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Öl- und Emulsionsnebelabscheidung im Mikrometerbereich

Für die spanende und umformende Bearbeitung von Metallen sind Kühlschmierstoffe (KSS) unverzichtbar. Durch die thermische Einwirkung beim Bearbeitungsprozess bilden die Kühlschmierstoffe Öl- oder Emulsiondämpfe, Rauch und Aerosole. Bei hohen Fertigungsraten, beispielsweise mit Wendeschneidplatten aus Hartmetall, entstehen Temperaturen bis zu 1.000°C. Wird dabei Kühlmittel in die Bearbeitungszone eingebracht, findet eine sofortige Verdampfung statt. Das Partikelspektrum der Emissionen ist sehr breit und reicht von Tröpfchen mit mehr als 100 µm Durchmesser bis zu Feinstpartikeln mit weniger als 0,5 µm. Sie verunreinigen nicht nur den Arbeitsplatz und die Halle sondern sind auch ein Gesundheitsrisiko für die Mitarbeiter. Die Lösungsansätze für den Emissionsschutz an spanenden, umformenden und erodierenden Werkzeugmaschinen (WZM) sind vielseitig und hängen vom verwendeten KSS, den auftretenden Schadstoffen und deren Partikelspektrum ab. Autor: Ing. Michael Neuhaus / TTS Fertigungstechnologien GmbH

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Eingeatmete Partikel unter 5 µm Größe gelangen bis in die unteren Atemwege. Tröpfchen mit weniger als 2 µm dringen bis in die Lungenbläschen vor; sie geraten dadurch in die Blutbahn und somit in alle Organe. Sind die Mitarbeiter den Schadstoffen schutzlos oder unzureichend ausgesetzt, nennt die Arbeitsmedizin als mögliche Schäden toxische, allergische, neurale, krebserzeugende und erbgutverändernde Effekte. Der Emissionsschutz ist also dringend geboten – nicht zuletzt auch aus der Sicht der Raumhygiene und des baulichen Brandschutzes.

Bewährte Kompaktabscheider

Für kleinere WZM mit einem Arbeitsraum bis etwa 4 m³ und nur geringer Dampf- und Rauchentwicklung haben sich REVEN Kompaktabscheider bewährt, die auf dem Maschinengehäuse aufgesetzt werden. Ihre Luftleistung bewegt sich zwischen 400 und 1000 m³/h. Die gereinigte Luft strömt in die Halle zurück. Moderne Kompaktabscheider sind mit selbstreinigenden X-CYCLONE-Abscheidelamellen bestückt. Sie arbeiten rein mechanisch – ohne Filtermatten, die sich voll saugen und periodisch auszuwechseln sind. Die kompakten Geräte sind oft als sogenannte Rotationsabscheider konstruiert, bei der die ganze Filtertrommel rotiert, was Vibrationen, Geräusche sowie hohen Energieverbrauch verursacht. Bei fortschrittlichen Konstruktionen rotiert dagegen nur der Ventilator und nicht die Abscheidetrommel.

Um die tatsächliche Absaugleistung der unterschiedlichen Systeme vergleichbar zu machen, sollte auf Herstellerhinweise wie z.B. „Frei saugend“ geachtet werden. In solchen Fällen wird meisten die max. Absaugleistung des Ventilators alleine, d.h. ohne jegliches Filterelement angegeben.
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Werden solche Systeme dann mit den entsprechenden Filtern bestückt, sinkt die tatsächliche Absaugleistung drastisch ab. REVEN ist einer der wenigen Hersteller, der für jedes Filterelement und jede Filterkombination, jeweils die dazugehörigen Abscheidegrade, sowie die daraus resultierende, tatsächliche Absaugleistung des Systems angibt. Auf diese Eigenschaften sollte der Planer achten.

Flexible Kombinationen

Bei größeren WZM bis etwa 16 m³ Arbeitsraum und KSS-Drücken bis 40 bar sind mehrstufige Abscheidesysteme geboten. Es sind nicht rotierende Geräte mit mehreren hintereinandergeschalteten X-CYCLONE-Abscheideelementen. Die Elemente sind ausziehbar; sie lassen sich zur Grundreinigung zerlegen und beliebig oft wiederverwenden. Diese mehrstufigen Systeme sind sehr anwendungsflexibel: Ändern sich die Maschinenparameter oder wird von Öl auf Emulsion umgestellt, wird nur die Kombination der Abscheideelemente neu gewählt.

Ein Beispiel für ein dreistufiges System: Die erste Stufe fängt nach dem X-CYCLONE- Prinzip Festpartikel und Öltröpfchen in der Größenordnung 1 µm und darüber ab. An den senkrechten Lamellen des X-CYCLONE-Abscheiders fließt das Öl in die Auffangrinne ab. Der nachgeschaltete Agglomerator erfasst die Feinpartikel unter 1 µm. Er besteht aus einem mehrlagigen Metallgestrick aus Edelstahl. Die Oberflächen werden von einem Teil des zuvor abgeschiedenen Öles benetzt. Das bewirkt, dass die feinen Aerosole agglomerieren, das heißt, durch Adhäsion und Kohäsion größere Partikel bilden. Diese werden durch die dritte Stufe – wiederum ein X-CYCLONE-Abscheider – zuverlässig entfernt.

