Beutelfilter in Reinigungsanlagen

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Ein wichtiger Schritt in der Herstellung und Bearbeitung von metallischen Werkstücken oder –teilen ist die Reinigung im Anschluss an die Fertigungsprozesse. Der Reinheitsgrad ist abhängig von der späteren Verwendung und kann von „hochrein bis gerade sauber“ liegen. Die genauen Forderungen werden in aller Regel in Spezifikationen für das Werkstück festgelegt.

Beispielsweise wird vom Kunden beim Kauf einer Küchenspüle ein optisch einwandfreies Aussehen verlangt, jedoch wäre die Anwesenheit einiger größerer Partikel, auch sichtbarer Partikel sicherlich nicht störend. Wir erinnern uns: das unbewaffnete Auge vermag Partikel kleiner 40µm nicht mehr zu erkennen. In einer Mikrohydraulik können diese Partikel jedoch letztlich den Ausfall eines Gerätes herbeiführen. Insbesondere Massenteile werden heute in speziell dafür gebauten Waschanlagen gereinigt. Gereinigt wird je nach Anforderung mit wässrigen oder Lösungsmittel basierten Reinigungslösungen.

In Normalfall wird dabei das Werkstück mit Druck (Nieder und/oder Hochdruck) abgespritzt oder in Waschkammern gespült. Je nach Anforderung an die Reinheit des Werkstückes sind ggf. mehrere Waschvorgänge notwendig („Vorwäsche, Waschen, Spülen“). Für komplexe Teile bedarf es dabei häufig einer speziellen Flüssigkeitsführung, um auch Bohrungen, Kavernen oder Hinterschnitte zuverlässig zu reinigen. Verwendung finden hier Spüllanzen oder robotergeführte Sprühdüsen. Allen Anlagen gemein ist die Tatsache, dass die abgereinigten Schmutzteilchen aus dem System entfernt werden müssen. In Abhängigkeit von den Anforderungen werden dazu verschiedene Trennsysteme eingesetzt. Abgetrennt werden „grobe“ und „feine“ Teile. Für grobe Teile bis herunter zu z.B. 50µm werden häufig Systeme angewendet, welche auch hier ihre Anwendungsgrenze finden. Für „feinere Teilchen“ werden in aller Regel sogenannte „Feinfilter“ eingesetzt welche je nach Art bis in den Bereich deutlich kleiner 1µm abscheiden können. Diese „Feinfilter“ werden allerdings naturgemäß auch die “gröberen“ Teilchen zurückhalten und sind somit in Abhängigkeit von den anfallenden Schmutzmengen „universell“ einsetzbar. Üblicherweise werden Kerzenfilter oder Beutelfilter als Feinfiltersystem eingesetzt.

Im Folgenden wird das Beutelfiltersystem besonders betrachtet und auf die Vorteile, aber insbesondere auch Anwendungsgrenzen hingewiesen.

Mit dem Filterbeutel und dem Beutelfiltergehäuse wird dem Anwender ein System an die Hand gegeben, welches die Vorteile der einfachen Handhabung des weitreichenden Anwendungsbereiches und eines hervorragenden Kosten-Nutzenverhältnisses in sich vereint. Diese Vorteile sind allerdings erst dann zu nutzen, wenn die systemtypischen Eigenschaften beachtet werden und die Anwendung konsequent darauf abgestimmt wird.

Herzstück des Filtersystems ist das Filterelement “der Filterbeutel“. Getreu dem Namen hat das Filterelement die Form eines Beutels, der die abgeschiedenen Stoffe aufnimmt. Die Aufgabe der Feststoffabscheidung übernimmt dabei je nach Elementart entweder ein Nadelfilz, Monofilament, Multifilament, Meltblown oder Kombinationen dieser (Mehrlagenbeutel). Allen Medien gemein ist, dass die aktive „Filterschicht“ relativ dünn ist (2-4mm). Eine Ausnahme bilden Hochleistungsfilterbeutel, auf die später noch näher eingegangen wird.

Eine grundsätzliche Bemerkung zum Begriff Filterfeinheit: Die Angabe der Filterfeinheit eines Filtermediums mit zufälliger Faserorientierung wird in aller Regel nominal sein. Der angebende Wert nimmt Bezug auf eine erreichte Trennmenge (z.B. 90%) einer festgelegten Körngröße (z.B. 50µm) von der Gesamtmenge dieser Partikelgröße. Da dieser Wert stark abhängig ist von den Testbedingungen (Testmaterial und Versuchsbedingungen), ergibt sich eine nicht vergleichbare Größe für Produkte verschiedener Hersteller. Für vergleichbare Werte müssen stets auch die Testbedingungen bekannt sein.

