Moderní metody čištění hydraulických olejů

Moderní metody čištění hydraulických olejů

Vhodně zvolená filtrace má za úkol zajistit jak správnou funkci jednotlivých prvků, tak jejich dlouhou životnost. Správně navržená a aplikovaná filtrace současně zajistí nenáročnou a levnou údržbu. Rovněž minimalizuje nepředvídatelné poruchy a z toho plynoucí výpadky výroby a navazující nutné opravy, zlepší celkovou hospodárnost, pohotovost i spolehlivost zařízení.

Způsoby čištění kapalin lze rozdělit na konvenční a jiné, například elektrostatické čištění kapalin. Mezi konvenční způsoby čištění patří zejména mechanické filtry, odstředivky a magnetické odlučovače. Odstředivky a magnetické odlučovače mají natolik specifickou oblast použití, že rozhodování o způsobu filtrace olejů se dnes většinou zužuje na použití buď mechanických filtrů, nebo zařízení pro elektrostatické čištění olejů. Magnetické odlučovače nečistot však dnes zažívají renesanci, proto jim věnujme přiměřenou pozornost.

Magnetické odlučovače

Celosvětově patentovaná metoda filtrace vyvinutá anglickou firmou Fluid Conditioning Systems Ltd. umožňuje zachytávat částice již o velikosti 0,07 mm díky silným permanentním magnetům tvaru lamel. Zachycují se především feromagnetické částice, ale i paramagnetické materiály (měď, bronz aj.). Vlivem adheze a jevu heterokoagulace mezi lamelami ulpívají i nemagnetické částice. Protože nečistoty se usazují mezi lamelami, nedochází k zanášení průtočných kanálů a tím ke zvýšení tlakové ztráty na filtru, která zůstává trvale nízká. Výhodou je velká jímavost filtru. Například filtr o hmotnosti 1,1 kg zachytí 190 g nečistot, filtr o hmotnosti 16,9 kg zachytí 4 kg nečistot. Nečistoty se z trnu s lamelami odstraní tlakovou vodou a magnetický trn se dá znovu použít. Magnetické odlučovače se hodí především k čištění chladicí emulze při obrábění kovů, zejména při broušení, nebo k čištění mazacího oleje v automobilovém motoru, ale mohly by pomoci k dokonalejší filtraci velkých objemů pracovní kapaliny v hydraulických systémech, například v hutních provozech.

Mechanické filtry

Funkce filtru je založena na zachycování nečistot průchodem kapaliny přes porézní materiál. Filtrační vložky jsou z různých materiálů a rozličných konstrukcí. V důsledku různé velikosti pórů není rozměr zachycených částic přesně ohraničen. Průmyslovými filtry se dnes zachycují částice nečistot o velikosti až 3 mm, u zvláště jemných filtrů i menší. Standardní je dnes filtrace částic o velikosti nad 10 mm. Platí nepřímá úměra: čím jemnější filtrace, tím dražší je filtrační vložka a tím častěji se musí vyměňovat.

Pro posouzení úrovně filtrace se používají dva pojmy - účinnost filtrace η_x a filtrační koeficient ß_x. Filtrační koeficient ß_x se stanovuje pomocí multi-pass testu jako

Účinnost filtrace η_x se vypočítává podle vztahu

kde x je velikost sledovaných částic v μm.

Účinnost filtrace je dána především materiálem a uspořádáním filtrační vložky. Filtrační vložky mohou zachycovat nečistoty povrchově nebo hloubkově. Výrobci nabízejí široký sortiment výrobků. Některé filtrační vložky se vyznačují až 100% zachycením nečistot. Standardem jsou hodnoty b₁₀ > 100 a h₁₀ > 99 %. Také zde platí: čím vyšší je účinnost filtrace, tím dražší je filtrační vložka.

Kromě výše uvedených sledovaných parametrů filtrace má velký význam jímavost filtru. Hodnotí se hmotností zachycených nečistot. Filtry se jmenovitým průtokem 100 dm³.min^-1 mívají jímavost kolem 20 g nečistot velikosti 10 až 20 μm, nebo asi 12 až 15 g nečistot velikosti 5 μm. Při překročení doporučené hodnoty jímavosti tlakový spád na filtru rychle roste.

Filtrace mechanickými filtry má několik výhod:

• filtr je součástí dodávky, jedinou povinností uživatele je včasná výměna filtrační vložky;
• náklady na výměnu filtračních vložek, zejména papírových, bývají poměrně nízké.

