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Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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StaubfilterFeinste Stäube effektiv abscheiden

Die Forderung nach immer besserer Produktqualität sowie behördliche Auflagen führen zu ständig steigenden Anforderungen an die Entstaubungstechnik heutiger Industriebetriebe. Forderungen nach Reststaubgehalten von < 1 mg/m³ lassen sich mit vielen Abscheidesystemen aber nicht erreichen, da bedingt durch neue hochwertige Technologien zunehmend feinere Partikel erzeugt werden. Nicht zu vergessen ist hier auch die Entwicklung der Nanotechnik, die zweifellos auch Auswirkungen auf die Filtertechnik haben wird.

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Techno-SCOPE: Feinste Stäube effektiv abscheiden

Leistungsfähige Patronenfilter erlauben heute, auf engstem Raum große Filterflächen unterzubringen. Eine konische Filterelement-Bauweise ermöglicht durch optimierte Strömungsverhältnisse besonders kompakte Gerätebauweisen. Spezielle Oberflächenfilterwerkstoffe mit Web-Beschichtung, Ptfe-Membrane oder Meltblown-Mikrofaservliese bieten hier sehr gute Möglichkeiten. Abreinigungssystem, Filterelementgeometrie und Strömungsverhältnisse müssen aber bei der Feinststaubabscheidung optimal aufeinander abgestimmt sein. Nur dann ist ein zuverlässiger und kostengünstiger Dauerbetrieb garantiert.

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Um die Leistungsfähigkeit von Filterelementen zu erhöhen gibt es verschiedene Ansätze. Einer dieser Ansätze ist, die geschlossene Endscheibe der Filterelemente kleiner zu gestalten als die abströmseitige Endscheibe. Durch diese geringfügige Änderung – die konische Ausführung – ergeben sich bei der Gestaltung abreinigbarer Entstaubungsgeräte ganz neue Möglichkeiten.

Konische Filterelemente

Konische Filterelemente bieten die Möglichkeit, auch bei relativ geringen Elementabständen noch vernünftige Aufströmgeschwindigkeiten im Rohgasraum zu erzielen. Zusätzlich wird das reingasseitige Elementvolumen reduziert. Bei der Druckstoßabreinigung wird dadurch eine deutlich bessere Umsetzung des Abreinigungsimpulses erreicht. Aufwändige Maßnahmen wie zusätzliche Verdrängungskörper im Filterelement, um das „Puffervolumen“ zu verringern und die Strömungsführung zu verbessern, sind dadurch überflüssig.

In der Summe wurden bei vergleichenden Versuchen Steigerungen des Volumenstromes um bis zu 30  Prozent gegenüber herkömmlichen zylindrischen Filterelementen festgestellt. Vor allem bei besonders leichten Feinststäuben, aber auch bei stark agglomerierenden und faserhaltigen Stäuben, zeigt diese Elementgeometrie ihre Vorteile.

Abreinigungssysteme

Die vielfältige Gestaltungsmöglichkeit von Patronenfiltern und deren Einsatz in fahrbaren oder ortsfesten Anlagen erfordern unterschiedliche Abreinigungsverfahren. Als effektivste Methoden haben sich die Druckstoß- und die Spülluftabreinigung herauskristallisiert. Elemente mit kleineren Durchmessern und geringen Faltentiefen lassen sich bis zu einer Länge von einem Meter effektiv mit kurzen Druckluftimpulsen abreinigen.

Durch den Einsatz von Multijetdüsen, die genau auf die Filterelementgeometrie abgestimmt sein müssen, lässt sich vor allem die Abreinigung der Elemente im Filterplatten nahen Bereich deutlich verbessern. Die Multijetdüse zeichnet sich außerdem durch eine erheblich reduzierte Geräuschentwicklung aus. Der Schallpegel lässt sich im Vergleich zu einer Einlochdüse um sieben bis acht dB(A) reduzieren. Großpatronen mit 328 mm Außendurchmesser, 50 mm Faltentiefe und enger Faltung können besonders gründlich und schonend mit Hilfe von Rotationsluftdüsen abgereinigt werden. Hier sorgt ein rotierender, durch Druckluftimpuls angetriebener Düsenflügel für eine gleichmäßige Reinigung der Falten. Gleichzeitiges Rütteln und Spülen des Filtermediums mit feinen Druckluftstrahlen ergeben eine sehr gute Filterkuchenablösung.

