Осушители сжатого воздуха

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Одной из важнейших характеристик сжатого воздуха, используемого в промышленности, пищевой индустрии, медицине и других отраслях, является влажность. Самое общее определение таково: влажность - это мера, характеризующая содержание водяных паров в воздухе (или другом газе). Данное определение, разумеется, не претендует на "наукоемкость", зато дает физическое понятие влажности. 

На практике используются специальные параметры, характеризующие влажность воздуха: относительная влажность, точка росы, абсолютная влажность.

Абсолютная влажность - это величина, показывающая, какое количество паров воды содержится в заданном объеме воздуха. Это самое общее понятие, оно выражается в г/м3.
При очень низкой влажности газа используется такой параметр как влагосодержани, единица измерения которого ppm (parts per million частей на миллион). Это абсолютная величина, которая характеризует число молекул воды на миллион молекул всей смеси. Ppm - более универсальная величина, она не зависит ни от температуры, ни от давления. Это и понятно количество молекул воды не может увеличиваться или уменьшаться при изменениях давления и температуры.

Относительная влажность - это понятие, используемое, как правило, в метеорологии. Оно
определяется как отношение действительной влажности воздуха к его максимально возможной влажности. Другими словами, относительная влажность показывает, сколько еще влаги не хватает, чтобы при данных условиях окружающей среды началась конденсация. Данная величина характеризует степень насыщения воздуха водяным паром. Однако, относительная влажность неудобна для работы, так как она привязана к давлению, и к температуре газа. Более часто используется величина, называемая температурой точки росы.

Точка росы - это температура, при которой начинается процесс конденсации влаги. Практическое значение точки росы заключается в том, что оно показывает, какое максимальное количество влаги может содержаться в воздухе при указанной температуре. Действительно, фактическое количесгво воды, которое может удерживаться в постоянном объеме воздуха, зависит только от температуры. Понятие точки росы является наиболее удобным техническим параметром. Зная значение точки росы, мы можем утверждать, что количество влаги в заданном объеме воздуха не превысит определенного значения. Так, например, для точки росы +5°С количество влаги будет меньше или равно 6,86 г/ м3.

В представленной ниже табл.1 показано максимальное количество воды, содержащейся в
воздухе (в граммах на кубический метр) в широком диапазоне температур от -40 °С до +40 °С.

Температура возд.гр.С -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5   5 10 15 20 25 30 35   гр/м (атмосферный воздух) 0,29 0,45 07 1,08 1,61 2,37 3,42 4,98 6,86 9,51 13.04 17.09 23.76 31,64 41,83

Приведенная таблица дает точные значения для всего температурного диапазона, в котором
работает промышленная пневмоавтоматика. Первая половина таблицы относится к температурам ниже нуля, вторая половина - к температурам выше нуля.


Часто возникает вопрос, о какой точке росы идет речь, если она выражается отрицательной
температурой, ведь вода замерзает при температуре 0°С. Дело в том, что при отрицательных
температурах замеряют не точку образования конденсата, а точку образования инея.
Рассмотрим на примерах, как можно применить основные законы состояния газа и данные, приведенные в табл. 1, для оценки содержания влаги на выходе компрессора.

Пример 1.

Температура +25 °С, относительная влажность 65%. Сколько влаги содержится в 1 м3?
Относительная влажность может быть выражена формулой:

Относительная влажность = (А / В) х 100%,

где А - фактическое содержание воды;
В - содержание воды в состоянии насыщения (точка росы)

Воспользовавшись данными таблицы 1 или рис. 1 и вышеприведенной формулой, определяем фактическое содержание воды в состоянии насыщения при +25°С, что соответствует 24 г/м3. Тогда искомое количество воды равно 24 г/м3 х 0,65 = 15,6 г/м3. При сжатии воздуха его способность удерживать влагу в виде пара зависит от степени уменьшения объема. Следовательно, если температура остается постоянной или существенно не возрастет, вода начнет конденсироваться.

На примере 2 рассмотрим, сколько останется влаги при сжатии воздуха в компрессоре и сколько ее выпадет в осадок в виде конденсата.

Пример 2.

10 м3 атмосферного воздуха при +15 °С и 65% относительной влажности сжимается до
избыточного давления 6 бар (7 бар абсолютного).

Сколько воды сконденсируется?

