W zakładach przemysłowych w wielu gałęziach, takich jak metalurgia, energetyka, przetwórstwo tworzyw sztucznych, petrochemia, stosowane są ciecze robocze, które wymagają filtracji. Dzieje się tak, ponieważ czystość medium często ma ogromny wpływ na sprawność funkcjonowania całego układu. Filtry lub układy filtracji są dobierane w zależności od medium, ale także od warunków pracy, np. ciśnienia roboczego.
W praktyce występują dwie podstawowe technologie, bardzo różniące się pod względem miejsca montażu, stosowane do oczyszczania olejów hydraulicznych.
Jedna grupa to filtry stosowane bezpośrednio w maszynach przez ich producentów, natomiast drugą grupę stanowią filtry wspomagające, które są instalowane w różnych miejscach w maszynach – bocznikowo.
Nowe maszyny przyjeżdżają do klienta z zainstalowanymi filtrami, które są niezbędne w przebiegu prawidłowej eksploatacji. Tu odbiorca musi się zdać na prawidłowy wybór filtra przez producenta oraz dokładnie przestrzegać instrukcji i zaleceń dotyczących eksploatacji. W zależności od producenta instrukcje te mogą być bardzo szczegółowe, określające klasę oleju oraz inne jego parametry, które należy utrzymywać, ale bywają też instrukcje bardzo ogólnikowe, które mówią jedynie o częstotliwości wymiany oleju. W znakomitej większości są to filtry mechaniczne, które różnią się porowatością, czyli przepuszczalnością. Aktualnie na rynku wszystkie układy, w tym układy hydrauliczne maszyn, są bardzo precyzyjnie zbudowane, w związku z czym luzy technologiczne są coraz mniejsze, a co za tym idzie – wymagania co do stanu czystości oleju są coraz większe. Obecnie od układów hydraulicznych wymaga się pracy z możliwie małą ilością oleju proporcjonalnie do ich wielkości. Jeszcze niedawno zbiornik oleju miał pojemność nawet do 60 razy większą niż ciecz pracująca w układzie, obecnie jest to wartość ok. 3–4 objętości układu pracy maszyny.
Z filtracją mechaniczną wiążą się jednak pewne techniczne ograniczenia; ponieważ cieczy stawiane są coraz wyższe wymagania czystości, stosuje się filtry o coraz mniejszej porowatości. Filtracja mechaniczna niesie ze sobą skutki uboczne – w oleju podczas przepływu przez materiał o porowatości <5 μm pojawia się elektryczność statyczna, która degraduje właściwości oleju. W filtrach, które mają dokładność filtracji poniżej 5 μm, następuje gwałtowny wzrost procesów degradacyjnych polegających na wzmożonej elektryczności – zaczynają się pojawiać wyładowania na filtrach, a pomiędzy cząsteczkami medium również pojawiają się wyładowania elektryczno-iskrowe.
Wyładowania elektrostatyczne są jednym z głównych powodów utleniania się olejów. Firmy obecne na polskim rynku, takie jak C.C.JENSEN Polska czy Hydac, mają w ofercie filtry antystatyczne, w których wyładowania elektryczne następują w filtrze tylko w układzie hydraulicznym. W ofercie tych producentów można znaleźć filtry o mniejszej porowatości niż 5 μm. C.C.JENSEN zapewnia, że stosowanie filtrów dokładnych CJC oraz filtrów separatorów CJC pozwoli zwiększyć żywotność oleju i zmniejszyć koszty obsługi, a także obniżyć zużycie energii.
Podsumowując – gdy zachodzi potrzeba stosowania filtrów o porowatości <5 μm, należy pamiętać o możliwości występowania przyspieszonego procesu starzenia oleju. Wskazane jest stosowanie dodatkowej kontroli stanu oleju. W celu monitorowania stanu zanieczyszczeń filtrów w układach hydraulicznych Hydac oferuje wielofunkcyjny czujnik stanu oleju HYDACLab. Urządzenie przeprowadza pomiary dla temperatury, wilgotności oraz względnej lepkości i przenikalności elektrycznej cieczy roboczych.
W miarę absorpcji zanieczyszczeń zmniejsza się przepływ medium przez filtr, co może doprowadzić do powstawania dławienia w pompie. Przy pozytywnym wpływie filtrów na pracę maszyny poprzez utrzymywanie oleju w stanie czystości wadą jest to, że filtry się zatykają i powodują wzrost temperatury pracy – co prowadzi do degradacji oleju, wzrostu poboru energii elektrycznej (gdy pompa jest dławiona pobiera więcej prądu).
