Filtration Neue Entwicklungen bei Filtern senken die Energiekosten bei der Druckluftversorgung

Druckluftanlagen verursachen hohe Energieverluste, weshalb es sich lohnt, die bestehende Druckluftversorgungsanlage einer Kostenanalyse zu unterziehen. Ein Ansatzpunkt ist die Filtrationstechnik, weil sich dabei neue Möglichkeiten abzeichnen, die eine hohe Kostenreduzierung beim Energieverbrauch sowie bei Installation und Wartung versprechen.

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AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

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Donaldson Filtration Deutschland GmbH

Vor etwa 30 Jahren kamen die ersten Ultra-Filter auf den Markt, die mit ihrem bindemittelfreien Borsilikat-Filtermedium den Beginn der modernen Druckluftfiltration markieren. Durch Verzicht auf das Bindemittel war das Filtermedium chemisch inert und reagierte nicht mit den Verunreinigungen, die im Filter zurückgehalten werden. Zudem wurde durch den Verzicht auf das Bindemittel das Hohlvolumen des Mediums deutlich größer. Damit waren die Voraussetzungen für einen wirtschaftlicheren Betrieb geschaffen, denn ein größeres Hohlvolumen hat eine höhere Schmutzaufnahmekapazität und zugleich einen geringeren Differenzdruck zur Folge.

Elektronik hielt Einzug in die Druckluftfiltration

In der Zwischenzeit folgten Detailverbesserungen, die sich im Wesentlichen auf die Peripherie der Filter konzentrierten – zum Beispiel eine aussagefähige elektronische Differenzdruckanzeige und ein elektronisch gesteuerter, niveauregulierter Kondensatableiter. Eine grundlegend neue Konzeption der Druckluftfilter zeichnet sich erst jetzt mit einer neuen Generation der Ultra-Filter ab.

Die Entwickler der neuen Druckluftfilter standen vor der Frage: Wie kann man das gewünschte Qualitätsniveau der Druckluft möglichst wirtschaftlich erreichen? Dabei steht der mittelbare Energieverbrauch, der durch den Differenzdruck im Filter entsteht, im Vordergrund. Denn dieser Differenzdruck entscheidet über die Folgekosten. In Druckluftanlagen sind an vielen Stellen Filter zur Sicherung der Druckluftqualität notwendig (Bild 1).

Der Einsatz jedes Filters bedeutet aber auch zugleich einen Druckverlust. Als Faustregel gilt, dass der Anwender für 1 bar zusätzlichen Differenzdruck bei einer 7-bar-Anlage bis zu 10% zusätzlichen Energieverbrauch kalkulieren muss. In Zahlen ausgedrückt: Bei 100 kW Kompressorenleistung, einer Auslastung von 8000 Betriebsstunden pro Jahr und Energiekosten von 0,08 Cent pro kWh Strom verursacht 1 bar zusätzlicher Differenzdruck jährliche Mehrkosten von bis zu 6400 Euro.

Optimierte Strömungsführung minimiert Differenzdruck im Gehäuse

Allein mit neuen Filtermaterialien, das zeichnete sich sehr schnell ab, war ein grundlegender Fortschritt nicht erreichbar, zumal neben der Senkung des Differenzdrucks auch die Kosten für Installation und Wartung eines Filters immer größere Bedeutung erlangen. Eine wichtige Zielgröße für die Entwicklung war daher die Optimierung der Strömungsführung: Um bereits im Gehäuse den Differenzdruck zu minimieren, hat man bei der Konstruktion auf möglichst „fließende“ Übergänge und Umlenkungen der Strömung innerhalb der Gehäuse geachtet. Umfangreiche Modelltestreihen und Strömungsanalysen bildeten hierfür die Grundlage (Bild 2).

Die gezielte Beeinflussung der Strömungsverhältnisse wurde mit integrierten Strömungsführungen erreicht. Die gezielte Luftführung in das Element hinein gewährleistet eine verwirbelungsfreie, gleichmäßige Anströmung des Filtermediums. Darüber hinaus kommt ein neues Filtermedium zum Einsatz, das Öl und Wasser schon an der Oberfläche abweist. Für den Anwender bedeutet dies lange Standzeiten der Elemente bei gleich bleibend niedrigem Differenzdruck.

Spezielles Plissierverfahren sorgt für große Filterfläche

Ebenfalls neu ist die Anordnung des Filtermediums im Stützmantel: Ein optimiertes Plissierverfahren stellt sicher, dass eine große Filterfläche zur Verfügung steht (Bild 3) und somit wird eine sehr hohe Partikelaufnahmekapazität erreicht.

Diese Konstruktion trägt wesentlich zum geringen Differenzdruck über die gesamte Filterlebensdauer bei.

Durch das Zusammenspiel der konstruktiven Maßnahmen kann der Druckverlust um rund 50% gesenkt werden. Auf das bereits genannte Rechenbeispiel bezogen bedeutet das: Weisen marktübliche Filter einen Druckverlust von 450 bis 500 mbar in benetztem Zustand auf, so sind es bei den neuen Ultra-Filtern nur rund 250 mbar.

Druckverlust sank durch Maßnahmenpaket um 50%

Bei einer Durchflussleistung von 1100 m³/h (das entspricht in etwa einer Kompressorleistung von 120 kW) spart der Anwender pro Jahr 1514 Euro Energiekosten (bei 8000 Betriebsstunden und 0,08 Euro pro kWh), wenn der Differenzdruck nur um 200 mbar geringer ist (Bild 4). Somit amortisiert sich die Investition von 1270 Euro in einen neuen Filter in weniger als zehn Monaten.

Der integrierte Economizer ermöglicht eine Erfassung des Differenzdrucks und sein Programm berechnet den kostengünstigsten Austauschzeitpunkt des Filterelements.

Neben der Wirtschaftlichkeit waren die Verbesserung der Montage- und Bedienfreundlichkeit und die Verringerung des Platzbedarfs weitere wichtige Faktoren. Zum Beispiel muss das Filterelement wegen des eingesetzten Bajonettverschlusses nicht separat eingeschraubt werden, sondern bildet eine Montageeinheit mit der Filterglocke. Deshalb benötigt man für den Elementewechsel deutlich weniger Bauraum.

Für den praktischen Einsatz vorteilhaft ist die Tatsache, dass alle Filtergehäuse als Koaleszenzfilter (mit Durchströmung der Elemente von innen nach außen) oder Partikelfilter (Durchströmung von außen nach innen) eingesetzt werden können. Ändert sich die Anforderung an den Filter, ist durch Umstecken des Kodier-Clips an der Innenseite der Filterglocke die Änderung der Durchströmungsrichtung möglich.

Dipl.-Ing. Stefan Löbbert ist Product-Line-Manager Compressed Air Filtration bei Donaldson, Tel. (0 21 29) 5 69-0, IFS-de@emea.donaldson.com.

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