Absaugung von Kühlschmierstoff-Nebel aus Werkzeugmaschinen

Wirksame Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität in Produktionshallen – Absaugung von Kühlschmierstoff-Nebel (KSS) aus Werkzeugmaschinen durch Zentralanlagen

Bei ca. 200.000 metallverarbeitenden Betrieben in Deutschland werden sowohl bei spanenden Bearbeitungsverfahren als auch bei Umformprozessen Kühlschmierstoffe (KSS) verwendet und überwiegend in Werkzeugmaschinen bei der Be- und Verarbeitung von Metallen eingesetzt. KSS sind flüssige Gemische zum Kühlen, Schmieren und Spülen, die je nach Rezeptur und Einsatzzweck wassermischbar, wassergemischt oder nichtwassermischbar sind.

Herausforderung

Dadurch, dass bei den Bearbeitungsvorgängen häufig KSS zu Aerosolen gewandelt werden, sei es durch Zerstäuben am rotierenden Werkzeug/Werkstück, durch Verdampfen auf heißen Oberflächen oder es zu Rauchbildung kommt, entstehen hier über den Eintrag in die Hallenluft Gefahren für die Gesundheit der Mitarbeiter über die Lungengängigkeit als auch für Produkte, Maschinen und Umwelt generell.

Schaut man in eine reale Produktionshalle, findet man in der Regel einen Werkzeugmaschinenpark verschiedenster Hersteller und Typen vor, die für Bearbeitungsarten wie Drehen, Fräsen, Schleifen, Bohren, Honen, Schlichten, Sägen u.a. genutzt werden. Diese Werkzeugmaschinen werden über Einzel-, Gruppen- oder Zentralabsaugungen abgesaugt und gefiltert. Über die Jahre entstehen so Sammelsurien aus verschiedenen Absaugkonstellationen in den Pro­duktionshallen – auch bedingt durch Umbau an den Werkzeugmaschinen, Standortwechsel oder Neuinvestitionen.

Es liegt auf der Hand, dass solche Konstellationen zu höherem Instandhaltungs- und Wartungsaufwand führen. Weniger bekannt ist, dass es trotz „Absaugungen“ sogar zu einer Aufkonzentration von Kühlschmierstoffnebel und -dämpfen in den Hallen kommen kann, weil die technische Hallenlüftung zu gering ausgelegt ist und nicht die notwendigen Luftwechselraten erreicht oder sogar nur eine „natürliche“ Hallenlüftung vorliegt.

Die Abwärme der Werkzeugmaschinen, Ventilatoren und Motoren führt außerdem zu einer signifikanten Erhöhung der Temperatur und relativen Feuchte in der Produktion. Insbesondere beim Einsatz wassergemischter Kühlschmierstoffe kann in der Folge die Luftfeuchtigkeit in der Halle stark ansteigen und zu Korrosionsproblemen führen.

Lösung

Zentrale Absauganlagen können diese Problematik in Kombination mit einer technischen Hallenlüftung lösen.

Es wird als vorteilhaft gegenüber Einzelabsauggeräten gewertet, dass bei Zentralabsauganlagen mit Fortluftbetrieb nicht nur partikuläre Verunreinigungen wie Aerosole, Nebel, Rauch oder Staub abreinigbar sind, sondern auch die relative Luftfeuchte der Hallenluft und die Hallentemperatur beeinflusst sowie die Geruchsbelästigung verringert werden kann.

Ein Hersteller solch zentraler Absauganlagen ist die Fa. UAS, deren Systeme sich sowohl bei Hallenneubauten als auch beim nachträglichen Aufbau zahlreich in den letzten Jahrzehnten bewährt haben. Sie basieren auf einem ausgefeilten Engineering und haben neben modularen Elektrofilter-Zellen auch Ventilatoren und Steuerungen integriert. Diverse optische Anzeigen zeigen die Funktion der Anlage. Wahlweise können diese Signale auch an eine Leitzentrale übermittelt werden.

Speziell UAS-Elektrofilter (oder genauer elektrostatische Filter/Abscheider) bieten bei der Zentralabsaugung zahlreiche Vorteile.

Bereits die Abscheidegrade sind vergleichbar mit Filterklasse E12 gemäß DIN EN 1822-1 (vgl. VDI 3678 Blatt 2), was durch namhafte, unabhängige Institute geprüft wurde. Außerdem ist die zugrundeliegende Technologie seit 50 Jahren bewährt, auch und insbesondere bei Werkzeugmaschinenherstellern.

