Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Principy filtrace olejových a emulzních mlhovin
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Principy filtrace olejových a emulzních mlhovin

Problém tvorby emulzního a olejového aerosolu vznikl teprve v sedmdesátých až osmdesátých letech minulého století, kdy obráběcí stroje začaly být osazovány vřeteny s vysokými otáčkami, systémy chlazení s vyššími pracovními tlaky a s nástupem nástrojů s vnitřním chlazením. To vyvolalo nejprve potřebu plného krytování obráběcích strojů a následně nezbytnost odsávání a filtrace vnitřního prostoru stroje, protože aerosol (v podstatě velmi lehká a teplá vzdušnina) měl tendenci unikat všemi otvory ze stroje ven a nejvíce přímo ohrožoval pracovníka, který po ukončení pracovního cyklu stroje musel otevřít dveře stroje, aby mohl vyměnit obrobek.

Přinášíme vám další díl seriálu pojednávajícího o odsávání a filtraci aerosolů a mlhovin vznikajících při procesech obrábění, tepelném zpracování apod. Zjistíte, jaké jsou filtrační systémy, které jsou nejpoužívanější a které jsou náročné na prostor či údržbu.


!OBR 1: Schéma filtračního systému s pasivními elementy


!OBR 2: Schéma činnosti elektrostatického filtru


OBR 3: Dvoukomorový odlučovač Bristol

 

 

Pro odsávání a filtraci aerosolů se nejprve začaly používat do té doby známé filtrační principy, běžně používané v jiných oblastech průmyslu pro filtraci prachu a jiných látek: především kaskádové filtrační systémy s několika pasivními filtračními elementy a dále pak (především v německy mluvících zemích) elektrostatické filtry. Brzy se však objevily další principy – hlavně dnes nejrozšířenější dynamické separátory (odstředivé filtrační jednotky) a filtrační systémy s aktivními kazetami.

 

Filtrační systémy s pasivními filtračními elementy


Tyto filtrační systémy jsou složeny z několika filtračních stupňů, jimiž postupně znečištěný vzduch prochází, přičemž některé z elementů mohou být omyvatelné. První stupeň zachytává největší částice, poslední stupeň – obvykle tzv. HEPA filtr – je určen pro částice nejmenší. Uvedený systém má zásadní problém – je z hlediska údržby velmi náročný na disciplínu obsluhy a provozně nákladný. Jednotlivé pasivní elementy se postupně zanášejí a tím klesá jejich propustnost. V určitý okamžik již ventilátor nedokáže překonat odpor zanesených prvků a průtok vzduchu klesá. Pokud v tento okamžik neprovede pracovník údržby vyčištění nebo výměnu filtračních elementů, může dojít až k úplnému zablokování filtračního zařízení. Tento princip má nízkou pořizovací cenu, ale provozní náklady jsou vysoké – a čím je odsávaná vzdušnina komplikovanější (čím více submikronových částic obsahuje), tím jsou náklady vyšší.


Princip filtrace dynamického odlučovače

Elektrostatické odlučovače

V elektrostatickém odlučovači prochází kontaminovaná vzdušnina nejprve jedním nebo dvěma mechanickými předfiltry, které zachytí největší nečistoty. Poté částice prolétávají přes vysokonapěťovou ionizační komoru (15 000–20 000 V), kde získají kladný náboj. Z ionizační komory nalétají do sběrné komory, kde díky získanému náboji během průletu ulpívají na sběrných lamelách. Účinnost elektrostatických odlučovačů je velmi vysoká za předpokladu, že sběrné lamely jsou čisté. Pokud se lamely pokryjí vrstvou částic, účinnost odlučovače výrazně klesá. Jakmile je navíc překročeno určité množství zachycených částic, může docházet ke vzniku oblouku a k jiskření, jehož přímým důsledkem je tvorba zdraví škodlivého ozonu. Proto musejí být elektrostatické odlučovače vybaveny ne právě jednoduchým systémem sledování zanesení sběrných lamel s odpovídající indikací a musejí být často a důkladně čištěny. Čištění sběrných lamel je poměrně složité ‒hmota, která na nich ulpívá, je podobná např. napečenému oleji po grilování a k jejímu odstranění je nutná tlaková voda a rozpouštědlo. Je tedy nutno přihlížet i ke správě kontaminované vody použité pro čištění, která rovněž zatěžuje životní prostředí.


