Den Wasserfluss im Pressfilz sichtbar machen

CFD-Simulationen liefern neue Einblicke ins Innere von Pressfilzen. Die Erkenntnisse ebnen den Weg für innovative Lösungen für die mechanische Entwässerung von Papier.

Nach wie vor wird Papier im industriellen Prozess „nass“ hergestellt: Fasern werden in Wasser suspendiert, vereinzelt, transportiert und gleichmäßig zu einer Papierbahn abgelegt. Anschließend muss dieses Wasser wieder entfernt werden – mit einem erheblichen Energieaufwand: Mehr als 60 Prozent des Energiebedarfs entfallen auf die thermische Trocknung der Papierbahn in der Trockenpartie.

Einer der Forschungsansätze der Modellfabrik Papier setzt deshalb in der vorgelagerten Prozessstufe an: bei der mechanischen Entwässerung in der Pressenpartie. Je mehr Wasser bereits dort aus der Papierbahn entfernt werden kann, desto weniger muss anschließend energieintensiv verdampft werden. Wieviel Wasser wirksam vorab mechanisch aus der nassen Papierbahn gepresst werden kann, hängt wesentlich von einem Bauteil ab: dem Pressfilz. Was im Inneren des Pressfilzes während der Entwässerung geschieht, lässt sich bislang nur begrenzt erfassen.

Blick ins Innere des Pressfilzes

„Wie das Wasser durch die poröse Faserstruktur eines Pressfilzes strömt, ist bislang nur unzureichend erforscht“, sagt Luis Miguel Estrada. Der wissenschaftliche Mitarbeiter im Forschungscluster Modellfabrik Papier (FOMOP) untersucht das Strömungsverhalten in Pressfilzen. Sie bestehen aus komplex angeordneten Polyamidfasern, die eine dreidimensionale Struktur bilden. Während des Pressvorgangs nimmt der Filz das aus der Papierbahn verdrängte Wasser auf. Nach dem Pressimpuls jedoch dehnt sich das unter dem Druck komprimierte Material wieder elastisch aus. Dabei kann Wasser zurück in die Papierbahn gelangen – ein Effekt, der als Rückbefeuchtung bezeichnet wird und die Entwässerungsleistung beeinträchtigen kann.

„Obwohl Aufbau und Eigenschaften industrieller Pressfilze umfassend charakterisiert sind, verstehen wir die strömungsmechanischen Vorgänge innerhalb ihrer feinen Porenstruktur noch nicht genau“, so Estrada. Erkenntnisse darüber könnten neue Möglichkeiten für die Optimierung dieser Prozessstufe bieten.

„Die Strömungsvorgänge innerhalb der komplexen Faserstruktur von Pressfilzen sind bislang nur unzureichend erforscht.“

Vom realen Filz zum digitalen 3D-Modell

Estrada macht in seiner Forschungsarbeit die Prozesse im Filzinneren durch die Kombination moderner Bildgebung und numerischer Strömungssimulationen auf Mikrostrukturebene sichtbar. Um den Flüssigkeitstransport innerhalb eines Pressfilzes genauer zu untersuchen, wurde zunächst die dreidimensionale Mikrostruktur mittels Röntgen-Computertomographie, kurz CT, erfasst und die räumliche Anordnung der Fasern und der dazwischenliegenden Poren sichtbar gemacht. Aus diesen Bilddaten entstand ein digitales 3D-Modell, das als Grundlage für numerische Strömungssimulationen dient. Mithilfe von Computational Fluid Dynamics, kurz CFD, lässt sich dann berechnen, wie sich Flüssigkeit durch die komplexe Filzstruktur bewegt, welchen Widerständen sie begegnet und welche Bereiche besonders stark durchströmt werden. „So können wir die Permeabilität des Filzes – also wie leicht Flüssigkeit seine Porenstruktur durchströmen kann – bei verschiedenen Kompressionsstufen bestimmen“, erklärt Estrada. „Damit kommen wir einem besseren Verständnis des Flussverhaltens innerhalb des porösen Pressfilzes einen wichtigen Schritt näher.“

Simulation und Experiment im Einklang

Parallel zu den Simulationen wurden Druckverlustmessungen am realen Material durchgeführt, um Durchlässigkeit und weitere Strömungsparameter zu bestimmen und die Simulationsergebnisse zu validieren. Zusätzlich wurde untersucht, wie sich der Strömungswiderstand bei höheren Fließgeschwindigkeiten verändert.