Inhaltsverzeichnis

Filtermittel, Auswahl, Gebrauchseigenschaften

Das Abscheideverhalten der einzelnen Medien ist durchaus unterschiedlich, so haben Monofilamente im Prinzip eine genaue Trenngrenze, die sich an der Maschenweite bemisst. Multifilamente haben durch ähnlichen Aufbau auch fast gleiches Trennverhalten, jedoch ist die Maschenweite weit weniger präzis. Alle Teilchen welche an der dünnsten Stelle größer als die Maschenweite sind, werden quantitativ zurückgehalten. Zu beachten ist, dass naturgemäß lange Teile (Fasern, Späne) solche Filtermedien problemlos passieren können, sofern der Durchmesser die Maschenweite unterschreitet. Dieser Vorgang kann durch die Betriebsart des Filters noch erheblich unterstützt werden. So kann man sich unschwer vorstellen, daß turbulenter Flüssigkeitsstrom über kurz oder lang langfaserigere Teile durch das Filtermedium zwingt, zumal das Filtermedium sich unter diesen Bedingungen auch zwangsläufig bewegen wird. In diesem Zusammenhang soll auch kurz auf metallische Filtermedien (Siebkörbe) hingewiesen werden. Höhere Materialfestigkeiten vermindern oder machen Mediabewegungen sogar unmöglich. Die Folge ist in der Regel eine bessere Abscheideleistung auf Grund eines sichereren Kuchenaufbaues, meist aber dann auch kürzeren Standzeit, da Störungen durch fehlende Mediabewegungen nicht auftreten.

Nadelfilze

Nadelfilze sind Fasergewirre aus Textilfasern mit unterschiedlichen Dicken und Dichten. Für Filterbeutel wird allgemein mit Dicken von 1 bis 4 mm gearbeitet. Unterschiedliche Dichten werden durch Variation der Fasermengen und Anordnung erzeugt. Das Abscheideverhalten bezüglich des Grenzkornes wird letztlich durch die „größte Pore“ bestimmt. Durch die zufällige Anordnung der Fasern entstehen unregelmäßige Kanäle (Poren) hinsichtlich der Form und des Durchmessers. Schmutzteilchen im Flüssigkeitsstrom müssen diesen Kanälen folgen und werden somit nicht nur auf der Oberfläche sondern auch in der Fasermatrix zurückgehalten. Langfaserigen Teilchen wird das Passieren des Mediums erschwert. Wie oben wird das Abscheideverhalten erheblich durch die Betriebsweise beeinflusst, d.h. auch hier bestimmt die Art des Flüssigkeitstromes (Druckwechsel, Turbulenz hohe Filtergeschwindigkeit) stark das Filtrationsergebnis. Es lässt sich unschwer vorstellen, dass unter Druck eine Verdichtung der Fasermatrix stattfindet, anderseits bei Verringerung des Druckes eine Entlastung erfolgt. Damit verändert sich zwangsläufig die „Porenstruktur“ und in der Praxis werden plötzlich zuvor abgeschiedene Teilchen aus der Matrix gerissen und in das Filtrat abgegeben. Nadelförmige Teile können ebenfalls auf diesem Wege durch die Filtermatrix getrieben werden.

Meltblown

Meltblown sind ebenfalls Fasergewirre, jedoch sind die Fasern hier erheblich feiner und damit wird ein Medium mit erheblich präziserer Porenverteilung sowie kleineren und mehr Poren erzeugt (hohes Porenvolumen). Das Abscheideverhalten gleicht vom Grundsatz dem Nadelfilz, ist jedoch wesentlich genauer hinsichtlich der Grenzkornes und der grundsätzlichen (kleineren) Porengröße. Die statistische Wahrscheinlichkeit einer Teilchenrückhaltung steigt stark mit dem Porenvolumen. Auch hier beeinflussen die Betriebsparameter das Filterergebnis, wenngleich nicht in dem Maß wie beim Nadelfilz.

