Podstawy filtracji
W poniższym artykule przedstawimy podstawowe informacje na temat filtracji, umożliwiające lepsze zrozumienie tego procesu.
W pojazdach silnikowych stosowane są zazwyczaj filtry wgłębne. Filtracja wgłębna jest metodą najekonomiczniejszą, gdy koncentracja separowanych cząstek jest niewielka. Zadaniem elementów filtrujących jest możliwie całkowite odseparowanie cząstek (fazy dyspersyjnej) z płynów (fazy ciągłej), a więc gazów i cieczy. Na przykład z powietrza zasysanego przez silnik, paliw oraz oleju silnikowego usuwane są cząstki stałe. Zanieczyszczenia pochodzą z wielu źródeł. Może być to np. pył organiczny lub mineralny, ścier metalowy oraz sadza powstała w wyniku spalania niecałkowitego. Zanieczyszczenia nie występują wyłącznie w formie cząstek stałych, mogą mieć także postać cieczy. Na przykład z przedmuchu blow-by-gas w układzie odpowietrzania skrzyni korbowej należy usunąć kropelki oleju, a z paliw do silników wysokoprężnych kropelki wody. Cząstki mogą mieć kształt okrągły lub kanciasty, płaski lub stożkowy, mogą być chropowate lub gładkie. Z reguły można je klasyfikować na podstawie wielkości. W zależności od pochodzenia cząstek ich wielkość może być bardzo zróżnicowana. Cząstki mineralne, przede wszystkim ziarna piasku kwarcowego (SiO2), określane jako “pył”, znajdują się w zasysanym powietrzu. Ich przeciętna średnica wynosi od 0,1 do 2000 mm (rys. 1, z liczbą (q0) i przynależną gęstością rozdziału masy (q3) pyłu). Średnica pierwotnych cząstek sadzy wynosi od kilku nanometrów do zlepów o wielkości od 0,1 do 2 mm, przyczyniających się do szybkiego zużycia.
Mechanizmy separacji cząstek
Separacja cząstek odbywa się według różnych mechanizmów, które zależą w znacznym stopniu od wielkości drobin oraz właściwości płynu. Rys. 2 przedstawia wzajemne oddziaływania cząstek i medium filtracyjnego, które stanowią podstawę procesów separacji. Medium filtracyjne jest przedstawione w postaci pojedynczego włókna, którego oś jest prostopadła do płaszczyzny rysunku. Faza ciągła (np. olej lub paliwo) opływa laminarnie włókno. Oznaczone jest to liniami przepływu, tzn. w formie torów krzywoliniowych cieczy (przy czym prędkość w punkcie wynosi v ą const). Gdy duże cząstki o dużej masie zbliżają się do przeszkody, np. włókna, w wyniku iner-cji opuszczają linie przepływu i natrafiają bezpośrednio na włókno (efekt inercji). Nieco mniejsze cząstki mogą poruszać się zgodnie z liniami przepływu. Jeśli jednak ich średnica jest na tyle duża, że dotkną włókna, przywierają do niego (efekt blokady). Jeszcze mniejsze cząstki (o średnicy ok. 0,5 mm) poruszają się w płynach dodatkowo we wszystkich kierunkach (ruchy Browna). Jeśli “przypadkowo” natrafią na włókno, zostaną także odseparowane (efekt dyfuzji). Na proces separacji mogą mieć duży wpływ także inne wzajemne oddziaływania. Wymienić można np. siły elektrostatyczne, wywołane ładunkami na powierzchni tzw. włókien elektretycznych, lub siły przyłożone od zewnątrz, np. siły odśrodkowe wytwarzane w separatorach cyklonowych i odśrodkowych. Po napotkaniu na włókno, w wyniku działania sił przyczepności, a w szczególności sił van der Waalsa, cząstki zatrzymywane są na powierzchni włókna. Efekt blokady jest istotnym mechanizmem separacji w przypadku filtracji płynnych mediów w silnikach (ogólnie płynów lepkich), ponieważ w warunkach panujących w filtrach oleju lub paliwa media filtracyjne opływane są zazwyczaj laminarnie. Ze względu na to, że powietrze odznacza się znacznie mniejszą lepkością, w przypadku filtracji powietrza oprócz efektu blokady do istotnych mechanizmów separacji zaliczane są efekty bezwładności oraz wolna dyfuzja najmniejszych cząstek w przepływie. Powoduje to, że małe drobiny z dużym prawdopodobieństwem zatrzymają się na włóknach medium filtracyjnego, co prowadzi do dużej skuteczności separacji. Efekty sitowe występujące w filtrach powierzchniowych w przypadku filtracji cząstek w pojazdach odgrywają jedynie drugorzędną rolę.
