Optimierung von Filterelementen

Wachsende Anforderungen im Hinblick auf Filtrationseffizienz, Schmutzaufnahmekapazität und Standzeit lassen die Optimierung von Filterelementen zu einer immer größeren Herausforderung werden. Es zeigt sich, dass eine rein empirische Herangehensweise auf der Basis von Prototypen zu zeitaufwendig und kostspielig ist.

FiltEST - Filter Element Simulation Toolbox

Wachsende Anforderungen im Hinblick auf Filtrationseffizienz, Schmutzaufnahmekapazität und Standzeit lassen die Auslegung und Optimierung von Filterelementen zu einer großen Herausforderung werden. In immer mehr Anwendungsfeldern der Filtration zeigt sich, dass eine rein empirische Herangehensweise auf der Basis von Prototypen zu zeitaufwendig und kostspielig ist. 

Eine Simulation unterstützt die Entwickler bei diesem Spagat: Sie berechnet alle relevanten Filterdesigneigenschaften – etwa Reinigungsleistung und Standzeit – und erlaubt somit eine effiziente, kostengünstige Entwicklung.

FiltEST Simulation
© Foto ITWM

Zylindrisches Gehäuse mit gefaltetem Filtermedium (Sternfilter), seitlichem Einlassbereich (rot) und zentralem Auslass (grün).

Modellierung und Simulation von Filtrationsprozessen

Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und die Produktentwickler bei der optimalen Auslegung zu unterstützen, entwickeln wir die Filter Element Simulation Toolbox (FiltEST). Über ein Jahrzehnt Expertise und Erfahrung in der Modellierung und Simulation von Filtrationsvorgängen sind in dieser Simulationssoftware gebündelt.

 

FiltEST verwendet spezialisierte Modelle und numerische Verfahren

  • zur Simulation der Strömung durch das Filtergehäuse und die Filtermedien
  • zur Simulation des Partikeltransports und ihrer Abscheidung
  • zur Berechnung der Entwicklung der Permeabilitätsverteilung sowie des Differenzdrucks infolge der Beladung

Die in FiltEST eingesetzten Filtrationsmodelle sind in der Lage, eine Reihe von dynamischen Effekten während der Filtration abzubilden. Dazu zählen sowohl das Zusetzen von Medien (clogging) als auch das Auswaschen von zuvor abgelagerten Partikeln (Reemission).

Die zughörigen Modellparameter für die Filtration und die Permeabilitätsentwicklung können aus Standardeffizienztests für die Filtermedien gewonnen werden. In vielen Fällen ist somit kein zusätzlicher Messaufwand zur Modellkalibrierung nötig.

Optimierung der Auslegung durch Simulationsstudien

Stromliniendarstellung der Fluidgeschwindigkeit
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Numerisch berechnete Strömung durch das Filterelement: Stromliniendarstellung der Fluidgeschwindigkeit.

Effizienzsimulation
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Effizienzsimulation: Visualisierung der lokalen Partikelkonzentration.

FiltEST stellt den Anwendern »virtuelle« Prüfstände für Single- und Multipass-Tests zur Verfügung. Durch die flexible Implementierung dieser virtuellen Prüfstände kann die Software ein breites Spektrum an standardisierten Filtereffizienztests abdecken. Zudem können die in der Simulation verwendeten Teststäube aus mehreren Partikelgrößen (»Channels«) bestehen, was die Berechnung von Fraktionsabscheidegraden ermöglicht. Die Simulation rückt damit nicht nur näher an die realen Gegebenheiten, auch der Vergleich von Messungen mit Berechnungen wird erheblich erleichtert.

Mit diesen Möglichkeiten ausgestattet, können die Produktentwickler verschiedene Auslegungsparameter variieren und somit systematisch das optimale Design ihres Filterelements identifizieren. Insbesondere ermöglicht FiltEST die Sensitivitätsanalyse von Designänderungen, die bei der Realisierung als Prototyp mit erheblichem Aufwand verbunden wären. Dazu zählen die Variation von:  

  • geometrischen Eigenschaften des Gehäuses, Form und Positionierung von Stützstrukturen (z.B. Gitter, Rippen),
  • geometrischen Eigenschaften der Filtermedien (z.B. Faltenabstand und -form),
  • Kombinationen von Filtermedien und Änderung der individuellen Mediendicken.

Kurz, FiltEST versetzt Produktentwickler in die Lage, verschiedene Filterauslegungen vor der Prototypenphase zu analyisieren und zu beurteilen.

Integration in den CAE-Workflow und Visualisierung

Filterfalte mit zwei Filterlagen
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Filterfalte mit zwei Filterlagen. Verteilung der Konzentration (rot = hoch, blau = niedrig) für kleine (oben) und große (unten) Partikel.

CAD-Daten können im Form von STL-Oberflächen importiert und mit Hilfe des eingebauten Gittergenerators in Rechengitter umgewandelt werden. Die Ergebnisse der Effizienzsimulationen werden als textbasierte Tabellen abgespeichert, die sich leicht mit jeder gebräuchlichen Worksheetsoftware (z.B. MS Excel®, OpenOffice, LibreOffice) zur weiteren Bearbeitung einlesen lassen.

Die Simulationsergebnisse auf dem Rechengitter werden im offenen VTK-Format gespeichert und können sowohl mit dem mitgelieferten Visualisierungstool als auch mit Open-Source-Software (z.B. Paraview, VisIt) betrachtet werden. Die 3D-Darstellung des Geschwindigkeitsfeldes, der Druckverteilung, Partikelkonzentrationen und lokalen Abscheidung versetzt die Anwender in die Lage, in das Filterelement während des Betriebs "hineinzuschauen", was wertvolle Hinweise auf mögliche weitere Designverbesserungen liefert.

Kopplung mit Strukturmechaniksimulationen für poröse Materialien

FiltEST-Simulationen können mit FeelMath, einer sehr effizienten Strukturmechaniksoftware des Fraunhofer ITWM für Verbundwerkstoffe und poröse Materialien, gekoppelt werden.

Dadurch ergeben sich tiefere Einblicke in das komplexe Zusammenspiel von Strömungseigenschaften (z.B. Permeabilität) und mechanischen Belastungen (z.B. Kompression) von Filtermedien.

Kopplung mit Strukturmechanik
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Kopplung mit Strukturmechanik (FeelMath): Kompression eines Filtervlieses auf Stützgewebe. Strömungsgeschwindigkeit mit Stromlinien (links), verformte Struktur des Mediums (mitte) und Druckverteilung der Strömung (rechts).