Spadki ciśnienia w instalacji sprężonego powietrza

W dobie zrównoważonego rozwoju, zmniejszania śladu węglowego i rosnących kosztów energii elektrycznej, zakłady produkcyjne coraz chętniej szukają rozwiązań energooszczędnych dla poprawienia opłacalności produkcji. Istnieje wiele sposobów ograniczania kosztów produkcji sprężonego powietrza, takich jak:

• prawidłowy dobór sprężarki o odpowiedniej konstrukcji i wydajności,
• prawidłowy dobór sterownika do zarządzania pracą sprężarek,
• prawidłowy dobór rodzajów, ilości, wielkości urządzeń do uzdatniania sprężonego powietrza,
• prawidłowy dobór i przebieg instalacji sprężonego powietrza,
• uszczelnienie wszystkich wycieków sprężonego powietrza.

Część tych sposobów może być realizowanych w czasie normalnej eksploatacji systemu sprężonego powietrza, a część z nich wymagać będzie inwestycji w nowe urządzenia.

Decyzja o inwestycji w nowe urządzenia zależeć powinna od kalkulacji opłacalności.

Kiedy wiadomo, że dobór jest prawidłowy?

Podejmowane decyzje w sprawie doboru poszczególnych urządzeń skutkować będą określonym kosztem sprężonego powietrza. Do jego określenia potrzebne będzie opomiarowanie produkcji sprężonego powietrza przez sprężarkę i monitorowanie zużycia energii elektrycznej.

W efekcie będzie znany dokładny koszt 1m³ powietrza przy określonym ciśnieniu. Jeżeli takie pomiary były prowadzone wcześniej, to jest dostępna wartość referencyjna w stosunku, do której można podejmować działania.

Najszybszym działaniem zmierzającym do zmniejszenia kosztu produkcji sprężonego powietrza jest zmniejszenie ciśnienia w instalacji. Możliwe jest to dzięki świadomym czynnościom umożliwiającym dalszą płynną produkcję.

Szacuje się, że zmniejszenie ciśnienia w sieci o 1 bar daje oszczędność energetyczną na poziomie 7% kosztu energii elektrycznej niezbędnej na wyprodukowanie sprężonego powietrza.

Jednak samo zmniejszenie ciśnienia w nastawach sprężarki nie rozwiązuje problemu nadmiernego zużycia energii elektrycznej. Ciśnienie takie było ustawione już wcześniej i pewnie był określony powód tej wartości.

Powodem tej wartości ciśnienia były spadki ciśnienia w instalacji sprężonego powietrza.

Co to są spadki ciśnienia?

Spadek ciśnienia jest wartością charakteryzującą różnicę ciśnień pomiędzy punktem jego wytworzenia, a punktem jego wykorzystania. Sprężone powietrze produkowane jest w kompresorze i jest to jedyny punkt, w którym spadek ciśnienia nie występuje.  

Od sprawności kompresora i jego konstrukcji zależą parametry robocze, ale na przyłączu otrzymujemy wyprodukowane powietrze o określonym ciśnieniu. Od tego momentu rozpoczynają się spadki ciśnienia.

Do punktu wykorzystania sprężonego powietrza mamy instalację rurową oraz urządzenia do uzdatniania sprężonego powietrza i każde z nich generuje spadek ciśnienia. Nie można uniknąć spadku ciśnienia, można go tylko ograniczyć.

Przyjmuje się, że spadek ciśnienia jest akceptowany, jeżeli jego poziom mierzony pomiędzy sprężarką, a punktem wykorzystania powietrza, nie przekracza wartości 10% ciśnienia roboczego sprężarki, choć znane są też osiągi na poziomie 5%.

Gdzie występują spadki ciśnienia?

Przyjmując uproszczoną instalację sprężonego powietrza złożoną ze sprężarki, filtra liniowego (choć powinno być ich więcej), osuszacza chłodniczego oraz systemu dystrybucji powietrza mamy już zagwarantowany spadek ciśnienia.

