Při využití mazaných kompresorů bez adekvátní filtrace se olej dostává do spojené sítě stlačeného vzduchu s předpokládanou koncentrací 10 mg/m^3. Avšak s použitím efektivního hloubkového filtru lze dosáhnout reziduální koncentrace oleje na úrovni 0,01 mg/m^3 za stejných podmínek. Až do nedávné doby neexistovaly žádné normy, které by pokrývaly měření reziduálního oleje ve stlačeném vzduchu. Nicméně, nedávné přijetí normy ISO 8573-2 nyní uživatelům poskytuje možnost určení obsahu olejových aerosolů. Požadavky na obsah oleje ve stlačeném vzduchu jsou specifikovány v normě ISO 8573-1, kde je technicky bezolejový stlačený vzduch definován hodnotami reziduálního obsahu oleje < 0,01 mg/m^3. Údaj m^3 se zde vztahuje na atmosférický vzduch při tlaku 1013 mbar a teplotě 20 °C. Při bližším zkoumání ani použití bezolejových (nemazaných) kompresorů nemůže zaručit absolutní absenci oleje ve stlačeném vzduchu, protože kompresor nasává okolní vzduch různé kvality a koncentruje uhlovodíky a další přítomné nečistoty.
Separace olejových kapek
Olejová pára se kondenzuje jednoduchým chlazením pouze do té míry, že snížená reziduální hodnota oleje je přijatelná pouze pro několik oblastí aplikace. Kondenzovaný olej po ochlazení sráží na vnitřních stěnách potrubí stlačeného vzduchu a je téměř 100% separován, pokud jsou instalovány běžné hloubkové filtry, a stéká na dno filtru. Část kondenzovaného oleje, tvořící jemné olejové kapky ve vzduchovém proudu, vždy dosáhne materiálu filtru a je zachycena. Při hodnocení filtrů je primárně významný obsah oleje v aerosolové formě, koncentrace olejové mlhy, před a po filtru. Nejpronikavější velikost částic činí 0,15 – 0,45 mm, i když v literatuře je uváděna průměrná hodnota 0,3 mm. To však závisí na typu, viskozitě, teplotě a množství olejových částic přivedených do filtru. Filtry, které vykazují dobré separační chování vůči těmto velikostem částic, jsou stejně účinné i u jiných velikostí:
- Menší částice jsou zachyceny vláknovými filtry jako důsledek Brownova molekulárního pohybu,
- Větší částice jsou odstraněny převážně díky inerciálnímu nárazu a přímému zachycení.
Separace olejové mlhy
Olejové mlhy nebo kouře zahrnují velmi jemné kapky v systému a jsou viditelné jako aerosoly. Jelikož je olej uhlovodíkovou sloučeninou, může také existovat ve plynném stavu. Plynný nebo parový stav se v zásadě týká pouze uhlovodíků, které se kondenzují z kapalného oleje v závislosti na teplotě. Relativní podíl kondenzovaných uhlovodíků, olejová mlha nebo sprej ve stlačeném vzduchu závisí na typu použitého kompresorového oleje a na teplotě generované kompresorem. Moderní kompresory jsou obvykle vybaveny vzduchem nebo vodou chlazenými pochladiči. Prostřednictvím těchto pochladičů je teplota komprese snížena na nízkou provozní teplotu po kompresoru. V průběhu tohoto chladicího procesu dochází ke kondenzaci uhlovodíků. Reziduální obsah oleje se obvykle pohybuje mezi 5 – 20 mg/m^3 v závislosti na konstrukci kompresoru.
