Simulation

Wesentliche Bestandteile der Auslegung von Filteranlagen sind die Ermittlung der erforderlichen Filterfläche, des Druckverlustes des Filtermediums wie des gesamten Filterelements sowie der im Filterelement auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten. Die benötigte Filterfläche ergibt sich aus dem zu filtrierenden Volumenstrom und der für die Trennaufgabe optimalen Filteranströmgeschwindigkeit. Aus der Filterfläche und der Filterbauart resultiert die Baugröße eines Filters, und die Bauart ist neben dem eingehenden Volumenstrom auch maßgeblich für die auftretenden Strömungszustände. Die Kenntnis des Wärmeübergangs ist von Bedeutung, wenn beispielsweise heiße Flüssigkeiten oder Gase filtriert werden, oder sehr hohe Drücke beziehungsweise Druckunterschiede auftreten, die starke Temperaturänderungen zur Folge haben.

Neben Labor- und Pilotversuchen mit den zu filtrierenden Medien nutzen wir Methoden der numerischen Strömungsmechanik, um die Zahl der Versuche auf ein Minimum zu reduzieren und Entwicklungszeiten zu minimieren. Mit Hilfe unserer Simulationssoftware werden Strömungs- und Wärmeanalysen an Filtergeometrien durchgeführt. Das Ergebnis sind strömungsoptimierte Filter, die weder Toträume aufweisen noch Strömungsregionen beinhalten, in denen durch unerwünschte Turbulenzen zu viel Strömungsenergie dissipiert wird. 

Druckverluste

Der Druckverlust durch ein Filtermedium lässt sich in Abhängigkeit von der mittleren Anströmgeschwindigkeit vF, der Viskosität η und der Dichte ϱ des strömenden Mediums in folgender Form beschreiben:

$$\Delta p = K_1\cdot \eta \cdot v_F + K_2\cdot \rho\cdot {v_F}^2 .$$

Die beiden Konstanten K1 und K2 sind vom jeweiligen Filtermedium abhängige Widerstandsbeiwerte. Der erste, von der Viskosität abhängige Summand der Gleichung steht für den Anteil der laminaren Durchströmung des Mediums, während der zweite Summand den Beitrag einer turbulenten Strömung beschreibt. In einigen Anwendungen ist der turbulente Anteil vernachlässigbar, und der Druckverlust lässt sich durch die Darcy-Gleichung abbilden:

$$\frac{dp}{dz} = \frac{1}{k( \epsilon )} \cdot \eta \cdot v_F .$$

Wobei der Parameter k(ε) als Darcy-Konstante bekannt ist, der von der Porosität ε des zu durchströmenden Mediums abhängt. Ob die betrachtete Strömung laminar ist oder der turbulente Anteil mit betrachtet werden muss, hängt von den hydraulischen Verhältnissen im Filter und der Rheologie des Fluids ab. Die in der ersten Gleichung angegebenen Konstanten wie die Darcy-Konstante sind Ausdruck für das Widerstandsverhalten der zu durchströmenden Schichten. Damit ist nicht nur das Filtermedium gemeint, sondern auch der sich innerhalb eines Filtrationszyklus‘ bildende Filterkuchen, dessen Dicke mit der Filtrationszeit zunimmt und dessen Porosität sich sowohl mit der Zeit als auch über seine Höhe ändern kann. Abhängig von der Kompressibilität des Filterkuchens und den Eigenschaften des Fluids kann die Lösung der vorab genannten Gleichungen deshalb in vielen Fällen nur iterativ erhalten werden.

Während bei den inkompressiblen Flüssigkeiten die Dichte sich nur mit der Temperatur in geringem Maße ändert, muss bei Gasen wegen ihrer Kompressibilität die Zustandsgleichung lokal gelöst werden.

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

Die Modellierung von Strömungszuständen innerhalb eines Filters wird komplexer, wenn es sich bei den zu filtrierenden Medien um Nicht-Newtonsche Fluide handelt. Newtonsche Fluide sind an ihrem linear viskosen Fließverhalten zu erkennen, d.h. ihre Viskosität η ist eine von der Temperatur abhängige Größe, berechenbar als Quotient aus auftretender Scherspannung τ und Schergeschwindigkeit γ:

$$\tau = \eta \cdot \dot{\gamma} .$$

Typische Beispiele für Newtonsche Fluide sind Wasser und viele verdünnte, wässrige Lösungen sowie alle Gase.

Nicht-Newtonsches Fließverhalten zeigen Lösungen sehr großer Moleküle wie beispielsweise Polymer- oder Tensidlösungen, Polymerschmelzen, Klebstoffe, Blut und viele der in verschiedenen Industriezweigen oder Lebensmitteln vorkommenden Dispersionen wie Druckfarben, Dispersionsfarben, Mayonnaise, Zahnpasta u.v.m. Dabei unterscheidet man verschiedene Erscheinungsformen Nicht-Newtonschen Fließverhaltens. Bei den strukturviskosen oder scherverdünnenden Fluiden nimmt die Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit  ab, wie beispielsweise bei Polymerschmelzen. Bei scherverdichtenden (dilatanten) Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit zu. Strukturviskose Fluide zeigen eine gewisse Elastizität, wie sie Festkörpern zu eigen ist. Manche Substanzen weisen eine definierte Fließgrenze auf (einen Mindestwert der wirkenden Schubspannung, bei dem das Fließen einsetzt). Das ist beispielsweise eine Eigenschaft, die bei Lackfarben oder Stoffgemischen, die in Tuben dargereicht werden, ausdrücklich gewünscht ist. Bei manchen Flüssigkeiten hängt die Viskosität nicht nur von der Schergeschwindigkeit an sich, sondern auch von deren zeitlicher Änderung ab, wodurch die Modellierung des Fließverhaltens durch die zusätzliche Variable Zeit im Stoffmodell komplexer wird.

