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Nebelabscheidung: Grundlagen und Anwendungen

Metallverarbeitende Unternehmen verwenden Nebelabscheider an ihren Werkzeugmaschinen, um saubere Luft zur Verfügung zu stellen, um die negativen Auswirkungen der Einwirkung von Metallbearbeitungsflüssigkeiten zu reduzieren, die Luftqualitätsnormen für Innenräume einzuhalten, die Wartungskosten zu senken, die Haushaltskosten zu senken und um die Qualität der Teile zu verbessern. Obwohl die Vorteile der Nebelabscheidung vielfältig sind, kann die Auswahl der Nebelabscheideausrüstung verwirrend sein. Dieser Artikel untersucht die verschiedenen Typen von Nebelabscheidern, die auf grundlegenden Konstruktionsprinzipien beruhen, um Nebeltröpfchen von einem Luftstrom zu trennen. Die Themen sind:

  • Nebel und Rauch – Definitionen
  • Sichtbare Effizienz
  • Leistungsmerkmale
  • Betriebsgrundlagen für verschiedene Arten von Nebelabscheidern
  • Filteroptimierung
  • Messung der Nebelabscheidereffizienz
Nebel und Rauch

Nebel kann im Allgemeinen als Flüssigkeitströpfchen mit einem Durchmesser von 20 Mikrometer oder kleiner definiert werden. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf Anwendungen, die ölbasierte und wasserlösliche Schmiermittel und Kühlmittel verwenden. Diese Schmiermittel und Kühlmittel werden bei vielen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Metallschneiden, Metallformen, Schleifen, Waschen von Teilen und anderen. Zum Beispiel erzeugen Fräs- und Drehoperationen unter Verwendung von wasserlöslichen Metallbearbeitungsflüssigkeiten typischerweise Nebeltröpfchen, die im Bereich von 2 Mikrometer bis 20 Mikrometer liegen. Die gleichen Vorgänge, bei denen auf Öl basierende Fluide verwendet werden, erzeugen typischerweise Nebeltröpfchen im Bereich von 0,5 Mikrometer bis 10 Mikrometer.

Rauch ist typischerweise ein viel kleineres Material mit einem Durchmesser von 0,07 Mikrometer bis 1 Mikrometer und kann entweder ein festes oder flüssiges Aerosol sein, das aus einer unvollständigen Verbrennung oder Kondensation eines übersättigten Dampfs resultiert¹. Es wird manchmal thermisch erzeugter Nebel oder ölhaltiger Rauch genannt. Übliche Anwendungen, die Rauch erzeugen, sind Kaltstauchgänge, die Bearbeitung von Hartmetallen mit reinem Öl, die Verwendung von Schmierölreservoirs an großen Generatoren und die Wärmebehandlung.

Sichtbare Effizienz

Einige Hersteller glauben, wenn sie den Nebel nicht sehen können, existiert er nicht. Diese Sichtweise erkennt nicht den Schaden an, den Submikronnebel in der Fertigungsumgebung in Bezug auf die Exposition der Mitarbeiter, Wartung und Instandhaltung und die Einhaltung der Luftqualitäts- oder Emissionsstandards in Innenräumen haben kann. Tatsächlich kann das menschliche Auge einzelne Tröpfchen, die kleiner als 40 Mikrometer sind, nicht sehen, aber es gibt substanzielle Beweise dafür, dass kleinere Tröpfchen in vielen Metallbearbeitungsbetrieben vorhanden sind. Sie können sie vielleicht nicht sehen, aber Sie können sie riechen! 

Leistungsmerkmale

Die Hauptfunktion eines Nebelabscheiders besteht darin, Nebel und Rauchtröpfchen aus dem gefilterten Luftstrom zu entfernen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muss ein Abscheider kleine Tropfen zu größeren zusammenführen und dann das gesammelte Kühlmittel von den Filtern ablassen, bevor diese verstopfen.

