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AUSWAHL DER RICHTIGEN FILTERPATRONEN: WAS SIE ÜBER FILTERMEDIEN UND DEREN BAUARTEN WISSEN SOLLTEN Auswahl der richtigen Filterpatronen: Was Sie über Filtermedien und deren Bauarten wissen sollten Wie im Oktober 2013 PBE erschienen, Übersetzung ins Deutsche, Copyright CSC Publishing WWW.POWDERBULK.COM Um sicherzustellen, dass Ihre Entstaubungs- anlage wie erwartet funktioniert, muss zunächst ein geeignetes Filtermedium für Ihre plissierten Filtermedien ausgewählt werden. Nach Darstellung einiger Filter- mediengrundlagen vergleicht dieser Arti- kel Leistungseigenschaften und Kosten für gebräuchliche Medienarten und beschreibt Filterbauarten, die Ihnen ermöglichen, die Filter Ihrer Aufgabenstellung anzupassen. Durch die anwendungsgerechte Auswahl eines geeigneten Filtermediums und Filter- bauart, können Sie Ihre Entstaubungsanlage effizient und energiesparend betreiben. Die Auswahl geeigneter Filterpatronen kann den Energieverbrauch des Ventilators sowie den Druckluftverbrauch für die Filterreinigung reduzieren, die Nutzungsdauer Ihrer Filterele- mente verlängern und die Gesamtbetriebsko- sten der Anlage senken. Die Auswahl eines Filters, der zu Ihren Betriebsbedingungen und Staubeigenschaf- ten passt, gestaltet sich jedoch schwierig, nicht nur aufgrund der vielen verfügbaren Medien- und Filterkonstruktionen, sondern auch aufgrund der zahlreichen Parameter, die Ihre Anwendung betreffen. Zum Beispiel die Schadstoffkonzentration, die in die Entstaubungsanlage gelangt, die Betriebs- stunden für Ihren Prozess, die Partikelgröße und -form des Staubes, und die Tatsache, ob der Staub hygroskopisch, klebrig, faserför- mig, abrasiv, korrosiv, toxisch, brennbar oder explosionsgefährlich ist. All diese Faktoren beeinflussen die Auswahl des Filtermediums. Grundlagen zu Filtermedien Bevor wir die verschiedenen Medienarten allgemein aufzeigen, betrachten wir einige Grundlagen, die Ihnen beim Vergleich der Leistungsfähigkeit und Kosten der Filtermedi- en helfen werden. Wie der Druckverlust die Nutzungsdauer des Mediums und die Energiekosten beeinflusst. Als Durchströmungswiderstand (Druckverlust) bezeichnet man den Luftstromwiderstand durch das Medium. Je höher der Druckverlust durch das Medium, desto mehr Energie (d.h. Leistung des Ventilators) ist erforderlich, um die erforderliche Luftmenge durch die Anlage zu fördern. Um einen erforderlichen Absaug- volumenstrom zur Entstaubung der Luft des Arbeitsbereiches zu erreichen, muss der Luft- strom den Anfangsdruckverlust des sauberen Mediums überwinden plus den zusätzlichen Druckverlust, der durch den Staubkuchen verursacht wird, der sich auf der Oberfläche des Filtermediums bildet. Aus diesem Grund senkt ein geringerer Druckabfall während der Nutzungsdauer des Filters die Energiekosten für den Betrieb des gesamten Entstaubungs- systems. Wie ein Filtermedium die Staub- beladung bewältigt. Es wird allgemein zwischen Tiefen- und Ober- flächenfilter unterschieden. Ein Tiefenfilter besitzt i.d.R eine größere Filterfläche (Poren), die den Staubpartikeln gestattet, tief in das Substrat des Mediums einzudringen. Da sich Partikel innerhalb des Substrats sammeln, nimmt der Druckabfall im Filtermedium konti- nuierlich zu. Um diesen zusätzlichen Druckab- fall zu überwinden und den erforderlichen Absaugvolumenstrom in der Entstaubungsan- lage aufrechtzuerhalten, muss der Ventilator eine höhere Leistung aufbringen, was den Energieverbrauch kontinuierlich erhöht, und das Filterreinigungssystem der Entstaubungs- anlage muss eine höhere Anzahl an Reini- gungszyklen ausführen. Die Reinigungszyklen sind auch weniger effektiv, da die Partikel tief im Mediumsubstrat adsorbiert sind. Die Wahl eines speichernden Filtermediums führt im Allgemeinen zu einer kürzeren Standzeit der Filterpatronen und höheren Betriebskosten in der industriellen Absaugtechnik.

