EN |

Search
Close this search box.
Search
Close this search box.
Search
Close this search box.
Search
Close this search box.

ضریب بتا(β) در فرایند فیلتراسیون

درک این نکته ضروری است که، تنها در نظر گرفتن اندازه میکرون ذرات برای یک فیلتر کافی نیست. در واقع اندازه میکرون بدون اندازه گیری راندمان مدیای فیلتر در اندازه ذرات معین اهمیت چندانی ندارد. می توان گفت که یک رول کاغذ معمولی هم ممکن است ذرات ۱۰ میکرونی را متوقف کند، اما با چه بازدهی می تواند این کار را انجام دهد؟ و یا چند درصد از ذرات ۱۰ میکرونی آن توسط کاغذ به دام می افتند؟

توانایی جداسازی ذرات توسط  فیلتر معمولا برای چندین اندازه ذره مختلف ارزیابی می شود. این کار با شمارش تعداد ذرات با اندازه‌های مختلف در نمونه‌های مایع استخراج‌ شده در بالادست و پایین دست فیلتر تحت آزمون انجام می‌شود. این نمونه ها در طول آزمایش چندین بار مورد ارزیابی قرار می گیرند تا تغییر در توانایی جداسازی المنت فیلتری که آلاینده را به دام می اندازد مشخص شود. این اطلاعات معمولاً به عنوان مقادیر نسبت یا بتا (β ) برای اندازه های مختلف ذرات که در حال ارزیابی هستند ارائه می شود. نسبت بتا در واقع یک سیستم رتبه بندی می‌باشد که به طرفین، سازنده فیلتر و همچنین کاربر فیلتر کمک می کند که انتخاب صحیحی از فیلترهای مناسب برای استفاده جهت کاربردهای خاص  داشته باشند. و در واقع  باعث می شود کاربر دریابد که چگونه تعداد ذرات موجود در واحد حجم ممکن است بر کل سیستم فیلتراسیون تأثیر بگذارد. در دنیای فیلترها و فیلتراسیون، نسبت بتا نقش مهمی ایفا می کند. شکایت هایی از خرابی در سیستم های هیدرولیک وجود دارد، که عمدتاً به دلیل نسبت بتا نامناسب و سطوح بالای آلودگی قابل توجه است. نسبت بتا کارایی سیستم هیدرولیک را به ارمغان می آورد.

محاسبه ضریب بتا

ضریب بتا به صورت نسبت تعداد ذرات در واحد حجم، بالاتر از یک اندازه خاص(X)، درجریان بالادست فیلتر به تعداد ذرات در جریان پایین دست فیلتر تعریف می‌شود، این پارامتر در دستگاه آزمون تعیین می‌شود، که قادر به شمارش ذرات در دو منطقه از جریان (قبل و بعد از فیلتر) می‌باشد. ذرات در سیستم های فیلتراسیون بر اساس اندازه گروه بندی می شوند که نسبت β برای هر اندازه ذره یا هر گروه از اندازه ذرات به طور مشخص تعریف می‌شود. (شکل ۱)

نسبت بتا طبق فرمول زیر تعریف می‌شود:

در این فرمول پارامترها عبارتند از :

X β: نسبت بتا در اندازه مشخص x

Nu:تعداد ذرات بزرگ تر از    x µmدر جریان بالادست فیلتر

Nd: تعداد ذرات بزرگتر ازµm x  در جریان پایین دست فیلتر

شکل ۱- نحوه محاسبه ضریب بتا

 ارتباط ضریب بتا و بازدهی فیلتر

در واقع هر چه مقدار نسبت بتا بالاتر باشد، ذرات بیشتری با اندازه مشخص شده یا بزرگتر توسط فیلتر حفظ می‌شوند(به دام میافتند). مقدار β به عنوان معیاری برای بازده جداسازی واقعی المنت فیلتر پذیرفته شده است، بنابراین بازدهی فیلتر را می توان از نسبت بتا یا مستقیماً از تعداد ذرات با استفاده از فرمولهای زیر محاسبه کرد:

