Dlaczego suche powietrze pełni kluczową rolę?
W celu uzyskania suchego sprężonego powietrza wykorzystujemy kilka rodzajów urządzeń o różnej skuteczności. Najskuteczniejszymi wśród nich, dającymi niską zawartość wilgoci w powietrzu, są osuszacze. W zależności od zasady działania, oczekiwanych wyników, kosztów eksploatacji osuszacze przemysłowe możemy podzielić na:
- osuszacz powietrza membranowy,
- osuszacz powietrza ziębniczy, zwany też osuszaczem chłodniczym,
- osuszacz powietrza adsorpcyjny.
Zasada działania i doboru osuszaczy przemysłowych to temat na oddzielny artykuł, ale wprowadzeniem do niego musi być artykuł omawiający fizyczne właściwości powietrza i zawartej w nim pary wodnej.
Otaczające nas powietrze to mieszanina gazów, aerozoli i pary wodnej. Część składników, takie jak np. azot, tlen, argon, posiadaja niezmienny udział procentowy w składzie powietrza. Wprawdzie na przestrzeni epok geologicznych ich udziały zmieniały się, ale współcześnie można przyjąć, że ich udział procentowy w powietrzu jest stały.
Są również składniki, których udział procentowy jest zmienny i uzależniony od czynników zewnętrznych. Przykładem może być dwutlenek węgla, którego udział jest zależny od pory roku i zalesienia otaczającego terenu albo, tak samo jak w przypadku dwutlenku siarki, od stopnia industrializacji terenu i występowania zanieczyszczeń przemysłowych.
Innym zmiennym składnikiem powietrza jest para wodna. Jej zawartość w powietrzu zmienia się w zależności od wysokości, temperatury, ciśnienia, nasłonecznienia lub zacienienia podłoża, obecności zbiorników wodnych itd.
Ilość pary wodnej w powietrzu jest określana przez wilgotność bezwzględną, mówiącą o ilości pary wodnej w gramach w 1m3 powietrza lub wilgotność względną wyrażaną w procentach i mówiącą o stosunku ilości pary wodnej w 1m3 do ilości nasyconej pary wodnej przy określonym ciśnieniu i temperaturze.
Im niższa temperatura tym mniejsza ilość pary wodnej może być zawarta w powietrzu. To powód, dla którego zimą powietrze jest suche, a latem jest bardziej wilgotne od powietrza zimowego.
W 1m3 powietrza o ciśnieniu atmosferycznym 1 bar, maksymalna zawartość pary wodnej w temperaturze 25oC i wilgotności względnej wynoszącej 100%, to 23,1 g. Temperatura, w której w sprężonym powietrzu występuje maksymalna zawartość pary wodnej, nazywana jest punktem rosy. W warunkach ciśnienia atmosferycznego, mówimy o atmosferycznym punkcie rosy, natomiast termin „ciśnieniowy punkt rosy” odnosi się do punktu rosy, w sytuacji gdy powietrze jest sprężone do ciśnienia wyższego niż atmosferyczne.
Jeżeli otaczające nas powietrze w tej samej temperaturze ma wilgotność względną 60%, to zawartość pary wodnej wynosi 13,8g.
Kiedy kompresor spręża powietrze, to jego ciśnienie i temperatura rośnie. Gdy zwiększymy ciśnienie z ciśnienia atmosferycznego 1 bar(g) do 7 bar(g), a temperatura sprężonego powietrza osiągnie 35oC, to wilgotność względna zwiększy się do 100%. Nasycone powietrze w tej temperaturze i tym ciśnieniu może zawierać jedynie 4,95g wody, a pozostała ilość wody (tj. 8,85g) ulegnie kondensacji. To tak jakbyśmy ścisnęli wilgotną gąbkę. Jej objętość zmniejszy się, część wody pozostanie w gąbce, a część wody wycieknie.
W sprężonym powietrzu oprócz pary wodnej (bo wilgotność względna wynosi 100%) i skondensowanej wody występują jeszcze inne zanieczyszczenia, takie jak resztki oleju z układu smarowania kompresora lub cząstki oleju i pyły z zasysanego powietrza.
Sprężone powietrze powinno być dalej poddane uzdatnianiu, aby osiągnąć pożądaną jakość. W celu pozbycia się nadmiaru wilgoci, sprężone powietrze poddawane jest osuszaniu.
Suche powietrze i jego rola
Jak widać z powyższego przykładu, woda i para wodna są nieodłącznymi produktami ubocznymi procesu sprężania powietrza. Mogą wpłynąć na dwie grupy wrażliwe na działanie wilgoci, tj. urządzenia, narzędzia i systemy sterowania, które do pracy wymagają sprężonego powietrza oraz produkty finalne mające styczność ze sprężonym powietrzem.