Bei einigen Stoffgemischen kann  sich das Fließverhalten mit der Konzentration bestimmter Komponenten ändern, was bei der Auslegung von Filterprozessen, in denen Komponenten kontinuierlich aufkonzentriert werden, zu beachten ist. Für Nicht-Newtonsche Fluide existieren diverse Modelle, um die Anteile elastischen und viskosen Verhaltens unter Belastung vorherzusagen. Diese Modelle sind auf der Basis rheologischer Messungen entstanden und werden in die vorhandenen Modelle zur Strömungssimulation eingebettet. Damit gelingt es, auch das Strukturverhalten schwieriger Fluide zu berechnen.

Strömungssimulation

Neben Labor- und Pilotversuchen mit den zu filtrierenden Medien nutzen wir Methoden der numerischen Strömungsmechanik, um die Zahl der Versuche auf ein Minimum zu reduzieren und Entwicklungszeiten zu minimieren. Mit Hilfe unserer Simulationssoftware werden Strömungs- und Wärmeanalysen an Filtergeometrien durchgeführt. Dabei ist die Modellierung der Durchströmung mit allen gängigen Filtermedien möglich. Ebenso werden die rheologischen Eigenschaften einer Vielzahl von Fluiden abgebildet. Das sind neben den Standardfluiden Wasser, Öl, Luft, Methan oder Ammoniak auch Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten wie Polymerschmelzen und –lösungen oder Fluide in Phasenübergängen.

Ergebnisse der Simulation sind einmal die für die angestrebte Stofftrennung optimalen Betriebsparameter wie der Filtrationsdruck und gegebenenfalls die Temperatur, und daraus folgend benötigte Filterflächen und Zykluszeiten für Filtration und Rückspülung. Im Rahmen der Berechnungen wird die geeignete Konfektionierung des Mediums (ebene oder zylindrische Fläche, glatt oder plissiert) festgelegt. Die Filtermedien sind eingebettet in strömungsoptimierte Filtergehäuse, die weder Toträume aufweisen noch Regionen beinhalten, in denen durch unerwünschte Turbulenzen zu viel Strömungsenergie dissipiert wird. 

 

Dienstleistungsangebot / Strömungssimulation

Moderne Strömungssimulationen werden immer häufiger bei der ­Identifikation der Ursachen von ­Filtrationsproblemen, aber auch bei der Entwicklung der richtigen ­Filtrationslösung für kunden­spezifische Anwendungen eingesetzt. Die wesentlichen Hürden hierbei sind die wissenschaftliche Beschreibung der ­eingesetzten Filter­medien, als auch der vom Kunden eingesetzten, zu reinigenden Fluide. Dies gilt verstärkt dann, wenn es sich um nicht-newtonsche Flüssigkeiten handelt, also um solche, die Ihre ­Viskosität abhängig von der ins System eingebrachten Scherung verändern.

Seebach verfügt über weitreichende Erfahrungen in der Beschreibung von Fluiden, als auch der ­entsprechenden Filtermedien, so dass wir unseren Kunden spezifisch für Ihren Anwendungsfall entweder die bestehende oder eine optimale Filtrationslösung ­simulieren können.

Seebach ist in der Lage, nicht nur klassische Stoffe wie Gase und Flüssig­keiten sondern auch Polymere und Harze in ihrem Fließverhalten zu ­beschreiben.

Zur Simulation benötigen wir die folgenden Daten:
– Zeichnungen (besser 3D-Modelle) der bisherigen Filterlösung
– Angaben zu Durchsatz, Temperaturverhältnissen, Filterfeinheit und Filtermedium
– Fluiddaten (Dichte, Viskositätskurven, Temperaturübergangskoeffizienten, etc.)

Als Ergebnis stellen wir folgende Daten zur Verfügung (grafisch und als Diagramm):
– Zu erwartender Startdruckverlust
– Geschwindigkeitsprofil innerhalb des Filters
– Scherspannungs- und Viskositätsprofile
– Im Falle einer temperaturabhängigen Simulation: Temperaturgefälle

Je nach Güte der vorhandenen Daten benötigen wir:
– ca. 1 – 3 Arbeitstage für die Erstellung des Simulationsmodells
– ca. 1 – 3 Arbeitstage für die Definition der Fluid- und Filtermediendaten
und die Konfiguration der Simulation
– ca. 1 – 2 Arbeitstage für die Erstellung des Ergebnisberichtes


Für ein individuelles Angebot senden Sie Ihre Anfrage bitte an:   simulation@seebach.com

Das Seebach Dienstleistungsangebot als PDF finden Sie hier:     STROEMUNGSSIMULATION