Wirbelbettreinigung

Eine Wirbelbettanlage besteht aus einem mit kalibriertem Quarzsand gefüllten Becken, dessen Bodenplatte mit Düsen durchsetzt ist. Durch das Einblasen eines Brenngas-Luft-Gemisches wird der Sand auf eine Temperatur von 300 °C - 450 °C gebracht und aufgewirbelt. In die hierbei entstehende turbulente Phase mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften werden die zu reinigenden Bauteile gehängt. Organischer Schmutz wird aufgrund der hohen Temperatur zersetzt oder vergast. Eine zusätzliche mechanische Reinigungswirkung ergibt sich durch das Scheuern der Sandpartikel an den Bauteiloberflächen. Die entstehenden Schwelgase müssen in eine Nachverbrennungszone abgesaugt und anschließend gefiltert werden.

Die Wirbelbettreinigung wird zumeist als Alternativverfahren zur Reinigung in Schwelkammeröfen eingesetzt. Aufgrund der zusätzlichen mechanischen Reinigungswirkung durch die Sandpartikel kann die Reinigungszeit dabei deutlich geringer gehalten werden. Sie liegt jedoch noch immer bei ca. einer Stunde. Entfernt werden können vornehmlich organische Verschmutzungen und Beschichtungen. Schwierigkeiten bereiten bei der Wirbelbettreinigung Bauteile, deren Geometrie die notwendige Fluidisierung des Sandes beeinträchtigen, wie z. B. Kästen oder Schalen. Zur Reinigung von Bauteilen mit abrasionsempfindlichen Oberflächen kann die Wirbelbettreinigung nicht eingesetzt werden.

Physikalischer Hintergrund

Bei einem Wirbelbett handelt es sich um eine turbulente Phase mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften, die durch einen aufsteigenden Gasstrom in einem feinkörnigen Feststoff erzeugt wird.

Übliche Wirbelbett-Reinigungsanlagen sind folgendermaßen aufgebaut: In einem Becken befindet sich ein feinkörniges anorganisches Reinigungsmittel, zumeist Quarzsand. Durch einen Düsenboden wird nun eine Mischung aus Erdgas und Luft eingeblasen und entzündet. Der Sand wird so aufgewirbelt und erhält flüssigkeitsähnliche Eigenschaften. Gleichzeitig wird das Reinigungsmedium auf eine Temperatur von 300 °C - 450°C erhitzt, denn in diesem Bereich liegt der Vergasungspunkt der Stoffe, die von der Bauteiloberfläche entfernt werden sollen. Das Verwirbeln des Sandes sorgt für eine nahezu homogene Wärmeverteilung.

Wenn die Reinigungstemperatur im Becken erreicht ist, werden die zu reinigenden Teile, zumeist in einem Spezialkorb, in das Becken gehängt. Die organischen Anhaftungen werden direkt beim Eintauchen in das Becken vergast. Die während der Vergasung entstehenden Schwelgase sammeln sich an der Sandbettoberfläche und werden in die Nachverbrennungszone abgesaugt. Dort werden sie verbrannt. Die Abluft wird gekühlt und durch einen keramischen Filter geleitet.

Haupteinsatzgebiete

Die Wirbelbettreinigung wird zumeist als Alternativverfahren zur Reinigung in Schwelkammeröfen eingesetzt. Aufgrund der zusätzlichen mechanischen Reinigungswirkung durch die Sandpartikel kann die Reinigungszeit dabei deutlich geringer gehalten werden. Sie liegt jedoch noch immer bei ca. einer Stunde. Entfernt werden können vornehmlich organische Verschmutzungen und Beschichtungen. Schwierigkeiten bereiten Bauteile, deren Geometrie die notwendige Fluidisierung des Sandes beeinträchtigen. In der folgenden Tabelle wird das mit der Wirbelbettreinigung und dem Schwelkammerofen erreichbare Reinigungsergebnis für unterschiedliche Anwendungsfälle gegenübergestellt.

	Schwelofen	Wirbelbett	Anmerkungen zum Wirbelbett
Lackierhaken	+	+
Rohre/Hohlprofile	+	0	Sandreste im Rohr
Federstahlhaken	0	+
Gitterroste	+	+
Skids	+	0	abhängig von der Geometrie
Bleche bis 3mm	+	-	Verformung durch Sandgewicht
Radiatoren	+	-	Sand im Radiator
Förderketten	+	0	Sand zwischen den Gliedern
Extruderschnecken	0	+
Filterelemente	+	0	nur wenn Filterdurchlass >150 mm
Wannen und Behälter	+	-	schlechte Fluidisierung

+ gut geeignet, 0 eingeschränkt geeignet, - nicht geeignet

Im Allgemeinen können Bauteile aus sämtlichen Materialien gereinigt werden, die den hohen Prozesstemperaturen standhalten. Allerdings kann es durch den mechanischen Abrieb durch den Sand zu einer unerwünschten Oberflächenbeanspruchung kommen. Hier ist im Einzelfall zu entscheiden, ob dies akzeptabel ist oder nicht. Außer zum Reinigen kann die Wirbelbetttechnik auch für die folgenden Anwendungen verwendet werden:

