Betriebskosten zurückhalten

Wirtschaftlichkeit von Schmutzfängern

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07.08.2019 Beim Einkauf von Schmutzfängern oder Filtern ist es häufig nur der Preis, der kaufentscheidend ist – obwohl die Energiekosten zwischen 60 und 300 % des Anschaffungspreises betragen können. Die Wartungs- und Inspektionskosten eines Schmutzfängers liegen je nach Anlage und Produktionsfall in der Größenordnung von 50 bis 2.000 % seines Anschaffungspreises oder sogar noch höher.

Entscheider-Facts

  • Größter Kostenfaktor bei Filtern oder Schmutzfängern sind Betriebs- und Energiekosten. Investitionsentscheidungen sollten deshalb nicht nur nach Kaufpreis efällt werden.
  • Ein Filter mit geringem Druckverlust und einfacher Wartung spart Energie und erfordert weniger teure Stillstände.

Gold coin on strainer.3D illustration.

Bild: Holmessu – AdobeStock

Die Effizienz einer Anlage hängt maßgeblich von der Länge der Reinigungsintervalle ab – bedingt durch weniger Betriebsunterbrechungen und einer höheren Ausbringung der Anlage. Auch die Reduzierung des Einsatzes an Ressourcen und der Zeit, um die Wartung durchzuführen, trägt dazu bei, dass die Anlage in kürzerer Zeit wieder in den Betrieb geht.

Kosten nach der Inbetriebnahme

Häufig wird aus Gründen der Anschaffungspreise überlegt, ein Hutsieb bzw. Anfahrsieb statt eines Filters als Schutz der Anlagenkomponenten einzubauen. Diese weisen jedoch von Haus aus schon äußerst hohe Zeta-Werte und damit permanent höhere Druckverluste aus – selbst im sauberen Zustand. Wie der Name schon sagt, sind diese Siebe zum Anfahren der Anlage gedacht und sollen danach zusammen mit dem gesammelten Schmutz wieder komplett aus der Rohrleitung entnommen werden.

In der Praxis verbleiben Anfahrsiebe jedoch meist in der Rohrleitung und werden sogar noch nicht einmal gereinigt. Meist bedingt durch die aufwendige Demontage der isolierten Leitungen bei den Rohrstücken, in denen die Siebe eingesetzt sind, wie auch durch den schwerfälligen Ausbau der Rohrstücke, welcher aufgrund der Spannungen auf den Rohrleitungen ein Spreizen der Rohrleitung notwendig macht. Ein Verbleib der Anfahrsiebe in der Rohrleitung hat zur Folge, dass die Anlage über ihre Betriebszeit unkontrolliert und unwirtschaftlich läuft. Daher sollte diese Art von Sieben für den permanenten Pumpen- und Anlagenschutz unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit nicht in Erwägung gezogen werden.

Ein Schmutzfänger ist ein Bauelement, welches nicht unbedingt bei der Anschaffung teuer ist, sondern erst nach Inbetriebnahme teuer werden kann. Aber ob es sich um einen guten Schmutzfänger handelt, der günstig bleibt, oder um einen Schmutzfänger, der teuer wird, lässt sich bereits vor seiner Anschaffung ermitteln (s. Kasten „Energiekosten“): Ein sauberer Schmutzfänger mit dem Widerstandsbeiwert Zeta (ζ) verursacht einen bestimmten Druckverlust. Um diesen Druckverlust zu überwinden, ist eine ausreichende Pumpenleistung, also ein gewisser Energieaufwand, erforderlich. Da bei einer bestehenden Anlage sämtliche Betriebsdaten feststehen, wird der Zeta-Wert zur alleinigen Größe, die über hohe oder niedrige Energiekosten entscheidet.

Energiekosten

Ein sauberer Schmutzfänger mit dem Widerstandsbeiwert ζ verursacht einen
Druckverlust Δp = ((c2•γ)/2g)•ζ [mWS]
c = Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
γ = Dichte des Mediums [kg/m³]
g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s²
Das Überwinden dieses Druckverlustes erfordert eine
Pumpenleistung P = (Q•Δp)/(ηp•3600•102) [KW]
Q = Durchsatz in kg/h
ηp = Pumpenwirkungsgrad
Bei einem Energiepreis von E [€/kWh] kostet bereits der saubere Schmutzfänger pro Stunde
Kh = P•E [€/h]

Verschmutzung eines Schmutzfängers

Die in einer Anlage mitgeführten Verunreinigungen lassen sich nach ihrer Partikelgröße in drei Kategorien einteilen:

  • Partikel < Siebmaschenweite sind harmlos und durchsetzen die Anlage auch nach dem Einsatz eines Schmutzfängers.
  • Partikel > Siebmaschenweite prallen gegen das Sieb und sammeln sich außerhalb des Hauptstromes am Boden des Schmutzfängers/Siebkorbes.
  • Partikel = Siebmaschenweite sind diejenigen Verunreinigungen, die sich im Siebgewebe vorzugsweise festsetzen, dessen Maschen verstopfen und für den Anstieg des Druckverlustes sorgen.

Da strömende Medien den widerstandsärmsten Weg vom Eingang zum Ausgang des Schmutzfängers wählen, setzen die mitgeführten Verunreinigungen auch zuerst die strömungsgünstigsten Siebbereiche zu und verkleinern die wirksame Siebfläche zunehmend. Gleichzeitig hat mit fortschreitender Betriebsdauer die Strömung nicht nur eine ständig kleiner werdende freie Siebfläche zur Verfügung, sondern muss immer ungünstigere Wege nehmen. Der Anstieg des Druckverlustes durch Verschmutzung erfolgt daher nicht linear, sondern exponentiell: Je stärker der Verschmutzungsgrad wird, umso stärker steigt der Energiebedarf gegenüber dem sauberen Zustand.

2018_W_FILTER_Reinigungsintervall

Häufigkeit der Reinigungsintervalle. Häufigere Stillstände treiben die Wartungskosten nach oben.

Auf die Frage, wie oft ein Schmutzfänger gereinigt werden sollte, lässt sich nicht allgemeingültig mit „einmal pro Jahr“ oder „zweimal im Monat“ antworten, weil der Schmutzanfall ganz unterschiedlich sein kann. Deshalb sollte der Differenzdruck, wenn dieser einen bestimmten Wert durch Verschmutzung erreicht hat, das Kriterium für eine anstehende Reinigung des Schmutzfängers sein.

Hat sich der Anlagenbetreiber für einen bestimmten Druckverlust, bei dem zu reinigen ist, entschieden, dann hängt die Reinigungshäufigkeit – gleichen Verschmutzungsgrad der Anlage für alle Filtertypen vorausgesetzt – von folgenden zwei Faktoren ab:

  • vom Grundwiderstand ζ des sauberen Schmutzfängers: Ein hoher Grundwiderstand lässt nur noch einen geringen Anstieg auf den höchstzulässigen zu und erfordert frühe Reinigung.
  • von der Verschmutzungsgeschwindigkeit einer Schmutzfängertype: Diese richtet sich nach der konstruktiven Ausbildung des Siebes. Eine große Siebfläche, auf welche die Verunreinigungen rechtwinklig auftreffen, verstopft schneller, als eine kleinere, bei der das Auftreffen unter einem Winkel erfolgt.

Bei gleichem Schmutzanfall und maximalem Druckverlust haben die Filtertypen unterschiedliche Reinigungsintervalle: Dies bedeutet Stillstand der Anlage, Produktionsausfall und Wartungskosten.

Wartungs- und Lebenszykluskosten

Einen Schmutzfänger zu reinigen, bedeutet in jedem Fall:

  • Absperren seines Rohrleitungsstranges,
  • Entleerung,
  • Demontage des Deckelflansches,
  • Siebentnahme mit Reinigung,
  • Entfernung des Sumpfes – falls vorhanden – im Gehäuse,
  • erneute Sieb- und Deckelmontage,
  • Entlüften beim Wiederauffüllen des Stranges.

