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Prima di concludere, vi invitiamo a rivolgervi direttamente al nostro team dirigenziale per assicurarvi di ricevere la consulenza tecnica più accurata, il supporto sui prezzi e le opzioni di personalizzazione più adatte al vostro progetto. I nostri esperti sono in grado di valutare rapidamente le vostre esigenze, consigliarvi soluzioni adeguate con filtri in plastica sinterizzata e aiutarvi a ridurre i rischi legati all’approvvigionamento, migliorando al contempo l’efficienza, l’uniformità e la stabilità a lungo termine delle forniture per le vostre applicazioni industriali.
Hai bisogno di aiuto per scegliere la cartuccia filtrante giusta?
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Comunica al nostro team di assistenza commerciale il tipo di prodotto, il grado di filtrazione in micron, le dimensioni, l'applicazione, il materiale filtrante, la temperatura di esercizio, la pressione e la quantità stimata. Ti aiuteremo a scegliere la cartuccia filtrante più adatta tra quelle in plastica sinterizzata, metallo sinterizzato o a sedimenti.
Portata, caduta di pressione e superficie nei filtri sinterizzati
Le curve di flusso riportate nei cataloghi sono fuorvianti.
Non sempre con intento doloso, ma mentono per omissione, perché quella piccola riga ben ordinata nel PDF di un fornitore di solito presuppone un fluido pulito, una viscosità stabile, una temperatura standard, un solo gas o liquido di prova, un elemento nuovo, una specifica granulometria dei pori e l’assenza di formazione di incrostazioni all’interno del filtro entro la prima ora di funzionamento. Comodo, vero?
Ho visto ingegneri dimensionare gli alloggiamenti basandosi su un unico valore di “portata nominale”.
Mossa sbagliata.
La caduta di pressione di un filtro sinterizzato non è una proprietà fissa come la lunghezza o la dimensione della filettatura. Si tratta di una “penalità” variabile imposta dal filtro quando il fluido cerca di passare attraverso una struttura porosa. Se si aumenta la portata, la caduta di pressione aumenta. Se si riduce la superficie, la caduta di pressione aumenta. Se si aumenta la viscosità, la caduta di pressione aumenta. Se si caricano particelle nei pori, la caduta di pressione aumenta di nuovo — a volte lentamente, a volte come un grafico azionario in calo.
Ed ecco la cruda verità: la maggior parte degli errori nel dimensionamento dei filtri non è dovuta a filtri difettosi, ma a supposizioni affrettate.
Per quanto riguarda i filtri sinterizzati, il concetto semplificato è il seguente:
La portata aumenta all'aumentare della superficie e della permeabilità.
La caduta di pressione aumenta all’aumentare della viscosità, della velocità di flusso, dello spessore del fluido, del carico di impurità o della restrizione.
Sembra una cosa semplice. Ma non lo è.
Perché un vero filtro sinterizzato non è un semplice insieme di fori rettilinei. È una rete tortuosa di pori. Le particelle di polvere, la crescita dei colli, le gole dei pori, il volume dei vuoti, la distribuzione granulometrica, la compressione e la temperatura di sinterizzazione ne determinano il percorso. Il fluido non lo attraversa semplicemente. Si fa strada.
A volte, lentamente.
Spesso con rabbia.
Una relazione approssimativa in stile Darcy per il flusso di un fluido attraverso un mezzo poroso è la seguente:
ΔP ≈ μ × L × v / k
Dove:
ΔP = caduta di pressione μ = viscosità dinamica L = spessore del materiale filtrante v = velocità superficiale k = permeabilità
La superficie filtrante influisce sulla velocità. Se la stessa portata viene fatta passare attraverso un’area filtrante più ridotta, la velocità aumenta. Di conseguenza, aumenta anche la caduta di pressione. Il filtro non è diventato “peggiore”; è il dimensionamento che è risultato inadeguato.
Superficie: il riduttore di caduta di pressione più economico
Vuoi ridurre la caduta di pressione del filtro sinterizzato?
Aggiungi area.
