O desperdício energético provocado pela carcaça de filtro é constante em função da vazão. A redução no ∆p oferecido pela carcaça representa melhora no rendimento da instalação hidráulica

por Eng° Alex Peixoto

Os sistemas hidráulicos são agentes conversores de energia para a obtenção de força e/ou movimento controlado para as mais diversas aplicações em que se necessita precisão, velocidade controlada, elevada força e reversões de sentido de deslocamento, além de possibilitarem atuação em ambientes e condições críticas de operação onde as opções pneumáticas, elétricas ou mecânicas ainda apresentam algum grau de deficiência.
Os campos de aplicação dos sistemas hidráulicos são os mais variados, desde os convencionais de aplicação industrial para obtenção de movimentos lineares ou rotativos, aplicados em máquinas operatrizes, passando por aqueles utilizados em sistemas de controle fino de posição de elementos de máquina como rolos e cadinhos na siderurgia, até sistemas de controle para equipamentos submarinos e aeronáuticos.A configuração dos sistemas hidráulicos, salvo algumas exceções, é basicamente a mesma, sendo composta pela fonte primária de energia, bomba, os controles de fluxo e pressão, as válvulas direcionais e, por fim, os atuadores que podem ser lineares ou rotativos, conforme modelo exemplificado no diagrama abaixo.
Entretanto, a transformação energética não é totalmente aproveitada na ação desejada, uma vez que há perdas nestes processos.
Ocorrências indesejadas, como o atrito presente nos motores, bombas, válvulas, atuadores e partes mecânicas, agem como dissipadores de energia sob a forma de calor para o ambiente.
Porém, não é somente o atrito mecânico e amplamente conhecido que age como o único “vilão”, desperdiçando a energia em sistemas hidráulicos, há também as perdas energéticas provocadas no interior dos componentes hidráulicos, resultantes de bloqueios, restrições ao fluxo, curvas abruptas, passagens forçadas, normalmente encontradas em válvulas direcionais e de controle, além das perdas localizadas nos tubos, mangueiras e conexões, como expansões, reduções, rugosidades e curvas.

Uma outra forma de perda energética encontrada em sistemas hidráulicos com controle de contaminação, ou seja, aqueles equipados com filtros com grau de retenção absoluto, é a perda de carga imposta ao fluido na passagem através do filtro. Em outras palavras, podemos fazer um paralelo, apenas para estabelecer uma comparação com uma referência conhecida, de que a relação entre o rendimento hidráulico de uma instalação e seu filtro poderia ser comparada ao rendimento mecânico de um motor e o atrito existente em seus elementos. Porém, enquanto no motor a perda energética é observada pelo calor dissipado ao ambiente, no sistema hidráulico observamos uma queda de pressão na passagem do fluido pelo filtro.
Uma parte desta perda de carga é devida ao elemento filtrante, e que depende de forma diretamente proporcional à variação de alguns fatores, conforme abaixo:
Viscosidade cinemática do fluido: os fluidos hidráulicos utilizados na maior parte dos sistemas hidráulicos apresentam uma propriedade de elevação da viscosidade cinemática em função da queda de temperatura, sendo que em alguns casos uma diminuição de 10 °C na temperatura de operação representa quase o dobro da viscosidade e, na passagem pelo elemento filtrante, a queda de pressão também duplica.
Densidade do fluido: esta variação não costuma ser observada em aplicações convencionais, entretanto, a queda de pressão imposta pelo elemento filtrante varia na mesma proporção que a mudança na densidade.
Densidade de fluxo: aqui podemos desmembrar este fator em dois componentes dispostos em uma razão entre a vazão e a área do elemento filtrante. Neste caso, o aumento da vazão do fluido, através do filtro, representa uma queda na pressão durante sua passagem na mesma proporção, assim como uma redução na área do elemento filtrante também resulta em um aumento proporcional da queda de pressão.

