Jak zvolit princip filtrace?

V posledních dvou vydáních MM Průmyslového spektra jsme uvedli seriál, který pojednává o olejových a emulzních mlhovinách vznikajících při obrábění, o možnostech odsávání těchto mlhovin a dostupných filtračních systémech. V tomto posledním dílu seriálu se podíváme na kritéria při výběru vhodného filtračního zařízení.

V první řadě je třeba rozlišit, jaký typ stroje nebo procesu má být odsáván – je velký rozdíl, zda zvažujeme odsávat stroj s plným krytováním, nebo stroj bez krytování. Stroj s plným krytováním se odsává mnohem snáze, protože aerosol se hromadí pouze ve vnitřním pracovním prostoru stroje a filtrační zařízení se dimenzuje tak, aby uvnitř byla zaručena dostatečná periodická výměna vzduchu. V zásadě pro plně krytované stroje existují dva způsoby, jak stanovit potřebnou kapacitu filtračního zařízení – buď se vychází z objemu odsávaného pracovního prostoru, nebo se hodnotí velikost plochy otevíraných dveří nebo střechy stroje tak, aby nemohlo k úniku aerosolu těmito otvory docházet.

V prvním případě se pro výpočet používá empirická konstanta, která stanovuje, kolikrát se za daný časový úsek musí ve stroji vyměnit vzduch. Tato konstanta není pro všechna filtrační zařízení stejná; někteří výrobci doporučují výměnu vzduchu šestkrát za minutu, někteří pouze čtyřikrát. Pro názornost a pochopení metody použijme následující příklad:

Vnitřní rozměry stroje jsou 1,5 x 1,5 x 1,5 m s celkovým odsávaným objemem 3,375 m³. Má-li se vyměnit vzduch ve stroji šestkrát za minutu, je potřebná hodinová kapacita 3,375 x 6 x 60 = 1 215 m³.hod^-1. Celková potřebná kapacita vhodného filtračního zařízení by tedy podle této metodiky neměla být menší než 1 215 m³.hod^-1.

Čím větší stroj je, tím je šíření aerosolu pomalejší. Například u velkých obráběcích center se do některých rohů aerosol ani nedostává, protože je vyvíjen zhruba ve středu odsávaného prostoru na styku nástroje s obrobkem. V takovém případě lze zadat, aby se výměna vzduchu ve stroji provedla například jen čtyřikrát.

Ve druhém případě se vychází z požadavku, aby ze stroje ani v případě úplně otevřených dveří (které často kvůli nakládání obrobků jeřábem zasahují až do střechy) neunikal po jejich otevření žádný aerosol do prostředí výrobní haly. Tento postup se doporučuje pro rozměrné stroje, kde by čistě kapacitní výpočet podle předchozího vzorce přinášel požadavek obrovských kapacit. Postup výpočtu je v takovém případě následující:

Celková max. otevřená plocha je 2,2 m² (dveře 1,0 x 1,2 m = 1,2 m² + střecha 1,0 x 1,0 m = 1 m²). Z praxe je doporučeno, aby rychlost proudění vzduchu v uvažovaném otevření byla zhruba 0,3 až 0,5 m.s-1. Pokud použijeme nižší hodnotu, je potřebná kapacita (opět v hodinách) 2,2 x 0,3 x 3 600 = 2 378 m³.hod^-1. Celková potřebná kapacita vhodného zařízení podle tohoto výpočtu by tedy neměla být menší než 2 378 m³.hod^-1.

Jednoduchým porovnáním lze posoudit, která varianta je pro daný konkrétní příklad lepší. Například pokud vezmeme v úvahu fakt, že velikost otevřených dveří + střechy bude konstantně 10 m², vycházejí při porovnání obou postupů hodnoty uvedené v tabulce.

Při návrhu je ovšem třeba posuzovat i další faktory – jak dlouhý je např. pracovní cyklus, zda obsluha dveře stroje otevírá ihned po dokončení cyklu atd.