Из таблицы 1 находим, что при температуре +15 °С в воздухе может содержаться максимум
13,04 г/м3, а в 10 м3 _ 13,04 г/м3 х10 м3 = 130,4 г. При относительной влажности 65% воздух
будет содержать130,4г х 0,65 = 84,8 г влаги. Уменьшенный объем сжатого воздуха при давлении 6 бар можно подсчитать, исходя из закона Бойля -Мариотта (температура воздуха существенно не изменяется):

P1 x V1 = P2 x V2

V2 = (P1 x V1) / P2

где Р1 - атмосферное давление равное 1,013 бар;
V2 = ( 1,013бар х 10 м3 )/ (6+1,013)бар = 1,44 м3

Далее определяем, что 1,44 м3 воздуха при +15°С может удерживать максимум 
13,04 г х 1,44 = 18,8 г влаги. 

Количество конденсата равняется общему количеству воды, содержащемуся в атмосферном воздухе, минус количество воды, которое может вобрать в себя сжатый воздух, а именно: 
84,8 г - 18,8 г = 66 г.

Таким образом, после сжатия 66 грамм воды выпадет в виде конденсата. Во избежание вредного воздействия, которое может оказать конденсат на состояние магистрали и работу пневматических элементов, его необходимо удалить, прежде чем сжатый воздух будет направлен к потребителю.

Рассмотрим, в чем же проявляются отрицательные факторы присутствия влаги в пневмосети:

- конденсат расширяет смазочное масло в используемых пневматических машинах, приводя к их быстрому износу, и увеличивает стоимость технического обслуживания;
- водные смеси эмульгируются с маслом, забивают протоки в пневматических инструментах, вызывая поломки; 
- конденсат коррозирует линии подачи воздуха, образуя оксидные обломки или пыль, которые загрязняют пневматические устройства и приводят к их поломкам;
- при понижении температуры конденсат может замерзнуть в трубопроводах и вызвать разрывы;
- влага вызывает коррозию изделий, подвергнутых пескоструйной обработке с применением влажного воздуха;
- при покраске конденсат образует в краске неэстетичные кратеры, которые к тому же способствуют коррозии;
- в пневматическом транспорте порошкообразных материалов влажность вызывает блокировку или изменяет транспортируемый продукт;
- повышенная влажность приводит к преждевременной потере работоспособности элементов электропневматических систем управления (датчиков расхода воздуха, давления, температуры и т.п.);
- конденсат вреден в фармацевтической и пищевой промышленности;
- конденсат недопустим в воздухе, используемом для охлаждения литейных форм и пресс-форм для литья под давлением;
- в электронной промышленности может применяться только сухой воздух.

Для избежания нежелательных воздействий следует установить, до какой точки росы необходимо довести влажный воздух. При планировании подготовки сжатого воздуха для конкретного применения можно пользоваться соответствующими стандартами.

Международный стандарт DIN ISO 8573-1 (Таблица 2) устанавливает 6 классов чистоты воздуха и соответствующее каждому классу предельно допустимое содержание различных
видов примесей и содержание влаги. 


Таблица 2. Примеси и классы частоты воздуха в соответствии с DIN ISO 8573-1 

Класс чистоты № Максимальное содержание мсла мгр/м Максимальный размер част.мгм. Макимальное содержание тв.включений мгр/м Максимальна температура точки росы гр.С 1 0,01 0,1 0,1 -70 2 0,1 1 1 -40 3 1 5 5 -20 4 5 15 8 3 5 25 40 10 7

Для отечественного оборудования существует аналогичный российский ГОСТ 17433-80. При выборе необходимого оборудования следует руководствоваться либо заданными предельно допустимыми значениями содержания примесей и влажности.


2.УСТРОЙСТВА и МЕТОДЫ ОСУШКИ

Как мы уже рассмотрели в части 1, сжатие воздуха в компрессоре приводит к образованию конденсата, поэтому необходимо использовать дополнительный сепаратор для отделения влаги. Однако этого тоже недостаточно, поскольку сжатый воздух, расширяясь в оборудовании, охлаждается независимо от условий среды, что сопровождается дополнительным выделением конденсата (см. пример 1). Поэтому и встает вопрос об использовании специальных осушителей, обеспечивающих необходимую точку росы. Например, если осушитель имеет точку росы +3 °С, то дополнительное охлаждение сжатого воздуха до температуры не ниже + 3 °С не приведет к образованию конденсата. 

Существуют различные методы осушки воздуха.


Осушка охлаждением.

Это наиболее широко применяемый в промышленности и наиболее экономичный тип осушителя. Стоимость такого осушителя в диапазоне производительностей от 3 до 20 м3/мин составляет примерно 15-20% от стоимости компрессорного оборудования. Сжатый воздух охлаждается хладагентом, а выпавший конденсат отводится. 