Quella risposta sembra troppo semplice, quindi la gente la ignora. Cominciano a discutere di grana in micron, lega, geometria delle pieghe, qualità della polvere e curva di pompaggio prima ancora di chiedersi se l’elemento abbia una superficie effettiva sufficiente per la portata, la viscosità e il carico di solidi effettivi.
Ma la superficie è la leva silenziosa.
Una cartuccia da 10 pollici e una da 20 pollici con lo stesso tipo di materiale filtrante non si comportano allo stesso modo. Un elemento sinterizzato a pieghe può offrire una superficie utile maggiore rispetto a un cilindro liscio. L’uso di più cartucce in parallelo riduce la velocità frontale. Anche un diametro maggiore riduce la velocità. Una velocità inferiore comporta solitamente una minore caduta di pressione in condizioni di pulizia e un accumulo più lento dello strato di sporco.
Di solito.
Ecco il problema: il termine “superficie” riportato in una pagina di catalogo può riferirsi all’area geometrica, non all’area effettiva di flusso. Zone morte, sezioni terminali ostruite, margini di saldatura, strutture di supporto e una progettazione inadeguata dell’alloggiamento possono ridurre l’area effettiva. Ho visto alloggiamenti in cui l’elemento sembrava di dimensioni generose, ma il flusso in ingresso si abbatteva su un lato della cartuccia come un idrante antincendio. Il carico locale ha causato il guasto prematuro del filtro.
Non è elegante.
Molto comune.
Per gli ingegneri OEM che si occupano del dimensionamento dei filtri metallici porosi, preferirei un calcolo dell’area prudente, con un margine per il flusso in condizioni di sporco, piuttosto che una progettazione azzardata basata su una curva di laboratorio in condizioni di pulizia.
Portata: la portata nominale non corrisponde alla portata di processo
Secondo un fornitore, il filtro ha una portata di 100 L/min.
Va bene. Con quale liquido?
Acqua a 20 °C? Aria a condizioni standard? Azoto? Olio idraulico a 46 cSt? Solvente? Glicole? Polimero caldo? Condensa di vapore con particelle di ruggine?
È qui che le affermazioni riportate nel catalogo iniziano a diventare ambigue.
La portata in un filtro sinterizzato dipende dal tipo di fluido, dalla viscosità, dalla densità, dalla temperatura, dalla pressione, dalla compressibilità del gas, dal carico di particelle e dalla caduta di pressione ammissibile. Per i gas, i litri al minuto standard e quelli effettivi non sono la stessa cosa. Per i liquidi, le variazioni di viscosità possono compromettere un progetto che sembrava funzionare bene durante i test in acqua.
Un piccolo esempio.
L'acqua a 20 °C ha una viscosità dinamica di circa 1 mPa·s. Un olio di processo può essere 20, 50 o 100 volte più viscoso. Se si effettua il dimensionamento basandosi sui dati relativi all'acqua e poi si fa passare l'olio attraverso lo stesso filtro sinterizzato, non ci si deve stupire se la caduta di pressione aumenta.
Ho visto persone dare la colpa al filtro.
La matematica era colpevole.
Caduta di pressione: ΔP a sistema pulito, ΔP a sistema sporco, ΔP terminale
La caduta di pressione si verifica in più fasi.
La caduta di pressione a elemento pulito è la perdita iniziale registrata su un elemento nuovo o completamente pulito. La caduta di pressione a elemento sporco è quella che si verifica man mano che le particelle si accumulano nello strato superficiale e nella rete di pori. La caduta di pressione terminale è il punto in cui il sistema dice: “Basta”. Può trattarsi di 1 bar, 2 bar, 5 psi, 15 psi o qualsiasi altro valore che la pompa, il compressore, l’alloggiamento, il design delle guarnizioni o il processo siano in grado di tollerare.
Il documento di Mott sulla raffinazione dei metalli porosi descrive il processo di filtrazione come un flusso costante con una caduta di pressione crescente fino al raggiungimento della caduta di pressione finale: Sistemi di filtrazione a metallo poroso Mott per la raffinazione del petrolio. Questa frase è importante perché molti sistemi industriali funzionano in base alla portata nominale, non alla pressione nominale. Il sistema continua a spingere con maggiore intensità finché il filtro non si intasa o l’operatore non interviene.