Složitější je odsávání a filtrace u zcela otevřených strojů. U malých strojů, jakými jsou např. klasické hrotové nebo rovinné brusky běžné velikosti, lze situaci řešit odlučovači s kapacitou cca 1 500–2000 m³.hod^-1. Odlučovač je obvykle umístěn za strojem s tím, že vhodný koncový prvek se upevní co nejblíže ke zdroji znečištění (obr. 1), nebo se stroj alespoň částečně dokrytuje či vybaví vhodnou sací digestoří (obr. 2):

Mnohem větší problém je u velkých otevřených strojů – vodorovných vyvrtávaček nebo karuselů. Aby tyto stroje mohly být efektivně odsávány, byly by nezbytné filtrační systémy obrovských kapacit. Pro tyto účely lze však s dobrými výsledky používat princip tzv. vzduchové clony. Spočívá v tom, že na vhodné místo stroje se umístí zvláštní potrubí osazené speciálními směrovými tryskami a samostatným ventilátorem. Ten žene do trysek vzduch, který z nich proudí požadovaným směrem potřebnou rychlostí. To vyvolá dvojí efekt – jednak vzduchová clona „uzavírá“ určitý prostor (jakoby nahrazuje pevné krytování) a brání tak aerosolu v šíření nežádoucím směrem, jednak kontaminovanou vzdušninu směřuje k místu, ve kterém je přes sací přírubu odsávána. Princip vzduchových clon lze s úspěchem využívat i u velmi objemných strojů s plným krytováním, kde lze dosáhnout až padesátiprocentní úspory z pořizovací ceny vlastního filtračního zařízení díky mnohem nižším požadavkům na celkovou kapacitu. Návrh a kapacitní výpočet vzduchových clon je však poměrně složitý a musí být vždy navrhován individuálně tak, aby přesně odpovídal technickému zadání a okolnostem provozu.

Velmi záludným parametrem pro správný návrh vhodného filtračního systému je složení odsávané vzdušniny. Je záludný proto, že jeden model odlučovače může v deseti případech zcela vyhovět a po jedenácté naprosto z hlediska účinnosti selže a problém je právě ve skladbě odsávaného aerosolu.

Vždy je třeba především vyhodnotit, jaká je vstupní koncentrace částic ve vzdušnině a jaká je jejich velikostní skladba.

Odsávanou vzdušninu, která se nejčastěji objevuje ve výrobních podnicích během procesů obrábění (a tváření), lze pro jednoduchost rozdělit do následujících čtyř kategorií, přičemž volba vhodného filtračního systému se zužuje s tím, jak roste náročnost procesu filtrace (obr. 4):

a) Základna pyramidy – klasická olejová mlhovina nebo emulzní aerosol

Jedná se o standardní mlhovinu, která se vytváří v pracovním prostoru obráběcích strojů při běžných technologických operacích. Mlhovina má nízkou teplotu (do 40 °C až 50 °C) a je v převážné většině složena z částic o velikosti 0,5–10 mikrometrů, přičemž obvyklá koncentrace nepřesahuje 10 mg.m-³. Pro tuto jednoduchou vzdušninu existuje velmi mnoho filtračních principů – dynamické, resp. odstředivé separátory, mechanické filtry, elektrostatické odlučovače, kaskádové věže s výměnnými pasivními elementy, nebo dokonce cyklonové filtry. Zpracovat tuto vzdušninu je relativně snadné.

b) Olejová mlhovina nebo emulzní aerosol s vyšší koncentrací částic do cca 15–20 mg.m-³

V řadě případů je však odsávaná vzdušnina problematičtější – příkladem je např. pracovní cyklus, který obsahuje operace hrubování. Během hrubování může docházet k lokálnímu přehřátí třísky a k jejímu pálení, což způsobí to, že v aerosolu se objevují řádově menší částice kouře. Rovněž v případě strojů s vysokotlakým chlazením je třeba mít se na pozoru – při určitých operacích je vzdušnina silně koncentrovaná, a navíc převážně obsahuje pouze submikronové částice. Čistě mechanické jednotky jsou v tomto případě fakticky neúčinné, protože nedokážou naplnit limity normy. Dobře pracují odstředivé odlučovače i elektrostatické filtry a pochopitelně filtrační systémy vyšších tříd.