U filtrů stlačeného vzduchu se rozlišují dvě funkce filtračního prvku: filtrování a síťování. Prvky sítě nebo síta hlavně zadržují hrubé částice výhradně na povrchu prvku (povrchová filtrace). Při filtrování jsou od sebe odděleny také jemné nebo olejové částice filtračním prvkem (hloubková filtrace), jak na povrchu, tak v průběhu průtoku filtračním prvkem. Materiály filtrů vyrobené z jemných vláken oddělují jemné částice v souladu s tloušťkou vláken. Moderní technologie jsou schopny vyrábět vlákna o průměru menším než 2 mm. Pro většinu uživatelů stlačeného vzduchu je nejdůležitější charakteristikou při hodnocení filtrů stlačeného vzduchu retence těchto filtrů (účinnost separace) pokud jde o olej obsažený ve stlačeném vzduchu. Radiální konstrukce filtračních prvků, s průtokem vždy zevnitř ven, si osvědčila svou hodnotu. Kompaktnost, velké průtokové plochy při optimální tloušťce vrstvy a příznivé dynamické chování tvoří vynikající vlastnosti těchto filtračních prvků. Větší částice prachu a kapalin jsou zachyceny, což zajišťuje vysokou účinnost separace. Menší kapalné částice jsou zachyceny filtračním médiem a po koalescenci tvoří větší kapky. Tyto kapky, nalezené ve stlačeném vzduchu stejně jako větší kapky, narazí na vnější vrstvu nižší hustoty, která shromažďuje kapky, když se od vlákna oddělí. V buňkové struktuře tyto nyní větší kapky gravitačně klesají dolů k dolnímu konci a tvoří takzvaný mokrý pás v dolní části filtračního prvku. Čištěný vzduch prochází nad mokrým pásem, protože odpor proti toku je menší. To způsobuje klidnou zónu bez cirkulace vzduchu v dolní části filtračního prvku. Oddělené kapky padají z dolní části filtračního prvku skrz klidnou zónu bez toho, aby byly znovu unášeny proudem vzduchu. Tento kondenzát je shromažďován na dně filtru a odváděn přes odtok.
V parové fázi je olej ve stlačeném vzduchu přítomen ve formě molekul a tudíž ho mechanické filtry neodstraní. Množství olejových par závisí na teplotě a za nepříznivých okolností může dosáhnout vyšších hodnot než koncentrace olejových kapek nebo mlhy. Účinnost filtrace se snižuje s rostoucí teplotou kvůli zvýšení obsahu olejových par. Takže při teplotě 20 °C může filtrem projít až desetkrát více oleje než při 10 °C. Z tohoto důvodu je nutné zejména u hloubkových a výkonných filtrů dbát na instalaci v místech s nízkou teplotou. Olejové páry se kondenzují chlazením. Kondenzovaný olej lze z komprimovaného vzduchu bez problému filtrovat pomocí hloubkových filtrů.
Zbývající olejové páry ve stlačeném vzduchu jsou sníženy použitím filtrů s aktivním uhlím umístěnými po proudění. S pomocí těchto filtrů lze dosáhnout reziduálního obsahu oleje až 0,003 mg/m^3. Stlačený vzduch ošetřený do této míry může být klasifikován jako technicky bezolejový.
Filtrační prvky z aktivního uhlí jsou dostupné v různých konstrukcích, například:
- Mleté aktivní uhlí vložené do hlubokého filtračního lože vyrobeného z borosilikátového skleněného papíru
- Granulované aktivní uhlí obsažené v plisovaném prvku
- Formované trubky z aktivního uhlí ve formě dutého válce
- Granulovaná ložiska
Aktivní uhlí se preferenčně používá, pokud je pro konkrétní aplikaci vyžadována vysoká kvalita bezolejového stlačeného vzduchu. Uvedený reziduální obsah oleje je však dosažen pouze za předpokladu, že jsou dodrženy provozní podmínky. Optimální separace vyžaduje:
- Nízkou vstupní teplotu do adsorpčního filtru
- Relativní vlhkost stlačeného vzduchu maximálně 60 %
- Předfiltrace hloubkovým filtrem
Prvky filtru z aktivního uhlí jsou umístěny do standardních filtrů, čímž vzniká kompletní filtrační jednotka. Aktivní uhlí adsorbuje olejové páry ze stlačeného vzduchu, dokud se nenasytí. Jelikož je množství aktivního uhlí v filtrech z uhlíkových vláken relativně malé, je životnost prvků z aktivního uhlí, co se týče adsorpce olejových par, omezená. V závislosti na geometrii prvků jsou realistické životnosti 300 – 1000 provozních hodin při optimální separaci za běžných podmínek použití.
Jako alternativa k filtrům s aktivním uhlím se používají adsorbéry s aktivním uhlím. Tyto adsorbéry se skládají z nádoby naplněné aktivním uhlím. Difuzní síta na vstupu a výstupu nádoby zadržují aktivní uhlí. Použitím adsorbéru lze dosáhnout reziduálního obsahu oleje až 0,003 mg/m^3. Pro toto je rozhodující doba setrvání v loži aktivního uhlí, která je určena geometrií adsorbéru. Specifikovaná kvalita je dosažena z relativně dlouhého kontaktu. Adsorbér s aktivním uhlím se vždy používá, když jsou požadovány nejvyšší kvality stlačeného vzduchu a nelze je dosáhnout pouze filtry.