Rys. 1. Gęstość rozkładu wielkości cząstek w pyle zatrzymanym przez filtr powietrza. Największy udział masowy (> 75 proc.) mają cząstki o średnicy od 5 do 100 mm.
Rys. 2. a) Schematyczne przedstawienie mechanizmów separacji na przykładzie pojedynczego włókna. b) Obraz z mikroskopu skaningowego przedstawiający włókno obłożone cząstkami (filtr gazu).
Wyznaczniki skuteczności filtrów
W przypadku mediów filtracyjnych stosowanych w pojazdach silnikowych mamy do czynienia prawie wyłącznie z filtrami wgłębnymi. Separacja cząstek odbywa się w strukturze głębokiej medium na powierzchni pojedynczych włókien. Na początku procesu filtracji poszczególne drobiny zbierają się na powierzchni włókna. Z upływem czasu zwiększa się gęstość obsadzenia i może dojść do utworzenia rozgałęzionych tworów z pojedynczych cząstek (rys. 2 b). Porowatość medium filtracyjnego (w porach gromadzą się odseparowane cząstki), która w zależności od zastosowania może stanowić do 95 proc. objętości, zmniejsza się. Równocześnie wzrasta spadek ciśnienia przy niezmiennej przepustowości. Po określonym czasie eksploatacji filtr wgłębny staje się pełny i powinien być wymieniony. Ilustracja 3 przedstawia schematycznie wzrost różnicy ciśnień w filtrze w zależności od czasu eksploatacji. Typową właściwością filtrów wgłębnych jest początkowy powolny wzrost różnicy ciśnień. Dopiero po pewnym czasie, gdy pory filtra są w przeważającej części wypełnione cząstkami, różnica ciśnień gwałtownie wzrasta. Aby zapobiec utracie mocy silnika, wkład filtrujący należy wymienić najpóźniej wtedy, gdy osiągnięta zostanie uprzednio zdefiniowana maksymalna różnica ciśnień, określona np. w specyfikacji producenta samochodu.
Rys. 3. Wzrost różnicy ciśnień w filtrze wgłębnym w zależności od obłożenia lub czasu (schemat). Wymiana filtra powinna być dokonana najpóźniej do momentu t1.
Rys. 4. Przebieg stopnia separacji frakcji w zależności od wielkości cząstek.
Stopień separacji
Skuteczność filtra można oszacować na podstawie różnych wykresów. Stopień separacji h – często określany mianem stopnia oddzielenia lub dokładnością filtracji – określa udział odseparowanych cząstek. Można rozróżnić przy tym stopień separacji frakcji oraz całkowity stopień separacji. Stopień separacji frakcji odnosi się do poszczególnych klas wielkości (frakcji), natomiast całkowity stopień separacji określa zatrzymywanie wszystkich cząstek przez filtr. Wskaźnik h(3-5 mm) = 87 proc. informuje np., że dany filtr odseparowuje 87 proc. cząstek o wielkości 3-5 mm.
Inną cechą charakterystyczną jest początkowy stopień separacji. Informuje on o stopniu separacji nowego medium lub wkładu filtrującego. W przypadku filtrów wgłębnych wskaźnik ten jest zasadniczo mniejszy od wskaźnika zapełnionego medium filtrującego - jeśli włókno zajęte jest przez cząstki, prawdopodobieństwo natrafienia na nie przez napływające drobiny jest większe niż w przypadku nowego, “niezajętego” włókna (rys. 5b).