c) Olejová mlhovina nebo emulzní aerosol s vysokou koncentrací částic do 40 mg.m-³

Technologický vývoj poslední doby nabídl uživatelům strojů dříve nemyslitelné parametry otáček vřetena, vysoké tlaky chladicích kapalin, mimořádné řezné podmínky. S tím ovšem úzce souvisí i požadavek na vysoce kvalitní filtrační systémy, které musejí být schopny zpracovat poměrně vysoce koncentrovanou vzdušninu, která je navíc prakticky celá složená z ultrajemných částic o velikosti do jednoho mikrometru. Výběr dodavatele filtračního systému pro tuto kategorii je již poměrně úzký.

d) Vrchol pyramidy – olejové a emulzní mlhoviny a kouře s vysokou koncentrací částic přes 40 mg.m-³

Pro takto koncentrovanou vzdušninu je volba již poměrně jednoduchá – ve špičce pyramidy se pohybují již jen dvě tři světové firmy, které jsou schopny si s tímto typem vzdušniny poradit. Tato vzdušnina vzniká při nejtěžším obrábění pod olejem, při tepelném zpracování, při tváření nakonzervovaných součástí nebo při rychlém indukčním vyhřívání dílců před dalším zpracováním. Odsávaná vzdušnina je velmi komplikovaná – bývá teplejší, obsahuje velmi široké spektrum částic od těch nejmenších o velikosti v setinách mikrometru až po částice desítky mikrometrů veliké, vývin vzdušniny je často dynamický (typicky např. u strojů tlakového lití). Dobrou volbou jsou filtrační věže švédské firmy Absolent, která se na tyto typy vzdušnin specializuje. Řada A Smoke obsahuje sestavu vysoce robustních a výkonných filtračních elementů, které garantují vysokou úroveň výstupního vzduchu (obvykle na výstupu tisíciny mg.m-³nebo méně), a to při garantované životnosti obvykle v řádu nikoliv měsíců, ale let.

Tento parametr je rovněž zásadní pro návrh vhodného principu filtrace. Jak je uvedeno výše, běžná vzdušnina je složena převážně z částic o velikosti 0,5 µm až 10 µm. Větších částic bývá v typickém aerosolu až 98 procent.

Vlivem různých parametrů řezného procesu (typem chladicí kapaliny, pracovním tlakem chladicí kapaliny, typem obráběného materiálu, velikostí otáček vřetena, resp. polotovaru apod.) však může dojít k tomu, že prudce naroste podíl částic v rozmezí 0,1 µm až 0,5 µm. Překvapivě právě částice o velikosti 0,3 mikrometru se nejhůře zachycují, hůře než částice menší a pochopitelně hůře než všechny částice větší (obr. 5).

Pro takto složenou vzdušninu, která bývá obvykle též vysoce koncentrovaná, již nelze uvažovat základní principy filtrace, jako jsou odstředivé separátory nebo elektrostatické filtry. Jediným možným principem z hlediska dlouhodobé vyrovnané a cenově přijatelné účinnosti jsou specializovaná filtrační rouna doplněná HEPA filtry. Částice ulpívají ve filtračním materiálu jedním ze způsobů uvedených v tabulce (s využitím podkladů fy Vokesair).

Pokud vyneseme všechny výše uvedené metody ulpívání částic ve filtračním materiálu do grafu závislosti mezi velikostí částic a celkovou účinností filtrace, obdržíme diagram na obr. 6.

Výše uvedené skutečnosti vysvětlují, proč je analýza odsávaných vzdušnin velmi důležitá. Jak celková kapacita průtoku, tak i použitá metoda filtrace jsou zásadními technickými kritérii pro návrh vhodného filtračního systému, který je v civilizovaných zemích běžnou výbavou strojírenských podniků.

Ing. David Kratochvíl