A Importância Da Capacidade De Retenção Em Massa Em Elementos Filtrantes Hidráulicos
Por Eng° Alex Peixoto De Alenc
Edição Nº 65 - Novembro/Dezembro de 2013 - Ano 12
Um dos principais inimigos de um sistema hidráulico ou de um sistema de lubrificação a óleo é a contaminação por particulado sólido e quanto mais crítico é este sistema, maior a importância do controle destes contaminantes.
É de domínio público o conceito de que um dos principais inimigos de um sistema hidráulico ou de um sistema de lubrificação a óleo é a contaminação por particulado sólido e quanto mais crítico é este sistema, maior a importância do controle destes contaminantes.
Para os leigos no assunto, é razoável supor que se o sistema fosse selado impedindo o ingresso de partículas externas do ambiente, se o óleo fosse abastecido com sua contaminação controlada e os componentes fossem montados limpos, este circuito permaneceria limpo e sem problemas indefinidamente.
Entretanto, sabemos que uma das principais formas de geração de partículas é a sua reprodução e que pode ocorrer por abrasão, erosão, fadiga ou mesmo adesão resultante do contato metal-metal. A forma de combater esta geração de partículas, seja ela pela reprodução no interior dos componentes ou através do ingresso vindos do ambiente externo, é a utilização de filtros adequados.
Filtro é um termo genérico e de significado bem amplo, sendo que para aplicações óleo-hidráulicas, estes podem ser de membrana, superfície ou profundidade, sendo que na grande maioria dos sistemas hidráulicos, utilizam-se filtros de membrana.
Filtros de superfície são aqueles cujo meio filtrante é constituído por uma única camada e seu arranjo típico é uma tela metálica matricial rígida cujo grau de retenção é o passo entre dois arames, ou seja, a abertura livre encontrada no arranjo. Infelizmente este arranjo não garante que uma partícula maior que a abertura seja efetivamente retida, pois se esta tiver um formato afilado (seção muito menor que o comprimento) e desafiar o meio filtrante orientada no fluxo, mesmo que seu comprimento seja muito maior que a abertura, ela conseguirá passar. Estes filtros apresentam grande área, pouca resistência ao fluxo e baixa capacidade de retenção em massa.
Filtros de profundidade, como o próprio nome diz, apresentam uma camada a ser percorrida pelo óleo muito longa, oferecendo assim uma distribuição de poros gigantesca, porém esta profundidade elevada dificulta seu empacotamento e estes elementos filtrantes costumam apresentar um formato tipicamente cilíndrico. Sendo de formato cilíndrico, sua área será muito pequena proporcionalmente ao tamanho do cartucho (A = πdh) exigindo uma quantidade muito grande de cartuchos para atender uma determinada vazão se comparada com a opção do filtro tipo membrana.
Em uma aplicação óleo-hidráulica típica, o formato mais adequado dos elementos filtrantes ainda é o tipo membrana que oferece uma solução intermediária entre a opção do filtro de superfície e o filtro de profundidade, aliando maior retenção graças à utilização de fibras emaranhadas em conjunto com uma grande área devido ao seu empacotamento plissado.
Os filtros de membrana são fibrosos, isto é, seu meio filtrante é composto por fibras naturais ou sintéticas emaranhadas num arranjo irregular, mas que traz na sua construção um diferencial tecnológico classificando as diversas opções encontradas no mercado, ou seja, o tamanho físico é apenas uma das características e que pode ser facilmente reproduzida.
Durante sua utilização, o meio filtrante atua como uma barreira e oferece uma resistência à passagem do fluido hidráulico ou lubrificante. Esta resistência é medida pelo diferencial de pressão oferecido pelo elemento filtrante. Numa condição de utilização do filtro estando este sob vazão constante, à medida que o elemento filtrante vai capturando partículas, esta resistência vai aumentando, o que gera uma elevação no diferencial de pressão. Esta diferença de pressão poderá provocar a abertura da válvula de by-pass ou na sua ausência, o colapso do elemento filtrante se houver potência disponível para isso no conjunto motor-bomba.