La cruda realtà: se l'intervallo di ΔP consentito è ristretto, il numero di cartucce deve aumentare.
Nessuna soluzione mediatica miracolosa può risolvere il problema delle aree sottodimensionate.
E non confondere un’elevata pressione di collasso con una bassa caduta di pressione. Una cartuccia robusta in acciaio inossidabile sinterizzato può resistere a un’elevata pressione differenziale, ma ciò non significa che la tua pompa sia disposta a pagare quella bolletta energetica ogni ora.
Porosità e permeabilità: concetti correlati, ma non identici
Il termine "porosità" viene usato in modo eccessivo.
La permeabilità viene verificata in modo insufficiente.
LibreTexts definisce la porosità come il rapporto tra lo spazio vuoto e il volume totale del materiale: LibreTexts 2024: spiegazione della legge di Darcy e della porosità. È un dato utile, ma la porosità da sola non basta a spiegare appieno il fenomeno della caduta di pressione.
Due filtri possono entrambi presentare una porosità 40% e comportarsi in modo diverso.
Perché?
Dimensione dei pori. Tortuosità. Connettività dei pori. Morfologia della polvere. Colli di sinterizzazione. Spessore del materiale filtrante. Finitura superficiale. Compattazione. Distribuzione del carico di impurità. Un filtro può presentare percorsi ampi e ben collegati, mentre un altro può presentare numerose cavità che non contribuiscono in modo significativo al flusso attraverso il filtro.
La guida sui metalli porosi di Spintek lo spiega chiaramente: la permeabilità è una misura della caduta di pressione a una data portata attraverso un'unità di superficie, e le relazioni tra porosità e permeabilità sono influenzate dalla granulometria della polvere e dal metodo di formatura: Guida alla progettazione di metalli porosi.
Ecco perché il fatto che un materiale sia “ad alta porosità” non dovrebbe di per sé stupirvi.
Chiedete informazioni sulla permeabilità.
Richiedete il ΔP netto alla vostra portata.
Chiedete il liquido di prova.
Chiedete lo spessore del materiale.
Richiedere i dati relativi alla geometria effettiva della cartuccia.
Calcolo della caduta di pressione per i filtri sinterizzati
Usa i calcoli per evitare progetti mal concepiti. Non usarli come se fossero profezie.
Il documento della NRC statunitense sulla caduta di pressione nei mezzi porosi riporta una forma dell'equazione di Darcy per il flusso viscoso, Δp = μVL/K, e fa riferimento anche alle relazioni di tipo Ergun per i mezzi porosi: Calcolo della caduta di pressione nei mezzi porosi secondo il metodo NRC. Per i filtri sinterizzati, il comportamento secondo la legge di Darcy rappresenta spesso un buon punto di partenza alle velocità più basse, mentre gli effetti inerziali possono diventare rilevanti a portate più elevate, specialmente in presenza di gas o di materiali filtranti a grana grossa.
Una sequenza ingegneristica pratica:
Definire la portata richiesta.
Determinare la viscosità del fluido alla temperatura di esercizio.
Definire il ΔP netto ammissibile e il ΔP terminale.
Scegliete la granulometria in base al tipo di particelle da filtrare, non basandovi su supposizioni.
Stimare l'area necessaria per i supporti.
Verificare i dati relativi al flusso pulito del fornitore utilizzando le stesse condizioni del fluido o quelle corrette.
Aggiungere il margine di sicurezza.
Verificare la curva della pompa o del compressore.
Se un guasto comporta costi elevati, eseguire il test con fluido reale.
Salta il passaggio 9 solo se i tempi di inattività hanno un costo contenuto.
Di solito non lo è.
Per i liquidi, la caduta di pressione tende a variare in modo marcato al variare della viscosità. Per i gas, la densità, la compressibilità, la base di pressione e il rapporto tra portata standard e effettiva possono complicare il dimensionamento. In presenza di impurità, la concentrazione di particelle può diventare il fattore dominante dopo l’avvio.
È proprio lì che le curve di catalogo smettono di essere utili e i dati di prova iniziano a dare i loro frutti.
