filtrazione
L’IMPORTANZA
DELLA
FILTRAZIONE
MASSIMO
TORSELLO
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ANNO VIII – N. 31 – SETTEMBRE 2002
filtrazione
Mi è capitato di recente tra le mani
un vecchio opuscolo tecnico della
Pall Divisione Idraulica, intitolato
“Controllo della contaminazione nei
sistemi idraulici e di lubrificazione”,
che ho trovato interessante per la sua
chiarezza divulgativa nello spiegare
una serie di termini e di processi relativi alle conseguenze che la contaminazione dei fluidi comporta nei
sistemi in cui essi vengono impiegati.
Ritengo altresì che l’approfondimento
di alcuni concetti e definizioni riguardanti i processi di decontaminazione
mediante filtrazione su setti porosi,
possa in qualche modo tornare utile
anche a chi si occupa di impianti di
lavaggio industriale e/o di depurazione dei bagni di lavaggio esausti; in
quest’ultimo caso, infatti, anche se le
conseguenze della contaminazione
del fluido non sono così “distruttive”
come nel settore dei sistemi idraulici,
è indubbio che la scarsa attenzione
verso l’inquinamento del bagno porti
ad un inevitabile decremento delle
prestazioni di lavaggio, compromettendo il raggiungimento del grado
di pulizia richiesto.
E’ per tale motivo che propongo al
lettore questa recensione.
L’opuscolo comincia con una semplice constatazione statistica: circa il
50% delle cause di guasto di un
sistema idraulico sono dovute all’usura meccanica delle sue componenti,
usura provocata dalla presenza di contaminazione particellare all’interno
del fluido impiegato.
Ulteriori studi statistici mostrano
(figura 1) che circa il 95% di tale
contaminazione è dovuta a particelle
con dimensioni inferiori a 25 micron
e che il 90% della stessa contaminazione è imputabile alle particelle comprese tra 5 e 15 micron.
Pressoché la totalità dei sistemi idraulici e di lubrificazione risulta soggetta
a contaminazione, il cui grado
dipende dalla configurazione del
sistema stesso, dall’età operativa e
dall’efficienza dei filtri e dei dispositivi adottati: per rendere l’idea, si
stima che, mediamente, un litro di
fluido oleoidraulico contenga circa 10
milioni di particelle di dimensioni
superiori a 1 micron.
Le sorgenti di tale contaminazione
sono molteplici e diversificate e dipendono anch’esse dalla configurazione
del sistema, dalla qualità dei componenti utilizzati, dall’ambiente di
funzionamento e dalle procedure di
manutenzione. Si possono individuare quattro sorgenti principali di
contaminazione:
• da costruzione, presente sui com-
Figura 1 – Distribuzione granulometrica dei contaminanti in un
fluido idraulico
METAL CLEANING & FINISHING
ponenti utilizzati;
• generata dal sistema, da usura dei
componenti (soprattutto di quelli
dotati di movimento quali pompe,
cilindri, cuscinetti, eccetera) e da
decomposizione del fluido;
• da manutenzione, ad esempio
durante il montaggio e lo smontaggio dei componenti;
• “ingerita” durante il funzionamento, proveniente dall’esterno.
Facendo un confronto, si può vedere
come tutti questi esempi possano
essere tranquillamente applicati anche
agli impianti di lavaggio.
La presenza di contaminanti nel
fluido idraulico o lubrificante è, al
tempo stesso, causa ed effetto della
contaminazione stessa e può produrre un effetto a catena che conduce
inevitabilmente all’avaria qualora non
vengano adottati opportuni interventi di rimozione. Infatti, una delle
più importanti cause di contaminazione è la generazione di contaminanti
all’interno del sistema stesso, effetto
a sua volta innescato e propagato dal
contaminante già presente, attraverso
alcuni meccanismi, i cui principali
sono:
• abrasione (figura 2), che si presenta
soprattutto quando le particelle di
contaminante penetrano nello spazio (“gioco”) tra due superfici in
Figura 2 – Usura per abrasione
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filtrazione
moto relativo e, aderendo ad una
delle due, agiscono sull’altra come
un utensile da taglio rimuovendo
materiale
• erosione (figura 3), causata dall’impatto di particelle molto veloci
sulla superficie del componente.