Životnost náplně aktivního uhlí uvnitř adsorbéru dosahuje 8000 – 10000 hodin provozu za normálních zatěžovacích podmínek.
Stanovení reziduálního oleje Běžné metody stanovení reziduálního obsahu oleje jsou schopny zjistit pouze zbývající olejové aerosoly po filtru. Reziduální obsah oleje ve formě par tedy není indikován. Tento lze získat na základě výpočtů pro maximální obsah olejových par ve stlačeném vzduchu. Reziduální obsah oleje po filtru je dán obsahem olejových par oleje, jako funkcí teploty. Z tohoto důvodu je srovnání mezi filtračními prvky platné pouze za podmínek stejné teploty. S použitím filtračního materiálu z borosilikátového skleněného vlákna lze dosáhnout reziduálních obsahů oleje až do 0,01 mg/m^3, při použití minerálních maziv, při provozním tlaku p = 7 bar a referenční teplotě t = 20 °C.
Koncentrace týkající se reziduálního obsahu oleje jsou podle ISO 554 založeny na objemu dekomprimovaného plynu v m^3 a vztahují se na olej s molekulovou hmotností kolem 300. Odchylky v reziduálních hodnotách oleje při vyšších provozních teplotách a různých provozních tlacích jsou znázorněny v diagramu pro minerální olej a pro srovnání v diagramu pro syntetický olej. Použitím Daltonova zákona o částečných tlacích lze určit nasycený obsah par stlačeného vzduchu za jiných podmínek nebo u alternativních plynů. Syntetický olej má ve srovnání s minerálním olejem mnohem nižší schopnost odpařování. Toto určuje příslušný částečný tlak maziva. Přesné stanovení reziduální hodnoty oleje lze provést pouze na základě znalosti typu použitého oleje a parametrů specifických pro tento olej. Pro kvalitu stlačeného vzduchu je rozhodující faktor reziduální obsah oleje uvedený v mg/m^3 nebo také v ppm. Pro různé aplikace jsou stanoveny normy.
Při dané účinnosti separace filtru závisí reziduální obsah oleje ve stlačeném vzduchu na počátečním zatížení nebo obsahu. Snížení zatížení nebo obsahu vede k exponenciálnímu poklesu koncentrace reziduálního oleje až k teoretické hodnotě 0,01 mg/m^3. Pod touto hodnotou je vliv parové fáze větší než koncentrace přítomná ve formě kapek. V praxi je hodnota 0,001 mg/m^3 považována za limitní hodnotu pro koncentraci reziduálního oleje. Aby bylo možné dosáhnout reziduální koncentrace oleje 0,01 mg/m^3, může původní zatížení dosáhnout maximálně 3 mg/m^3 při dané účinnosti separace.
Pro stanovení reziduálního obsahu oleje ve stlačeném vzduchu se používá několik metod. Preferovanou normou je ISO 8573-2. Ve většině případů se v současnosti používají následující metody testování integrity filtru, ale jsou preferovány pouze pro provoz filtru při atmosférickém tlaku:
- Test methylenovou modří
- Test sodíkovým plamenem
- D.O.P. test (Dioctylftalát) Různé metody měření nevyhnutelně vedou k rozdílným výsledkům, takže stanovené reziduální obsahy oleje ve stlačeném vzduchu nelze vzájemně porovnávat, nebo jen s výhradami. To je důvod, proč byla vypracována mezinárodní norma. ISO 8573-2 obsahuje metodu pro stanovení reziduálního obsahu oleje ve stlačeném vzduchu a nabízí také možnost získání reprodukovatelných výsledků pro výrobce filtrů i uživatele stlačeného vzduchu. V průběhu toho je stlačený vzduch filtrován a poté veden do generátoru aerosolu přes regulátor tlaku. Konstantní olej/vzduch směs vytvořená v generátoru prochází filtrem, jehož ztráta tlaku je monitorována pomocí diferenciálního manometru. Po filtru je stlačený vzduch rozdělen na hlavní a testovací tok. Testovací tok je veden přes vysoce účinnou sběrnou membránu s cílem zcela vyfiltrovat olejové kapky obsažené ve stlačeném vzduchu. Parametry jako teplota a tlak musí být během testu monitorovány vhodnými přístroji, aby byl zjištěn provozní stav a následně převeden na standardní podmínky výpočtem.