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Um sicherzustellen, dass Ihre Entstaubungs-anlage wie erwartet funktioniert, muss zunächst ein geeignetes Filtermedium für Ihre plissierten Filtermedien ausgewählt werden. Nach Darstellung einiger Filter-mediengrundlagen vergleicht dieser Arti-kel Leistungseigenschaften und Kosten für gebräuchliche Medienarten und beschreibt Filterbauarten, die Ihnen ermöglichen, die Filter Ihrer Aufgabenstellung anzupassen.

Durch die anwendungsgerechte Auswahl eines geeigneten Filtermediums und Filter-bauart, können Sie Ihre Entstaubungsanlage effizient und energiesparend betreiben. Die Auswahl geeigneter Filterpatronen kann den Energieverbrauch des Ventilators sowie den Druckluftverbrauch für die Filterreinigung reduzieren, die Nutzungsdauer Ihrer Filterele-mente verlängern und die Gesamtbetriebsko-sten der Anlage senken.

Die Auswahl eines Filters, der zu Ihren Betriebsbedingungen und Staubeigenschaf-ten passt, gestaltet sich jedoch schwierig, nicht nur aufgrund der vielen verfügbaren Medien- und Filterkonstruktionen, sondern auch aufgrund der zahlreichen Parameter, die Ihre Anwendung betreffen. Zum Beispiel die Schadstoffkonzentration, die in die Entstaubungsanlage gelangt, die Betriebs-stunden für Ihren Prozess, die Partikelgröße und -form des Staubes, und die Tatsache, ob der Staub hygroskopisch, klebrig, faserför-mig, abrasiv, korrosiv, toxisch, brennbar oder explosionsgefährlich ist. All diese Faktoren beeinflussen die Auswahl des Filtermediums.

Grundlagen zu FiltermedienBevor wir die verschiedenen Medienarten allgemein aufzeigen, betrachten wir einige Grundlagen, die Ihnen beim Vergleich der Leistungsfähigkeit und Kosten der Filtermedi-en helfen werden.

Wie der Druckverlust die Nutzungsdauer des Mediums und die Energiekosten beeinflusst. Als Durchströmungswiderstand (Druckverlust) bezeichnet man den Luftstromwiderstand durch das Medium. Je höher der Druckverlust durch das Medium, desto mehr Energie (d.h. Leistung des Ventilators) ist erforderlich, um die erforderliche Luftmenge durch die Anlage zu fördern. Um einen erforderlichen Absaug-volumenstrom zur Entstaubung der Luft des Arbeitsbereiches zu erreichen, muss der Luft-strom den Anfangsdruckverlust des sauberen Mediums überwinden plus den zusätzlichen Druckverlust, der durch den Staubkuchen verursacht wird, der sich auf der Oberfläche des Filtermediums bildet. Aus diesem Grund senkt ein geringerer Druckabfall während der Nutzungsdauer des Filters die Energiekosten für den Betrieb des gesamten Entstaubungs-systems.

Wie ein Filtermedium die Staub-beladung bewältigt. Es wird allgemein zwischen Tiefen- und Ober-flächenfilter unterschieden. Ein Tiefenfilter besitzt i.d.R eine größere Filterfläche (Poren), die den Staubpartikeln gestattet, tief in das Substrat des Mediums einzudringen. Da sich Partikel innerhalb des Substrats sammeln, nimmt der Druckabfall im Filtermedium konti-nuierlich zu. Um diesen zusätzlichen Druckab-fall zu überwinden und den erforderlichen Absaugvolumenstrom in der Entstaubungsan-lage aufrechtzuerhalten, muss der Ventilator eine höhere Leistung aufbringen, was den Energieverbrauch kontinuierlich erhöht, und das Filterreinigungssystem der Entstaubungs-anlage muss eine höhere Anzahl an Reini-gungszyklen ausführen. Die Reinigungszyklen sind auch weniger effektiv, da die Partikel tief im Mediumsubstrat adsorbiert sind. Die Wahl eines speichernden Filtermediums führt im Allgemeinen zu einer kürzeren Standzeit der Filterpatronen und höheren Betriebskosten in der industriellen Absaugtechnik.