Die Ergebnisse hat Estrada jüngst auf Fachkonferenzen vorgestellt. Der Vergleich zwischen Simulation und experimentell ermittelten Werten zeige eine gute Übereinstimmung, berichtet er. Die verwendete Simulationsmethoden kann, trotz Verarbeitung der CT-Aufnahmen via Bildbinarisierung, die realen Strömungsverhältnisse und Porositätswerte zuverlässig abbilden.

Damit wurde ein wichtiger Meilenstein erreicht: „Wir sehen, dass Wasser den Pressfilz nicht gleichmäßig durchströmt. Die Strömungswege innerhalb des Materials sind sehr heterogen“, erläutert Estrada seine Analysen. Zu erkennen sei, dass manche Bereiche intensiv durchströmt werden, während andere nur begrenzt Wasser aufnehmen und zum Wasserabtransport aus der Papierbahn beitragen.

„Die Simulation macht sichtbar, wie sich die Struktur des Filzes unter mechanischer Belastung verändert und wie diese Veränderungen auf die Strömungswege des Wassers beeinflussen. Dieses Verständnis ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer effizienteren Gestaltung des Nasspressprozesses.“

Neue Erkenntnisse über Flussdynamik

Künftig können auf dieser methodischen Grundlage die Strömungsvorgänge innerhalb von Pressfilzen noch detaillierter analysiert werden. „Für die Anwendung in der Papiermaschine müssen wir besser verstehen, wie sich der Filz unter mechanischer Belastung während des Pressvorgangs genau verhält. Poren verändern ihre Form und Größe, Strömungswege werden verengt oder neu ausgebildet und die Durchlässigkeit des Materials verändert sich. Um diese Flussdynamik insgesamt besser zu verstehen, untersuche ich deshalb verschiedene Kompressionszustände, um Materialeigenschaften abhängig von der mechanischen Belastung zu bestimmen“, führt Estrada aus. In der nächsten Phase werden zudem unterschiedliche Pressfilztypen betrachtet und ihre jeweilige Strömungsdynamik charakterisiert.

Grundlagen für eine effizientere mechanische Entwässerung

In dem daraus entstehenden Modell könne der Entwässerungsprozess tief im Materialinneren auf der Ebene einzelner Poren und Strömungswege analysiert werden. Die Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen Filzstruktur, Kompression und Flüssigkeitstransport eröffnet neue Möglichkeiten für die technische Optimierung. Künftig könnten Pressfilze gezielter danach beurteilt werden, wie ihre innere Struktur die Wasseraufnahme, den Abtransport und die Rückbefeuchtung beeinflusst.

„Die bisherigen Forschungsergebnisse zeigen eindrucksvoll, wie moderne Simulationsmethoden und experimentelle Untersuchungen gemeinsam neue Einblicke in die komplexen Prozesse der Papierherstellung ermöglichen und den Weg für innovative Lösungen in der Branche ebnen.“

Die Simulationen liefern nicht nur Erkenntnisse über bestehende Materialien. Langfristig können sie auch die Entwicklung neuer Pressfilzstrukturen unterstützen, um deren Porengeometrie und Materialeigenschaften gezielt auf eine verbesserte Entwässerungsleistung und eine damit einhergehende Energieeinsparung auszurichten.

Eine effizientere mechanische Entwässerung setzt genau hier an: Wird der Trockengehalt der Papierbahn bereits im Pressenbereich erhöht, muss in der nachfolgenden Trocknung weniger Wasser verdampft und weniger Energie verbraucht werden. Die digitale Analyse des Flüssigkeitsflusses im Pressfilz trägt somit dazu bei, einen zentralen Prozessschritt der Papierherstellung besser zu verstehen – und neue Ansatzpunkte für einen geringeren Energiebedarf zu erschließen.