در این بخش از سری مطالب «هیدرولیک و فیلتراسیون» به مرور انواع جداسازی فیزیکی پرداخته و به انواع عامل صافی و مراحل فیلتراسیون می‌پردازیم.
سری مطالب «هیدرولیک و فیلتراسیون» در ده بخش و با هدف کمک به نشر آگاهی عمومی در زمینه فیلتراسیون سیستم‌های هیدرولیک منتشر می‌شود.
فیلتراسیون
واژه «فیلتر» به معنای جداکننده یا صافی است. «فیلتراسیون» در ادبیاتِ این موضوع به معنای جدا سازی فیزیکی است.
به طور کلی، جداسازی فیزیکی به انواع زیر دسته‌بندی می‌شود:
- جامد از جامد
- جامد از مایع
- جامد از گاز
- مایع از مایع
- مایع از گاز
- گاز از گاز
انواع جداسازی در سیستم‌های هیدرولیک را می‌توان به صورت زیر برشمرد:
- جداسازی جامدات ازمایعات
- جداسازی جامدات موجود در گازها
- جداسازی مایعات از مایعات
در این میان، جداسازی جامد از مایع در سیستم‌های هیدرولیک بیشترین کاربرد را دارد. عامل اصلی در این نوع فیلتراسیون «مدیا» یا «عامل صافی» است.
عامل صافی
عامل صافی یا «مدیا»ی فیلتر وظیفه جداسازی آلاینده‌ها از سیال را بر عهده دارد. مدیا معمولاً بصورت ورقه‌ای تولید می‌شود و گاهی بصورت چین‌دار در می‌آید تا مساحت بیشتری از آن در مقابل جریان سیال قرار گیرد. به این ترتیب، ضمن بالا رفتن سطح و ظرفیت فیلتراسیون، افت فشار فیلتر نیز کاهش می‌یابد.
در بعضی از موارد، مدیا بصورت چندلایه مورد استفاده قرار می‌گیرد. از نظر جنس، مدیا از مواد مختلفی ساخته می‌شود و می‌توان آن را به انواع زیر دسته‌بندی کرد:
- توری‌های فلزی
- توری‌های غیر فلزی
- کاغذ با الیاف سلولزی
- کاغذ با الیاف میکرو فایبرگلاس
- منسوجات با تار و پود یا بافته شده
- منسوجات بدون بافت
- پلیمرها
مدیا از نظر عمق تصفیه به دو دسته سطحی و عمقی تقسیم می‌شود.
در نوع سطحی، سیال در عبور از مدیا در مسیر مستقیم حرکت می‌کند. اجزای این نوع فیلتر از رشته‌های به هم بافته‌شده تشکیل شده‌اند. تمام حفره‌های آن‌ها دارای اندازه یکسانی هستند و قطر آن‌ها بر اساس قطر بزرگترین ذره کروی‌شکل که تحت شرایط خاص آزمایشگاهی می‌تواند از آن عبور کند، تعریف می‌شود.
در مدیای عمقی، سیال باید مسیر غیرمستقیمی را در طول اجزای تشکیل دهنده مدیا طی کند. این نوع مدیا دارای میلیون‌ها حفره ریز است که از فضای بین الیاف شکل گرفته‌‌اند. در طول لایه‌های مدیا، این حفره‌ها مسیر غیرمستقیمی برای عبور سیال بوجود آورده اند و به دلیل نحوه توزیع اندازه آن‌ها، عامل صافی ظرفیت جذب بالایی برای آلاینده‌های بسیار کوچک دارد. علاوه بر این، عمر این نوع مدیا از نوع سطحی بیشتر است.
از مواد تشکیل دهنده مدیای عمقی می توان به الیاف سلولزی و فایبرگلاسی اشاره کرد. در نوع سلولزی، حفره‌ها به دلیل شکل و اندازه متفاوت الیاف، دارای اختلاف اندازه زیادی با یکدیگر هستند. الیاف فایبرگلاس نازک‌تر بوده و دارای سطح مقطع یکنواخت و دایره‌ای هستند و به این ترتیب عملکرد بهتر و دقیق‌تری دارند. نازکی الیاف باعث ایجاد حفره‌های کوچک‌تر و عملکرد بهتر می‌شود و ظرفیت نگهداری فیلتر نیز بهبود می‌یابد.
مراحل فیلتراسیون
تفکیک ذرات آلوده از طریق مکانیسم‌های متفاوت انجام می‌شود. سه مکانیسم عمومی متداول در فیلتراسیون شامل اثر جداسازی، اثر اینرسی و اثر نشر است. با توجه به اندازه ذرات قابل جداسازی و مشخصات سیال، مکانیسم مؤثر در فرآیند فیتراسیون متفاوت خواهد بود. «اثر جداسازی»، مکانیسم اصلی تفکیک در فیلتراسیون روغن هیدرولیک، روغن و سوخت است. «اثر اینرسی» و «اثر نشر» عمدتاً در فیلتراسیون هوا نقش دارند.
