Grundsätzliches zur Anlagenplanung

Planung einer Absauganlage: Gewusst wie

Immer wieder werden Fragen zum sachgerechten Aufbau einer Absauganlage und deren wirtschaftlicher Betriebsweise gestellt. Hier sind einige Antworten, die künftigen Planungen mehr Sicherheit geben sollen.

Prof. Dipl.-Ing. Helmut Leidmann war bis 1997 an der Fachhoch-schule Rosenheim, Fachbereich Holztechnik, tätig

Vorweg der Hinweis, dass in kleineren Betrieben die Erzeugnisse häufig variieren und es daher nahezu unmöglich ist, den Maschineneinsatz bzw. Absaugbedarf in einem Zeitschema zu fixieren. So wird es immer mehrere Konzepte geben, je nachdem, welche Zugeständnisse im Maschinengebrauch eingegangen werden können. Mit Einzelabsaugungen lassen sich die sparsamsten Betriebsweisen erzielen, mit zentralen Anlagen minimiert man die Investitionskosten, Gruppenabsaugungen sind Kompromisse zur Optimierung der Kostensumme.
Aufgabe der Absaugung ist die staubfreie Entsorgung des Spangutes aus dem Arbeitsbereich, der Abtransport in Leitungen und die Ablagerung in Bunker- oder Silo-räumen. Transportmittel ist Luft, von dessen Menge der Absaug-effekt im Werkzeugbereich und von dessen Strömungsgeschwindigkeit der störungsfreie Transport in den Leitungen abhängt. Da beim Materialtransport sehr instabile, turbulente Strömungen auftreten, die Messungen unmöglich machen, werden Absauganlagen wie Reinluftanlagen empirisch ausgelegt und das planerische Ergebnis durch Messungen überprüft.
Gutaufnahme im Fänger
Wie sauber der Arbeitsbereich an der Maschine gehalten werden kann, wird allein durch die Reichweite des Saugstrahls bestimmt. Allseitige Luftzuströmung zu einer Rohrmündung bringt die geringste Reichweite, räumliche Einschränkungen (Arbeitstisch, Rückwand, Seitenflächen, Trichter etc.) begünstigen die Wirkung oder aber behindern (Werkstückgröße, Schutz- und Arbeitsvorrichtungen etc.) sie.
Ein Druckstrahl hätte zwar die 30fache Reichweite, führt aber beim Blasen zu unzulässiger Staubaufwirbelung und ist daher so nicht einsetzbar. Nur bei Maschinen, wo der Arbeitsbereich räumlich abgekapselt ist und folglich durch die Absaugung in der Kapsel Unterdruck entsteht, kann durch dosierte und gelenkte Luftzuführung eine Druckstrahlwirkung erreicht werden. Dies wird allerdings wenig genutzt.
Natürlich bestimmt auch die verwendete Luftmenge die Absaugwirkung, denn ohne Luft als Trägerstoff funktioniert keine Absaugung. Der Maschinenhersteller hat – weil Fängerkonstrukteur – eine verbindliche Mengenvorgabe zu machen, die vom Betreiber wenigstens subjektiv (Spänetest) auf zu viel/zu wenig überprüfbar ist. Je näher der Fänger an das Werkzeug positioniert werden kann, mit umso geringerer Luftmenge kommt man aus. Behinderungen im Arbeitsvorgang verbieten andererseits allzu große Annäherungen.
Eigenbewegungen von Absauggut (z. B. Abschleudern vom Fräskopf oder Sägeblatt) sollten grundsätzlich durch Prallflächen und Umlenkbleche – nicht energieaufwendig durch gegenströmende Luft – abgefangen werden. Wenig wird noch bei Mehrfachaggregaten die intermittierende Späneabsaugung eingesetzt, die Luftmengen bündelt und so einzeln bei den Werkzeugen reihum in kurzen Abständen das sich ansammelnde Absauggut entsorgt; eine gleichzeitig kontinuierliche Staubabführung sorgt für staubfreie Arbeitsbereiche.
Der für die Abströmung günstige geometrische Aufbau des Fängers (und Sammelkastens) ist maßgebend für die Widerstände bei der Durchströmung; Ablagerungen in toten Ecken und Verwirbelungen sollten vermieden werden. Auch mit Bögen sollte der Planer sparsam sein, was insbesondere in Ventilatornähe zu unsymmetrischem Anströmen des Laufrades und daher zu Leistungsminderung führen kann.
Flexible Leitungen bringen – relativ zu Blechrohren – übrigens doppelten Druckverlust (= Stromverbrauch) und sind nur dort sinnvoll, wo Anschlüsse an bewegte Werkzeuge dies erfordern.
Widerstände im Maschinenbereich können in summa durch Messung des Druckverlusts quantifiziert und beurteilt werden. Eine Unterstützung der Strömung durch rotierende Werkzeuge ist bei den heute hohen Drehzahlen kaum mehr gegeben. Es sollte daher generell vor der Neudimensionierung einer Absaugung eine Überprüfung und u. U. Sanierung der Fänger vorgenommen werden.
