As empresas metalúrgicas utilizam coletores de névoa em suas máquinas-ferramentas para ajudar a fornecer ar limpo para reduzir os efeitos adversos da exposição a fluidos metalúrgicos, cumprir as normas de qualidade do ar interno, reduzir os custos de manutenção, reduzir os custos de limpeza e melhorar a qualidade das peças. Embora os benefícios da captação de névoa sejam muitos, as escolhas de equipamentos de captação de névoa podem ser confusas. Este artigo examinará os diferentes tipos de coletores de névoa com base nos princípios fundamentais de projeto para separar as gotículas de névoa de um fluxo de ar. Os tópicos são:
- Definições de névoa e fumaça
- Eficiência visível
- Características de desempenho
- Fundamentos de operação para vários tipos de coletores de névoa
- Otimização do filtro
- Medição da eficiência do coletor
Névoa e fumaça
A névoa pode geralmente ser definida como uma gotícula de líquido de 20 mícrons de diâmetro ou menor. Este artigo enfoca principalmente as aplicações que utilizam lubrificantes e refrigerantes à base de óleo e água. Esses lubrificantes e refrigerantes são empregados em muitas aplicações, incluindo corte de metais, conformação de metais, retificação, lavagem de peças e outras. Por exemplo, as operações de fresagem e torneamento utilizando fluidos metalúrgicos solúveis em água normalmente produzem gotículas de névoa que variam de 2 a 20 micra. As mesmas operações que utilizam fluidos à base de petróleo normalmente produzem gotículas de névoa que variam de 0,5 a 10 micra.
A fumaça é normalmente um material muito menor, de 0,07 a 1 mícron de diâmetro, e pode ser um aerossol sólido ou líquido que resulta da combustão incompleta ou condensação de um vapor supersaturado¹. Às vezes é chamada de névoa térmica, ou fumaça de óleo. As aplicações comuns que geram fumaça são a conformação a frio, usinagem de metais duros com óleo integral, uso de reservatórios de óleo lubrificante em grandes geradores, e tratamento térmico.
Eficiência visível
Alguns fabricantes acreditam que se não conseguem ver a névoa, ela não existe. Essa visão não reconhece os danos que a névoa submicrônica pode causar ao ambiente de fabricação, em termos de exposição do trabalhador, manutenção e limpeza, e conformidade com as normas de qualidade do ar interno ou de emissões. Na verdade, o olho humano não pode ver gotículas individuais menores que 40 micra, mas há evidências substanciais de que gotículas de névoa menores estão presentes em muitas operações de metalurgia. Talvez você não consiga vê-las, mas pode sentir o cheiro!
Características de desempenho
A principal função de um coletor de névoa é remover a névoa e as gotículas de fumaça do fluxo de ar filtrado. Para realizar essa tarefa, um coletor deve coalescer pequenas gotas em gotas maiores, e então drenar o refrigerante coletado dos filtros antes que eles se entupam.
O desempenho de um coletor de névoa pode ser caracterizado por três propriedades mensuráveis:
- Queda de pressão: A queda de pressão operacional do coletor é importante como parte da equação do custo de energia. Quedas de pressão mais altas significam que é necessária mais energia para puxar o fluxo de ar necessário através do coletor.
- Eficiência: A eficiência do coletor na remoção de névoa e gotículas de fumaça do fluxo de ar é importante porque determina quão limpo o ar estará ao sair do coletor e é normalmente ventilado para o ambiente interno. Essa é a razão para instalar um coletor de névoa, para limpar o ar. Eficiência é a medida-chave para o grau de limpeza do ar à medida que ele sai do coletor.
- Taxa de fluxo: O fluxo do coletor é importante porque determina a quantidade de ar que será limpa. Se o fluxo for muito baixo, então menos ar carregado de névoa ou fumaça será puxado através do coletor e não será capturado pelo sistema destinado a capturá-lo. Se a vazão for muito alta, então a energia é desperdiçada à medida que o ar excedente é puxado através do coletor. Uma taxa de fluxo de ar constante também é desejável para manter uma eficiência consistente na captura de gotículas.
