Složení odsávané vzdušniny
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 vyhodnotit především tyto dvě hodnoty:
- jaká je vstupní koncentrace částic ve vzdušnině, a
- jaká je jejich velikostní skladba
Koncentrace částic ve vzdušnině
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 – pro příklad lze použít následující princip pyramidy:
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 až 50°C) a je v převážné většině složena z částic o velikosti 0,5 – 10 mikrometrů, přičemž obvyklá koncentrace nepřesahuje 10 mg/m³. 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.
Olejová mlhovina nebo emulzní aerosol s vyšší koncentrací částic do cca 15 – 20 mg/m³
V řadě případů je ale 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 se mít na pozoru – při určitých operacích je vzdušnina silně koncentrovaná a navíc převážně obsahuje pouze submikronové částice. Na aerosoly tohoto složení již zdaleka všechny systémy nestačí – např. čistě mechanické jednotky jsou fakticky neúčinné, protože nedokážou naplnit limity normy. Dobře ještě pracují odstředivé odlučovače i elektrostatické filtry a pochopitelně filtrační systémy vyšších tříd.
Olejová mlhovina nebo emulzní aerosol s vysokou koncentrací částic do 40 mg/m³
Technologický vývoj poslední doby nabídl uživatelům strojů dříve nemyslitelné parametry otáček vřetene, vysoké tlaky chladicích kapalin, mimořádné řezné podmínky. S tím ovšem úzce souvisí i požadavek na vysoce kvalitní filtrační systémy, které musí 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, respektive – výběr dodavatele kvalitního systému s nízkými provozními náklady a dlouhou životností filtračních elementů je již úzký.
Olejové a emulzní mlhoviny a kouře s vysokou koncentrací částic přes 40 mg/m³
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/m³ nebo méně) a to při garantované životnosti obvykle v řádu nikoliv měsíců, ale let.
Velikostní skladba částic ve vzdušnině
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 – 10 µm. Těchto částic bývá v typickém aerosolu až 98 procent.
běžná vzdušnina
problematická vzdušnina
Vlivem různých parametrů řezného procesu (typem chladicí kapaliny, pracovním tlakem chladicí kapaliny, typem obráběného materiálu, velikostí otáček vřetene resp. polotovaru apod.) však může dojít k tomu, že prudce naroste podíl částic v rozmezí 0,1 µm až 0,5 µm – a to již představuje velký problém. Překvapivě právě částice o velikosti 0,3 mikrometru se nejhůře zachycují, hůře než částice menší a pochopitelně hůře než všechny částice větší. Následující obrázek poslouží pro představu o velikosti těchto částic ve filtračním rounu:
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 z následujících způsobů (s využitím podkladů fy VOKESAIR):
ZABLOKOVÁNÍ
Nejobvyklejší metoda filtrace.
Částice je větší než mezera mezi dvěma filtračními vlákny, nemůže být unášena proudem vzduchu dále a je zachycena.
USAZOVÁNÍ
Metoda typická pro velké částice.
Částice díky vlastní hmotnosti klesá během proudu vzduchu. Metoda se úspěšně používá pro separaci velkých a těžkých částic ze vzdušniny, kdy náhlým zvětšením průřezu sacího potrubí dojde (při konstatním průtoku, který je daný ventilátorem) k náhlému poklesu rychlosti. Těžší částice klesnou, lehké se udrží v proudu vzduchu.
NÁRAZ
Proces, probíhající podle zásad prvního Newtonova zákona.
DIFUZE
Filtrační proces, charakteristický pro ty nejmenší částice s nedefinovatelným směrem pohybu, který již ani nemusí souhlasit se směrem proudění vzduchu, tzv. Brownův pohyb.
ZACHYCENÍ
Částice ulpívají na filtračním materiálu vlilvem tzv. van de Waalsových elektrostatických sil.
Pokud vyneseme všechny tyto metody do grafu závislosti mezi velikostí částic a celkovou účinností filtrace, obdržíme následující diagram:
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.