Wszystkie te elementy należy brać pod uwagę w szczególności w sytuacjach, gdy filtry są poprawnie eksploatowane, a wkłady wymieniane zgodnie z zaleceniami producenta maszyny i mimo to nie osiąga się właściwego efektu. Negatywne efekty, jak np. wzrost poboru energii, mogą dotyczyć każdego filtra, niezależnie od wielkości porowatości. Zawsze istnieje ryzyko, że filtr przestanie pełnić poprawnie swoją rolę, jeżeli będzie zbyt długo eksploatowany.
Wkłady do filtrów są świecowe i workowe. Wkłady świecowe mają relatywnie małą pojemność – szybko się zapychają, aczkolwiek są dość dokładne i cechuje je duża efektywność.
Drugi rodzaj wkładów to są wkłady workowe. Ich zaletą jest to, że mają relatywnie dużą pojemność przy niewielkim koszcie, ale muszą być stosowane szeregowo, czyli w układzie filtracji workowej. Wkłady workowe nie gwarantują osiągnięcia efektu proporcjonalnego do porowatości zastosowanego worka, ponieważ trudno jest przewidzieć, w jaki sposób zanieczyszczenie, które może mieć dowolny kształt, będzie przepływało przez worek. Gdy ustawi się swoją najmniejszą powierzchnią prostopadle do kierunku przepływu, może swobodnie przepłynąć przez filtr.
Dlatego w takich przypadkach zakłada się przynajmniej dwa stopnie filtracji, aby zapewnić odpowiedni poziom efektywności.
Skuteczność działania filtrów oceniana jest przez analizę oleju, w tym klasyfikację stanu czystości olejów. Należy pamiętać, że filtry mechanicznie nie są w stanie usunąć wilgoci i zaleca się wymianę oleju w określonym czasie. Czas eksploatacji oleju może być różny, ale zazwyczaj nie dłużej niż dwa lata.
Niezależnie od zaleceń producenta w kwestii wymiany oleju, niezbędne jest prowadzenie monitoringu stanu oleju. Bieżąca analiza stanu oleju niestety nie jest często propagowana przez producentów maszyn ze względu na chęć zapewnienia odpowiednio dużego rynku usług serwisowych.
– Niestety zawsze istnieje ryzyko, że jakiś element pochodzący z uszkodzonego podzespołu maszyny (łożysko, siłownik itp.) uszkodzi filtr, powodując, że nie będzie on spełniał swojej funkcji – mówi Janusz Toman z firmy EKSPERT, która jest przedstawicielem firmy KLEENTEK w Polsce. – Można temu zapobiec przez bieżący monitoring stanu oleju, tzw. śledzenie trendu. Polega to na bieżących analizach laboratoryjnych oleju, obejmujących zawartość w oleju cząstek różnych pierwiastków (badanie OES-IPC). Monitoring ten pozwala na stwierdzenie nietypowego wzrostu zawartości elementów zużyciowych, zanim nastąpi większe uszkodzenie czy wręcz awaria, dlatego określa się go jako podstawowy element bezdemontażowej diagnostyki maszyn. Podstawą jest regularne, najlepiej raz na kwartał, wykonywanie takich badań olejów. Niemniej największym mankamentem jest zatykanie się filtra w miarę upływu czasu. Poziom zanieczyszczenia filtrów mechanicznych, poza badaniem organoleptycznym, często bywa monitorowany dzięki czujnikom stopnia zanieczyszczenia. Działają one za zasadzie pomiaru różnicy ciśnień na wejściu i wyjściu z filtra. Odczyt może być „analogowy”, czyli poprzez wskaźnik o określonym wychyleniu, lub elektroniczny.
Dość często prowadzone są działania polegające na wymianie wkładu filtra różniącego się porowatością w związku ze stwierdzeniami, że czystość oleju nie jest na wymaganym poziomie. Przy czym zastosowanie filtra o mniejszej porowatości może wiązać się z krótszym czasem jego eksploatacji niż składu o większej porowatości.
Należy zwrócić uwagę, że około 85% cząsteczek zanieczyszczeń są to zanieczyszczenia o wielkości mniejszej niż 5 μm. Ponadto filtry nie usuwają innych zanieczyszczeń, takich jak woda i produkty starzeniowe. Na tego typu zanieczyszczenia są inne sposoby – filtry z wkładem absorbującym wilgoć lub stosowanie układów filtrujących powietrze w układach zamkniętych. Umieszcza się je na pokrywie zbiornika olejowego, nawiewając z jednej strony ciepłe suche powietrze, a zasysając z drugiej strony powietrze wilgotne usuwana jest w ten sposób wilgoć z oleju.