Die Leistung eines Nebelabscheiders kann durch drei messbare Eigenschaften charakterisiert werden:

  • Druckverlust: Der Betriebsdruckverlust des Abscheiders ist ein wichtiger Teil der Energiekostengleichung. Höhere Druckverluste bedeuten, dass mehr Energie benötigt wird, um den erforderlichen Luftstrom durch den Abscheider zu ziehen.
  • Effizienz: Die Effizienz des Abscheiders beim Entfernen von Nebel und Rauchtröpfchen aus dem Luftstrom ist wichtig, weil er bestimmt, wie sauber die Luft sein wird, wenn sie den Abscheider verlässt und typischerweise in die Innenraumumgebung entlüftet wird. Dies ist der Grund für die Installation eines Nebelabscheiders: die Luft zu reinigen. Die Effizienz ist das Schlüsselmaß dafür, wie viel sauberer die Luft sein wird, wenn sie den Abscheider verlässt.
  • Durchflussrate: Die Durchflussrate des Abscheiders ist wichtig, weil sie bestimmt, wie viel Luft gereinigt wird. Wenn die Strömung zu niedrig ist, wird weniger nebel- oder rauchbeladene Luft durch den Abscheider gezogen und nicht vom dafür vorgesehenen System aufgefangen. Wenn die Durchflussrate zu hoch ist, wird Energie verschwendet, da überschüssige Luft durch den Abscheider gezogen wird. Eine konstante Luftdurchflussrate ist ebenfalls wünschenswert, um eine konsistente Tröpfchenerfassungseffizienz aufrechtzuerhalten.

Zusätzlich zum grundlegenden Design des Abscheiders gibt es eine Reihe von Nebeleigenschaften, die die Leistung eines Nebelabscheiders beeinflussen:

Abbildung 1 – Hypothetische Verteilung der Nebel- und Rauchtröpfchengröße aus Metallbearbeitungsverfahren.
  • Nebelkonzentration – Die in einem Luftvolumen enthaltene Nebelmenge ist extrem anwendungsabhängig. Gemessene Nebelkonzentrationen von nur 3 mg/m³ und bis zu 37 mg/m³ wurden im Feldversuch beobachtet. Es ist wahrscheinlich, dass tatsächliche Anwendungen einen noch größeren Bereich an Nebelkonzentrationen aufweisen. Die OSHA-Grenzwerte für luftgetragene Metallbearbeitungsflüssigkeiten variieren: von 5 mg/m³ (achtstündige Exposition) für Mineralöl bis 15 mg/m³ (achtstündige Exposition) für andere Kühlmittel. NIOSH-empfohlene Grenzwerte sind niedriger, bis zu 0,4 mg/m³.² In einer allgemeinen Büroumgebung neigen Feinstaubkonzentrationen dazu, im Bereich von 0,02-0,03 mg/m³ zu liegen – wesentlich niedriger als Nebelkonzentrationen in der Nähe von Metallbearbeitungsbetrieben.
  • Nebeltemperatur – Kondensation kann auftreten, wenn sich der Nebel bei hohen Temperaturen abkühlt, was die Tropfengröße und die Aufnahme beeinflussen kann. Bei wasserbasierten Kühlmitteln verdampft das Wasser bei höheren Temperaturen und niedriger relativer Luftfeuchtigkeit, wodurch kleinere Tröpfchengrößen erzeugt werden. Die Betriebstemperaturgrenzen der Filtermedien sind auch bei der Auswahl einer Nebel- oder Rauchabscheideanlage wichtig.
  • Art des Nebels – Verschiedene Arten von Nebeltröpfchen haben unterschiedliche Oberflächenspannungs- und Viskositätseigenschaften, die die Fähigkeit eines Nebelabscheiders beeinflussen, den Nebel zu koaleszieren und abzuleiten.
  • Verteilung der Nebeltröpfchengröße – Im Allgemeinen ist es einfacher, größere Tröpfchengrößen zu erfassen, aber große Tröpfchen können auch einen signifikanten Beitrag zur Gesamtmasse der im Nebel enthaltenen Flüssigkeit leisten, die aus dem Abscheider abfließen muss. Abbildung 1 zeigt eine hypothetische Verteilung der Nebel- und Rauchtröpfchengröße.
  • Einschlüsse – Wenn ein Nebel sauber ist, enthält er keine trockenen Partikel und wir müssen uns nur um das Koaleszieren und das Ablassen der Flüssigkeit kümmern. Ein schmutziger Nebel enthält jedoch auch einen Anteil trockener Partikel (Späne), die ebenfalls vom Luftstrom getrennt werden müssen.
Betriebsgrundlagen für verschiedene Arten von Nebelabscheidern

Nebeltröpfchen können auf verschiedene Arten erfasst werden.