Wilgoć w sprężonym powietrzu zwiększa ryzyko korozji części wewnętrznych systemu. Korozja ta prowadzi do wadliwego funkcjonowania zaworów, zmniejszania przekrojów rur, zwiększonej awaryjności urządzeń. Drobiny rdzy rysują gładzie cylindrów i niszczą uszczelnienia połączeń suwliwych. Dodatkowo woda będzie degradować olej wykorzystywany do smarowania narzędzi, co doprowadzi do zwiększonych kosztów eksploatacyjnych.
Gdy wilgotne powietrze będzie miało styczność z produktem finalnym, ryzyko obniżenia jakości produktu jest zagwarantowane. Wynikiem będzie zła jakość powłoki lakierniczej i efekt „skórki pomarańczy” na polakierowanej powierzchni, albo produkty spożywcze o obniżonej trwałości, bo wilgoć ze sprężonego powietrza stosowanego w pakowaczkach ułatwi rozwój bakterii. Wilgotne powietrze zastosowane w przemyśle medycznym może być powodem złej jakości lekarstw, brakiem ich skuteczności i przyczyną dalszego rozwoju choroby.
Dlatego też sprężone powietrze powinno być suche, czyli pozbawione wilgoci do tego stopnia, jakiego wymaga konkretne zastosowanie.
Jak pozbawić wilgoci sprężone powietrze?
Usuwanie wilgoci ze sprężonego powietrza nazywane jest potocznie osuszaniem, choć nim powietrze dojdzie do osuszaczy to woda może być jeszcze wytrącona w trzech urządzeniach.
- Chłodnica końcowa – mocowana jak najbliżej stopnia sprężającego pozwala na wytrącenie wody poprzez schłodzenie gorącego powietrza.
Jej skuteczność jest uzależniona od temperatury medium chłodzącego tj. powietrza lub cieczy. - Separator cyklonowy – mocowany jak najbliżej sprężarki. Dzięki sile odśrodkowej zawirowanego powietrza, woda osadza się na ściankach separatora i spływa na jego dno, a powietrze, już w części odwodnione, przemieszcza się dalej.
- Zbiornik sprężonego powietrza – sprężone powietrze magazynowane w zbiorniku również ulega schłodzeniu. Podczas tego procesu kontynuowane jest wykraplanie wilgoci.
Dalsze osuszanie powietrza następuje w osuszaczach. Przemysłowe osuszacze można podzielić na trzy kategorie:
- Osuszacz membranowy – w którym sprężone powietrze przechodzi wzdłuż włókien polimerowych, a para wodna przenika je na zasadzie
dyfuzji i gromadzi się na ściankach osuszacza. Osuszone powietrze opuszcza osuszacz membranowy, ale jego część jest zawracana
i wykorzystana do usunięcia wilgoci poza osuszacz. Skuteczność osuszacza membranowego uzależniona jest od temperatury
i ciśnienia powietrza wlotowego oraz ilości powietrza regeneracyjnego. Ciśnieniowy punkt rosy utrzymywany jest w osuszaczu
membranowym na poziomie od 20oC poniżej temperatury otoczenia do -40oC w zależności od konstrukcji, producenta i ustawień regeneracji. - Osuszacz ziębniczy (kondensacyjny, chłodniczy) – w którym sprężone powietrze przechodzi przez wymiennik ciepła
(powietrze/powietrze lub powietrze/układ ziębniczy) i w trakcie przejścia następuje wykraplanie wilgoci. Ciśnieniowy punkt rosy
z reguły jest na poziomie +3oC, choć wynik końcowy uzależniony jest też od sprawności wymiennika ciepła, warunków otoczenia
i parametrów sprężonego powietrza. Osuszacz ziębniczy jest najbardziej powszechnym rozwiązaniem w przemyśle,
gdzie sprężone powietrze wykorzystywane jest do celów ogólnoprodukcyjnych. - Osuszacz adsorpcyjny – w którym sprężone powietrze przechodzi przez jedną z dwóch kolumn wypełnionych adsorbentem.
Na adsorbencie wytrącana jest wilgoć i po jego nasyceniu następuje przełączenie przepływu powietrza na drugą kolumnę.
W tym samym czasie część osuszonego powietrza jest zawracana na kolumnę z nasyconym adsorbentem w celu jego regeneracji,
czyli pozbawienia wilgoci. Oznacza to, że część powietrza tracona jest bezpowrotnie i należy uwzględnić ten fakt w doborze wielkości
sprężarki. Ciśnieniowy punkt rosy w przemysłowym osuszaczu adsorpcyjnym uzyskiwany jest na poziomie do -70°C.
Wszystkie te zabiegi osuszania sprężonego powietrza mogą być jednak częściowo zniwelowane, jeżeli nie zadbamy o proces usuwania kondensatu.
Efektem pracy urządzeń do uzdatniania sprężonego powietrza jest powietrze czystsze niż było przed przejściem przez to urządzenie i kondensat, który należy regularnie usuwać poza układ. Jeżeli nie zastosujemy procedury usuwania kondensatu, to oczyszczone sprężone powietrze będzie zanieczyszczało się usuniętym kondensatem i w dalszym ciągu nie osiągnie się odpowiedniej klasy jakości.
