Usuwanie mgły: Zasady podstawowe i zastosowania

Firmy zajmujące się obróbką metali używają w swoich obrabiarkach kolektorów mgły, aby zapewnić czyste powietrze i zmniejszyć negatywne skutki narażenia na płyny do obróbki metali, spełnić normy jakości powietrza w pomieszczeniach, zmniejszyć koszty konserwacji, zmniejszyć koszty utrzymania porządku i poprawić jakość elementów. Chociaż korzyści z usuwania mgły są liczne, wybór urządzeń do usuwania mgły może być problematyczny. W tym artykule omówione zostaną różne rodzaje kolektorów mgły w oparciu o podstawowe zasady projektowania w zakresie oddzielania kropelek mgły od strumienia powietrza. Omówiono następujące tematy:

• Definicje mgły i dymu
• Skuteczność widoczna
• Charakterystyki wydajności
• Podstawowe zasady działania różnych rodzajów kolektorów mgły
• Optymalizacja filtra
• Pomiar skuteczności kolektora

Mgła i dym

Mgłę można ogólnie zdefiniować jako kropelki cieczy o średnicy 20 mikronów lub mniejszej. Niniejszy artykuł koncentruje się głównie na zastosowaniach, w których stosuje się smary i płyny chłodzące na bazie oleju i rozpuszczalne w wodzie. Te smary i płyny chłodzące są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w tym do cięcia metali, formowania metali, szlifowania, mycia elementów i innych. Na przykład frezowanie i toczenie z użyciem rozpuszczalnych w wodzie płynów do obróbki metali zwykle wytwarza kropelki mgły o wielkości w zakresie od 2 mikronów do 20 mikronów. Te same czynności z użyciem płynów na bazie oleju zwykle wytwarzają kropelki mgły o wielkości w zakresie od 0,5 mikrona do 10 mikronów.

Dym jest zazwyczaj materiałem znacznie mniejszym — o średnicy od 0,07 mikrona do 1 mikrona — i może być aerozolem cząstek stałych lub cieczy, który powstaje w wyniku niepełnego spalania lub skraplania się pary przesyconej¹. Czasami nazywa się to mgłą wytwarzaną termicznie lub dymem oleistym. Typowymi zastosowaniami, podczas których powstaje dym, są spęczanie na zimno, obróbka stopów metali twardych z użyciem olejów czystych, zbiorniki oleju smarnego w dużych generatorach i obróbka cieplna.

Skuteczność widoczna

Niektórzy producenci uważają, że jeżeli mgła jest niewidoczna, to nie istnieje. Taki punkt widzenia nie wyjaśnia szkód, jakie mgła submikronowa może wyrządzić w środowisku produkcyjnym z punktu widzenia narażenia pracowników, konserwacji i utrzymania porządku oraz zgodności z normami jakości powietrza w pomieszczeniach lub emisji. W rzeczywistości ludzkie oko nie widzi pojedynczych kropelek mniejszych niż 40 mikronów, ale istnieją poważne dowody, że w wielu operacjach obróbki metali występują mniejsze kropelki mgły. Mogą one być niewidoczne, ale można wyczuwać ich zapach! 

Charakterystyki wydajności

Główną funkcją kolektora mgły jest usuwanie kropelek mgły i dymu z filtrowanego strumienia powietrza. Aby wykonać to zadanie, kolektor musi łączyć małe krople w większe, a następnie odprowadzać zebrany płyn chłodzący z filtrów przed ich zatkaniem.

Wydajność kolektora mgły można scharakteryzować za pomocą trzech mierzalnych właściwości:

• Spadek ciśnienia: Spadek ciśnienia roboczego kolektora stanowi istotną część równania kosztu energii. Wyższe spadki ciśnienia oznaczają, że do wymuszenia wymaganego przepływu powietrza przez kolektor potrzeba więcej energii.
• Skuteczność: Skuteczność kolektora w usuwaniu kropelek mgły i dymu ze strumienia powietrza jest ważna, ponieważ decyduje o tym, jak czyste będzie powietrze, które opuszcza kolektor i zwykle jest odprowadzane do otoczenia wewnętrznego. I to jest podstawowy powód montażu kolektora mgły — oczyszczanie powietrza. Skuteczność jest kluczową miarą tego, o ile czystsze będzie powietrze po opuszczeniu kolektora.
• Poziom przepływu: Poziom przepływu w kolektorze ma istotne znaczenie, ponieważ określa ilość oczyszczanego powietrza. Jeżeli przepływ jest zbyt niski, przez kolektor przepływa mniejsza ilość powietrza obciążonego mgłą lub dymem i mniejsza ilość powietrza zostanie oczyszczona. Zbyt wysoki poziom przepływu powoduje marnotrawstwo energii z powodu nadmiernej ilości powietrza przepływającego przez kolektor. Stały poziom przepływu powietrza jest również pożądany w celu utrzymywania stałej skuteczności wychwytywania kropelek.
  