Transport des Absauggutes in Leitungen
Bei Einzelabsaugungen ist die Leitungsführung technisch problemlos, entsprechend der geplanten Luftmenge ist jeweils eine Nennweite zu wählen, die Luftströmungen um 20 m/s (bei feuchtem, schwerem Gut bis zu 28 m/s) erbringt. Damit ist auch eine Senkrechtförderung gesichert.
Die Zusammenfassung mehrerer Absaugstellen zu einem gemeinsamen Förderweg in der zentralen Hauptleitung führt zu gegenseitiger Beeinflussung der angeschlossenen Anlagen. Erkennt man dies in der Anlagenplanung, so können in der Regel dadurch kaum Probleme auftreten, wenngleich nicht jede denkbare Betriebsweise machbar ist. Hier die kurze Zusammenfassung der wichtigsten Punkte für den Fall, dass per Schieber eine oder mehrere Absaugstellen stillgelegt werden:
• Die Luftmenge der noch offenen Anschlüsse erhöht sich, dadurch wird dort der Absaugeffekt gesteigert.
• Die Luftmenge in der Hauptleitung verringert sich; dadurch kann es zur Unterschreitung der nötigen Fördergeschwindigkeit (20 bis 28 m/s) und zu Betriebsstörungen kommen, wenn nicht die Nennweite entsprechend reduziert eingeplant ist.
• Der Ventilator muss zwar weniger Luft fördern, aber eine höhere Pressung bewältigen; die erzielbare Einsparung an Antriebsenergie ist – wenn überhaupt – gering.
• Weniger Luft verringert auch die Filterbelastung und dessen Widerstand.
Alle diese Aussagen gelten in umgekehrter Richtung für den Fall, wo Schieber wieder geöffnet oder zusätzliche Anlagen angeschlossen werden. Absauganlagen sind also in der Funktion Gesetzmä-ßigkeiten unterworfen, die man in vergleichbarer Weise wieder in der Elektrotechnik findet (Spannung = Druck, Strom = Luftmenge). Schieberbetätigung zeigt anders wie Ventilhandhabung in einer Wasserversorgung merkliche gegenseitige Auswirkungen auf alle Strömungen im System.
Für die Anlagenplanung bedeutet dies zunächst, genaue Recherchen über die zeitliche Nutzung der Absauganlage einzuholen:
• Welche Luftmenge und welcher Widerstand (Unterdruck) sind bei den einzelnen Absaugstellen (Holzbearbeitungsmaschinen) anzusetzen?
• Wie häufig (Prozentangabe relativ zur Laufzeit der Absauganlage) ist mit dem Einsatz der Maschine zu rechnen?
• Wie viel Maschinen können/ sollen gleichzeitig laufen?
Mit diesen Informationen kann eine gewichtete Rangfolge im Maschineneinsatz abgeleitet werden, die sich auf die Dimensionierung von Hauptleitung, Ventilator und Filter auswirkt. Danach ist – abhängig von räumlichen Vorgaben – eine Skizze über den Leitungsverlauf sowie die Aufstellung von Ventilator und Filter bzw. Entstauber zu erstellen, woraus Leitungslängen, Bögen, Abzweige und sonstige Einbauten hervorgehen. Um dem Problem zu geringer Strömung in der Hauptleitung zu begegnen, ist zu empfehlen, Zuleitungen von Absaugstellen wenigstens zu Beginn sternförmig zusammenzuführen. Dabei ist auch zu überlegen, welche Leitungen immer ganz oder teilweise offen sein sollten, um ein nötiges Luftminimum im Hauptstrom zu haben. Dadurch kann man sich eventuell manchen Schiebereinbau ersparen.
Die Leitungsnennweiten sind so zu wählen, dass möglichst viele Variationen des Maschineneinsatzes problemlos laufen können. Es gelten – wie schon angedeutet – für Dimensionierung und Betrieb die Gesetzmäßigkeiten der Strömungslehre und nicht nur eine Addition der Leitungsquerschnitte bei Abzweigen/Einmündungen. Rechenprogramme erleichtern dem Planer die Anlagendimensionierung und erlauben per Simulationsrechnung die Überprüfung des Absaugbetriebs; damit kann die Anlage eingestellt und festgestellt werden, welche Betriebsweisen wegen Wirkungslosigkeit oder Gefahr einer Betriebsstörung nicht zulässig sind. Ebenso kann dadurch aus mehreren Konzepten das technisch wirksamere ausgemacht werden. Einstellen der Absauganlage bedeutet hier die Festlegung von Betriebsvarianten mit genügend Absaugwirkung und ausreichender Rohrströmung. Die Betätigung der Schieber sollte sich dabei nicht auf totales Öffnen und Schließen beschränken, auch an richtiger Stelle halb offene Schieber gewährleisten sichere und sparsame Betriebsweisen.
