Antes de terminar, convidamo-lo a falar diretamente com a nossa equipa de gestão para garantir que recebe o aconselhamento técnico mais preciso, apoio em matéria de preços e opções de personalização para o seu projeto. Os nossos especialistas podem avaliar rapidamente as suas necessidades, recomendar soluções adequadas de filtros de plástico sinterizado e ajudá-lo a reduzir os riscos de abastecimento, melhorando simultaneamente a eficiência, a consistência e a estabilidade do abastecimento a longo prazo para as suas aplicações industriais.
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Indique à nossa equipa de apoio às vendas o tipo de produto, a classificação em mícrons, o tamanho, a aplicação, o meio filtrante, a temperatura de funcionamento, a pressão e a quantidade estimada. Ajudá-lo-emos a escolher o cartucho filtrante adequado, seja de plástico sinterizado, de metal sinterizado ou de sedimentos.
Caudal, queda de pressão e área de superfície nos filtros sinterizados
As curvas de fluxo dos catálogos enganam.
Nem sempre com má-fé — mas mentem por omissão, porque aquela pequena frase concisa num PDF do fornecedor pressupõe, normalmente, um fluido limpo, viscosidade estável, temperatura padrão, um único gás ou líquido de ensaio, um elemento novo, um grau de porosidade específico e a ausência de formação de resíduos no interior durante a primeira hora de funcionamento. Conveniente, não é?
Já vi engenheiros a dimensionar caixas com base num único valor de “caudal nominal”.
Má jogada.
A queda de pressão num filtro sinterizado não é uma propriedade fixa, como o comprimento ou o tamanho da rosca. Trata-se de uma penalização variável imposta pelo filtro quando o fluido tenta passar através de uma estrutura porosa. Aumente o caudal e a queda de pressão aumenta. Reduza a área de superfície e a queda de pressão aumenta. Aumente a viscosidade e a queda de pressão aumenta. Introduza partículas nos poros e a queda de pressão volta a aumentar — por vezes lentamente, outras vezes como um gráfico de cotações em baixa.
E eis a verdade nua e crua: a maioria dos erros no dimensionamento dos filtros não se deve a filtros de má qualidade. Devem-se a suposições precipitadas.
No caso dos filtros sinterizados, o princípio simplificado é o seguinte:
O caudal aumenta à medida que a área de superfície e a permeabilidade aumentam.
A queda de pressão aumenta quando a viscosidade, a velocidade do fluxo, a espessura do meio, a carga de impurezas ou a restrição aumentam.
Isso parece simples. Mas não é.
Porque um verdadeiro filtro sinterizado não é um conjunto ordenado de orifícios retos. É uma rede de poros sinuosa. As partículas de pó, o crescimento dos colos, as gargantas dos poros, o volume de vazios, a distribuição granulométrica, a compressão e a temperatura de sinterização são todos fatores que moldam o percurso. O fluido não avança em linha reta. Ele abre caminho.
Às vezes, devagar.
Com raiva, muitas vezes.
Uma relação aproximada do tipo Darcy para o fluxo de líquidos através de meios porosos é:
ΔP ≈ μ × L × v / k
Onde:
ΔP = queda de pressão μ = viscosidade dinâmica L = espessura do meio filtrante v = velocidade superficial k = permeabilidade
A área de superfície está relacionada com a velocidade. Se o mesmo caudal for forçado a passar por uma área de filtragem menos aberta, a velocidade aumenta. Consequentemente, a queda de pressão aumenta. O filtro não se tornou “pior”. O dimensionamento é que ficou pior.
Área de superfície: o redutor de queda de pressão mais barato
Quer uma menor queda de pressão no filtro sinterizado?
Adicionar área.
Essa resposta parece demasiado simples, por isso as pessoas ignoram-na. Começam a discutir sobre a classificação em mícrons, a liga, a geometria das pregas, a qualidade do pó e a curva de bombeamento, antes de perguntar se o elemento tem área de superfície efetiva suficiente para o caudal, a viscosidade e a carga de sólidos reais.