Porovnání dlouhodobé účinnosti různých filtračních systémů

Elektrostatické odlučovače jsou nezastupitelné tam, kde se jedná o separaci suchých prachových částic velmi malých rozměrů (cca 0,1 až 1 mikrometr). Byla vyvinuta zařízení i pro eliminaci průmyslového aerosolu, která však s ohledem na svou vyšší technickou složitost a nároky na údržbu trpí mnoha neduhy, zejména při aplikacích odsávání emulzního aerosolu (přítomnost vody v blízkosti vysokonapěťových komponent představuje značné riziko, filtrace čistě olejové mlhoviny nebývá tak problematická).

Účinnost elektrostatického odlučovače

Problémem elektrostatických odlučovačů jsou také vzdušniny, kde je koncentrace částic vyšší než 20 mg.m-³. Pro to, aby částice měla čas se zachytit na sběrné lamele a tím bylo dosaženo i vysoké účinnosti odlučovače, musejí být splněny zejména následující podmínky:

• relativně nízká rychlost proudění vzduchu;
• dostatečně dlouhá dráha letu ve sběrné komoře;
• dostatečná velikost částice – u těch nejmenších převažuje vliv proudění vzduchu nad přitažlivostí, vyvolanou el. nábojem.

Čím vyšší je koncentrace submikronových částic v odsávané vzdušnině, tím obtížnější je výše uvedených podmínek dosáhnout. Řešením může být odlučovač se dvěma nebo více sběrnými komorami, ale pro dosažení optimální účinnosti u náročnějších typů vzdušnin by zařízení muselo být značně velké. Pro aplikaci na lehkých aerosolech je elektrostatický filtr příliš nákladný a náročný na údržbu a v této kategorii dnes existují levnější a spolehlivější principy.


Příklady aplikací odstředivých odlučovačů

Dynamické odstředivé separátory

Odstředivé odlučovače jsou v současné době pravděpodobně nejrozšířenějším a nejpoužívanějším principem odsávání a filtrace aerosolů v kovoprůmyslu. Jsou malé, lehké, nenáročné na údržbu, cenově přijatelné a v oblasti typických aerosolů s koncentrací do 10 mg.m-³ dosahují velmi dobré účinnosti. Existuje celá řada výrobců ‒ tím vedoucím výrobcem v oboru je zřejmě britská firma Filtermist. Odstředivé odlučovače jsou postaveny na principu separace díky využití rozdílných hmotností částic chladiva a vzduchu, které fakticky aerosol tvoří. Uvnitř odlučovače rotuje velkou rychlostí separační buben, který nasává pomocí vnitřních zakřivených lopatek kontaminovaný vzduch. Při nárazu částic na lopatky bubnu dochází k vlastnímu efektu oddělení molekul vzduchu a částic použitého média. Odloučené médium pak prochází technologickými vložkami, ve kterých se ultrajemné submikronové částice opět slučují do kapek větší velikosti a hmotnosti a ty pak procházejí perforací bubnu na vnitřní plochu vnějšího pláště odlučovače. Zde vlivem proudění vzduchu odloučené médium již ve formě kapaliny stoupá až do sběrné drážky, odkud je pak odváděno odpadní hadicí na libovolné místo podle potřeby.

Funkce technologických vložek

Zmiňované technologické vložky tedy nemají za cíl odloučené médium zachytávat jako klasický pasivní filtrační prvek, pouze napomáhají procesu separace. Další funkcí vložek je snížení hladiny hluku, který je vytvářen proudícím vzduchem. Tyto vložky (čtyři kusy ve vlastní separační komoře a další dvě zvukověizolační vložky na výfuku z odlučovače) představují jediný spotřební materiál, který je potřeba vyměňovat. Vzhledem k tomu, že se nejedná o elementy zachytávající odloučené médium, je jejich životnost většinou delší než jeden rok.

Zásadní výhodou odstředivých odlučovačů je právě jejich poměrně rovnoměrná a stálá účinnost. Porovnání dlouhodobé účinnosti odstředivého odlučovače a kaskádového filtru s pasivními prvky nebo elektrostatického separátoru ukazuje graf. Zatímco odstředivý odlučovač a systém s aktivními prvky (viz dále) za normálních podmínek vykazuje jen nepatrně klesající účinnost, zbývající dva principy ve své účinnosti značně kolísají – spodní hroty červené linie představují okamžik, kdy je nutná výměna pasivních filtračních komponent nebo provedení zásadní údržby.

