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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein damit durchführbares Verfahren zum Dimensionieren von Filteranlagen.
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Zur Projektierung oder Optimierung von Fest/Flüssig-Filtersystemen sind aktuell keine praktikablen, allgemein gültigen theoretischen Formeln oder Beziehungen verfügbar. Das liegt daran, dass zahlreiche am Filtrationsvorgang beteiligte Filterparameter wechselseitig in nicht vorhersehbarer Weise aufeinander einwirken. Solche Faktoren sind u. a. die Porengeometrie, die Porengrößenverteilung und das Porenvolumen, die Oberflächenbeschaffenheit der Poren, die Schichtdicken des Filtermediums sowie dessen Werkstoff. Dazu kommen Eigenschaften wie die chemische und thermische Beständigkeit, die Formstabilität sowie die Herstellungsart des Filtermediums.
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Auch die zu filtrierende Suspension beeinflusst den Filtrationsvorgang, insbesondere sind dies die Partikelform, -menge, -größe und -größenverteilung, die Viskosität und die Verformbarkeit der Partikel.
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Die Wechselwirkungen zwischen Filtermedium und Suspension beeinflussen ebenfalls das Filtrationsergebnis. Zu nennen sind hier Grenzflächenwirkungen zwischen Filtermedium und Suspension, elektrostatische und kinetische sowie sonstige Wechselwirkungen, wie beispielsweise die Oberflächenspannungsverhältnisse.
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Die jeweils erforderliche Durchflussmenge an gereinigtem Kühlschmierstoff beeinflusst wesentlich die Dimensionierung der Filterfläche. Diese ist neben dem benötigten Volumen an Kühlschmierstoff entscheidend für die gesamte Anlagengröße. Die Anlagengröße selbst entscheidet wiederum u. a. über den Materialeinsatz, den Flächen- bzw. Volumenbedarf, die Betriebskosten, den Kaufpreis und die Kühlschmierstoffmenge im System.
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Weiterhin beeinflussen die Betriebsbedingungen, wie die Art der Flüssigkeitsströmung, der Betriebsdruck, die Druckdifferenz sowie die Filtrationsgeschwindigkeit das Filtrationsergebnis.
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Aktuell erfolgt die Dimensionierung von Filteranlagen anhand von Kennwerten, deren Ursprung zum Teil nicht nachvollziehbar ist. Es werden auch empirisch gewonnene Erfahrungswerte herangezogen. Die Verwendung dieser Kennwerte führt zu einer Überdimensionierung der betreffenden Anlagen.
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Bei der Dimensionierung von Filteranlagen ist aktuell also keine umweltgerechte und aufgabenbezogene Auslegung und Gestaltung der Filteranlage durch die Optimierung von Anlagengröße, Kühlschmierstoffumlaufinenge sowie Anschaffungs- und Betriebskosten möglich.
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Darüber hinaus sind die verfügbaren Angaben zur Durchlassfähigkeit von Filtermaterialien oftmals unzuverlässig und damit ein weiterer Grund dafür, dass Reinigungsanlagen überdimensioniert werden. Des Weiteren liegen u. a. Angaben zur Durchlassfähigkeit des sich ausbildenden Filterkuchens in Abhängigkeit von Filtermaterial, Verschmutzungsgrad und -art nicht vor.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, so dass Filteranlagen anhand vorgebbarer zu erreichender Kapazitätswerte wirtschaftlich und aufgabenbezogen für spezifische Anwendungsfälle dimensioniert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, und einem damit durchführbaren Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dimensionieren von Filteranlagen weist einen Reinbehälter zur Vorhaltung einer zu filternden Flüssigkeit und einen Filterbehälter mit mindestens einem bevorzugt austauschbaren Plattenfilterelement auf.
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In dem Reinbehälter und/oder dem Filterbehälter kann jeweils mindestens ein Füllstandshöhenmesser angeordnet sein. Der Füllstandshöhenmesser kann als Ultraschallsensor, Drucksensor zur Ermittlung eines hydrostatischen Drucks oder als Schwimmer ausgebildet sein.
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Der Reinbehälter und der Filterbehälter sind mittels Leitungen so miteinander verbunden, dass ein geschlossener Kreislauf für die zu filternde Flüssigkeit ausgebildet ist. In den Leitungen können Ventile zur Steuerung des Volumenstromes der zu filternden und im Kreislauf zu führenden Flüssigkeit angeordnet sein.