La trasformazione dell’energia cinetica in calore provoca fortissimi
surriscaldamenti locali, microfusioni e distacchi di materiale che
possono a loro volta dare luogo a
punti di innesco di fenomeni di
fatica
• fatica (figura 4), causata dalle ripetute sollecitazioni della superficie
del componente da parte delle particelle intrappolate tra superfici in
Figura 3 – Usura per erosione
Figura 4 – Fenomeni di fatica
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filtrazione
Figura 5 – Meccanismi di filtrazione
PROVA MULTI–PASS
ISO 4572 PER LA MISURA DEL
RAPPORTO BETA.
SCHEMA SEMPLIFICATO
Figura 6 – Prova Multi-Pass per la misura del rapporto di filtrazione
METAL CLEANING & FINISHING
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movimento
• corrosione, causata da fenomeni
chimici ed elettrochimici.
Tornando al parallelo con i processi
di lavaggio, si può vedere come anche
in questo campo possano essere
riscontrabili simili fenomeni di erosione, corrosione ed abrasione, ad
esempio causati da un non ben ottimizzato dispositivo ad ultrasuoni o
da un poco adeguato prodotto
pulente, oppure ancora da un sistema
di pulizia meccanica troppo ”energico”; fenomeni che portano, in
aggiunta alle impurità presenti sui
pezzi da pulire, ulteriore materiale
inquinante al bagno di lavaggio. Di
conseguenza, risulta evidente, anche
per il settore di nostro interesse, come
un’adeguata filtrazione del bagno sia
fondamentale per garantire il voluto
o prescritto grado di pulizia dei pezzi,
soprattutto in quei campi (quali la
meccanica di precisione, il settore
automotoristico e la refrigerazione)
in cui la contaminazione residua presente sui componenti finiti può portare a guasti ed avarie dei sistemi in
cui sono installati, per fenomeni di
fatica, abrasione ed erosione analoghi a quelli sopra descritti.
L’opuscolo prosegue con la definizione e spiegazione di alcuni concetti
e parametri specifici dei dispositivi
di filtrazione del particolato.
Innanzi tutto, per filtrazione si
intende la “rimozione di particelle
solide da un liquido o da un gas,
facendolo passare attraverso un
mezzo poroso (filtro o setto filtrante)”. Esistono differenti tipi di
setti filtranti, tutti riconducibili a
due macrocategorie: i setti a pori stabili (reti di fili metallici sinterizzati;
polveri metalliche sinterizzate; membrane; matrici di fibre impregnate di
resina) e quelli a pori non stabili
(fibre di vetro non legate; sabbia;
terre di diatomee; fibre di cellulosa
o cotone; materiali di scarto quali
carta, stracci o trucioli di legno).
I meccanismi di filtrazione vengono
invece differenziati tra quelli per
filtrazione
Figura 7 – Diagramma dei rapporti di filtrazione per diversi tipi
di setti filtranti
Figura 8 – Variazioni di ßx in funzione della pressione differenziale
Figura 9 – Influenza dei trafilamenti sul valore effettivo di ßx
impatto inerziale e diffusione e quelli per intercettazione
diretta (figura 5); questi ultimi sono da preferirsi e la loro
efficienza è maggiore se il setto è del tipo a pori stabili con
dimensioni inferiori a quelle delle particelle da trattenere.
