Jak odsávat a filtrovat olejové mlhoviny a emulzní aerosoly?

Obráběcí stroje jsou již celkem běžně osazovány nejrůznějšími systémy pro odsávání a filtraci olejové mlhoviny či emulzního aerosolu, často je ale volbě těchto doplňkových zařízení věnována mnohem menší pozornost, než by bylo potřebné. Výsledkem pak může být nedostatečná kapacita nebo snížená účinnost, aniž by na vině byla vlastní filtrační jednotka – pouze je prostě použita nesprávná technologie filtrace nebo nevhodný princip.

Pojďme si shrnout body, které by si měl projít každý pracovník předtím, než se pustí do projektu odsávání a filtrace.

Zásadně mylný je názor, že lze dlouhodobě, s vysokou účinností a s malými provozními náklady jedním filtračním systémem odsávat stroj, na kterém se střídá suché obrábění s obráběním pod emulzí či olejem. Pro každý typ vzdušniny se používá zcela jiný filtrační princip – pokud se na skládaný povrch filtračních patron pro odsávání prachu pustí kapalina, zalepí se a zničí se. Pokud se do odlučovače vlhké vzdušniny nechá nasát suchý prach, rychle se zablokuje a přestane plnit svoji funkci. Pro stroje, uvažované pro práci v tomto dvojím režimu, existuje bohužel jediné dlouhodobě funkční řešení – osadit je dvěma filtračními systémy, které se mohou spínat i zcela automaticky v závislosti na NC programu; toto řešení nabízí například pražská firma Wemac.

Velmi dobrá otázka, na kterou neexistuje zcela jednoznačná odpověď. Obě varianty mají své příznivce, nicméně trendy posledních let spíše hovoří ve prospěch semilokálních nebo ještě spíše lokálních instalací.

• Flexibilita – až překvapivě často dochází v současných (zejména mezinárodních) výrobních firmách ke změnám rozestavění obráběcích strojů. Pokud je stroj osazen lokálním filtračním systémem, je tato úloha snadná, v případě centrálního řešení je však často třeba zhotovit kompletně nové potrubní sací rozvody

• Nároky na prostor – výrobní firmy zcela běžně využívají své výrobní prostory na maximum a často bývá velmi obtížné najít místo pro ustavení poměrně velké centrální jednotky. Dalším problémem je pak potrubní sací rozvod. Musíme si uvědomit, že již při kapacitě cca 8 000 m³.hod-1 (což může představovat např. pouhá čtyři mírně větší obráběcí centra) je na vstupu do filtrační věže potřebné sací potrubí o průměru 400 až 500 mm, které nesmí nikde překážet a které se postupně větví na menší průměry směrem k odsávaným strojům. Toto potrubí se obvykle věší pod strop, kde je však již obvykle mnoho jiných rozvodů elektrické energie, vzduchu apod.

• Riziko závady – je velký rozdíl, zda ve výrobní hale z důvodů poruchy vypadne jeden z mnoha malých lokálních systémů, nebo zda dojde k fatálnímu přerušení funkce velké centrální jednotky, kdy se začne pracovní prostředí v hale okamžitě prudce zhoršovat.

• Snadnější údržba – pro pracovníky údržby je mnohem snazší postupovat při pravidelné údržbě ve výrobní hale blokově krok za krokem a krátkodobě vypínat jeden stroj za druhým. Údržba velkých centrálních systémů se obvykle provádí s ohledem na její náročnost najednou např. v době celozávodních dovolených. Velkým problémem je pochopitelně údržba sacího potrubí, které může být již po velmi krátké době silně zanesené, jeho průměr se tím neustále zmenšuje a tím klesá i úroveň odsávání. Na druhé straně je ale pravda, že v případě centrálního řešení je technická údržba a kontrola filtračního systému soustředěna na jednom jediném místě – tento bod je tedy třeba posuzovat individuálně.

• Energetická náročnost – motor ventilátoru centrální jednotky musí vykrýt i ztráty v sacím potrubí. Ovšem to nemusí platit vždy. Velká centrální jednotka může být (a měla by být) již vybavena frekvenčním měničem, který umožňuje změnu otáček ventilátoru a tím i změnu průtoku, což znamená, že např. při zcela nových filtračních elementech, kdy je jejich průchodnost nejlepší, lze tímto opatřením docílit značné úspory elektrické energie. Osazovat malé lokální jednotky frekvenčními měniči je sice technicky možné, ale vysoce neekonomické.

• Nutnost celkové vyšší kapacity – s ohledem na ztráty v sacím potrubí musí být centrální jednotka silněji dimenzována, než je součet potřebné kapacity průtoku jednotlivých lokálních jednotek. To ale nemusí platit v takových provozech, kde stroje pracují převážně v bezobslužném provozu (např. soustružnické automaty, pracující z tyčového materiálu) a prakticky nikdy nemůže dojít k tomu, aby se dveře všech těchto strojů otevřely najednou (výpočet potřebné kapacity metodou celkové otevřené plochy, viz dále). V takových provozech může být naopak dosaženo nižší celkové kapacity, než by byl součet kapacity všech lokálních odlučovačů.