Rys. 4 przedstawia przebieg stopnia separacji frakcji jako funkcję wielkości cząstek xj na przykładzie wkładu filtracyjnego powietrza (wykonanego z włókien syntetycznych). Opadająca krzywa w obszarze xj = 0,5 mm jest wskazówką, że mechanizmy separacji charakterystyczne dla filtracji gazu (a więc efekt dyfuzji
i inercji) nie wytworzyły się jeszcze całkowicie w tym obszarze (lewa część krzywej, przeważa dyfuzja) lub nie są już kompletne (prawa część krzywej, przeważa inercja). W wyniku efektu blokady i inercji duże cząstki odseparowywane są praktycznie w 100 proc.
Rozkład wielkości cząstek
Z reguły nie wiadomo, jak podczas jazdy dystrybuowane są cząstki w różnych mediach. W celu porównania skuteczności poszczególnych filtrów poddawane są one testom przy użyciu znormalizowanych pyłów. Normy obowiązują także w przypadku metod pomiarowych (np. układ pojedynczy lub przepustu grupowego), pobierania i analizy próbek (pomiary on-line lub off-line, analiza optyczna za pomocą liczników cząstek lub analiza grawimetryczna przez analizę wagową).
Aby móc porównać skuteczność filtracji, należy także wiedzieć, do jakiej wielkości referencyjnej odnosi się stopień separacji. Powszechną wielkością referencyjną jest liczba cząstek (oznaczona wskaźnikiem i = 0), najczęściej jednak wskaźnik ten odnosi się do objętości równoważnej cząstek (np. kuli o tej samej objętości, i = 3) lub iloczynu gęstości i masy cząstek. Wyniki pomiarów rozkładu wielkości cząstek można przedstawić jako krzywą sumaryczną Qi (xj) (rys. 5a). Stanowi ona sumę udziału ilościowego cząstek o wielkości od najmniejszej x j,min do największej x j,max. Wartość Qi (xj) przestawia bezwymiarowy udział ilościowy w odniesieniu do ilości całkowitej cząstek o wielkościach dochodzących do danego rozmiaru xj (często określany jako frakcja). Może ona przyjmować wartości od 0 do 1 (odpowiada to udziałowi między 0 i 100 proc.). Często udział ilościowy jest normalizowany DQi (xj), co osiągnąć można przez podzielenie go przez dany zakres interwału Dxj (rys. 5b). Gdy wartości te zostaną naniesione nad średnią wielkością cząstek interwału xj,m, otrzymuje się tzw. gęstość rozkładu qi(xj,m). Powierzchnia pod krzywą gęstości odpowiada sumie poszczególnych produktów qi(xj,m) • Dxj i daje ponownie wartość 1. Równocześnie naniesiony jest histogram, który otrzymuje się w wyniku uwzględnienia dyskretnych wartości pomiarowych np. za pomocą licznika cząstek. Interwały Dxj nie są z reguły równoodległe; qi(xj) ma rozmiar [1/mm]. W ten sposób można przejrzyście przedstawić graficznie skuteczność filtra. Rys. 6a przedstawia wyjściową gęstość rozkładu pyłu qA(xj), gęstość rozkładu g • qG(x), który opisuje rozkład odseparowanych cząstek (zwanych często pozostałościami lub materiałem grubym), i gęstość rozkładu f • qF(xj), która odpowiada rozkładowi cząstek, które przedostały się przez filtr (przejście, stopień przepuszczalności, krzywa przejścia lub materiał drobny). Wartości f i g określają integralny udział materiału drobnego lub grubego (f+g=1); qF(xj) i qG(xj) nie są wartościami znormalizowanymi. Suma poszczególnych powierzchni gęstości rozkładu materiału grubego i drobnego daje ponownie wyjściową krzywą gęstości rozkładu qA(xj).
Rys. 5. a.) Krzywa sumaryczna b.) Gęstość rozkładu.
Rys. 6 a) Wyjściowa gęstość rozkładu cząstek oraz gęstości rozkładu materiału grubego (cząstki zatrzymane przez filtr) i materiału drobnego (cząstki przepuszczone przez filtr) b) Krzywa separacji TG(xj) oddzielonych cząstek.
Krzywa separacji lub oddzielenia
Na podstawie tych wyników można sporządzić krzywą separacji lub oddzielenia Tg(xj), która ilustruje wynik w sposób graficzny (rys. 6b). Krzywa rozpoczyna się od wielkości cząstek xj,o, do której to wielkości wszystkie cząstki przedostają się jeszcze w 100 proc. przez filtr, a kończy na wielkości cząstek xj,1oo, od której wszystkie cząstki są w 100 proc.zatrzymywane przez filtr. Niejednokrotnie korzysta się z wartości charakterystycznej, aby dokonać ogólnego opisu wydajności filtrów. Często np. podawana jest wielkość cząstek xj,50, w przypadku której stopień separacji h(xj) lub oddzielenia T(xj) wynosi 50 proc. Cząstki o wielkości x. będą więc w 50 proc zatrzymywane przez filtr i w 50 proc. zostaną przez niego przepuszczone. Te wartości referencyjne nazywane są często “dokładnością filtracji wkładu”. Zgodnie z przedstawioną terminologią oznaczenie q3(xj) określa gęstość rozkładu masy, a identyfikator q0(xj) gęstość rozkładu liczbowego. Z reguły obie krzywe i otrzymane na ich podstawie wartości są różne dla tego samego pyłu (rys. 1). Często podaje się wyłącznie gęstość rozkładu masy q3, dlatego w wielu wykresach pomijany jest wskaźnik i = 3.
Wartość b
Ze względu na to, że różnice między filtrami o dużym stopniu separacji są często niedostrzegalne na pierwszy rzut oka, do opisu skuteczności filtra cieczy stosuje się coraz częściej wartość b. Jest ona definiowana jako liczba NI cząstek do określonej wielkości xj przed filtrem podzielona przez zmierzoną liczbę N2 cząstek tego samego przedziału wielkości lub tej samej wielkości cząstek za filtrem: Wielkość ta, zwłaszcza w przypadku dużej dokładności filtracji, lepiej ilustruje różnice wydajności między poszczególnymi elementami filtracyjnymi. Można ją obliczyć na podstawie stopnia separacji h(xj): Filtr, którego wartość b dla cząstek o wielkości xj = 10 mm wynosi 200 (co odpowiada stopniowi separacji 99,5 proc.), jest cztery razy wydajniejszy od filtra o wartości b = 50 dla drobin o takiej samej średnicy (w tym przypadku stopień separacji wynosi 98 proc.). Innymi słowy: filtr o wartości b(10 mm) = 1000 lub h(10 mm) = 99,9 proc. przepuszcza o połowę mniej zanieczyszczeń, pyłu i innych cząstek niż filtr o wartości b(10 hm) = 500, a więc h(10 mm) = 99,8 proc. (tab. 1). Choć procentowo różnica w dokładności filtracji wynosi tylko 0,1 proc., wydajność separacji jest dwa razy większa. Generalnie w celu porównania skuteczności filtracji należy uwzględniać stosowane medium filtracyjne, czyli wkład filtracyjny. Dzięki temu można wykryć ewentualne uszkodzenia filtra w wyniku procesu produkcyjnego oraz nieszczelne połączenia klejone.
Trwałość filtra
Inną cechą charakteryzującą wydajność medium lub wkładu filtracyjnego jest żywotność lub okres trwałości filtra. Ta cecha definiowana jest przez specyficzną zdolność wchłaniania zanieczyszczeń (dane w [g/m2]) lub zdolność wchłaniania zanieczyszczeń G (dane w [g]) przez wkład. W ten sposób określa się ilość zanieczyszczeń lub masę odseparowanych cząstek, które medium lub wkład filtracyjny może wchłonąć do momentu osiągnięcia zadanej maksymalnej różnicy ciśnień. Ta wartość zależna od materiału, zwana także zdolnością akumulacji cząstek, stanowi podstawę przy konstruowaniu filtra. W tym miejscu należy podkreślić, że cząstki różnej wielkości i różnego pochodzenia zupełnie inaczej oddziałują na filtr. Zasadniczo wiele małych drobin (np. cząstek sadzy) zapycha wkład filtracyjny powietrza znacznie szybciej – przy tej samej masie na wkładzie – niż duże cząstki piasku lub pyłu.
