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Gemäß der VDMA-Broschüre „Kühlschmierstoffe“ (kurz: KSS) von 2002 versteht man darunter Flüssigkeiten, die bei Fertigungsverfahren der umformenden, trennenden und spanenden Be- und Verarbeitung von Werkstoffen eingesetzt werden. Es ist ihre Aufgabe, bei den Fertigungsprozessen u.a. das Werkzeug zu kühlen, Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug zu vermindern, den Verschleiß des Werkzeuges zu begrenzen, Zerspanungs- und Umformenergie zu verringern und/oder Späne abzuführen. Aus der Vielzahl der Einsatzfelder resultieren ebenso viele Arten und unterschiedliche Zusammensetzungen der KSS.
Solche KSS, deren Aufgabenschwerpunkt „Kühlung“ heißt, weisen z.B. ein Mischungsverhältnis von ca. 80-97% Wasser und 20-3% Ölanteil auf. Diese Emulsionen werden primär zur Bearbeitung heißer Werkstücke eingesetzt.
Beim Bearbeitungsvorgang bilden diese Kühlschmierstoffe auf mineralischer, synthetischer oder Esterbasis einen Nebel aus, der aufgrund seiner Gesundheitsschädlichkeit aus der Werkzeugmaschine und aus der Umgebungsluft abgeschieden werden muss.
Typische Fertigungsprozesse sind Drehen, Fräsen, Bohren, Hobeln, Schleifen, Sägen, Erodieren sowie Honen und Läppen.
Die Schadstoffkonzentration mit ihrer Partikelverteilung hängt von den Faktoren Druck der KSS-Zufuhr, Werkzeuggeschwindigkeit, Viskosität, Dampfdruck und einigen weiteren ab, wobei Schadstoffkonzentrationen im Generellen bis zu 150mg/m3, im Besonderen auch bis zu 300mg/m3 auftreten.
Ausführliche Messungen der Berufsgenossenschaften ergaben ein typisches Partikelspektrum im KSS-Nebel: Es treten Partikelgrößen bzw. Aerosoltröpfchen von 0,2 bis 10 µm auf, von denen jeweils auf Masse bezogen etwa 90% kleiner als 1 µm sind (siehe KSS Report, 2006).

Die Aufgabe der Aerosolabscheidung kann mit 3 Ansätzen gelöst werden:
1. mit dem klassischen Speicherfilter
Hierbei wird das Filtermedium von der Schadstoff-beladenen Luft durchströmt, die Schadstoffe lagern sich sukzessive im Filtermaterial ein – sie werden „gespeichert“.
Nachteile: kurze Standzeit – das Medium saugt sich voll, kurze Wartungsintervalle sind die Folge, Filtermedien und Schadstoffe müssen aufwändig und kostenintensiv entsorgt werden. Die Filter haben höhere Druckverluste unter Betriebsbedingungen und einen erheblich höheren Energiebedarf.


2. mit dem Elektrofilter:
Die Schadstoff-beladene Luft durchströmt Ionisator und Kollektor. Im Ionisator werden die Schadpartikel durch ionisierte Luftmoleküle in Sekundenbruchteilen kontinuierlich elektrostatisch aufgeladen und im Kollektor mittels eines induzierten elektrischen Feldes an Kollektorplatten abgeschieden. Bedingt durch den technischen Aufbau laufen die Schadstoffe selbständig ab.
Vorteil: Entfernt mit entsprechendem Filterdesign alle Schadstoffe konsequent aus dem Rohgas.
Nachteil: eigentlich keiner – aber?!
Ohne Frage ist die elektrostatische Filtration die Top-Lösung und verglichen mit Speicherfiltern bisheriger Auslegung unschlagbar. Da jedoch diese Lösung ein bestimmtes Investitionsvolumen benötigt, ist die Amortisationsdauer speziell bei der Kombination „Emulsions-Kühlschmierstoffnebel und kleinere Anlage/Volumina“ höher als z.B. bei nicht-wassermischbaren KSS (Öl). Deren Nebel aus den Bearbeitungsmaschinen ist viel feiner, so dass die Vorteile des elektrostatischen Filters schneller greifen, vor allen Dingen, wenn noch Anteile an Ölrauch in der Luft sind.
Es stellte sich die Frage, ob es für die Kombination „KSS-Emulsion und kleinere Anlage/Volumina“ eine zwischen Leistung, Kosten und Amortisation noch ausgewogenere Alternative gibt.

Hinweis: Aerosole mit niedrigem Flammpunkt sollten mit dieser Technik nicht abgeschieden werden.

3. Koaleszenzfilter
Hier wird Aerosol-beladene Luft oder ein Nebel durch eine poröse Faserpackung geleitet, wobei Öl- und Schmutzpartikel "statistisch" auf Filterfasern auftreffen, aufgrund einer Haftkraft (Adhäsion) im ersten Schritt hängenbleiben und einen kleinen Tropfen bilden. Weitere auftreffende Partikeltröpfchen verbinden sich mit vorhandenen, bilden unter Oberflächenverringerung einen größeren Tropfen,(sprich: sie koaleszieren) und laufen ab.
Vorteil: Gute Abscheideleistung und gegenüber 1. längere Standzeit, bei kleineren Anlagen/Volumina Kostenvorteile gegenüber 2. bei KSS-Emulsionen.
Nachteile bisheriger Technologien: Filterelemente sind oft groß und schwer, der Austausch der Filterelemente muss bei einigen Filterprodukten per Gabelstapler erfolgen, Platzverbrauch/Standfläche; Filtermedien halten nicht immer das, was das Datenblatt verspricht.
Auslegung bisher nur als 3-stufiger Filter, bei der der HEPA-Filter recht stark belastet wird.