• Možnost postupného osazování strojního parku – rozložení finančních nákladů do delšího časového období je bezpochyby též jedním z důvodů, proč výrobní firmy dávají přednost lokálním instalacím. Rovněž nákup a následné lokální osazení nového stroje je snadné, zatímco jeho napojení na stávající centrální systém je velmi problematický, protože každý centrální systém je nějakým způsobem vyprojektován a dimenzován pro určitou celkovou kapacitu

Je bohužel smutná pravda, že v řadě případů je pro pořízení vhodného filtračního systému rozhodující pouze a jen cena. To je sice pochopitelně jeden z důležitých parametrů, neměl by však být ten hlavní. Problém spočívá v tom, že aerosol, produkovaný při obrábění, může mít diametrálně rozdílné parametry, především z hlediska koncentrace, teploty a objemového složení. Zatímco vzdušninu o typické teplotě cca 40 °C, koncentraci okolo 10 mg.m-³ a složení převážně z částic o velikosti 1–10 mikrometrů (to je například typická vzdušnina na obráběcím stroji bez vysokotlakého chlazení, který příliš nehrubuje nebo obrábí neželezné kovy) dokáže velmi uspokojivě zpracovat kdejaký jednoduchý filtrační princip, se vzdušninou o koncentraci 150 mg.m-³, teplotě 65 °C a složení převážně z částic menších než jeden mikrometr (např. vysoce produkční technologie s vysokými otáčkami nástrojů, velkými úběry, vysokými tlaky chladicích kapalin) si umí poradit pouze systémy několika světových firem.

Pokud se tuto komplikovanou vzdušninu pokusíte odsávat jednoduchým levným filtračním systémem, docílíte buď extrémních provozních nákladů (filtrační elementy se budou zanášet neskutečně rychle), nebo toho, že z filtrační jednotky se stane tovární komín, ze kterého se budou velkou rychlostí valit oblaka aerosolu či olejového kouře.

Pro odsávání a filtraci aerosolů dnes v zásadě existují čtyři základní principy filtrace:

• Systémy s pasivními filtračními prvky, kterými postupně vzduch prochází – výhodou těchto principů je obvykle pořizovací cena, nevýhodou vysoké provozní náklady. Aerosol postupně prochází sestavou stále jemnějších filtračních materiálů, které krok za krokem zachycují částice různé velikosti. Tím se ovšem tyto pasivní prvky postupně zanášejí, a pokud nejsou pravidelně měněny či čištěny, rychle zablokují proudění vzduchu. Na složitější typy vzdušnin se nehodí.

• Elektrostatické odlučovače – princip tohoto filtračního systému spočívá v tom, že částice aerosolu nejprve získají při průletu vysokonapěťovou jednotkou náboj a poté prolétají komorou, kde jsou umístěny sběrné lamely s opačným nábojem. Částice jsou tak k povrchu sběrných lamel přitahovány. Problémem je klesající účinnost tak, jak se postupně sběrné lamely zanášejí. Pro vyšší vstupní koncentrace (cca 20 mg.m-³ a více) se tento filtrační princip nehodí, protože částic je příliš mnoho a nestačí se zachytit. Diskutabilní obvykle též bývá provozní spolehlivost – elektrické vysokonapěťové prostředí odlučovače se obvykle příliš nesnáší zejména s emulzními aerosoly na vodní bázi.

• Odstředivé odlučovače – dnes pravděpodobně nejrozšířenější princip. K oddělení částice emulze/oleje dochází na fyzikálním principu v odstředivé separační komoře. Odstředivé odlučovače jsou malé, lehké, vysoce spolehlivé (protože jsou jednoduché) a provozně nenáročné a pro základní typy vzdušnin jsou optimální volbou, protože dosahují překvapivě dobrých účinností. Nevýhodou jsou kapacitní limity; s ohledem na konstrukci sestavy jsou maximální průtoky pouze cca 3 000 m³.hod^-1 (cca 10–12 m³ odsávaného prostoru stroje).

• Systémy s aktivními filtračními prvky – dnes asi nejdokonalejší filtrační princip. Vzduch postupně prochází jednotlivými filtračními stupni, ale na rozdíl od systémů s pasivními elementy jsou tyto jednotky schopny samočištění, resp. samodrenáže. Tyto systémy dosahují vynikající úrovně filtrace a až neuvěřitelných životností interních filtračních elementů (až v řádu několika let), a to i pro nejnáročnější typy vzdušnin.

Pokud bylo rozhodnuto o výše uvedených koncepčních bodech, je třeba ještě stanovit správně potřebnou kapacitu centrálního systému, resp. lokálních jednotek. To se u krytovaných strojů stanovuje obvykle podle velikosti vnitřního prostoru daného stroje. U otevřených strojů je výpočet jen o něco složitější.

Existuje pochopitelně celá řada dalších, velmi důležitých kritérií, které je třeba vzít při návrhu vhodného filtračního principu v úvahu (v neposlední řadě i „reputaci“ potenciálního dodavatele a jeho schopnost reagovat v krizových situacích), ale tento článek neměl za cíl předložit kompletní teorii a nauku o odsávání aerosolů – jen upozornit, že i realizace této zdánlivě okrajové a doplňkové problematiky může být zapeklitá a komplikovaná a měla by být řešena kompetentními odborníky komplexně.

David Kratochvíl