Mehrlagenfilterbeutel

Mehrlagenfilterbeutel vereinen je nach Aufbau die Eigenschaften der einzelnen Medien. So kann beispielsweise eine Kombination aus Nadelfilz und Monofilament die Gefahr eines Durchtretens von langen dünnen Teilchen wirkungsvoll vermindern, als auch gleichzeitig eine genaue Trenngrenze bieten. Die Kopplung der positiven Eigenschaften wird hier konsequent genutzt.

Hochleistungsfilterbeutel

In Hochleistungsfilterbeutel sind Meltblown-Materialien aus unterschiedlich dichten Fasernpackungen zu, im Vergleich mit den anderen Materialien, relativ dicken Filterschichten aufgebaut Es entsteht eine Faserpackung mit ggf. von innen nach außen dichterem (progressiven) Aufbau. Die Gesamtschichten können Dicken von mehr als 20 mm erreichen. Filtermittel mit diesem Aufbau duplizieren die positiven Eigenschaften des Meltblown-Materials und haben durch das hohe Porenvolumen sowie statistisch relativ gleichmäßige „Poren“ schon genaues Abscheideverhalten.

Sonderbauformen

Sonderbauformen wie z.B. Filterbeutel mit vergrößerter Filterfläche bei gleicher Baugröße. Hier stehen Nadelfilze als auch Mehrlagen als Media zu Verfügung. Diese Elemente sind geeignet, um in bestehenden, zu klein ausgelegten Anlagen die Strömungsverhältnisse zu verbessern und damit einhergehend die Filterleistung betr. Filterfeinheit und Standzeit. Bei Neuanlagen sollten grundsätzlich HAYFLOW-Elemente eigentlich nicht benutzt werden, um diese Anlagen kleiner und damit billiger aufzubauen. Das Ziel eines besseren, sichereren, wirtschaftlichen und langfristig auch ggf. steigenden Ansprüchen gerecht werdenden Filtersystems wird damit zerstört.

Betriebsbedingungen

Wie schon erwähnt sind die Betriebsbedingungen nicht unerheblich am Filtrationsergebnis bzw. Effizienz des Filtersystems beteiligt. Neben vielen anderen Faktoren sind im Wesentlichen zunächst die Druckverhältnisse und der Massendurchsatz von Bedeutung.

Massendurchsatz

Grundsätzlich wird zunächst aus ökonomischen Gründen ein möglichst hoher Durchsatz verlangt, um das Filtersystem kostengünstig zu halten. Anmerkung: Hier wird häufig den Kosten ein funktionierendes System geopfert. Beutelfiltersysteme werden traditionell mit hohen Filtergeschwindigkeiten gefahren (max. ≤ 80m/h). Wird nur diesem Kriterium gefolgt, kann ggf. das System völlig wirkungslos sein. Eine Anpassung von Filtermedium und Gerät an die Anforderungen ist daher notwendig und entsprechend sorgfältig vorzunehmen.

Für kontinuierliche Filtrationen gilt: Je kleiner der Durchsatz umso effektiver ist das Filtersystem hinsichtlich des Abscheideverhaltens (Filterfeinheit) und Schmutzaufnahmevermögen. Zu hohe Durchsätze können das Filtermedium mechanisch durch Erosion schädigen. Gaseinschlüssen und intermittierender Betrieb sind zusätzliche Belastungen. Bei Batchfiltrationen lassen sich durch die zwangläufig geringere temporäre Belastung höhere Durchsätze realisieren.

Einen großen Einfluss auf den optimalen Massendurchsatz hat naturgemäß die „Filterfeinheit“ des eingesetzten Filtermittels. Es besteht ein enger, fast linearer Zusammenhang zwischen der „Filterfeinheit“ eines Mediums und dem optimalen Durchsatz.

Im Anhang werden zwei Tabellen mit Richtwerten aufgeführt, welche natürlich für die grundsätzliche Auslegung eines Filtersystemes herangezogen werden können, aber nicht ausschliesslich für die Auswahl geeignet sind. Parameter wie Schmutzmengen und Schmutzart, Wartungsintervalle und Standzeit, Filtersicherheit und nicht zuletzt steigende Ansprüche müssen in die Überlegungen einbezogen werden.