Filtrační věže s aktivními filtry

Někteří výrobci využívají princip kaskádové filtrace, jehož výhodou je možnost sestavení filtračních jednotek s obrovskými kapacitami, a zároveň používají speciální typy aktivních filtračních prvků – tedy takové elementy, které se po dosažení určitého stupně nasycení začnou samovolně nebo nuceně čistit. Mezi ně především patří švédská firma Absolent, která se zabývá vývojem a výrobou filtračních věží pro nejtěžší aplikace – vzdušniny, které jsou složeny převážně ze submikronových částic a s koncentracemi až 150–200 mg.m-³ a více. Tyto vzdušniny produkují nejtěžší procesy obrábění, procesy kalení, tepelného zpracování, indukčního předehřívání silně olejem konzervovaných součástí apod.

Princip aktivních filtrů

Díky použití aktivních filtračních kazet se schopností samočištění je životnost těchto elementů velmi dlouhá, často až několik roků. Každá filtrační věž Absolent je vybavena prvním a druhým filtračním stupněm – aktivní kazetou, která je složena ze skládaného filtračního rouna, neseného kovovými lamelami. Toto rouno se sestavuje vždy z několika různých vrstev a navrhuje se tak, aby přesně odpovídalo charakteru odsávané vzdušniny. Jakmile začne filtrační věž odsávat vzdušninu, savý materiál filtračního rouna začne absorbovat částice aerosolu. Po dosažení určité úrovně nasáknutí se ale v rounu začnou částice samovolně slučovat do kapek a přirozeně stékat do sběrné nádrže. Díky tomuto principu samodrenáže zůstává aktivní kazeta stále průchozí a nehrozí zablokování průchodu vzduchu přes celou filtrační kaskádu věže. Aby životnost všech filtračních elementů byla dlouhodobě vyrovnaná, jsou filtrační věže Absolent navrženy tak, aby první filtrační kazeta zachytila až 80 % všech částic odsávané vzdušniny, druhá filtrační kazeta cca 18,5 % částic tak, aby do finálního HEPA filtru (třetí stupeň filtrace) vstupovala jen nepatrná zbývající část těch nejjemnějších částic.

Finální filtr

V předchozím textu několikrát zazněl termín HEPA filtr, někdy též nazývaný jako „absolutní“ filtr. Jedná se o prvek, zhotovený z jasně definovaného filtračního materiálu, který je zařazen podle normy do určité kategorie.


Schéma filtrační věže s aktivními filtry

Obvykle používaný HEPA (high efficiency particulate air filter) filtr bývá nejčastěji třídy H13, což podle normy ČSN EN 1822 znamená, že částice o velikosti 0,01 µm jsou zachycovány s účinností cca 99,95 %. Jedná se tedy o filtrační element, který by měl být určen pro zachytávání pouze těch nejjemnějších částic.

Jaký filtrační princip zvolit?

Při volbě vhodného filtračního zařízení je třeba posuzovat především následující parametry, přičemž z technického hlediska jsou nejdůležitější první dva:

1. potřebná kapacita filtračního zařízení;
2. složení odsávané vzdušniny, koncentrace a zároveň i velikostní skladba obsažených částic,;
3. možnosti umístění a připojení uvažovaného způsobu filtrace (montáž na stroj, lokální montáž vedle stroje, lokální nebo centrální provedení, vnitřní nebo venkovní instalace centrální jednotky, vliv hluku apod.). U velkých systémů je potřebné též vyhodnotit správu profiltrovaného vzduchu (větší objemy profiltrovaného vzduchu nelze jen tak vypouštět do pracovního prostředí dílny) apod.;
4. celková pořizovací cena;
5. provozní náklady – někteří výrobci postupují tak, že základní filtrační jednotka je cenově velmi výhodná, ale veškerý spotřební materiál (např. pasivní filtrační elementy) jsou poměrně drahé a je třeba je často měnit, přičemž neexistuje alternativní dodavatel. Zanedbatelné nejsou ani náklady na spotřebovanou elektrickou energii, popř. další média, a na výměnu vzduchu v případě, že profiltrovaný vzduch by se měl odvádět mimo budovu apod.

 


Sestava Absolent

Každý zájemce o filtrační zařízení by si měl také ověřit, podobně jako u jakéhokoliv výrobku, jakou „reputaci“ daný produkt má – zejména provozní spolehlivost, poskytovanou záruku, servisní zázemí a celkový přístup dodavatele v případě poruchy, dostupnost spotřebního materiálu i event. náhradních dílů apod.

Jak volit filtrační systém podle potřebné kapacity nebo podle složení odsávané vzdušniny, se dočtete v posledním díle tohoto seriálu, který vyjde v červnovém vydání MM Průmyslového spektra.

WEMAC

Ing. David Kratochvíl

wemac@wemac.cz

www.wemac.cz

Další články

Průmyslové kapaliny
Vzduchotechnika/ klimatizace
Renovace a údržba

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: