Улавливатели тумана: основы и применение

На металлообрабатывающих предприятиях станки оснащаются улавливателями масляного тумана, чтобы обеспечить чистоту воздуха и уменьшить неблагоприятные последствия воздействия жидкостей для металлообработки, соблюдение стандартов качества воздуха в помещениях, сокращение расходов на техобслуживание и уборку и повышение качества производимых деталей. Преимущества улавливания масляного тумана многочисленны, однако большой выбор соответствующего оборудования может дезориентировать. Данная статья посвящена улавливателям тумана разных типов, конструкция которых основана на фундаментальных принципах проектирования для задержания капель тумана, содержащихся в воздушном потоке. Далее перечислены темы, которые будут в ней рассмотрены.

• Определения тумана и дыма
• Видимые показатели эффективности
• Рабочие характеристики
• Основы работы улавливателей тумана разных типов
• Оптимизация фильтров
• Измерение показателей эффективности улавливателя

Масляный туман и дым

Туман обычно определяется как субстанция из капель жидкости диаметром не более 20 микрон. Настоящая статья посвящена в основном процессам, требующим использования масляных и водорастворимых смазочных и охлаждающих жидкостей. Эти смазочные и охлаждающие жидкости находят самое широкое применение, в том числе при резке металла, металлообработке, шлифовке, мойке деталей и т. д. Например, при выполнении фрезерных и токарных работ с использованием водорастворимых жидкостей для металлообработки обычно получаются капли тумана размером от 2 до 20 микрон. При выполнении тех же работ с использованием жидкостей на масляной основе обычно образуются капли тумана размером от 0,5 до 10 микрон.

Дым, как правило, состоит из частиц намного меньшего размера — диаметром от 0,07 до 1 микрона — и может представлять собой аэрозоль твердых или жидких частиц, образующийся в результате неполного сгорания или конденсации пересыщенного пара¹. Иногда его называют образующимся при нагревании туманом или масляным дымом. Такой дым обычно образуется при выполнении таких работ, как холодная высадка, механическая обработка твердых металлов с подачей СОЖ без присадок, использование резервуаров смазочного масла на больших генераторах, и термообработка.

Видимые показатели эффективности

Некоторые производители считают, что, если туман не виден, значит, его не существует. Эта точка зрения не учитывает тот вред, который субмикронный туман может нанести производственной среде с точки зрения вредного воздействия на работников, осложнения техобслуживания и уборки, а также соблюдения стандартов качества воздуха в помещениях или наружных выбросов. Известно, что человеческий глаз не различает отдельные капли размером менее 40 микрон, но вполне очевидно, что при выполнении многих операций металлообработки образуются капли тумана и меньшего размера. Вы, возможно, их не увидите, но обязательно почувствуете их запах! 

Рабочие характеристики

Основным назначением улавливателя тумана является задержание капель тумана и дыма, содержащихся в фильтруемом воздушном потоке. Для выполнения этой задачи улавливатель тумана должен обеспечить коалесценцию, то есть объединение, маленьких капель в более крупные и последующий слив уловленной охлаждающей жидкости из фильтров, прежде чем они засорятся.

Показатели работы улавливатель тумана можно охарактеризовать тремя измеримыми свойствами.

• Перепад давления. Перепад рабочего давления на улавливателе важен как элемент уравнения, используемого для расчета стоимости электроэнергии. Более высокие перепады давления означают, что для прохождения необходимого воздушного потока через улавливатель требуется больше энергии.
• Эффективность. Эффективность улавливателя по задержанию капель тумана и дыма, содержащихся в воздушном потоке важна, потому что она определяет, насколько чистым будет воздух, выходящий из улавливателя и, как правило, продолжающий циркулировать внутри помещения. Именно по этой причине — для очистки воздуха — и необходимо устанавливать улавливатель тумана. Эффективность является ключевым показателем того, насколько чистым будет воздух, выходящий из улавливателя.
• Пропускная способность. Пропускная способность улавливателя важна, потому что она определяет, какой объем воздуха будет очищен. При слишком низкой пропускной способности через улавливатель будет проходить меньше воздуха, содержащего капли тумана и дыма, которые не будут задерживаться предназначенной для этого системой. При слишком высокой пропускной способности теряется энергия и через улавливатель проходит избыточный объем воздуха. Постоянная пропускная способность желательна также для поддержания постоянной эффективности по задержанию капель.
  

