Entwicklung eines Filterprüfstandes für Kühlschmierstoff-Nebelabscheider und eines Messverfahrens für Kühlschmierstoff-Emissionen

Abstract

Bei der Metallbearbeitung sind Kühlschmierstoffe (KSS) allgegenwärtige Hilfsstoffe, um Werkzeuge und Werkstücke an der Schnittstelle zu kühlen und zu schmieren. Durch schnell rotierende Teile entsteht an der Maschine eine KSS-Emission, die aus einem Tröpfchenaerosol und Dampf besteht. Diese Emission stellt eine Gesundheitsgefährdung am Arbeitsplatz in Metall ver¬ar¬beitenden Betrieben dar. Zur Risikominimierung werden die Metallbearbeitungs¬zentren eingehaust, die mit Tröpfchen und Dampf beladene Luft abge¬saugt, in KSS-Nebelabscheidern gereinigt und in die Halle zurückgeführt.<br />Im Gegensatz zu Partikel-Luftfiltern für die allgemeine Raumlufttechnik [23], Schwebstofffiltern [22], und Abreinigungsfiltern [94] existiert für Filterelemente von KSS-Nebelabscheidern derzeit keine Norm bzw.<br />Prüfvorschrift. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen Filterprüfstand zu entwickeln, der eine standardisierte Prüfung von Filterelementen zur KSS-Nebelabscheidung ermöglicht. Dabei werden die Parameter Druckverlust, Drainage, gespeicherte Flüssigkeitsmenge und Fraktionsabscheidegrad berücksichtigt.<br />Für eine sinnvolle Bestimmung des Fraktionsabscheidegrades am Filterprüfstand ist eine tropfengrößenfraktionierte Online-Messung der Emission erforderlich. Dabei muss sowohl KSS-Dampf als auch KSS-Aerosol detektiert werden. Im Falle von wassergemischten KSS (Öl-in-Wasser-Emulsionen) soll selektiv nur der Ölanteil gemessen werden. Bisher zur Messung der KSS-Emission verwendete Messmethoden sind für die Anwendung am Filterprüfstand nicht ausreichend. Filterkopfgeräte bieten zwar Dampf- und Tropfendetektion, jedoch keine Größenfraktionierung und keine Online-Messungen. Streulicht-Partikelmessgeräte arbeiten zwar online und liefern tropfengrößenfraktionierte Messungen, können jedoch nicht zur Dampf¬messung eingesetzt werden.<br />In dieser Arbeit wird ein neues kontinuierliches Online-Messverfahren ent¬wickelt, mit dem die KSS-Emission in Tröpfchen und Dampf in verschiedenen Tropfen¬größenfraktionen gemessen werden kann. Bei wassergemischten KSS wird dabei ausschließlich der Ölanteil der Emission gemessen. Es wird weiters eine Methode gezeigt, die Ölkonzentration in Emulsionstropfen verschiedener Größe zu bestimmen.<br />

In metal machining operations metal working fluids (MWF) are essential supplies to cool and lubricate at the workpiece-tool interface where the tool is cutting metal from the part being machined. The MWF is flooded onto the part and the rotating machine tool or workpiece thus is generating fine droplets and vapour which can cause occupational health problems. Machine enclosures are used to reduce MWF emissions into the work environment. Local exhaust ventilation transports the mist loaded air from the generation site to a mist collector for removal of the droplets from the air stream. The clean air is then recirculated to the workroom. In contrast to air filters [23], HEPA filters [22] and cleanable dust filters [94] there currently do not exist any standardised test procedures for MWF mist collector elements.<br />The objective of this work therefore is to develop a specific filter test rig which allows the assessment of metal working fluid mist collectors under standardised conditions. Thereby the parameters pressure drop, drainage, stored liquid and fractionated separation efficiency are considered.<br />A reasonable determination of the fractionated separation efficiency requires a droplet size fractionated online emission measurement. Both MWF-vapour and MWF-aerosol must be measured. In case of soluble MWF (emulsions of oil in water) only the oil amount is to be detected.<br />Measurement methods currently available to measure MWF emissions were found to be not adequate for the filter test rig. Filter-adsorbent samplers provide vapour and aerosol detection but no size fractionated online measurements. Optical particle counter sizers work online and deliver size fractionated aerosol measurements but cannot be applied to vapour.<br />In this work a new continuous online measuring method is developed to detect both droplets and vapour of MWF emissions in different droplet size fractions. In case of soluble MWF only the oil amount in the emission is detected. Furthermore a method is shown to determine the oil concentration in droplets of different sizes.