W poniższym artykule przedstawimy podstawowe informacje na temat filtracji, umożliwiające lepsze zrozumienie tego procesu.
W pojazdach silnikowych stosowane są zazwyczaj filtry wgłębne. Filtracja wgłębna jest metodą najekonomiczniejszą, gdy koncentracja separowanych cząstek jest niewielka. Zadaniem elementów filtrujących jest możliwie całkowite odseparowanie cząstek (fazy dyspersyjnej) z płynów (fazy ciągłej), a więc gazów i cieczy. Na przykład z powietrza zasysanego przez silnik, paliw oraz oleju silnikowego usuwane są cząstki stałe. Zanieczyszczenia pochodzą z wielu źródeł. Może być to np. pył organiczny lub mineralny, ścier metalowy oraz sadza powstała w wyniku spalania niecałkowitego. Zanieczyszczenia nie występują wyłącznie w formie cząstek stałych, mogą mieć także postać cieczy. Na przykład z przedmuchu blow-by-gas w układzie odpowietrzania skrzyni korbowej należy usunąć kropelki oleju, a z paliw do silników wysokoprężnych kropelki wody. Cząstki mogą mieć kształt okrągły lub kanciasty, płaski lub stożkowy, mogą być chropowate lub gładkie. Z reguły można je klasyfikować na podstawie wielkości. W zależności od pochodzenia cząstek ich wielkość może być bardzo zróżnicowana. Cząstki mineralne, przede wszystkim ziarna piasku kwarcowego (SiO2), określane jako “pył”, znajdują się w zasysanym powietrzu. Ich przeciętna średnica wynosi od 0,1 do 2000 mm (rys. 1, z liczbą (q0) i przynależną gęstością rozdziału masy (q3) pyłu). Średnica pierwotnych cząstek sadzy wynosi od kilku nanometrów do zlepów o wielkości od 0,1 do 2 mm, przyczyniających się do szybkiego zużycia.
Mechanizmy separacji cząstek
Separacja cząstek odbywa się według różnych mechanizmów, które zależą w znacznym stopniu od wielkości drobin oraz właściwości płynu. Rys. 2 przedstawia wzajemne oddziaływania cząstek i medium filtracyjnego, które stanowią podstawę procesów separacji. Medium filtracyjne jest przedstawione w postaci pojedynczego włókna, którego oś jest prostopadła do płaszczyzny rysunku. Faza ciągła (np. olej lub paliwo) opływa laminarnie włókno. Oznaczone jest to liniami przepływu, tzn. w formie torów krzywoliniowych cieczy (przy czym prędkość w punkcie wynosi v ą const). Gdy duże cząstki o dużej masie zbliżają się do przeszkody, np. włókna, w wyniku iner-cji opuszczają linie przepływu i natrafiają bezpośrednio na włókno (efekt inercji). Nieco mniejsze cząstki mogą poruszać się zgodnie z liniami przepływu. Jeśli jednak ich średnica jest na tyle duża, że dotkną włókna, przywierają do niego (efekt blokady). Jeszcze mniejsze cząstki (o średnicy ok. 0,5 mm) poruszają się w płynach dodatkowo we wszystkich kierunkach (ruchy Browna). Jeśli “przypadkowo” natrafią na włókno, zostaną także odseparowane (efekt dyfuzji). Na proces separacji mogą mieć duży wpływ także inne wzajemne oddziaływania. Wymienić można np. siły elektrostatyczne, wywołane ładunkami na powierzchni tzw. włókien elektretycznych, lub siły przyłożone od zewnątrz, np. siły odśrodkowe wytwarzane w separatorach cyklonowych i odśrodkowych. Po napotkaniu na włókno, w wyniku działania sił przyczepności, a w szczególności sił van der Waalsa, cząstki zatrzymywane są na powierzchni włókna. Efekt blokady jest istotnym mechanizmem separacji w przypadku filtracji płynnych mediów w silnikach (ogólnie płynów lepkich), ponieważ w warunkach panujących w filtrach oleju lub paliwa media filtracyjne opływane są zazwyczaj laminarnie. Ze względu na to, że powietrze odznacza się znacznie mniejszą lepkością, w przypadku filtracji powietrza oprócz efektu blokady do istotnych mechanizmów separacji zaliczane są efekty bezwładności oraz wolna dyfuzja najmniejszych cząstek w przepływie. Powoduje to, że małe drobiny z dużym prawdopodobieństwem zatrzymają się na włóknach medium filtracyjnego, co prowadzi do dużej skuteczności separacji. Efekty sitowe występujące w filtrach powierzchniowych w przypadku filtracji cząstek w pojazdach odgrywają jedynie drugorzędną rolę.