Elektrostatické čištění kapalin

Elektrostatické čištění kapalin (ELC - Electrostatic Liquid Cleaning) se zcela liší od dosud užívaných mechanických způsobů filtrace zejména tím, že se na nečistoty pohlíží z elektrického hlediska. Při tomto předpokladu existují pouze tři druhy nečistot:

• elektricky pozitivně nabité částice;
• elektricky negativně nabité částice;
• elektricky neutrální částice.

Jako základní princip odlučování částic využívají přístroje na elektrostatické čištění dva jevy obecně nazývané elektroforéza a dielektroforéza. Tyto jevy jsou založeny na fyzikálním principu Coulombova zákona.

Elektroforéza je jev, kdy pozitivně a negativně nabité částice v kapalině jsou přitahovány k elektrodám s opačnými náboji. Tak jsou elektrodami přitahovány částice feromagnetických látek, jako ocelový otěr, rez, okuje apod.

Při dielektroforéze dojde k deformaci elektrostatického pole a vytvoření oblasti s jeho největší intenzitou tak, že vložíme dielektrický materiál mezi elektrody. Elektrostatické pole pak působí na všechny druhy v oleji nerozpustných částic, bez ohledu na jejich druh, tvar a velikost.

Zařízení pro elektrostatické čištění olejů sestává z nádoby, v níž jsou elektrody a tzv. kolektory, vhodně tvarované vložky, na nichž se částice působením elektrostatických sil ukládají. Například jímavost kolektorů v nádobě o objemu 56 litrů dosahuje až 8,6 kg nečistot.

Nejvýraznější výhody elektrostatického čištění:

• odstraňuje částice již od velikosti 0,05 mm;
• jímavost kolektorů proti klasickým filtračním prvkům je řádově vyšší;
• tlaková ztráta na mechanických filtrech je vyšší než tlaková ztráta na kolektorech;
• odstraňuje všechny částice, které nejsou zcela rozpustné vhydraulickém oleji, tedy i kaly a jiné nečistoty, které mají stejnou měrnou hmotnost jako olej; aditiva, která jsou dokonale rozpustná voleji, zůstávají nedotčena.

Nejvýraznější nevýhody:

• je dražší než konvenční metody čištění;
• stanovení intervalů a optimální doby nasazení zařízení pro ELC je obtížné.

Protože uživatel posuzuje nejen kvalitu filtrace, ale i s ní spojené náklady, rozhoduje často o nasazení zařízení ELC ekonomická rozvaha.

Ekonomické porovnání obou metod

Do ekonomické rozvahy je třeba zahrnout fixní náklady (náklady na pořízení) a provozní náklady. Do provozních nákladů je nutno započítat náklady na výměnu filtračních vložek, náklady na výměnu oleje, náklady na pronájem zařízení pro ELC, náklady na spotřebu elektrické energie (na provoz zařízení pro ELC nebo na překonávání tlakové ztráty na filtru), prostoje a s nimi spojené náklady na vlastní výpadek produkce, diagnostiku poruchy stroje, opravu nebo výměnu poškozených hydraulických prvků, pomalejší najíždění strojů, pomalejší pohyb strojů, seřizování funkcí stroje na optimální pracovní podmínky, defektní výrobky a jejich náprava (po výpadku stroje a opětovném náběhu).

Na katedře hydromechaniky a hydraulických zařízení byla dvěma studentům oboru bakalářského studia zadána bakalářská práce na téma porovnání provozních nákladů při použití klasické mechanické filtrace a při použití zařízení ELC.

Porovnání první...

První student zahrnul do provozních nákladů jen první čtyři položky, tedy náklady na výměnu filtračních vložek, náklady na výměnu oleje, náklady na pronájem zařízení pro ELC a náklady na spotřebu elektrické energie. Pro zvolený obvod s klasickými prvky (hydraulický válec Æ 63/ Æ 36 mm řízený rozváděčem, hydrogenerátor 15 dm³.min^-1 o výkonu 8,6 kW, nádrž 100 dm³) bylo zjištěno, že náklady na ELC za 2 roky provozu činí 5112 Kč, náklady na klasickou mechanickou filtraci činí 3450 Kč, viz obr. 1.

