Luftfilter
Als Luftfilter werden alle Abscheider bezeichnet, die Aerosole bzw. unerwünschte Schwebstoffe wie Krankheitserreger, Pollen, Stäube oder Gase aus der Luft herausfiltern.
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Genauer handelt es sich dabei meist um filternde Abscheider, die in einem filternden Medium Substanzen aus der Luft entfernen – eine Sonderform sind hierbei Elektrofilter, die nicht zu den filternden Abscheidern im engeren Sinn zählen. Als Filtermedium (Kollektoren) kommen meist Fasern oder Körner zum Einsatz. Es wird in Faserschichtfilter, Schüttschichtfilter und Filter mit festem Medium (seltener, wie Sinterschichten, Keramik) unterschieden. Allen Filtern gemein ist der relativ hohe Energieeinsatz, der zur Erreichung des Filterziels notwendig ist.
Trockenfilter
Diese Filterart entstand im 20. Jahrhundert und wird auch heute noch in der Fahrzeugindustrie verwendet. Es sind papierähnliche ringförmige oder rechteckig flache Gebilde, die zickzackförmig gefaltetes Gewebe als Filterelement haben. Die Faltung vergrößert die Filterfläche und verringert den Strömungswiderstand bei gleichzeitiger Erhöhung der Standzeit. In den meisten Fällen des Ringzylinders wird die kontaminierte Luft außerhalb des Zylinders angesaugt und die gefilterte gesäuberte Luft innerhalb weitergeleitet. Diese Filterart ist sehr zuverlässig und hermetisch abgedichtet. Dieses papierähnliche Gewebe ist zwischen zwei Deckel einvulkanisiert oder geklebt. Diese Filtereinsätze werden nach einmaligem Gebrauch entsorgt, es sind sogenannte „Wegwerffilter“.
Als Varianten sind auch flächige Luftfilter gebräuchlich. Hier wird in einem Luftfilterkasten das Filterelement durch eine ebene, in einem Rahmen fixierte und gefaltete Filtermatte dargestellt. Die Luft strömt meist von unten nach oben durch das horizontal ausgerichtete Filterelement. Abgeschiedene größere Fremdkörper können so bei Stillstand des Luftstromes auf den Boden des Filterkastens fallen und behindern so den Luftstrom nicht zusätzlich.
Papierbasierte Luftfilter sind einfach herzustellen und sehr preisgünstig.
Des Weiteren existieren Schaumstoff-Trockenfilter. Es handelt sich dabei um dieselben Konstruktionen wie Papierluftfilter, nur dass anstelle des gefalteten Papieres glatte Schaumstofflagen verwendet werden. Vorteile im Vergleich zum Papierfilter sind die höhere Luftdurchlässigkeit sowie die Möglichkeit zur Reinigung (ausklopfen / auswaschen), wodurch höhere Standzeiten möglich sind. Nachteilig ist die geringere Filterwirkung im Vergleich zum Papierfilter, welche dickere Schaumstofflagen erforderlich macht. Auch lässt sich nicht der gesamte angesammelte Schmutz durch Reinigung wieder entfernen, so dass sich der Filter langsam immer mehr zusetzt und schließlich ausgetauscht werden muss. Zudem ist Schaumstoff in der Regel nicht dauerhaltbar; dadurch beginnen die Filterelemente sich nach einer gewissen Zeit aufzulösen, was dann ebenfalls einen Austausch erforderlich macht.
Öfter werden beide Filterarten miteinander kombiniert: Ein Vorfilter aus Schaumstoff (für Grobschmutz), als Hauptfilter dann Papier. Insbesondere in Einsatzgebieten mit erhöhtem Schmutz-/Staubanfall wird auf dieses Prinzip zurückgegriffen, z. B. in der Landwirtschaft oder auch beim heimischen Rasenmäher.
Zyklonfilter
Bei Kraftfahrzeugen, die häufig in staubiger Umgebung arbeiten (wie z. B. Landmaschinen oder Nutzfahrzeuge), wird eine Variante des Fliehkraftabscheiders als Vorfilter vor dem eigentlichen Luftfilter eingesetzt. Der sogenannte Zyklonfilter entfernt Staub und Wasser und entlastet so den eigentlichen Luftfilter. Dies trägt zu einer deutlichen Standzeiterhöhung des gesamten Filtersystems bei.