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Ein besserer Maßstab für die Effizienz eines Filtermediums, der die Leistung des Medi-ums von der Betriebseffizienz trennt, ist das Ratingsystem des Mindesteffizienz-Meldewer-ts (MERV), abgeleitet vom ASHRAE-Standard 52.2-2007: Methode zur Prüfung allgemeiner Belüftungs-Luftreinigungsvorrichtungen für die Abscheideffizienz je Partikelgröße.1 Ein MERV-Rating misst die partielle Effizienz des Mediums bei drei Partikelgrößenklassen und ordnet dann dem Medium ein Gesamtrating basierend auf den Gesamtergebnissen zu. Je höher das MERV-Rating, desto effizienter ist das Medium bei der Entfernung von Partikeln in kleinen Größenklassen. Ein Medium mit einem MERV-Rating von 9 ist zum Beispiel für Partikel mit 0,3 bis 1,0 Mikrometer ineffektiv, scheidet weniger als 50 Prozent der Partikel von 1 bis 3 Mikrometer und mindestens 85 Prozent der Partikel zwischen 3 und 10 Mikro-meter ab, während ein Medium mit MERV 16 mindestens 95 Prozent in allen Größenklassen filtert.

Wie ein Medium durch Betriebs-bedingungen beeinflusst wird. Für die Auswahl eines Mediums berücksichti-gen Sie seine Fähigkeit, einer großen Auswahl an Betriebsbedingungen standzuhalten, die die Filtereffizienz senken oder die Nutzungs-dauer des Filters verkürzen können. Diese Betriebsbedingungen umfassen z.B. eine hohe Luftstromtemperatur, Feuchtigkeit oder Öl in den zu filternden Partikeln, Kondensati-on aus feuchtigkeitsbeladenen Luftströmen, die Auswirkung von abrasiven Partikeln auf die Filteroberfläche, häufige Filterreinigungs-zyklen und viele weitere.

Wie Mediumkosten bewertet werden können. Bewerten Sie die Kosten hinsichtlich der Lebenszykluskosten Ihres Filters, sprich: als Kombination aus den Anschaffungskosten des Filters, den Kosten für Wartungsarbeiten und die Stillstandzeiten beim Filterwechsel

Ein Oberflächenfilter besitzt eine Schicht oder Barriere auf seiner Oberfläche, die Staubpar-tikel daran hindert, in das Mediumsubstrat einzudringen. Da die Partikel auf der Ober-fläche des Mediums angelagert werden, ist der Energieverbrauch infolge des geringeren Druckabfalls niedriger. Ein Oberflächenfil-ter ermöglicht dem Reinigungssystem, die gesammelten Partikel effektiver vom Medium mit weniger Reinigungszyklen und somit mit weniger Druckluft zu reinigen. Der geringere Druckabfall und die verbesserten Reinigungs-eigenschaften eines Oberflächenfilters führen i.d.R zu einer längeren Standzeit der Filterele-mente und geringeren Ersatzteilkosten als beiTiefenfiltern.

Wie die Abscheideleistung des Filtermediums gemessen wird.Die Abscheideleistung (Filtereffizienz) des Filtermediums ist ein Maßstab dafür, wieviel Staub aus der Luft entfernt wird, während staubbeladende Luft es durchströmt. Diese einfache Leistungsangabe kann in vielerlei Weise dargestellt werden, am häufigsten als „Fraktionsabscheidegrad“, also die Anzahl an entfernten Staubpartikeln in Abhängigkeit der Partikelgröße, und als „Gesamtabscheide-grad“, also die Gesamtmasse an entfernten Staubpartikeln. Beide Methoden können nützlich sein, wenn die Effizienz des Mediums für Ihre Anwendung betrachtet wird.

