Druckluftaufbereitung

Das Energiemedium Luft ist zwar weltweit nahezu unbegrenzt verfügbar, jedoch ist die Qualität nicht überall gleich. Sie unterscheidet sich in den unterschiedlichen Klimazonen aufgrund verschiedener Emissionsbelastungen durch Verkehr, Industrie, Landwirtschaft und andere Einflüsse stark. Dies muss bei der Druckluftaufbereitung entsprechend berücksichtigt werden. Mit der richtigen Druckluftaufbereitung können Maschinenausfälle und Stillstandzeiten deutlich verringert werden. Nicht nur die Maschinen brauchen saubere und trockene Druckluft. Als Prozessmedium muss Druckluft bestimmte technische Bedingungen erfüllen und muss entsprechend konditioniert werden. Daher richtet sich die Qualität der Druckluft nach den jeweiligen Anforderungen.

Verschiedene Prozesse bei der Druckluftaufbereitung

In der Norm ISO 8573-1 ist die zulässige Schmutzstoffmenge pro Kubikmeter Druckluft festgelegt ist. Feststoffpartikel, Wasser und Öl werden als die 3 primären Schmutzstoffe genannt.

3 Kennziffern bezeichnen jeweils die entsprechende Qualitätsklasse nach ISO 8573-1.

Dementsprechend greifen verschiedene Prozesse bei der Druckluftaufbereitung ineinander. Besondere Beachtung gilt auch der Belastung durch Keime und Bakterien. In der DIN-ISO-Norm 8573-1 sind allerdings keine Grenzwerte für Keime oder Mikroorganismen definiert.

Mehr zum Thema Druckluftqualität nach ISO 8573.1 hier…

Partikelkonzentration

Bei der Erzeugung von Druckluft wird Umgebungsluft angesaugt und von einem Kompressor verdichtet. Dadurch gelangen auch Staub, Feuchtigkeit, Öle, Aerosole sowie mikrobiologische Bestandteile in entsprechend verdichteten Anteilen in die Druckluft.

Über geeignete Filter lässt sich stufenweise die richtige Partikelkonzentration erreichen.


Restfeuchtigkeit

Wasser ist die problematischste aller Verunreinigungen in Druckluft. Es führt nicht nur zu Schäden durch Korrosion, sondern fördert auch das Wachstum von Mikroorganismen, die Menschen schädigen und Produkte kontaminieren können.

Über geeignete Trockner kann der erforderliche Grad an Restfeuchtigkeit hergestellt werden.


Restölgehalt

Umgebungsluft enthält Öl in gasförmigem Zustand (Ölnebel). Typische Werte für die Belastung liegen zwischen 0,05 mg/m³ und 0,5 mg/m³. In dicht bebauten, städtischen oder industriellen Umgebungen kann der Gehalt jedoch höher sein.

Über geeignete Verfahren kann der Restölgehalt reduziert und überwacht werden.


Keimfreiheit

Druckluftsysteme enthalten große Mengen an mikrobiologischen Verunreinigungen und warme, feuchte Druckluftsysteme stellen eine ideale Wachstumsumgebung dar.

Doch Keime und Mikroorganismen lassen sich durch Sterilfilter und vor allem durch die Katalysetechnik nachhaltig aus der Druckluft entfernen.


Verunreinigungen in der Luft

Mit dem bloßen Auge kaum erkennbar: Pollen, Keime, Partikel, Fasern, Ölaerosole sowie Schwermetalle wie Blei und Cadmium. Die in der Umgebungsluft vorhandenen Verunreinigungen können die Funktion des Druckluftnetzes, die Qualität der Produkte und sogar die Gesundheit der Verbraucher beeinträchtigen.

Der Kompressor verdichtet die angesaugte Umgebungsluft auf das benötigte Druckniveau. Verdichtung der Umgebungsluft bedeutet aber auch Verdichtung der Verunreinigungen. Ohne entsprechende Aufbereitungstechnik würden die Verunreinigungen ungehindert in das Druckluftnetz und je nach Produktionsverfahren in das Endprodukt gelangen. Damit ist Druckluftaufbereitung auch ein wichtiges Thema der Prozesssicherheit.

