Badania zostały wykonane w ramach Wielkopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego na lata 2014-2020. Oś priorytetowa: Innowacyjna i konkurencyjna gospodarka; Działanie: Wzmocnienie potencjału innowacyjnego przedsiębiorstw Wielkopolski współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

Tytuł projektu: „Opracowanie inteligentnego filtra mgły olejowej w toku prac B+R”

Przesłankami do uruchomienia projektu był fakt, że koszty eksploatacje oraz jakość filtracji uzyskiwanych przez obecnie używane rozwiązania w obszarze filtrowania mgły olejowej nie zadawalały ich użytkownika (ZAP Kooperacja, Ostrów Wielkopolski) poprzez [10]:

• zbyt duże koszty eksploatacji urządzeń,
• filtrację na mniejszym poziomie niż oczekiwany,
• krótkie czasy pomiędzy wymianami filtrów lub koniecznością serwisowania urządzeń filtrujących.

Głównymi celami projektu było:

• zmniejszenie kosztów eksploatacji filtrów na poziomie 50% obecnych,
• czas eksploatacji bez konieczności wymiany filtrów wydłużony o 100%,
• filtracja na poziomie uzyskiwanym przez filtry HEPA (ponad 99%),
• gotowy prototyp urządzenia, które może być wdrożone do produkcji.

Model rzeczywisty demistera

Mgła olejowa składa się z czynników niekondensujących - przyjęto, że drobiny mgły cieczy chłodząco - smarującej (CCS) są skondensowane, a ich usunięcie realizowane będzie na drodze koalescencji, zwilżania (adhezji i ściekania po części grawitacyjnego) i czynników kondensujących (woda). W wyniku obróbki metali z dużą prędkością powstaje mgła, w której część kondensująca składa się z:

• emulsji o wielkości drobin 2-20 μm - 95%,
• dymu o wielkości drobin 0,07-2 μm – 5%.

Mgła olejowa, która powstaje z połączenia powietrza i drobin CCS jest gazem wilgotnym przeznaczonym do filtracji. Zawartość czynników kondensujących określa parametr - wilgotność bezwzględna gazu. Mgła olejowa może zawierać również frakcje stałe tj. pochodne oleju (parafina), pozostałości po obróbce oraz inne zanieczyszczenia [2-4].

W projekcie zaproponowano trójetapowy sposób filtracji mgły olejowej.

• Etap pierwszy – filtracja wstępna polegająca na usunięciu frakcji stałych z gazu wilgotnego i większych drobin mgły CCS przez zastosowanie filtra lamelowego lub z włókien poliestrowych.
• Etap drugi - separacja. Zasadnicze oddzielenie składników mgły CCS od powietrza.
• Etap trzeci - filtracja końcowa - zastosowanie odpowiedniego filtra HEPA [5,6,17].

W artykule skupiono się na pierwszym etapie projektu do którego wybrano filtr typu lamelowego i przedstawiono sposób wyznaczenia optymalnego kształtu lamelki filtra, jego wymiary oraz  wzajemne położenie w komorze filtracji wstępnej. 

Założenia do budowy filtra wstępnego

W celu ujednolicenia składu mgły olejowej i pozbawienia powietrza cząstek powyżej 10 mikrometrów postanowiono zastosować separator wstępny w postaci filtra lamelowego. Przyjęto cztery rodzaje filtra lamelowego z profilami typu "/" (rys. 1), typu "T" (rys. 2) i typu "C1" i "C2"(rys. 3, 4). Dla tak zadanych geometrii demistera opracowano modele symulacyjne w programie ANSYS.

Rozszerzone badania symulacyjne przeprowadzone zostały z zastosowaniem wszystkich typów lameli i polegały na badaniu stopnia zdolności układu lameli do skutecznej filtracji.

Budowa modelu symulacyjnego. Modelowanie procesu separacji gazu wilgotnego

Wstępna separacja gazu wilgotnego

Mgła aerozolowa jest wytwarzana w licznych procesach stosujących ciecze chłodząco – smarujące  stosowane w całej galerii wielofunkcyjnych i specjalizowanych maszyn.

Narzędzia maszynowe podczas obróbki wytwarzają dwa rodzaje mgły. Pierwszy rodzaj, generowany mechanicznie, to duża ilość kropel oleju powstających podczas wysokich prędkości skrawania. Drugi rodzaj mgły jest wytwarzany wówczas, gdy olej paruje na skutek kontaktu z narzędziem, a następnie skrapla się w postaci „mikrokropel” (tab. 1). 

