Wie funktioniert ein Zyklon­abscheider?

Ein Zyklon bringt die Luft zum Kreisen, damit die Fliehkraft Späne und Staub an die Wand schleudert, von wo sie in den Behälter fallen.

Schritt für Schritt passiert dabei Folgendes:

1. Einströmen. Der Sauger zieht Luft durch den Schlauch. Am Zyklon strömt sie seitlich ein, und zwar tangential, also an der Wand entlang.
2. Kreisen. Die runde Wand zwingt die Luft auf eine Kreisbahn. Sie dreht mehrere Runden und windet sich dabei spiralförmig nach unten.
3. Fliehkraft. Holz ist mehrere hundert Mal so dicht wie Luft. Späne und Staubkörner können der engen Kurve deshalb nicht folgen und fliegen nach außen an die Wand.
4. Abwärts. An der Wand bremsen die Körner ab und rutschen mit der Strömung spiralförmig durch den Konus nach unten. Unten fallen sie durch die Öffnung in den Behälter.
5. Umkehren. Unten im Konus kehrt die Luft um. Sie steigt als enger Wirbel in der Mitte nach oben und verlässt den Zyklon durch das Tauchrohr Richtung Sauger.

Wie stark die Fliehkraft ist, zeigt eine kleine Rechnung. Auf einer Kreisbahn wirkt eine Beschleunigung nach außen, die mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst:

Ein Sägemehlkorn wird in dieser Kurve also mit rund dem 510-Fachen seines eigenen Gewichts an die Wand gedrückt. Im engen Konus ist der Radius kleiner. Bei gleicher Geschwindigkeit wird die Beschleunigung dort sogar noch größer.

Die Fliehkraft wirkt auf jedes Korn. Wie schnell ein Korn dabei zur Wand wandert, hängt aber stark von seiner Größe ab: Die Wandergeschwindigkeit wächst mit dem Quadrat des Durchmessers. Ein zehnmal kleineres Korn ist hundertmal langsamer.

Im Beispiel oben wandert ein Staubkorn mit 10 µm rund 1 m/s zur Wand. Ein Korn mit 1 µm schafft nur rund 1 cm/s. In der guten Zehntelsekunde, die die Luft im Beispielzyklon aus dem Diagramm unten für ihre Runden braucht, kommt es gerade gut einen Millimeter weit. Es bleibt in der Luft und geht mit zum Sauger.

Die Kurve zeigt für jede Korngröße, welcher Anteil im Behälter landet. Wo sie 50 % kreuzt, liegt die Trennkorngröße d₅₀. Was deutlich größer ist, landet fast vollständig im Behälter. Darunter fällt die Kurve schnell ab. Schiebst du den Regler nach rechts, kreist die Luft schneller, und die Kurve rutscht nach links: Der Zyklon trennt feiner.

Gerechnet wird mit dem einfachen Modell nach Lapple:

Mit den Werten des Beispielzyklons bei 20 m/s: μ = 1,81 · 10⁻⁵ Pa·s, W = 0,03 m, N = (0,20 + 0,10) ÷ 0,06 = 5 und ρ_p = 700 kg/m³. Das ergibt:

Das Modell ist eine starke Vereinfachung. Echte Zyklone weichen davon ab, je nach Bauform, Dichtheit und Füllstand, gerade beim Feinstaub. Luft, die auf kurzem Weg zum Tauchrohr strömt, Verwirbelungen und Staub, der im Behälter wieder mitgerissen wird, verschlechtern die Abscheidung. Für Späne und Sägemehl ändert das wenig, die liegen weit rechts auf der Kurve.

Die Größenbereiche unter dem Diagramm stammen aus Siebanalysen von Holzspänen: Beim Planfräsen ist meist der größte Teil der Späne größer als 2 mm. Wie fein sie ausfallen, hängt von Vorschub, Zustellung und Fräser ab. Sägemehl liegt überwiegend zwischen 0,125 und 1 mm. Schleifstaub mit Körnung 120 liegt großteils zwischen 25 und 250 µm, dazu kommt ein Anteil feinerer Staub.

Ohne Vorabscheider landet alles im Sauger: grobe Späne im Behälter oder Beutel, feiner Staub im Filter. Der Staub bildet auf dem Filter eine Schicht, durch die sich die Luft zwängen muss. Je dicker sie wird, desto größer der Widerstand. Die Luftmenge sinkt, und am Werkzeug kommt weniger Sog an.

Mit einem Zyklon davor landet der Großteil der Masse in dessen Behälter. Am Filter kommt nur noch ein kleiner Rest an feinem Staub an. Der Filter setzt sich deshalb viel langsamer zu, die Saugleistung bleibt länger hoch, und Beutel oder Behälter des Saugers sind viel seltener voll.

Ganz sauber bleibt der Filter trotzdem nicht. Gerade der feine Staub, der durchkommt, setzt die Poren zu. Abreinigen und Filterpflege bleiben also nötig, nur seltener.

Der Wirbelwerk ist ein Zyklon-Vorabscheider mit Konus und zwei Stufen. Er nutzt die Fliehkraft wie oben beschrieben, nur zweimal hintereinander. Stufe 1 im Fass holt Späne und groben Staub. Stufe 2 im Kopf holt mit vier kleineren, konischen Zyklonen den Feinstaub, der im Fass noch mitfliegt.