Além do projeto básico do coletor, há uma série de propriedades da névoa que afetarão o desempenho de um coletor de névoa:
- Concentração da névoa — a quantidade de névoa contida em um volume de ar varia muito para cada aplicação. Concentrações de névoa medidas de apenas 3 mg/m³ e até 37 mg/m³ foram observadas em testes de campo. É provável que as aplicações reais tenham uma gama ainda maior de concentrações de névoa. Os limites da OSHA para fluidos metalúrgicos transportados pelo ar variam — de 5 mg/m³ (8 horas de exposição) para óleo mineral, a 15 mg/m³ (8 horas de exposição) para outros refrigerantes. os limites recomendados pelo NIOSH são mais baixos, até 0,4 mg/m³.² Em um ambiente geral de escritório, as concentrações de material particulado tendem a estar na faixa de 0,02-0,03 mg/m³, significativamente mais baixas do que as concentrações de névoa próximas às operações de metalurgia.
- Temperatura da névoa — a condensação pode ocorrer à medida que a névoa de alta temperatura esfria, o que pode afetar o tamanho das gotículas e os elementos de captação. Para refrigerantes à base de água, a água evaporará a temperaturas mais altas e níveis mais baixos de umidade relativa, criando assim gotículas de tamanho menor. Os limites de temperatura operacional dos elementos filtrantes também são importantes a serem considerados ao selecionar uma tecnologia de captação de névoa ou fumaça.
- Tipo de névoa — diferentes tipos de gotas de névoa terão diferentes propriedades de tensão superficial e viscosidade, que afetam a capacidade de um coletor de névoa de coalescer e drenar a névoa.
- Distribuição do tamanho das gotículas — em geral, é mais fácil capturar gotículas maiores, mas as gotas grandes também podem contribuir significativamente para a massa total do líquido contido na névoa, que deve eventualmente ser drenado do coletor. A Figura 1 mostra um tamanho e distribuição hipotéticos das gotículas de névoa e fumaça.
- Inclusões — se uma névoa estiver limpa, ela não contém partículas secas e só precisamos nos preocupar com a coalescência e a drenagem do líquido. Entretanto, uma névoa suja também conterá uma fração de partículas secas (limalhas) que também devem ser separadas do fluxo de ar.
Fundamentos de operação para vários tipos de coletores de névoa
As gotículas de névoa podem ser capturadas de várias maneiras.
Precipitação eletrostática
Os precipitadores eletrostáticos funcionam puxando o ar carregado de névoa através de um ionizador que dá a cada gotícula uma carga positiva ou negativa. As gotículas carregadas são então capturadas por células de captação que utilizam placas alternadas de alta tensão e aterradas para empurrar/puxar as gotículas carregadas para a placa. As gotículas coalescem nas placas e são drenadas para fora do coletor. Os precipitadores eletrostáticos têm uma série de vantagens, incluindo a ausência de filtros para substituir, uso relativamente baixo de energia e alta eficiência quando novos e totalmente limpos. No entanto, os precipitadores eletrostáticos caíram em desuso devido a suas exigências de manutenção muito trabalhosas e frequentes. As partes dentro de um precipitador eletrostático precisam ser mantidas meticulosamente limpas para manter a eficiência de carregamento e captação das gotículas. Mesmo com manutenção regular, pode haver dificuldades adicionais. Qualquer dano às placas carregadas na célula de coleta pode resultar em arcos elétricos. Da mesma forma, aplicações onde há pó metálico, lascas ou limalhas coletadas com as gotículas de névoa podem resultar em arcos elétricos dentro do precipitador eletrostático. Por fim, os precipitadores eletrostáticos geram ozônio, que é um poluente do ar interior e conhecido como irritante.