Помимо базовой конструкции улавливателя тумана, на показатели его работы будет влиять ряд перечисленных далее свойств тумана.

• Концентрация тумана. Количество частиц или капель тумана, содержащееся в единице объема воздуха, широко варьируется в каждом отдельном случае. Концентрации тумана, измеренные при проведении полевых испытаний, варьировались в пределах от 3 до 37 мг/м³. В реальных же ситуациях диапазон концентраций тумана может быть еще шире. Предельно допустимые концентрации смазочно-охлаждающих жидкостей, утвержденные OSHA, варьируются от 5 мг/м³ (при 8-часовом воздействии) для минеральных масел до 15 мг/м³ (при 8-часовом воздействии) для других охлаждающих жидкостей. Предельно допустимые концентрации, рекомендуемые NIOSH, — еще ниже: до 0,4 мг/м³.² В обычных офисах концентрации твердых частиц, как правило, находятся в пределах 0,02–0,03 мг/м³, что существенно ниже, чем концентрации тумана рядом с металлообрабатывающим оборудованием.
  
• Температура тумана. Конденсация может принимать форму высокотемпературного тумана, определяющего размер капель и способы их улавливания. В случае охлаждающих жидкостей на водной основе при повышенных температурах и пониженных уровнях относительной влажности вода будет испаряться, в результате чего будут образовываться капли меньшего размера. Рабочие температуры, предельно допустимые для фильтрующего материала, также важны при выборе технологии улавливания тумана или дыма.
• Тип тумана. Капли тумана разного типа будут иметь разное поверхностное натяжение и разную вязкость, значения которых влияют на способность улавливателя тумана коалесцировать капли тумана и образовавшуюся жидкость.
• Распределение капель тумана по размерам. Капли большего размера обычно задерживаются легче, но крупные капли могут также составлять значительную долю от общей массы жидкости, содержащейся в тумане, которая в итоге должна сливаться из улавливателя. Рисунок 1 иллюстрирует гипотетическое распределение капель тумана и дыма по размерам.
  
• Включения. Если туман чистый, то он не содержит сухих частиц и необходимо обеспечивать только коалесценцию и слив жидкости. Грязный же туман будет содержать еще фракцию сухих частиц (стружку), которую тоже требуется задержать, отфильтровав воздушный поток.

Основы работы улавливателей тумана разных типов

Капли тумана могут задерживаться несколькими способами.

Электростатическое осаждение

Электростатические осадители работают, втягивая воздух, содержащий капли тумана, через ионизатор, в котором каждая капля получает положительный или отрицательный заряд. Заряженные капли затем задерживаются улавливающими ячейками с чередующимися высоковольтными и заземленными пластинами, которые отталкивают или притягивают соответствующие заряженные капли. Капли коалесцируют на пластинах и сливаются из улавливателя. Электростатические осадители обладают рядом преимуществ, включая отсутствие требующих замены фильтров, относительно низкое энергопотребление и высокую эффективность, если они новые и абсолютно чистые. Тем не менее, электростатические осадители вышли из употребления из-за большой трудоемкости и высокой частоты обязательного техобслуживания. Для поддержания эффективности зарядки и задержания капель внутренние детали электростатического осадителя требуют тщательной очистки. Даже при регулярном обслуживании могут возникать дополнительные трудности. Любое повреждение заряженных пластин в улавливающей ячейке может привести к образованию электрических дуг. Электрические дуги могут возникать также и внутри электростатического осадителя, когда вместе с каплями тумана задерживаются металлическая пыль, опилки или стружка. Наконец, при работе электростатических осадителей образуется озон, который является загрязнителем воздуха в помещениях и известен как раздражающее вещество.

Инерционная сепарация

Улавливатели, работающие главным образом на основе принципа инерционной сепарации, задерживают капли, переносимые воздушным потоком, следующим образом. Поскольку, следуя контуру поверхности, поток воздуха изменяет направление движения, а капли продолжают по инерции двигаться по прямой, то они сталкиваются с поверхностью и, коалесцируя с другими каплями, в итоге сливаются. Несмотря на многообразие типов и стилей инерционной сепарации, всем им свойственны несколько общих черт. Во-первых, инерционные сепараторы могут работать без механизма барьерной фильтрации: обычно они не оснащаются фильтрами грубой очистки, требующими замены. Тем не менее, они обычно требуют достаточно регулярного техобслуживания с целью очистки компонентов от всех загрязнений. Кроме того, инерционная сепарация лучше работает для больших капель, так как задерживаются они потому, что НЕ следуют за потоком воздуха. Капли большего размера обладают большей массой, большей инерцией и с большей вероятностью сталкиваются с улавливающей поверхностью. Инерционные сепараторы обычно являются низкоэффективными при задержании капель диаметром менее 1–2 микрон. Наконец, в инерционных сепараторах с вращающим приводом твердые частицы могут скапливаться и налипать на вращающихся деталях, что в конечном итоге приведет к дисбалансу и передаче вибрации на станок и может стать причиной нарушения допусков для изготовленных деталей.

Фильтрующий материал

В улавливателях, оснащаемых волокнистыми фильтрующими материалами, используются четыре механизма фильтрации для задержания капель тумана и дыма, содержащихся в воздушном потоке (см. рис. 2).

1. Просеивание является основным механизмом фильтрации, позволяющим улавливать самые крупные капли размером более 10 микрон. Просеивание имеет место, когда физические размеры капли слишком велики, чтобы она смогла пройти между двумя или более волокнами. Именно просеивание мешает летающему насекомому проникнуть в комнату через оконную сетку. Когда капля контактирует с волокном, она прилипает к его поверхности, коалесцирует с другими каплями и сливается из улавливателя.
   

2. Инерционное столкновение — это механизм фильтрации, позволяющий улавливать капли в основном микронного и большего размера. Инерционное столкновение происходит, когда поток воздуха изменяет направление, наталкиваясь на волокна фильтрующего материала, тогда как капля продолжает движение по первоначальной траектории из-за своей массы.
   

3. Перехват — это механизм фильтрации, позволяющий улавливать капли преимущественно размером от 0,1 до 1 микрона. Перехват происходит, когда капля следует траектории потока воздуха, но все же подходит достаточно близко от волокна, чтобы прилипнуть к нему.
   

4. Диффузия — это механизм фильтрации, позволяющий улавливать в основном очень мелкие капли размером менее 0,1 микрона. Поскольку эти капли настолько малы, то внутри воздушного потока на них влияют силы межмолекулярного взаимодействия, которые заставляют капли двигаться по той же общей траектории, что и воздушный поток, но при этом независимо от него.

Как только капли прилипают к волокнам фильтрующего материала, они коалесцируют с другими задержанными волокном каплями. Когда коалесцированная капля становится достаточно большой, сила тяжести будет тянуть каплю вниз по волокну и она будет стекать. Одной из главных задач при фильтрации тумана является поиск баланса между необходимостью слива капель и необходимостью обеспечения высокой эффективности. Повышенной эффективности фильтрации можно добиться за счет использования волокон меньшего размера. Но для скрепления более мелких волокон требуются смолы, которые препятствуют эффективному сливу коалесцированных капель жидкости (см. рис. 3). Фильтрующие материалы, изготовленные из мелких волокон, имеют тенденцию легко засоряться задержанной жидкостью — как при использовании фильтра HEPA без предварительной сепарации (рис. 4). Когда фильтрующий материал изготавливается из крупных волокон, характеристики слива значительно улучшаются, но способность фильтрующего материала задерживать капли тумана (особенно более мелкие) серьезно снижается.