Entwicklung einer Methode zur standardisierten Bewertung von filternden Kühlschmierstoff-Nebelabscheidern

Abstract

Kühlschmierstoffe (KSS)werden in der Metallbearbeitung zur Kühlung und Schmierung großteils als Öl-Wasser-Emulsion eingesetzt.<br />Dabei kommt es durch die hohen Relativgeschwindigkeiten am Werkzeug zur Emission von feinsten Tropfen und Dampf. Diese Emissionen werden in der Regel abgesaugt und durch Kühlschmierstoff-Nebelabscheidern reduziert.<br />Trotz der vielen unterschiedlich eingesetzten Filtermedien mit einem breiten Spektrum an Eigenschaften existiert bis heute kein Prüfverfahren oder keine Norm zum Vergleich und zur objektiven Hilfestellung bei der Filtermedien-Auswahl.<br />In dieser Arbeit wurde daher ein standardisiertes Prüfverfahren entwickelt, um Filtermedien von filternden Kühlschmierstoff-Nebelabscheidern an einen Filterprüfstand mit Hilfe einer beschleunigten Filtermittelalterung in einer relativ kurzen Testzeit in einem stationären Zustand zu führen. In diesem Zustand wurden stationäre filtrationsspezifische Eigenschaften bestimmt, um mit diesen die Filtermedien mittels eines ausgearbeiteten Filter-Klassensystems zu klassifizieren.<br />Als Erstes wurde eine Weiterentwicklung des Online-Messverfahrens "Impaktor-FID-Messverfahren" für die Erfassung von roh- und reingasseitigen Kühlschmierstoff-Aerosolen durchgeführt. Für eine zeitlich konstante Klassierung eines Kühlschmierstoff-Aerosols mit hoher Aerosolkonzentration wurde der im entwickelten "Impaktor-FID-Messverfahren" bisher verwendete Impaktor durch einen (Mess-)Zyklon ersetzt. Der Zyklon ermöglichte einen kontinuierlichen Austrag der abgeschiedenen Flüssigkeit und daher eine stabile Klassierung, was mit dem Impaktor nicht möglich war. Mit dem Aufbau einer geeigneten Verrohrung wurde eine variable Änderung des Cut-Off-Durchmessers des Zyklon im Bereich von rund 0,3 µm bis 3 µm ermöglicht.<br />Zur Erarbeitung einer beschleunigten Filtermittelalterung wurden zunächst die grundlegenden Mechanismen der Filtermittelalterung durch experimentelle Versuche mit repräsentativ ausgewählten Filtermedien und Kühlschmierstoff-Ölen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass bei Kühlschmier-Emulsionen als Testflüssigkeit der Druckverlustanstieg mit dem Erreichen eines stationären Ölholdups (=Kühlschmierstoff-Ölmenge ohne Wasseranteil im Inneren eines Filtermediums) verknüpft ist. Des Weiteren wurde eine Adaptierung des vorhandenen Filterprüfstandes für Filtermedien von filternden Kühlschmierstoff-Nebelabscheidern durch eine Alterungsdüse vorgenommen, welche eine vergleichsweise hohe Filterbeladung (=der auf die Filterfläche bezogene Flüssigkeitsmassenstrom) der Filtermedien erlaubt. Durch diese Maßnahme konnte die notwendige Zeit zum Erreichen eines stationären Zustandes eines Filtermediums auf einige wenige Stunden reduziert werden.<br />Zum Verständnis der Flüssigkeitsspeicherung und -verteilung im Inneren eines Filtermediums und dessen Auswirkungen auf den Druckverlust, wurde eine 2-dimensionale Simulation an einem Modellfilter vorgenommen. Die notwendigen Formeln für die Berechnung des Luft- und Flüssigkeitstransports wurden an bekannte Mechanismen bei der Entfeuchtung von porösen Feststoffsystemen angelehnt. Mit der Simulation der schrittweisen Entwicklung des Flüssigkeitsprofiles des Modellfilters konnte erstmalig die Umlagerung der gespeicherten Flüssigkeit im Inneren eines Filtermediums nachvollzogen und eine schlüssige Erklärung für den weiteren Druckverlustanstieg trotz konstantem Holdup geliefert werden.<br />Auf Basis der experimentellen Ergebnissen und den Erkenntnissen der Simulation, wurde ein mehrstufiges Prüfverfahren entwickelt, das die Vorgehensweise beschreibt, wie ein Filtermedium in einer vorgegebenen kurzen Versuchszeit durch eine ausreichend hohe Filterflächenbeladung in einen stationären (End-)Zustand überführt wird, in welchem dann die filtrationsspezifischen Eigenschaften Enddruckverlust, Holdup (=gesamte Flüssigkeitsmenge im Inneren eines Filtermediums), Ölholdup und Abscheidegrad des Filtermediums bestimmt werden können.<br />Ein Vergleich mit Normen und Standards für die Klassifizierung von Staubfilter schuf die Grundlage eines Vorschlags zur Klassifizierung von Filtermedien von filternden Kühlschmierstoff-Nebelabscheidern. Ein 10-stufiges Filter-Klassensystem basierend auf minimal erforderlichen Abscheidegraden wurde ausgearbeitet. Filterprüfungen von sechs Filtermedien unterschiedlicher Bauart und mit drei verschiedenen Kühlschmierstoff-Ölen wurden durchgeführt, um einen Einfluss der Testflüssigkeit auf die Filter-Klasse zu erkennen. Bei den durchgeführten Filterprüfungen wurde jedoch kein signifikanter Einfluss des Kühlschmierstoff-Öles auf die filtrationsspezifischen Eigenschaften und Filter-Klasse festgestellt. Dieser Klassifizierungsvorschlag fand auch Eingang in die Erarbeitung der ÖNORM Z1263.<br />