Mas a área de superfície é a alavanca discreta.
Um cartucho de 10 polegadas e um cartucho de 20 polegadas com o mesmo tipo de meio filtrante não se comportam da mesma forma. Um elemento sinterizado plissado pode oferecer uma área útil maior do que um cilindro liso. A utilização de vários cartuchos em paralelo reduz a velocidade frontal. Um diâmetro maior também reduz a velocidade. Uma velocidade mais baixa significa, normalmente, uma menor queda de pressão em condições de limpeza e um acúmulo mais lento da camada de sujidade.
Normalmente.
Eis o problema: a “área de superfície” indicada numa página de catálogo pode referir-se à área geométrica, e não à área de fluxo efetiva. Zonas mortas, secções terminais bloqueadas, margens de soldadura, estruturas de suporte e um mau design da caixa podem reduzir a área disponível. Já vi caixas em que o elemento parecia ter dimensões generosas, mas o fluxo de entrada batia com força num dos lados do cartucho, como uma mangueira de incêndio. A sobrecarga local levou à avaria prematura do filtro.
Não é elegante.
É muito comum.
Para os engenheiros de fabricantes de equipamento original (OEM) que se dedicam ao dimensionamento de filtros metálicos porosos, prefiro um cálculo conservador da área, com uma margem para o fluxo em condições de sujidade, do que um projeto ambicioso baseado numa curva de laboratório em condições de limpeza.
Caudal: o caudal nominal não corresponde ao caudal do processo
Um fornecedor afirma que o filtro tem uma capacidade de 100 L/min.
Está bem. Com que líquido?
Água a 20 °C? Ar em condições normais? Azoto? Óleo hidráulico a 46 cSt? Solvente? Glicol? Polímero quente? Condensado de vapor com partículas de ferrugem?
É aqui que as alegações dos catálogos começam a tornar-se duvidosas.
O caudal num filtro sinterizado depende do tipo de fluido, da viscosidade, da densidade, da temperatura, da pressão, da compressibilidade do gás, da carga de partículas e da queda de pressão admissível. No caso dos gases, os litros por minuto padrão e os litros por minuto reais não são a mesma coisa. No caso dos líquidos, as variações de viscosidade podem comprometer um projeto que parecia adequado nos testes com água.
Um pequeno exemplo.
A água a 20 °C tem uma viscosidade dinâmica próxima de 1 mPa·s. Um óleo de processo pode ser 20, 50 ou 100 vezes mais viscoso. Se basear o dimensionamento nos dados da água e fizer o óleo passar pelo mesmo meio sinterizado, não se surpreenda quando a queda de pressão aumentar.
Já vi pessoas a culparem o filtro.
A matemática era a culpada.
Queda de pressão: ΔP em condições normais, ΔP com sujidade, ΔP terminal
A queda de pressão ocorre em fases.
A queda de pressão em condições de limpeza é a perda inicial de pressão num elemento novo ou totalmente limpo. A queda de pressão devido à sujidade é o que ocorre à medida que as partículas se acumulam na camada superficial e na rede de poros. A queda de pressão terminal é o ponto em que o sistema diz: “Chega.” Isso pode ser 1 bar, 2 bar, 5 psi, 15 psi ou qualquer valor que a bomba, o compressor, a caixa, o design da vedação ou o processo possam tolerar.
O artigo de Mott sobre a refinaria de metais porosos descreve o processo de filtração como um fluxo constante com uma queda de pressão crescente até se atingir a queda de pressão terminal: Sistemas de filtração com metais porosos da Mott para a refinação de petróleo. Essa frase é importante porque muitos sistemas industriais funcionam com base no caudal alvo, e não na pressão alvo. O sistema aumenta a pressão até que o filtro fique obstruído ou o operador intervenha.