EX : مقدار بازدهی المنت فیلتر

فرمول ها در کل محدوده اندازه ذرات، تا مقدار نقطه برش مطلق اعمال می‌شود، که در این نقطه، تعداد ذرات شمارش شده  باید صفر و در نتیجه بازده ۱۰۰٪ باشد. همچنین در هر سطح اندازه ذرات کوچکتر از نقطه برش مطلق[۱]، راندمان لزوما باید کمتر از ۱۰۰٪ باشد.

در جدول شماره ۱ ارتباط نسبت بتا  و راندمان فیلتر آورده شده است. همچنین میزان تعداد ذرات در جریان پایین دست فیلتر آورده شده است. به عنوان مثال، راندمان فیلتر.۹۹.۹% دارای نسبت بتا ۱۰۰۰ است، در حالی که راندمان ۹۹.۹۹ دارای نسبت بتای معادل  ۱۰۰۰۰ (۱۰ برا بر بالاتر ) است.

جدول ۱- مقادیر نسبت بتا و بازده المنت فیلتر و ذرات شمارش شده در جریان پایین دست فیلتر

تعیین ضریب بتا

نسبت بتا با استفاده از استاندارد آزمون عبور دهی مکرر[۲] ISO 16889) ( محاسبه می شود. سیستم آزمون عبور دهی مکرر در شکل ۲ نشان داده شده است، که در آن یک سیال حامل مقدار معین از ذرات، با اندازه و ترکیب عددی مشخص، به طور پیوسته در یک حلقه از طریق محفظه فیلتر در حال آزمون  با تعدادی  نقاط مخصوص جهت نمونه گیری در گردش است.

سوسپانسیون اضافی به طور مداوم به جریان گردشی وارد می شود تا جریان ثابتی از آلاینده ها در فیلتر آزمون حفظ شود و ذرات از دست رفته از طریق محبوس شدن در فیلتر و سیال خارج شده از سیستم جهت نمونه گیری جبران شود. این نمونه ها به طور همزمان از جریان بالادست و پایین دست فیلتر، در سطوح از پیش تعیین شده افت فشار در سراسر فیلتر در حال آزمون خارج می شوند و در یک شمارنده ذرات خودکار۳] تجزیه و تحلیل می شوند. آلاینده، یک غبار آزمایشی استاندارد است. (مانند Dust ISO Medium Test که برای سیستم های هیدرولیک و روانکاری پیشنهاد می شود).

از نمونه های شمارش شده، توزیع اندازه ذرات تجمعی بر حسب واحد حجم سیال، در طیف وسیعی از اندازه ها (مانند ۵، ۱۰، ۲۰، ۳۰ و ۴۰ میکرومتر) تعیین می شود. سپس نسبت بتا را می توان برای هر یک از اندازه ذرات انتخاب شده با استفاده از فرمول های ذکر شده محاسبه نمود.

شکل ۲- شماتیک آزمون عبوردهی مکرر برای تعیین β

برای بسیاری از المنت فیلترها نسبت بتا با افزایش افت فشار به طور قابل توجهی کاهش می یابد. بنابراین، برای به دست آوردن نسبت‌های واقعی بتا برای طول عمر مورد انتظار فیلتر، یک آزمون عبور مکرر باید تا افت فشار نهایی که بالاتر از تنظیم عملیاتی دستگاه هشدار دهنده المنت کثیف در سیستم هیدرولیک واقعی باشد، انجام شود. بنابراین، هنگام انتخاب یک فیلتر هیدرولیک، لازم است نمودار نسبت بتا در برابر افت فشار المنت تمیز تا افت فشار نهایی مقایسه شود.  

