A166

Konstitutive Werkstoffbeschreibung für warmfeste Kraftwerksstähle im Kriech- und Kriechermüdungsbereich

(A166 S 24/10003/2001)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2001 - 31. Dezember 2004

Um im schärfer werdenden Wettbewerb in der Filtrationstechnik erfolgreich bestehen zu kön-nen, bedarf es fundierter Bewertungsmethoden und Messverfahren, um Filtermedien vergleichen zu können. Die meistverwendeten Bewertungsgrößen sind die Filtermittelfeinheit, der Trenngrad und die Trennschärfe, die Schmutzaufnahmekapazität und die Permeabilität, d. h. der Druckverlust der Filtermedien im unbeladenen Zustand, dargestellt als Funktion des Volumenstroms. Diese Richtwerte sind ohne Angabe ihrer Randbedingungen, unter denen sie ermittelt werden, zur Beurteilung der Filtrationseigenschaften kaum anwendbar. Dies ist dadurch bedingt, dass die Testmethoden für Filtermedien von Hersteller zu Hersteller bzw. von Anwender zu Anwender unterschiedlich gehandhabt werden. Man ist somit nicht standardisierten Charakterisierungsmethoden ausgeliefert, deren Messergebnisse aus der Praxis häufig zu subjektiven Interpretationen führen. Aufgabe des Forschungsprojektes war es deshalb, bekannte Bewertungsmethoden zu analysieren, den Einsatzbereich der ihnen zugrunde liegenden Messap-paraturen einzugrenzen und die Gültigkeit der Bewertungsverfahren offen zu legen bzw. diese fundiert zu belegen, um geeignete Werkzeuge zur Analyse, zum Design und zur Optimierung von Filtergeweben aus Metalldrähten auszuwählen.

Gegenstand des ersten Arbeitsabschnitts war die Gegenüberstellung und Beurteilung von Me-talldrahtgeweben, Kunststoffgeweben und von Filterelementen aus Keramik. Die Aufnahme der Leistungskennparameter bzw. Bewertungsgrößen erfolgte unter Einsatz eines konventionellen, am Markt erhältlichen und mit einem selbst gefertigten Porometer zur Erfassung der Filterfeinheit und deren Verteilung sowie einer eigens entwickelten Nasssiebapparatur zur Bestimmung des Trennkorns, des Trenngrades und der Trennschärfe. Im Rahmen der Aufgabenstellung wurde sowohl ein Filtrationsprüfstand zur Untersuchung von Flüssig/Feststofftrennvorgängen als auch ein Gas/Feststofffilterprüfstand konzipiert und gefertigt. Einerseits dienten diese Prüfstände zur Ermittlung der Schmutzaufnahmekapazität und zur Beobachtung der Filtermedienregeneration, und andererseits zur Messung des Druckverlustes als Funktion der Zeit bei Varia-tion der Staubkonzentration. Mit einem weiteren Versuchsstand konnte die Permeabilität der Filtermedien erfasst und quantifiziert werden.

Die vorwiegend experimentellen Untersuchungen zeigten deutlich die filtrationstechnischen Vorteile der Metalldrahtgewebe gegenüber den polymeren Geweben und den Filtermedien aus Keramik auf. Die Unterschiede können vergleichbar und quantifizierend dargestellt werden.

Ein Schwerpunkt der Arbeit war die Bestimmung der Filtermittelfeinheit und des Druckverlustes von Metalldrahtgeweben unterschiedlichster Bindungsarten. Theoretische Überlegungen und Berechnungen ermöglichen die Vorhersage der maximalen Porengröße von glatten Tressen-, Panzertressen-, Betamesh- und von Köpertressengeweben. Die maximale Porengröße ist hierbei als Durchmesser einer Kugel definiert, welche gerade noch durch eine Maschenöffnung treten kann. Diese Größe wird auch als absolute Filterfeinheit oder Trennteilchengröße bezeichnet. Die aus den mathematischen Beziehungen resultierenden Ergebnisse zur Filtermedienfeinheit wurden mit Hilfe vibrationsunterstützter Nasssiebung und mittels geometrischer Ähnlichkeitsmodelle überprüft. Zur Verfügung stehen nun mathematische Hilfsmittel, die es dem Hersteller erlauben, der vom Anwender geforderten Filtratqualität bereits im Vorfeld der Fertigung Rechnung zu tragen. Sie erlauben, den filtermedienspezifischen, technologischen Grenzbereich für die jeweiligen Webarten vorauszusagen. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung der Porengröße durch Messung des Kapillardruckes unter Einsatz einer speziell entwickelten Apparatur zur visuellen Beobachtung der Ausbildung und der Bewegung von Gasblasen durch flüssigkeitsbenetzte Drahtgewebe. Es handelt sich um einen Porometer, der dem industriellen Anwender wichtige Qualitätskriterien zur Filtermittelfeinheit unter Produktionsbedingungen liefert. Erarbeitet wurden mit Unterstützung numerischer Simulationsmethoden Rechenmodelle, mit denen es gelingt, Aussagen zu treffen, bei welchen Messbedingungen die Dynamik des Bla-senbildungsprozesses die Messergebnisse beeinflusst und verfälschen kann. Dieser Blasenbildungsvorgang charakterisiert den resultierenden Kapillardruck, der ein Maß ist für die maximale Porengröße bzw. Filtermittelfeinheit. Aufgezeigt werden kann, wie sensibel das Kapillardruck-messverfahren auf kleine Änderungen geometrischer Parameter reagiert, und dass gesicherte Aussagen bezüglich der Filtermittelfeinheit nur möglich sind bei Kenntnis der Webart und der Drahtgewebegeometrie. Somit steht dem Hersteller von Geweben ein in seiner Handhabung relativ einfaches und schnelles Prüfverfahren zur Verfügung.

In Anlehnung an strömungstechnische Modellbetrachtungen, Ergebnissen aus numerischen Strömungssimulationen und experimentellen Untersuchungen wurden Ähnlichkeitsgesetze und Modellregeln zum Strömungswiderstand aufgestellt. Ermittelt wurde der sich einstellende Druckverlust beim Durchströmen der Gewebe. Das Widerstandsverhalten von Quadratmaschen-, glatten Tressen-, Panzertressen-, Betamesh- und Köpertressengeweben lässt sich durch die Eulerzahl als Funktion der Porosität, der spezifischen Oberfläche, dem Teilungsverhältnis und dem Drahtdurchmesserverhältnis sowie der Reynoldszahl beschreiben. Aus diesen Untersuchungen lässt sich die relevante Kenngröße Permeabilität ableiten. Die hergeleiteten Ähnlichkeitsgesetze sind von universeller Natur. Der Durchflusswiderstand kann nun rechnerisch unter Vorgabe der geometrischen Gewebedaten für unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten und Stoffsysteme ermittelt werden. Zusätzlich ermöglichen die physikalischen Modelle und mathematischen Beziehungen die Ermittlung der Gewebeporositäten und der spezifischen Oberfläche, die ebenfalls einer experimentellen Überprüfung unterzogen wurden. Damit steht dem Hersteller ein weiteres wichtiges Instrument zur Charakterisierung der Gewebe zur Verfügung, ohne dass dieser einen zeitraubenden, experimentellen Aufwand betreiben muss.

Forschungsstelle 1:
Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt (lfW)
www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Christina Berger

vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA für FKM), Frankfurt

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF