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Effiziente Kontrolle von Entstaubungsanlagen für thermisches Spritzen

Von Paul Richard, Donaldson Torit Vertriebs-Außendienst

Bei den meisten Arbeitsgängen beim thermischen Spritzen ist eine Ventilation erforderlich, um überschüssige organische Verbindungen aus dem Arbeitsbereich abzusaugen. Selbst gut konzipierte thermische Spritzverfahren sind in Bezug auf die tatsächlich auf das Ziel auftreffende Menge an gesprühtem Material ineffizient. Eine Auftragsrate von 50 % wird als gut bewertet.

Ein Bereich der Weiterentwicklung ist der Versuch, die kompliziertere (und teurere) Beschichtung mittels Plasma- und HVOF-Prozessen durch kostengünstigere Draht-Lichtbogensystemen zu ersetzen. Lichtbogenprozesse erzeugen sehr feine und oft sehr leichte Partikel, die nur schwer aus dem Abgasstrom entfernt werden können. Es gibt bewährte Entstaubungssysteme, die Staub aus thermischem Spritzen bewältigen können. Unglücklicherweise wird die überwältigende Mehrheit dieser Systeme mit relativ groben Luftstrom-Management-Steuerungen betrieben. Dieser Artikel befasst sich mit den betrieblichen Vorteilen und Kosteneinsparungen, die durch eine intelligentere Absaugungstechnologie beim thermischen Sprühen erzielt werden können.

 

Oben: Die Staubpartikel schweben, wenn die Luftstromgeschwindigkeit größer als 3500 Fuß pro Minute ist. Unten: Die Staubpartikel können sich ansammeln, wenn die Luftstromgeschwindigkeit weniger als 3500 Fuß pro Minute beträgt.
Passendes Systemdesign

Für größere thermische Spritzvorgänge wird typischerweise ein geschlossener Raum benötigt, in dem das tatsächliche Sprühen stattfindet. Die unverbrauchten organischen Sprühverbindungen werden dann aus der Einhausung abgesaugt, während frische Luft eingeblasen wird. Abhängig von der Gestaltung der Einhausung und der Form besprühten Gegenstands kann ein optimales Luftvolumen zur richtigen Steuerung der Schadstoffpartikel bestimmt werden. Für eine ordnungsgemäße Staubkontrolle in einer Einhausung können zum Beispiel 10.000 Kubikfuß pro Minute (cfm) erforderlich sein. Eine größere Menge wäre Verschwendung, und eine geringer Menge wäre nicht ausreichend.

Auf dieser Basis kann ein geeignetes Entstaubungssystem entworfen werden. Dieses System umfasst normalerweise eine Rohrleitung für den Staubtransport, einen Filter zum Entfernen des Staubs aus der Luft und einen Lüfter zum Erzeugen der Energie für den Luftstrom. Der Abluftventilator für ein 10.000 cfm-System könnte 30-40 PS benötigen. Die Luftstromanforderung ist im Allgemeinen festgelegt und sollte sich nicht ändern, wenn die Einhausung nicht umgestaltet wird. Es ist allgemein anerkannt, dass für den Transport von Staub in einer runden Rohrleitung eine Geschwindigkeit von 3500-4000 fpm optimal ist1. Wenn die Luft langsamer bewegt wird, können die Staubpartikel austreten und sich am Boden der Rohrleitung ablagern, was eine Brandgefahr darstellt und möglicherweise die Rohrleitung blockiert. Bei einer schnelleren Bewegung der Luft wird die Energie des Ventilators verschwendet und es entsteht unnötiger Verschleiß an den Rohrleitungen. In unserem Beispiel ist für die Bewegung von 10.000 Kubikfuß pro Minute mit einer Geschwindigkeit von 3500-4000 Fuß pro Minute eine runde Rohrleitung mit einem Durchmesser von 22 Zoll erforderlich. Bei diesem Durchmesser ergibt sich eine Querschnittsfläche von 2,6398 Quadratfuß, was zu einer Geschwindigkeit von 3788 Fuß pro Minute führt.

Lüfter und statischer Druck

Industrielle Lüftungsventilatoren erzeugen ein partielles Vakuum, wodurch die Luft durch das System gezogen wird. Dieses partielle Vakuum wird als statischer Druck bezeichnet und wird üblicherweise in „Zoll Wassersäule“ gemessen. Systementwickler verwenden verschiedene mathematische Modelle zur Abschätzung des statischen Drucks, der benötigt wird, um den gewünschten Luftstrom zu erreichen. Faktoren in einem System, die den erforderlichen statischen Druck beeinflussen, sind unter anderem:

  • Größe und Geometrie der Einhausung beim thermischen Spritzen
  • die Anzahl und der Radius der Bögen (oder Kurven) in der Rohrleitung
  • Gesamtlänge der Rohrleitungen im System
  • Durchmesser der verwendeten Rohrleitung und Luftstromgeschwindigkeit
  • Auswahl der Entstaubungsanlage
  • Nachfilterelemente (wie ein HEPA-Filter oder Abgasschalldämpfer)

Viele dieser Faktoren ändern sich im Laufe des Betriebs dieses Systems nicht. Ausnahmen sind die Filter der Entstaubungsanlage und die HEPA-Filter. Wenn sich der Staub auf den Filtern ansammelt, nimmt der Druckverlust oder der Widerstand über die Filter zu. Das System erfordert zusätzlichen statischen Druck, um die Staubansammlung auf der Oberfläche der Filter zu überwinden.

Die Lüfter werden in der Regel so ausgewählt, dass während der gesamten Lebensdauer der Filter ein ausreichender Luftstrom sichergestellt wird. Dies geschieht dadurch, dass ausreichend statischer Druck angelegt wird, um den Luftstrom auch noch aufrechtzuerhalten, wenn die Filter das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben. Filter, die sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern, weisen einen höheren Druckverlust auf als neue Filter. Um ihre Lebensdauer zu verlängern, sind die Filter in einer Entstaubungsanlage für thermisches Spritzen so ausgelegt, dass sie während des laufenden Betriebs online gereinigt werden können. Wiederholter Staubaufbau, gefolgt vom Selbstreinigungszyklus der Entstaubungsanlage verursacht geringe Schwankungen des benötigten statischen Drucks im System. Wenn dies nicht berücksichtigt wird, können Schwankungen im Luftstrom auftreten, mit den damit verbundenen Problemen des Absetzens von Staub in der Rohrleitung oder in der Einhausung für thermisches Spritzen.

Ein zu großer Luftstrom durch die Einhausung beim thermischen Spritzen kann die Beschichtungsqualität beeinträchtigen, indem gesprühtes Material vom Bauteil weggezogen wird. Um diese potenziellen Probleme zu vermeiden, muss die Luftmenge kontrolliert werden. Das gebräuchlichste Gerät, das zur Steuerung des Lüfters verwendet wird, ist ein Dämpfer, der eine künstliche Belastung für den Lüfter erzeugt, um ihn wieder auf den gewünschten Luftstrom zu „schalten“. Zur Aufrechterhaltung des Luftstroms muss der Dämpfer je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden, um die gewünschte Geschwindigkeit im Kanal beizubehalten2. Dies wird selten mit der erforderlichen Genauigkeit erreicht, um den vorgeschriebenen Luftstrom durch das System konstant zu halten, und eine manuelle Steuerung wäre nur bei einer ständigen Überwachung durch eine qualifizierte Person möglich. Dies wäre teuer und schwierig, was erklärt, warum für die meisten thermischen Spritzvorgänge eine „Set-and-Forget“-Mentalität in Bezug auf die Lüftersteuerung gewählt wird

Frequenzumrichter und Luftstromregelsysteme

Eine bessere Möglichkeit, den Lüfter zu steuern und einen konstanten Luftstrom im System aufrechtzuerhalten, ist ein Frequenzumrichter (VFD). Ein VFD betreibt den Lüftermotor mit einer bestimmten Drehzahl, basierend auf der Einstellung der Hertz-Frequenz. Während die normale dreiphasige Stromversorgung in Nordamerika normalerweise auf einer Frequenz von 60 Hz läuft, ermöglicht ein VFD dem Betreiber, eine spezielle Frequenz auszuwählen, wodurch die Drehzahl des Lüfters verlangsamt oder beschleunigt wird. Ein ideales System würde nur dann mit voller Geschwindigkeit laufen, wenn die statische Druckbelastung durch schmutzige Filter dies erfordert. In der restlichen Zeit würde der Lüfter langsamer laufen, um genau die erforderliche Menge an statischem Druck zu erzeugen. Diese Betriebsweise bietet Vorteile durch Kosteneinsparungen. Im Vergleich zu Betreibern, die den „Set and Forget“-Ansatz verfolgen, bei dem sie ihre Entstaubungsanlagen immer schneller als notwendig betreiben (um eine vollständige Belüftung der Einhausung beim thermischen Spritzen zu gewährleisten), verwendet der VFD-Ansatz ein intelligentes System, das genau den erforderlichen Luftstrom anlegt und Energie einspart.

Es gibt mathematische Modelle, die dies anhand einiger einfacher Annahmen und einiger Systemvariablen veranschaulichen können. Im Allgemeinen kann sich ein Upgrade auf ein VFD- und Luftstromsteuersystem in weniger als zwei Jahren amortisieren. Und was noch wichtiger ist: Das Entstaubungssystem läuft mit der richtigen Geschwindigkeit. Dies kann eine Abnutzung des Systems und insbesondere der für das thermische Spritzen erforderlichen hochwertigen Filter zur Oberflächenfiltration ersparen. Jede Entscheidung für ein Upgrade auf ein VFD- und Luftstromsteuerungssystem sollte folgende Einsparungen beinhalten:

  • Filterkosten
  • Arbeitskosten
  • Entsorgungskosten
  • Lagerhaltungskosten
  • Versandkosten (für neue Filter und Entsorgung alter Filter)
  • Qualitätsprozess
  • Betriebsstabilität des Systems und ordnungsgemäße Aufrechterhaltung des Luftstroms im System
Steuerung des VFD

Sobald die Entscheidung für die Verwendung eines VFD gefallen ist, besteht der nächste Schritt darin, das Verfahren zur Sicherstellung eines kontinuierlichen Betriebs zu bestimmen. Ziel ist es, einen gewünschten Luftstrom ungeachtet von Schwankungen im statischen Druck des Systems aufrechtzuerhalten. Durch die Verwendung eines im Kanalsystem installierten Luftmengenmessgeräts kann die Steuerung die Lüftergeschwindigkeit anpassen, um Veränderungen auszugleichen. Diese Instrumente sind am besten für Umgebungen mit sauberer Luft geeignet und werden daher normalerweise in der Rohrleitung dort installiert, wo die Luft bereits gereinigt ist. Dies könnte eine Rohrleitung an der Auslassseite des Lüfters sein; die Leitung muss die erforderliche Länge haben, um eine reibungslose, zuverlässige Anzeige über den gesamten durch das System fließenden Luftstrom zu ermöglichen.

Eine alternative Methode ist die Messung des statischen Drucks im System anstelle des tatsächlichen Luftstroms an einem Punkt, kurz bevor die Luft in die Entstaubungsanlage eintritt. Bei dem vorgeschriebenen Luftstrom ist die Höhe des statischen Drucks eine Funktion von Faktoren, die unverändert bleiben sollten, solange das System nicht mechanisch verändert wird. Die Filter werden verschmutzt und dann durch Impulsreinigung gesäubert, aber der erforderliche statische Druck am Einlass der Entstaubungsanlage bleibt gleich, wenn das System mit dem vorgeschriebenen Luftstrom läuft. Eine Steuerung, die den statischen Druck aufrecht hält, ist der einfachste Weg zur effektiven Regulierung eines VFD in einem Entstaubungssystem. Wenn die Filter einen Widerstand aufbauen, lässt der vom Ventilator erzeugte Luftstrom nach. Diese Verringerung des Luftstroms erzeugt einen geringeren erforderlichen statischen Druck in der Rohrleitung vor der Entstaubungsanlage, sodass die Steuerung dem VFD befiehlt, die Leistung zu erhöhen, um den statischen Druck aufrechtzuerhalten. Umgekehrt fällt der Widerstand im System ab, wenn die Filter durch Impulsreinigung gesäubert werden, und der VFD verringert die Leistung, um das gleiche statische Druckniveau aufrechtzuerhalten. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiger Luftstrom mit den damit verbundenen Vorteilen und Einsparungen.

Überlegungen

Es gibt Situationen, in denen ein VFD und ein Luftstromregelsystem nur begrenzt Vorteile bieten. Wenn eine einzelne Entstaubungsanlage (und ein einzelner Ventilator) verwendet wird, um in einem System mit mehreren thermischen Spritzzellen von Zeit zu Zeit nur eine oder zwei Zellen gleichzeitig zu bedienen, gibt es keine einfache Möglichkeit, die variable Leistung des Lüfters effektiv zu nutzen. Dies ist eine Einschränkung des Rohrleitungssystems – keine Einschränkung des VFD.

Fazit

Die thermische Spritz-Technologie entwickelt sich weiter, und neue Ansätze stellen häufig größere Herausforderungen für zugehörige Komponenten wie Abgassysteme dar. Alternativ können Fortschritte in Unterkomponenten dazu beitragen, die gesamten thermischen Spritzvorgänge zu verfeinern, und praktisch jedes vorhandene Entstaubungssystem beim thermischen Spritzen kann von der Verwendung eines Frequenzumrichters profitieren. Es wird immer deutlicher, dass eine präzise Luftstromregelung wichtig ist, und Energieeinsparungen können auch ein zusätzlicher Vorteil sein.

 

¹ Industrielle Ventilation: Ein Handbuch der empfohlenen Praxis, 24. Ausgabe, Amerikanische Konferenz der staatlichen Industriehygieniker (ACGIH), Seite 3-18, Tabelle 3-2.
² Das ist ähnlich, wie das Gaspedal eines Autos zu betätigen. Wenn mehr Geschwindigkeit benötigt wird, erhöht der Fahrer die Motorleistung. Wenn weniger Geschwindigkeit gewünscht wird, wird die Motorleistung verringert.

Wir können Ihnen helfen, die optimale Lösung für Ihre Anwendung zu finden.

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