Separação inercial
Os coletores que dependem principalmente da separação inercial operam da seguinte forma para separar as gotículas transportadas em um fluxo de ar. Como o fluxo de ar é desviada em torno de uma superfície, as gotículas têm impulso e continuam em seu caminho, impactando a superfície e, por fim, coalescendo com outras gotículas e sendo drenadas. Embora existam muitos tipos e estilos diferentes de separação inercial, todos têm algumas coisas em comum. Primeiro, os separadores inerciais podem funcionar sem um mecanismo de filtragem de barreira: eles normalmente não têm filtros primários que precisariam ser trocados. Entretanto, eles geralmente exigem manutenção bastante regular para limpar os componentes de qualquer contaminação. Além disso, a separação inercial funciona melhor em gotas grandes, uma vez que a captura das gotículas depende que elas NÃO sigam o fluxo de ar. Gotas maiores têm mais massa, mais impulso e uma tendência maior de impacto na superfície de captura. Os separadores inerciais tendem a ter baixa eficiência para gotículas menores que 1 a 2 micra de diâmetro. Por fim, para os separadores inerciais que giram, a matéria sólida pode ser coletada e ficar presa nas peças giratórias, o que eventualmente levará a uma condição de desequilíbrio que transmite a vibração para a máquina-ferramenta e pode afetar as tolerâncias sobre as peças usinadas.
Elementos filtrantes
Os coletores que utilizam elementos filtrantes fibrosos dependem de quatro mecanismos de filtragem para remover névoa e gotículas de fumaça de um fluxo de ar (ver Figura 2):
- Peneiração é o mecanismo de filtragem predominante que coleta gotículas maiores, superiores a 10 micra. A peneiração ocorre quando a gota é fisicamente grande demais para passar entre duas ou mais fibras. A peneiração é o que impede um inseto voador de passar por uma tela de janela. Quando a gota entra em contato com uma fibra, ela adere à superfície, coalesce com outras gotículas e é drenada do coletor.
Impactação inercial é o mecanismo de filtragem que coleta principalmente gotículas do tamanho de micra e maiores. Impactação inercial ocorre quando o fluxo de ar é deslocado pela fibra média enquanto a gotícula continua em seu curso original por causa de sua massa.
A interceptação é o mecanismo de filtragem que coleta predominantemente gotículas de 0,1 a 1 mícron. A interceptação ocorre quando uma gotícula segue um fluxo de ar, mas ainda se aproxima o suficiente de uma fibra para aderir a ela.
Difusão é o mecanismo de filtragem que coleta predominantemente gotículas muito finas, de tamanho inferior a 0,1 mícron Como as gotículas são muito pequenas, elas são influenciadas por forças moleculares dentro do fluxo de ar, que fazem com que as gotículas se movam na mesma direção geral que o fluxo de ar e ainda assim se movimentam independentemente dela.
Uma vez que as gotículas aderem às fibras no elemento filtrante, elas coalescem com outras gotículas sobre as fibras. Quando a gotícula coalescente for suficientemente grande, a força da gravidade a puxará para baixo ao longo da fibra onde ela será drenada. Uma das grandes desvantagens da filtragem com névoa é equilibrar a necessidade de drenagem de gotículas com a necessidade de alta eficiência. Uma maior eficiência de filtragem pode ser alcançada através do uso de fibras menores. Porém fibras menores requerem resinas para manter os elementos juntos, e as resinas impedem que o líquido coalescente seja drenado efetivamente (ver Figura 3) Elementos filtrantes feitos de fibras pequenas tendem a se conectar facilmente com o líquido capturado — como usar um filtro HEPA sem qualquer pré-separação (Figura 4). Quando o elemento filtrante é feito de fibras grandes, as características de drenagem são amplamente melhoradas, mas a capacidade da elemento de capturar gotículas de névoa (especialmente as menores) é severamente comprometida.
Alguns coletores de elemento fibroso utilizam elementos filtrantes tipo manga elevados. Esses filtros não contêm muita resina, por isso drenam com eficácia e têm uma eficiência bastante boa. No entanto, sua estrutura não é muito estável. Com o passar do tempo, as fibras nas elementos entram em colapso, o que causa aumentos na queda de pressão, redução no fluxo de ar e redução na eficiência da filtragem.