A dura realidade: se a sua margem de ΔP for estreita, terá de aumentar o número de cartuchos.
Não há soluções milagrosas nos meios de comunicação para resolver o problema da área insuficiente.
E não confunda uma elevada pressão de colapso com uma baixa queda de pressão. Um cartucho robusto de aço inoxidável sinterizado pode resistir a uma elevada pressão diferencial, mas isso não significa que a sua bomba queira pagar essa conta de energia a cada hora.
Porosidade e permeabilidade: estão relacionadas, mas não são idênticas
O termo «porosidade» é utilizado em excesso.
A permeabilidade não é verificada com a devida atenção.
O LibreTexts define a porosidade como a relação entre o espaço vazio e o volume total do material: LibreTexts 2024: Lei de Darcy e explicação sobre a porosidade. Isso é útil, mas a porosidade, por si só, não explica totalmente a questão da queda de pressão.
Dois filtros podem apresentar ambos a porosidade 40% e, no entanto, comportar-se de forma diferente.
Porquê?
Dimensão dos poros. Tortuosidade. Conectividade dos poros. Morfologia do pó. Pontos de sinterização. Espessura do meio filtrante. Acabamento da superfície. Compactação. Padrão de acumulação de sujidade. Um filtro pode ter vias largas e bem interligadas. Outro pode ter muitos vazios que não contribuem muito para o fluxo de passagem.
O guia sobre metais porosos da Spintek explica-o de forma clara: a permeabilidade é uma medida da queda de pressão para um determinado caudal numa área unitária, e as relações entre porosidade e permeabilidade são influenciadas pelo tamanho do pó e pelo método de conformação: Guia de conceção de metais porosos.
É por isso que a “alta porosidade”, por si só, não deve impressionar-te.
Pergunte sobre a permeabilidade.
Pergunte qual é o ΔP puro para o seu caudal.
Peça líquido de teste.
Pergunte qual é a espessura do material.
Pergunte qual é a geometria real do cartucho.
Cálculo da queda de pressão em filtros sinterizados
Recorra a cálculos para evitar projetos mal concebidos. Não os utilize como profecias.
O documento da NRC dos EUA sobre a queda de pressão em meios porosos apresenta uma forma da equação de Darcy para o fluxo viscoso, Δp = μVL/K, e faz também referência a relações do tipo Ergun para meios porosos: Cálculo da queda de pressão em meios porosos segundo o NRC. No caso dos filtros sinterizados, o comportamento de Darcy constitui frequentemente um bom ponto de partida a velocidades mais baixas, enquanto os efeitos inerciais podem ser relevantes a caudais mais elevados, especialmente no caso de gases ou de meios de granulometria grossa.
Uma sequência prática de engenharia:
Defina o caudal necessário.
Definir a viscosidade do fluido à temperatura de funcionamento.
Definir o ΔP limpo admissível e o ΔP terminal.
Escolha a classificação em mícrons com base no tipo de partícula alvo — e não na esperança.
Calcule a área necessária para os suportes.
Verifique os dados de fluxo limpo do fornecedor utilizando as mesmas condições do fluido ou condições corrigidas.
Adicionar margem de segurança.
Confirme a curva da bomba ou do compressor.
Faça o teste com fluido real se uma falha tiver consequências dispendiosas.
Ignore o passo 9 apenas se o tempo de inatividade não representar um custo elevado.
Normalmente não é.
No caso dos líquidos, a queda de pressão tende a variar fortemente em função da viscosidade. No caso dos gases, a densidade, a compressibilidade, a base de pressão e a comparação entre o caudal nominal e o caudal real podem tornar o dimensionamento mais complexo. Em aplicações com fluidos contaminados, a carga de partículas pode vir a ser o fator determinante após o arranque.
É aí que as curvas de catálogo deixam de ser úteis e os dados do piloto começam a dar frutos.
A armadilha da área de superfície na contagem de cartuchos
Os engenheiros dos fabricantes de equipamento original (OEM) adoram caixas compactas.
Eu compreendo. O espaço é caro. As caixas em aço inoxidável são caras. Os cartuchos adicionais aumentam os custos, as vedações, o inventário e o tempo de montagem. Mas as caixas de dimensões insuficientes acarretam outros custos: queda de pressão, consumo de energia, vida útil reduzida, caudal instável e equipas de manutenção insatisfeitas.
Tecnicamente, um único cartucho poderia cumprir os requisitos de caudal de ar limpo.
Por pouco.
Então, o processo começa. Os sólidos acumulam-se. A viscosidade altera-se. A temperatura desce. A pressão diferencial aumenta. A bomba trabalha mais intensamente. A culpa recai sobre a válvula de derivação. Alguém sugere um “filtro melhor”. O departamento de compras começa a procurar alternativas.
N.º.
Precisavas de mais espaço.
Pela minha experiência, as melhores discussões sobre o dimensionamento começam com o ΔP limpo pretendido e a estratégia de retenção de impurezas, e não apenas com a classificação nominal em mícrons. Se o filtro tiver de manter o caudal durante 30 dias, dimensiona-o para 30 dias. Se tiver de resistir aos impulsos de arranque do compressor, dimensiona-o para esses impulsos. Se estiver sujeito a partículas pegajosas, não finjas que se comporta como água limpa.
O filtro sabe.
Tabela comparativa: o que realmente determina a queda de pressão
Variável
O que acontece quando aumenta?
Impacto na queda de pressão do filtro sinterizado
Aviso técnico
Caudal
Mais fluido forçado a passar pela mesma área
A queda de pressão aumenta, muitas vezes de forma acentuada, à medida que a velocidade aumenta
O caudal nominal sem ΔP é praticamente inútil
Viscosidade do fluido
O fluido opõe-se mais ao movimento
A queda de pressão aumenta significativamente
Os dados dos testes de água podem induzir em erro nos sistemas de óleo ou glicol
Área de superfície do filtro
O mesmo fluxo estende-se por uma área maior
A queda de pressão costuma diminuir
Utilize a área útil, não a área indicada no folheto
Espessura do suporte
O percurso do fluxo torna-se mais longo
A queda de pressão aumenta
Os meios densos podem melhorar a resistência, mas implicam um custo ΔP
Permeabilidade
A rede de poros facilita o fluxo
A queda de pressão diminui
Pergunte quais são as condições de ensaio, e não apenas se se trata de “alta permeabilidade”
Porosidade
Um maior volume de espaço vazio pode ajudar o fluxo
Depende da conectividade dos poros
Uma elevada porosidade não garante um ΔP baixo
Carga de terra
Acumulação de resíduos e obstrução dos poros
A queda de pressão aumenta com o tempo
O ΔP do terminal define a vida útil
Temperatura
Altera a viscosidade e a densidade do gás
Pode aumentar ou diminuir o ΔP
Dimensão na temperatura de funcionamento mais desfavorável
Número de cartuchos
Mais elementos fazem parte do fluxo
Queda de pressão por elemento
A área paralela costuma ser mais barata do que a dor da bomba
Um exemplo de dimensionamento que os engenheiros realmente reconhecem
Suponha que precise de um caudal de 120 L/min através de um conjunto de cartuchos de aço inoxidável sinterizado.
A curva de ensaio com água limpa indica que um cartucho consegue processar 120 L/min com um ΔP aceitável. Ótimo. Mas o seu fluido real tem 8 cP no arranque, e não 1 cP como a água. A sua carga de partículas é moderada. A sua queda de pressão terminal é limitada porque a bomba a montante não tem margem de pressão adicional. Além disso, a fábrica pretende um intervalo de 4 semanas entre as paragens para manutenção.
Um cartucho não é um projeto.
É um desejo.