Firma Pall specjalizująca się w rozwiązaniach filtracyjnych dla rynku przemysłowego oferuje serię urządzeń HNP przeznaczoną do pielęgnacji cieczy roboczych. Zasada ich działania oparta jest na usuwaniu wody poprzez jej odparowanie w podciśnieniu. Do tego firma Pall ma w ofercie całą gamę urządzeń pomiarowych, które są bardzo wygodne w obsłudze. Wśród nich są urządzenia do monitorowania czystości, liczniki cząstek i analizatory zawartości wody.
Alternatywą dla filtrów mechanicznych może być kolektor do elektrostatycznego oczyszczania olejów (rys. 1). Kolektory służą wyłącznie jako elementy absorbujące zanieczyszczenia. Ich zaleta polega na tym, że bez względu na stopień zapełnienia w żaden sposób nie ograniczają przepływu oleju, a więc nie występują niekorzystne zjawiska, jak dławienie pomp i wzrost temperatury. Inną ich zaletą jest bardzo duża pojemność, która wynosi nawet kilka kg (w ekstremalnych przypadkach nawet kilkanaście kg), co powoduje, że koszty eksploatacji są bardzo niskie. Ponadto absorbują one nie tylko cząstki stałe, ale również produkty starzenia się olejów oraz pewną ilość wody.
Elementy filtracyjne a ciśnienie
Filtrem wysokociśnieniowym nazywane są filtry, które mają ciśnienia robocze powyżej 70 barów. Zazwyczaj są to wartości ciśnień w zakresie 70–750 barów. Filtry wysokociśnieniowe są montowane w większości przypadków na rurociągu za pompą zasilającą urządzenia hydrauliczne, czyli w części wysokociśnieniowej. Obudowy tego typu filtrów wykonywane są z żeliwa lub staliwa, albo z obydwu tych materiałów. Dolna część – kielich – jest zazwyczaj wykonana ze stali obrabianej mechanicznie.
Filtry średniego ciśnienia są to filtry, które mają zakres roboczy 16–70 barów. Różnica w zastosowaniu filtrów wysokociśnieniowych a średniociśnieniowych wynika z potrzeb samego układu hydraulicznego. Mają one podobną konstrukcję i wyposażenie, przy czym ze względów wytrzymałościowych mogą być wykonane z lżejszych materiałów, w większości przypadków są to filtry staliwne albo stalowe. Na obudowy tych filtrów stosowane jest również odpowiednio wzmocnione aluminium.
Filtry niskociśnieniowe to najczęściej filtry powrotne i można je podzielić na dwie grupy: świecowe, które mogą być montowane w obudowach instalowanych na rurociągu lub montowane na zbiorniku jako filtry otwarte – element filtracyjny znajduje się wewnątrz zbiornika. Drugą grupą filtrów niskociśnieniowych są filtry puszkowe, które się montuje na rurociągu. Mają one bardzo zbliżony wygląd do filtrów stosowanych w samochodach w układach smarowania silników jako filtry bocznikowe. W hydraulice siłowej filtry niskociśnieniowe stosuje się do wielkości 16 barów ciśnienia roboczego.
Obecnie w ofercie Parkera są już dostępne nowe filtry wysokociśnieniowe EPF o nowej konstrukcji zalecane do zastosowań, w których ograniczeniem jest niewielka ilość miejsca do zabudowy filtra i wymiany wkładu. Nowością jest rozwiązanie sposobu montażu elementu filtracyjnego w obudowie filtra. Element jest instalowany nie w głowicy, lecz w części dolnej obudowy. Oznacza to oszczędność miejsca niezbędnego do otwarcia obudowy celem wymiany elementu filtracyjnego, możliwość zabudowy filtra w miejscach trudno dostępnych, zachowanie czystości przy serwisowaniu filtra (w EPF element filtracyjny po odłączeniu od głowicy filtra pozostaje w kielichu obudowy). Obecnie Parker wprowadził do oferty serię z przyłączami typu „T”, natomiast w najbliższym czasie będą dostępne także wersje z przyłączem typu „L” oraz Duplex (350 barów).
Autor: Ewa Zbierajewska