Für den kontinuierlichen Filterbetrieb sind die Rotationsluftdüsen mit einer Absperrscheibe ausgerüstet, die automatisch durch den Druckluftimpuls verschlossen wird. Somit werden die abzureinigenden Elemente aus dem Gasstrom genommen. Dies ermöglicht auch bei höheren Differenzdrücken und Volumenströmen eine ausreichende Abreinigung. Bei Systemen, die im Stillstand abgereinigt werden, kann die Absperrscheibe weggelassen werden, ohne auf zuviel Abreinigungswirkung verzichten zu müssen.

Bei Druckstoß-Abreinigungssystemen hingegen ist oft schon ab einem geringen Differenzdruck keine ausreichende Abreinigung mehr möglich. Die Luftströmung kann durch den Abreinigungsluftstoß nicht mehr vollständig umgelenkt werden. Durch geeignete Venturidüsen ist eine Verschiebung dieses kritischen Differenzdrucks hin zu größeren Werten möglich. Eine Absperrscheibe bietet bei richtiger konstruktiver Gestaltung deutlich mehr Reserven. Dies bedeutet Sicherheit auch bei extremen Betriebsbedingungen.

Oberflächenfiltermedien

Neben dem hohen Abscheidegrad zeichnen sich Oberflächenfiltermedien durch einen stabilen Druckverlustverlauf auf niedrigem Niveau aus. Vor allem bei leicht zu fluidisierenden Stäuben mit hohem Feinstanteil (Gusstaub, Graphitstaub, Keramikpulver, usw.) empfiehlt sich deren Einsatz. Die Verwendung dieser hochwertigen Medien in konischen Filterelementen erlaubt es, deren Vorteile optimal zu nutzen.

Meltblown-Mikrofaservlies

Der Meltblown-Filterwerkstoff Ti 19 bietet besondere Vorteile zur Abscheidung von Stäuben mit einem sehr hohen Feinststaubanteil. Wegen der sehr feinen Fasern gleichen die charakteristischen Merkmale denen von abreinigbaren Oberflächenfiltern.

Meltblown-Mikrofasern sind aus der Schmelze geblasene Fasern mit Durchmessern im Bereich von zwei Mikrometern. Dies sind Faserfeinheiten, wie sie bei Schwebstofffiltern auf Glasfaserbasis üblich sind, ohne den Nachteil einer hohen Bruchempfindlichkeit bei dynamischen Belastungen. Dagegen weisen herkömmliche Polyestervliese Faserdurchmesser im Bereich von 15 Mikrometern auf, mit der Eigenschaft einer schlechteren Abscheidung im Feinststaubbereich. Bestimmte Stäube neigen auch zu bleibenden Ablagerungen im Filtervlies – mit der Folge hoher Filterwiderstände beziehungsweise verkürzter Filterstandzeiten.

Die Kombination eines luftdurchlässigen Trägers mit der hochwirksamen Meltblown-Mikrofaserschicht ergibt ein belastbares und in weiten Bereichen einsetzbares Filtermedium. Kennzeichnend im laufenden Filterbetrieb ist der sehr hohe Abscheidegrad von bis zu 99,999 Prozent bei einem äußerst niedrigem Differenzdruckverlauf. Wie ersichtlich (siehe Grafik), bleibt dieser Vorzug im Vergleich zu herkömmlichen Polyestervliesen und Ptfe-Membranen auch bei langen Filterstandzeiten erhalten. Die Folge sind deutliche Einsparungen bei Energie- und Betriebskosten, so dass sich die Mehrkosten der Filterelemente nach wenigen Monaten amortisiert haben.

Selbst bei problematischen Entstaubungsanwendungen konnte der Filterwerkstoff Ti 19 seine Vorteile aufzeigen. Im Bereich der Trockenbearbeitung wurde beispielsweise ein Filter an einem Bearbeitungsautomat für Gussteile auf Ti 19 umgerüstet. Das Ziel war die Verbesserung von Standzeit und Partikelabscheidung. Durch den Einsatz dieses Werkstoffs konnte der Druckverlust mehr als halbiert und eine mehrfache Standzeit der Filterelemente erreicht werden. Der Reststaubgehalt der Abluft lag im Dauerbetrieb deutlich unter 0,2 mg/m³.