Otimização do filtro
Uma maneira de ajudar a alcançar a alta eficiência e drenagem eficaz é através do uso de camadas. Muitos coletores de névoa possuem uma camada de pré-filtro, que é composta de fibras geralmente grandes, malha ou telas que capturam as gotículas maiores e permitem que sejam drenadas facilmente. Uma camada secundária ou primária captura a maioria das gotículas restantes com um elemento de maior eficiência, mas ainda mantém boas características de drenagem. Um filtro final é tipicamente classificado como HEPA (99,97% eficiente em partículas de 0,3 mícron) ou DOP (95% eficiente em partículas de 0,3 mícron). Esses filtros têm alta eficiência, logo, removem a grande maioria das gotículas que chegam até eles. No entanto, eles drenam mal e tendem a entupir um coletor mal projetado. Em um coletor bem projetado, o pré-filtro captura a grande massa de gotículas grandes e as drena efetivamente. Então o filtro primário captura a maioria das gotículas restantes, mas apresenta menos carga porque o pré-filtro já capturou uma porção significativa da massa total. Finalmente, o filtro final terá uma carga de gotículas muito baixa, mas terá alta eficiência. Se alguma dessas camadas estiver funcionando mal, todo o coletor terá mau funcionamento.
Uma maneira mais consistente de alcançar a alta eficiência e drenagem necessárias é através do uso de uma tecnologia de elemento especificamente projetada para atender às preocupações de filtragem na captação de névoa.
A elemento Donaldson Synteq XP™ é uma combinação engenhosa de fibras pequenas e grandes com um sistema exclusivo de ligação sem resina. O desenho desse elemento permite que o filtro primário funcione com sua maior vantagem. O elemento Synteq XP fornece níveis superiores de desempenho devido ao sistema exclusivo de ligação no qual o calor funde a superfície das fibras de ligação com as fibras de microvidro ao redor. Este tipo de ligação permite uma estrutura de poros estável para um ótimo desempenho e maior vida útil, pois nenhuma resina bloqueia os poros. Já as fibras pequenas podem aumentar a eficiência sem um sistema de resina que comprometeria uma boa drenagem. As fibras grandes ainda podem fornecer o suporte geral da estrutura ao mesmo tempo em que mantêm os canais de drenagem desobstruídos para um desempenho superior.
Medição da eficiência do coletor
Outro ponto interessante sobre a captação de névoa que utiliza filtros de elemento é que as características de queda de pressão são muito diferentes das dos coletores de partículas secas. As partículas secas em um coletor estático (sem limpeza) são capturadas nos filtros, o que faz com que a queda de pressão aumente significativamente, e a eficiência aumente com a duração do coletor. Essencialmente, novas partículas secas têm que passar por uma aglutinação de partículas secas previamente capturadas. O pó que é capturado serve para aumentar a eficiência do coletor de particulados.
Na filtragem de névoa, a queda de pressão aumentará modestamente à medida que o elemento ficar saturado de líquido. No entanto, a eficiência geralmente sofre um pequeno declínio à medida que o coletor continua a funcionar. A razão subjacente para o declínio da eficiência é a estrutura de poros criada pelo elemento fibroso em um filtro de névoa. Como o líquido é capturado e coalescido, os pequenos poros são preenchidos, ou ficam obstruídos, com o líquido. Os poros maiores restantes precisam fazer toda a filtragem, o que causa duas coisas:
- Um aumento da velocidade do ar através dos poros restantes e uma consequente maior queda de pressão; e
- Um aumento na velocidade do ar através dos poros maiores restantes, que são menos eficientes na captura de gotículas submicrônica, de modo que há uma aparente redução na eficiência do filtro.
O que isso significa para o comprador de um coletor de névoa? Se a eficiência declarada do coletor for fornecida para um novo filtro, ela será maior do que a eficiência realizada na aplicação real. A única eficiência verdadeira e representativa é a medida, usando uma névoa, ao longo de um período de tempo.
Conclusão
A escolha de uma tecnologia de coletor de névoa pode ser uma tarefa assustadora. No entanto, entendendo as diferenças e as desvantagens entre os fundamentos das tecnologias de captação de névoa e de fumaça, e combinando as características e objetivos da sua oficina, uma boa solução pode ser encontrada.
2 Metalworking Fluids
