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:

• 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):

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.