O que diferencia tecnicamente as opções de mercado de filtros é seu poder de manutenção do resultado da limpeza do óleo no sistema, mesmo sob condições severas de aplicação. Entretanto, esta é uma característica que vai ser observada sob a condição real de operação e não pode ser precisamente indicada na literatura técnica dos produtos.
O que se adota para classificar os filtros com grau absoluto de retenção é seu poder de captura que é verificado em uma condição padronizada de ensaio, na qual controla-se todas as variáveis para que se tenha a mesma base de comparação. Ocorre que a condição de ensaio não reflete exatamente a condição real de operação e pode levar o usuário a tomar uma decisão equivocada, caso sua única fonte de comparação seja o mesmo grau de retenção de duas opções de mercado.
Na condução do ensaio ISO 16889, é possível obter-se uma segunda característica do elemento filtrante ensaiado que pode auxiliar na tomada de uma decisão através da interpretação conjunta de duas características deste elemento filtrante: seu grau de retenção e seu poder de retenção em massa.
Este poder de retenção em massa é talvez um dos melhores indicativos do diferencial tecnológico das opções de filtro existentes no mercado. Este poder é dependente da evolução tecnológica do arranjo das fibras ao longo da profundidade da membrana, e deve permanecer estável nos pontos de curvatura do plissado.
Se tomarmos como comparação dois elementos filtrantes concorrentes que apresentam o mesmo grau absoluto de retenção de partículas sólidas, o critério de desempate poderá ser obtido numa avaliação de seu poder de capturar menos ou mais massa, ou seja, comparando qual das duas opções poderá oferecer campanha mais longa de serviço. Esta capacidade está relacionada não apenas com o tamanho dos poros que o fabricante do filtro consegue produzir, mas principalmente com o tamanho ou a seção da fibra empregada e seu empacotamento na composição do meio filtrante.
Esta relação entre os tamanhos de poros obtidos e fibras utilizadas é conhecida como densidade de poros ou porosidade do meio filtrante. Filtros chamados finos, isto é, com menor grau de retenção tendem a apresentar uma maior resistência à passagem do fluido. Para compensar este aumento na perda de carga, deve-se utilizar então fibras de menor seção aumentando assim a área efetiva de filtração, ou seja, aumentando a porosidade do meio filtrante.
Os melhores filtros oferecem um arranjo com os menores graus de retenção aliados ao emprego de fibras de pequeno diâmetro permitindo um arranjo profundo. Esta combinação confere ao elemento filtrante um maior poder de captura ao longo de sua vida e este poder pode ser verificado comparando sua capacidade de retenção em massa no ensaio ISO 16889.
Outra característica a ser avaliada na seleção dos filtros, é o material do meio filtrante. Isto não só tem um efeito sobre a o tempo de operação do filtro mas também sobre sua capacidade de retenção de sujeira. Dois tipos comuns de meios filtrantes de membrana são aqueles de fibra de celulose e os de fibras sintéticas. A celulose é uma fibra natural obtida por exemplo da polpa da madeira e apresenta uma seção razoavelmente grande, podendo ter de 15 µm a 25 µm. Naturalmente um arranjo que utiliza fibras de grande seção permitirá uma menor área efetiva de filtração, reduzindo assim a capacidade de retenção em massa deste filtro.
A celulose traz uma propriedade adicional ao filtro que a utiliza que é a capacidade de absorver uma pequena porção de água livre que possa estar presente no óleo, mas em contrapartida a celulose pode desagregar em contato com fluidos ácidos e/ou que estejam a altas temperaturas.
Meios filtrantes constituídos de fibras sintéticas geralmente têm uma maior capacidade de retenção em massa que seus similares feitos de fibra de celulose. Isto é em parte devido ao seu tamanho de poros mais consistente em todo o arranjo do meio filtrante. As fibras sintéticas são menores do que as fibras de celulose, e podem alcançar seções circulares de 1 µm a 2 µm conferindo uma área efetiva, ou porosidade muito maior que se poderia obter empregando a celulose.
Além destas vantagens, o comportamento das fibras sintéticas tende a ser melhor mesmo quando utilizadas para filtrar fluidos ácidos ou mais aquecidos que a opções que utilizam fibras de celulose.
Ao examinar a especificação de um elemento filtrante, certamente uma das características de destaque é a razão β, ou seja, o quão o meio filtrante deste elemento é eficiente na captura de partículas sólidas ao ser submetido ao ensaio de múltiplas passagens padronizado ISO 16889. Evidentemente este desempenho é medido nesta forma padronizada para que se possam comparar dois elementos filtrantes ditos semelhantes, mas que em condições reais não necessariamente irão reproduzir exatamente este desempenho, pois as condições de ensaio são parametrizadas para a obtenção desta característica.
Um usuário mais atento às propriedades de cada opção de elemento filtrante irá fazer mais uma comparação entre as opções possíveis além da avaliação da relação β e que é obtida no mesmo ensaio ISO 16889, que a capacidade de retenção em massa do elemento filtrante. Dois elementos filtrantes similares e que apresentam a mesma relação β a uma determinada perda de carga no ensaio ISO 16889 podem apresentar capacidades de retenção em massa bastante distintas, o que decorre do desenvolvimento tecnológico de cada fabricante.
As tecnologias mais avançadas buscam aliar a maior razão β disponível com a maior capacidade de retenção em massa, o que não significa necessariamente uma menor perda de carga inicial, mas geralmente é também um indicativo de sua capacidade de capturar mais partículas em serviço.
O esquema apresentado na figura 3 ilustra bem este conceito, no qual duas opções especificadas para capturar partículas do mesmo tamanho, mas que utilizam diferentes tecnologias de fibras irão apresentar capacidades de retenção em massa diferentes, pois dependendo do tamanho das fibras, poderão ser capturadas mais ou menos partículas, o que se traduz em vida útil maior ou menor.
Prolongando a vida útil do elemento filtrante
A escolha da tecnologia mais adequada à necessidade do usuário é apenas uma parte da batalha. Devemos buscar a melhor forma de aplicação dos filtros selecionando as posições mais convenientes para sua instalação assim como seus mecanismos de controle. Há muito tempo se sabe que o preço não é o principal parâmetro de comparação de filtros, mas seu custo para o usuário, pois de nada adianta selecionar o filtro com o preço mais elevado e com um meio filtrante de alta retenção, se seu dimensionamento e sua aplicação estiverem errados.
Atualmente, todos os fabricantes de filtros apresentam seus coeficientes de perda de carga para orientar no dimensionamento do tamanho de um filtro a ser usado numa determinada aplicação e geralmente é sugerido um valor limite de perda de carga inicial, mas não há como prever com exatidão qual será sua vida útil real em serviço, pois diversas variáveis reais influenciarão seu comportamento.
Em todo caso, se tomarmos como exemplo um filtro em uma aplicação hidráulica existente e que apresente uma vida útil regular de seu elemento filtrante ao longo do tempo, é possível estabelecer um comparativo entre as vidas úteis de duas opções alterando apenas sua área filtrante, ou seja, todas as demais condições deverão permanecer inalteradas.
A experiência mostra que apenas fazendo esta alteração como por exemplo, dobrando a área filtrante, quer seja pela duplicação da altura ou pela inclusão de um filtro idêntico em paralelo, é possível obter aproximadamente o triplo da vida útil. Isso porque a elevação da perda de carga num sistema com a contaminação controlada ocorre seguindo uma progressão geométrica que é função da diminuição da disponibilidade de poros.
O alarme existente nos filtros é calibrado para acusar a necessidade de troca ainda sob um diferencial de pressão que não compromete o desempenho do elemento filtrante, ou em outras palavras, ainda restando uma razoável vida útil em boas condições de uso.
De modo conservador, se considerarmos que foi gasto uma unidade de tempo para preencher uma área equivalente à metade da área efetiva de passagem do filtro até que fosse atingido este ∆p de alarme e que neste momento toda a vazão fosse distribuída na metade da área restante, ao dobrarmos esta área filtrante, o tempo consumido até que se chegue a este mesmo ponto seria acrescido de mais duas unidades de tempo.
Se em 1 tempo, consome-se 0,5 área → t1 = A/2 e atinge-se o ∆p de alarme.
Em 3 tempos, consome-se 1,5 área → t1 + t1 + t1 = 3A/2 → atinge-se o ∆p de alarme.
