Dobieranie osuszacza sprężonego powietrza

Powietrze atmosferyczne wchodzące do sprężarki zawsze zawiera parę wodną. W temperaturze 24°C oraz przy wilgotności względnej wynoszącej 70% sprężarka o mocy 25 KM wytworzy ok. 80 litrów wody dziennie. Dlatego parę wodną należy skroplić i usunąć z układu powietrza. Kondensat (skroplona para z resztkami oleju) jest zanieczyszczeniem, które negatywnie wpływa na aplikacje końcowe. Nieusuwanie kondensatu może prowadzić do korozji, nieszczelności w układzie powietrza, spadków ciśnienia oraz do tworzenia się kamienia kotłowego w systemie dystrybucji.

Sprężanie powietrza powoduje wzrost stężenia pary wodnej. Wskutek sprężania następuje podgrzanie powietrza, co powoduje utrzymywanie wody w stanie pary. Sprężone powietrze wchodząc do systemu dystrybucji, schładza się, a para kondensuje (skrapla się). Dalsze schładzanie sprężonego powietrza zachodzi podczas rozprężania do ciśnienia atmosferycznego. Obecność wody lub kondensatu jest niedopuszczalna w wielu aplikacjach i może zanieczyścić cały układ sprężonego powietrza.

Po ochłodzeniu powietrza do punktu, w którym jego wilgotność względna wynosi 100%, przy dalszym chłodzeniu część pary skropli się, mówimy wtedy, że powietrze zostało schłodzone do punktu rosy. Przy wilgotności 100% spadek temperatury o 10°C powoduje skroplenie się ok. 50% pary wodnej obecnej w sprężonym powietrzu.

Istotną cechą osuszacza jest jego wydajność opisywana ciśnieniowym punktem rosy. Istnieje znaczna różnica pomiędzy atmosferycznym punktem rosy a ciśnieniowym punktem rosy. Punkt rosy wynoszący –  35°C (–30°F) przy ciśnieniu atmosferycznym ma temperaturę zaledwie –10°C (+14°F) przy ciśnieniu 6,9 barów (rys. 1).

Rodzaje osuszaczy

• Osuszacze kondensacyjne (chłodnicze, ziębnicze)
  • Pracujące ciągle
  • Pracujące okresowo (nośniki cieplne lub cylindry rozładowania)
• Osuszacze adsorpcyjne
  • Bez ogrzewania
  • Ogrzewane wewnętrznie
  • Ogrzewane zewnętrznie
  • Przedmuchiwane (ogrzewane)
  • Pompy cieplne
• Osuszacze ze środkami rozpływającymi się 
• Osuszacze membranowe
• Osuszacze kondensacyjne

Zasada zastosowana w systemie osuszania powietrza poprzez schładzanie jest taka sama jak stosowana w lodówkach czy układach klimatyzacji. Osuszacze kondensacyjne zapewniają powietrze na poziomie ciśnieniowego punktu rosy od 2 do 4°C.

Zalety osuszaczy kondensacyjnych

• Niski początkowy koszt kapitałowy
• Stosunkowo niski koszt operacyjny
• Niski koszt utrzymania
• Nie uszkadza ich olej znajdujący się w strumieniu powietrza

Wady

• Ograniczone możliwości uzyskania niskiego punktu rosy

Systemy ciągłe (niecykliczne): w osuszaczach kondensacyjnych z bezpośrednim rozprężaniem zastosowano system kapilarnych rurek lub termostatyczny zawór rozprężny, w połączeniu z zaworem obejściowym gorącego powietrza służącym do kompensowania wahań przepływu (obciążenia układu) oraz zapobiegania zamarzaniu w warunkach braku obciążenia lub niskiego obciążenia.

Zalety systemów niecyklicznych

• Niski i precyzyjny punkt rosy
• Szybka reakcja na zmiany przepływu powietrza
• Kompresor pracuje nieprzerwanie

Wady

• Brak oszczędności energii przy zmniejszonym przepływie lub braku przepływu

Osuszacze okresowe (cykliczne): wykorzystują nośniki cieplne do schładzania kanałów przepływu powietrza w parowniku. Nośnikiem cieplnym może być płyn lub metal. W warunkach zmniejszonego obciążenia (przepływu) nośnik cieplny pozostaje zimny, co pozwala kompresorowi na wyłączenie się. Kiedy nośnik cieplny nagrzeje się, kompresor się włączy. Niektóre większe osuszacze wykorzystują cylindry rozładowania, co prowadzi do redukcji zużycia energii przy obciążeniu częściowym.

