Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des strömungs- und strukturmechanischen Verhaltens von Filtermedien und Filterelementen beim Betrieb

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Beschreibung der Verformung von durchströmten Filtermedien, wie sie u.a. beim Betrieb von Filterelementen in der Antriebstechnik (Kraftstoff-, Luft-, Ölfilter) und der (mobilen) Hydraulik auftreten. Konstruktive Maßnahmen zur mechanischen Stabilisierung von Filtereinsätzen werden bislang noch überwiegend auf der Basis von Erfahrungswerten ergriffen, was zu einem hohen Aufwand bei der Bauteilauslegung führt. Im Rahmen des Projekts soll die strömungsinduzierte Verformung von Filtermedien systematisch experimentell untersucht werden, wobei der Schwerpunkt auf Filtervliese für die Fest-Flüssig-Trennung gelegt wird. Dazu werden die Filtermedien im Hinblick auf die relevanten mechanischen Eigenschaften unter Berücksichtigung von Temperatur und Alterung charakterisiert und die Verformung für verschiedene Volumenströme und Fluide experimentell erfasst. Die Beobachtungen werden in mechanische Materialmodelle umgesetzt und es wird eine geeignete Simulationsmethode implementiert, in der struktur- und strömungsmechanische Berechnung problemangepasst miteinander gekoppelt werden. Hierfür werden Verfahrensweisen entwickelt, die eine Ableitung der benötigten Modellparameter aus den mechanischen Prüfungen der „trockenen“ Filtermaterialien gestatten. Die Ergebnisse des Vorhabens versetzen Hersteller und Anwender von Filtermedien und -elementen in die Lage, die unter Betriebsbedingungen zu erwartenden Verformungen der Filtereinsätze und ihre Auswirkungen auf den Druckverlust bereits im Vorfeld qualitativ und quantitativ abzuschätzen, sodass der Aufwand bei der Produktentwicklung und -innovation deutlich reduziert werden kann. Insbesondere KMU werden von der simulationsunterstützten Entwicklung und experimentellen Erkenntnisse zum Deformationsverhalten der Filtermedien profitieren, da sie durch die Herstellung innovativer und an Betriebsparameter angepasster Filtermedien einen Wettbewerbsvorteil am Markt erlangen können.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurden durch mechanische Untersuchungen an Filtermedien deren Eigenschaften ermittelt. Es werden vor allem ungewebte Filtervliese untersucht. Die Ergebnisse dieser Charakterisierung in Druckversuchen, Zugversuchen und Biegeversuchen sind Materialkennwerte wie Elastizitätsmodul oder Poissonzahl. Sie werden zur Entwicklung mathematischer Modelle zur Vorhersage der Filtermitteldeformation im Betrieb verwendet. Die Ergebnisse der Simulationen werden mit experimentellen Untersuchungen in einer speziell entwickelten Durchströmungsanlage verglichen. Es werden mithilfe dieser Experimente und passenden Simulationen numerische Modelle entwickelt, die speziell für die Vorhersage von Filtermitteldeformationen bei der Fest-Flüssig-Trennung verwendet werden können. Sie berücksichtigen strukturelle Eigenschaften der Medien und können somit in der praktischen Anwendung verwendet werden, um auf Basis einfacher mechanischer Tests der Filtermedien eine Simulation der Durchströmungsverformung zu erhalten. Die Untersuchungen beinhalten auch eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch eine mehrfache Verwendung oder einen Betrieb bei erhöhter Temperatur, sodass die Modelle ein breites Anwendungsspektrum abdecken können.