Filtry nacházejí uplatnění v široké škále aplikací a používají materiály jako jsou spékovaný bronz, keramika, vlákna, plst, tkanina, skelná vata, PTFE, kovy a mnoho dalších. V následujících odstavcích jsou popsány materiály, které jsou nejdůležitější pro filtrace oleje.
Jehlová plst
Jehlová plst, vzhledem ke struktuře filtračního média, nabízí rovnoměrné rozložení proudění vzduchu skrze filtrační materiál. Vlákna jehlové plsti s průměrným průměrem mezi 10 a 30 mikrony jsou rovnoměrně rozložena po celém objemu filtru. Tato rovnoměrná distribuce zajišťuje efektivní separaci nečistot při minimální ztrátě tlaku, což je klíčové pro udržení vysoké účinnosti filtrace při nízkých provozních nákladech.
Mikrovlákno
Pro dosažení co nejnižšího zbytkového obsahu oleje ve stlačeném vzduchu byly vyvinuty filtry s postupnými separačními vlastnostmi. Mikrovlákno se v této oblasti ukázalo být obzvláště hodnotné, zejména u jemných separátorů. S 95% porozitou (objemovým podílem prázdného prostoru) nabízí nejen dostatečný prostor pro proudění vzduchu a tím nízkou ztrátu tlaku, ale také maximálně velké dutiny pro zachycení olejových kapek. Relativně nestabilní mikrovlákno je zevnitř i zvenku podporováno perforovanými válcemi z nerezové oceli. Hrubší vrstva vlákna umístěná bezprostředně před mikrovláknem chrání filtr před hrubým znečištěním a tak uchovává jeho filtrační vlastnosti. Pro filtrace a analýzu systémů rozptýlených ve vzduchu jsou nyní filtry z jemných organických a anorganických vláken považovány za nejefektivnější filtrační materiál. Vyznačují se vysokou separační účinností při nízkém diferenciálním tlaku.
Životnost filtru
Z ekonomického hlediska je životnost vláknitých vrstev zásadní. Kritéria hodnocení jsou do značné míry ovlivněna interakcí mezi návrhem a konstrukcí filtru a podmínkami provozu. Pokud lze zanedbat obsah pevných částic ve vzduchu, může životnost vláknité vrstvy dosáhnout několika let. V praxi však tyto pevné částice významně ovlivňují deformaci vláknité struktury a tím i životnost vláknité vrstvy. Vymývání kapaliny z vláknité vrstvy způsobuje, že jen část pevných částic je z této vrstvy vymyta. Zbytek se usazuje v filtračním médiu, což vede ke zvýšení ztráty tlaku.
Aby bylo možné snížit znečištění pevnými látkami u hloubkových filtrů, jsou tyto předcházeny povrchovým filtrem v obvodu pro oddělení hrubých pevných částic a kapkových částic. Je vhodné instalovat diferenciální tlakoměr pro kontinuální optickou kontrolu výkonnosti filtračního prvku. Přestože byly podniknuty všechny kroky k získání nejvhodnějšího filtru pro danou provozní situaci, nelze efektivní životnost filtračních prvků předpovědět, jelikož se diferenciální tlak buduje pouze pomalu v průběhu provozní doby a obsah pevných látek ve stlačeném vzduchu se liší od případu k případu.
Provozovatel filtračního systému musí určit období výměny prvku s ohledem na optimální provozní ekonomiku. Znalost relevantních dat umožňuje takové období odhadnout. Měření diferenciálního tlaku indikuje ztrátu tlaku přes filtr. To stanovuje dvě hodnoty, tlak před filtrem p1 a tlak za filtrem p2. Tyto hodnoty nabízejí možnost odhadnout ztrátu výkonu podle vzorce Pv = 1 – p22/p12. Instalovaný výkon motoru kompresoru Pi je dalším základním ukazatelem. Ztrátu výkonu způsobenou dočasnou ztrátou tlaku filtru lze odvodit z výkonu motoru jako číselnou hodnotu. Vynásobením nákladů na elektrický proud Cp lze odvodit matematický vztah mezi provozními náklady a ztrátou tlaku.
Vývoj a optimalizace filtračních systémů tak vyžadují nejen důkladný výběr materiálů a konstrukčních řešení, ale také pr
ůběžné monitorování a údržbu, aby bylo možné udržet vysokou účinnost a ekonomickou efektivitu filtrů. Použití pokročilých materiálů a technologií umožňuje zvýšit životnost a výkon filtrů, což vede k nižším celkovým nákladům na filtrace a lepší ochraně klíčových komponent systémů.