Gegenüber rein mechanischen Filtern liegen zwar die Investitionskosten einer Zentralabsaugung mit Elektrofiltern höher, über die Zeit und im Sinne einer Total-Cost-of-Ownerchip-Betrachtung bleiben jedoch die Elektrofilter erheblich günstiger. So liegt die Energieeffizienz per se schon um einiges höher, so dass die Energiekosten sinken. Als Faustformel hat sich in der Praxis erwiesen, dass die Energiekosten ca. 50% niedriger ausfallen, was bei Zentralanlagen allgemein mehreren zehntausend Euro Kosteneinsparung pro Jahr entspricht.

Die Filterelemente werden nach Reinigung wiederverwendet und müssen nicht als Sondermüll aufwändig entsorgt werden. Die Absaugluftmenge kann mittels Frequenzumrichter manuell oder über eine Unterdrucksteuerung an den tatsächlichen Bedarf der insgesamt abzusaugenden Maschinen angepasst werden. Zusätzliche Stutzen im Rohgassystem ermöglichen problemlos die Erweiterung auf weitere Maschinen.

Bei UAS-Zentralabsauganlagen ist wahlweise ein Umluft- und Fortluftbetrieb möglich. So kann im Sommer die warm-feuchte, geruchsbeladene Abluft als Fortluft ins Freie ausgeblasen und durch nachströmende kalte Frischluft von außen ersetzt werden. Im Winter kann die warme Abluft dann entweder über ein Wärmerückgewinnungssystem ins Freie ausgeblasen und die Wärmeenergie auf die kalte Zuluft übertragen werden, oder die warme Abluft kann als anteilige Umluft (siehe VDI 3802 Blatt 2) wieder in die Halle zurückgeführt werden. Der Betreiber ist so in der Lage, auf betriebliche sowie auf klimatische Bedingungen reagieren zu können. Die Regelung kann manuell oder auch über Motorstellklappen erfolgen.

Gegenüber einer historisch gewachsenen Lösung, wie in der Einleitung beschrieben, ist bei diesem Aufbau nur eine zentrale Absauganlage zu warten; geringere Wartungskosten als bei Einzelabsaugung sind die Folge.

Elektrofilter in Zentralanlagen sind sowohl für nichtwassergemischte als auch wassergemischte Kühlschmierstoffe (d.h. mineralische und synthetische Öle, Emulsionen, Ölrauch) geeignet. Da in Zentralanlagen erfahrungsgemäß mit einer hohen Verdunstung des Wasseranteils bei wassergemischten KSS und einer Vorabscheidung des Ölanteils in der Rohrleitung zu rechnen ist, sollten die rohgasseitig verlegten Rohre aus längsgeschweißtem Stahl gefertigt und an Flanschverbindungen öldicht sein.

Preisgünstigere Wickelfalzrohre sparen zwar vermeintlich auf den ersten Blick Kosten, bergen nach UAS-Erfahrung aber die Gefahr, eine Fertigungshalle zur „Tropfsteinhöhle“ werden zu lassen.

In den letzten 40 Jahren konnte UAS Deutschland mehr als 10.000 Elektrofilteranlagen – sowohl dezentrale als auch zentrale Anlagen – erfolgreich weltweit installieren. Dieser Erfolg spricht für sich.

Technische Eignung anhand des Funktionsprinzips für Abscheidersysteme

  Öl Emulsion MMS*) Rauch
Elektrofilter A C/A2) C A
Filternder Abscheider        
Demister C B D D
Koaleszenz A B/A2) D D
Filter nach DIN EN 779
Wird ersetzt durch DIN EN ISO 16890
C/B2) A B/A2) C
Filter nach DIN EN 1822-1 (HEPA)1) C/B2) A A A
Entstauber D D A C
Zentrifugalabscheider C C D D

 

A = geeignet
B = bedingt geeignet
C = weniger geeignet
D = ungeeignet 
Fußnoten zur Tabelle:
*) Minimalmengenschmierung
1) als Nachfilter
2) in Zentralanlagen

 

Quelle: VDMA Broschüre Leitfaden Kühlschmierstoff

Fazit

Die Vorteile einer Zentralabsaugung sind eindeutig.

Unter dem Strich fallen die Investitionskosten, trotz höherer Rohrleitungs- und Montagekosten, geringer aus, die Wartungsarbeiten konzentrieren sich auf einen zentralen Punkt.

Zudem lässt sich mit diesem Konzept eine Sommer-/Winterschaltung als Hallenlüftung einfach realisieren, die einen Abluftbetrieb im Sommer und einen Umluftbetrieb im Winter erlaubt, um Heizkosten einzusparen.