Abscheidegrade werden manchmal fälsch-licherweise als höher dargestellt (z.B. „99,9+Prozent“), als das Medium allein errei-chen kann. Diese höheren Werte bezeichnen jedoch wahrscheinlich den Gesamtabscheide-grad des Filters, während die Entstaubungs-anlage in Betrieb ist. Diese „Betriebseffizienz“ beinhaltet den Effizienzvorteil, der entsteht, wenn sich Staubpartikel auf der Medieno-berfläche anlagern. Bedenken Sie, dass das ausschließliche Betrachten der „Betriebseffi-zienz“ möglicherweise keinen zutreffenden Maßstab dafür liefert, wie gut das Medium Ihren Anforderungen entspricht.

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Auswahl der richtigen Filterpatronen: Was Sie über Filtermedien und deren Bauarten wissen sollten

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plus sowohl den Energiekosten des Ventila-tors als auch für die Filterreinigungsdruck-luft während der Nutzungsdauer des Filters. Durch Betrachtung all dieser Kostenkompo-nenten erhalten Sie ein vollständigeres Bild des tatsächlichen Nutzens des Mediums.

Gebräuchliche Medienarten für plissierte FilterelementeNutzen Sie die folgenden Informationen über die am häufigsten gebrauchten Patro-nenfilter-Medienarten und ihre Leistungs-eigenschaften, um bei der Auswahl Ihrer Medienoptionen zu helfen. Tabelle I führt das MERV-Rating jeder Art an, zusammen mit den entsprechenden Leistungseigenschaften des Mediums (einschließlich Abreinigungsei-genschaften, Lebensdauer und Druckverlust) und Anschaffungs- sowie Lebenszykluskosten. Abbildung 1 liefert eine vergrößerte Darstel-lung jedes Mediums.

Zellulose und Zellulose-Mischung

Diese tiefenfiltrierenden Medien sind aus 100 Prozent Zellulose oder einer Mischung

aus Zellulose mit zumeist Polyester verfügbar (Abbildung 1a). Sie haben ein geringes Rating hinsichtlich Abscheidegrad (MERV 8 bis 10). Beide Arten – vor allem das Medium aus 100 Prozent Zellulose – haben eine geringe Abriebs- und Feuchtigkeitsbeständigkeit. Sie werden normalerweise in kostengünstigen Gebrauchsfiltern mit kurzer Lebensdauer verwendet, was zu relativ hohen Lebenszy-kluskosten führt.

Spinnvlies-Polyester

Dieses tiefenfiltrierende rein synthetische Medium (Abbildung 1b) besteht aus 100 Prozent Polyester. Es hat bessere Staubfreiset-zungseigenschaften als die Zellulosemedien und ein durchschnittliches MERV-Rating (von zwischen 10 bis 11). Obwohl es die gleichen vergleichbaren geringen Standzeiten wie Zellulosemedien hat, ist Spinnvlies-Polyester das am häufigsten verwendete Medium in Entstaubungsanlagen, da es stabil, abrieb- und feuchtigkeitsbeständig ist. Das Medium hat relativ hohe Anschaffungs-, jedoch mode-rate Lebenszykluskosten.

MERV-Ratings, Leistungseigenschaften und relative Kosten für gebräuchliche Patronenfilter-Medien