Rys. 1. Gęstość rozkładu wielkości cząstek w pyle zatrzymanym przez filtr powietrza. Największy udział masowy (> 75 proc.) mają cząstki o średnicy od 5 do 100 mm.
Rys. 2. a) Schematyczne przedstawienie mechanizmów separacji na przykładzie pojedynczego włókna. b) Obraz z mikroskopu skaningowego przedstawiający włókno obłożone cząstkami (filtr gazu).
Wyznaczniki skuteczności filtrów
W przypadku mediów filtracyjnych stosowanych w pojazdach silnikowych mamy do czynienia prawie wyłącznie z filtrami wgłębnymi. Separacja cząstek odbywa się w strukturze głębokiej medium na powierzchni pojedynczych włókien. Na początku procesu filtracji poszczególne drobiny zbierają się na powierzchni włókna. Z upływem czasu zwiększa się gęstość obsadzenia i może dojść do utworzenia rozgałęzionych tworów z pojedynczych cząstek (rys. 2 b). Porowatość medium filtracyjnego (w porach gromadzą się odseparowane cząstki), która w zależności od zastosowania może stanowić do 95 proc. objętości, zmniejsza się. Równocześnie wzrasta spadek ciśnienia przy niezmiennej przepustowości. Po określonym czasie eksploatacji filtr wgłębny staje się pełny i powinien być wymieniony. Ilustracja 3 przedstawia schematycznie wzrost różnicy ciśnień w filtrze w zależności od czasu eksploatacji. Typową właściwością filtrów wgłębnych jest początkowy powolny wzrost różnicy ciśnień. Dopiero po pewnym czasie, gdy pory filtra są w przeważającej części wypełnione cząstkami, różnica ciśnień gwałtownie wzrasta. Aby zapobiec utracie mocy silnika, wkład filtrujący należy wymienić najpóźniej wtedy, gdy osiągnięta zostanie uprzednio zdefiniowana maksymalna różnica ciśnień, określona np. w specyfikacji producenta samochodu.
Rys. 3. Wzrost różnicy ciśnień w filtrze wgłębnym w zależności od obłożenia lub czasu (schemat). Wymiana filtra powinna być dokonana najpóźniej do momentu t1.
Rys. 4. Przebieg stopnia separacji frakcji w zależności od wielkości cząstek.
Stopień separacji
Skuteczność filtra można oszacować na podstawie różnych wykresów. Stopień separacji h – często określany mianem stopnia oddzielenia lub dokładnością filtracji – określa udział odseparowanych cząstek. Można rozróżnić przy tym stopień separacji frakcji oraz całkowity stopień separacji. Stopień separacji frakcji odnosi się do poszczególnych klas wielkości (frakcji), natomiast całkowity stopień separacji określa zatrzymywanie wszystkich cząstek przez filtr. Wskaźnik h(3-5 mm) = 87 proc. informuje np., że dany filtr odseparowuje 87 proc. cząstek o wielkości 3-5 mm.
Inną cechą charakterystyczną jest początkowy stopień separacji. Informuje on o stopniu separacji nowego medium lub wkładu filtrującego. W przypadku filtrów wgłębnych wskaźnik ten jest zasadniczo mniejszy od wskaźnika zapełnionego medium filtrującego - jeśli włókno zajęte jest przez cząstki, prawdopodobieństwo natrafienia na nie przez napływające drobiny jest większe niż w przypadku nowego, “niezajętego” włókna (rys. 5b).
Rys. 4 przedstawia przebieg stopnia separacji frakcji jako funkcję wielkości cząstek xj na przykładzie wkładu filtracyjnego powietrza (wykonanego z włókien syntetycznych). Opadająca krzywa w obszarze xj = 0,5 mm jest wskazówką, że mechanizmy separacji charakterystyczne dla filtracji gazu (a więc efekt dyfuzji
i inercji) nie wytworzyły się jeszcze całkowicie w tym obszarze (lewa część krzywej, przeważa dyfuzja) lub nie są już kompletne (prawa część krzywej, przeważa inercja). W wyniku efektu blokady i inercji duże cząstki odseparowywane są praktycznie w 100 proc.
Rozkład wielkości cząstek
Z reguły nie wiadomo, jak podczas jazdy dystrybuowane są cząstki w różnych mediach. W celu porównania skuteczności poszczególnych filtrów poddawane są one testom przy użyciu znormalizowanych pyłów. Normy obowiązują także w przypadku metod pomiarowych (np. układ pojedynczy lub przepustu grupowego), pobierania i analizy próbek (pomiary on-line lub off-line, analiza optyczna za pomocą liczników cząstek lub analiza grawimetryczna przez analizę wagową).
Aby móc porównać skuteczność filtracji, należy także wiedzieć, do jakiej wielkości referencyjnej odnosi się stopień separacji. Powszechną wielkością referencyjną jest liczba cząstek (oznaczona wskaźnikiem i = 0), najczęściej jednak wskaźnik ten odnosi się do objętości równoważnej cząstek (np. kuli o tej samej objętości, i = 3) lub iloczynu gęstości i masy cząstek. Wyniki pomiarów rozkładu wielkości cząstek można przedstawić jako krzywą sumaryczną Qi (xj) (rys. 5a). Stanowi ona sumę udziału ilościowego cząstek o wielkości od najmniejszej x j,min do największej x j,max. Wartość Qi (xj) przestawia bezwymiarowy udział ilościowy w odniesieniu do ilości całkowitej cząstek o wielkościach dochodzących do danego rozmiaru xj (często określany jako frakcja). Może ona przyjmować wartości od 0 do 1 (odpowiada to udziałowi między 0 i 100 proc.). Często udział ilościowy jest normalizowany DQi (xj), co osiągnąć można przez podzielenie go przez dany zakres interwału Dxj (rys. 5b). Gdy wartości te zostaną naniesione nad średnią wielkością cząstek interwału xj,m, otrzymuje się tzw. gęstość rozkładu qi(xj,m). Powierzchnia pod krzywą gęstości odpowiada sumie poszczególnych produktów qi(xj,m) • Dxj i daje ponownie wartość 1. Równocześnie naniesiony jest histogram, który otrzymuje się w wyniku uwzględnienia dyskretnych wartości pomiarowych np. za pomocą licznika cząstek. Interwały Dxj nie są z reguły równoodległe; qi(xj) ma rozmiar [1/mm]. W ten sposób można przejrzyście przedstawić graficznie skuteczność filtra. Rys. 6a przedstawia wyjściową gęstość rozkładu pyłu qA(xj), gęstość rozkładu g • qG(x), który opisuje rozkład odseparowanych cząstek (zwanych często pozostałościami lub materiałem grubym), i gęstość rozkładu f • qF(xj), która odpowiada rozkładowi cząstek, które przedostały się przez filtr (przejście, stopień przepuszczalności, krzywa przejścia lub materiał drobny). Wartości f i g określają integralny udział materiału drobnego lub grubego (f+g=1); qF(xj) i qG(xj) nie są wartościami znormalizowanymi. Suma poszczególnych powierzchni gęstości rozkładu materiału grubego i drobnego daje ponownie wyjściową krzywą gęstości rozkładu qA(xj).
Rys. 5. a.) Krzywa sumaryczna b.) Gęstość rozkładu.
Rys. 6 a) Wyjściowa gęstość rozkładu cząstek oraz gęstości rozkładu materiału grubego (cząstki zatrzymane przez filtr) i materiału drobnego (cząstki przepuszczone przez filtr) b) Krzywa separacji TG(xj) oddzielonych cząstek.
