmung der Oberfläche des Filtermediums aufweist.

Rekonstruktion der CT-Aufnahme einer Falte mit Prägung
© Fraunhofer ITWM

Rekonstruktion der CT-Aufnahme einer Falte mit Prägung

Optimierung der Filtereffizienz

Die Filterfaltenform ist so zu gestalten, dass sie eine hohe Schmutzaufnahmekapazität und zugleich eine möglichst lange Standzeit gewährleistet.

Um dies mit Hilfe von Simulationen vorhersagen zu können, widmen wir uns der Entwicklung und Verbesserung von

  • Filtrationsmodellen zur numerischen Simulation der Faltenbeladung (Tiefen- und Kuchenfiltration)
  • und Permeabilitätsmodellen, die die Änderung des Strömungswiderstands infolge der Beladung – und damit die zeitliche Änderung des Differenzdrucks – bei der Simulation berücksichtigen.

Die hierfür benötigten Werte der Modellparameter lassen sich aus Effizienztests gewinnen, die an Flachproben der eingesetzten Filtermedien durchgeführt werden. Speziell ermöglichen Simulationsstudien zu mehrlagigen Medien, die optimale Kombination von Filtermaterialien für die gegebene Anwendung zu finden, ohne hierfür Prototypen fertigen zu müssen.

Berücksichtigung der Vorprägung des Filtermediums in der Simulation: Unterschiedliche Durchströmung und Abscheidungsverteilung bei Vernachlässigung (links) bzw. Berücksichtigung der Materialverdichtung (rechts).
© Fraunhofer ITWM

Berücksichtigung der Vorprägung des Filtermediums in der Simulation: Unterschiedliche Durchströmung und Abscheidungsverteilung bei Vernachlässigung (links) bzw. Berücksichtigung der Materialverdichtung (rechts).

Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen auf die Filtercharakteristik

In den meisten Fällen führt das Plissieren zu Verdichtungen im Filtermaterial, vor allem in Faltenspitze und –grund. Dies gilt besonders, wenn zusätzlich eine Vorprägung des Filtermediums vorgenommen wird. Diese Heterogenität der Materialverteilung ist ein wesentlicher Grund dafür, dass bei gleicher Medienfläche die Standzeit und Schmutzaufnahmekapazität eines Faltenfilters oft niedriger ausfallen als bei einer entsprechenden Flachprobe.

Auf der Grundlage der Materialverteilung in realen Filterfalten entwickeln wir Modelle und Simulationstechniken, die diese Fertigungseinflüsse berücksichtigen. Wesentlich sind hierbei die Beziehungen zwischen Materialanteil, Permeabilitätsverteilung und lokalen Filtrationseigenschaften. Die Verwendung dieser erweiterten Modellierung bei Simulationen führt zu besseren und verlässlicheren Vorhersagen der Standzeit. Zudem kann die Untersuchung des Einflusses der fertigungsbedingten Materialverdichtungen auf die Filtercharakteristik Hinweise zur Verbesserung der Fertigung liefern.

 

Produkte und Leistungen

Modellierung und Simulation:

  • Entwicklung spezialisierter Simulationssoftware für Strömung und Filtration (z.B. FiltEST)
  • Analytische und numerische Modellierung des Differenzdrucks in Abhängigkeit von Faltenlänge, -weite etc
  • Simulationsstudien als Dienstleistung
  • Beratung bei der Etablierung von Simulationswerkzeugen und ihrer Integration in den Produktentwicklungsprozess

Experimentelle Dienstleistung und Qualitätskontrolle: