Was ist ein Heizölreiniger?
Ein Zentrifugalabscheider, auch bekannt als ‘Zentrifuge’, ist eine Maschine, die zur Trennung von Phasen einer Flüssigkeit basierend auf der Dichte verwendet wird. Der Name ‘Zentrifugalabscheider’ leitet sich von der Zentrifugalkraft ab, auf der das Arbeitsprinzip der Maschine basiert. Reiniger und Kläreinheiten sind Typen von Zentrifugalabscheidern.
Dieser Artikel konzentriert sich auf Heizölreiniger, die in der maritimen Industrie verwendet werden. Im gesamten Artikel kann das Wort ‘Kraftstoff’ durch ‘Flüssigkeit’ ersetzt werden, um das Wissen und die Arbeitsprinzipien auf andere Anwendungen und Industrien anzuwenden, z.B. Schmierölreiniger anstelle von Heizölreiniger. Wenn Sie nach dem Lesen dieses Artikels mehr über Heizölreiniger erfahren möchten, sehen Sie sich bitte unseren Online-Video-Kurs zu den Grundlagen von Kraftstoffreinigern und Kläreinheiten an.
Hinweis: Die Begriffe ‘Zentrifugalabscheider’ und ‘Zentrifuge’ werden oft synonym verwendet; es gibt keinen Unterschied zwischen den beiden Begriffen außer der Terminologie.
Anwendungen von Zentrifugalabscheidern
Die Trennung einer Flüssigkeit in ihre verschiedenen Phasen ist in vielen technischen Prozessen erforderlich, einige häufige Beispiele sind:
- Entfernen von Feststoffen und Wasser aus Heizöl (z.B. Wasser aus Diesel).
- Entfernen von Fett aus Milch, um Magermilch herzustellen (das entfernte Fett wird als Sahne verkauft).
- Entfernen von Gummi und Lecithin aus Pflanzenöl (verbessert die Qualität des Öls, Gummi wird als Nebenprodukt verkauft).
- Entfernen von Wasser aus nasser Kleidung (Waschmaschinen).
Marine-Kraftstoffsystem
Dieser Artikel konzentriert sich auf Heizölreiniger, die innerhalb eines Schiffskraftstoffsystems verwendet werden, d.h. Reiniger, die Wasser und Verunreinigungen aus Heizöl entfernen. Ein typisches Heizölsystem für ein großes Handelsschiff (Containerschiff, Öltanker usw.) ist unten dargestellt. Die ‘Zentrifugen’ können entweder Reiniger oder Kläreinheiten sein, je nach den Anforderungen des Systems.
Kraftstoffsystem für Handelsschiffe
Handelsschiffe verbrannten traditionell Schweröl (HFO), aber dies hat sich im letzten Jahrzehnt aufgrund neuer Umweltschutzgesetze geändert. Ein Schiff, das Dieselöl verbrennt, benötigt keine Heizungen im Kraftstoffsystem, da der Kraftstoff unter den meisten Bedingungen leicht fließt (niedrige Viskosität). Schweröl erfordert Heizungen in den Kraftstofftanks und jedem nachfolgenden Zwischenspeichertank aufgrund seiner hohen Viskosität (hoher Widerstand gegen Fließen, d.h. es ist ‘dick’ bei niedrigeren Temperaturen und fließt nicht leicht).
Was ist der Unterschied zwischen einem Reiniger und einer Kläreinheit?
Reiniger und Kläreinheiten sind Arten von Zentrifugalabscheidern. Ein Reiniger ist darauf ausgelegt, Phasen einer Flüssigkeit und Verunreinigungen zu trennen. Eine Kläreinheit ist darauf ausgelegt, nur Verunreinigungen zu trennen. Zum Beispiel trennt ein Heizölreiniger Wasser vom Kraftstoff, was verschiedene Phasen der Flüssigkeit darstellt, und er trennt auch feste Verunreinigungen wie Rostpartikel, Eisenpartikel, Aluminiumteilchen usw. vom Kraftstoff. Eine Kläreinheit trennt nur feste Verunreinigungen vom Kraftstoff, sie trennt kein Wasser vom Kraftstoff.
Flüssigkeitsfluss in und aus einem Reiniger
Das obige Bild zeigt einen Reiniger, der mit schmutzigem Heizöl gespeist wird. Sauberes Öl und Wasser werden kontinuierlich aus dem Reiniger abgeführt (Abwärtspfeile). Alle Feststoffe/Verunreinigungen im schmutzigen Kraftstoff sammeln sich im Reiniger an und müssen regelmäßig entfernt werden.
Reiniger und Kläreinheit im Vergleich
Es gibt mehrere wichtige Unterschiede zwischen einem Reiniger und einer Kläreinheit:
- Reiniger haben eine Schwerkraftscheibe, Kläreinheiten nicht.
- Reiniger benötigen Dichtwasser, Kläreinheiten nicht.
- Reiniger trennen Wasser und Verunreinigungen, Kläreinheiten trennen nur Verunreinigungen.
Interne Teile eines Heizölreinigers
Die internen Teile eines Reinigers können grob in wegwerfbare und nicht wegwerfbare Teile unterteilt werden. Wegwerfbare Teile sind Dichtungen und O-Ringe; nicht wegwerfbare Teile sind alle anderen Teile. Die gängigen internen Teile eines automatisch entschlammenden Heizölreinigers sind unten gezeigt.
Interne Teile eines Heizölreinigers
Die internen Teile eines Heizölreinigers bestehen aus:
- Verschlussring (Sperrring) – ein oberer und ein unterer Verschlussring. Der obere Verschlussring wird als ‘großer Verschlussring’ bezeichnet, während der untere Verschlussring als ‘kleiner Verschlussring’ bezeichnet wird.
WICHTIG
Verschlussringe haben ein Linksgewinde, d.h. sie müssen nach links gedreht werden, um sie zu spannen, und nach rechts, um sie zu lösen. Andere interne Teile verwenden ebenfalls ein Linksgewinde!
- Schüsselhaube – wird am Schüsselkörper befestigt, um einen abgedichteten Behälter zu bilden.
- Obere Scheibe – hält das Einlass- und Auslassrohr, die Paringscheiben und die Schwerkraftscheibe in Position über dem Scheibenstapel.
- Einlass- und Auslassrohr – Flüssigkeiten treten in die Schüssel ein und werden durch diese Verbindung aus der Schüssel abgeführt.
- Schwerkraftscheibe – legt die Schnittstelle zwischen Kraftstoff und Wasser im Reiniger fest. Kläreinheiten haben keine Schwerkraftscheibe, da sie kein Wasser vom Kraftstoff trennen.
- Schüsselscheiben – Schüsselscheiben werden auf dem Verteiler zusammengedrückt, um einen Scheibenstapel zu bilden.
- Automatische Entschlammung – der Entladungs-Schieber, der Betriebsschieber, der Halter und der Betriebswasserring werden alle verwendet, um den Entschlammungsvorgang eines automatisch entschlammenden Reinigers zu steuern (später im Artikel besprochen).
- Schüsselkörper – bildet den unteren Teil des abgedichteten Behälters; der obere Teil des Behälters ist die Schüsselhaube.
Alle Teile eines Heizölreinigers müssen aufgrund der hohen Betriebsgeschwindigkeiten, bei denen sie arbeiten, mit genauen Toleranzen hergestellt werden. Jegliche Unvollkommenheiten an den internen Teilen führen zu Ungleichgewichten, wenn der Reiniger in Betrieb ist, mit entsprechenden nachteiligen Auswirkungen auf den Reiniger. Jedes Teil eines Reinigers hat einen Herstellercode, der auf seine Oberfläche gestempelt/geprägt ist, um sicherzustellen, dass ein geeignetes Ersatzteil vom Hersteller bezogen werden kann (der Hersteller balanciert jedes der Teile im Werk aus und zeichnet deren Eigenschaften auf). Reinigerteile sollten niemals zwischen Maschinen ausgetauscht werden!
Externe Teile eines Heizölreinigers
Das äußere Erscheinungsbild jedes Heizölreinigers unterscheidet sich erheblich, es gibt jedoch einige gemeinsame Teile, die bei den meisten Reinigern vorhanden sind.
Externe Teile eines Heizölreinigers
Einige der relevantesten Teile werden unten ausführlicher besprochen.
- Bremse – zum Abbremsen der Maschine. Die Bremse sollte angewendet werden, wenn der Reiniger nicht mehr rotiert oder wenn er sich mit sehr geringer Geschwindigkeit dreht.
- Ölsystem – bestehend aus dem Ablassstopfen, der Einfüllkappe und dem Ölstand-Schauglas. Schmieröl wird durch die Einfüllkappe hinzugefügt und durch den Ablassstopfen abgelassen. Ein Ölstand-Schauglas ist vorhanden, um den Ölstand visuell zu überprüfen (der Ölstand sollte zwischen den Mindest- und Höchstmarkierungen auf dem Schauglas liegen).
- Drehzahlmesser – zeigt die Drehzahl der Einheit in Umdrehungen pro Minute (U/min) an.
- Antriebsmotor – ein elektrischer Induktionsmotor, der über Zahnräder oder einen Riemen mit der Antriebswelle des Reinigers verbunden ist. Die Drehzahl des Motors wird normalerweise durch ein Frequenzumrichter (VSD)/Frequenzumrichter) reguliert.
- Anschlüsse – für schmutzigen Kraftstoff, Wasser und sauberen Kraftstoff.
Antriebe von Heizölreinigern
Heizölreiniger können zahnrad- oder riemengetrieben sein. Die Anordnung eines zahnradgetriebenen Reinigers ist unten dargestellt.
Zahnradgetriebener Heizölreiniger
Riemengetriebene Heizölreiniger sind ebenfalls recht häufig; eine Anordnung ist unten dargestellt.
Riemengetriebener Heizölreiniger
Die Zahnräder in einem Heizölreiniger sind aus Edelstahl gefertigt und verschleißen im Laufe der Zeit nicht erheblich, daher werden sie selten ersetzt. Riemen müssen häufig ersetzt werden, da sie im Laufe der Zeit verschleißen und ihre Zugfestigkeit verlieren, was dazu führt, dass sie sich dehnen (verlängern).
Theorie der Heizölreiniger
Um zu verstehen, wie ein Reiniger funktioniert - tatsächlich wie jede Zentrifuge funktioniert -, ist es notwendig, das Konzept der Dichte und der Zentrifugalkraft zu verstehen.
Dichte
Dichte kann als das Gewicht von etwas in Bezug auf sein Volumen beschrieben werden. Ein schweres Objekt (großes Gewicht) mit einem kleinen Volumen wird als sehr dicht angesehen. Ein leichtes Objekt (geringes Gewicht) mit einem großen Volumen wird als wenig dicht angesehen. Zum Beispiel wird das Metall Blei als sehr dicht angesehen, weil es ein hohes Gewichts-zu-Volumen-Verhältnis hat.
Wenn zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte miteinander vermischt werden, trennen sie sich nach der Dichte, wenn sie ungestört bleiben. Das Diagramm unten zeigt einen Tank, der mit schmutzigem Heizöl gefüllt ist, d.h. Heizöl, das Wasser und Verunreinigungen enthält.
Heizöltank
Der oben beschriebene Prozess kann wie folgt beschrieben werden:
- Das linke Bild zeigt den Kraftstofftank, der mit schmutzigem Heizöl gefüllt ist.
- Das mittlere Bild zeigt den Zustand des Tanks nach einer Wartezeit, z.B. 24 Stunden.
- Das rechte Bild zeigt den Zustand des Tanks, nachdem das Wasser aus dem Tank abgelassen wurde.
Wenn man sich das mittlere Bild ansieht, bemerkt man, dass sich das Wasser im Kraftstoff am Boden des Tanks gesammelt hat, weil es dichter ist als der Kraftstoff. Leichtere Flüssigkeiten werden immer von dichteren Flüssigkeiten verdrängt, wenn sie ungestört bleiben, d.h. dichtere Flüssigkeiten sinken unter leichtere Flüssigkeiten. Wasser wird allgemein als ‘schwer’ angesehen, und die meisten Heizöle - und Pflanzenöle - werden von ihm verdrängt, wenn sie in einem Behälter miteinander vermischt werden. Die beschriebene Art der Trennung wird als ‘Schwerkrafttrennung’ oder ‘Trennung aufgrund der Schwerkraft’ bezeichnet.
Pflanzenöl durch Wasser verdrängt
Zentrifugalkraft
Zentrifugalkraft ist keine echte Kraft, sie ist eine fiktive (nicht echte) Kraft, die verwendet wird, um Newtons zweites Bewegungsgesetz zu erklären. Newtons zweites Bewegungsgesetz wird wie folgt beschrieben:
Die Änderung der Bewegung eines Objekts ist proportional zur aufgebrachten Kraft und erfolgt in Richtung der geraden Linie, in der die Kraft aufgebracht wird.
Für technische Zwecke ist es am besten, sich vorzustellen, dass die Zentrifugalkraft die nach außen gerichtete Kraft ist, die auf ein rotierendes Objekt ausgeübt wird. Zum Beispiel zeigt das Bild unten zwei Kräfte, die auf die Erde wirken, Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft. Wenn die Zentripetalkraft die Erde zur Sonne zieht, ist eine andere Kraft erforderlich, um die Erde in ihrer Umlaufbahn zu halten; diese Kraft ist die Zentrifugalkraft.
WICHTIG – die oben gegebene Erklärung ist nicht streng korrekt im Sinne der Newtonschen Physik, aber eine detailliertere Erklärung liegt außerhalb des Umfangs dieses Artikels.
Zentrifugal- und Zentripetalkräfte
Es ist möglich, die auf ein Objekt ausgeübte Zentrifugalkraft zu erhöhen, indem man seine Drehzahl erhöht. Wenn ein Objekt an einem zentralen Punkt fixiert ist und eine Kraft aufgebracht wird, wird das Objekt um diesen Punkt rotieren, weil die Zentripetal- und Zentrifugalkräfte ausgeglichen sind. Wenn das Objekt nicht mehr fixiert ist, wird es auf einem Weg im rechten Winkel zum Rotationspunkt reisen; dies kann im untenstehenden Bild eines Mannes, der ein Kind im Kreis schwingt, demonstriert werden.
Beispiel für Zentrifugalkraft
Es kann gesehen werden, dass, wenn ein Objekt mit Geschwindigkeit rotiert, Kräfte auf dieses Objekt wirken. Wenn eine Flüssigkeit mit Geschwindigkeit rotiert, wirken Kräfte auf die Flüssigkeit, die dazu führen, dass sich die Flüssigkeit in ihre verschiedenen Phasen trennt. Dichtere Phasen bewegen sich weiter weg vom Rotationspunkt und verdrängen dabei leichtere Phasen. Zum Beispiel, wenn ein versiegelter zylindrischer Behälter voll mit schmutzigem Heizöl ist und sehr schnell entlang seiner Mittelachse rotiert wird, würden sich Wassermoleküle an den Rand des Behälters bewegen und Ölmoleküle würden in Richtung der Mitte des Behälters gedrängt werden; dichte Verunreinigungen im schmutzigen Kraftstoff würden das Wasser verdrängen und sich am äußersten Rand des Behälters ansammeln.
Trennung im Heizölreiniger
Wie Heizölreiniger funktionieren (Grundlagen)
Ein Heizölreiniger ist ein versiegelter Behälter, der von einem Elektromotor mit hoher Geschwindigkeit rotiert wird. Eine Flüssigkeit wird in den Behälter eingespeist und die Rotationsbewegung (kinetische Energie) des Behälters wird auf die Flüssigkeit übertragen. Da Energie auf die Flüssigkeit übertragen wird, beginnt sie sich aufgrund ihrer Dichteunterschiede in ihre Phasen (Wasser und Öl) zu trennen; Verunreinigungen sammeln sich am äußeren Rand des Behälters an, da dies die schwersten Partikel sind, die in der Flüssigkeit suspendiert sind. Wasser und sauberes Heizöl werden kontinuierlich aus dem Reiniger abgeführt, während Verunreinigungen periodisch entfernt werden.
Hinweis - der ‘Behälter’ wird gebildet, indem der Schüsselkörper und die Schüsselhaube zusammengeklemmt werden.
Wie Heizölreiniger funktionieren (detailliert)
Schmutziges Heizöl wird über den Einlass für schmutziges Heizöl in den Reiniger eingespeist. Das schmutzige Heizöl tritt in die Abdeckung des Reinigers ein und fließt durch den Verteiler nach unten und aus dessen Basis heraus. Von der Basis des Verteilers fließt das schmutzige Heizöl nach oben durch den Scheibenstapel. Der Durchfluss durch den Scheibenstapel erfolgt durch kleine Löcher, die sich am äußeren Rand jeder der Scheiben befinden.
Interne Komponenten eines Heizölreinigers
Die Trennung von Wasser und Verunreinigungen erfolgt zwischen den Scheiben des Scheibenstapels. Wassermoleküle koagulieren auf der Unterseite jeder Scheibe und bewegen sich nach außen in Richtung des Randes der Schüssel; Fremdpartikel und andere Verunreinigungen bewegen sich ebenfalls in Richtung des Randes der Schüssel. ‘Sauberes Heizöl’ (Kraftstoff ohne Wasser und Verunreinigungen) bewegt sich zum oberen Ende des Scheibenstapels und wird durch den Auslass für sauberes Öl abgeführt.
Reinigerscheibenstapel
Wasser sammelt sich an der Innenseite der Reinigerschüssel, bis es genügend Volumen hat, um um die Schwerkraftscheibe herum zu fließen und durch den Wasserauslass abzuführen. Ein Rinnsal von Wasser aus dem Wasserauslass kann oft gesehen werden, wenn ein Reiniger in Betrieb ist, aber die Menge des getrennten Wassers hängt stark von der Art des Kraftstoffs und seinem Wassergehalt ab.