Im Fall der Schweißrauchfiltration mit hohem Ölanteil wurde in Verbindung mit einem geeigneten Filterhilfsmittel die Standzeit um den Faktor sechs bis sieben verlängert. Für eine zuverlässige Filterauslegung ist jedoch eine möglichst genaue Kenntnis der Parameter und Randbedingungen notwendig.

Abreinigbare Ansaugluftfilter

Luftfiltersysteme für Gasturbinen und Großdieselmotoren müssen spezielle Spezifikationen erfüllen. Dabei haben sich Elementausführungen mit dem Zellulose-Filterwerkstoff Ti 10 gut bewährt. Bei gesteigerten Anforderungen hinsichtlich des Abscheidegrads oder bei besonderen Umwelteinflüssen wie erhöhtem Ruß- und Ölgehalt kommt auch der Meltblown-Filterwerkstoff Ti19 zum Einsatz.

Interessant für diese Anwendungsfälle ist auch das neue M-Web. Es besteht aus einer hauchdünnen Web-Schicht (siehe REM-Aufnahme) – aufgebracht auf einem sehr luftdurchlässigen Trägermaterial. Aufgrund der idealen Oberflächenstruktur werden Partikel bis in den Nanobereich zu einem gut abreinigbaren Filterkuchen abgeschieden. Bei Reststaubmessungen wurden Abscheidegrade bis zu 99,999 Prozent festgestellt.

Wegen des guten Preis-Leistungsverhältnisses ist M-Web besonders interessant, wenn Entstaubungsanlagen mit neuen Elementen auszustatten sind. Meist handelt es sich um Anlagen mit vergleichsweise hohen Luftmengen und geringen Rohgas–Staubkonzentrationen.

Resümee

Bei der Auslegung von Filteranlagen zeigt sich deutlich, dass nicht nur die Filterfläche der Anlage das entscheidende Auslegungskriterium ist. Auch die Elementgeometrie, die Strömungsführung und das Abreinigungssystem spielen eine wichtige Rolle. Nur optimal aufeinander abgestimmte Komponenten ermöglichen zuverlässig arbeitende Entstaubungsfilter.

Da die Staubeigenschaften sehr unterschiedlich sind und von sehr vielen Parametern wie zum Beispiel Feinheit, Schüttdichte, Haft- und Agglomerationseigenschaften, Feuchtigkeit et cetera abhängen, ist eine ausreichende Erfahrung im jeweiligen Anwendungsfall die Grundvoraussetzung für eine optimale Auslegung.

Die Erfahrungen der Anlagenbetreiber und das Fachwissen der Anlagenplaner und Filterfachleute ermöglichen oft eine Optimierung der Gesamtbetriebskosten, die neben den Filterelementkosten auch Strom- und Druckluft-, sowie Personalkosten beinhalten. Wird also bei der Anschaffung einer Entstaubungsanlage nur auf niedrige Investitionskosten geachtet, werden die Folgekosten in kurzer Zeit die Einsparungen verschlingen.

Zum Thema

Der Abscheidung von Fein- und Feinststäuben fällt immer größere Bedeutung zu. Strenge Arbeitsschutz-Richtlinien einerseits und verfahrenstechnisch komplexe Anwendungen in der Reinraum-, Mikro- und Nanotechnik andererseits schrauben hier die Ansprüche immer weiter hoch. Den Stand der Dinge in Sachen Filtertechnik beleuchtet dieser Expertenreport.ms

Autoren:

Dipl.-Ing.(FH) Alexander Reinhardt ((= Bild 1 = ms170_1))

Leiter Verkauf Entstaubung

Dipl. – Ing. (FH) Johannes Quaas ((= Bild 2 = ms170_2))

Leiter Entstaubungslabor

Mahle Filtersysteme GmbH

Bereich Industriefilter

74613 Öhringen

Tel. +49 (0) 7941/670

Fax. +49 (0) 7941/67429

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