Metal-working-fluids, most commonly used are oil-water emulsions, are used in metalworking to cool and lubricate the work-piece and work-tool. Due to the fast rotating work-tool the applied metal-working-fluid becomes an emission of very fine droplets and vapor.<br />These emissions are exhausted and reduced by mist separators. Despite the many design options and the high number of different filter media used within filtering mist separators, till this day no objective test standard exists for comparison and to facilitate the selection of these filter media.<br />In this work a standardized test method for filter media of filtering mist separators has been developed, including an accelerated filter aging procedure to reach, within a relatively short test time, a steady-state. In this steady-state the filtration specific properties of a filter medium were determined for a classification of the filter medium using a proposed 10-stage filter-class system.<br />First, the on-line measurement method ("Impactor-FID-method") for the determination of the aerosol concentration of metal-working-fluid-emissions was improved for a time-constant classification of metal-working-fluid-aerosols with a high aerosol concentration. Thereby, the (for the "Impactor-FID-method") used impactor was replaced by a cyclone, which allowed a continuous discharge of the removed liquid. With an appropriate piping a variable change of the cut-off diameter in the range of about 0.3 microns to 3 microns was possible.<br />In order to develop an accelerated filter aging procedure, the basic mechanisms of filter aging were experimentally studied at a filter test rig using representative filter media and metal-working-fluid-emulsions as test substance. It was found, that the pressure drop of a filter medium increased as long as a relative slowly forming stationary oil holdup (=mass of oil stored within a filter) have been achieved. To accelerate the aging of such filter media, an additional ageing nozzle was integrated into the test rig, which enhances the liquid mass flow to the filter. By this measure, the necessary time to reach a steady-state of a filter medium could be reduced to a few hours. In this steady-state the final pressure drop, the holdup (=total mass of emulsion stored within a filter), the oil holdup and the filtration efficiency of the filter medium could be determined.<br />To understand the fluid storage and distribution in the interior of a filter medium and its effects on the pressure drop a 2-dimensional simulation was performed on a model filter. Thereby, the developed equations for the calculation of air and fluid transport based on the known mechanisms for the dehumidification of porous bulk solids systems.<br />With the simulation of the gradual development of the fluid profile of the model filter, for the first time the fluid rearrangement inside a filter medium could be traced and provided a conclusive explanation for the further increase of the pressure drop, even when a constant holdup (=mass of stored fluid within a filter) have been reached.<br />A comparison with norms and standards for the classification of dust filters provided the basis of a proposal to classify filter media of filtering mist separators. A 10-stage filter-class system based on minimum required filtration efficiencies was elaborated. Filter tests with six different filter media and with three different metal working fluid oils were carried out to study the influence of the test substance on the filter-class. Thereby, it was found no significant influence of the metal working fluid oil on the filtration specific properties and on the filter-class. The developed filter-class system has been become part of the proposal of the Austrian Standard "ÖNORM Z1263".