Krzywa separacji lub oddzielenia
Na podstawie tych wyników można sporządzić krzywą separacji lub oddzielenia Tg(xj), która ilustruje wynik w sposób graficzny (rys. 6b). Krzywa rozpoczyna się od wielkości cząstek xj,o, do której to wielkości wszystkie cząstki przedostają się jeszcze w 100 proc. przez filtr, a kończy na wielkości cząstek xj,1oo, od której wszystkie cząstki są w 100 proc.zatrzymywane przez filtr. Niejednokrotnie korzysta się z wartości charakterystycznej, aby dokonać ogólnego opisu wydajności filtrów. Często np. podawana jest wielkość cząstek xj,50, w przypadku której stopień separacji h(xj) lub oddzielenia T(xj) wynosi 50 proc. Cząstki o wielkości x. będą więc w 50 proc zatrzymywane przez filtr i w 50 proc. zostaną przez niego przepuszczone. Te wartości referencyjne nazywane są często “dokładnością filtracji wkładu”. Zgodnie z przedstawioną terminologią oznaczenie q3(xj) określa gęstość rozkładu masy, a identyfikator q0(xj) gęstość rozkładu liczbowego. Z reguły obie krzywe i otrzymane na ich podstawie wartości są różne dla tego samego pyłu (rys. 1). Często podaje się wyłącznie gęstość rozkładu masy q3, dlatego w wielu wykresach pomijany jest wskaźnik i = 3.
Wartość b
Ze względu na to, że różnice między filtrami o dużym stopniu separacji są często niedostrzegalne na pierwszy rzut oka, do opisu skuteczności filtra cieczy stosuje się coraz częściej wartość b. Jest ona definiowana jako liczba NI cząstek do określonej wielkości xj przed filtrem podzielona przez zmierzoną liczbę N2 cząstek tego samego przedziału wielkości lub tej samej wielkości cząstek za filtrem: Wielkość ta, zwłaszcza w przypadku dużej dokładności filtracji, lepiej ilustruje różnice wydajności między poszczególnymi elementami filtracyjnymi. Można ją obliczyć na podstawie stopnia separacji h(xj): Filtr, którego wartość b dla cząstek o wielkości xj = 10 mm wynosi 200 (co odpowiada stopniowi separacji 99,5 proc.), jest cztery razy wydajniejszy od filtra o wartości b = 50 dla drobin o takiej samej średnicy (w tym przypadku stopień separacji wynosi 98 proc.). Innymi słowy: filtr o wartości b(10 mm) = 1000 lub h(10 mm) = 99,9 proc. przepuszcza o połowę mniej zanieczyszczeń, pyłu i innych cząstek niż filtr o wartości b(10 hm) = 500, a więc h(10 mm) = 99,8 proc. (tab. 1). Choć procentowo różnica w dokładności filtracji wynosi tylko 0,1 proc., wydajność separacji jest dwa razy większa. Generalnie w celu porównania skuteczności filtracji należy uwzględniać stosowane medium filtracyjne, czyli wkład filtracyjny. Dzięki temu można wykryć ewentualne uszkodzenia filtra w wyniku procesu produkcyjnego oraz nieszczelne połączenia klejone.
Trwałość filtra
Inną cechą charakteryzującą wydajność medium lub wkładu filtracyjnego jest żywotność lub okres trwałości filtra. Ta cecha definiowana jest przez specyficzną zdolność wchłaniania zanieczyszczeń (dane w [g/m2]) lub zdolność wchłaniania zanieczyszczeń G (dane w [g]) przez wkład. W ten sposób określa się ilość zanieczyszczeń lub masę odseparowanych cząstek, które medium lub wkład filtracyjny może wchłonąć do momentu osiągnięcia zadanej maksymalnej różnicy ciśnień. Ta wartość zależna od materiału, zwana także zdolnością akumulacji cząstek, stanowi podstawę przy konstruowaniu filtra. W tym miejscu należy podkreślić, że cząstki różnej wielkości i różnego pochodzenia zupełnie inaczej oddziałują na filtr. Zasadniczo wiele małych drobin (np. cząstek sadzy) zapycha wkład filtracyjny powietrza znacznie szybciej – przy tej samej masie na wkładzie – niż duże cząstki piasku lub pyłu.
Komentarze (0)