Na działanie kolektora — oprócz podstawowej konstrukcji kolektora — wpływa szereg właściwości mgły:

• Stężenie mgły — ilość mgły zawartej w określonej objętości powietrza różni się znacznie w zależności od zastosowania. Podczas prób terenowych zaobserwowano zmierzone stężenia mgły wynoszące zaledwie 3 mg/m³, a także tak wysokie jak 37 mg/m³. W rzeczywistych zastosowaniach zakres stężeń mgły jest prawdopodobnie jeszcze większy. Wartości graniczne wyznaczone przez OSHA dla płynów do obróbki metali przenoszonych w powietrzu są różne — od 5 mg/m³ (narażenie przez 8 godzin) dla oleju mineralnego — do 15 mg/m³ (narażenie przez 8 godzin) dla innych płynów chłodzących. NIOSH — zalecane wartości graniczne są niższe, do 0,4 mg/m³². W zwykłym otoczeniu biurowym stężenia cząstek stałych mieszczą się zazwyczaj w przedziale 0,02–0,03 mg/m³ i są znacznie niższe niż stężenia mgły w pobliżu miejsc obróbki metali.
  
• Temperatura mgły — w wyniku schłodzenia mgły w wysokiej temperaturze może występować kondensacja, co może mieć wpływ na wielkość kropelek i sposób wychwytywania. W przypadku wodnych płynów chłodzących woda odparowuje w wyższych temperaturach i przy niższych poziomach wilgotności względnej, tworząc w ten sposób kropelki o mniejszych wielkościach. Przy wyborze technologii wychwytywania mgły lub dymu należy również wziąć pod uwagę wartości graniczne temperatur pracy mediów filtrujących.
• Rodzaj mgły — różne rodzaje kropelek mgły mają różne napięcia powierzchniowe i lepkość, co wpływa na zdolność kolektora mgły do łączenia kropelek i odprowadzania mgły.
• Rozkład wielkości kropelek mgły — na ogół łatwiej jest wychwytywać kropelki większe, ale duże kropelki mogą również znacząco przyczyniać się do całkowitej masy zawartej we mgle cieczy, którą ostatecznie należy odprowadzać z kolektora. Rysunek 1 przedstawia hipotetyczny rozkład wielkości kropelek mgły i dymu.
  
• Wtrącenia — jeżeli mgła jest czysta, nie zawiera suchych cząstek stałych i należy się koncentrować jedynie na łączeniu kropelek i odprowadzaniu cieczy. Jednakże mgła zanieczyszczona będzie również zawierać frakcję suchych cząstek stałych (opiłków), które również należy oddzielać od strumienia powietrza.

Podstawowe zasady działania różnych rodzajów kolektorów mgły

Kropelki mgły można wychwytywać na kilka sposobów.

Strącanie elektrostatyczne

Elektrofiltry działają poprzez wymuszanie przepływu powietrza obciążonego mgłą przez jonizator, który nadaje każdej kropelce ładunek dodatni lub ujemny. Naładowane kropelki są następnie wychwytywane przez komórki zbierające, które wykorzystują naprzemiennie ułożone płytki pod wysokim napięciem i płytki uziemione do popychania/przyciągania naładowanych kropelek na płytkę. Kropelki zlewają się na płytkach i spływają z kolektora. Elektrofiltry mają wiele zalet, w tym brak filtrów do wymiany, stosunkowo niskie zużycie energii i wysoką skuteczność, gdy są nowe i całkowicie oczyszczone. Jednakże elektrofiltry straciły popularność ze względu na bardzo uciążliwe wymagania w zakresie konserwacji oraz jej częstotliwość. Aby utrzymywać skuteczność ładowania i wychwytywania kropelek, elementy wewnątrz elektrofiltra muszą być starannie utrzymywane w czystości. Nawet przy regularnej konserwacji mogą występować dodatkowe trudności. Wszelkie uszkodzenia naładowanych płytek w komorze zbierającej mogą doprowadzić do powstania łuku elektrycznego. Podobnie zastosowania, w których gromadzi się pył metalowy, wióry lub opiłki wraz z kroplami mgły, mogą powodować powstawanie łuków elektrycznych wewnątrz elektrofiltra. Ponadto elektrofiltry wytwarzają ozon, który zanieczyszcza powietrze w pomieszczeniach i jest znanym środkiem drażniącym.