Evidentemente outros fatores contribuirão para a alteração da vida útil, uma vez que seu comportamento dependerá do comportamento dinâmico do sistema, mas a estimativa teórica de ganho em vida útil próximo ao triplo da opção com metade da área filtrante é normalmente confirmada sob condições reais.
Para os leigos no assunto, é razoável supor que se o sistema fosse selado impedindo o ingresso de partículas externas do ambiente, se o óleo fosse abastecido com sua contaminação controlada e os componentes fossem montados limpos, este circuito permaneceria limpo e sem problemas indefinidamente.
Entretanto, sabemos que uma das principais formas de geração de partículas é a sua reprodução e que pode ocorrer por abrasão, erosão, fadiga ou mesmo adesão resultante do contato metal-metal. A forma de combater esta geração de partículas, seja ela pela reprodução no interior dos componentes ou através do ingresso vindos do ambiente externo, é a utilização de filtros adequados.
Filtro é um termo genérico e de significado bem amplo, sendo que para aplicações óleo-hidráulicas, estes podem ser de membrana, superfície ou profundidade, sendo que na grande maioria dos sistemas hidráulicos, utilizam-se filtros de membrana.
Filtros de superfície são aqueles cujo meio filtrante é constituído por uma única camada e seu arranjo típico é uma tela metálica matricial rígida cujo grau de retenção é o passo entre dois arames, ou seja, a abertura livre encontrada no arranjo. Infelizmente este arranjo não garante que uma partícula maior que a abertura seja efetivamente retida, pois se esta tiver um formato afilado (seção muito menor que o comprimento) e desafiar o meio filtrante orientada no fluxo, mesmo que seu comprimento seja muito maior que a abertura, ela conseguirá passar. Estes filtros apresentam grande área, pouca resistência ao fluxo e baixa capacidade de retenção em massa.
Filtros de profundidade, como o próprio nome diz, apresentam uma camada a ser percorrida pelo óleo muito longa, oferecendo assim uma distribuição de poros gigantesca, porém esta profundidade elevada dificulta seu empacotamento e estes elementos filtrantes costumam apresentar um formato tipicamente cilíndrico. Sendo de formato cilíndrico, sua área será muito pequena proporcionalmente ao tamanho do cartucho (A = πdh) exigindo uma quantidade muito grande de cartuchos para atender uma determinada vazão se comparada com a opção do filtro tipo membrana.
Em uma aplicação óleo-hidráulica típica, o formato mais adequado dos elementos filtrantes ainda é o tipo membrana que oferece uma solução intermediária entre a opção do filtro de superfície e o filtro de profundidade, aliando maior retenção graças à utilização de fibras emaranhadas em conjunto com uma grande área devido ao seu empacotamento plissado.
Os filtros de membrana são fibrosos, isto é, seu meio filtrante é composto por fibras naturais ou sintéticas emaranhadas num arranjo irregular, mas que traz na sua construção um diferencial tecnológico classificando as diversas opções encontradas no mercado, ou seja, o tamanho físico é apenas uma das características e que pode ser facilmente reproduzida.
Durante sua utilização, o meio filtrante atua como uma barreira e oferece uma resistência à passagem do fluido hidráulico ou lubrificante. Esta resistência é medida pelo diferencial de pressão oferecido pelo elemento filtrante. Numa condição de utilização do filtro estando este sob vazão constante, à medida que o elemento filtrante vai capturando partículas, esta resistência vai aumentando, o que gera uma elevação no diferencial de pressão. Esta diferença de pressão poderá provocar a abertura da válvula de by-pass ou na sua ausência, o colapso do elemento filtrante se houver potência disponível para isso no conjunto motor-bomba.
O que diferencia tecnicamente as opções de mercado de filtros é seu poder de manutenção do resultado da limpeza do óleo no sistema, mesmo sob condições severas de aplicação. Entretanto, esta é uma característica que vai ser observada sob a condição real de operação e não pode ser precisamente indicada na literatura técnica dos produtos.