Druckverhältnisse

Der am Filterelement entstehende Druckverlust und der temporäre Druckverlauf beeinflussen stark das Filtrationsergebnis. Alle Medien mit Ausnahme der Mono-Multifilamente sind mehr oder wenig druckempfindlich durch die Tatsache, dass eine bewegliche Fasermatrix vorliegt. Das heißt Druckschwankungen zwingen ggf. Partikel durch die sich bewegende Fasermatrix. Das betrifft im wesentlichen Partikel, die in der Größe des Grenzkornes liegen und insbesondere Partikel, die in der Fasermatrix selbst abgelagert wurden. Da recht häufig die Filterschicht nur anfänglich die Filtration übernimmt und danach der Prozess in eine Kuchenfiltration übergeht (die Partikel selbst bilden dann die Filterschicht) wirken sich Druckschwankungen besonders negativ aus. Ein unangenehmer Nebeneffekt ist ebenfalls das „Durchdringen“ von langen Teilen durch die Fasermatrix aufgrund von Druckschwankungen. Hier können „relativ“ große Teile das Filter passieren.

Filtergerät

Der Filterbeutel selbst wird in aller Regel in einem Gehäuse (Druckgerät) eingesetzt, und als drucktreibende Kraft dient im Normalfall eine Pumpe. Die Beutelfiltergehäuse stehen je nach Erfordernissen in unterschiedlichen Bauarten zur Verfügung. Die Palette reicht hier von der kostengünstigen Kompromisslösung bis hin zu aufwendigen, bedienerfreundlichen und fehlersicheren Geräten. Wie schon erwähnt wird häufig aus Kostengründen auf eine sichere technische Lösung verzichtet, mit meist kostenträchtigen Nachbesserungen, entweder durch den Anlagerhersteller oder Anwender selbst.

Einfache Gehäuse haben meist einen so genannten V-Klammerverschluss, sind eine Leichtbauweise und bieten dazu ggf. keine besonders zuverlässige Filterelementabdichtung. Daneben stehen auch Gehäuse zur Verfügung, die sowohl hervorragende Gebrauchseigenschaften und fehlersichere Funktion haben. Allen Gehäusen ist gemein, dass zu hohe Flussraten zu übermäßigen Turbulenzen im Filter führen und das Filterelement schädigen. Faserabgaben aus dem Filterelement und Partikeldurchbrüche können die negative Folge sein.

Zusammenfassung

Für die Entfernung von „Schmutzteilchen“ aus einer Reinigungslösung steht mit dem Beutelfiltersystem ein seit vielen Jahren bewährtes Instrument zur Verfügung. Mit den verschiedenen Filtermitteln kann fast immer eine Problemlösung gefunden. Ökonomische Zwänge führen häufig zur Auswahl eines unterdimensionierten oder technisch nicht adäquaten Filtersystems, zudem wird ebenso häufig nicht beachtet, dass die Betriebsweise (Flüssigkeitsführung) einen erheblichen negativen Einfluss auf das Filtrationsergebnis hat und im Extremfall bis zur Unwirksamkeit führen kann. In den Gesamtkosten einer Reinigungsanlage spielt das eigentliche Filtergerät meist ein untergeordnete Rolle, ist aber ein technisch äußerst wichtiger Anlagenteil. Schließlich fällt ihm die Schlüsselfunktion zu, den Schmutz aus dem System zu entfernen. Dem Filter wird, wie wir aus Erfahrung wissen, in vielen Fällen nicht die notwendige Aufmerksamkeit geschenkt. Hier ist es wünschenswert, dass mit den Herstellern von Filtersystemen besser kommuniziert wird und bei der Auswahl nicht nur die Kosten in den Vordergrund gerückt werden. „Sparschäden“ werden sowohl für den Anlagenbetreiber als auch Hersteller vermieden.

Richtwerte zur Auslegung eines Filtersystems

Filterbeutel Größe 02 Zulässige Filtergeschwindigkeit m/h Empfohlen m³/h Optimal / max. m³/h
<50 µm >50µm <50 µm >50µm <50 µm >50µm
Nadelfilz bis 40 60 30 40 20 30
Meltblown 20 12 10
Mono/multifilament 60 80 30 40 20 30
Mehrlagenbeutel 40 60 30 40 20 30
Hochleistungsfilterbeutel 20 12 10

O. a. Werte sind Richtwerte. Die richtige Wahl des Durchsatzes muss sich an der Betriebsart, Filtratanforderung, Partikelmengen, Partikelverteilung, Partikelart sowie anderen Parameter bemessen.

Verfasser

Reinhard Schröder Technical Sales Service Manager

EATON Filtration GmbH Auf der Heide 2 53947 Nettersheim, Germany

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