Воздух обычно охлаждается противоположным потоком хладагента в два этапа: предварительный - воздух - воздух; главный - воздух - хладагент. При этом достигается точка росы + 3°С.


Дополнительное сжатие.

Другой метод осушки заключается в дополнительном сжатии воздуха. В этом случае воздух сжимается до гораздо большего давления, чем необходимо для работы. Как мы видели на примере 2, в этом случае образуется конденсат, который отводится через специальный клапан.
Затем воздух расширяется до рабочего давления. С помощью данной методики возможно достичь точки росы -60°С. Однако этот процесс очень дорогой. Если окружающая температура
или область применения требует низких значений точки росы от 0° до -70°С, следует применять сорбционные или мембранные осушители. В этом случае стоимость осушки в общем процессе подготовки воздуха достигает 50%.

Абсорбционный осушитель.

В абсорбционном осушителе пары воды химически поглощаются агентом, который в процессе осушки растворяется. Агентом является соль на основе NaCl. Упрощенная структура такого осушителя показана на рис. 4.

В ходе процесса происходит расход агента: 1 кг соли поглощает примерно 13 кг водяного
конденсата. Это означает, что соль нужно регулярно пополнять. Самой низкой точкой росы,
которую можно достичь таким способом, является -15°С. Используются и другие осушительные агенты, в том числе: глицерин, серную кислоту, обезвоженный мел, суперкислую соль магния. Оперативные расходы довольно высокие, из-за чего этот метод на практике применяется очень редко.
В адсорбционном осушителе молекулы газа или пара притягиваются молекулярными силами адсорбента. Осушительным агентом является специальный гель (например, селикогель), который адсорбирует влагу. После каждого рабочего цикла требуется восстановление свойств агента, для этого используются два контейнера - один для осушки, другой для регенерации. Восстановление может быть холодным или горячим. Осушители с холодным восстановлением стоят дешевле, но более дороги в эксплуатации.Осушитель с горячим восстановлением работает в обменном режиме. В зависимости от используемого геля можно достичь точки росы -70°С. Существуют адсорбционные осушители, которые в качестве осушительного агента используют молекулярные решетки кристаллизованные алюмосиликаты или цеолиты сферической или гранулированной формы). Как и все адсорберы, они имеют внутренние капилляры с большой площадью поверхности. Такие
молекулярные решетки со связанными молекулами воды также нужно восстанавливать.

Мембранные осушители.

Мембранный осушитель состоит из пучка полых волокон, которые открыты для водяных
паров. Осушаемый воздух обтекает эти волокна. Осушка происходит за счет разницы давления между влажным воздухом внутри волокон и сухого воздуха, протекающего в обратном направлении (рис. 6). 

Для управления обратной продувкой не потребляется электрическая энергия, что позволяет использовать такие осушители во взрывоопасных средах.

Одно из главных отличий от других осушителей заключается в следующем: мембранный
осушитель в определенной пропорции уменьшает влажность воздуха, тогда как рефрижераторный и адсорбционные осушители понижают точку росы. Недостатком мембранных осушителей является их низкая пропускная способность, и, как следствие, высокая стоимость.

Мы кратко рассмотрели различные типы осушителей. 
Как правило, фирмы-изготовители пневмоавтоматики и компрессорного оборудования gоставляют комплексные системы подготовки воздуха для различных областей применения. Готовые решения предлагают такие фирмы как FESTO, SMC, FIAC и др.
На практике наибольшее распространение получили осушители рефрижераторного типа. Они экономичны, а "точка росы" + 3°С, как правило, достаточна для большинства применений.

На примере фирмы FIAC" более подробно рассмотрим устройство осушителя рефрижераторного типа см.рис. 

