Zarządzanie jakością sprężonego powietrza

Trzymanie odpowiedniego poziomu jakości powietrza jest niezbędne do ograniczenia kosztów energii potrzebnej do zapewnienia niezawodnego procesu produkcyjnego. Zła jakość sprężonego powietrza może mieć negatywny wpływ na urządzenia produkcyjne i przez to zwiększać zużycie energii oraz potrzeby serwisowe. Jakość wytwarzanego powietrza należy dostosować do wymogów urządzeń końcowych.

Poziom jakości powietrza zależy od poziomu zanieczyszczeń cząstek stałych, a także od wilgotności i zaolejenia. Zanim podejmiemy decyzję o uzdatnianiu, powinniśmy określić wymagania dla każdego urządzenia końcowego. Sprężone powietrze powinno być uzdatnione do poziomu najbardziej wymagającego odbiornika w systemie. Nie należy jednak tych wymagań przekraczać, gdyż wyższa jakość sprężonego powietrza wygeneruje wyższe koszty produkcji (pod względem początkowych inwestycji kapitałowych w sprzęt, zużycie energii i utrzymanie ruchu). Po określeniu wymagań jakościowych, następnym krokiem powinno być skonfigurowanie układu i dobór urządzeń do uzdatniania takich jak: separatory, filtry, osuszacze i dreny kondensatu.

Jedną ze strategii poprawy jakości sprężonego powietrza jest zgrupowanie blisko siebie odbiorników posiadających podobne wymagania dotyczące jakości powietrza i zainstalowanie w ich bliskiej odległości urządzeń do uzdatniania, tak by ograniczyć długość instalacji. W niektórych sytuacjach grupowanie urządzeń o podobnych wymaganiach jakościowych nie jest praktyczne, np. gdy większość urządzeń potrzebuje powietrza o najwyższej klasie. Wtedy należy rozważyć zasilenie całej instalacji tym samym wysokojakościowym powietrzem. Grupowanie odbiorników o tym samym ciśnieniu zasilania i jakości sprężonego powietrza może wymusić, że sprężarki i urządzenia do uzdatniania sprężonego powietrza będą musiały być ulokowane blisko odbiorników. To może być uciążliwe dla obsługi lub sprzeczne z koncepcją zasilania zakładu w sprężone powietrze z centralnej sprężarkowni. W takim przypadku należy sklasyfikować grupy odbiorników o podobnych wymaganiach jakościowych i zdublować instalacje sprężonego powietrza (niższa i wyższa jakość sprężonego powietrza). Wprawdzie początkowe nakłady inwestycyjne będą wyższe, ale w długim okresie eksploatacji instalacji powietrza, koszty produkcji i uzdatniania będą niższe.

Filtracja

Wymaganą jakość sprężonego powietrza można uzyskać poprzez odpowiednią filtrację. Należy jednak pamiętać, że w miarę zwiększania zanieczyszczenia filtrów, ciśnienie spada. Gdy spadek ten przekroczy dopuszczalną graniczną wartość filtry należy wymienić. Filtry dobiera się do maksymalnego przewidywanego ciśnienia, a ich wielkość powinna być dostosowana do maksymalnego przewidywanego przepływu przy przewidywalnym minimalnym ciśnieniu roboczym.

Filtry spężonego powietrza posiadają różne funkcje i powinny być dobierane w zależności od zastosowania:

  • Pyłowe – do usuwania ze sprężonego powietrza cząstek stałych,
  • Koalescencyjne – do usuwania wody, aerozoli oleju, oraz cząsteczek stałych,
  • Węglowe – do usuwania par oleju i zapachów,
  • Sterylne – do usuwania ze sprężonego powietrza mikroorganizmów i cząsteczek stałych.

Osuszanie sprężonego powietrza

W celu usunięcia wilgoci gorące sprężone powietrzemoże być przesłane do chłodnicy końcowej lub wymiennika ciepła, gdzie powietrze lub ciecz odbierają część jego ciepła. Uzyskany kondensat jest usuwany za pomocą separatora cyklonowego.