Ve výpočtu bylo uvažováno s nasazením zařízení pro ELC vždy jednou za čtyři měsíce po dobu 5 dnů. Měření ukazují, že doba nasazení zařízení pro ELC se pohybuje od pěti dnů výše. Náklady na ELC by tedy mohly být i vyšší. Bez zahrnutí nákladů na poruchy, opravy, výpadky výroby atd. je dnes elektrostatické čištění olejů o něco dražší než klasická filtrace. Uvažujeme-li však s častější výměnou pracovní kapaliny v případě obvodu s mechanickými filtry, rozdíl se dále sníží (viz obr.1, kde po 48 měsících provozu došlo k výměně pracovní kapaliny u obvodu s mechanickými filtry). Se zahrnutím nákladů na odstraňování poruch, nákladů plynoucích z prostojů výroby atd. může být ekonomicky výhodnější použití zařízení ELC.

Obr. 1 Příklad porovnání vybraných provozních nákladů

... porovnání druhé 

Druhý student se zaměřil na stanovení optimální doby nasazení a intervalů nasazení zařízení pro ELC. Vybral si jako příklad jeden případ z praxe. Jde o hydraulický systém stroje s proporcionálním řízením a olejovou náplní 1500 dm³ (olej HLP viskozní třídy VG 46). Tento hydraulický systém pracuje ve velmi prašném prostředí zpracovatelského surovinového průmyslu, a přestože je na toto prostředí konstruován, dochází ke značnému znečištění olejové náplně. Provoz je nepřetržitý a případné odstávky stroje lze vyčíslit v řádu statisíců korun za hodinu.

V roce 2001 bylo zahájeno pravidelné sledování čistoty pracovní kapaliny, a výsledek je uveden v grafu na obr. 2. V čase odpovídajícím měření 3 došlo k poruše a po ní k nasazení zařízení ELC. Totéž se opakovalo v čase 8, celkem za rok pětkrát. Trend znečištění stále stoupá.

Obr. 2 Výsledky měření podílu nečistot v průběhu roku 2001

V roce 2002 byly doby nasazení zařízení ELC prodlouženy, nedošlo k žádné poruše, avšak trend znečištění stále stoupá a jen otázkou času, kdy dojde k poruše - viz obr. 3.

Obr. 2 Výsledky měření podílu nečistot v průběhu roku 2002

V roce 2003 byly doby nasazení zařízení ELC dále prodlouženy a trend znečištění se obrátil - viz obr. 4. Na zařízení nedošlo k žádné poruše.

Obr. 3 Výsledky měření podílu nečistot v průběhu roku 2003

Z ukázky vyplývá, že optimální intervaly a doby nasazení ELC lze zjistit až za provozu pravidelným dlouhodobým sledováním trendu znečištění a úpravou intervalů a doby nasazení zařízení ELC.

Při aplikaci zařízení pro elektrostatické čištění olejů na znečistěný obvod s usazeninami na stěnách potrubí a nádrže je třeba vědět, že olejová náplň se vyčistí poměrně rychle, například během dvou dnů, ale úsady ze stěn se rozpouštějí a odstraňují pomalu. V těchto případech je třeba alespoň zpočátku nasazovat zařízení ELC v kratších intervalech a po delší dobu.

Například u hydraulického agregátu používaného ve školní laboratoři katedry hydromechaniky a hydraulických zařízení na VŠB-TU Ostrava bylo aplikováno zařízení ELC po dobu pěti dnů. Hydraulický agregát obsahuje 200 l oleje OH-HM 32. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce.

Již během dvou hodin filtrace se podařilo zvýšit čistotu kapaliny z třídy 6 na třídu 5, po pěti dnech dokonce na třídu 3. Tato hodnota se však v průběhu dalšího půl roku zvýšila na původní hodnotu, třebaže zařízení během této doby bylo v provozu jen pár hodin při laboratorních cvičeních studentů. Docházelo však k uvolňování nečistot z obvodu a úsad ze stěn potrubí a nádrže.

Doc. Ing. Bohuslav Pavlok, CSc.

Literatura

Richtárová, J.: Porovnání klasické filtrační techniky a elektrostatického čištění kapalin. Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení, Fakulta strojní VŠB-TU Ostrava, 2004, 49 s. (Bakalářská práce, vedoucí Pavlok, B.).

Morávek, M.: Elektrostatické čistění kapalin a jeho vztah k proaktivní údržbě hydraulických zařízení. Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení, Fakulta strojní VŠB-TU Ostrava, 2005, 50 s. (Bakalářská práce, vedoucí Pavlok, B.).

Chvalina, V.: Příklad řešení čistoty pracovních kapalin - olejů. In Hydraulika a pneumatika 2003. Častá-Píla: ŽU v Žiline, 2003, str. 59 - 63. ISBN 80-968961-0-5.

VŠB-TU Ostrava

bohuslav.pavlok@vsb.cz

www.vsb.cz