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In einer Leitung zwischen dem Reinbehälter und dem Filterbehälter ist eine Pumpe so angeordnet, dass die Flüssigkeit mittels der Pumpe durch das mindestens eine Plattenfilterelement angesaugt und von der Druckseite der Pumpe im Kreislauf in den Reinbehälter und von dort in den Filterbehälter gefördert wird.
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In der Vorrichtung ist eine Dosiereinrichtung zum Zuführen von Partikeln mit vorgebbarer Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung, Menge und Partikelwerkstoff(en) in die Flüssigkeit vorhanden. Die Zuführung von Partikeln erfolgt in Strömungsrichtung vor dem mindestens einen Plattenfilterelement. Die Zugabe von Partikeln aus der Dosiereinrichtung zu der zu filternden Flüssigkeit kann über eine Mischeinheit erfolgen.
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Die Verschmutzung mit groben Spänen muss beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht berücksichtigt werden, da die Separierung der Späne in der Praxis mit Kratzförderern vor dem eigentlichen Filterprozess erfolgt, und dies keinen dominanten Einfluss auf die bezweckte Filterdimensionierung hat.
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Eine erste Druckmesseinrichtung ist in Strömungsrichtung der Flüssigkeit vor dem/den Plattenfilterelement(en) angeordnet und mindestens eine zweite Druckmesseinrichtung und/oder eine Durchflussmengenmesseinrichtung ist/sind in Strömungsrichtung nach dem/den Plattenfilterelement(en) angeordnet.
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Nach einem Vergleich der von den Druckmesseinrichtungen und/oder der Durchflussmengenmesseinrichtung erfassten Messwerte mit vorgebbaren Sollwerten kann eine Anpassung der Anzahl der Plattenfilterelemente, des an dem/den Plattenfilterelemente(n) eingesetzten Filtermaterials, der Größe und/oder der Ausrichtung der Filterfläche(n) an entsprechend vorgegebene zu erreichende Kapazitätswerte erreicht werden.
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Beispielsweise sollte, ausgehend von einer konstant gehaltenen Drehzahl der Pumpe, bei einer mittels einer in Strömungsrichtung nach dem/den Plattenfilterelement(en) angeordneten Durchflussmengenmesseinrichtung im Vergleich zum Sollwert geringeren Durchflussmenge von Kühlschmierstoff die Größe der Filterflächen vergrößert und/oder die Anzahl der Plattenfilterelemente erhöht werden. Bei einer mittels einer in Strömungsrichtung nach dem/den Plattenfilterelement(en) angeordneten Durchflussmengenmesseinrichtung im Vergleich zum Sollwert höheren Durchflussmenge von Kühlschmierstoff sollte bei gleichbleibender Pumpendrehzahl die Größe der Filterflächen verringert und/oder die Anzahl der Plattenfilterelemente reduziert werden.
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Durch die Anordnung einer Druckmesseinrichtung in Strömungsrichtung vor dem/den Plattenfilterelement(en) und einer weiteren Druckmesseinrichtung in Strömungsrichtung nach dem/den Plattenfilterelement(en) kann ein Differenzdruck in der Flüssigkeit zwischen den beiden Druckmesseinrichtungen bestimmt werden. Ist der Differenzdruck höher als ein zuvor festgelegter Sollwert bei einer vorgegebenen Pumpendrehzahl, sollte bei gleichbleibender Pumpendrehzahl die Größe der Filterflächen vergrößert und/oder die Anzahl der Plattenfilterelemente erhöht werden. Analog sollte bei einem im Vergleich zum Sollwert geringeren Differenzdruck die Größe der Filterflächen verringert und/oder die Anzahl der Plattenfilterelemente reduziert werden. Alternativ kann ein Austausch des an dem/den Plattenfilterelemente(n) eingesetzten Filtermaterials zu einem Material mit höherer Durchlässigkeit bei einem im Vergleich zum Sollwert höheren Differenzdruck bzw. zu einem Material mit geringerer Durchlässigkeit bei einem im Vergleich zum Sollwert geringeren Differenzdruck erfolgen.
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Die Druckmesseinrichtungen, die Durchflussmengenmesseinrichtung und/oder die Füllstandshöhenmesser können mit einer elektronischen Recheneinheit verbunden sein und die davon erfassten Messwerte an die Recheneinheit übermitteln.