L'errore di calcolo della superficie nel conteggio delle cartucce
Gli ingegneri OEM adorano gli alloggiamenti compatti.
Lo capisco. Lo spazio costa caro. Gli alloggiamenti in acciaio inossidabile costano cari. Le cartucce aggiuntive comportano costi extra, guarnizioni, magazzino e tempi di assemblaggio. Ma gli alloggiamenti sottodimensionati comportano un costo di altro tipo: caduta di pressione, consumo energetico, vita utile ridotta, flusso instabile e squadre di manutenzione scontente.
Una singola cartuccia potrebbe, tecnicamente, garantire il flusso pulito richiesto.
A malapena.
A quel punto il processo ha inizio. Aumenta la carica di solidi. La viscosità cambia. La temperatura scende. La pressione differenziale sale. La pompa lavora a ritmi più intensi. La colpa viene attribuita alla valvola di bypass. Qualcuno suggerisce un “filtro migliore”. L’ufficio acquisti si mette alla ricerca.
No.
Ti serviva più spazio.
In base alla mia esperienza, le discussioni più efficaci sulla scelta delle dimensioni partono dal ΔP pulito desiderato e dalla strategia di ritenzione dello sporco, non solo dalla classificazione nominale in micron. Se il filtro deve mantenere la portata per 30 giorni, dimensionatelo per 30 giorni. Se deve resistere agli impulsi di avvio del compressore, dimensionatelo in base a tali impulsi. Se è esposto a particolato viscoso, non fingete che si comporti come l’acqua pulita.
Il filtro lo sa.
Tabella comparativa: quali sono i fattori che determinano realmente la caduta di pressione
Variabile
Cosa succede quando aumenta?
Effetto sulla caduta di pressione nel filtro sinterizzato
Avviso tecnico
Portata
Maggiore quantità di fluido fatta passare attraverso la stessa sezione
La caduta di pressione aumenta, spesso in modo marcato, all’aumentare della velocità
La portata nominale senza ΔP è praticamente inutile
Viscosità del fluido
Il fluido oppone una maggiore resistenza al movimento
La caduta di pressione aumenta notevolmente
I dati relativi alle analisi dell'acqua possono fornire indicazioni fuorvianti nei sistemi a base di olio o glicole
Superficie del filtro
Lo stesso flusso si estende su un'area più ampia
La caduta di pressione di solito diminuisce
Utilizza l'area effettiva, non quella indicata nel prospetto
Spessore del supporto
Il percorso del flusso si allunga
Aumento della caduta di pressione
I mezzi densi possono migliorare la resistenza, ma comportano un aumento di ΔP
Permeabilità
La rete di pori facilita il flusso
La caduta di pressione diminuisce
Chiedete quali siano le condizioni di prova, non limitatevi a chiedere una “elevata permeabilità”
Porosità
Un volume di vuoto maggiore potrebbe favorire il flusso
Dipende dalla connettività dei pori
Un’elevata porosità non garantisce un ΔP basso
Carico di terra
Accumulo di residui di torta e ostruzione dei pori
La caduta di pressione aumenta con il passare del tempo
Il ΔP terminale determina la durata di vita utile
Temperatura
Modifica la viscosità e la densità del gas
È possibile aumentare o diminuire ΔP
Dimensioni alla temperatura di esercizio massima prevista
Numero di cartucce
Altri elementi partecipano al flusso
Caduta di pressione per elemento
L'area parallela è spesso più economica rispetto alla pompa
Un esempio di dimensionamento che gli ingegneri riconoscono davvero
Supponiamo che servano 120 L/min attraverso un banco di cartucce in acciaio inossidabile sinterizzato.
La curva di prova dell'acqua pulita indica che una cartuccia è in grado di gestire 120 L/min con un ΔP accettabile. Ottimo. Ma il fluido effettivo ha una viscosità di 8 cP all’avvio, non di 1 cP come l’acqua. Il carico di particelle è moderato. La caduta di pressione terminale è limitata perché la pompa a monte non dispone di margine di pressione aggiuntivo. Inoltre, l’impianto richiede un intervallo di 4 settimane tra un intervento di manutenzione e l’altro.
Una cartuccia non è un progetto.
È un desiderio.