Tab. 1. Typowe rozmiary różnych rodzajów zamglenia.

Ważnymi parametrami, które należy uwzględnić, są dane dotyczące oleju lub emulsji, lepkości, temperatury oraz obciążenia mgłą. W wielu przypadkach separowany olej może być ponownie wykorzystany, co pozwala zaoszczędzić zużywające się materiały i zmniejszyć zanieczyszczenie.

Przyjęto założenie, że wstępny filtr,  powinien być zaprojektowany dla osiągania wysokich skuteczności w towarzyszących zakresach frakcji wymiarowych mgły olejowej, w typowym zakresie wymiarowym kropel chłodziwa od 5 do 0,01 mm/ 10 PMI, w dwóch pierwszych sekcjach profilowanych i w zakresie 0,01 - 0,001mm/ 1 PMI, w sekcji trzeciej [1,8]. W artykule opisano badania dotyczące filtra wstępnego. Bardzo istotnym założeniem jest zapewnienie odporności funkcjonowania projektowanego układu dla pełnej zmienności parametrów przepływu oraz wymiarowania cząstek chłodziwa w powietrzu. Ponadto dążono do całkowitego zatrzymania substancji smolistych w nich zawartych [18]. Sekcja filtra podstawowego powinna zapewniać długie okresy funkcjonowania przy pełnej sprawności, być praktycznie bezobsługowa, ale z kontrolowanymi stanami zanieczyszczenia substancjami smolistymi i stałymi. Powinna zapewniać sukcesywny ich odpływ wraz z zatrzymanym chłodziwem.

Modelowanie procesu separacji gazu wilgotnego na etapie wstępnym separacji

Separacja wstępna to proces odbywający się w separatorze, do którego z maszyny obróbczej dociera wilgotne powietrze wraz z kroplami mgły olejowej. Mgła składa się z kropel różnej wielkości od 0,3 μm -10 μm. W procesie projektowania separatora wstępnego uwzględniono następujące funkcje celu:

• Eliminacja największych kropel. W wyniku badania rozważanych konstrukcji separatora wstępnego dochodzi do wyraźnie narastającego osadzania się kropel mgły na jego lamelach podczas przepływu powietrza wilgotnego przez separator.
• Agregacja kropel małych i średnich do większych. Budowa i układ lameli pozwala na osiągnięcie poziomów prędkości zderzenia kropel, którego wynikiem jest agregacja małych kropel do większych, w zakresach 0,3 μm -2,5μm.
• Usuwanie kondensatu. Budowa separatora wstępnego pozwala grawitacyjnie usuwać kondensat.

Wstępne obliczenia numeryczne tego zagadnienia dotyczą separatora lamelowego przedstawionego na rysunku 5.  

Na rysunku 5 przedstawiono zmiany gęstości mgły olejowej na skutek jej przepływu przez przestrzenie pomiędzy lamelami separatora typu "/" ustawionymi pod kątem 45^o w stosunku do kierunku napływu. Badanie obejmuje dwa podwójne rzędy lameli tj. 2/3 sekcji separatora, przyjmując trzy podwójne rzędy lameli jako jedną sekcję. Przepływ następuje przy bardzo małej prędkości i widoczny jest lokalny wzrost gęstości mgły.

Na rysunku 6 przedstawiono rozkład koncentracji fazy ciekłej mgły olejowej w przekroju separatora. Widoczny jest lokalny wzrost udziału fazy ciekłej w początkowej części lameli. Identyfikacja obszarów w układzie separatora, w których może dochodzić do kondensacji mgły pozwoli na optymalizację układu lameli w kierunku jak największego obszaru kondensacji i jak najlepszego sposobu odprowadzania kondensatu i związanych z nim innych zanieczyszczeń [9].

Proces separacji kropel skondensowanych aerozolu we wstępnej fazie filtracji zanieczyszczonego powietrza będzie opierał się głównie na zjawiskach koalescencji powiązanych ze zwilżalnością i napięciem powierzchniowym cieczy chłodząco-smarującej użytej podczas obróbki i koncentrował się w obszarach o zwiększonym nagromadzeniu kropel aerozolu oraz w miejscach gdzie krople uderzają o powierzchnie przeszkody, w postaci lameli o różnych kształtach i ustawieniach [15, 22].

