Optimierter Luftstrom bei Staub-, Nebel- und Rauchabscheidern

Von Lori Lehner, technische Ausbildungsleiterin bei Donaldson Torit

Verlängern Sie die Filterlebensdauer. Sparen Sie Energie. Sparen Sie Geld.

Die Optimierung der Luftstromsteuerung in einem Staub-, Nebel- und Rauchabscheider bietet wichtige Vorteile, einschließlich einer längeren Filterlebensdauer, einer erhöhten Energieeinsparung und Gesamtkosteneinsparungen. Darüber hinaus ist in vielen Anwendungen der richtige Luftstrom für die Qualität entscheidend. Ein zu starker Luftstrom beim Schweißen von rostfreiem Stahl kann Schutzgas von Schweißnähten wegziehen, was zu qualitativ schlechten Nähten führt, während ein zu geringer Luftstrom Bediener gefährlichen Verbindungen wie sechswertigem Chrom aussetzen kann.

In Materialverarbeitungsanwendungen, wo brennbarer Staub ein Problem sein kann, ist der richtige Luftstrom besonders kritisch, da ein zu starker Luftstrom wertvolles Produkt aus dem Prozess in den Abfallstrom ziehen kann, aber ein zu geringer Luftstrom Staub aus dem Prozess entweichen lassen und die Gefahren durch brennbaren Staub in der Anlage potenziell erhöhen kann.

Der Einfluss des Luftstroms auf die Filterlebensdauer wird häufig während des Betriebs übersehen, kann jedoch bei der Erstinstallation von Filtern erheblich sein. Im Betrieb kann die niedrige anfängliche Druckbeständigkeit von frischen Filtern zu einer erhöhten Strömung durch das System führen, was für Betriebsvorgänge nicht unbedingt ein Problem darstellen muss, aber die Gesamtbetriebsdauer der Filter drastisch reduzieren kann (oft um mehr als die Hälfte). Eine Luftstromregelungsstrategie zur Aufrechterhaltung des Luftstroms wird die Gesamtlebensdauer des Filters verlängern.

Energieeinsparungen und Gesamtkosten variieren je nach Luftstromsteuerungsstrategie und werden in den folgenden Diskussionen erläutert.

Die herkömmliche Methode zur Steuerung des Luftstroms besteht darin, eine Auslassklappe am Lüfter der Entstaubungsanlage manuell einzustellen. Dies kann ein wirksames Mittel zur Luftstromsteuerung sein, wenn es richtig durchgeführt und häufig angepasst wird, da sich die Bedingungen im System mit der Zeit ändern. Leider wissen nicht alle Betreiber, wie eine Auslassklappe richtig eingestellt werden muss, und daher ist es nicht ungewöhnlich, dass eine Anlage eine kürzere Filterlebensdauer, eine verschlechterte Produktqualität und dadurch erhöhte Haushalts- und Betriebskosten erfährt.

Alternative Ansätze zur Optimierung der Luftstromregelung umfassen:

• Verwendung einer Einlassflügelklappe
• Modifizierung des Lüfters durch Austausch der Scheiben
• Einsatz eines digitalen Steuerungssystems mit Frequenzumrichter

Im Folgenden sind die Vor- und Nachteile der verschiedenen Ansätze aufgeführt:

Einlassflügelklappe

Eine Einlassflügelklappe kann Energie sparen, indem die Luft beim Eintritt in den Lüfter vorgedreht wird, damit der Lüfter nicht so hart arbeitet. Diese Option bietet einige PS und Energieeinsparungen bei relativ niedrigen Kapitalkosten. Der Nachteil der Einlassflügelklappe besteht darin, dass die Klappe immer noch manuelle Einstellungen erfordert, da sich die Systembedingungen mit der Zeit ändern und eine potenzielle Wartungsanforderung für die Klappe besteht. 

Modifizieren des Lüfters durch Austausch der Scheiben an Motor und/oder Lüfter

Eine andere Möglichkeit zur Steuerung des Luftstroms besteht darin, die Drehzahl des Lüfters zu ändern, indem neue Scheiben an Motor und/oder Lüfter montiert werden. Die niedrigere Drehzahl des Lüfters reduziert die Nutzleistung und spart Betriebskosten. Diese Modifikation kann kosteneffektiv sein, jedoch ist es nicht einfach, die Lüfterdrehzahl über einen weiten Bereich von Bedingungen einzustellen. Zusätzlich ist normalerweise die fortgesetzte Verwendung einer Klappe zur Feineinstellung des Luftstroms erforderlich, da sich die Systembedingungen mit der Zeit ändern. 