Wasser- und saubere Kraftstoffauslässe
Verunreinigungen sammeln sich an der Innenseite der Reinigerschüssel und können automatisch über die automatische Entschlammung abgeführt werden oder müssen manuell entfernt werden.
Wartung von Reinigern
Reiniger und Kläreinheiten erfordern vergleichsweise wenig Wartung. Wartungseingriffe werden als entweder ‘geringfügig’ oder ‘umfangreich’ klassifiziert, und diese erfolgen in geplanten Intervallen basierend auf der Zeit (Betriebsstunden) oder dem Datum (Tage seit dem letzten Service, unabhängig von den Betriebsstunden).
Geringfügige Wartung
Ein geringfügiger Service erfordert nur, dass der Reiniger gereinigt und Dichtungen und/oder O-Ringe ersetzt werden. Ersatzteile, die für einen geringfügigen Service benötigt werden, sind in einem Geringfügigen Service-Kit enthalten.
Umfangreiche Wartung
Ein umfangreicher Service umfasst einen geringfügigen Service und andere zusätzliche Aufgaben. Ein umfangreicher Service erfordert die Verwendung vieler weiterer Ersatzteile, wie Lager und Wellen usw. Ersatzteile, die für einen umfangreichen Service benötigt werden, sind in einem Umfangreichen Service-Kit enthalten.
Warum Zentrifugen anstelle von Schwerkrafttrennung verwenden?
Der Prozess der Schwerkrafttrennung ist zu langsam, um für die meisten industriellen Prozesse verwendet zu werden. Viele industrielle Prozesse erfordern große kontinuierliche Flüssigkeitsmengen, und es ist nicht möglich, dies nur durch Schwerkrafttrennung zu erreichen. Abgesehen von den geringen Mengen ist die Qualität des Outputs auch schwer zu bestimmen im Vergleich zur Verwendung einer Zentrifuge.
Zentrifugaltrennung erfolgt, weil die Effekte der Schwerkraft im Reiniger simuliert und verstärkt werden. Wenn ein Reiniger mit hoher Geschwindigkeit rotiert, trennen sich die Flüssigkeitsphasen im Reiniger aufgrund der erhöhten Kräfte, denen sie ausgesetzt sind. Astronauten erleben eine ähnliche Situation, wenn sie als Teil ihres Trainings für den Weltraumeintritt einer erhöhten Gravitationskraft (g-Kraft) ausgesetzt sind. Sie werden in ein Cockpit gesetzt und mit hoher Geschwindigkeit rotiert, um die erhöhte Gravitationskraft zu simulieren; die Art von Maschine, die dafür verwendet wird, wird als ‘menschliche Zentrifuge’ bezeichnet. Die unten gezeigte Maschine ist in der Lage, 20g (20 x die Schwerkraft der Erde) zu liefern. Diese Art von Training hat sich als wertvoll erwiesen, weil Blut vom Gehirn wegfließt, wenn die g-Kraft zunimmt, was zu Tunnelblick und Ohnmacht führen kann; das Training für diesen Fall erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Astronaut die Situation erkennt und behebt, bevor sie kritisch wird.
20 g menschliche Zentrifuge
Wie die automatische Entschlammung von Heizölreinigern funktioniert
Größere Heizölreiniger sind mit einer automatischen Entschlammungsfunktion ausgestattet. Wenn die Schüssel eines Reinigers schmutzig wird, verringert sich der Arbeitsdurchmesser der Schüssel allmählich, und die Effizienz der Einheit nimmt ab. Bei älteren Reinigern war es notwendig, den Reiniger häufig zu öffnen, um Verunreinigungen/Schlamm von der Innenseite der Reinigerschüssel zu entfernen, aber die automatische Entschlammungsfunktion ermöglicht es, einen Reiniger mit Wasser zu spülen und zu entschlammen, ohne ihn öffnen zu müssen.
Automatische Entschlammungsvorgang
Der Entschlammungsvorgang wird mit einem hydraulischen Steuersystem erreicht, das sich unter der Gleitschüssel des Reinigers befindet (eine kleine Schüssel, die innerhalb der Hauptschüssel platziert ist). Wasser wird aus dem System abgelassen, was dazu führt, dass sich die Gleitschüssel nach unten bewegt und die Entschlammungsöffnungen freilegt. Schlamm wird durch die Entladungsöffnungen in der Reinigerschüssel abgeführt, dann wird Wasser (Betriebswasser) wieder in die Kammer unter der Gleitschüssel gefüllt, was dazu führt, dass die Gleitschüssel ansteigt und die Schlammabfuhröffnungen wieder abdeckt.