Do badań symulacyjnych przyjęto trzy rodzaje lameli w czterech ustawieniach. Kształt lameli na tym etapie projektu podyktowany jest łatwym dostępem typowych profili i ich  stosunkowo niskimi kosztami budowy [13, 20]. 

Wyniki obliczeń numerycznych

Badania dla wszystkich przypadków przeprowadzono z udziałem kropel aerozolu dla wszystkich frakcji. Warunki brzegowe zostały wymienione poniżej:

• analiza ustalona,
• udział frakcyjny poszczególnych składników:

1. powietrze - 0,8;
2. krople wody o wielkości 0,3 μm – 0,0002;
3. krople wody o wielkości 2,5 μm – 0,0499;
4. krople wody o wielkości 10 μm – 0,1499;

• warunki na wlocie:

1. przepływ objętościowy Q=0.5 kg/s;

• warunki na wylocie:

1. ciśnienie p=­ -30 kPa;

• warunki na brzegu: No slip wall (ściana gładka);
• w trakcie przepływu działa siła masowa w kierunku z g= -9,81 m/s.

Na rys. 7 przedstawiono geometrię kanału separatora z lamelami typu C1 jaki został zaimplementowany do systemu ANSYS. Model dla pozostałych typów lameli został wykonany analogicznie [12, 19]. Lamela i ściany boczne są stałe. Od przodu widoczny jest kanał wlotowy ze strzałkami w kolorze czarnym z zadanym przepływem objętościowym Q=0,5 kg/s. Od tyłu kanał wylotowy z podwójnymi strzałkami w kolorze niebieskim z zadanym podciśnieniem, generowanym w rzeczywistości przez wentylator odciągowy o wartości -30 kPa [11, 16].

W separatorze typu „/” obserwujemy niewielkie ogniska gromadzenia się cząstek CCS, który gromadzi się na powierzchniach napływowych lamel dla wszystkich trzech wielkości badanych cząstek rys. 8-10. Rozkład cząstek po stronie wylotowej ma kształt asymetryczny co ma wpływ na warunki początkowe kolejnego stopnia filtracji projektowanego demistera, który jest drugim stopniem filtracji w opisywanym rozwiązaniu. Ten typ separatora został odrzucony po fazie modelowania numerycznego, ze względu na niewystarczający stopień filtracji. 

Na rysunkach 11-13 przedstawione zostały udziały masowe trzech wielkości badanych cząstek dla separatora typu „C1” . Dla cząstek o wielkości 0,3 μm i 2,5 μm obserwujemy wzrost koncentracji cząstek na powierzchni wewnętrznej separatora. Analiza przepływu przez separator potwierdziła, że przestrzeń wewnętrzna stanowi strefę stagnacji, która przy pionowym ułożeniu lameli separatora stanowi przestrzeń w której odbywał by się grawitacyjny spływ koagulantu. Stopień koagulacji mgły dla tego separatora był niewystarczający, ale na jego podstawie opracowano separator typu „C2”. 

Dla separatora „C2” zaobserwowano wzrost koncentracji cząstek mgły CCS w porównaniu do separatora typu „C1”. Pola koncentracji cząstek przedstawiono na rysunkach 14-16. Ze względu na asymetryczny rozkład prędkości wypływ mieszaniny obserwowany za separatorem ten typ rozwiązania został odrzucony w fazie projektowej filtra wstępnego.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Produkcja mechaniczna

Smarowanie i chłodzenie mgłą olejową

Chłodzenie mgłą olejową, które pozwala zaoszczędzić nawet do 600 litrów oleju na godzinę.

Na rysunkach 17-19 przedstawiono zmianę koncentracji cząstek mgły olejowej dla separatora typu „T”. Obserwujemy intensywne wytrącanie się koagulantu na powierzchniach wewnętrznych lameli. Strefa, która powstaje rozciąga się aż do wypustków pionowego wspornika analizowanego typu lameli. Obraz ten szczególnie widoczny jest dla koagulacji cząstek o wielkości  0,3 μm – rys.17.  Dla cząstek o wielkościach 2,5 μm oraz 10 μm również obserwujemy znaczny wzrost koncentracji cząstek. 

Na rysunkach 20-22  przedstawiono wyniki symulacji koncentracji poszczególnych frakcji wodnego aerozolu dla zadanych separatorów lamelowych. 