O que se adota para classificar os filtros com grau absoluto de retenção é seu poder de captura que é verificado em uma condição padronizada de ensaio, na qual controla-se todas as variáveis para que se tenha a mesma base de comparação. Ocorre que a condição de ensaio não reflete exatamente a condição real de operação e pode levar o usuário a tomar uma decisão equivocada, caso sua única fonte de comparação seja o mesmo grau de retenção de duas opções de mercado.
Na condução do ensaio ISO 16889, é possível obter-se uma segunda característica do elemento filtrante ensaiado que pode auxiliar na tomada de uma decisão através da interpretação conjunta de duas características deste elemento filtrante: seu grau de retenção e seu poder de retenção em massa.
Este poder de retenção em massa é talvez um dos melhores indicativos do diferencial tecnológico das opções de filtro existentes no mercado. Este poder é dependente da evolução tecnológica do arranjo das fibras ao longo da profundidade da membrana, e deve permanecer estável nos pontos de curvatura do plissado.
Se tomarmos como comparação dois elementos filtrantes concorrentes que apresentam o mesmo grau absoluto de retenção de partículas sólidas, o critério de desempate poderá ser obtido numa avaliação de seu poder de capturar menos ou mais massa, ou seja, comparando qual das duas opções poderá oferecer campanha mais longa de serviço. Esta capacidade está relacionada não apenas com o tamanho dos poros que o fabricante do filtro consegue produzir, mas principalmente com o tamanho ou a seção da fibra empregada e seu empacotamento na composição do meio filtrante.
Esta relação entre os tamanhos de poros obtidos e fibras utilizadas é conhecida como densidade de poros ou porosidade do meio filtrante. Filtros chamados finos, isto é, com menor grau de retenção tendem a apresentar uma maior resistência à passagem do fluido. Para compensar este aumento na perda de carga, deve-se utilizar então fibras de menor seção aumentando assim a área efetiva de filtração, ou seja, aumentando a porosidade do meio filtrante.
Os melhores filtros oferecem um arranjo com os menores graus de retenção aliados ao emprego de fibras de pequeno diâmetro permitindo um arranjo profundo. Esta combinação confere ao elemento filtrante um maior poder de captura ao longo de sua vida e este poder pode ser verificado comparando sua capacidade de retenção em massa no ensaio ISO 16889.
Outra característica a ser avaliada na seleção dos filtros, é o material do meio filtrante. Isto não só tem um efeito sobre a o tempo de operação do filtro mas também sobre sua capacidade de retenção de sujeira. Dois tipos comuns de meios filtrantes de membrana são aqueles de fibra de celulose e os de fibras sintéticas. A celulose é uma fibra natural obtida por exemplo da polpa da madeira e apresenta uma seção razoavelmente grande, podendo ter de 15 µm a 25 µm. Naturalmente um arranjo que utiliza fibras de grande seção permitirá uma menor área efetiva de filtração, reduzindo assim a capacidade de retenção em massa deste filtro.
A celulose traz uma propriedade adicional ao filtro que a utiliza que é a capacidade de absorver uma pequena porção de água livre que possa estar presente no óleo, mas em contrapartida a celulose pode desagregar em contato com fluidos ácidos e/ou que estejam a altas temperaturas.
Meios filtrantes constituídos de fibras sintéticas geralmente têm uma maior capacidade de retenção em massa que seus similares feitos de fibra de celulose. Isto é em parte devido ao seu tamanho de poros mais consistente em todo o arranjo do meio filtrante. As fibras sintéticas são menores do que as fibras de celulose, e podem alcançar seções circulares de 1 µm a 2 µm conferindo uma área efetiva, ou porosidade muito maior que se poderia obter empregando a celulose.
Além destas vantagens, o comportamento das fibras sintéticas tende a ser melhor mesmo quando utilizadas para filtrar fluidos ácidos ou mais aquecidos que a opções que utilizam fibras de celulose.
Ao examinar a especificação de um elemento filtrante, certamente uma das características de destaque é a razão β, ou seja, o quão o meio filtrante deste elemento é eficiente na captura de partículas sólidas ao ser submetido ao ensaio de múltiplas passagens padronizado ISO 16889. Evidentemente este desempenho é medido nesta forma padronizada para que se possam comparar dois elementos filtrantes ditos semelhantes, mas que em condições reais não necessariamente irão reproduzir exatamente este desempenho, pois as condições de ensaio são parametrizadas para a obtenção desta característica.
