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Schwerpunktthemen
66 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 30 (2016) Nr. 2
1. Einführung
Die magnetische Abscheidung ferro-
magnetischer Stoffe, wie z. B. Eisen,
Kobalt, Nickel, sowie ferrimagnetischer
Stoffe, wie z. B. Magnetit (Fe3O4), wird
in der Aufbereitungs- und Umwelt-
technik seit Jahren angewendet /1, 2/. In
der Biotechnologie steht die Wertstoff-
gewinnung aus Fermenta tionsbrühen mit
magnetischen Partikeln, den sogenannten
„Magnetic Micro-Beads“, und die magnet-
aktivierte Zellsortierung im Vorder grund.
Im ersten Fall werden Wertstoffe an den
modifi zierten Oberfl ächen der „Magnetic
Micro-Beads“ selektiv adsorbiert und
danach werden die „Micro Beads“ mit
Magnetabscheidern abgetrennt (siehe z. B.
/3/). Im zweiten Fall werden magnetische
Partikeln mit Antikörpern an die entspre-
chenden Zellen angebunden und aufgrund
der magnetischen Kraftwirkung entfernt
/4/. In /5-7/ wird über die Kombination der
magnet-aktivierten Zellseparation und der
direkten Epifl uoreszenz-Filter-Technik
(DEFT) zum schnellen Biomonitoring
von schädlichen Keimen in komplexen
biologischen Stoffsystemen berichtet.
Die „Micro-Beats“ weisen in der Regel
paramagnetische Eigenschaften auf, so
dass mit Entfernen des Magnetfeldes die
Magnetwirkung auf die Zellen verschwin-
det.
Zunehmend werden magnetische Kräfte
auch zur Abscheidung feinster Partikel
aus viskosen Flüssigkeiten genutzt /8-10/.
Dabei steht der Einsatz auch in Verbindung
mit der Partikelabscheidung aus Schmier-
und Hydraulikölen. Diese ist für die Be -
triebssicherheit und Verfügbarkeit der
Maschinen und Anlagen von entscheiden-
der Bedeutung. Daher muss der Gehalt
an Partikeln in den Ölen laufend redu-
ziert werden, um auf diese Weise die
Lebensdauer der Maschinen und Anlagen
zu erhöhen /11/. Hierzu werden üblicher-
weise Tiefenfi lter eingesetzt. Sie wirken
als Speicherfi lter, d. h. die abgeschiedenen
Partikeln sammeln sich in der Filtermatrix.
Infolge dessen steigt der Druckabfall an,
so dass ein Austausch der Filter nach
einer bestimmten Betriebsdauer notwen-
dig wird.
Zur Ölpfl ege wird zunehmend auch
die magnetische Separation interessant,
da festgestellt wurde, dass neben mag-
netischem Abrieb auch daran anhaftende
nicht magnetische Verschmutzungen des
Öls mit abgeschieden werden. Außerdem
können mit Magnetseparatoren große
Strömungsquerschnitte realisiert werden,
was mit einem geringen Druckabfall ver-
bunden ist. In einem früheren Beitrag /12/
wurde gezeigt, dass ein Magnetabscheider
die Tiefenfi ltration oft nicht ersetzten
kann, dass jedoch die Standzeit der dazu
genutzten Filter ele mente damit wesentlich
verlängert werden kann.
2. Wirkprinzip der untersuchten
Magnetabscheider und
theoretische Grundlagen
Bei den untersuchten Magnet abschei-
dern werden die magnetisierbaren Partikeln
durch ein inhomogenes Magnetfeld gelei-
tet, das mittels Permanentmagneten erzeugt
wird. Die Partikeln werden dabei nach
dem Prinzip der Querstromtrennung abge-
schieden (Abb. 1), d. h. die Partikeln wer-
den aufgrund der wirkenden magnetischen
Kraft quer zur Hauptströmungsrichtung
der Suspension abgelenkt. Das Magnetfeld
wirkt in einem offenen Strömungskanal,
sodass es sich um einen „Offen-Gradienten
Magnetseparator (OGMS)“ handelt, im
Gegensatz zu einem „Hochgradienten-
Magnetseparator (HGMS)“, bei dem der
Strömungskanal mit einer magnetisier-
baren Abscheidematrix, meist in Form
feiner Drähte, ausgefüllt ist. Bei dem
entwickelten OGMS werden die Magnete
außerhalb des Strömungskanals in einer
Ebene platziert. Zur Erzeugung großer
Gradienten der Magnetfeldstärke werden
die Magnete im gegenseitigen Wechsel
der Pole angeordnet.
Bei einer magnetisierbaren Partikel bil-
det sich in einem Magnetfeld ein mag-
netischer Dipol aus, aufgrund dessen die
Partikel im Magnetfeld ausgerichtet wird.
In einem inhomogenen Magnetfeld wir-
ken an den Polen dieses Dipols unter-
schiedlich große Kräfte, so dass auch eine
magnetische Kraft FM in Richtung größe-
rer oder kleinerer Feldstärken wirkt. Die
Inhomogenität des Magnetfeldes ist aus-
schlaggebend für die Partikelabscheidung
im Magnetfeld. Befi ndet sich die Partikel
in einem Fluid, muss außer der volumen-
bezogene Suszeptibilität der Partikel κP
auch die volumenbezogene Suszeptibilität
des Fluides κf berücksichtigt werden. Für
die magnetische Kraft gilt:
(1)
μ0 ist die magnetische Feldkonstante im
Vakuum.
Die Suszeptibilität vieler Flüssigkeiten
(z. B. Wasser) ist so gering, dass sie ver-
nachlässigt werden kann, so dass man in
diesem Fall auch schreiben kann:
(2)
In einer Suspension wirken darüber hin-
aus auf eine Partikel auch die Magnetfelder,
welche sich aufgrund der Magnetisierung
der umgebenden Partikeln ausbildet. Sie
beeinfl ussen die Wechselwirkungen zwi-
schen den Partikeln und zusätzlich auch
das in einer Partikel wirkende Magnetfeld
/2/. Allerdings gilt Gl. (2) nur, wenn von
vereinzelt in der Suspension vorliegenden
Partikeln ausgegangen werden kann.
Die Suszeptibilität der Partikel κP
wird von der Suszeptibilität des Partikel-
materials κM und infolge ihrer Magneti-
sierung und dem sich dadurch ergebenden
inneren Magnetfeld auch durch die Par ti-
kel form beeinfl usst. Diese Schwächung des
äußeren Magnetfeldes im Inneren einer
Partikel wird mit dem Entmagnetisie-
Magnetische Separation feinster Partikeln aus Flüssigkeiten A. Vetter, S. Ripperger, S. Antonyuk*
Die magnetische Separation zur Abscheidung feinster Partikeln aus Flüssigkeiten wird oft im Zusammenhang mit der
Pfl ege von Schmier- und Hydraulikölen diskutiert. Heute werden hierzu vorwiegend Tiefenfi lter eingesetzt. Weitere
Anwendungen magnetischer Abscheider sind in Verbindung mit oberfl ächenmodifi zierten magnetischen Partikeln
(sogenannte „Magnetic Micro-Beads“) in der Biotechnologie möglich. Man nutzt dort die spezifi sche Anlagerung von
Substanzen oder Zellen an den Oberfl ächen zur Wertstoffgewinnung aus Fermentationsbrühen oder zur magnet-
aktivierten Zellsortierung. Im folgenden Beitrag wird über ein neues Konzept eines Magnetabscheiders berichtet, der im
Hinblick auf Anwendungen zur Ölpfl ege getestet wurde.
* Dipl.-Ing. (FH) Alexandra Vetter Prof. Dr.-Ing. Siegfried RippergerProf. Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk
TU Kaiserslautern Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
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Schwerpunktthemen
F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 30 (2016) Nr. 2 67
rungs faktor E berücksichtigt. Es gilt:
(3)
Anhand der Suszeptibilität des Partikel-
materials κM und der sich daraus ergeben-
den Permeabilitätszahl μM, für die gilt:
(4)
wird eine Unterteilung in paramagneti-
sche, ferromagnetische und diamagneti-
sche Stoffe vorgenommen. Es gilt:
κM > 0 bzw. μM > 1
Paramagnetika: Sie werden durch ein
äußeres Magnetfeld magnetisiert; das
Magnetfeld wird in ihrem Inneren pro-
portional zum äußeren Magnetfeld ver-
stärkt; paramagnetische Partikeln wandern
in Luft und Wasser in Richtung größerer
Magnetfeldstärken.
κM < 0 bzw. μM <1
Diamagnetika: Sie werden durch ein äuße-
res Magnetfeld magnetisiert, jedoch wird
das Magnetfeld in ihrem Inneren pro-
portional zum äußeren Magnetfeld abge-
schwächt; diamagnetische Partikel wan-
dern in Luft und Wasser entgegen der
Richtung größerer Magnetfeldstärken.
κM > 0 bzw. μM > 1
Ferromagnetika: Sie besitzen meist,
entsprechend ihrer Vorgeschichte eine
Magnetisierung, die jedoch durch ein
äußeres Magnetfeld stark verstärkt wer-
den kann; die Magnetisierung und die
Polarisation steigt nicht über den ganzen
Bereich proportional mit der Feldstärke
an, sondern bei großen Feldstärken strebt
sie einem Maximalwert zu, so dass gilt:
κP = f (H))
Geht man von dem in Abb. 1 darge-
stellten Fall aus, bei dem die Abschei-
dung der Partikel senkrecht zur Flüssig-
keitsströmung erfolgt, so erkennt man
anhand der Gleichungen 1 und 2, dass
die magnetische Kraftwirkung auf eine
Partikel von der Feldstärke H, der Inhomo-
genität der Feldstärke und dem Partikel-
volumen abhängt. Werden para- oder
ferro magnetische Partikeln angenommen,
wirken bei einer Anordnung entsprechend
Abb. 1 senkrecht zur Strömung nach unten
die Magnetkraft und die Gewichtskraft.
Diesen Kräften wirken bei einer sich frei
bewegenden Partikel die Widerstandskraft
und die Auftriebskraft auf der gleichen
Wirklinie entgegen. Bei kleinen kugel-
förmigen Partikeln kann eine laminare Um -
strömung angenommen werden, so dass für
die Widerstandskraft, die der Aus lenkung
entgegen wirkt, gilt:
(5)
Im Fall kleiner Partikeln sind die
Gewichts- und Auftriebskraft im Ver-
gleich zur magnetischen Kraft FM und der
Widerstandskraft Fw so gering, dass man
P A C O GruppeÄsthetik der PräzisionSchönheit kann manchmal unsichtbar sein. Wenn ein technischer Prozess in einem Behälter perfekt abläuft, weil alle Komponenten und Funktionen zu einer optimalen Qualität des Prozesses insgesamt führen, dann ist das Ästhetik in Perfektion. Hier wird Beides sichtbar.
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Abb. 1: Wirkprinzip der Querstromtrennung im Magnetfeld
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sie vernachlässigen kann, so dass nähe-
rungsweise gilt:
(6)
Mit Gleichung 2 und 5 erhält man daraus
für ein kugelförmiges para- oder ferromag-
netisches Partikel für die Geschwindigkeit
der Ablenkung in Richtung zur höheren
Magnetfeldstärke:
(7)
Wie bereits ausgeführt, ist der Gradient
der Magnetfeldstärke im Strö mungskanal
des entwickelten Magnetabscheiders nicht
konstant, so dass sich die Ablenkungs-
geschwindigkeit und die magnetische
Kraft wirkung auf eine Partikel im Strö-
mungs kanal im Laufe ihrer Bewegung ver-
ändern. Im Fall von Permanentmagneten
sind die örtlichen Veränderungen im
Strömungskanal u. a. von der Art und
Anordnung der Magnete abhängig. Eine
Partikel gilt als abgeschieden, wenn es
aus der Strömung entfernt wurde und an
der Wand des Strömungskanals oder an
einem Blech haftet. Der Abscheidegrad
η ist das Verhältnis der Menge an abge-
schiedenen Partikeln zur Gesamtmenge an
Partikeln, die in den Abscheider einströ-
men. Beschreibt man die Gesamtmenge
der Partikel im Zulauf des Abscheiders mit
der Konzentration czu und die austretenden
Menge mit cab so erhält man:
(8)
D ist der Durchgang, d. h. der Par-
tikelanteil, der nicht abgeschieden wird.
Die Ablenkung Δz, bzw. die zurückge-
legte Wegstrecke in z-Richtung (Abb. 1),
die eine Partikeln beim Durchströmen des
Strömungskanals zurücklegt, ist von der
Verweilzeit tv der Partikel im Magnetfeld
abhängig. Es gilt:
(9)
Entsprechend Abb. 1 gilt eine Partikel
(in Analogie zu einem querdurchström-
ten Sedimentationsbecken) als abgeschie-
den, wenn sie innerhalb der Verweilzeit
die Wand mit den Magneten erreicht.
Dem nach wird die Partikelabscheidung
auch wesentlich von der Verweilzeit
der Partikel im Magnetfeld beeinfl usst.
Nimmt man an, dass die Partikeln sich
in Richtung der Hauptströmung (x-Rich-
tung) mit der Flüssigkeit bewegen, und
die Querschnittsfl äche Aq über die Länge L
des Strömungskanals konstant ist, so kann
man für die Verweilzeit auch schreiben:
(10) ·V ist der durch das freie Volumen des
Strömungskanals VKanal durchgesetzte Vo -
lumenstrom.
3. Der entwickelte
Magnetabscheider
Der entwickelte Magnetabscheider
entspricht im prinzipiellen Aufbau dem
Schema in Abb. 1. Er besteht aus einer
Ober- und Unterplatte aus Edelstahl sowie
einer Zwischeneinlage als Abstandshalter,
wodurch der rechteckige Strömungskanal
gebildet wird (Abb. 2).
An der Ober- und Unterseite des
Strömungskanals wurden zusätzlich zwei
Lochbleche aus magnetisierbarem Stahl
angeordnet. Abgeschiedene Partikeln wer-
den durch die Strömung in deren Löcher
gefördert und aus dem eigentlichen
Strömungskanal entfernt. Gleichzeitig
verzerren die Lochbleche das Magnetfeld
wodurch zusätzliche Gradienten erzeugt
werden, welche sich positiv auf die
Partikelabscheidung auswirken. Sind
die Löcher der Lochbleche weitgehend
mit Partikeln gefüllt, können diese durch
Wechseln der Lochbleche einfach aus dem
Abscheider entfernt werden.
Bei dem im Folgenden untersuchten
Abscheider wurde eine freie Höhe des
Strömungskanals von 3 mm eingestellt.
Die Breite des Strömungskanals betrug 40
mm, die Kanallänge 600 mm. Es werden
Strontium-Ferrit-Magnete (SrFe-Magnete,
100 mm x 100 mm x 25 mm) verwendet.
Die Magnete können auf der Oberplatte,
der Unterplatte oder auf beiden platziert
werden. Aufgrund der Lochbleche zeich-
net sich der Magnetabscheider durch eine
große Feststoffaufnahmekapazität aus.
Versuche wurden bis zu einer spezifi -
schen Feststoffaufnahme von ca. 300 mg/
cm2 Lochblechfl äche durchgeführt. Dabei
wurde ein Druckverlust von 0,2 bar bei
einer Durchströmungsgeschwindigkeit
von 0,18 m/s nicht überschritten.
Mit diesen Werten kann ein solcher
Magnetabscheider einen nachgeschalte-
ten Tiefenfi lter wirksam entlasten und
seine Standzeit wesentlich erhöhen. Erste
Ergebnisse mit dem Abscheider wurden
bereits in /13/ beschrieben.
- Versuchsdurchführung
Das Fließschema der Versuchsanlage
zur Untersuchung der Partikelabscheidung
mit dem neuen Magnetabscheider ist in
Abb. 3 dargestellt.
Bei den Versuchen wurde der
Abscheider mit dem FVA 3 - Referenzöl,
dem Magnetit-Partikeln zugesetzt wur-
den, betrieben. Bei dem Referenzöl
handelt es sich um ein Mineralöl, das
als Getriebeöl eingesetzt werden
kann und dem kein Additiv zugesetzt
wurde. Es ist im Referenzölkatalog /14/
näher beschrieben. Die Versuche wur-
den standardmäßig bei 40°C durchge-
führt. Die kinematische Viskosität des
Öls liegt bei dieser Temperatur bei ca.
90 mm2/s. Die Dichte des Öls bei 40 °C
beträgt 860 kg/m3.
Als Partikelsystem wurde Magnetit der
Fa. Alroko mit der Typbezeichnung M40
LST verwendet. Es besitzt eine Dichte
von 5500 kg/m3 und eine monomoda-
le Partikelgrößenverteilung mit einem
Modalwert bei ca. 4 μm und einer Breite
von ca. 1 bis 60 μm. Die Partikeln haben
Abb. 2: Schematischer Aufbau des Offen-Gradienten-Magnetseparators
Abb. 3: Fließschema der Versuchsanlage zur Bestimmung von Partikel-Abscheidgraden
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eine unregelmäßige Form. Die spezifi sche Magnetisierung beträgt
92 Am2/kg.
Zur Partikelanalyse wurde der Einzelpartikelzähler Abacus
Mobil Fluid Oil der Fa. Klotz verwendet. Das Gerät hat 16
Messkanäle und erfasst Partikelgrößen im Bereich von 0,9 μm bis
200 μm. Kalibriert wurde das Gerät vom Hersteller nach ISO 11171
/16/ mit ISO MTD (Medium Test Dust) in einem Messbereich von
4 μm - 100 μm. Die maximal mögliche Partikelkonzentration liegt
bei 90.000 P/ml.
Die folgenden Versuche wurden im Singlepass-Modus mit einem
Volumen strom von 80 L/h durchgeführt. Die Partikelkonzentration
in der Suspension betrug 12,5 mg/L. Es wurde ein Suspen-
sionsvolumen von 8 Liter vorgelegt.
- Versuchsergebnisse
Zur Untersuchung des Einfl usses des Abstandes zwischen
den Magneten wurden Versuche ohne Lochbleche durchgeführt.
Zwischen den einseitig aufgelegten sechs SrFe-Magneten wur-
den Kunststoffquader aus PVC mit unterschiedlicher Breite (0,5
cm, 1,0 cm, 1,5 cm) positioniert. In Abb. 4 sind die gemessenen
Ab scheidegrade dargestellt. Partikeln von ca. 1 μm werden in
allen Fällen nur zu ca. 3 % abgeschieden. Partikeln von 5 μm
Durchmesser werden demnach nicht abgeschieden. Dabei muss
jedoch berücksichtigt werden, das die ermittelten Fraktions-
abscheidegrade
a) aufgrund der Abscheidung von Partikeln im Strömungskanal,
und
b) auch aufgrund einer Agglomeration beeinfl usst werden. Infolge
der Magne tisierung und Ausrichtung der Partikel können sie
sich gegenseitig anziehen und agglomerieren. Agglomerate
werden als eine Partikel detektiert. Dadurch werden z. B. kleine
Partikeln in Agglomeraten in eine größere Partikelklasse „ver-
schoben“.
Wie in der Literatur beschrieben, wird mit zunehmendem Ab stand
zwischen den Magneten die Abscheidung verschlechtert /15/.
In einem weiteren Versuch wurden an den Abscheidefl ächen
die magnetisierbaren Lochbleche (Rv 1,5-3) angebracht und
die Versuche unter gleichen Versuchsbedingungen wiederholt.
In Abb. 5 sind die damit ermittelten Abscheidegradkurven auf-
getragen. In diesem Fall wurde mit einem Abstand von 1 cm
zwischen den Magneten der Abscheidegrad deutlich verbessert.
Generell wirkt sich ein magnetisierbares Lochblech günstig auf die
Partikelabscheidung aus.
Aufgrund der Magnetisierung der Lochbleche treten an den
Kanten der Löcher Gradienten der Magnetfeldstärke auf, wodurch
die Partikelabscheidung beeinfl usst wird. Durch die unterschied-
lichen Abstände der Magneten zueinander verändern sich die
Feldlinien an den Lochkanten, so dass in diesem Fall bei einem
Abstand zwischen den Magneten von 1 cm die besten Ergebnisse
erzielt werden.
In weiteren Versuchen wurden zusätzlich zu den Lochblechen
(Rv 1,5-3) nicht-magnetisierbare Strömungsmanipulatoren in den
Strömungskanal eingebaut. Mehrere Arten von solchen Mani-
pulatoren wurden immer in Kombination mit dem Lochblech
Rv 1,5-3 untersucht. Alle hatten eine offene Struktur, um den
Druckverlust im Strömungskanal möglichst gering zu halten. In
Abb. 6 ist ein solcher nicht-magnetisierbarer Strömungs mani pu-
lator dargestellt.
Der in Abb. 6 dargestellte Strömungsmanipulator Enka-
Spacer 5006 wurde in zwei verschiedenen Ausrichtungen getes-
Abb. 4: Fraktionsabscheidegrade von Magnetit M40 LST bei verschie-de nen Abständen zwischen den Magneten; Ausführung ohne Lochblech
Abb. 5: Fraktionsabscheidegrade von Magnetit M40 LST bei ver-schiedenen Abständen zwischen den Magneten; Ausführung mit Lochblech Rv 1,5-3
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tet. Zum einen derart, dass die Berge
und Täler der wellenförmigen Struktur
in Strömungsrichtung verlaufen (nachfol-
gend gerade genannt) und zum anderen,
dass sie quer dazu verlaufen (nachfolgend
schräg genannt). Die damit ermittelten
Fraktionsabscheidegrade sind in Abb. 7 dar-
gestellt. Wie man in Abb. 7 erkennen kann,
konnte mit den Strömungsmanipulatoren
die Partikelabscheidung gegenüber einem
Betrieb nur mit Lochblechen (Magnet-
abstand 0 cm) nochmals verbessert wer-
den. Mit dem in Abb. 6 dargestellten Strö -
mungs manipulator „Enka-Spacer 5006“
wurden in schräger Anordnung die bes-
ten Abscheidegrade erzielt. Da der Strö-
mungs kanal teilweise durch den Mani-
pulator verengt wird, steigt der Druck-
verlust beim Durchströmen des Strö-
mungskanals an. Die mit den unter-
schiedlichen Manipulatoren gemessenen
Druckverluste im Singlepass-Versuch sind
in Tabelle 1 aufgeführt. Man erkennt, dass
der Manipulator Enka-Spacer 5006 den
Druckverlust im Hinblick auf eine prakti-
sche Anwendung geringfügig erhöht.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Partikel-
abscheidung des Abscheiders sowohl
durch den Einbau der magnetisierbaren
Loch bleche als auch durch die nicht-ma-
gnetisierbaren Strömungs manipulatoren
verbessert werden kann.
4. Partikelabscheidung innerhalb eines Getriebegehäuses
Auf Basis der zuvor beschriebenen
Ergebnisse wurde untersucht, ob das
Konzept der Abscheidung magnetisierba-
rer Partikeln auch innerhalb eines Getriebe-
gehäuses genutzt werden kann. Das
Ge häuse wurde in Form einer Ölwanne
aus Edelstahl nachgebildet, in der zwei
sich drehende Kunststoffzahnräder für die
Fluid-Bewegung sorgen. Die seitlichen
Wände sind doppelwandig ausgeführt,
so dass eine Temperierung möglich ist.
Wesentliche Maße der Wanne können
den Abb. 8 und 9 entnommen werden. Es
wurden 20 Neodym-Eisen-Bor-Magnete
(NdFeB-Magnete, 20 mm x 50 mm x 8
mm) unter dem Boden der Wanne wie in
Abb. 10 dargestellt angeordnet. Alternativ
wurden 2 große SrFe-Magneten (100 mm
x 100 mm x 25 mm) entsprechend posi-
tioniert. Um die Magnete wurden 1 cm
dicke Stahlbleche angebracht, die der Um -
lenkung der Feldlinien dienen.
In der Wanne wurde ein magnetisier-
bares Lochblech (Rv 1,5-3) mit strö-
mungsberuhigten Zonen zum Sammeln
der abgeschiedenen Partikeln und zur
Verzerrung des Magnetfeldes einge-
setzt. Außerdem wurde zur Umlenkung
der Strömung und zur Unterstützung der
Agglomeration ein nicht-magnetisierba-
rer Strömungsmanipulator bei einigen
Versuchen auf dem Lochblech platziert.
Es wurden 5 Liter vortemperiertes
FVA 3-Referenzöl mit feststehendem
Leerzeichen zwischen FVA und 3 in die
Ölwanne eingefüllt und auf 40 °C tem-
periert. Danach wurden 0,12 g Magnetit
in 50 ml Öl eingewogen und suspendiert.