Devemos lembrar que a área filtrante é representada não apenas pelo tamanho físico do elemento filtrante, mas sim pela sua área efetiva de passagem, que é determinada pelos agentes constituintes do elemento filtrante, como seu formato, camadas, grau de retenção, diâmetro das fibras, tamanho dos poros, grau de saturação (quantidade de contaminante capturado até o momento) e componentes mecânicos de sustentação do elemento filtrante.
Esta perda de pressão dinâmica provocada pelo elemento filtrante, chamada de perda de carga ou simplesmente de ∆p, não depende da pressão encontrada no ponto de instalação e pode ser representada resumidamente como sendo função dos fatores citados acima, como:

Uma vez que a função do elemento filtrante é capturar o contaminante sólido, esta perda de carga irá variar desde um valor inicial mínimo até atingir o ∆p de alarme, popularmente chamado de indicador de saturação.
A evolução dos elementos filtrantes é orientada no sentido de otimizar sua capacidade de operação, retirando mais contaminantes do sistema e por mais tempo, ou seja, oferecendo menor ∆p durante o ciclo de vida do elemento filtrante.
Porém, o elemento filtrante necessita estar alojado em uma carcaça, a qual, por sua vez, deverá suportar as variações dinâmicas de pressão, vazão e temperatura naturais do sistema hidráulico – que, em alguns casos, são variações muito severas.
A carcaça de filtro também oferece uma resistência à passagem do fluido, e que por ser uma singularidade vai provocar uma perda de pressão diretamente proporcional ao quadrado da vazão e à densidade do fluido:

A evolução das carcaças de filtro também segue uma orientação de otimização do produto, uma vez que podemos considerar esta perda de carga fixa em relação ao consumo do elemento filtrante, ou seja, dadas uma vazão e uma densidade fixas, este ∆p permanece inalterado na carcaça de filtro.
Além da adoção das mais modernas técnicas de fabricação e da seleção de materiais mais resistentes a cada tipo de carcaça de filtro, o projeto mecânico relacionado à passagem do fluido pelo seu interior é um ponto de destaque, uma vez que, estando o filtro instalado num determinado ponto do circuito, seu desperdício energético, provocado pela carcaça, está definido para ser um dos itens que compõem o rendimento total da máquina, conforme a equação do fluxo de energia abaixo:

Para os casos críticos em que o sistema hidráulico necessita de um filtro posicionado num ponto em que deve promover a filtração em um sentido, mas que deve permitir a passagem livre do fluido hidráulico quando houver um contrafluxo, isolando o elemento filtrante, esta montagem pode ser construída através de válvulas de retenção posicionadas externamente ao filtro, fazendo com que a montagem seja demasiadamente grande e sujeita a mais pontos de vazamento, seguindo um esquema básico, conforme gráfico acima.

Há muitos anos a Hydac disponibiliza uma série de carcaças de filtro chamadas DFF, desenvolvidas especificamente para esta situação e já com as válvulas de retenção incorporadas no cabeçote, reduzindo assim o espaço físico necessário na instalação e, conseqüentemente, as possibilidades de vazamento.
No empenho de reduzir o desperdício energético para esta forma construtiva, a Hydac otimizou o projeto desta série de carcaças e está lançando neste ano uma nova geração de carcaças de filtro DFF, mantendo-se o mesmo conceito, porém, com uma evolução tecnológica que permitiu um redimensionamento das válvulas de retenção embutidas, fazendo com que no sentido de fluxo de A para B, isto é, filtrando o fluido hidráulico, a perda de carga imposta pela carcaça fosse reduzida em até 75% e no contra fluxo livre em até 43%, na comparação com a versão anterior, conforme as figuras ao abaixo:

Podemos dizer que a perda de carga na carcaça de filtro pode ser considerada fixa se a vazão e a densidade do fluido permanecerem constantes, ou seja, não variar ao longo do tempo, como ocorre com o elemento filtrante no qual há o aumento de sua perda de carga, conforme captura mais contaminantes.
O desperdício energético provocado pela carcaça de filtro é constante em função da vazão e uma redução no ∆p, oferecido pela carcaça, representa uma melhora no rendimento da instalação hidráulica, racionalizando assim o consumo energético.
Sendo a potência uma função direta do ∆p e da vazão, uma redução na perda de carga imposta pela carcaça de filtro representa uma redução na mesma proporção da energia, dissipada no ponto de instalação de filtro.