Un approccio più sicuro potrebbe prevedere l'uso di tre o quattro cartucce in parallelo, riducendo la velocità attraverso ciascun elemento, diminuendo la differenza di pressione (ΔP) a vuoto, rallentando l'accumulo di residui e garantendo al sistema un margine di sicurezza in caso di aumento della viscosità o di distribuzione non uniforme delle particelle. Sì, l'alloggiamento costa di più. Ma l'alloggiamento più piccolo era più economico solo prima del primo fermo impianto.
Lo so. Il reparto acquisti detesta quella frase.
Il reparto operativo lo capisce immediatamente.
Dove gli ingegneri si lasciano ingannare
Il primo errore consiste nell'utilizzare il valore nominale in micron come se fosse indicativo della caduta di pressione.
Non è così.
Un filtro a polvere sinterizzata da 10 µm e un filtro a rete sinterizzata da 10 µm possono comportarsi in modo diverso. Un tubo metallico poroso da 5 µm e un elemento in fibra sinterizzata pieghettata da 5 µm possono presentare una superficie specifica e una permeabilità molto diverse. Stesso valore nominale. Comportamento idraulico diverso.
Secondo errore: trascurare la viscosità.
Terzo: considerare il flusso di gas come se il flusso standard e il flusso effettivo fossero intercambiabili.
Quarto: dimenticare lo sporco.
Una curva dell'elemento pulita è un certificato di nascita, non la storia di una vita. La vera storia inizia quando nel mezzo filtrante si introducono residui solidi, nebbia d'olio, ruggine, particelle di catalizzatore, frammenti di polimeri o incrostazioni.
Quinto: affidarsi alla “portata massima”.”
Massimo secondo chi? A quale ΔP? Per quanto tempo? Con quale fluido? A quale temperatura? A vuoto o a pieno carico? Alloggiamento orizzontale o verticale? Dall’interno verso l’esterno o dall’esterno verso l’interno? Con quale tubo di supporto?
Basta porre quelle domande e nella stanza cala il silenzio.
Bene.
Domande frequenti
Quali sono le cause della caduta di pressione nei filtri sinterizzati?
La caduta di pressione nei filtri sinterizzati è causata dalla resistenza opposta al fluido dal mezzo poroso, che dipende da fattori quali la viscosità, la velocità di flusso, lo spessore del mezzo, la permeabilità, la struttura dei pori, la superficie specifica e il carico di impurità che, durante il funzionamento, ostruisce i canali porosi o forma uno strato di deposito.
In parole povere, il filtro consuma energia per spingere il fluido attraverso minuscoli passaggi collegati tra loro. Una portata maggiore, un materiale filtrante più denso, una viscosità più elevata, una permeabilità inferiore o una superficie ridotta comportano un costo maggiore.
Come si calcola la caduta di pressione nei filtri sinterizzati?
La caduta di pressione nei filtri sinterizzati viene comunemente stimata utilizzando le relazioni per i mezzi porosi di tipo Darcy, in cui ΔP dipende dalla viscosità, dallo spessore del mezzo, dalla velocità superficiale e dalla permeabilità, per poi essere corretta sulla base dei dati di prova effettivi forniti dal produttore, del margine di intasamento e delle condizioni operative del gas o del liquido.
Utilizzare i calcoli come strumento di valutazione preliminare. Per le apparecchiature costose, effettuare le verifiche utilizzando il fluido effettivo, la temperatura effettiva, la geometria effettiva della cartuccia e un carico di particelle realistico.
In che modo la portata influisce sulla caduta di pressione nel filtro sinterizzato?
La portata influisce sulla caduta di pressione del filtro sinterizzato aumentando la velocità attraverso la rete di pori disponibile; quando la stessa superficie filtrante deve gestire una portata maggiore, la resistenza aumenta e il sistema necessita di una maggiore pressione a monte per mantenere la portata desiderata.
A basse velocità la relazione può apparire quasi lineare. A velocità più elevate, specialmente in presenza di gas o di mezzi a granulometria grossolana, gli effetti inerziali possono rendere la curva più ripida.
In che modo la superficie influisce sulla caduta di pressione nei filtri sinterizzati?