Leistungseigenschaften

Medium MERV-RatingStaubfrei- setzungs-

eigenschaften

Beständig- keit

Druck- verlust

Relative Kosten

Anschaffung Lebenszyklus

Zellulose- Mischungen

8 bis 10 schlecht schlecht sehr hoch niedrig hoch

Spinnvlies-Polyester

10 bis 11durch-

schnittlichgut hoch hoch gemäßigt

Nanofaser 13 bis 15 exzellent gut gering gemäßigt niedrig

ePTFE 16 exzellent gut gering sehr hoch gemäßigt

Tabelle 1

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Nanofaser

Dieses Oberflächenfiltermedium (Abbildung 1c) besteht aus einer ultradünnen (0,07 bis 0,15 Mikrometer) Schicht von synthetischen Nanofasern, die auf ein Substrat aufgebracht sind. Die Nanofaserschicht funktioniert wie ein Netz und verhindert, dass Submikron-Partikel in das Substrat gelangen. Es verleiht somit diesem Medium exzellente Staubfreiset-zungseigenschaften und ein höheres MERV-Rating (von 13 bis 15). Die Beständigkeit des Mediums hängt vom Substratmaterial ab, das entweder aus Zellulose oder Polyester bestehen kann. Die Anschaffungskosten des Nanofasermediums liegen zwischen denen für Zellulose- und Spinnvlies-Polyester-Medi-en, seine höhere Leistung und die gemä-ßigten moderaten Lebenszykluskosten sorgen jedoch für einen guten und ausgewogenen Leistung-zu-Kosten-Vergleich.

ePTFE-Membran

Ein weiteres Oberflächenfiltermedium ist das Polytetrafluorethylen-(ePTFE)-Membran-Medium, das aus einer ePTFE-Membran besteht, die über ein Spinnvlies-Polyester-Substrat gespannt ist. (PTFE ist auch als Teflon bekannt). Ebenso wie die Nanofa-serschicht auf einem Nanofaser-Medium, schützt die ePTFE-Membran (Abbildung 1d) das Substrat, sodass Partikel sich darin nicht einlagern können. Das Medium hat ein sehr hohes Effizienzrating (MERV 16) und ist stark abrieb- und feuchtigkeitsbeständig. Da ePTFE-Membran-Filter höhere Anschaffungskosten als die Filter aus anderen Materialien haben, wird ein ePTFE-Membran-Medium normaler-weise nur verwendet, wenn die Anwendung dies erforderlich macht.

Gebräuchliche Filter- konstruktionenSobald Sie das Medium für Ihre Entstaubungs-anlage ausgewählt haben, müssen Sie die

Filtermedien

(Abbildung 1, Ansicht vergrößert)

1a Zellulose und Zellulose-Mischung

1b Spinnvlies-Polyester

1c Nanofaser

1d ePTFE-Membran

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Filterkonstruktion wählen, die dafür sorgt, dass Ihre Filter die Staub- und Prozessbedin-gungen erfüllen. Die folgenden Informati-onen beschreiben die gängigsten Optionen und wie sie die Leistung des Filters beeinflus-sen.

Faltenabstand

Der Abstand (oder Luftspalt) zwischen angrenzenden Filterfalten wird Faltenabstand genannt. Da synthetische Medien relativ starr sind, erzeugen Sie größere Faltenabstände als flexiblere, auf Zellulose basierende Medi-en. Je geringer der Faltenabstand ist, desto schwieriger ist es, den Staub während der Filterreinigung freizusetzen, weshalb ein größerer Faltenabstand für die Handhabung unregelmäßig geformter Staubpartikel und agglomerierten Staub gut ist. Ein größerer Faltenabstand reduziert jedoch die Gesamt-fläche des Mediums und schränkt somit die Luftdurchlässigkeit des Filters ein, was wiede-rum den Druckverlust erhöht.

Faltentiefe

Wie tief eine Filterfalte von ihrer außenlie-genden Falte (die Spitze) bis zu ihrer innen-liegenden Falte ist, wird Faltentiefe genannt. Hält man die anderen Filtereigenschaften gleich, setzt eine geringe Faltentiefe Staub effektiver frei als eine größere. Jedoch müssen Faltentiefe und Faltenabstand ausge-wogen sein, da der Faltenabstand umso klei-ner wird, je tiefer die Falte ist. Analog zum größeren Faltenabstand reduziert eine gerin-gere Faltentiefe die Gesamtfläche des Medi-ums, senkt somit die Luftdurchlässigkeit des Filters und erhöht den Druckverlust.

Außenhülle

Die meisten Patronenfilter weisen standard-mäßig eine Streckmetall-Außenhülle (oder Lochblech-Außenhülle) auf, um das plissierte Medium vor Abrieb und sonstigem Schaden

zu schützen. Für eine Anwendung, die faser-förmige, große Staubpartikel oder agglome-rierende Staubpartikel handhabt, sorgt die Wahl von Filtern ohne diese Hülle für eine effektivere Staubfreisetzung während der Filterreinigung.