Die Suspension wurde anschießend durch
eine Öffnung im Deckel zudosiert. Danach
konnten Proben durch Anschlüsse im
Sumpf der Ölwanne entnommen werden.
Abb. 6: Strömungsmanipulator “Enka-Spacer 5006 H” von Fa. Colbond
Tabelle 1: Druckverluste des Offen-Gradient-Magnetabscheiders mit unterschiedlichen Strömungsmanipulatoren bei einer Durchströmung mit 80 L/h
Abb. 7: Fraktionsabscheidegrade von Magnetit M40 LST unter dem Einfl uss verschiedener Strömungsmanipulatoren
Abb. 8: Schnitt durch die Ölwanne mit den Zahnrädern
Abb. 9: Schnitt durch die Ölwanne mit den Zahnrädern
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Schwerpunktthemen
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- Versuchsergebnisse
Versuchsergebnisse mit 20 NdFeB-
Magneten, dem Enka Spacer 5006H und
dem Lochblech Rv 1,5-3 sind in Abb. 12
aufgetragen. Die Zahnräder drehten sich
mit einer Frequenz von 15 Hz. In Abb. 12
ist der ermittelte Fraktionsabscheidegrad
über der Versuchsdauer aufgetragen. Man
erkennt, dass nach 10 Minuten Partikeln
mit einer Größe > 20 μm zu mehr als
80% abgeschieden wurden. Mit zuneh-
mender Versuchsdauer verbesserten sich
die Abscheidegrade, vor allem auch von
kleinen Partikeln.
Nach 120 Minuten wurden die Magnete
entfernt. Es ist zu erkennen, dass nach
mehr als zwei Stunden kaum Partikeln
abgelöst wurden.
In einem weiteren Versuch wurde die
Ölwanne nach der Suspensionszugabe
zunächst ohne Magnete, jedoch mit dem
Lochblech Rv 1,5-3 und dem Enka Spacer
5006H betrieben. Durch die Drehung der
Zahnräder wurde das Öl bewegt. Wie
Abb. 13 zu erkennen ist, werden dabei
bereits große Partikeln in den beruhigten
Zonen der Wanne abgeschieden. Kleine
Partikeln (< 10 μm) werden ohne Magnete
nicht abgeschieden. Danach wurden 2
SrFe-Magnete unter an der Wanne posi-
tioniert. Danach ist auch eine deutliche
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Abb. 10: Anordnung der Magnete, des Lochbleches und des Strömungsmanipulators am Boden der Ölwanne
Abb. 11: Blick in die mit Öl gefüllte Ölwanne mit den drehenden Zahnrädern
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Partikelabscheidung für kleine Partikeln zu erkennen. Es wer-
den z. B. Partikeln mit einer Größe von 3,5 μm nach 120
Minuten bereits zu 50 % abgeschieden. Danach wurden die zwei
Strontiumferrit-Magnete durch 20 NdFeB-Magnete (50 mm x 20
mm x 8 mm) ersetzt. Dadurch konnten die Partikelabscheidung
nochmals gesteigert werden.
In weiteren Versuchen konnten mit einem Lochblech mit
größeren, runden und versetzten Löchern (Rv 4-6) nach 120
min Versuchsdauer kleine Partikeln (1,45 μm) mit einem
Strömungsmanipulator besser abgeschieden werden, als ohne.
Man geht davon aus, dass der Manipulator die Agglomeration der
Partikel und damit auch die Abscheidung fördert. In Versuchen
mit einem Lochblech mit kleineren Löchern (Lochblech Rv 1,5-3)
konnte nach 120 Minuten mit und ohne Strömungsmanipulator
jedoch kein deutlicher Unterschied festgestellt werden (Abb. 14).
5. Zusammenfassung
Es wurde gezeigt, dass die magnetische Abscheidung auch klei-
ner magnetisierbarer Partikeln in einem hochviskosen Getriebeöl
mit dem vorgestellten Magnetabscheider möglich ist. Die
Partikelabscheidung konnte durch den Einbau eines Lochbleches
wesentlich verbessert werden. Je nach Abstand der Magneten
zueinander war eine weitere Steigerung des Abscheidegrades mög-
lich. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass je nach Lochblech
auch die verwendeten Strömungsmanipulatoren einen positiven
Einfl uss auf die Partikelabscheidung haben. Das Prinzip des
Abscheiders konnte auf eine Ölwanne, bei dem das Öl durch
die Drehung von Zahnrädern bewegt wird, übertragen werden.