Die hohe
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Abscheideleistung der mehrstufigen Systeme erlaubt in der Regel die Rückführung der gereinigten Luft in die Werkhalle. Bei einer Partikelgröße von 1 µm beträgt der Abscheidegrad moderner Systeme oft 100 Prozent, bei 0,5 µm immer noch 95 Prozent. Für den Kunden ist es in der Angebotsphase wichtig, die Fraktionsabscheidegrade zu erfahren. Seriöse Anbieter schlüsseln die Abscheidegrade ihrer Produkte bzw. Systemkombinationen über dem gesamten Partikelspektrum auf. Die Angabe gravimetrischer Gesamtwirkungsgrade ist indes fragwürdig, weil sie die konkurrierenden Systeme nicht vergleichbar macht und zu Fehlinterpretationen führt.

Mehrstufige Elektrostaten

Extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten und dichtere Einhausungen lassen die Schadstoffkonzentration in hochmodernen WZM überproportional ansteigen. Rein mechanisch wirkende Ölnebelabscheider sind damit überfordert. Die Industrie entwickelte daher mehrstufige Elektrostate, denen meist ein Agglomerator und ein X-CYCLONE-Abscheider vorgeschaltet sind. Die Vorstufen fangen die groben Verunreinigungen ab; im bis zu dreistufigen Ionisationsfeld des Elektrostaten werden Feinstpartikel bis zu 0,01 µm abgefangen.

Die Abscheideleistung eines elektrostatischen Filtersystems hängt in hohem Maße von der anliegenden Hochspannung ab. Die in solchen Systemen verbauten Hochspannungsmodule arbeiten meist in einem Bereich von 6 – 7kV. Diese Hochspannung führt zu Bildung von Ozon, welches sich durch seinen „Schwimmbad Geruch“ bemerkbar macht. Anlagen die mit höheren Spannungen
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arbeiten, erzeugen deutlich mehr an gesundheitsschädlichen Ozon und übersteigen eventuell die dafür zulässigen Grenzwerte in der Halle. Darauf sollte der Planer achten.

Einsparungspotential durch ErP-konformer Ventilatoren

Generell wird bei der Auswahl von Öl- und Emulsionsnebelabscheidern der Energieverbrauch meist übergangen, obgleich das Einsparpotential beträchtlich ist. Ab Januar 2013 dürfen innerhalb der EU nur noch energieeffiziente Ventilatoren verkauft werden. Die ErP-Richtlinie (Energy related Products-Directive) legt hierfür Mindestwirkungsgrade fest. Das gilt unter anderem für Ventilatoren in Absauganlagen von Werkstätten und in Ölnebelabscheidern von WZM. Die Firma REVEN rüstet schon jetzt ihre Abscheider mit ErP-konformen Ventilatoren aus. Der Energieverbrauch der Anlagen und Geräte soll dadurch um durchschnittlich 20 Prozent sinken.

REVEN weist darauf hin, dass es bei Nachrüstungen in der Regel nicht genügt, den Antriebsmotor auszutauschen, z.B. gegen einen energieeffizienteren EC-Motor. Allein die abgestimmte Motor/Laufrad-Einheit mit entsprechender Leistungselektronik gewährleistet die reklamierten Mindestwirkungsgrade. Nur bei Nachweis der geforderten Effizienzwerte dürfen
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die Produkte das CE-Siegel tragen. Anwender sollten auf dieses Zeichen achten.

Dazu folgendes Rechenbeispiel



In einer spanenden Fertigung arbeiten 10 WZM mit Ölnebelabscheidern im Dreischichtbetrieb, also rund 8.400 h/J. Nimmt jeder Abscheider 1,2 kW auf, so betragen die Jahres-Stromkosten bei 10 Cent/kWh: 10 Maschinen x 1,2 kW x 8.400 h x 0,10 €/kWh = 10.080,- Euro

Beträgt der Strombedarf eines Abscheiders, bei gleicher Absaugleistung dagegen nur 0,4 kW, reduzieren sich die Jahres-Stromkosten auf ein Drittel: 10 Maschinen x 0,4 kW x 8.400 h x 0,10 €/kWh = 3.360,- Euro

Worauf sind die unterschiedlichen Verbrauchswerte zurückzuführen? Entscheidenden Einfluss hat – wie beim Auto – der Luftwiderstandswert. So beträgt der Widerstandswert eines strömungsoptimierten X-CYCLONE-Abscheiders oft nur einen Bruchteil des Wertes eines herkömmlichen Gestrickfilters oder Prallplattenabscheiders.

