Stecher, M. (2010). Entwicklung eines Verfahrens zur beschleunigten Filtermittelalterung von Kühlschmierstoff-Nebelabscheidern [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/160857
E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
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Date (published):
2010
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Number of Pages:
128
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Keywords:
Kühlschmierstoff; Nebelabscheider; Alterung
de
metalworking fluid; mist separator; ageing
en
Abstract:
Kühlschmierstoffe (KSS) werden in der metallbearbeitenden Industrie zur Kühlung und Schmierung von Werkstücken und Werkzeugmaschinen eingesetzt. Dabei entstehen KSS-Aerosole von denen, aufgrund der Inhaltsstoffe und der Größe des Aerosols (aerodynamischer Durchmesser <10µm und daher lungengängig), eine Gefahr für die Gesundheit des Arbeitspersonales ausgeht. Daher sind bei der Arbeit mit Kühlschmierstoffen Einhausungen der Werkzeugmaschinen Stand der Technik [2]. Mit Hilfe von Absaugvorrichtungen werden die KSS-Aerosole über KSS-Nebelabscheider geleitet und so die KSS-Emissionen reduziert. Hierbei kommen unterschiedliche Arten von KSS-Nebelabscheidern (filternde, elektrostatische und Fliehkraft-Abscheider) zum Einsatz. In dieser Arbeit sollen, aufgrund ihrer großen Bedeutung in der Industrie [2], filternde KSS-Nebelabscheider mit KSS-Emulsionen als Testsubstanz behandelt werden. Für die Bewertung und den Vergleich der Effizienz von filternden KSS-Nebelabscheidern existieren derzeit keine genormten Teststandards, wie dies zum Beispiel bei Abreinigungsfiltern für Staub der Fall ist (vergl. Teststandard für abreinigbare Staubfilter nach VDI-Standard 3926). Bei filternden KSS-Nebelabscheidern findet aufgrund der Abscheidung von KSS-Aerosol aus der Luft eine Flüssigkeitseinlagerung statt. Diese Flüssigkeitseinlagerung beeinflusst die zur Bewertung und den Vergleich von filternden KSS-Nebelabscheidern notwendigen filtrationsspezifischen Parameter (Druckverlust, Abscheidegrad, etc.). Für die im Zuge eines standardisierten Testverfahrens durchgeführte Bewertung und den Vergleich von filternden KSS-Nebelabscheidern ist es daher notwendig ein Verfahren zu entwickeln, mit dem diese am Filterprüfstand in einen reproduzierbaren und hinsichtlich ihrer filtrationsspezifischen Parameter stationären Zustand übergeführt (d.h. gealtert) werden können. Im Sinne zeitökonomischer Filtermitteltests soll diese Filtermittelalterung möglichst rasch erfolgen. Ein solches Verfahren zur beschleunigten Filtermittelalterung wurde in dieser Arbeit entwickelt. Hierfür war es naheliegend zunächst die Mechanismen zu bestimmen, welche für die Dauer der Filtermittelalterung maßgebend sind. Dies gelang durch die detaillierte Auswertung eines Filtermittelalterungs-Versuches mit einer Emulsion als Testsubstanz; die Beaufschlagung mit KSS-Emulsion erfolgte dabei alleine durch den in den Filterprüfstand für KSS-Nebelabscheider der TU Wien integrierten Aerosolgenerator. Dabei hat sich gezeigt, dass die Entmischung der im Filter gespeicherten Emulsion hin zu einem maximalen Ölgehalt, zusammen mit der Umlagerung von im Filter gespeicherter Emulsion, für die Dauer der Filtermittelalterung hauptverantwortlich sind. Um diese Vorgänge und damit die Filtermittelalterung zu beschleunigen, war es naheliegend zusätzlich zum Aerosolgenerator mehr KSS-Emulsion in kürzerer Zeit auf das Filtermedium aufzubringen. Dies konnte durch die Erweiterung des Filterprüfstandes um eine Alterungsdüse, die für die Dauer der Alterung parallel mit dem Aerosolgenerator für die Beaufschlagung des Filtermediums mit Kühlschmierstoff sorgte, erreicht werden. Durch die gemeinsame Beaufschlagung von Aerosolgenerator und Alterungsdüse erhöhten sich, im Vergleich zu einem nur vom Aerosolgenerator beeinflussten stationären Zustand, die im stationären Zustand erreichten Werte für den Druckverlust und die im Filter gespeicherte Flüssigkeit. Um einen stationären Zustand zu erreichen, der nur vom Aerosolgenerator beeinflusst war, wurde, nach dem beschleunigten Erreichen eines durch Alterungsdüse und Aerosolgenerators beeinflussten stationären Zustandes, der zusätzliche Düsenspray der Alterungsdüse gestoppt. Durch dieses Verfahren einer beschleunigten Filtermittelalterung konnte rasch ein, nur vom Aerosol des Aerosolgenerators beeinflusster, stationärer Zustand erreicht werden. Dieser stationäre Zustand war somit geeignet um Messungen der, zur Bewertung und zum Vergleich filternder KSS-Nebelabscheider notwendigen, filtrationsspezifischen Parameter (Druckverlust, Holdup und Öl-Holdup) durchzuführen. Mit dem beschriebenen Verfahren zur beschleunigten Filtermittelalterung konnte bei einem Draht/Glasfaser-Gestrick als Filtermedium und einer Emulsion als Testsubstanz die Versuchszeit bis zum Erreichen eines, nur durch das Aerosol von Aerosolgenerator beeinflussten, stationären Zustandes von 12 auf drei Stunden verkürzt werden. Weiters konnten im Zuge dieser Arbeit mit diesem Verfahren zur beschleunigten Filtermittelalterung 18 Filtermedium- KSS-Kombinationen (sechs verschieden strukturierte Filtermedien mit drei unterschiedlich zusammengesetzten KSS-Emulsionen) in drei Stunden gealtert und deren filtrationsspezifische Eigenschaften im stationären Zustand bestimmt werden.
Metal working fluids play an important role in the metalworking industry. Acting as coolant and lubricant (e.g. in shape cutting processes), metal working fluids are applied over fast rotating parts of machine tools. As a result, emissions in shape of metal working fluid droplets and vapour emerge. In order to reduce these respirable emissions, metal working fluid mist separators are used. However, standardized test procedures aiming at evaluating and comparing the performance of metal working fluid mist separators with emulsions serving as test substances have not been developed yet. The parameters (e.g. pressure drop, collection efficiency) needed for the evaluation and comparison of metal working fluid mist separators shall be determined in a steady state (steady pressure drop, steady amount of liquid stored inside the filter media, etc.). Experiments in a suitable filter test rig on filtering mist separators with emulsions as a test substance showed that with an aerosol generator as the only source of metal working fluid aerosol (low raw gas concentrations), reaching a steady state ("ageing") can take many hours to days. In the end, the slow forming oil holdup and the redistribution of liquid inside the filter media proved to be the main factors causing long ageing periods. Therefore, an accelerated filter ageing procedure has been developed. In addition to the aerosol generator, a nozzle spray applied over the filter media reduced the time to reach a steady state to a few hours. Furthermore, by means of an image analysis of the filter surface, the filter loading profile of a coalescer-filter media was determined. It was found that the liquid inside the filter media can be separated into a "dynamic" and a "static" holdup. The former is primarily influenced by the mass flow applied to the filter media, whereas the latter is influenced by the filter structure itself. Based on the developed filter ageing procedure, it is now possible to create a standardized test procedure evaluating different mist separators in a short time.
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Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zsfassung in engl. Sprache