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Die Dosiereinrichtung, die Pumpe und/oder die Ventile können mit einer elektronischen Recheneinheit verbunden und von der Recheneinheit steuer- und/oder regelbar sein.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dimensionieren von Filteranlagen mit einer beschriebenen Vorrichtung wird eine zu filternde Flüssigkeit aus einem Reinbehälter über eine Leitung einem Filterbehälter, in dem mindestens ein bevorzugt austauschbares Filterplattenelement angeordnet ist, zugeführt und über mindestens eine zweite Leitung im Kreislauf gefördert.
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Die zu filternde Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe durch das mindestens eine Plattenfilterelement gesaugt und die gefilterte Flüssigkeit in den Kreislauf zurückgeführt.
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Partikel mit vorgebbarer Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung, Menge und Partikelwerkstoff(en) werden mit einer Dosiereinrichtung der Flüssigkeit im Filterbehälter zugegeben.
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Nach einem Vergleich der von Druckmesseinrichtungen und/oder einer Durchflussmengenmesseinrichtung erfassten Messwerte mit vorgebbaren Sollwerten wird eine Anpassung der Anzahl der erforderlichen Plattenfilterelemente, des jeweiligen Filtermaterials, der Größe und/oder der Ausrichtung der Filterfläche(n) entsprechend vorgegebener zu erreichender Kapazitätswerte durchgeführt.
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Die mit einer elektronischen Recheneinheit verbundenen Druckmesseinrichtungen, Durchflussmengenmesseinrichtung und/oder Füllstandshöhenmesser können die erfassten Messwerte an die Recheneinheit übermitteln und die Recheneinheit die Messwerte mit den vorgebbaren Sollwerten vergleichen. Damit kann die Anzahl der erforderlichen Plattenfilterelemente, das jeweilige Filtermaterial, die Größe und/oder die Ausrichtung der Filterfläche(n) entsprechend vorgegebener zu erreichender Kapazitätswerte bestimmt werden.
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Die mit einer elektronischen Recheneinheit verbundenen Pumpe, Dosiereinrichtung und Ventile kann/können von der Recheneinheit, basierend auf einer vorgebbaren Programmierung, bedienerlos gesteuert werden.
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Aus den mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem damit durchgeführten Verfahren ermittelten technischen Parametern lassen sich anschließend die Parameter für eine zu errichtende Filteranlage bestimmen.
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Die Vorrichtung zur Dimensionierung und Testung von Filteranlagen und das damit durchführbare Verfahren ermöglichen es, Filter mit definiertem Filtratdurchsatz zu entwickeln, die technischen Parameter dieser Filter zu bestimmen und die Filter zu prüfen. Es wird damit eine bedarfsgerechte Auslegung und Gestaltung durch eine Optimierung der Anlagengröße, der Kühlschmierstoffumlaufmenge sowie der Anschaffungs- und Betriebskosten von Filteranlagen, insbesondere für Kühlschmierstoffemulsionen, unter praxisgerechten Bedingungen erreicht.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
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Dabei zeigt
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1 einen prinzipiellen Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in 1 gezeigte beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem Reinbehälter 5 zur Vorhaltung eines Kühlschmierstoffes mit einem Fassungsvermögen von ca. 0,6 m3 und einem Filterbehälter 9 mit einem Fassungsvermögen von ca. 0,6 m3. In dem Filterbehälter 9 sind Aufnahmen für zwei austauschbare Plattenfilterelemente und darin zwei Plattenfilterelemente angeordnet. Die gesamte Vorrichtung ist in einer Auffangwanne 10 angeordnet.
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Der Reinbehälter 5 und der Filterbehälter 9 sind mittels Leitungen 1, 2 und 3 so miteinander verbunden, dass ein geschlossener Kreislauf für die zu filternde Flüssigkeit ausgebildet ist. In einer Leitung 1, 2 zwischen dem Reinbehälter 5 und dem Filterbehälter 9 ist eine Pumpe 6 angeordnet, um den Kühlschmierstoff während des Betriebs der Vorrichtung im Umlauf zu halten.
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Dazu erzeugt die Systempumpe 6 einen Unterdruck an den eingesetzten Plattenfilterelementen, so dass die Flüssigkeit durch die Plattenfilterelemente aus dem Filterbehälter 9 angesaugt wird. Der gefilterte Kühlschmierstoff wird von der Druckseite der Pumpe 6 in den Reinbehälter 5 und von dort erneut in den Filterbehälter 9 gepumpt. Einstellparameter für den Volumenstrom des Kühlschmierstoffes als Flüssigkeit kann die Drehzahl der Pumpe in Abhängigkeit von einer elektrischen Versorgungsspannung sein.