Zalety systemów cyklicznych

• Oszczędność energii przy częściowym lub zerowym przepływie powietrza

Wady

• Wahania punktu rosy
• Skrócone życie kompresora spowodowane częstym uruchamianiem i wyłączaniem
• Większe wymiary i waga ze względu na masę nośników ciepła
• Zwiększony koszt kapitałowy

Osuszacze adsorpcyjne

Osuszacze adsorpcyjne podlegające regeneracji zawierają substancję suszącą, która adsorbuje parę wodną występującą w strumieniu powietrza. Wilgoć jest usuwana z tych substancji w procesie regeneracji poprzez przedmuchiwanie suchym niesprężonym powietrzem, ogrzewanie (wewnętrzne lub zewnętrzne) lub kombinację obu sposobów.

Osuszacze te składają się zazwyczaj z dwóch jednakowych kolumn. Podczas gdy w pierwszej kolumnie zachodzi proces suszenia powietrza z kompresora, w drugiej zachodzi proces regeneracji sorbenta. W osuszaczach ze zmiennym ciśnieniem (swing, nieogrzewanych) wymaga się, aby powietrze przedmuchujące stanowiło od 10% do 18% całkowitego przepływu powietrza. W osuszaczach tego typu można uzyskać powietrze o punkcie rosy od – 40°C do –73°C.

Zalety

• Można osiągnąć bardzo niskie punkty rosy bez niebezpieczeństwa zamarzania
• Nieogrzewany typ osuszacza może być zdalnie obsługiwany pneumatycznie oraz może pracować w niebezpiecznych miejscach

Wady

• Stosunkowo wysoki początkowy koszt kapitałowy
• Okresowa wymiana złoża środka suszącego
• Olej w strumieniu powietrza może osadzać się na środku suszącym, niszcząc go
• Konieczne jest powietrze do przedmuchiwania
• Koszt działania jest wysoki

Osuszacze typu pomp cieplnych to osuszacze regeneracyjne, które do procesu regeneracji środka suszącego wykorzystują ciepło powstające podczas procesu sprężania. Są to osuszacze regenerowane cieplnie. W przypadku kompresorów bezolejowych umożliwiają one osiągnięcie optymalnych oszczędności energii.

Istnieją dwie zasadnicze konstrukcje tych urządzeń. Osuszacz jednozbiornikowy lub typu rotujący bęben – przy tej konstrukcji w zależności od temperatury wody chłodzącej można osiągnąć punkt rosy w zakresie od –40°C do –15°C. Typ składający się z dwóch bliźniaczych kolumn, z określonym przedmuchem powietrza, może zapewnić stały punkt rosy wynoszący –40°C.

Zalety

• Niski koszt instalacji elektrycznej
• Niski koszt zasilania
• Minimalna ilość miejsca
• Brak strat powietrza do przedmuchu
• Można osiągnąć niskie punkty rosy 

Wady

• Stosowany jedynie z kompresorami bezolejowymi
• Stosowany jedynie z kompresorami, ktore mają stale wysokie temperatury powietrza na wylocie
• Niestały punkt rosy zależny od zmiennych parametrów
• Zależy od zmian temperatury zewnętrznej oraz temperatury wlotowej sprężonego powietrza
• Wymagany grzejnik wspomagający przy małej ilości ciepła
• Wysokie spadki ciśnienia w przypadku modelu z jednym zbiornikiem

Osuszacze ze środkami rozpływającymi się

Osuszacz jednokolumnowy zawierający substancje adsorpcyjne typu rozpływającego się nie ma ruchomych części i nie wymaga zasilania elektrycznego. Prostota konstrukcji sprawia, że koszty jego instalacji są niskie. Przy zastosowaniu tego typu osuszacza można osiągnąć obniżenie punktu rosy o ok. 11°C, a niektórzy twierdzą, że udało im się osiągnąć nawet obniżenie rzędu 28°C. Środek suszący zużywa się tylko wtedy, kiedy wilgotne powietrze przechodzi przez osuszacz.

Korzyści

• Niskie początkowe koszty kapitałowe i instalacyjne
• Mały spadek ciśnienia
• Brak ruchomych części
• Nie wymaga zasilania elektrycznego
• Można go instalować na zewnątrz, pod warunkiem że automatyczne spuszczanie wody jest zabezpieczone przed zamarzaniem
• Może być stosowany w niebezpiecznych, brudnych czy korozyjnych środowiskach

Wady

• Ograniczone obniżenie punktu rosy
• Konieczność okresowego uzupełniania i wymieniania złoża adsorbentu
• Konieczność wykonywania regularnego okresowego nadzoru
• Materiał środka suszącego może się przedostać do rurociągu wychodzącego i dokonać zniszczeń (jeśli nie jest właściwie filtrowany)
• Niektóre materiały suszące topią się powyżej 26°C
• Olej ze strumienia powietrza może osadzić się na środku suszącym, niszcząc go
• Względnie wysokie koszty utrzymania

Osuszacze membranowe

Specjalnie zaprojektowane membrany umożliwiają szybsze przejście przez pory membrany pary wodnej niż powietrza, które działa jako przedmuchujące. Proces ten redukuje ilość pary wodnej w strumieniu powietrza i obniża punkt rosy o ok. 20°C. Przy zastosowaniu dodatkowej ilości przedmuchiwanego powietrza można uzyskać punkty rosy na poziomie – 40°C.