Diese Filter gibt es in zwei Varianten:
- manuelle Entleerung der Fremdkörper, die in einem Sammelbehälter gesammelt werden
- automatische Entleerung bei Stillstand durch Ventile oder im Betrieb mittels durch den Luftstrom angetriebenen Impeller
Flüssigkeitsfilter (Ölbadluftfilter)
Seltener werden zum Filtern Flüssigkeiten verwendet, durch die die Luft hindurch geführt wird, zum Beispiel bei den Ölbadluftfiltern früherer PKW und LKW. Der Luftstrom wird senkrecht auf das Ölbad geleitet und dort stark abgelenkt. Die schweren luftgetragenen Partikel behalten aufgrund ihrer Trägheit ihre Richtung auf das Ölbad bei, werden durch die Flüssigkeit gebunden und sammeln sich in dieser. Die Reinigung erfolgt, indem das im Ölbad befindliche Stahlsieb mit Waschbenzin oder Kaltreiniger ausgewaschen wird. Zusätzlich muss das Öl nach einem bestimmten Intervall gewechselt werden, da sich die Schmutzpartikel, welche das Stahlsieb zurückgehalten hat, mit dem Öl vermengt haben. Eine Verwendung von Ölbad-Luftfiltern erfolgt bei zu erwartendem hohen Schmutzanfall und möglicher schlechter Ersatzteilversorgung (z. B. Militär). Ein Nachteil dieser sehr robusten Filterkonstruktion ist der durch die Ablenkung des Luftstroms entstehende hohe Strömungswiderstand und die damit verbundene Leistungseinbuße. Im PKW-Bereich findet diese Technik, von Ausnahmefällen abgesehen, keine Anwendung mehr.
Ölgetränkte Filter
Eine weitere Version ist der ölgetränkte Stahlnetz-Luftfilter, der bei Motorrädern wie z. B. bei der BMW R 25/3, bei älteren Vespa-Rollern oder auch in älteren Traktoren verbaut wurde. Diese Filter bestehen aus vielen Lagen Stahlstreifen, die netzartig übereinander gelegt werden. Stahlnetz-Luftfilter werden mit Motorenöl getränkt, wodurch sich beim Ansaugen die Staubpartikel des Luftstromes an dem Öl festsetzen. Dadurch erreicht man eine grobe bis mittelfeine Filterung der Ansaugluft. Dieses mit Öl getränkte Stahlsieb kann man mit Waschbenzin o. ä. reinigen bzw. auswaschen und somit wieder von dem Staub befreien. Nach dem Reinigen muss der Filter wieder mit Öl getränkt werden.
Von einigen Herstellern wie beispielsweise K&N gibt es für viele PKW- und Motorrad-Fabrikate spezielle Austauschluftfilter, welche die originalen Luftfilter ersetzen. Die Besonderheit ist, dass es sich hierbei um sogenannte „Dauerluftfilter“ handelt, die laut Hersteller bis zu 100.000 km ohne Reinigung eingesetzt und nach der Reinigung wieder eingeölt und erneut verwendet werden können. Bei dem Material handelt es sich um mit speziellem Filteröl getränkte Baumwolle, wodurch der Filter im Gegensatz zum Stahlnetz-Luftfilter auch feine und feinste Partikel zurückhält. Um der Veränderung des Luftdurchsatzes Rechnung zu tragen, ist bei älteren Vergasermotoren die Gemischeinstellung anzupassen. Bei Fahrzeugen aktuelleren Baujahres mit Einspritzung wird die Luftmenge, bzw. -masse über den Luftmengen, bzw. Massenmesser erfasst. Eine manuelle Gemischeinstellung ist hier dann nicht mehr erforderlich. Gerade bei Motorumbauten ist eine Kontrolle der Filterleistung zwingend erforderlich.
Elektrofilter
Elektrofilter werden z. B. in stationären Großanlagen wie Kraftwerken (Rauchgasfilter) oder Zechen (Kompressorschutzfilter) benutzt. Des Weiteren finden Elektrofilter kleinerer Bauform ihren Einsatz bei der Abscheidung von Aerosolen, wie sie z. B. bei der Metallbe- und Metallverarbeitung durch Kühlschmierstoffe entstehen (drehen, schleifen, stoßen etc.) – ungefähr 50 % der in der Praxis metallbe- und metallverarbeitender Betriebe eingesetzten Abscheider sind elektrostatische Abscheider unterschiedlichster Bauformen.[1][2]
In Elektrofiltern werden Staubpartikel bzw. Aerosole elektrostatisch aufgeladen und an den Elektrodenflächen abgeschieden. Die Verschmutzung wird z. B. durch getaktete Abklopfzyklen und nachfolgendes maschinelles Entfernen der in Trichtern aufgefangenen Stäube über Rohrförderschnecken beseitigt. Bei flüssigen Bestandteilen und oft auch bei ungiftigen Stäuben erfolgt ein regelmäßiges maschinelles Spülen der Elektrodenflächen. Nachteil von Elektrofiltern ist die mangelnde Betriebssicherheit: bei Ausfall der Hochspannungsversorgung werden in aller Regel hohe Mengen Schadstoffe ungefiltert durchgeleitet, was prozesstechnisch beachtet und ggfs. durch andere Maßnahmen vermieden werden muss. Vorteil von Elektrofiltern ist der Betrieb nahezu ohne Verbrauchsmaterialien (z. B. Filtereinsätzen) im Vergleich zu filternden Abscheidern (mechanischen Filtern mit Filtereinsätzen).
