Technika uzdatniania sprężonego powietrza

W powietrzu atmosferycznym wraz ze składnikami gazowymi takimi jak azot, tlen, argon, dwutlenek węgla, znajduje się również znaczna ilość wody. Wilgotność względna (RH), jaką podaje się np. w prognozie pogody oznacza wyrażoną w % taką ilość pary wodnej, jaka zawarta jest w powietrzu w otaczającej nas atmosferze zanim rozpoczną się opady deszczu w porównaniu do maksymalnej ilości pary wodnej, jaką powietrze może zatrzymać w danej temperaturze. Na przykład wilgotność względna 60% w temperaturze 20°C oznacza, że w powietrzu zatrzymane jest 60 % pary wodnej, która mogłaby być potencjalnie zatrzymana w tej temperaturze. Natomiast przy wilgotności względnej 100% powietrze nie może dłużej zatrzymać wilgoci w postaci gazowej, co przejawia się występowaniem rosy, zamglenia lub gęstej mgły. Temperatura, w której pojawia się skraplanie się pary wodnej, nazywana jest atmosferycznym punktem rosy.

Wykres: Zawartość wody zależnie od temperatury przy RH = 100%

Przyglądając się powyższemu wykresowi warto zwrócić uwagę, że jeśli powietrze jest nasycone wilgocią w 100 %, to przy schłodzeniu tylko o 5°C (z 35°C do 30°C) nastąpi kondensacja i pojawi się w każdym metrze sześciennym powietrza blisko 10 g wody w postaci ciekłej.

Geograficzne czynniki wilgotności wspomniane powyżej nie są jedynymi istotnymi parametrami. Dużą rolę odgrywają również warunki otoczenia w środowisku przemysłowym np. wilgotność panująca w niedostatecznie wentylowanym budynku sprężarkowni. Kluczowymi czynnikami pozostają jednak temperatura i ciśnienie. Im wyższa temperatura, tym więcej pary wodnej może zatrzymać powietrze i na odwrót. Rozprężone powietrze może zatrzymać większą ilość pary wodnej, natomiast ilość ta zmniejszy się w przypadku powietrza sprężonego.

Skąd właściwie bierze się ta woda?

z otoczenia do sprężarki:

8 m3 @ 1 bar abs., 20°C.,RH= 60 %

8 x 10,38 g/m3 H2O = 83,04 g/m3 H2O

za chłodnicą:

1m3 @ 7bar g, 35°C, RH = 100 %

1 x 83,04 g/ m3 H2O

Sprężarka powietrza pobiera 8 m3 powietrza atmosferycznego w temperaturze 20°C przy wilgotności względnej 60%. W trakcie procesu sprężania objętość ta zmniejsza się do 1 m3 przy p=7 bar g. Całkowita ilość wody w 1 m3 (83,04 g/m3) pozostaje taka sama jak początkowo zassana do sprężarki. Sprężaniu powietrza w module typowej sprężarki śrubowej towarzyszy wzrost temperatury do ok. 80°C, przy której maksymalna zawartość wody, gdy nie wystąpi jeszcze kondensacja, to 290 g/m3. Powietrze o temperaturze 80°C nie może być jednak podane do instalacji. Z tego powodu sprężarka ma wbudowaną chłodnicę (zwykle chłodzoną powietrzem z otoczenia), która zapewnia redukcję temperatury sprężonego powietrza do ok. 30°C-35°C. Maksymalna zawartość wody w tej temperaturze, odpowiadająca 100% nasycenia (początek kondensacji przy schładzaniu) to ok. 35 g/m3. W naszym przykładzie przy wytworzeniu 1 m3 sprężonego powietrza w sprężarce mamy 83,04 g H2O. W procesie redukcji temperatury w chłodnicy do ok. 30°C pojawi się woda w postaci ciekłej w ilości: 83 g – 35 g = 48 g. Ta ilość powinna zostać usunięta do otoczenia. Do tego celu niezbędny jest skuteczny spust kondensatu - np. Bekomat. Należy zauważyć, że nadal w każdym 1 m3 powietrza wychodzącego do instalacji (o temperaturze 30-35°C) pozostaje ok. 35 g wody w postaci gazowej.

Poprawnie pracująca chłodnica końcowa sprężarki jest w stanie usunąć ok. 65 % wody w stanie ciekłym.

Mimo, że chłodnica końcowa usuwa duże ilości wody, każdy kolejny spadek temperatury sprężonego powietrza będzie powodował tworzenie się skroplin w dalszej części instalacji. Przepływając przez dalszą część orurowania do miejsca zastosowania, powietrze stopniowo ochładza się i ostatecznie zmienia stan skupienia na ciekły w urządzeniu pneumatycznym lub w samym procesie przemysłowym. Dlatego korzystne jest jak najszybsze odprowadzenie ciepła z powietrza w sposób kontrolowany na wyjściu z instalacji sprężonego powietrza. Po skropleniu do stanu ciekłego parę wodną można usuwać z instalacji sprężonego powietrza w prosty i skuteczny sposób, do wymaganego poziomu. Do tego celu stosowane są specjalne osuszacze. Całkowita ilość wody zależy oczywiście od wydajności sprężarki, ale też od poziomu wilgotności powietrza z otoczenia. Typowa sprężarka o mocy 30 kW zasysająca powietrze w sposób opisany powyżej i sprężająca je do 7 bar wytwarza w ciągu 8 h zmiany ok. 20 l wody w stanie ciekłym. W ciągu roku ilość ta może wynieść w sumie nawet 1800 litrów! Porównując te ilości do tego, jak dużą część basenu kąpielowego potencjalnie można by napełnić taką ilością skroplin należy pamiętać, że sprężarka o mocy 30 kW (jak powyżej) jest stosunkowo niewielkim urządzeniem wśród sprężarek użytkowanych w przemyśle.

W zakładzie produkcyjnym, w którym pracują dwie sprężarki o mocy 150 kW każda, można spodziewać się ok. 650 litrów skroplin (kondensatu) każdego dnia. Oznacza to 156 000 litrów rocznie.

Usuwanie pozostałych ~35 % wody za pomocą osuszacza chłodniczego:

Para wodna jest skraplana do stanu ciekłego i separowana w osuszaczu w procesie gwałtownego obniżenia temperatury sprężonego powietrza do zakładanego poziomu, przez odbiór ciepła do otoczenia. Sprężone powietrze wewnątrz osuszacza, schłodzone do temperatury około 3°C, jest ponownie przed opuszczeniem osuszacza podgrzewane. W przeciwnym razie skropliny uformowałyby się również w przewodach zimnego sprężonego powietrza przebiegających przez zakład produkcyjny. Powietrze jest ponownie podgrzewane przy użyciu ciepłego powietrza wprowadzanego do osuszacza chłodniczego, co pozwala na podniesienie temperatury do bezpiecznego poziomu, nieco wyższego niż temperatura otoczenia w miejscu zastosowania. Pod względem stopnia osuszenia sprężone powietrze wychodzące z wylotu osuszacza nadaje się do większości zastosowań przemysłowych.

Osuszacze chłodnicze oferowane przez Pneumat., takie jak serie Buran CQ czy Drypoint RA, wyróżnia:

• wysoka niezawodność,

• trwałość,

• innowacyjne i łatwo dostrzegane przez użytkowników rozwiązania konstrukcyjne, które umożliwiają znaczące (w skali roku) oszczędności energii.

Autor:
Krzysztof Kornacki
Specjalista ds.
osuszania i filtracji

Autor:
Krzysztof Kornacki
Specjalista ds.
osuszania i filtracji