Elektrostatische Ausfällung

Elektrostatische Abscheider ziehen die mit Nebel beladene Luft durch einen Ionisator, der jedem Tropfen entweder eine positive oder negative Ladung verleiht. Die geladenen Tröpfchen werden dann von Abscheiderzellen aufgefangen, die abwechselnd Hochspannung und geerdete Platten verwenden, um die geladenen Tröpfchen auf die Platte zu drücken/ziehen. Die Tröpfchen vereinigen sich auf den Platten und entleeren sich aus dem Abscheider. Elektrostatische Abscheider haben eine Reihe von Vorteilen, darunter keine zu ersetzenden Filter, einen relativ niedrigen Energieverbrauch und einen hohen Wirkungsgrad, wenn sie neu und vollständig gereinigt sind. Aufgrund ihrer sehr schwierigen und häufigen Wartungsanforderungen sind elektrostatische Abscheider jedoch in den Hintergrund getreten. Die Teile innerhalb eines elektrostatischen Abscheiders müssen sorgfältig sauber gehalten werden, um die Effizienz des Aufladens und Auffangens der Tröpfchen aufrechtzuerhalten. Auch bei regelmäßiger Wartung können zusätzliche Schwierigkeiten auftreten. Eine Beschädigung der geladenen Platten in der Abscheiderzelle kann zu Lichtbögen führen. In ähnlicher Weise können Anwendungen, bei denen Metallstaub, Späne oder Schleifstaub mit den Nebeltröpfchen gesammelt werden, zu Lichtbögen innerhalb des elektrostatischen Abscheiders führen. Schließlich erzeugen elektrostatische Abscheider Ozon, welches ein Luftschadstoff in Innenräumen und bekannter Reizstoff ist.

Trägheitsabscheidung

Abscheider, die hauptsächlich auf Trägheitstrennung beruhen, arbeiten auf die folgende Weise, um Tröpfchen zu trennen, die in einem Luftstrom getragen werden. Wenn der Luftstrom um eine Oberfläche herum abgelenkt wird, haben die Tröpfchen einen Impuls und setzen ihren Weg fort, treffen auf die Oberfläche, vereinigen sich schließlich mit anderen Tröpfchen und entleeren sich. Obwohl es viele verschiedene Typen und Arten von Trägheitsabscheidungen gibt, haben alle einige Gemeinsamkeiten. Erstens können Trägheitsabscheider ohne Sperrfiltermechanismus funktionieren – sie haben normalerweise keine Primärfilter, die ausgetauscht werden müssen. Im Allgemeinen erfordern sie jedoch eine ziemlich regelmäßige Wartung, um die Komponenten von jeglicher Verunreinigung zu reinigen. Außerdem funktioniert die Trägheitsabscheidung bei großen Tropfen besser, da das Auffangen der Tröpfchen davon abhängt, dass sie NICHT dem Luftstrom folgen. Größere Tropfen haben mehr Masse, mehr Impuls und eine erhöhte Tendenz, die Auffangoberfläche zu treffen. Trägheitsabscheider neigen dazu, eine geringe Effizienz für Tröpfchen zu haben, die einen Durchmesser kleiner als 1-2 Mikrometer aufweisen. Schließlich können sich bei angetriebenen und sich drehenden Trägheitsabscheidern Feststoffe ansammeln und in den sich drehenden Teilen stecken bleiben, was schließlich zu einem Unwuchtzustand führt, der Vibrationen auf die Werkzeugmaschine überträgt und Toleranzen an bearbeiteten Teilen beeinflussen kann.

Filtermedien

Abscheider, die faserige Filtermedien verwenden, sind auf vier Filtermechanismen angewiesen, um Nebel und Rauchtröpfchen aus einem Luftstrom zu entfernen (siehe Abbildung 2):

Abbildung 2 – Filtermechanismen
  1. Sieben ist der vorherrschende Filtrationsmechanismus, der größere Tröpfchen von mehr als 10 Mikrometer auffängt. Das Sieben tritt auf, wenn das Tröpfchen physikalisch zu groß ist, um zwischen zwei oder mehr Fasern zu passieren. Sieben ist das, was ein Insekt davon abhält, durch ein Fliegengitter zu fliegen. Wenn das Tröpfchen eine Faser kontaktiert, haftet es an der Oberfläche, koalesziert mit anderen Tröpfchen und entleert sich aus dem Abscheider.
  2. Inertiale Impaktion Der Filtrationsmechanismus sammelt meist mikrometergroße Tröpfchen und noch größere. Inertiale Impaktion tritt auf, wenn der Luftstrom durch die Medienfaser verdrängt wird, während das Tröpfchen aufgrund seiner Masse seinen ursprünglichen Weg fortsetzt.