در ادامه، به مرور مختصر هریک از این مکانیسم‌ها خواهیم پرداخت. در تصاویر زیر، الیاف مدیای فیلتر به صورت عمود بر سطح تصویر به نمایش درآمده است. سیال در اطراف این الیاف جریان دارد.
اثر اینرسی
در حالی که ذرات همراه با جریان سیال ورودی به الیاف عامل صافی نزدیک می‌شوند، خطوط جریان برای عبور از فضای میان الیاف، تغییرجهت می‌هند. اما ذرات غبار به علت اینرسی ناشی از جرم بالاتر به مسیر قبلی خود ادامه داده و از مسیر خطوط جریان خارج می‌شوند و با الیاف برخورد می‌کنند.
با توجه به نزدیکی جرم حجمی سیال و ذرات شناور در آن، میزان انحراف ذرات از مسیر جریان سیال بسیار ناچیز است و درنتیجه در عمل، اثر اینرسی نقش بسیار کوچکی را در جداسازی ذرات از سیال مایع ایفا می‌کند.
اثر نشر
در این مکانیسم، ذرات بسیار ریز به علت حرکت در مسیرهای نامنظم ناشی از برخورد با مولکول‌های سیال (حرکت براونی) به صورت تصادفی با الیاف برخورد می‌کنند و در آنجا متوقف می‌شوند.
با توجه به اینکه جریان سیال مایع بطور ذاتی تا حد زیادی حرکات جانبی ذرات و انحراف آن‌ها از مسیر سیال را خنثی می‌کند، این اثر نیز مانند اثر اینرسی، نقش ناچیزی در فیلتراسیون مایعات دارد.
اثر جداسازی
ذراتی که دارای قطری بزرگ‌تر از قطر حفره‌های میان الیاف هستند، هنگام عبور سیال از این حفره‌ها به راحتی در ورودی حفره متوقف می‌شوند. علاوه بر این، معمولاً تعداد زیادی از ذرات ریزتر نیز پیش از ورود به عامل صافی متوقف می‌شوند. این پدیده دلایل گوناگونی دارد:
- در واقعیت، ذرات دارای شکل‌های نامنظمی هستند. برحسب چگونگی قرارگیری ذره در ورودی حفره، شکل ذره ممکن است باعث گیر افتادن ذره در پشت صافی شود.
- برخورد و روی هم قرار گرفتن دو یا چند ذره در ورودی حفره، باعث پوشانده‌شدن بخشی از سطح حفره می‌شود. این پدیده می‌تواند گیر افتادن و متوقف شدن ذرات بیشتر و ریزتر از اندازه حفره را در پی داشته باشد.
- فعل و انفعالات فیزیکی بین سطح ذره و دیواره داخلی حفره می‌تواند باعث چسبیدن ذره به دیواره حفره شود. این فعل و انفعالات ممکن است ناشی از بارهای الکتریکی متفاوت این دو سطح یا نیروهای بین مولکولی باشد که ممکن است باعث ایجاد پیوندهای واندروالسی یا هیدروژنی شوند.
این مکانیسم، اثر جداسازی نام دارد و اصلی‌ترین مکانیسم فیلتراسیون در سیستم‌های هیدرولیک به‌شمار می‌رود.
عمر فیلتر
با شروع استفاده از فیلتر جدید، ذرات آلاینده به تدریج در منافذ و روی سطح عامل صافی جمع می‌شوند. با بالارفتن میزان آلودگی، حجم این لایه بیشتر شده و حجم منافذ فیلتر کاهش پیدا می‌کند. با کاهش حجم این منافذ، اختلاف فشار افزایش می‌یابد.
در تصویر بالا، میزان اختلاف فشار (ᐃp) بین ورودی و خروجی فیلتر نسبت به مدت استفاده (یا میزان آلودگی) نمایش داده شده‌است. در فیلترهای عمقی، اختلاف فشار معمولاً به کندی افزایش پیدا می‌کند. اما با پرشدن ظرفیت منافذ فیلتر، اختلاف فشار به‌سرعت افزایش می‌یابد. در این حالت، زمان تعویض فیلتر فرا رسیده‌است.
نقطه زمانی t1 در دفترچه راهنمای سازنده دستگاه مشخص می‌شود و هر فیلتر دارای میزان افت فشار مخصوص به خود است. این میزان افت فشار، با میزان جذب آلاینده توسط عامل صافی در ارتباط است. این رابطه را می‌توان بصورت «نمودار عمر فیلتر» بیان کرد. عواملی مانند تغییرات در آهنگ جریان سیال در سیستم و ویسکوزیته سیال می‌توانند دامنه این تغییرات را تحت تأثیر قرار دهند.
در تصویر بالا، نمودار عمر فیلتر برای سه مدیای مختلف نشان داده شده‌است. با دقت در این نمودار، می‌توان تأثیر جنس الیاف عامل صافی در عمر فیلتر را مشاهده‌کرد. مدیای ساخته‌شده از فایبرگلاس در مقایسه با الیاف سلولزی به دلیل فرم و چگونگی قرارگیری رشته‌ها، ظرفیت نگهداری بهتری را ارائه می‌دهند.