نسبت بتا برای یک فیلتر می تواند با افزایش ذرات آلاینده تغییر کند و اغلب اوقات، فیلتر کارآمدتر می شود. با این حال، افزایش بار ذرات باعث افزایش فشار برگشتی نیز می شود، بنابراین مهم است که نسبت بتا، فقط برای المنت فیلتر جدید در نظر گرفته شود..

ثبات بتا در سیستم های فیلتراسیون :

پایداری یا ثبات  بتا معیاری است که نشان می‌دهد چگونه یک المنت فیلتر می‌تواند نسبت بتای اندازه‌گیری‌شده خود را در افت فشار فراتر از محدوده عملکرد عادی حفظ کند. بنابراین لازم است بدانیم که چگونه نسبت بتا یک فیلتر در افت فشار بالاتر از محدوده عملکرد معمولی ثابت می ماند. یک سیستم  فیلتراسیون  که به خوبی طراحی شده می تواند در حفظ ثبات بتا مفید باشد. همچنین با در نظر گرفتن درجه تمیزی ( cleanliness) مناسب سیستم می توان این کار را انجام داد. علاوه بر این، انتخاب المنت فیلتر مناسب نیز نقش مهمی در این امر دارد. البته قابل ذکر است چنین عواملی باید تنها پس از مشاهده نتایج آزمون عبور دهی مکرر  در نظر گرفته شوند.

تحلیل بتا

نمودار های زیر مقادیر بتا را در مقابل اختلاف فشار در دو المنت  فیلتر، در پایان هر دوره شمارش ذرات آزمایش نشان می دهند. هر دو منحنی نمونه برای المنت فیلتر نشان داده شده در نمودارهای زیر ممکن است برای یک کاربرد شیر سروو[۴] حساس به آلاینده مقایسه شوند. هر دو فیلتر دارای نسبت بتا متوسط برابر با ۳۰۰ برای ذرات ۳ میکرونی هستند. با قضاوت بر اساس نسبت بتای متوسط، به نظر می‌رسد که المنت فیلترها دارای ویژگی‌های یکسان هستند و هیچ مقایسه دیگری با نسبت بتا نباید انجام شود. با این حال، همانطور که در شکل ۳نشان داده شده است، نسبت بتا در ابتدای آزمون برابر ۷۰۰  است و به آرامی به مقدار ۲۰۰ در پایان آزمون کاهش می یابد. این المنت در ابتدای آزمون محافظت عالی در برابر آلاینده ها  ایجاد می کند و در پایان آزمایش محافظت کمتری ارائه می دهد .این المنت را می توان در تمام کاربردهایی که حداقل مقدار بتا ۲۰۰ برای محافظت مناسب از تجهیزات هیدرولیک لازم است استفاده کرد.

شکل ۳- میزان تغییرات افت فشار در برابر بتا در سایز های مختلف ذرات

از طرف دیگر المنت دوم، دارای نسبت بتا برابر با β۳ = ۵۰ در ابتدای آزمون است، و به آرامی به حداکثر مقدار ۷۰۰ صعود می کند. اگرچه میانگین نسبت بتا برابر با ۳۰۰ می باشد، اما المنت ممکن است در هنگام نصب و در اوایل زمان استفاده برای سیستم هیدرولیک از شیر سروو حساس به آلودگی محافظت نکند، و تنها پس از جمع شدن آلاینده در فیلتر (و احتمالاً پس از خرابی سیستم) محافظت لازم از سیستم را فراهم می کند.

بررسی بیشتر منحنی بتا برای المنت فیلتر در شکل اول نشان می دهد که مقدار بتا در ۲۰۰ یا بالاتر در محدوده اختلاف فشار ۲۰ بار باقی مانده است. که نشان می دهد المنت از پایداری بتا بسیار خوبی برخوردار است و حفاظت لازم را در تمام افت فشارهای المنت، فراهم می کند.از سوی دیگر، مقدار بتا برای المنت دوم، پس از افت فشار ۸ bar ، به سرعت کاهش میابد. در واقع هنگامی که افت فشار از ۸ بار گذشته است، بنابراین این المنت  حفاظت لازم را برای شیرهای سروو ایجاد نمی کند.