In der Ausführung der Rohranlage sollten flexible Leitungen wegen der höheren Durchströmverluste so kurz wie nötig gehalten, die restlichen Rohrleitungen stabil gegen Vibrationen montiert werden. Bei Ventilatoren sind Drehsinn und Position genau zu überlegen, damit Krümmer unmittelbar vor Eingang oder beim Ausgang vermieden werden können. Generell sollten alle Anlagenbereiche für (statische Druck-)Messungen zugänglich bleiben. Typische Messpunkte sind Maschinenausgang, Ventilatoreingang/-ausgang, Filtereingang, wo ausreichende Mess-Strecken einzuplanen sind. In der Überwachung muss vor allem auf Dichtheit geachtet werden. Undichtheiten im Rohrleitungssystem schmälern nicht nur die Absaugwirkung, sondern erhöhen auch den Antriebsstromverbrauch. Verschleiß und technische Gebrechen mindern die Leistungsfähigkeit von Ventilator und Entstauber. Wenngleich der Ventilator Schäden in der Beschaufelung akustisch meldet, so sind in beiden Fällen „heimliche“ Unstimmigkeiten leicht durch statische Drucküberwachung bei Ventilator und Filter zu lokalisieren.
Trennung von Absauggut und Trägerluft
Während früher die Gutabscheidung per Zyklon noch als ausreichend angesehen wurde, ist heute eine Luftfiltration unumgänglich, um den Staubgehalt auf das vorgeschriebene Minimum zu bekommen.
Vielfach wird mit dem Entstauber die Kombination von Zyklon und Filter angeboten. Der Zyklonteil übernimmt dabei eine Vorabscheiderfunktion und entlastet das Filter. Fällt bei zu kompakter Bauweise der Zyklonraum zu klein aus oder ist die Rohluftzuführung strömungstechnisch nicht sauber (keine waagrechte Rotation) gelöst, so wird das abgeschiedene Gut wieder hochgeblasen und belegt nach jedem Einschalten erneut die Filterfläche. Die Filterflächenbelastung sollte hier geringer gehalten bzw. das Filter muss größer geplant werden.
In jedes Filtermaterial wandert feiner Holzstaub, der durch Abreinigung nicht mehr ganz entfernt werden kann und mit zunehmender Betriebsstundenzahl den Filterwiderstand erhöht. Auch mit der Filterflächenbelastung (m³/h Luft pro m² Filterfläche) steigt der Widerstand des Entstaubers, reduziert die Luftmenge und verändert spürbar den Stromverbrauch. Es gibt also gegenseitige Beeinflussungen, wenn Gruppenabsaugungen auf ein gemeinsames Filter arbeiten. Je höher die Summe der Luftzuführung, umso geringer der Einzelanteil für eine Absauggruppe.
Für die Qualität der Entstaubung ist es gleichgültig, ob der Venti-lator vor oder nach dem Filter eingeplant ist. Reingasseitig montierte Ventilatoren arbeiten mit besserem Wirkungsgrad, weilohne Gutdurchlauf eine günstigere Beschaufelung gewählt werden kann. Da hier zudem der Rohgasbereich ständig unter Unterdruck steht, kann kein Staub austreten, was raumklimatisch mehr Sicherheit bietet. Andrerseits können Undichtheiten am Entstauber schwer erkannt werden, es sei denn mit Druckmessung am Gesamtsystem. Auf die gegebenenfalls höhere Lärmentwicklung ist dann zu achten, wenn der eingebaute Ventilator im Entstauber einen verstärkenden Resonanzkörper vorfindet.
Luftrückführung ist bei Aufstellung des Entstaubers im Maschinensaal automatisch gegeben und sinnvoll. Wenn das Filter im Freien steht, hängt der Erfolg der Wärmerückgewinnung von einer weitgehenden und sorgfältigen Wärmeisolation ab. Luft kann sich wegen der geringen Wärmekapazität viermal schneller abkühlen als Wasser. Bei langen Rückluftwegen und kleinen Gitterauslässen ist zudem Förderenergie zuzuführen. Man sollte jedoch nicht teuren Strom zur Rettung billiger Wärme einsetzen.
Schlussbemerkung
Der Energiebedarf für Absauganlagen erreicht etwa die Größenordnung der Antriebsenergie bei den abzusaugenden Maschinen. Die Arbeitszeit in den Betrieben liegt dabei meist in der Hochtarifzeit des Strombezugs. Hohe Energiekosten und die Gesundheit der Belegschaft erfordern teure Maßnahmen, die sorgfältig geplant und optimiert sein sollten. Vorschriften und daraus entstehende Auflagen sind technisch umsetzbar. Damit diese Technik auch bezahlbar bleibt, ist eine frühzeitige und umfassende planerische Aktivität zu empfehlen. o

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