Dla najmniejszej badanej frakcji 0,3 μm niewielka koncentracja cząstek występuje w miejscach zastoinowych i praktycznie nie występuje w miejscach silnego napływu zanieczyszczonego powietrza na przeszkody (ściany lameli) rys. 20. Największa ich koncentracja występuje dla separatora typu "T".

Dla frakcji 2,5 μm, podobnie jak dla frakcji 0,3 μm, koncentracja cząstek występuje tylko w miejscach zastoinowych nie występuje w miejscach silnego napływu zanieczyszczonego powietrza na przeszkody (ściany lameli) rys. 21. 

Frakcja 10 μm, najcięższa z badanych, wykazuje zwiększoną koncentrację w miejscach napływu na przeszkody. W tych miejscach należy spodziewać się uderzania kropel aerozolu o ścianki lameli z możliwością ich przylgnięcia a następnie spływu grawitacyjnego na dno separatora rys. 22.

Do dalszej analizy wybrano separator typu „T” ze względu na najwyższy stopień koncentracji cząstek i symetryczne pole wypływu cieczy obserwowane za separatorem. Separator typu „T” dodatkowo charakteryzuje się największą powierzchnią czynną, w której dochodzi do kontaktu z mieszaniną mgły olejowej i powietrza. Według autorów istnieje silna korelacji pomiędzy całkowitą powierzchnią lameli a stopniem koncentracji i koagulacji cząstek.

Podsumowanie

Opierając się na wynikach badań symulacyjnych separatorów lamelowych zaproponowano użycie separatora typu "T" jako najbardziej efektywnego profilu eliminującego najlepiej mgłę olejową z filtrowanego gazu.

W strumieniu powietrza koalescencja należy do zdarzeń rzadkich (maksymalnie do 5%) nawet przy znacznych relatywnych "zagęszczeniach". Badania symulacyjne ujawniły znaczne obszary, w których zwiększa się stopień zagęszczenia cząstek aerozolu. Największe z nich występują dla dużych frakcji (PM 10). Można przypuszczać, że bezwładnościowe składowe ruchu cząstek będą doprowadzały do kontaktu powierzchni kropel i powierzchni lameli, co w rezultacie doprowadzi do oddzielenia tej frakcji zanieczyszczeń ze strumienia przepływającego powietrza. Utworzone w ten sposób warstwy cieczy, wyspowe skupienia lub pojedyncze krople będą ściekały grawitacyjnie po powierzchni lameli.

Wstępnie przeprowadzone badania symulacyjne potwierdzają taki typ zachowania cząstek i zostały przedstawione na rys. 23.

Podczas symulacyjnego projektowania lamelowego separatora wstępnego szczególnie należy wziąć pod uwagę konstrukcje lamelowe, które zapewniają odpowiednie rezultaty separacji filtracyjnej. W postępowaniu doboru kształtów  lamel przeprowadzono kilka cykli badawczych. Przedstawione wyniki badań symulacyjnych, w grupie opracowanych konstrukcji lamelowych umożliwiają ich różnicowanie i ocenę sprawności procesowej. Na podstawie dokonanych analiz wyników oceniono, że umożliwiają decyzje doboru  konstrukcji filtrów do przeprowadzenia badań wielkolaboratoryjnych, czy ułamkowo - technicznych.

Zaobserwowano, że przyjęty model matematyczny w pakiecie programu ANSYS, jego dostępne warunki brzegowe, gęstości siatki oraz niezbędne założenia upraszczające nie dają możliwości wystarczająco szerokiego i dokładnego odzwierciedlenia zjawisk, które będą zachodziły w rzeczywistym filtrze. Na rysunku 24 przedstawiono porównanie wyników badań symulacyjnych koncentracji cząstek wodnego aerozolu PM10 w zależności od gęstości siatki obliczeniowej. W pierwszym przypadku gęstość siatki wynosiła 2 mm w drugim 1 mm. Zagęszczona i dokładniejsza siatka analityczna ujawnia dodatkowe obszary i miejsca koncentracji cząstek. Określa dokładniejsze dane ich położeń, szybkości i toru biegu  cząstek, a także rozkładów ich koncentracji. 

Zwiększanie precyzji opisu procesu poprzez zagęszczanie siatki analizy numerycznej, szybko natrafia na bariery wydajności obliczeniowej sprzętu komputerowego i powoduje wielodniowe cykle operacyjne. Dalsze zwiększenia gęstości siatki analitycznej wymaga przeniesienia procedur symulacyjnych na specjalizowane i wysoko wydajne stacje obliczeniowe.