Oddzielanie bezwładnościowe

Kolektory opierające się głównie na oddzielaniu bezwładnościowym działają w następujący sposób, aby oddzielić kropelki przenoszone w strumieniu powietrza. Gdy strumień powietrza jest kierowany wokół powierzchni, kropelki mają pęd i kontynuują swoją ścieżkę, uderzając w powierzchnię i ostatecznie łącząc się z innymi kroplami i spływając. Chociaż istnieje wiele różnych typów i rodzajów oddzielania bezwładnościowego, wszystkie one mają kilka wspólnych cech. Po pierwsze separatory bezwładnościowe mogą działać bez mechanizmu filtracji barierowej — zazwyczaj nie są wyposażone w filtry pierwotne, które wymagałyby wymiany. Zazwyczaj jednak wymagają one dość regularnej konserwacji w celu oczyszczenia elementów z wszelkich zanieczyszczeń. Ponadto oddzielanie bezwładnościowe działa lepiej w przypadku dużych kropli, ponieważ wychwytywanie kropelek zależy od tego, że NIE podążają one za strumieniem powietrza. Większe krople mają większą masę, większy pęd i zwiększoną tendencję do uderzania w powierzchnię wychwytywania. Separatory bezwładnościowe mają zwykle niską skuteczność w przypadku kropelek o średnicy mniejszej niż 1–2 mikronów. Na koniec, w przypadku napędzanych obrotowych separatorów bezwładnościowych ciała stałe mogą gromadzić się i blokować w elementach wirujących, co ostatecznie może doprowadzić do utraty wyważenia powodującej przenoszenie drgań na obrabiarkę i może niekorzystnie wpływać na tolerancje obrabianych części.

Media filtracyjne

Kolektory wykorzystujące media filtracyjne z włókien podczas usuwania kropel mgły i dymu ze strumienia powietrza opierają się na czterech mechanizmach filtracji (patrz rysunek 2):

1. Przesiewanie jest dominującym mechanizmem filtracji zbierającym kropelki większe niż 10 mikronów. Przesiewanie ma miejsce, gdy kropelka jest fizycznie zbyt duża, aby przejść między włóknami. Przesiewanie przypomina powstrzymywanie owadów latających przed przedostaniem się przez okno. Gdy kropelka styka się z włóknem, przylega do powierzchni, łączy się z innymi kropelkami i spływa z kolektora.
   

2. Uderzanie bezwładnościowe jest mechanizmem filtracji powodującym zbieranie głównie kropelek o wielkości mikrona i większych. Uderzanie bezwładnościowe występuje, gdy strumień powietrza jest wypierany przez medium włókniste, podczas gdy kropelka kontynuuje swój pierwotny kurs z powodu oddziaływania swojej masy.
   

3. Przechwytywanie to mechanizm filtracji zbierający głównie kropelki o wielkości od 0,1 do 1 mikrona. Przechwytywanie ma miejsce, gdy kropelka podąża za strumieniem powietrza, ale zbliża się do włókna na tyle blisko, aby przylgnąć do niego.
   

4. Dyfuzja jest mechanizmem filtracji zbierającym głównie bardzo drobne kropelki o wielkości mniejszej niż 0,1 mikrona. Ponieważ kropelki są tak małe, w strumieniu powietrza oddziałują na nie siły międzycząsteczkowe, które powodują, że kropelki poruszają się w tym samym ogólnym kierunku co strumień powietrza, a mimo to poruszają się niezależnie od niego.

Gdy kropelki przylegają do włókien w medium filtracyjnym, łączą się z innymi kropelkami na włóknach. Kiedy połączona kropelka jest wystarczająco duża, siła grawitacji pociąga ją w dół wzdłuż włókna do miejsca, gdzie zostanie odprowadzona. Jednym z głównych kompromisów w zakresie filtracji mgły jest równoważenie potrzeby odprowadzania kropelek z potrzebą wysokiej skuteczności. Wyższe skuteczności filtracji można osiągnąć dzięki zastosowaniu mniejszych włókien. Mniejsze włókna wymagają jednak żywic, które utrzymują media razem, a żywice uniemożliwiają skuteczne odprowadzanie zlewanej cieczy (patrz rysunek 3). Media filtracyjne wykonane z małych włókien mają tendencję do łatwego zatykania się przechwyconą cieczą — jak przy użyciu filtra HEPA bez wstępnej separacji (rysunek 4). Kiedy media filtracyjne są wykonane z dużych włókien, charakterystyki odprowadzania ulegają znacznej poprawie, ale zdolność mediów do wychwytywania kropelek mgły (szczególnie mniejszych) jest poważnie ograniczona.