Uma abordagem mais segura poderia consistir na utilização de três ou quatro cartuchos em paralelo, diminuindo a velocidade em cada elemento, reduzindo a ΔP de limpeza, retardando a acumulação de resíduos e proporcionando margem ao sistema quando a viscosidade aumenta ou as partículas se distribuem de forma desigual. Sim, o invólucro custa mais. Mas o invólucro mais pequeno só era mais barato antes da primeira paragem.
Eu sei. O departamento de compras detesta essa frase.
O departamento de operações compreende isso imediatamente.
Onde os engenheiros se deixam enganar
O primeiro erro é utilizar o valor nominal em mícrons como se este indicasse a queda de pressão.
Não é assim.
Um filtro de pó sinterizado de 10 µm e um filtro de malha sinterizada de 10 µm podem apresentar comportamentos diferentes. Um tubo metálico poroso de 5 µm e um elemento de fibra sinterizada plissada de 5 µm podem ter uma área superficial e uma permeabilidade muito diferentes. A mesma classificação nominal. Comportamento hidráulico diferente.
Segundo erro: ignorar a viscosidade.
Em terceiro lugar: considerar o fluxo de gás como se o fluxo padrão e o fluxo real fossem intercambiáveis.
Quarto: esquecer a sujidade.
Uma curva de elementos limpa é uma certidão de nascimento, não uma história de vida. A verdadeira história começa quando sólidos, névoa de óleo, ferrugem, partículas finas de catalisador, fragmentos de polímeros ou incrustações entram no meio filtrante.
Quinto: confiar na “caudal máximo”.”
Máximo segundo quem? A que ΔP? Durante quanto tempo? Com que fluido? A que temperatura? Limpo ou carregado? Carcaça horizontal ou vertical? De dentro para fora ou de fora para dentro? Com que tubo de suporte?
Basta fazer essas perguntas para que a sala fique mais silenciosa.
Ótimo.
Perguntas frequentes
O que provoca a queda de pressão nos filtros sinterizados?
A queda de pressão nos filtros sinterizados é causada pela resistência do fluido ao atravessar o meio poroso, incluindo a viscosidade, a velocidade do fluxo, a espessura do meio, a permeabilidade, a estrutura dos poros, a área superficial e a acumulação de sujidade que bloqueia os canais dos poros ou forma uma camada de resíduos durante o funcionamento.
Em linguagem simples do setor, o filtro cobra energia por forçar o fluido a passar por minúsculas passagens interligadas. Um maior caudal, um meio mais denso, uma viscosidade mais elevada, uma menor permeabilidade ou uma área mais reduzida significam uma conta mais elevada.
Como se calcula a queda de pressão nos filtros sinterizados?
A queda de pressão nos filtros sinterizados é normalmente estimada através de relações para meios porosos do tipo Darcy, em que ΔP depende da viscosidade, da espessura do meio, da velocidade superficial e da permeabilidade, sendo posteriormente corrigida com dados reais de ensaios do fornecedor, a margem de obstrução e as condições de funcionamento do gás ou do líquido.
Utilize o cálculo como ferramenta de triagem. No caso de equipamentos dispendiosos, verifique com o fluido real, a temperatura real, a geometria real do cartucho e uma carga de partículas realista.
De que forma a vazão afeta a queda de pressão num filtro sinterizado?
O caudal afeta a queda de pressão no filtro sinterizado, aumentando a velocidade através da rede de poros disponível; quando a mesma área de filtragem tem de processar um caudal maior, a resistência aumenta e o sistema necessita de mais pressão a montante para manter o caudal pretendido.
A baixas velocidades, a relação pode parecer quase linear. A velocidades mais elevadas, especialmente no caso de gases ou meios de granulometria grossa, os efeitos inerciais podem tornar a curva mais acentuada.
De que forma a área de superfície afeta a queda de pressão nos filtros sinterizados?