Zum Drehen ziehen

Der Weg der Luft

Warum die zweite Stufe kleinere Zyklone hat

Das Fass ist ein großer Zyklon. Für Späne und groben Staub reicht das, die fliegen schon bei wenig Fliehkraft an die Wand. Beim Feinstaub kommt es auf die Größe des Zyklons an.

Halbierst du den Durchmesser, kreist die Luft auf dem halben Radius. Nach a = v² ÷ r ist die Fliehbeschleunigung bei gleichem Tempo dann doppelt so groß. Jede Runde dauert zwar nur halb so lang, aber auch der Weg bis zur Wand ist nur halb so weit. Im Modell nach Lapple steckt das in der Einlassbreite W: Die Trennkorngröße wächst mit der Wurzel aus W.

Beim halb so großen Zyklon sinkt die Trennkorngröße im Modell also um rund 30 %. Bei gleichem Tempo schluckt er aber nur ein Viertel der Luft, weil sein Einlass nur ein Viertel so groß ist. Deshalb teilen sich in der zweiten Stufe mehrere kleine Zyklone die Luft. Im Wirbelwerk sind es vier, mit einer gemeinsamen Staubkammer.

Dasselbe steckt im Schleifmodus. Schließt das Plättchen 2 der 4 Zyklone, verteilt sich die Luft auf die beiden offenen und strömt dort schneller ein. In der Formel für d₅₀ steht v unter dem Bruchstrich: mehr Tempo, kleinere Trennkorngröße. Im Diagramm oben siehst du das, wenn du den Regler nach rechts schiebst. Der Preis ist mehr Druckverlust in dieser Stufe.

Auch zwei Stufen fangen nicht jedes Staubkorn. Was die kleinen Zyklone nicht erwischen, geht weiter zum Sauger. Den feinsten Staub hält erst dessen Filter, und wie viel davon in die Werkstattluft kommt, bestimmt die Staubklasse des Saugers. Der Wirbelwerk hält den Filter länger frei. Ersetzen kann er ihn nicht.

Ein Zyklon ist ein Vorabscheider. Er nimmt dem Sauger die Masse ab, aber er filtert nicht. Wie viel Feinstaub am Ende in der Werkstattluft landet, entscheidet der Filter im Sauger.

Deshalb bleibt die Staubklasse des Saugers entscheidend. Sie gibt an, wie viel Staub durch das Gerät hindurch darf: bei Klasse L weniger als 1 %, bei M weniger als 0,1 % und bei H weniger als 0,005 %. Für Holzstaub wird mindestens Klasse M empfohlen. Mehr dazu im Beitrag „Staubklassen L, M und H erklärt“.

Holzstaub schadet der Gesundheit, und Staub von Hartholz wie Buche und Eiche gilt als krebserzeugend. Ein Zyklon ändert daran nichts. Nutze einen Sauger mit passender Staubklasse und trag bei staubigen Arbeiten wie dem Schleifen eine Atemschutzmaske, mindestens FFP2, bei Buche und Eiche besser FFP3.

Ja, ein wenig. Die Luft muss im Zyklon kreisen, umkehren und durch das Tauchrohr. Das kostet Druck, und dieser Druckverlust fehlt am Werkzeug. Er wächst ungefähr mit dem Quadrat der Einlassgeschwindigkeit: Doppelt so schnell heißt etwa viermal so viel Verlust.

Darin steckt ein Zielkonflikt. Mehr Tempo trennt feiner, kostet aber mehr Druck. Im Diagramm oben siehst du beides: Schieb den Regler auf 30 m/s, dann sinkt die Trennkorngröße, und der Druckverlust steigt auf 225 % des Werts bei 20 m/s.

Im Alltag zählt vor allem, wie sich die Saugleistung über die Zeit verhält. Ohne Zyklon ist der Sauger mit frischem Filter am stärksten und lässt dann nach, je voller der Filter wird. Mit Zyklon startest du etwas niedriger und bleibst dafür lange auf diesem Niveau. Undichte Stellen kosten zusätzlich: Jede Falschluft fehlt am Werkzeug und stört den Wirbel.

1. Dichte Verbindungen. Jede Ritze zieht Falschluft. Besonders heikel ist der Behälter: Strömt dort Luft hinein, wirbelt sie den abgeschiedenen Staub auf und bläst ihn durch den Konus nach oben, direkt zum Sauger.
2. Stabiler Behälter. Der Behälter steht unter demselben Unterdruck wie der Zyklon. Gute Werkstattsauger schaffen bei verschlossenem Schlauch um die 250 mbar. Dünnwandige Eimer und Tonnen können da einknicken.
3. Rechtzeitig leeren. Leere den Behälter, bevor der Staub in die Nähe der Konusöffnung kommt. Sonst greift der Wirbel in den Staub, reißt ihn wieder mit, und er landet doch im Sauger.
4. Schläuche kurz halten. Jeder Meter Schlauch kostet Druck. Mehr Luft am Zyklon heißt mehr Tempo und damit eine bessere Abscheidung.

Wie viel Kraft der Unterdruck auf einen Deckel bringt, überrascht viele:

Das entspricht dem Gewicht von rund 180 kg, verteilt auf den ganzen Deckel. Behälter und Deckel müssen das aushalten, ohne sich zu verziehen, sonst werden auch die Dichtungen undicht.