  3. Abfangen ist der Filtrationsmechanismus, der vorwiegend Tröpfchen mit einer Größe von 0,1 bis 1 Mikrometer auffängt. Abfangen tritt auf, wenn ein Tröpfchen einem Luftstrom folgt, aber immer noch nahe genug an eine Faser kommt, um daran zu haften.

  4. Diffusion ist der Filtrationsmechanismus, der vorwiegend sehr feine Tröpfchen mit einer Größe von weniger als 0,1 Mikrometer auffängt. Da die Tröpfchen so klein sind, werden sie durch molekulare Kräfte innerhalb des Luftstroms beeinflusst, die bewirken, dass sich die Tröpfchen in der gleichen Hauptrichtung wie der Luftstrom bewegen und sich dennoch unabhängig davon bewegen.

Sobald die Tröpfchen an den Fasern in den Filtermedien haften, koaleszieren sie mit anderen Tröpfchen auf den Fasern. Wenn das koaleszierte Tröpfchen groß genug ist, zieht die Schwerkraft das Tröpfchen entlang der Faser nach unten, wo es entleert wird. Einer der großen Kompromisse bei der Nebelfiltration besteht darin, den Bedarf an Tröpfchen, die entleert werden müssen, mit dem Bedarf an hoher Effizienz in Einklang zu bringen. Höhere Filtrationseffizienzen können durch die Verwendung kleinerer Fasern erreicht werden. Aber kleinere Fasern benötigen Harze, um die Medien zusammenzuhalten, und Harze verhindern, dass koaleszierte Flüssigkeit effektiv entleert wird (siehe Abbildung 3). Filtermedien aus kleinen Fasern, neigen dazu, sich leicht mit eingefangener Flüssigkeit zu verstopfen – wie bei einem HEPA-Filter ohne Vorabscheidung (Abbildung 4). Wenn Filtermedien aus großen Fasern hergestellt werden, werden die Ablasseigenschaften erheblich verbessert, aber die Fähigkeit des Mediums, Nebeltröpfchen (insbesondere kleinere) aufzufangen, wird stark beeinträchtigt.

Abbildung 3 – REM-Aufnahme eines Polyester/Glas-Filtermediums bei 500-facher Vergrößerung zeigt Harz-„Gewebe“ zwischen den Fasern.
Abbildung 4 – REM-Aufnahme aller Glasfiltermedien mit 1000-facher Vergrößerung.

Einige Abscheider mit faserigen Medien verwenden gelagerte Medien in Taschenfiltern. Diese Filter enthalten nicht viel Harz, daher entwässern sie effektiv und haben eine ziemlich gute Effizienz. Ihre Struktur ist jedoch nicht sehr stabil. Mit der Zeit fallen die Fasern in den Medien zusammen, was zu einem Anstieg des Druckverlusts, einer Verringerung der Luftströmung und einer Verringerung der Filtrationseffizienz führt.

Filteroptimierung

Ein Weg, den Wunsch nach sowohl hoher Effizienz als auch effektiver Entleerung zu erreichen, ist die Verwendung von Schichten. Viele Nebelabscheider haben eine Vorfilterschicht, die im Allgemeinen aus großen Fasern, Geflecht oder Sieben besteht, die die größten Tröpfchen fangen und sie leicht entleeren. Eine zweite oder primäre Schicht fängt die meisten verbleibenden Tröpfchen mit einem Medium mit höherer Effizienz auf, behält aber dennoch gute Entleerungseigenschaften bei. Als Endfilter wird typischerweise ein HEPA-Filter (99,97 % effizient bei 0,3 Mikrometer-Teilchen) oder DOP-Filter (95 % wirksam bei 0,3 Mikrometer-Teilchen) vorgesehen. Diese Filter haben eine hohe Effizienz und entfernen somit die große Mehrheit der bis zu ihnen gelangten Tröpfchen. Sie entleeren jedoch schlecht und neigen dazu, einen schlecht konstruierten Abscheider zu verstopfen. In einem gut konstruierten Abscheider fängt der Vorfilter den Großteil großer Tröpfchen auf und entleert sie effektiv. Dann erfasst der Primärfilter die meisten der verbleibenden Tröpfchen, wird jedoch geringer beladen, da der Vorfilter bereits einen wesentlichen Teil der Gesamtmasse aufgefangen hat. Schließlich wird der Endfilter sehr gering mit Tröpfchen beladen, hat jedoch eine hohe Effizienz. Wenn eine dieser Schichten nicht gut funktioniert, funktioniert der gesamte Abscheider schlecht.