L’efficienza di filtrazione può essere espressa attraverso tre
distinti parametri:
• il potere di ritenzione nominale, che é il “valore espresso
in micron ed arbitrariamente indicato dal costruttore
del filtro per indicarne il grado di filtrazione (specifiche
CETOP RP 100H). Non essendo definito un metodo
di prova, non risulta riproducibile e quindi è un parametro di riferimento sconsigliato”
• il potere di ritenzione assoluto, che “è il diametro in
micron della più grande particella sferica indeformabile
che passa attraverso un filtro in condizioni di prova
determinate (AFNOR-E-48676). Tale metodo però non
tiene conto dello stato di intasamento del filtro e delle
perdite di carico finali del filtro stesso”
• il rapporto di filtrazione (ßx), che “è il rapporto tra il
numero di particelle di dimensioni superiori ad un certo
valore “x” (in micron) in entrata nel filtro, ed il numero
delle stesse particelle in uscita, con numeri riferiti allo
stesso volume di fluido. Questa definizione deve essere
associata ad una metodologia di prova ben definita...che
comporti la misura del rapporto per differenti gradi di
intasamento del filtro sino al massimo valore di perdita
di carico ammesso (AFNOR-E-48676 e ISO 4572)”.
Il rapporto di filtrazione ßx risulta essere il più idoneo a
rappresentare quelle che sono le prestazioni di un filtro in
esercizio; il suo valore viene determinato attraverso la
cosiddetta “prova Multi-Pass” (ISO 4572), il cui schema
semplificato è mostrato in figura 6.
La correlazione tra il valore di ßx e l’efficienza del filtro
testato è mostrata in Tabella A.
Ogni filtro è caratterizzato dall’avere valori di ßx differenti
a seconda delle dimensioni delle particelle prese in considerazione: questa variabilità viene rappresentata attraverso una curva logaritmica che fornisce un’indicazione
dell’attitudine di quel setto a trattenere le differenti classi
di particelle contaminanti . In figura 7 viene mostrato un
esempio di diagramma in cui sono confrontate differenti
tipologie di filtri. Nella tabella di fianco al diagramma,
per ogni tipo di setto viene riportata (in colonna centrale)
la dimensione minima delle particelle per cui ogni setto
abbia rapporto ßx=200 (equivalente ad una efficienza del
99,5%), mentre nella colonna destra viene mostrato il valore
che assume il parametro ßx quando la dimensione minima
della particella è pari a 10 micron (x = 10).
Ma non è solo la dimensione della particella che influenza
il valore di ßx di un certo filtro; esso può dipendere anche
da altri fattori quali i seguenti:
• pressione differenziale (indica il grado di intasamento
del setto filtrante) e il suo incremento può portare ad
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ANNO VIII – N. 31 – SETTEMBRE 2002
filtrazione
Tabella A – Significato dei valori di ßx e correlazione con l’efficienza di filtrazione
una diminuzione del valore di ßx,
soprattutto nei filtri a pori non
stabili. Il meccanismo è intuitivo:
un incremento della pressione differenziale può provocare la dilatazione dei pori, lasciando passare
un maggior numero di particelle,
con conseguente riduzione del rapporto di filtrazione e quindi dell’efficienza del filtro (figura 8)
• trafilamenti, che provocano il
bypass del filtro da parte di una
percentuale più o meno elevata di
fluido contaminante. Anche in
questo caso il meccanismo è intuitivo: la mancata filtrazione di una
parte di fluido viene rilevata come
diminuzione del valore di ßx
(figura 9)
• variazione della portata di fluido
METAL CLEANING & FINISHING
(se il materiale filtrante non è in
grado di resistere alle sollecitazioni
provocate da questa condizione
di esercizio, può subire deformazioni che portano alla riduzione del
rapporto di filtrazione).
Come si può ben capire, quindi, la
conoscenza di questo parametro è
piuttosto importante sia per verificare e confrontare le effettive prestazioni di filtri differenti operanti
correttamente in condizioni di
regime, sia come eventuale indice,
nel tempo, dell’affidabilità e resistenza all’usura di un filtro specifico, soprattutto nel caso di filtri
rigenerabili. ◆
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sull’apposita cartolina in fondo alla rivista
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Metal Cleaning &
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si é trasferita.
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Tutti i numeri
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