La superficie influisce sulla caduta di pressione nei filtri sinterizzati, distribuendo la stessa portata su una superficie maggiore del materiale filtrante, riducendo così la velocità superficiale in ciascuna zona porosa e, di norma, diminuendo la caduta di pressione a stato pulito, rallentando l’accumulo di impurità e prolungando la durata utile del filtro.
Ecco perché cartucce più lunghe, di diametro maggiore, con struttura a pieghe o l’uso di più cartucce in parallelo spesso risolvono i problemi di caduta di pressione in modo più efficace rispetto alla ricerca di un tipo di materiale filtrante miracoloso.
Che cos’è la permeabilità di un filtro sinterizzato?
La permeabilità di un filtro sinterizzato è una misura della facilità con cui il fluido attraversa la struttura porosa a una data caduta di pressione, portata, spessore del materiale filtrante e superficie, e riflette la dimensione dei pori, la loro connettività, la tortuosità e il metodo di produzione.
Un’elevata porosità non implica sempre un’elevata permeabilità. I percorsi porosi interconnessi sono più importanti del volume vuoto che non contribuisce al flusso trasversale.
Qual è la differenza tra porosità e permeabilità?
La porosità è la percentuale di spazio vuoto all'interno di un materiale filtrante sinterizzato, mentre la permeabilità descrive la facilità con cui un fluido può effettivamente fluire attraverso quei pori collegati sotto pressione; ciò rende la permeabilità più utile per prevedere la caduta di pressione e le prestazioni di flusso.
Due materiali possono avere la stessa porosità ma presentare una caduta di pressione diversa a causa delle differenze relative alle gole dei pori, alla tortuosità, alla compattazione e alle condizioni di sinterizzazione.
Come si determina la dimensione di un filtro metallico poroso?
Per dimensionare un filtro metallico poroso, occorre definire la portata richiesta, la viscosità del fluido, la temperatura di esercizio, la caduta di pressione ammissibile sia in condizioni di pulizia che a fine vita, il carico di particelle, il grado di filtrazione in micron, la geometria della cartuccia e l’area superficiale effettiva, prima di selezionare il tipo di materiale filtrante e il numero di cartucce.
Non basare il dimensionamento esclusivamente sulla portata nominale. Utilizza le curve di portata, i fattori di correzione, il margine di incrostazione e le prove pilota quando il rischio di fermo impianto comporta costi elevati.
Perché la caduta di pressione aumenta durante il funzionamento?
Durante il funzionamento, la caduta di pressione aumenta perché particelle, gel, ruggine, particelle fini di catalizzatore, incrostazioni, nebbia d’olio o materiale biologico si accumulano sulla superficie del filtro e all’interno dei canali porosi, riducendo i percorsi di flusso liberi e costringendo il sistema a esercitare una pressione maggiore per mantenere la portata.
Un andamento in aumento della pressione differenziale non è solo un dato di manutenzione. È il filtro che ti sta indicando a che velocità sta scomparendo la sua struttura porosa utilizzabile.
Una superficie maggiore può ridurre il carico della pompa o del compressore?
Una superficie maggiore può ridurre il carico sulla pompa o sul compressore, poiché diminuisce la velocità attraverso il mezzo filtrante, riduce la caduta di pressione a stato pulito, rallenta la formazione dello strato di sporco e contribuisce a mantenere il sistema lontano dalla pressione differenziale limite per periodi di funzionamento più lunghi.
Una superficie maggiore comporta un costo iniziale più elevato. Una superficie sottodimensionata comporta costi aggiuntivi ogni ora a causa del consumo energetico, della ridotta durata utile e dei tempi di inattività.
Linee guida sugli appalti
Inviateci i dati relativi alla portata richiesta, al tipo di fluido, alla viscosità, alla temperatura di esercizio, al ΔP pulito ammissibile, al ΔP terminale, al grado di filtrazione in micron, al carico di particelle e ai limiti dell’alloggiamento. Vi aiuteremo a dimensionare la superficie filtrante sinterizzata, il numero di cartucce e il grado del materiale filtrante prima che la curva della pompa — e il team di manutenzione — inizino a lamentarsi.