Die Strategie des Austauschs der Scheiben ist nicht ungewöhnlich, da üblicherweise konservative Faktoren während der Systemkonstruktion angewendet werden, um Geschwindigkeiten im System aufrechtzuerhalten. Das Ermitteln und Eliminieren von konservativen Entwurfsschätzungen kann zu Energieeinsparungen führen. Konstrukteure schließen häufig ein oder zwei zusätzliche Zoll statische Kapazität für unerwarteten Widerstand im Kanalentwurf in einen Lüfter ein. 

Ein Beispiel für eine konservative Konstruktionspraxis wäre die Getreidewirtschaft, bei der viele Konstrukteure 4.500 Fuß pro Minute als minimale Fördergeschwindigkeit verwenden, da sich das statische System ändert (wenn sich Staub auf den Filtern aufbaut). Die Bediener dürfen die Auslassklappe nicht einstellen (vorausgesetzt, dass eine vorhanden ist), um zu vermeiden, dass sich Staub in der Leitung ansammelt, was eine Gefahr durch brennbaren Staub und Gewicht darstellt. Systementwickler verwenden häufig konservative, höhere als erforderliche Geschwindigkeiten, um unerwartete Verringerungen des Luftstroms auszugleichen.

Digitale Steuerungen mit Frequenzumrichtern

Der effektivste Weg zur Optimierung des Luftstroms in einer Entstaubungsanlage ist eine digitale Steuerung mit einem Frequenzumrichter.¹ Diese Methode überwacht einen Systemparameter wie Geschwindigkeitsdruck in einem Kanal oder statischen Druck am Einlass der Entstaubungsanlage, die beide direkt mit einem gewünschten Betriebsparameter wie dem Volumenstrom verknüpft werden können. Das digitale Steuersystem mit einem Frequenzumrichter kann den Status des Systems überwachen und den Luftstrom automatisch anpassen, wenn sich die Bedingungen im System im Laufe der Zeit ändern.

Der Hauptvorteil eines digital gesteuerten Frequenzumrichters ist, dass er automatisch den Designluftstrom beibehält, wenn sich die Systembedingungen ändern. Der Designluftstrom wird hergestellt und das digitale Steuergerät wird während der ersten Inbetriebnahme von einem Techniker für die Steuerungsvariable eingestellt. Dies eliminiert eine spätere Notwendigkeit für einen Bediener, eine Klappe manuell einzustellen, wenn sich die Systembedingungen ändern (d. h. der Druckverlust erhöht sich, wenn sich Staub auf den Filtern aufbaut). Das digital gesteuerte Frequenzumrichter-Luftstromsystem sorgt für eine adäquate Erfassung an den Hauben, wodurch die Produktivität auf einem hohen Niveau gehalten wird, das Produkt an der Stelle des Prozesses belassen wird, an der es sich befinden soll, und eine gute Luftqualität im Atembereich des Arbeiters sichergestellt wird.  Das digital gesteuerte Frequenzumrichtersystem sorgt auch für eine konstante Fördergeschwindigkeit, die den Materialaufbau in den Kanälen verringert und die Wartung und potenzielle Risiken wie Brände in den Kanälen minimiert. 

Außerdem ermöglicht ein digital gesteuertes Frequenzumrichtersystem Energieeinsparungen ähnlich einem Motor-Sanftanlauf, indem Lastspitzen reduziert werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines digital gesteuerten Frequenzumrichters ist die Rauschunterdrückung.  Das Vermeiden von überschüssigem Luftvolumen und der damit verbundenen Geschwindigkeit reduziert Geräusche im Vergleich zur Verwendung einer Auslassklappe wesentlich. Ein Kunde, der eine thermische Spritzanlage betrieb, gab an, dass nach der Installation einer Entstaubungsanlage mit dieser Art von System der Lärm so drastisch reduziert wurde, dass er plant, all seine Entstaubungsanlagen mit digital gesteuerten Frequenzumrichtern nachzurüsten.