Należy wziąć pod uwagę, że chłodnice posiadają ograniczoną zdolność usuwania wilgoci uzależnioną od temperatury czynnika chłodzącego (powietrza lub cieczy).Dlatego do efektywnego usunięcia wilgoci ze sprężonego powietrza stosuje się osuszacze. W zależności od potrzeb i aplikacji osuszacze można podzielić na następujące rodzaje:

  • Osuszacze membranowe – najważniejszym elementem tego urządzenia jest membrana wykonana z włókna polimerowego, przez którą przenikają cząstki wilgoci. Ciśnieniowy punkt rosy jest w nich o 20oC niższy niż punkt rosy powietrza wlotowego, ale występują też konstrukcje pozwalające obniżyć go do -40oC (w zależności od wydatku przepływu, ciśnienia i ustawienia powietrza regenerującego). Najczęściej stosuje się je przy konieczności zintegrowania osuszacza ze sprężarką. Osuszacze te mają małe rozmiary, pracują przy różnych wartościach temperatury wlotowej i otoczenia i nie wymagają zasilania energią elektryczną.
  • Osuszacze chłodnicze (kondensacyjne, ziębnicze) – ich zasada działania podobna jest do zasady działania chłodziarki. Osiągalny ciśnieniowy punkt rosy wynosi +3oC. W osuszaczu występują wymienniki ciepła typu powietrze/powietrze i powietrze/układ ziębniczy, dzięki którym sprężone powietrze osiąga temperaturę +3oC. Wilgoć i pary oleju kondensują i są usuwane z systemu spustem kondensatu, a osuszone sprężone powietrze jest przesyłane dalej do systemu.
  • Osuszacze adsorpcyjne – ich główną częścią są dwie kolumny z adsorbentem, przez które naprzemiennie przepływa powietrze. Na adsorbencie, którym jest zazwyczaj żel aluminiowy wytrąca się wilgoć. Następnie po cyklu trwającym ok 5 minut, adsorbent poddaje się regeneracji poprzez osuszanie, wcześniej już osuszonym powietrzem. Pracą osuszacza steruje układ, który rozdziela powietrze na obie kolumny i dba o stałość parametrów pracy. Ze względu na konieczność regeneracji kolumn, część osuszonego powietrza jest tracona. Osuszacze adsorpcyjne zapewniają ciśnieniowy punkt rosy na poziomie -25 °C do -70 °C.

Separacja kondensatu

Separator cyklonowy przeznaczony jest do usuwania cząstek stałych i cząstek cieczy oraz aerozoli ze sprężonego powietrza i gazów. Zapewnia wysoki poziom separacji w dużym zakresie przepływów przy małych stratach ciśnienia, m.in. dzięki wirowemu wkładowi, na którym powietrze nabiera ruchu obrotowego wewnątrz obudowy separatora. Siła odśrodkowa większe i cięższe cząstki wyrzuca na wewnętrzne ścianki obudowy, a na skutek tarcia tracą one prędkość i opadają na dno obudowy.  Stąd są usuwane spustem kondensatu, a oczyszczone sprężone powietrze przekazywane jest dalej do systemu.

Usuwanie kondensatu

Kondensat, który wytrąci się w urządzeniach uzdatniania sprężonego powietrza (filtry, osuszacze, separatory) musi być usunięty z instalacji sprężonego ciśnienia. Do realizacji tej funkcji wykorzystywane są spusty kondensatu:

  • Mechaniczne/manualne – zawory ręcznie otwierane, które w efekcie wygenerują również stratę sprężonego powietrza pod koniec procesu usuwania kondensatu.
  • Pływakowe – usuwają kondensat po osiągnięciu  jego wysokiego stanu w komorze pływakowej, ale w przypadku zawieszenia się pływaka w zależności od jego położenia będą generować ciągłe straty sprężonego powietrza lub nie spełnią swojej funkcji.
  • Elektryczne czasowe – z zaworami sterującymi czasem otwarcia i częstotliwością otwarcia spustu. Zmieniające się warunki pogodowe i w efekcie zmienna wilgotność powietrza sprawia, że również w tym przypadku może dojść do strat sprężonego powietrza. Dodatkowo spusty te wymagają okresowych regulacji.
  • Elektroniczne, bezstratne – działanie kontrolowane jest czujnikiem pojemnościowym kondensatu i pozwala na usunięcie kondensatu bez strat sprężonego powietrza. Nie wymagają również żadnej okresowej regulacji.  

W wyniku procesu uzdatniania powstaje odpad czyli kondensat, który jest mieszaniną wody, pyłów i olejów. Zgodnie z obowiązującymi przepisami kondensat zawierający powyżej 15 mg/l oleju nie może być odprowadzony do sieci kanalizacyjnej i musi być poddany dalszemu procesowi obróbki.