Durch die Strömungsmanipulatoren gelangen bereits abgeschie-
dene Partikeln, trotz Wegnahme der Magneten, nicht wieder
in den Ölkreislauf. Eine Verbesserung der Partikelabscheidung
kleiner Partikeln (< 3 μm) konnte mit dem Strömungsmanipulator
erfolgen.
Danksagung:
Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
(BMWi) für die Förderung. Fördermaßnahme: SIGNO; Förderkennzeichen:
03SHWB042
Literatur:
/1/ H. Schubert (Hrsg.): Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik, Wiley-VCH, Weinheim (2003)
/2/ H. Schubert: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Bd. II, 3. Aufl ., Deutscher Verlag für Grundstoffi ndustrie, Leipzig (1986)
/3/ P. Dunnill, M. D. Lilly: Purifi cation of Enzymes using Magnetic Bio-Affi nity Materials.Biotechnology and Bioengineering, 16 (1974), Nr. 7, S. 987-990
/4/ D. Rechtenwald, A. Radbruch (Hrsg.): Cell Separation - Methods and Applications.
Marcel Dekker, New York (1997)
/5/ E. Boschke, S. Ripperger, Th. Bley: Biomonitoring by Combination of Immunomagnetic Separation and Direct Epifl uorescence Filter Technique. Biotechnology 4 (2000), S. 318-319
/6/ E. Boschke, J. Steingroewer, S. Ripperger, E. Klingner, Th. Bley: Biomonitoring by combination of immunomagnetic separation and direct epifl uorescence fi lter technique. Online journal „European Cells & Materials“, 3 (2002) Supplement 2: S. 146-147
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/9/ D. A. Norrgran: Advances in the magnetic collection of fi ne particles, in: Vol. 6: New Filtration and Separation Equipment (R. W. Perters, Hrsg.), Cahners Publishing Company (1992)
/10/ Magnetfi lter zur Abscheidung feinster Partikel. Produktinformation Filtrieren und Separieren 18 (2004) Nr. 5, S. 295
/11/ A. Möhrle L. Steinke, S. Ripperger: Verschleißschutz durch eine effektive Partikelabscheidung. Teil 1: Verschleißschutzfi ltration Filtrieren und Separieren 25 (2011), Nr. 5, S. 278-284 Teil 2: Testverfahren zur Bewertung von Partikelabscheidern Filtrieren und Separieren 26 (2012), Nr. 1, S. 15-20
/12/ A. Vetter, L. Petersen, S. Ripperger: Magnetische Separation feinster Partikeln aus Flüssigkeiten in Kombination mit einer Tiefenfi ltration. Filtrieren und Separieren 27 (2013), Nr. 2, S. 66-71
/13/ A. Möhrle, S. Ripperger: Abtrennung von Partikeln aus Schmier- und Hydraulikölen durch magnetische Separation. Filtrieren und Separieren 24 (2010), Nr. 6, S. 290-297
/14/ Forschungsstelle für Antriebstechnik (FVA) e.V.: Datensammlung „Referenzöle“, Heft 660, Frankfurt, 2003
/15/ W. Baran: Fangmagnetsysteme aus periodisch angeordneten Bariumferrit-Dauer mag-neten ohne Eisenpolschuhe - Magnetfelder, Anziehungskräfte und Konstruktions vor schriften. Dissertatation, TU Braunschweig (1965)
/16/ ISO 11171; Hydraulic fl uid power - Calibration of automatic particle counters for liquids, 2. Edition, 2010-10-25
Abb. 12: Fraktionsabscheidegrad zu verschiedenen Zeitpunkten, mit dem Lochblech Rv1,5-4 und Enka Spacer 5006H als Strömungsmanipulator
Abb. 13: Fraktionsabscheidegrade nach jeweils 120 min Versuchs-dauer, Lochblech Rv 1,5-3, Enka Spacer 5006 H
Abb. 14: Vergleich der Abscheidegrade mit dem Lochblech Rv 1,5-3 mit und ohne Enka Spacer 5006H nach 30 und 120 min Versuchsdauer
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