Druckluftfiltration

Im Zusammenhang mit Druckluftfiltern begegnen Ihnen verschiedene Begriffe. Teilweise sind die Namen herstellerspezifisch, teilweise haben sie sich einfach eingebürgert oder es sind Fachbegriffe. Nachfolgend erläutern wir einige der häufiger auftauchenden Begriffe.

Wasserabscheider / Zyklonabscheider

Der Wasserabscheider ist kein Filter im eigentlichen Sinne, sondern wie der Name schon sagt ein Abscheider. Er versperrt trägen Flüssigkeitsmengen in der Druckluft den Weg und scheidet mittels Schwerkraft und Zentrifugalkraft Wasser ab.

Wasserabscheider holen also große Mengen an Flüssigkeiten aus dem System und entlasten damit nachfolgende Trockner usw. Diese Flüssigkeit wird als Kondensat bezeichnet und muss entsprechend aufbereitet werden (Kondensattechnik).

Nassfiltration/ Koaleszenzfilter

Die weit verbreiteten Koaleszenzfilter kombinieren verschiedene Filtrationstechniken, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Häufig werden hier Filtervliese mit verschiedenen Materialeigenschaften zusammen mit entsprechenden Herstellverfahren (Plissieren, Wickeln…) eingesetzt. So versuchen die einzelnen Hersteller, in einem Gehäuse sowohl Partikel, als auch Flüssigkeits- und Öltröpfchen und Aerosole abzusondern. Wie dies genau funktioniert, wird nachfolgend dargestellt.

Oberflächenfiltration

Partikel, die größer sind als der Abstand zwischen den Fasern des Filtervlieses, werden direkt zwischen diesen Fasern zurückgehalten, also wie bei einer Siebwirkung abgefangen. Da dies meist an der Oberfläche stattfindet, spricht man häufig auch von Oberflächenfiltration.


Tiefenfiltration

Bei der Tiefenfiltration, der sogenannten Aufprallabscheidung – dringen Feststoffpartikel und Aerosole tiefer in das Filterbett ein. Dort treffen sie auf viele feine Fasern - verlieren dabei kinetische Energie – werden immer langsamer - und bleiben letztendlich an den Fasern haften.


Brownsche Molekularbewegung

Kleinste Aerosole kollidieren durch die Brownsche Molekularbewegung mit den Fasern - wandern in Strömungsrichtung der Druckluft an der Faseraußenwand entlang. Sie bilden an den Verästelungen größere Tröpfchen und fließen in einen Sammelbehälter ab, wo sie als Druckluftkondensat abzuleiten sind.


Stufenfiltration

Zur Verbesserung des Ergebnisses nach der Filtration können auch mehrere Partikelfilter hintereinandergeschaltet werden. Es muss immer der gröbere Filter vor dem feineren Filter installiert werden. Dieses Vorgehen wird auch als Stufenfiltration bezeichnet, da man Stufe für Stufe die gewünschte Qualität filtert. BEKO TECHNOLOGIES bietet Koaleszensfilter in 3 Stufen an:

. Ölaerosole - Partikel .
Filtrationsgrad Ölaerosolabscheiderate Eintrittskonzentration Austrittskonzentration - Partikelabscheidung Partikelgröße Klasse nach ISO 8573-1
Grobfilter C 84,00 % 30 mg/m³ <=5 mg/m³ - 99,00 % 2,0 -5,0 µm 4. - 4.
Feinfilter F 99,50 % 10 mg/m³ 0,05 mg/m³ - 99,83 % 0,5 -2,0 µm 2. - 2.
Feinstfilter S 99,95 % 10 mg/m³ 0,005 mg/m³ - 99,98 % 0,1 -0,5 µm 1. - 2.*

* Zum Erreichen der Klasse 1. - 1. ist in der Regel ein zusätzlicher Aktivkohle- und Staubfilter notwendig, da Koalesenzfilter keine Öldämpfe zurückhalten können.