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In Abhängigkeit von der Anzahl der in die Vorrichtung eingesetzten Plattenfilterelemente, des darin eingesetzten Filtermaterials, der Größe und Ausrichtung der Filterflächen stellen sich eine Durchflussmenge und ein Saugdruck ein.
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Die Durchflussmenge wird von einer Durchflussmengenmesseinrichtung, die in Strömungsrichtung der Flüssigkeit nach den Plattenfilterelementen angeordnet ist, und der Differenzdruck im Kühlschmierstoff in Strömungsrichtung vor und nach den Plattenfilterelementen durch eine ersten Druckmesseinrichtung in Strömungsrichtung vor den Plattenfilterelementen und eine zweite Druckmesseinrichtung, die in Strömungsrichtung nach den Plattenfilterelementen angeordnet ist, erfasst.
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Die Nachbildung der Verschmutzung des Kühlschmierstoffes erfolgt über eine Dosiereinrichtung 8, die dem Kühlschmierstoff über eine Leitung 4 und eine Mischeinheit 7 Partikel mit entsprechend vorgebbaren Partikelgrößen zuführt. Eine mittlere Feinschmutzbelastung eines Kühlschmierstoffes liegt im Bereich von 50 mg/l bis 200 mg/l.
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Sowohl am Reinbehälter 5, an der Auffangwanne 10 als auch am Filterbehälter 9 ist jeweils ein Füllstandshöhenmesser angeordnet. Die Füllstandshöhenmesser an der Auffangwanne 10 und am Reinbehälter 5 haben ausschließlich eine Sicherheitsfunktion, um ein Überlaufen zu verhindern. Der Füllstandshöhenmesser am Filterbehälter 9 ist als Drucksensor zur Ermittlung des hydrostatischen Drucks ausgebildet und dient zum Einen der Überwachung des Füllstandes, um zu gewährleisten, dass die Plattenfilterelemente ständig mit Kühlschmierstoff bedeckt sind, so dass ein Einbrechen des Förderdruckes verhindert werden kann. Zum Anderen dient der Füllstandshöhenmesser am Filterbehälter 9 auch zur Messung und Beurteilung des Druckeinflusses auf die Filterfunktion, also die Durchflussmenge des Kühlschmierstoffes.
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Die Durchflussmengenmesseinrichtung, die Druckmesseinrichtungen und die Füllstandshöhenmesser sind mit einer elektronischen Recheneinheit (nicht gezeigt) verbunden und übermitteln die erfassten Messwerte an die Recheneinheit. Die Dosiereinrichtung 8 und die Pumpe 6 sind mit der Recheneinheit verbunden und werden von dieser gesteuert und/oder geregelt. Somit kann während eines Tests der Filteranlage der Betrieb in Abhängigkeit von den gemessenen Werten bedienerlos erfolgen.
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Die Recheneinheit vergleicht die erfassten und übermittelten Messwerte mit den vorgegebenen Sollwerten und bestimmt daraus die Anzahl der erforderlichen Plattenfilterelemente, das jeweilige Filtermaterial, die Größe und/oder die Ausrichtung der Filterflächen entsprechend vorgegebener zu erreichender Kapazitätswerte.
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Nach der Anpassung der Anzahl der Plattenfilterelemente, des Filtermaterials, der Größe und der Ausrichtung der Filterflächen in der Vorrichtung wird der Kühlschmierstoff erneut durch die Vorrichtung gefördert und es werden erneut Partikel über die Dosiereinheit 8 zugegeben. Wieder werden die von Durchflussmengenmesseinrichtung, den Druckmesseinrichtungen und den Füllstandshöhenmessern gemessenen Werte an die Recheneinheit übermittelt und mit den Sollwerten verglichen. Der Vorgang aus Anpassung der Parameter und Vergleich der gemessenen Werte kann so oft wiederholt werden, bis die erforderlichen Kapazitätswerte erreicht sind.
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Wenn die Sollwerte erreicht worden sind, kann aus den ermittelten Parametern (Anzahl der Plattenfilterelemente, das darin eingesetzte Filtermaterial, die Größe und Ausrichtung der Filterflächen) eine zu errichtenden Anlage dimensioniert werden.