Zalety

• Niski koszt instalacyjny
• Niski koszt utrzymania
• Może być instalowany na zewnątrz
• Może być stosowany w niebezpiecznych miejscach
• Nie ma ruchomych części
• Nie wymaga zasilania prądem

Wady

• Ograniczona wydajność
• Wysokie zużycie powietrza do przedmuchiwania i wysoki koszt energii
• Olej czy inne zanieczyszczenia mogą uszkodzić membranę

Wybór

System suszący powinien być wybierany przez profesjonalistę, znającego się na technikach osuszania. Wiedza czy informacje dotyczące aplikacji oraz stopnia wymaganej suchości to czynniki niezbędne do podjęcia tej decyzji. 

Określanie punktu rosy znacznie poniżej wymaganego poziomu może zwiększyć koszty początkowe oraz koszty operacyjne i generalnie nie jest zalecane. Określanie punktu rosy na granicy wymagań układu (aplikacji) może okazać się nawet bardziej kosztowne, ponieważ może wyłączyć proces lub uszkodzić produkt.

W systemach pneumatycznych zakładów oraz oprzyrządowania najważniejsze jest wyeliminowanie z powietrza zjawiska kondensacji oraz zamarzania. Takie podejście pozwoli ocenić, jaki punkt rosy będzie bezpieczny dla systemu sprężonego powietrza. Aby wybrać dobry i właściwy system osuszania powietrza, konieczne jest posiadanie następujących informacji:

• Maksymalny średni przepływ powietrza
• Ciśnienie powietrza wlotowego
• Temperatura powietrza wlotowego
• Temperatura powietrza otaczającego (oraz temperatura wody, jeśli kondensator jest chłodzony wodą)
• Wymagany ciśnieniowy punkt rosy
• Wymagane media

Instalacja

Osuszacze powinny mieć zawsze zainstalowane na wejściu i na wyjściu filtry. Położenie i typ filtru zależą od rodzaju osuszacza (patrz rysunek powyżej). Filtry koalescencyjne zazwyczaj są umieszczane na wejściu każdego rodzaju osuszacza. Niektórzy producenci zalecają stosowanie filtrów cząstek stałych na wejściu osuszaczy chłodniczych. Filtry instalowane na wyjściu to zazwyczaj filtry koalescencyjne. W przypadku osuszaczy regenerowalnych może okazać się potrzebne zainstalowanie jednomikronowego filtra na wyjściu.

Zawory obejściowe powinny być instalowane w pobliżu osuszaczy i filtrów, co umożliwia ich obsługę lub wymianę bez wyłączania układu powietrza.

Wskaźniki różnicy ciśnień należy instalować na każdym filtrze w celu uzyskania informacji, kiedy zachodzi potrzeba jego wymiany. Nie należy omijać żadnego elementu systemów odpowietrzania. Niektóre systemy pneumatyczne obsługujące oprzyrządowanie wymagają podwójnych zespołów uzdatniania powietrza do zapewnienia obsługi systemu bez wyłączania go.

Wartości znamionowe

Standardowe warunki dla wartości znamionowych kondensacyjnych osuszaczy sprężonego powietrza podane są w CAGI – ADF 100, Metody testowania oraz ustalania wartości znamionowych kondensacyjnych osuszaczy sprężonego powietrza (Refrigerated Compressed Air Dryers-Methods for Testing and Rating). Warunki te określa się często mianem trzech setek (100). Ciśnienie na wlocie do osuszacza – 6,8 bara (100 psig), temperatura na wlocie – 37,7°C (100°F) oraz temperatura otoczenia 37,7°C (100°F). Jeśli system sprężonego powietrza zakładu charakteryzuje się różnymi warunkami roboczymi, wpłynie to na wartości znamionowe osuszacza. W celu zapewnienia właściwej wydajności urządzenia problem ten należy omówić z dostawcą.

W Polsce dla osuszaczy sprężonego powietrza obowiązują dwie normy:

• PN-ISO 7183-2:1998 Osuszacze sprężonego powietrza. Eksploatacyjne dane znamionowe
• PN-98/M-43200 Osuszacze sprężonego powietrza. Wymagania i badania oraz norma na ocenę suchości powietrza:
• PN-ISO 8573-3:2001 Sprężone powietrze ogólnego stosowania. Metody badań stosowane do pomiaru wilgotności powietrza.

Autor: Joseph L. Foszcz, Plant Engineering