Generell ist in der Fragestellung Einzel- oder Zentralabsaugung keine pauschale Antwort möglich, da das Konzept auf die Begebenheiten des jeweiligen Betriebes abgestimmt werden muss.

Tendenziell sind aber die Gesamtkosten, besser: Lebenszykluskosten, einer Zentralanlage bei Luftleistungen ab 6.000 m3/h in der Regel niedriger.

Info

Gesetzliche Grundlagen – Kühlschmierstoffe

Kühlschmierstoffe sind meist komplexe Gemische, die bei unachtsamem Umgang, für die im Prozess beschäftigten Personen gesundheitliche Gefahren bergen können. Ebenso ist ihr Einfluss auf die Umwelt, insbesondere unter dem Aspekt der gefahrlosen Entsorgung, und Grundwassergefährdung zu beachten.

2 Gesetzliche Grundlagen und Richtlinien

2.1 Arbeitsschutz

Jeder Unternehmer hat dafür zu sorgen, dass bei Tätigkeiten mit Kühlschmierstoffen die Gefährdung durch Haut- und Augenkontakt, die Emission in die Atemluft, die Gefährdung durch Aufnahme in den Körper und Brand und Explosionsgefahren beseitigt oder auf ein Minimum reduziert werden, soweit dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Bezüglich der Emissionen und basierend auf der Zusammensetzung der Kühlschmierstoffe, den technischen Rahmenbedingungen und den physikalischen Eigenschaften sind die Arbeitsplatzkonzentrationen nach TRGS 611, TRGS 900, TRGS 910, etc. einzuhalten.

Nach dem Stand der Technik (DGUV Regel 109-003 vormals BGR/GUV-R 143) sind folgende Konzentra­tionen von Kühlschmierstoffen in der Luft erreichbar:

  • Wassergemischte Kühlschmierstoffe bei der Metallbearbeitung sowie bei der Glas und Keramikbearbeitung, wassermischbare und wassergemischte Umformschmierstoffe 10 mg/m³;
  • Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe mit einem Flammpunkt > 100 °C bei der Metallbearbeitung 10 mg/m³;
  • Nichtwassermischbare Umformschmierstoffe 40 mg/m³;
  • Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe mit einem Flammpunkt < 100 °C bei der Metallbearbeitung 100 mg/m³.


2.2 Umweltschutz

Geräte und Anlagen zum Absaugen von Kühlschmierstoff-Aerosolen und -Rauchen, bei denen die Abluft ins Freie geführt wird, sind nach dem Bundes-lmmissionsschutzgesetz zu beurteilen. Soweit sie nicht bestimmte Werte für den jeweiligen Standort überschreiten, sind sie in der Regel nicht genehmigungsbedürftig.

Gemäß § 22 „Pflichten der Betreiber nicht genehmigungsbedürftiger Anlagen“ des Bundes-Immissionsschutzgesetzes sind jedoch die nach dem Stand der Technik vermeidbaren schädlichen Umwelteinwirkungen zu verhindern oder, falls unvermeidbar, auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Hierzu kann die TA Luft vom 24. Juli 2002, Kapitel 5.2.5 als Stand der Technik herangezogen werden:

„Organische Stoffe im Abgas, ausgenommen staubförmige organische Stoffe, dürfen den Massenstrom 0,50 kg/h oder die Massenkonzentration 50 mg/m³, jeweils angegeben als Gesamtkohlenstoff, insgesamt nicht überschreiten.

(…)

Innerhalb des Massenstroms oder der Massenkonzentration für Gesamtkohlenstoff dürfen die nach den Klassen I (Stoffe nach Anhang 4) oder II eingeteilten organischen Stoffe, auch bei dem Vorhandensein mehrerer Stoffe derselben Klasse, insgesamt folgende Massenkonzentrationen oder Massenströme im Abgas, jeweils angegeben als Masse der organischen Stoffe, nicht überschreiten:

Klasse I

den Massenstrom 0,10 kg/h oder die Massenkonzentration 20 mg/m³;

Klasse II

(…)

den Massenstrom 0,50 kg/h oder die Massenkonzentration 0,10 g/m³.

Beim Vorhandensein von Stoffen mehrerer Klassen dürfen zusätzlich zu den Anforderungen von Absatz 4 Satz 1 beim Zusammentreffen von Stoffen der Klassen I und II im Abgas insgesamt die Emissionswerte der Klasse II nicht überschritten werden.“

Quelle: VDMA Broschüre Leitfaden Kühlschmierstoff

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