1. Холодильный компрессор
2. Конденсатор
3. Осушительный фильтр
4. Капиллярная трубка
5. Испаритель
6. Жидкостной сепаратор
7. Электроклапан by-pass
8. Устройство by-pass
9. Теплообменник воздух_ воздух
10. Отделитель конденсата
11. Клапан слива конденсата
12. Механический фильтр конденсата
13. Электроклапан слива конденсата
14. Вентилятор конденсатора
15. Панель управления
16. Датчик точки росы
17. Датчик конденсатора
Осушитель состоит из двух отдельных контуров: воздуха и хладагента. Влажный и горячий сжатый воздух поступает на вход осушителя и проходит через два теплообменника: воздух-воздух (9) и воздух-хладагент (5). Теплообменник воздух-воздух передает тепло входящего воздуха выходящему. Таким образом, входящий воздух частично охлаждается, поэтому охладительная система может работать с меньшей мощностью, сберегая до 40-50 % энергии. В теплообменнике воздух - хладагент фреон (или его заменитель) забирает тепло сжатого воздуха, находящегося в другом контуре теплообменника. Холодный воздух на выходе испарителя направляется внутрь отделителя конденсата центробежного типа (10). Благодаря центробежной силе, частицы конденсата оседают на боковой поверхности, откуда стекают на дно, собираясь в резервуаре, который регулярно опорожняется с помощью клапана слива конденсата (11).Система управления (15) обеспечивает необходимую точку росы. Следует иметь в виду, что при температуре ниже 0°С испаритель замерзает, а это ведет к закупорке воздуха и, в крайних случаях, разрыву самого испарителя. Измерительный прибор определяет точку росы с помощью датчика, установленного в выводной части испарителя (16). По мере изменения температуры электроклапан by_pass термостата (7) регулирует установленные параметры горячего газа. Он
включает электроклапан, когда температура опускается до +2°С и выключает, когда температура вновь поднимается свыше +4°С.

В качестве примера в таблице 4 приводим характеристики осушителей модели DRY компании FIAC.Табл 4. Технические характеристики осушителей серии DRY 31-75 

• Точка росы указана при температуре окружающей среды +25°С и параметрах входящего воздуха: температура +35°С, давление 7 Бар.

Указанные характеристики компрессора, включая точку росы, приведены для нормальных условий. Как правило, реальные условия работы компрессорной станции отличаются от нормальных, поэтому для правильного подбора осушителя необходимо учитывать поправочные коэффициенты, которые приведены в табл. 5-8.

Табл 5. Поправочный коэффициент в зависимости от рабочего давления 

давл.бар 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Коэф 0,54 0,67 0,77 0,85 0,93 1,00 1,06 1,11 1,15

Табл 6. Поправочный коэффициент в зависимости от температуры окружающей среды 

Температура окр.среды град.С 25 30 35 40 Коэф 1,00 0,95 0,88 0,78

Табл 7. Поправочный коэффициент в зависимости от температуры воздуха на входе 

Температура окр.среды град.С 25 30 35 40 Коэф 1,4 1,2 1,0 0,82

Табл 8. Поправочный коэффициент в зависимости от точки росы

Темп.точки росы гр.С 3 4 5 6 7 8 9 Коэф 1,00 1,02 1,05 1,07 1,1 1,12 1,15

Рассмотрим пример.

Пример 3.

Необходимо подобрать осушитель воздуха для следующих условий:

- Производительность компрессора 3.000 литров в минуту;
- Рабочее давление на входе 9 бар;
- Температура окружающей среды + 30°С;
- Температура воздуха на выходе компрессора + 45°С;
- Точка росы + 3°С.

Поправочные коэффициенты для указанных условий будут соответственно равны:

1,11; 0,95; 0.67; 1.

Необходимая пропускная способность осушителя воздуха с учетом поправочных коэффициентов для заданной точки росы будет равна (производительность компрессора делится на все поправочные коэффициенты поочередно): 

3.000/1.11/0,95/0.67/1=4.246.

Ближайшее значение искомой производительности соответствует модели DRY 43 c производительностью 4300 л/мин. Таким образом, пропускная способность осушителя не всегда соответствует производительности компрессора, это надо обязательно учитывать при выборе элементов системы подготовки воздуха. Действительно, для нормальных условий подошла бы модель DRY 31 с пропускной способностью 3.100 литров в минуту. Как правило, потребитель, а нередко и продавец, именно так и подбирают осушитель, который в этом случае неспособен обеспечить необходимую точку росы. При высоких температурах входного воздуха рекомендуется дополнительно ставить предварительный охладитель, что позволяет использовать модель осушителя с более низкой пропускной способностью.

Конечно, объем журнальной статьи не позволяет исчерпывающе рассмотреть все вопросы, связанные с осушителями воздуха. Тем не менее, надеемся, что нам удалось предоставить
необходимые сведения для правильного понимания устройства и выбора осушителя воздуха.
Это очень важная, а подчас и просто необходимая составная часть компрессорной станции. В
наших следующих публикациях мы более подробно остановимся на других элементах систем
подготовки воздуха. 

В статье использовались материалы, предоставленные компаниями FIAC, АДЛ, FESTO, SMC.