Dabei unterscheidet sich der Zeitaufwand je nach Typ des Schmutzfängers zum Teil deutlich: Bei einer größeren Nennweite ist der über Kopf hängende schwere Deckelflansch eines Schrägsitzfilters (Y-Filter) schwieriger zu hantieren als bei der Topfform. Ein korbartiges Sieb dagegen hinterlässt bei seiner Entnahme nur einen gereinigten und rückführbaren Sumpf, die abgefilterten Verunreinigungen werden mit entnommen.

Kaufpreis zu vernachlässigen

2018_W_FILTER_Betriebskosten

Betriebskosten der verglichenen Schmutzfänger. Bilder: W-Filter

Dennoch stellt dieser Grundaufwand für eine Reinigung „nur“ einen Zeitrahmen von 1 bis 2 Stunden Stillstand dar. Hingegen in einer unter Temperatur betriebenen Anlage, bei der zusätzlich Isolierkappen demontiert/wiedermontiert werden müssen und bei der lange Abkühlzeiten und langsames erneutes Hochfahren für lange Betriebsunterbrechungen sorgen, werden die Reinigungskosten zumindest vierstellig.

Um die Wirtschaftlichkeit einer Anlage sicherzustellen, sollten Schmutzfänger aus dem Gesichtspunkt des Betriebs und dessen Kosten ausgewählt werden und nicht rein auf Basis des Kaufpreises. Natürlich sind insbesondere Gussfilter des Typs Y in den Nennweiten ≤ DN200 zu einem niedrigeren Preis auf dem Markt zu erhalten. Betrachtet man die Lebenszykluskosten als Summe des höheren Energieverbrauchs und Wartungskosten, ist der Kaufpreis jedoch zu vernachlässigen. Hinzu kommt die Frage: Wieviel kostet eine Stunde oder sogar ein Tag Stillstand der Anlage? Denn als das größte Kostenspektrum für einen Schmutzfänger zeigt sich neben den betrieblichen Wartungskosten der damit verbundene Produktionsausfall.

Vergleich unterschiedlicher Schmutzfänger-Typen

Die Firma W-Filter hat ihren Filter-Typ W als einen von drei marktüblichen Produkten einem wirtschaftlichen Vergleich unterzogen. Bei den Wettbewerbsfabrikaten, neutral mit Y- und T-Filter bezeichnet, handelt es sich um Produkte, deren Prospektmaterial und technische Daten Grundlage für die Auswertung waren. Unterstützung mit Testanlagen und Personal boten die Firmen KSB und ARI-Armaturen. Der Vergleich der Filtertypen basiert auf einer Modellanlage mit folgenden Betriebsdaten:

  • Medium : Wasser mit γ = 1.000 kg/m³
  • Druckstufe: PN 16
  • Durchsatz : 365 m³/h = Strömung 3 m/s bei
  • Nennweite: DN 200, Siebfeinheit 0,5 mm
  • Pumpenwirkungsgrad: ηp = 0,75
  • Strompreis: € 0,10/KWh
  • Filterreinigung bei Δp = 10 mWS ≈ 1 bar, Pmax = 13,25 kW

Mit den gegebenen technischen Daten ließen sich die einzelnen Betriebskosten berechnen. Darüber hinaus wurden auch verschiedene Tests bezüglich der Strömungswiderstände und Druckverluste beim W-Filter durchgeführt. Das Schaubild zeigt, dass der Energieverbrauch aufgrund der Widerstandsbeiwerte und Druckverluste verschiedener Filtertypen unterschiedlich ist und in erhöhten Betriebskosten resultiert:
Die angegebenen ζ-Werte unterscheiden sich bei verschiedenen Herstellern von Y-Filtern sowie auch aufgrund der Form der Siebe (als Siebkorb oder halbrundes Flachsieb) bei den T-Filtern. Es konnte jedoch auf dem Markt nur der W-Filter mit den günstigsten ζ-Werten identifiziert werden.

Heftausgabe: August/2019

Über den Autor

Dirk Waldow, Günter Waldow, W-Filter
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