Hersteller großer Elektrofilter sind die GEA Bischoff GmbH in Essen und die ELEX AG in Schwerzenbach in der Schweiz. Hersteller von kleineren Elektrofiltern sind die United Air Specialists, Inc. (Bad Camberg) und ILT Industrie-Luftfiltertechnik GmbH (Ruppichteroth).
Schlauchfilter
Alternativ zu Elektrofiltern werden in industriellen Anwendungen Schlauchfilter eingesetzt. Diese sind Filter, die mit einer Vielzahl von durch Drahtkörben stabilisierte einzelnen Filterschläuchen ausgerüstet sind. Die Filterschläuche hängen senkrecht nach unten; an ihrer zylindrischen Außenseite sammelt sich der Staub und es bildet sich ein Filterkuchen. Auch diese Filter werden entweder gemäß ihrem Verschmutzungsgrad (per Überwachung der Druckdifferenz, d. h. druckgesteuert) oder nach einer gewissen Zeit (zeitgesteuert) abgereinigt, indem ein kurzer Druckluftimpuls entgegen der Strömungsrichtung in die Filterschläuche eingeleitet wird („pulse jet Abreinigung“) oder die Strömungsrichtung in der Filteranlage umgekehrt wird („reverse air Abreinigung“). Hierdurch wird der Filterkuchen von den Schläuchen abgeworfen und das Filtermaterial wieder für längere Zeit durchlässig. Die Filterschläuche sind Verschleißteile, ihre Standzeit reicht je nach Prozess und verwendetem Filtermaterial von wenigen Tagen bis zu mehr als zehn Jahren. In der Regel werden die Filterschläuche in dieser Zeit mehrere zehn- bis hunderttausend Mal abgereinigt. Der von den Filterschläuchen herabfallende Staub wird in Trichtern aufgefangen und über Rohrschneckenförderer oder Zellenradschleusen aus dem System entfernt und anschließend entsorgt oder den folgenden Prozessen (z. B. Feuerung, Zementherstellung) zugegeben.
Die sogenannten STEAG-Steine, mit einem Aussehen ähnlich den Kalksandsteinen, sind zu hohen Anteilen mit Zement verbackene Filterstäube aus Kraftwerken und Heizkraftwerken.
Filterklassen
Luftfilter werden gemäß DIN EN 779:2012 nach Partikelgröße klassifiziert. Grobstaub-Klasse G1 bis G4, Feinstaub-Klasse M5 bis M6[3] und von F7 bis F9.
Phasen der Filtration
- Tiefenfiltration: Partikel werden durch Trägheit, Diffusion, Elektrostatik oder Siebeffekt im Filtermedium positioniert (Verstopfungsphase)
- Kuchen-/Oberflächenfiltration: Aufbau eines Filterkuchens, welcher selbst als hocheffizientes Filtermedium wirkt. Die Abscheidung erfolgt in dieser Phase vornehmlich durch den Sperreffekt.
Anwendung
Luftfilter werden beispielsweise eingesetzt
- in Kraftfahrzeugen mit Otto- oder Dieselmotor, um die Verbrennungsluft vor dem Ansaugen in den Vergaser oder die Zylinder zu reinigen,
- in der staubemittierenden Industrie (z. B. Papier, Zement) (Umweltschutz),
- in Lüftungsanlagen, um Schadstoffe von Wohnungen fernzuhalten (siehe auch Kontrollierte Wohnraumlüftung)
- in Staubsaugern, um die angesaugte Luft möglichst vollständig zu reinigen,
- in der metallbe- und -verarbeitenden Industrie zur Entfernung von Öl- und Emulsionsnebel an Werkzeugmaschinen (Ölnebelabscheider) u. v. m.
Siehe auch
Literatur
- Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-23876-3.
- Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig 2000, ISBN 3-14-221500-X.
- Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001, ISBN 3-8085-2067-1.
- Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart 1992, ISBN 3-613-01288-X.
Weblinks
Einzelnachweise
- BGIA-Report 9/2006, Absaugen und Abscheiden von Kühlschmierstoffemissionen, Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVBG), Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz (BGIA), Sankt Augustin 2006, ISBN 3-88383-714-8 (online)
- BIA-Report 4/2004, Einsatz von Kühlschmierstoffen bei der spanenden Metallbearbeitung, Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVBG), Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz (BGIA), Sankt Augustin 2004, ISBN 3-88383-669-9 (online)
- Bis 2011 Feinstaub-Klassen F5 bis F9, gem. DIN EN 779:2003