Um usuário mais atento às propriedades de cada opção de elemento filtrante irá fazer mais uma comparação entre as opções possíveis além da avaliação da relação β e que é obtida no mesmo ensaio ISO 16889, que a capacidade de retenção em massa do elemento filtrante. Dois elementos filtrantes similares e que apresentam a mesma relação β a uma determinada perda de carga no ensaio ISO 16889 podem apresentar capacidades de retenção em massa bastante distintas, o que decorre do desenvolvimento tecnológico de cada fabricante.
As tecnologias mais avançadas buscam aliar a maior razão β disponível com a maior capacidade de retenção em massa, o que não significa necessariamente uma menor perda de carga inicial, mas geralmente é também um indicativo de sua capacidade de capturar mais partículas em serviço.
O esquema apresentado na figura 3 ilustra bem este conceito, no qual duas opções especificadas para capturar partículas do mesmo tamanho, mas que utilizam diferentes tecnologias de fibras irão apresentar capacidades de retenção em massa diferentes, pois dependendo do tamanho das fibras, poderão ser capturadas mais ou menos partículas, o que se traduz em vida útil maior ou menor.
Prolongando a vida útil do elemento filtrante
A escolha da tecnologia mais adequada à necessidade do usuário é apenas uma parte da batalha. Devemos buscar a melhor forma de aplicação dos filtros selecionando as posições mais convenientes para sua instalação assim como seus mecanismos de controle. Há muito tempo se sabe que o preço não é o principal parâmetro de comparação de filtros, mas seu custo para o usuário, pois de nada adianta selecionar o filtro com o preço mais elevado e com um meio filtrante de alta retenção, se seu dimensionamento e sua aplicação estiverem errados.
Atualmente, todos os fabricantes de filtros apresentam seus coeficientes de perda de carga para orientar no dimensionamento do tamanho de um filtro a ser usado numa determinada aplicação e geralmente é sugerido um valor limite de perda de carga inicial, mas não há como prever com exatidão qual será sua vida útil real em serviço, pois diversas variáveis reais influenciarão seu comportamento.
Em todo caso, se tomarmos como exemplo um filtro em uma aplicação hidráulica existente e que apresente uma vida útil regular de seu elemento filtrante ao longo do tempo, é possível estabelecer um comparativo entre as vidas úteis de duas opções alterando apenas sua área filtrante, ou seja, todas as demais condições deverão permanecer inalteradas.
A experiência mostra que apenas fazendo esta alteração como por exemplo, dobrando a área filtrante, quer seja pela duplicação da altura ou pela inclusão de um filtro idêntico em paralelo, é possível obter aproximadamente o triplo da vida útil. Isso porque a elevação da perda de carga num sistema com a contaminação controlada ocorre seguindo uma progressão geométrica que é função da diminuição da disponibilidade de poros.
O alarme existente nos filtros é calibrado para acusar a necessidade de troca ainda sob um diferencial de pressão que não compromete o desempenho do elemento filtrante, ou em outras palavras, ainda restando uma razoável vida útil em boas condições de uso.
De modo conservador, se considerarmos que foi gasto uma unidade de tempo para preencher uma área equivalente à metade da área efetiva de passagem do filtro até que fosse atingido este ∆p de alarme e que neste momento toda a vazão fosse distribuída na metade da área restante, ao dobrarmos esta área filtrante, o tempo consumido até que se chegue a este mesmo ponto seria acrescido de mais duas unidades de tempo.
Se em 1 tempo, consome-se 0,5 área → t1 = A/2 e atinge-se o ∆p de alarme.
Em 3 tempos, consome-se 1,5 área → t1 + t1 + t1 = 3A/2 → atinge-se o ∆p de alarme.
Evidentemente outros fatores contribuirão para a alteração da vida útil, uma vez que seu comportamento dependerá do comportamento dinâmico do sistema, mas a estimativa teórica de ganho em vida útil próximo ao triplo da opção com metade da área filtrante é normalmente confirmada sob condições reais.
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