Weiterentwicklung
UAS als Filtertechnik-Spezialist haben die Aspekte und Fragestellungen unter 2. und 3. schon „gefuchst“, denn prinzipiell ist der Ansatz „Koaleszenzfilter“ stimmig, speziell für KSS-Emulsionen und kleinere Filteranlagen.
Was tun? Umfangreiche Tests im eigenen Prüflabor am Standort Bad Camberg über 18 Monate hinweg durchführen – und Lösung finden!


Punkt 1: UAS-Koaleszenzfilter-Elemente sind durch ihre Leichtbauweise handlich bequem und mit einer Hand einzusetzen/zu entnehmen, auch in beladenem Zustand – ein Handling mittels Gabelstapler entfällt. Eine Zugänglichkeit für den Stapler muss bei Planung des Filterstandortes nicht berücksichtigt werden.


Punkt 2: Das kompakte Gehäuse benötigt weniger Platz, es kann an der Maschine oder Konsole montiert werden. Es nimmt die Filterelemente vertikal auf, so dass die gebildeten „koaleszierten“ Schadstofftropfen ablaufen können – eine Mehrfachabscheidung wird vermieden, die Standzeit verlängert.


Punkt 3: die aufwändige Prüfung verschiedenster Grundmaterialien für den Filter hat ein Material sich etablieren lassen. Es basiert nicht auf Glasfasern, die recht spröde sein können, sondern auf synthetischen Fasern.
Deren hydrophobe Eigenschaften, die Fähigkeit zur Selbstreinigung sowie die Belastbarkeit mit hohen Schadstofffrachten und dennoch Abscheidung ultrafeiner Partikel konnten in umfangreichen Reihentests verifiziert werden.


Punkt 4: Aufgrund der kompakten, modularen Bauform hat UAS die MENA 2000/4000 benannten Systeme 4-stufig ausgelegt:

  • Aerosol-Partikel größer als 2 µm sowie Staub und Späne entfernt ein Vorfilter (metallisches Drahtgeflecht)
  • Aerosol-Partikel von 0,6 µm bis 3 µm entfernt der erste Koaleszenzfilter in Abscheideklasse F5 nach EN779
  • Aerosol-Partikel von unterhalb 0,8 µm entfernt der zweite Koaleszenzfilter in Abscheideklasse F9 nach EN779
  • Restpartikel in ganz geringen Mengen bleiben dann für den HEPA Filter (H13) mit einem zertifizierten Abscheidegrad von 99.95% nach DIN EN 1822 übrig, wobei dieser lediglich als reiner „Polizeifilter“ dient und nur äußerst gering belastet werden soll.


Mit diesem Design wird zum einen eine gute Standzeit bzw. hohe Wartungsintervalle erreicht, weil jede Filterstufe einen Bereich des Partikelspektrums übernimmt und zum zweiten liegt so die reingasseitige Rest-Schadstoff-Konzentration an Aerosolen unter 1mg/m3 im Umluftbetrieb – auch bei hohen Schadstoffbelastungen.
Des Weiteren kann die Gas-/Dampfphase auf Kundenwunsch noch von einem nachgeschalteten Aktivkohlefilter abgeschieden werden.
Außerdem bestehen die Rahmen der Filterelemente aus Kunststoff und sind damit per-se hygienischer als die vielfach verwendeten Holz-, MDF- oder Kartonrahmen.
Die umfangreichen Feldversuche haben außerdem ergeben, dass mit den MENA 2000/4000 Koaleszenzfiltern nicht nur Kühlschmierstoffnebel mit hohem Wassergehalt hervorragend abgeschieden werden können, sondern insbesondere auch weitere Schadstoffe mit niedrigen Flammpunkten wie Petroleum, Dielektren, Paraffine, Reinigungsmittel in Industriewaschmaschinen oder Lösungsmittel. Somit ergeben sich für UAS-Technologie weitere Einsatzfelder.
Die Fertigung der Filtersysteme erfolgt für den europäischen Markt in Deutschland am Standort Bad Camberg, ein Aufbau in Edelstahl ist, je nach Einsatzgebiet, ebenfalls möglich.
Damit sich der Anwender von den Vorteilen des neuen Systems überzeugen kann, ist es nach Absprache möglich, bei UAS Testfilter zu ordern.

Die Vorteile im Überblick

- Koaleszenzprinzip + mehrstufiges Filterkonzept ermöglichen hohe Filterstandzeiten

  • Drainage der Schadstoffe aus Filtermedium durch Koaleszenz (selbstreinigender Effekt)
  • sehr hohe Standzeiten speziell bei KSS mit hohem Wassergehalt (Emulsionen) durch hydrophobe Eigenschaften des Filtermaterials
  • hohe Filterfläche und niedrige Filterflächenbelastung
  • 4 Stufen – jede Stufe übernimmt spezifische Partikelfraktion

- Vorteile der Filtermedien

  • Faltengeometrie bietet strömungsgünstige u. energieeffiziente Konturen
  • Bypassvermeidung von ultrafeinen Partikeln durch Maßhaltigkeit /partikeldichte Geometrie zwischen Filtermedium und Rahmen
  • Koaleszenzfiltermedium ist VDI 6022 konform - ohne Glasfaser oder Metallteile
  • Rahmen aus Kunststoff (hygienischer als Holz, MDF oder Kartonrahmen)

- Wartungsfreundlichkeit

  • Filterelemente in Leichtbauweise, gutes Handling, kein Stapler notwendig

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