Individuelle Lösungen für Filtrationsprobleme

Fraunhofer ITWM simuliert und optimiert Filtrationsprozesse

Filter werden in vielen Bereichen der Industrie und des täglichen Lebens eingesetzt, um Menschen vor toxischen oder allergenen Stoffen zu schützen und die Funktionsfähigkeit von Maschinen zu erhalten. Sie müssen an ihren jeweiligen Einsatzbereich angepasst sein, d.h. Reinraumfilter müssen selbst kleinste Staubpartikel aus der Luft filtern, während Ölfilter weitaus durchlässiger sein müssen. Für jedes Filtrationsproblem existiert also eine ganz spezifische Lösung.

Auf konventionellem Weg, d.h. über das Konstruieren und Testen von Prototypen, ist diese jedoch nur sehr zeit- und kostenaufwändig zu finden, da sowohl die Filtereffizienz als auch die Aufnahmekapazität von Filtern durch das komplexe Zusammenspiel vieler Faktoren bestimmt werden; dazu zählen die physikalisch-chemischen und geometrischen Eigenschaften der Einzelfasern, die geometrische Anordnung der Fasern im Filtergewebe, die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit sowie Größe, Masse und Form der Teilchen.

Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern hat eine Software entwickelt, die diese wichtigen Filterparameter berücksichtigt und die Partikelfiltrationseigenschaften einer Mikrostruktur virtuell ermittelt. Die Mikrostruktur, die als Eingabe in die Simulation dient, kann entweder virtuell erzeugt und nach Belieben im Computer verändert oder aus der Rekonstruktion von dreidimensionalen Computertomografien realer Filter gewonnen werden. Die Strömung durch diese Mikrostruktur wird mit Hilfe des ITWM-eigenen Tools, das sich besonders für komplexe Strukturen eignet, berechnet. Es berücksichtigt die unterschiedlichen Filtrationsmechanismen für große und kleine Teilchen und berechnet Filtereffizienzen, Partikeldurchmesser, Verteilung der Schmutzbeladung des Filters, Verstopfen des Filters durch große Teilchen, Einfluss von Adhäsionskräften auf die Schmutzablösung. Damit die Teilchen in Kontakt mit den Fasern kommen können, werden sowohl ihre Trägheit als auch der Einfluss der Brown´schen Molekularbewegung der Flüssigkeit berücksichtigt, die je nach Temperatur und Viskosität unterschiedlich sind. Somit ist es möglich, im Detail die Filtereffizienz einer Mikrostruktur in Abhängigkeit von Flüssigkeits- bzw. Lufteigenschaften und Teilchengröße zu bestimmen; insbesondere kann die Teilchengröße mit der größten Eindringtiefe virtuell in der Simulation ermittelt werden. Auch die Verteilung der Schmutzbeladung im Filter sowie das Zusetzen von Filtern kann im Detail ohne aufwändige experimentelle Tests untersucht werden.

Die ITWM-Software ist deshalb ein wesentlicher Schritt in Richtung des virtuellen Materialdesigns von Filtermedien; auf der Fachmesse „Filtech“ in Düsseldorf stellt das Institut derzeit sein Tool vor.