Schon gewusst? Koaleszensfilter und Restölgehalt

Bei Druckluftfiltern im Allgemeinen spricht man von sogenannten Koaleszenzfiltern. Wie der Name schon sagt,  "verschmelzen" in einem solchen Filter kleinere Tröpfchen zu größeren Tropfen. Hierdurch wird die Abscheideleistung eines Filters verbessert.

Öldampf beispielsweise liegt in derart „kleiner“ Form vor, dass keine Koaleszenz stattfinden kann.  Der Öldampf  strömt ungehindert durch den Filter. In der ISO 8573-1 werden alle Ölbestandteile (flüssig, Aerosole und Dampf) berücksichtigt. Die Qualitätsklasse 1 kann mit einem Koaleszenzfilter alleine nicht erreicht werden.

Eine geeignete Methode ist die Adsorption oder idealerweise eine katalytische Aufbereitung. Siehe ölfreie Druckluft…

Feuchtigkeit in der Druckluft

Als Luftfeuchtigkeit wird der Anteil des Wasserdampfes in der Luft bezeichnet. Bei gleicher Umgebungstemperatur kann die Luftfeuchtigkeit unterschiedlich sein (Wüstenklima, Tropenklima). Bei einer bestimmten Temperatur kann ein Luftvolumen nur eine begrenzte Menge an Wasserdampf enthalten. Man unterscheidet dabei maximale, absolute und relative Feuchte.

Als Drucktaupunkt wird die Temperatur bezeichnet, bei der ein unter einem entsprechenden Druck stehender Betriebskubikmeter zu 100 Prozent mit Wasserdampf gesättigt ist. Kühlt sich die Druckluft dann unter diese Temperatur ab, so bildet sich Kondensat.  Obwohl er als Temperaturwert ausgedrückt wird, entspricht der Taupunkt nicht der tatsächlichen Lufttemperatur. Druckluft mit einer Temperatur von 35 °C kann z. B. einen Drucktaupunkt von -40 °C haben.

    Für die Anwendungen, bei denen eine Restfeuchte in der Druckluft ein Qualitätskriterium bedeutet, ist der Drucktaupunkt eine wichtige Größe.

    • Eine zu hohe Restfeuchte in der Druckluft verschlechtert die Qualität der Lackierung, z. B. durch den Einschluss von Blasen.
    • Wasseranziehende, hygroskopische Produkte wie z. B. Pulver, Gewürze, Salz und auch Zucker verkleben im Produktionsprozess.
    • Feuchtigkeit in der Druckluft führt zu Korrosion der Druckluftgeräte und in ungeschützter, kalter Umgebung zu einer Vereisung von Steuerventilen.

    Verfahren der Drucklufttrocknung

    Viele Anwender sind sich nicht bewusst, wie viel Wasser durch den Einsatz eines Druckluftsystems erzeugt werden kann. Große Mengen feuchter atmosphärischer Luft werden im Kompressor verdichtet und treten als Druckluft aus, die zu 100 Prozent mit Wasserdampf gesättigt ist. Da die Druckluft im Druckluftbehälter gespeichert wird und sich dann im Rohrleitungsnetz bewegt, kühlt sie ab und kondensiert zu ölhaltigen Wasser oder Wassernebeln. Die Installation von Wasserabscheidern reduziert das flüssige Wasser im Druckluftstrom und Koaleszenzfilter reduzieren die Aerosole des Wassers, aber Filtration alleine ist zur Wasserreduktion einfach nicht ausreichend. Wenn nur Wasserabscheider installiert sind, ist die beste mögliche Klassifizierung nach ISO8573-1 die Klasse 6 für Wasser.