Planer und Einkäufer von Abscheideanlagen sollten also unbedingt den Strombedarf mit berücksichtigen. Hauptsächlich die erwähnten Kompaktabscheider weichen in der Stromaufnahme
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erheblich voneinander ab. Die Mehrkosten für ein hochwertiges System amortisieren sich oft binnen anderthalb Jahren. Werden bei betagten Anlagen die Filtereinsätze durch moderne X-CYCLONE Abscheideelemente ersetzt, liegen die Amortisationszeiten oft noch darunter. Der Austausch ist bei den genormten Filterabmessungen problemlos.

Zentral oder dezentral?

In größeren Fertigungsbetrieben mit zahlreichen WZM werden die einzelnen Ölnebelabscheider oft an eine gemeinsame Entlüftungsanlage angeschlossen. Alternativ zu dieser dezentralen Lösung kommt die zentrale Abscheidung mit einem leistungsstarken Luftreiniger im Abluftkanal infrage. In beiden Fällen wird die abgereinigte Luft ins Freie entlassen und nicht in die Halle zurückgeführt. Das kann die Lufthygiene am Arbeitsplatz weiter verbessern, hat aber einen Nachteil:

Die langen waagrechten Luftkanäle können im Laufe der Zeit verölen und so die Brandlast erhöhen. Im Brandfall wirken die Luftkanäle dann wie eine Zündschnur. Hohe Abscheidegrade sind also bei der zentralen Abscheidung alleine aus Gründen des baulichen Brandschutzes geboten. Feuerschutzklappen verringern zwar die Brandgefahr; es gibt aber eine Alternative, die wirkungsvoller ist – nämlich die Vorabscheidung der Emissionen an den einzelnen Maschinen.

Die Vorabscheidung mit hochwirksamen Abscheideelementen hält den Luftkanal weitgehend ölfrei. Sie ist aber nur sinnvoll, wenn die Vorabscheider auch flammendurchschlagssicher sind. Diese Eigenschaft wird durch ein entsprechendes DIN-Prüfzeichen
nachgewiesen. Die Prüfung orientiert sich an der DIN 18869-5. Diese Norm schreibt seit 2007 flammendurchschlagssichere Fettabscheider für Großküchen vor, weil es dort in der Vergangenheit zu verheerenden Luftkanalbränden kam. Sie ist die derzeit strengste Prüfnorm für die Flammendurchschlagsfestigkeit und gilt zunehmend auch Industrieausrüstern als Richtschnur für die Auswahl von Ölnebelabscheidern an WZM.

Das entsprechende DIN-Prüfzeichen auf den Vorabscheidern garantiert dem Betreiber, dass bei einem Schmierölbrand das Feuer nicht in den Luftkanal überschlägt. Die oft als Vorabscheider verwendeten Prallbleche erfüllen diese Anforderung nicht; sie sind allenfalls flammhemmend.

Resumee

Hauptsächlich aus Gründen des Arbeits- und Gesundheitsschutzes werden hochwirksame Ölnebel- und Emulsionsnebelabscheider in metallverarbeitenden Betrieben immer wichtiger. Der Fokus liegt dabei auf der Abscheidung der Feinstpartikel unter 1 µm Durchmesser. Diese Teilchen gefährden die Gesundheit der Mitarbeiter am meisten.

Die Lösungsansätze für die Abscheidung sind sehr unterschiedlich und orientieren sich am jeweiligen Anwendungsfall. Moderne Abscheidesysteme sind mehrstufig ausgeführt, wobei die Kombination der Abscheidelemente auf das Partikelspektrum und die Schadstoffkonzentration zugeschnitten wird. Vielfach genügen mechanische und/oder elektrostatische Abscheider ohne Wegwerffilter. Bei der Systemauswahl sollte sich der Investor die fraktionellen Abscheidegrade im Mikrometerbereich aufschlüsseln lassen, da der Gesamtwirkungsgrad kein Kriterium für die Abscheidequalität ist. Darüber hinaus sollte bei der Auswahl von Öl- und Emulsionsnebelabscheidern der Energieverbrauch beachtete werden, da das Einsparpotential hierbei beträchtlich ist.

In Österreich wird die Firma REVEN Lüftungssysteme durch TTS Fertigungstechnologien vertreten. Hr. Ing. Michael Neuhaus, Verkaufsleiter von TTS,
ist stolz darauf, die Produkte dieses modernen und innovativen Unternehmens in Österreich anbieten zu können: „Mit REVEN sind wir in der Lage, unseren Kunden eine individuelle Lösung für ihre Luftreinigungsprobleme anbieten zu können. Auf Anfrage stehen wir Ihnen auch für eine Partikel- und Luftmengen-Messung Ihrer Luftreiniger vor Ort gerne zur Verfügung“.



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Werkzeugmaschinen, Ölnebelfiltrationsanlagen

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