Ein konsistenterer Weg, um die erforderliche hohe Effizienz und Entleerung zu erreichen, ist der Einsatz einer Medientechnologie, die speziell für die Filtrationsprobleme bei der Nebelabscheidung entwickelt wurde.

Das Medium Synteq XP™ von Donaldson ist eine technische Mischung aus kleinen und großen Fasern mit einem urheberrechtlich geschützten, harzfreien Klebesystem. Das Design dieses Mediums ermöglicht es, dass der Primärfilter optimal arbeitet. Synteq XP-Medien bieten dank des urheberrechtlich geschützten Klebesystems, das die Oberfläche der Bindefasern mit den umgebenden Mikroglasfasern durch Wärme verbindet, ein Höchstmaß an Leistung. Diese Klebeart ermöglicht eine stabile Porenstruktur für optimale Leistung und längere Lebensdauer, da kein Harz die Poren verstopft. Jetzt können kleine Fasern ohne ein Harzsystem, das eine gute Entleerung gefährden würde, die Effizienz steigern. Die großen Fasern können immer noch die gesamte Struktur unterstützen und gleichzeitig klare Entleerungskanäle für überlegene Leistung beibehalten.

Messung der Nebelabscheidereffizienz

Ein weiterer interessanter Punkt bei der Nebelabscheidung mit Medienfiltern ist, dass sich die Druckverlustcharakteristika sehr stark von denen der Trockenpartikelabscheider unterscheiden. Trockene Partikel in einem statischen (nicht reinigenden) Abscheider werden in Filtern aufgefangen, wodurch der Druckverlust erheblich ansteigt und die Effizienz steigt, je länger der Abscheider läuft. Im Wesentlichen müssen neue trockene Partikel einen Kuchen von zuvor eingefangenen trockenen Partikeln passieren. Der aufgenommene Staub dient dazu, die Partikeleffizienz des Abscheiders zu erhöhen.

Bei der Nebelfiltration steigt der Druckverlust geringfügig an, wenn das Medium mit Flüssigkeit gesättigt wird. Die Effizienz leidet jedoch in der Regel mit zunehmendem Betrieb des Abscheiders leicht unter einem leichten Rückgang. Der Grund für die Abnahme der Effizienz ist die Porenstruktur, die durch die faserigen Medien in einem Nebelfilter erzeugt wird. Wenn Flüssigkeit eingefangen und koalesziert wird, füllen sich die kleinen Poren mit Flüssigkeit oder verstopfen sie. Die verbleibenden größeren Poren müssen die gesamte Filterung durchführen, was zu zwei Dingen führt:

  1. Eine Zunahme der Luftgeschwindigkeit durch die verbleibenden Poren und ein damit einhergehender erhöhter Druckverlust, und
  2. Eine Zunahme der Luftgeschwindigkeit durch die verbleibenden größeren Poren, die beim Einfangen von Submikrontröpfchen weniger effizient sind, sodass eine offensichtliche Verringerung der Effizienz des Filters auftritt.

Was bedeutet das für den Käufer eines Nebelabscheiders? Wenn der angegebene Wirkungsgrad des Abscheiders für einen neuen Filter vorgesehen ist, ist er höher als die realisierte Effizienz in der eigentlichen Anwendung. Die einzig wahre und repräsentative Effizienz ist diejenige, die über einen bestimmten Zeitraum unter Verwendung eines Nebels gemessen wird.

Fazit

Die Auswahl eines Nebelabscheiders kann schwierig sein. Wenn Sie jedoch die Unterschiede und Kompromisse zwischen grundlegenden Technologien zur Nebel- und Rauchabscheidung verstehen und die Eigenschaften und Ziele Ihrer Werkstatt abgleichen, kann eine gute Lösung gefunden werden.

1 Aerosolmessung, 2. Auflage, Baron & Willeke, 2001.
http://www.osha.gov/SLTC/metalworkingfluids/metalworkingfluids_manual.html#d

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