    Zur Wasserdampfreduzierung wird ein Trockner verwendet. Dazu haben sich drei Verfahren etabliert – Kältetrockner, Membrantrockner und Adsorptionstrockner. Die Auswahlkriterien sind dabei der Drucktaupunkt, der Volumenstrom und die für die Anwendung erforderliche Druckluftqualität sowie die Wirtschaftlichkeit des Systems und die damit verbundenen Kosten.

    Verfahren Kältetrockner Membrantrockner Adsorptionstrockner
    Drucktaupunkt Drucktaupunkte liegen zwischen +3 und +10°C Drucktaupunkte liegen zwischen +10 und -40°C Drucktaupunkte liegen zwischen -20 und -70°C
    Volumenstrom ca. 20 bis 17.600 m³/h ca. 20 bis 2.250 l/min ca. 10 bis 100.000 m³/h
    Funktionsprinzip Kompressor und Wärmetauscher mit Kondensationsprinzip Die Feuchtigkeit wird über die Spülluft in die Umgebung abgeleitet Die Feuchtigkeit wird über ein Trockenmittel gebunden.
    Bemerkung Nicht geeignet für Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt. Endstellentrockner, auch für frostgefährdete Druckluftverteilung einsetzbar. Sehr große Bandbreite an möglichen Drucktaupunkten und hohen Volumenströmen.

    Kältetrockner werden – nach einer geeigneten Wasserabscheidung und Kondensatableitung – meistens am Anfang des Druckluftsystems eingesetzt. Membrantrockner werden häufig in der Nähe der Anwendung, also dem Entnahmepunkt platziert. Sie werden häufig als Ergänzung zum Kältetrockner als sogenannter Endstellentrockner für kleinere Volumenströme eingesetzt. Adsorptionstrockner werden, je nach Art der Anwendung, am Anfang des Druckluftsystems oder in der Nähe der Anwendung eingesetzt und sind auch für sehr große Volumenströme geeignet.

    Schon gewusst? Drucktaupunkt und Leckagen

    Der Drucktaupunkt (DTP) ist eine wichtige Kenngröße und ein Qualitätskriterium bei der Druckluftaufbereitung. Normale Umgebungsluft mit einem atmosphärischen Druck von 1 bar kann erheblich mehr Feuchtigkeit aufnehmen als komprimierte Luft. Der Drucktaupunkt steigt und sinkt mit dem Systemdruck.

    Hat Ihr Druckluftsystem Leckagen, dann verschlechtert sich der DTP. Die durch aufwendige Trocknungsprozesse hergestellte Qualität wird dann wieder gemindert. Leckagen zu orten und zu beseitigen bekommt in diesem Zusammenhang neben wirtschaftlichen Aspekten auch entscheidende Bedeutung für die Prozesssicherheit.

    Mehr über Leckagen erfahren…

    Restölgehalt und Keime

    In vielen Produktionsstätten kommt Druckluft direkt oder indirekt mit Produktionsanlagen, Produkten oder Verpackungsmaterialien in Berührung (ganz besonders in der Lebensmittel-, Getränke-, Pharma- und Elektronikindustrie). Kontaminationen durch Restölgehalte, Mikroorganismen und Keime haben dann erhebliche Folgen für die Produktqualität, die Verbrauchersicherheit und den Markenruf.

    Wirksamer Schutz vor Öleinträgen in das Druckluftsystem und Prozesssicherheit im Einsatz mit sensiblen Erzeugnissen – dabei kommt es auf die Wechselwirkungen an. Erst das genau abgestimmte Zusammenspiel verschiedener Komponenten der Aufbereitung gewährleistet die gewünschte Druckluftqualität. Oft unterschätzt werden auch manche Quellen der Verunreinigungen.

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    Ihr Weg zum Druckluftexperten

    Bei der Druckluftaufbereitung greifen verschiedene Prozesse ineinander. Die richtige Reihenfolge, Auslegung und Dimensionierung der beteiligten Komponenten ist entscheidend für die Qualität und eine effiziente Aufbereitung trägt erheblich zur Senkung der Betriebskosten bei.

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