Autorzy: Krzysztof Kędzia, Krzysztof Patralski, Jarosław Prokopowicz, Andrzej Żychiewicz 

Literatura:

    [1] Development and coalescence mechanism of an improved filter cartridge for oil mist separators Chemical Engineering Research and DesignAvailable online 7 September 2022 Feng Chen, Wenhan Yu, Xiaolin Wu
    [2] Dynamic pore network model to predict residual saturation and pressure drop in mist oleo-phobic filters Separation and Purification Technology19 March 2022, A. Azarafza, A. J. C. King, B. J. Mullins
    [3] Influence of 3D printed downstream support structures on pressure drop and entrainment of oleophilic and oleophobic oil mist filters Separation and Purification Technology16 March 2022, Christian Straube, Guohui Yang, Achim Dittler
    [4] Relevance of downstream support structure design for oleophilic and oleophobic oil mist filter operating performance, Separation and Purification Technology13 May 2020, T. Penner, J. Meyer,A. Dittler
    [5] Modification of polypropylene fibrous filters with MTMS-based aerogel for improvement of oil mist separation properties – Experimental and theoretical study Journal of Environmental Chemical Engineering6 May 2022, Bartosz Nowak, Marta Bonora, Jakub M. Gac
    [6] Reduction in oil mist filtration resistance using novel fibrous filters with bioinspired fibrous membrane Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects20 April 2021, Yufeng Liu, Jinjie Lu, Zhen Liu
    [7] The influence of layer separation on multilayer mist coalescing filter performance
    [8] Separation and Purification Technology18 May 2021,  A. Azarafza, A. J. C. King, B. J. Mullins
    [9] Oleophilic and oleophobic media combinations – Influence on oil mist filter operating performance, Separation and Purification Technology24 December 2020, T. Penner, J. Meyer, A. Dittler
    [10] Impact of operating conditions on the evolution of droplet penetration in oil mist filters Separation and Purification Technology17 October 2018, T. Penner, J. Meyer,A. Dittler
    [11] Mist filters: How steady is their “steady state”? Chemical Engineering Science2 April 2019, H. E. Kolb, G. Kasper
    [12] Flow velocity dependence of the pressure drop of oil mist filters, Chemical Engineering Science20 July 2017, H. E. Kolb, J. Meyer, G. Kasper
    [13] On the relationship of drop entrainment with bubble formation rates in oil mist filters
    [14] Separation and Purification Technology31 May 2017, S. Wurster, J. Meyer, G. Kasper
    [15] The relationship between pressure drop and liquid saturation in oil-mist filters – Predicting filter saturation using a capillary based model, Separation and Purification Technology5 February 2013, Ryan Mead-Hunter, Roger D. Braddock, Benjamin J. Mullins
    [16] Aerosol-mist coalescing filters – A review, Separation and Purification Technology8 September 2014, Ryan Mead-Hunter, Andrew J. C. King, Benjamin J. Mullins
    [17] A mesoscale model for the relationship between efficiency and internal liquid distribution of droplet mist filters, Journal of Aerosol Science26 May 2018, H. E. Kolb, A. K. Watzek, G. Kasper
    [18] Validation of a new phenomenological “jump-and-channel” model for the wet pressure drop of oil mist filters, Chemical Engineering Science27 January 2015, D. Kampa, S. Wurster, G. Kasper
    [19] Selecting fiber materials to improve mist filters, Journal of Aerosol ScienceNovember 2003, Gina M. Letts, Peter C. Raynor, Rebecca L. Schumann
    [20] Pressure drop and liquid transport through coalescence filter media used for oil mist filtration, International Journal of Multiphase FlowJanuary 2014, D. Kampa, S. Wurster, G. Kasper
    [21] Bubbling vs. blow-off – On the relevant mechanism(s) of drop entrainment from oil mist filter media, Separation and Purification Technology25 September 2015, S. Wurster, J. Meyer, G. Kasper
    [22] Monitors track mist filter failure, Filtration & SeparationJuly–August 2009
    [23] Role of acoustic wave on extinguishing flames coupling with water mist, Case Studies in Thermal Engineering19 August 2022, Yuqi Huang, Mengheng Wang, Ke Wu
    [24] Development of a mist-based printhead for droplet-based bioprinting of ionically crosslinking hydrogel bioinks, Bioprinting6 May 2022, S. Badr, B. MacCallum, A. Ahmadi