A área de superfície influencia a queda de pressão nos filtros sinterizados, ao distribuir o mesmo caudal por uma maior área do meio filtrante, reduzindo a velocidade superficial em cada região dos poros e, normalmente, diminuindo a queda de pressão em condições de limpeza, retardando a acumulação de sujidade e prolongando a vida útil do filtro.
É por isso que cartuchos mais compridos, diâmetros maiores, estruturas plissadas ou vários cartuchos em paralelo resolvem frequentemente os problemas de queda de pressão melhor do que procurar um tipo de meio filtrante milagroso.
O que é a permeabilidade de um filtro sinterizado?
A permeabilidade de um filtro sinterizado é uma medida da facilidade com que o fluido atravessa a estrutura porosa, para uma determinada queda de pressão, caudal, espessura do meio filtrante e área de superfície, refletindo o tamanho dos poros, a conectividade dos poros, a tortuosidade e o método de fabrico.
Uma elevada porosidade nem sempre significa uma elevada permeabilidade. As vias de poros interligadas são mais importantes do que o volume vazio que não contribui para o fluxo de passagem.
Qual é a diferença entre porosidade e permeabilidade?
A porosidade é a percentagem de espaço vazio no interior de um material filtrante sinterizado, enquanto a permeabilidade descreve a facilidade com que o fluido consegue, de facto, fluir através desses poros interligados sob pressão, tornando a permeabilidade mais útil para prever a queda de pressão e o desempenho do fluxo.
Dois meios podem partilhar a mesma porosidade, mas apresentar quedas de pressão diferentes, uma vez que as gargantas dos poros, a tortuosidade, a compactação e as condições de sinterização diferem.
Como é que se determina o tamanho de um filtro metálico poroso?
A dimensão de um filtro metálico poroso é determinada definindo o caudal necessário, a viscosidade do fluido, a temperatura de funcionamento, a queda de pressão admissível em estado limpo e na fase final, a carga de partículas, a classificação em mícrons, a geometria do cartucho e a área de superfície efetiva, antes de selecionar o tipo de meio filtrante e o número de cartuchos.
Não determine o tamanho com base apenas no caudal nominal. Recorra a curvas de caudal, fatores de correção, margem de incrustação e ensaios-piloto quando o risco de paragem for dispendioso.
Por que razão a queda de pressão aumenta durante o funcionamento?
A queda de pressão aumenta durante o funcionamento porque partículas, géis, ferrugem, resíduos de catalisador, incrustações, névoa de óleo ou material biológico se acumulam na superfície do filtro e no interior dos canais dos poros, reduzindo as vias de fluxo abertas e obrigando o sistema a exercer maior pressão para manter o fluxo.
Uma tendência de aumento da pressão diferencial não é apenas um valor de referência para a manutenção. É o filtro a indicar-lhe a rapidez com que a sua estrutura porosa útil está a desaparecer.
Uma área de superfície maior pode reduzir a carga da bomba ou do compressor?
Uma área de superfície maior pode reduzir a carga da bomba ou do compressor, uma vez que diminui a velocidade de fluxo através do meio filtrante, reduz a queda de pressão em condições de limpeza, retarda a formação da camada de sujidade e ajuda a manter o sistema afastado da pressão diferencial limite durante períodos de funcionamento mais longos.
Uma área maior implica um investimento inicial mais elevado. Uma área com dimensões insuficientes acarreta custos adicionais a cada hora, devido ao consumo de energia, à vida útil reduzida e ao tempo de inatividade.
Orientações em matéria de contratação pública
Envie-nos a caudal pretendido, o tipo de fluido, a viscosidade, a temperatura de funcionamento, a ΔP limpa admissível, a ΔP terminal, a classificação em mícrons, a carga de partículas e os limites da caixa. Ajudá-lo-emos a dimensionar a área de superfície do filtro sinterizado, o número de cartuchos e a classe do meio filtrante antes que a curva da bomba — e a equipa de manutenção — comecem a queixar-se.