• Reduzieren von Metalloxiden (wie z. B. Ni, Fe, Mo, Mn, W, Ca und andere)

• Kalzinieren (wie z. B. Soda, Chloride, Sulfate)

• Tempern (wie z. B. Glas, Silicate)

• Oxidieren von Metallpulvern (wie z. B. Fe, Ca)

• Pulvermetallurgie (wie z. B. keramische Produkte, Aluminate, CVD-Oberflächenbeschichtung)

• Gas/Feststoff-Reaktionen (wie z. B. Katalysatoren Produktion, Kohlenstoff-Reaktionen)

• Mischvorgänge (wie z. B. Glas, org. Pulver, Pigmente)

Umwelt- und Arbeitsschutz

Bei der Reinigung im Wirbelbett werden die zu entfernenden Verunreinigungen verdampft, vergast oder chemisch umgewandelt. Die dabei entstehenden Schwelgase müssen nachverbrannt und in einem nachgeschalteten, zumeist keramischen, Filter gereinigt werden. Die Verunreinigungen sammeln sich in Form von feinen Partikeln im Filter. Bei der Entfernung von halogenhaltigen Lacken wird zur Neutralisation der Abluft vor dem Filter Kalk eingespritzt. Dieser sammelt sich dann zusätzlich im Filter. Neben den Filtern muss auch der verwendete Quarzsand hin und wieder erneuert bzw. wieder aufbereitet werden, da auch dieser mit Verschmutzungen behaftet ist.

Der Energieverbrauch eines Wirbelbettes ist deutlich höher als der eines vergleichbaren Schwelkammerofens. Der Vorteil des Verfahrens liegt in der deutlich kürzeren Reinigungszeit.

Das Personal muss den Beschickungswagen befüllen und entleeren, wobei beim Entleeren beachtet werden muss, dass die zu entnehmenden Bauteile noch immer eine Temperatur von bis zu 400 °C haben können. Entsprechende Schutzmaßnahmen sind zu treffen.

Anlagen und Kosten

Eine einfache Wirbelbettanlage besteht aus einem mit kalibriertem Quarzsand gefüllten Behälter, dessen Bodenplatte mit Düsen durchsetzt ist, einer Nachverbrennungszone und einer keramischen Filterbatterie. Eine zusätzliche Vibrationskammer kann vorteilhaft sein, um die Bauteile nach der Reinigung von mitgeführtem Quarzsand zu befreien.

Anlagenbeispiel (Schwing AG)

Das Reinigen im Wirbelbett ist eine Alternative zum Reinigen im Schwelkammerofen. Oft ist die Geometrie der Teile ausschlaggebend, um sich für oder gegen die Verwendung einer Wirbelbettanlage zu entscheiden (vgl. Haupteinsatzgebiete). Falls die zu reinigenden Teile sowohl in der einen als auch in der anderen Anlage gereinigt werden können, müssen die Vor- und Nachteile im konkreten Fall gegeneinander abgewogen werden. So hat beispielsweise das Wirbelbett einen höheren Energieverbrauch sowie einen höheren Anlagen- und Bedienungsaufwand. Dafür geht die Reinigung inklusive der erforderlichen Nachbehandlung deutlich schneller vonstatten.

In der folgenden aus dem Artikel "Ofen oder Wirbelbett?" von R. Mol aus dem Journal für Oberflächentechnik, Nr. 4 (1997) entnommenen Tabelle werden zwei Reinigungsöfen mit einer Wirbelbettanlage in einem konkreten Anwendungsfall verglichen.

	Ofen Typ TE	Ofen Typ TKA	Wirbelbett
Kammervolumen	17 m3	44 m³ + 4 m3	11 m3
Kammerabmessungen (m)	3,5 x 2,2 x 1,9	6,5 x 2,6 x 2,4	6,4 x 1,3 x 1,3
Lackeinsatz / Charge	250 kg	250 kg + 40 kg	120 kg
Reinigungsdauer / Charge	12 h	7 h	1,5h
Gasverbrauch / Charge	230 m3	250 m3	375 m3
Gasverbrauch / m3 Einsatz	13,5 m3	5,5 m3	34 m3
Gasverbrauch / kg Lack	1 m3	1 m3	3m3
Stromverbrauch / Charge	35 kWh	30 kWh	170 kWh
max. Kammertemperatur	350 - 450 °C	350 - 450 °C	350 - 450 °C
Entnahmetemperatur	200 °C	200 - 350 °C	400 °C

Referenzen

R. Mol

Ofen oder Wirbelbett?

JOT-Journal für Oberflächentechnik, Nr. 4 (1997), 1997

www.jot-oberflaeche.de