FEM + CFD: Wenn es im Filter kracht

Filteranlagen sind langweilig? Nicht bei Merkle CAE Solutions. Und schon gar nicht, wenn sie unter Erdbebenlasten auf 14 Meter Höhe montiert werden – oder wenn sie Filterkuchen per Luftstoß abschütteln sollen. BOKELA GmbH hat uns mit gleich mehreren Projekten betraut, die zeigen, wie vielseitig und sinnvoll Simulation sein kann – sowohl mit FEM als auch CFD.

Ein Scheibenfilter ist eine Maschine, die Feststoffe aus Suspensionen herausfiltert – z. B. Abwasser oder Prozessflüssigkeit. Er besteht in der Regel aus mehreren runden Scheiben, die nebeneinander auf einer Welle montiert sind – wie CDs auf einem Spieß – wobei sich die untere Hälfte der Scheiben in einem mit Suspension gefüllten Trog befindet, während die obere Hälfte im Freien ist.

Filtern
Die Scheiben bestehen aus einzelnen Segmenten, die wiederum mit einem Filtertuch bespannt sind. Die Suspension im Trog wird mittels Vakuums durch diese Filtertücher angesaugt. Dabei bleiben die Feststoffpartikel am Filtertuch hängen – es bildet sich der sogenannte Filterkuchen.

Entfeuchten & abwerfen
Die Welle mit den Scheiben dreht sich kontinuierlich mit bis zu sechs Umdrehungen pro Minute. Sobald ein Segment aus dem Trog auftaucht, wird statt der Suspension nur noch Luft angesaugt – der feuchte Filterkuchen wird dadurch getrocknet. Kurz vor dem Wiedereintritt in den Trog wird der Filterkuchen durch einen kurzen Druckluftstoß, der das Filtertuch leicht aufbläht, vom Segment abgeworfen und fällt durch einen Schacht auf ein Förderband. An dieser Stelle hat der Filterkuchen – je nach Anwendungsfall – weniger als 20 % Restfeuchte.

Weiterfiltern
Das vom Filterkuchen vollständig befreite Segment taucht wieder in den Trog ein und ein neuer Zyklus aus Ansaugen – Trocknen – Abwerfen beginnt

Warum Scheibenfilter?
Weil sich durch die kompakte Bauweise eine große Filterfläche auf engem Raum realisieren lässt. Dadurch sind Scheibenfilter sehr effizient, kompakt und kontinuierlich einsetzbar – besonders in der Papierindustrie, Bergbau oder Chemie.

Im ersten Projekt ging es ganz konkret um die Fragestellung: Hält der Scheibenfilter, was er verspricht – auch bei einem Erdbeben? Der Filter steht nämlich nicht am Bodensee oder im Schwarzwald, sondern soll in einem 28 Meter hohen Gebäude in Griechenland eingebaut werden – in seismisch aktiver Zone.

Unsere Aufgabe: Eine FEM-Analyse zur Erdbebenprüfung nach Eurocode.

Das Vorgehen in Kurzform:

• Modellaufbau in SpaceClaim
• Vernetzung und Modellierung in ANSYS
• Berücksichtigung aller Kontaktbedingungen (lineare und nichtlineare Kontakte, Verschraubungen, Lager)
• Belastung mit Eigengewicht, Druck, Erdbebenbeschleunigung (nach EAK2000) und Kombinationen
• Nichtlineare Auswertung inklusive plastischer Verformung

Ergebnis?

Trotz hoher Beanspruchung durch horizontale Beschleunigung von 2,84 m/s² blieben alle Bauteile unterhalb der zulässigen Gesamtdehnung von 5 %. Die FEM-Simulation zeigte:

• maximale lokale Gesamtdehnung von 2,34 %
• keine unzulässige Überschreitung der Grenzwerte
• Sicherheit auch im Worst Case (Erdbebenlast mit 1,375-fachem Lastfaktor)

Auch die Schrauben hielten dicht: Die M12- und M24-Bolzen wurden bis max. 89 % ausgelastet – also ebenfalls innerhalb der Norm.

Während FEM auf Verformung und Festigkeit schaut, geht es beim zweiten Projekt um Luft – genauer gesagt: um das gezielte „Abwerfen“ von Filterkuchen mit Druckluftstößen.

Ziel: Herausfinden, ob alle Zellen einer rotierenden Filtereinheit gleichmäßig mit Druckluft versorgt werden – auch bei erhöhter Drehzahl. Der Verdacht: Das letzte Segment funktionierte nicht mehr zuverlässig.

Unsere Aufgabe:
CFD-Analyse eines rotierenden Verteilersystems mit mehreren Zellen und porösen Medien (Filtertuch + Lochblech). Klingt technisch? Ist es auch – aber spannend!

Was haben wir gemacht?

• CFD-Modell mit 17 Millionen Volumenelementen
• Rotation des Systems durch Bezugssystemwechsel
• Simulation des Druckaufbaus und des Volumenstroms in den Zellen
• Analyse der Druckverhältnisse, Rückströmungen und Strömungstopologie

Erkenntnis?
Die Strömung war stabil, gleichmäßig und zuverlässig – auch bei höherer Drehzahl. Das eigentliche Problem konnte nicht aerodynamisch begründet werden.
Kleiner Bonus: Selbst bei verändertem Filterwiderstand oder größerem Volumenstrom blieb die Volumenstromverteilung nahezu identisch. CFD sagt: Alles im grünen Bereich.

Und weil uns das Thema noch nicht losließ, folgte ein drittes Projekt – diesmal mit Fokus auf eine Restfüllung von ca. 1 Liter Filtrat im Verteiler.

Hier war die Hypothese: Verbleibt beim Entfeuchten des Filterkuchens Wasser in der Zu-/Ableitung, könnte es beim Druckluftstoß mitgerissen werden und den Luftweg zum letzten Segment blockieren.

Unsere Aufgabe diesmal: Multiphase-CFD-Simulation mit Luft und Wasser.

Highlights:

• Dynamische Betrachtung des Filtratvolumens
• Visualisierung der Strömungsgeschwindigkeit & Wasseranteile
• Druckdifferenzen an den Auslässen analysiert

Und was kam raus?

Ja, es gibt etwas mehr Luft durch Outlet 2 – etwa 3 % mehr. Und ja, das Wasser wird nach und nach ausgetragen. Aber der Effekt ist moderat, der Druckabfall bleibt im Rahmen (max. 0,31 bar bei Outlet 1).

Fazit: Eine Versperrung durch Wasser ist möglich, aber nur bei besonderen Randbedingungen relevant.