Flammenhemmende Behandlung

Bei einer Anwendung, die brennbaren Staub sammelt, kann das Filtermedium mit einer flammenhemmenden Chemikalie behandelt werden, um eine Entzündung des Mediums zu verhindern. Auch wenn der Staubkuchen auf dem Filter immer noch brennbar ist, unterstützt die flammenhemmende Behand-lung die Kontrolle eines Filterbrandes, sollte er auftreten.

Hydro-oleophobe Behandlung

Das Filtermedium kann mit einem hydro-oleo-phoben Polymer behandelt werden, wenn die Anwendung Staub aus einem feuchten oder öligen Luftstrom sammelt. Diese Behandlung hemmt die Absorption von Feuchtigkeit und Öl durch das Medium.

Hochtemperatur-Ausführung

Bei einer Anwendung, die einen Hochtem-peratur-Luftstrom behandelt, müssen die Baumaterialien des Filters möglicherweise geändert werden. In diesem Fall kann der Filter nicht nur hitzebeständige Medien sondern auch hitzebeständige Dichtungen, Hüllen, Kleber oder Vergussmasse benötigen.

Antistatische Optionen

Eine Anwendung, die statisch aufgeladene Staubpartikel behandelt, können elektrosta-tische Kräfte zwischen Partikeln und Fasern des Filtermediums wirken und die Staubfrei-setzung während der Filterreinigung verhin-dern. Die Verwendung eines antistatischen, geerdeten Mediums (zum Beispiel imprä-gniert mit Kohle- oder leitfähigen Fasern) oder eines Filterkorbes mit einem Erdungska-

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bel können helfen, die elektrostatische Aufla-dung abzuleiten, um die Staubfreisetzung zu unterstützen.

Zusammenarbeit mit dem HerstellerIhr Filter- oder Entstaubungsanlagen-Herstel-ler kann Ihnen bei der Auswahl angesichts der breiten Palette an verfügbaren Filter-medientypen und deren konstruktiven Optionen helfen. Arbeiten Sie eng mit dem Hersteller zusammen, um die verfügbaren Typen bezüglich Ihrer Anwendungsan-forderungen zu überprüfen. Basierend auf jahrelanger Erfahrung mit hunderten von Entstaubungsanlagen, kann der Hersteller Ihre Anwendungsinformationen nutzen, um sicherzustellen, dass die Filtermedien und Filteranlagen, die Sie wählen, Ihren Betriebs-bedingungen und Staubeigenschaften entsprechen.

Zudem kann der Hersteller Ihnen bei der Auswahl der Filtermedien/-patronen, die Ihre individuellen Leistungserwartungen erfüllen, helfen, egal ob für eine Optimie-rung der Filterpatronen-Standzeit oder für eine Senkung Ihrer Betriebskosten hinsichtlich Energieverbrauch bei Ventilator und Druck-luft. PBE

Referenz

1. Weitere Informationen finden Sie in „Filtra-tion updaten: What MERV ratings mean“,Powder and Bulk Engineering, Oktober 2007,Seite 37

Literaturhinweise

Weitere Informationen zu Patronenfiltern und Filtermedien finden Sie in Artikeln, die unter „Dust collection an dust control” im Artikelindex von Powder and Bulk Enginee-ring zu finden sind (in der Ausgabe vom Dezember 2012 und auf der Website von PBE, www.powderbulk.com) und in Büchern, die auf der Website der PBE- Buchhandlung verfügbar sind. Kopien früherer PBE-Artikel sind unter www.powderbulk.com erhältlich.

Autoren:

Travis Haynam ist der Leiter der Abteilung Geschäftsentwicklung bei United Air Specia-lists, 4440 Creek Road, Cincinnati, OH 45242; 800-252-4647 oder 513-354-8714 ([email protected], www.uasinc.com). Er hat einenHochschulabschluss (BS) in Maschinenbau undeinen MBA, beide von der Universität vonCincinnati.

Joe Topmiller (513-354-8714, [email protected]) ist leitender Anwendungstechniker beim Unternehmen und besitzt einen Hoch-schulabschluss (BS) in Chemieingenieurwesen von der Universität von Kentucky, in Lexing-ton.