Ein Nachteil digital gesteuerter Frequenzumrichtersysteme sind ihre Kapitalkosten. Wenn Sie ein Frequenzumrichter-Steuerungssystem in Betracht ziehen, suchen Sie nach Rabatten auf Websites wie DSIRE™ (Database of State Incentives for Renewables & Efficiency) und bei lokalen Strom- und Gasunternehmen.  Diese Anreize können oft erheblich sein und einen Großteil der Kapitalkosten eines digital gesteuerten Frequenzumrichtersystems ausgleichen.  Es ist wichtig zu beachten, dass einige Organisationen verlangen, dass der Antrag eingereicht (und sogar genehmigt) wird, bevor eine Bestellung zum Kauf des Geräts ausgestellt werden kann.

Wenn die statische Last Ihres Systems im Durchschnitt 7 anstatt der 10-Zoll-Wassersäule beträgt, die benötigt werden, wenn sich die Filter dem Ende ihrer Lebensdauer nähern, kann die Durchschnittsgeschwindigkeit des Lüfters (mit einem Frequenzumrichter) auf 1680 U/min reduziert werden.  Zu diesem Zeitpunkt wären die jährlichen Betriebskosten nur niedriger.

Für den größten Teil der Betriebsdauer der Filter würde der Lüfter 12.500 US-Dollar kosten, was einer Differenz von 4.500 US-Dollar pro Jahr entspricht, die eingespart werden. Das entspricht 1.500 US-Dollar für jeden in diesem System für diesen Lüfter eingesparten Zoll statischen Drucks, und die Einsparungen setzen sich Jahr für Jahr fort.

Das gleiche Szenario bei 0,20 US-Dollar pro kWh erzeugt jährliche Einsparungen von 18.000 US-Dollar oder 6.000 US-Dollar pro Zoll statischen Drucks.

Sogar eine Lüfterkurve, die genau auf den Luftstrom Ihrer Entstaubungsanlage abgestimmt ist, enthält einen zusätzlichen statischen Druck von ein oder zwei Zoll, um unerwarteten Hindernissen und Änderungen des Filterzustands Rechnung zu tragen. Mit einem System, das automatisch den Designluftstrom aufrechterhält, wird die Gefahr verringert, dass Material im Kanal aus dem Luftstrom herausfällt, und es kann eine weniger konservative Fördergeschwindigkeit gewählt werden.

Die Einsparungen summieren sich

Ein System mit einem Frequenzumrichter-Luftstromregler kostet anfangs zwar mehr, aber der Return on Investment (ROI) allein aufgrund von Energieeinsparungen beträgt in der Regel weniger als zwei Jahre und beinhaltet keine zusätzlichen Einsparungen durch längere Filterlebensdauer und bessere Prozesssteuerung. 

Möglichkeiten, Ihr System weiter zu optimieren und Energieeinsparungen zu nutzen:

• Verwenden Sie hochwertige Filtermedien, die es ermöglichen, dass sich Staub auf der Oberfläche ablagert und nicht in dessen Tiefe einbettet. Dies verbessert die Reinigung, senkt den Druckverlust und verlängert die Lebensdauer des Filters. Denken Sie daran, dass jeder Zoll statischen Drucks Geld kostet, und wenn Sie ein Oberflächenfiltrationsmedium verwenden, können Sie im Vergleich zu Standardmedien oft einen durchschnittlichen statischen Druck von einem bis zwei Zoll einsparen.
   
  
• Nehmen Sie die folgenden Korrekturen an Ihrem System vor, um Energie zu sparen:
  • Entfernen Sie unnötige Bögen, um Kanalzüge zu begradigen.
  • Ersetzen Sie alle Bögen unmittelbar vor dem Lüfter durch einen gut konstruierten Einlasskasten.
  • Ersetzen Sie alle T-Stücke durch klassische 30-Grad-Verzweigungseingänge und überarbeiten oder ersetzen Sie ineffiziente und/oder beschädigte Hauben.

Durch die Optimierung des Luftstroms in Ihrem Staub-, Rauch- oder Nebelabscheider hat sich ein Frequenzumrichter-Luftstromregler als die zuverlässigste Option erwiesen, da er eine längere Filterlebensdauer bietet, Energie und letztendlich Geld spart.