شکل ۴-میزان تغییرات افت فشار در برابر بتا در سایز های مختلف ذرات

مزایای تحلیل پارامتر بتا در سیستم های فیلتراسیون

  • نسبت بتا به مقایسه عملکرد فیلترها کمک می کند.
  • این پارامتر  به شناسایی بازدهی فیلتر در حذف اندازه های خاص ذرات آلاینده کمک می کند.
  • تجزیه و تحلیل بتا به پیشگیری از خرابی موتورها، تجهیزات سیستم هیدرولیک کمک می کند. همچنین برای برآورد شاخص های عملکرد  فیلترهای روغن، سوخت و هیدرولیک مورد نیاز است.

به طور خلاصه

سازندگان فیلترها و متخصصان در زمینه فیلتراسیون نسبت بتا را به عنوان نشانه ای از کیفیت فیلتر در نظر می گیرند. نسبت بتا یک استاندارد صنعتی ارائه می دهد تا به استفاده کنندگان فیلتر  امکان انتخاب هوشمندانه در محافظت  از سیستم های هیدرولیک خود را می دهد.

نسبت بتا فقط برای اندازه ذره مشخص معتبر است. به عنوان مثال، اگر یک المنت فیلتر برای اندازه ۵ میکرون رتبه بندی شود ،۵β به تنهایی برای ذرات آن اندازه اعمال می شود. خود نسبت بتا با تقسیم تعداد ذرات بالادست بر ذرات پایین دست محاسبه می شود. به عنوان مثال، اگر ۱۰۰۰۰۰ ذره پنج میکرون و بزرگتر به طور متوسط قبل از فیلتر و ۱۰۰ ذره پنج میکرون بعد از فیلتر اندازه گیری شود، نسبت بتا ۱۰۰۰ است.

هنگامی که نسبت بتا اندازه گیری می شود، بازدهی المنت فیلتر را در اندازه ذرات معین نیز بدست می آید. (بازدهی با کم کردن ۱ از نسبت بتا و سپس تقسیم بر نسبت بتا محاسبه می شود.) نسبت بتا یک فیلتر می تواند با جمع آوری ذرات روی المنت تغییر کند و اغلب اوقات، فیلتر کارآمدتر می شود. با این حال، افزایش بار ذرات باعث افزایش افت فشار سیستم نیز می شود،

قابل ذکر است اعتبار مقادیر β به طور واضح به تعداد ذرات موجود در نمونه سیال، حجم سیال، روش شمارش و دقت، و تکنیک پردازش نمونه بستگی دارد.

در نهایت لازم به ذکر است که نسبت بتا یا راندمان حذف ذرات یکی از معیارهای مهم انتخاب  فیلتر است. استفاده از المنت فیلتر با نسبت بتا پایین یا بازده ضعیف، هر چند که  قیمت خرید آن ها کمتر از المنت های با نسبت بتا بالا یا بازده خوب باشد، ممکن است در نهایت منجر به خرابی سیستم و در نتیجه هزینه بیشتر شود.

[۱] Absolute cut-off point

[۲] Multi pass test

[۳] Automatic particle counter

[۴] servo valve

 

  1. Sutherland, K. S., & Chase, G. (2011). Filters and filtration handbook. Elsevier.
  2. Purchas, D., & Sutherland, K. (Eds.). (2002). Handbook of filter media. Elsevier.
  3. Hutten, I. M. (2007). Handbook of nonwoven filter media. Elsevier.
  4. https://www.machinerylubrication.com/Read/564/filter-beta-ratio

 

نویسنده: فروغ خلیلی
تاریخ: شهریور ۱۴۰۲

FavoriteLoadingذخیره پست

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

20 − شانزده =

Previous slide
Next slide