Wartość spadku ciśnienia zależy od doboru i konstrukcji poszczególnych urządzeń, ich stanu, częstotliwości obsługi, a w przypadku rurociągu – od przebiegu instalacji i średnicy.

Spadek ciśnienia w filtrach liniowych

Powietrze przepływające przez filtr liniowy jest oczyszczane z zanieczyszczeń. Im więcej zanieczyszczeń i dłuższy okres eksploatacji filtrów tym większy spadek ciśnienia.

Przeglądając karty charakterystyk filtrów, producenci podają albo wartość spadku ciśnienia z nowym wkładem, albo całą charakterystykę filtracji.

W karcie charakterystyki filtra UltraPleat MF firmy Donaldson można zobaczyć poniższy wykres. Przedstawia on przebieg spadku ciśnienia na wkładzie filtra i obudowie przy ciśnieniu 8 bar absolutne i porównanie spadku suchego wkładu filtracyjnego i nasączonego. Charakterystyka uwzględnia nominalny przepływ sprężonego powietrza.

Jak widać, przy 100% nominalnego przepływu spadek ciśnienia na suchym filtrze wynosi ok. 35-40 mbar, ale po jego nasyceniu wzrasta do 150 mbar.

Niedawno firma Beko Technologies wprowadziła na rynek filtr Clearpoint 3eco. W karcie jego charakterystyki można zobaczyć poniższy wykres.

W tym przypadku spadek ciśnienia został ograniczony o połowę w porównaniu do wcześniejszej konstrukcji, ale i tak filtr po nasyceniu charakteryzuje się wzrostem spadku ciśnień o ok. 35-40 mbar.

W modelu Clearpoint3E spadek ciśnienia wzrastał z 65 do 200 mbar.  

Te dane są zbliżone dla różnych dokładności filtracji i należy mieć świadomość trzech aspektów:

• projektując instalację warto sprawdzić w kartach charakterystyk, jakie spadki ciśnień wytwarza dany filtr w stanie suchym i po jego nasyceniu,
• należy stworzyć system określający moment wymiany filtrów; sam czas eksploatacji nie jest najlepszym rozwiązaniem, manometr różnicowy czasami potrafi zafałszować wyniki, a dedykowany przetwornik ciśnieniowy na wyjściu ze sprężarkowni dokładnie wskaże sumę wszystkich spadków ciśnień urządzeń uzdatniania sprężonego powietrza,
• zanieczyszczony filtr nie tylko zwiększa koszt produkcji powietrza, bo sprężarka ma większe opory tłoczenia, ale dodatkowo zachodzi niebezpieczeństwo, że powietrze nie będzie posiadało odpowiedniej jakości wymaganej do realizacji celów produkcyjnych.

 Spadek ciśnienia w osuszaczu chłodniczym

Następnym urządzeniem w instalacji jest osuszacz chłodniczy. Również i on generuje spadki ciśnienia uzależnione od konstrukcji. Dlatego też producenci osuszaczy ciągle pracują nad udoskonaleniem swoich produktów pod kątem energooszczędności i redukcji spadku ciśnienia.

Firma Donaldson, wprowadzając nową koncepcję wymiennika ciepła w osuszaczach serii Buran, ograniczyła spadek ciśnienia o 20% w stosunku do poprzedniej konstrukcji.

W zależności od modelu osuszacza i jego wydajności spadek ciśnienia wynosi od 30 do 290 mbar.

Osuszacze firmy Beko Technologies serii Drypoint RA posiadają również zoptymalizowane wymienniki ciepła i podzespoły o odpowiednich wymiarach, gwarantujące ograniczony spadek ciśnienia z zakresu od 130 do 260 mbar.

Jak widać na powyższym wykresie, w konstrukcjach innych producentów spadek ciśnienia wynosi nawet 330 mbar. Takie osuszacze, pracujące dodatkowo w sposób ciągły, generują zwiększone koszty energii elektrycznej.

W przypadku wyboru osuszacza należy mieć świadomość, że spadek ciśnienia jest nieunikniony, ale na jego poziom mamy już wpływ poprzez wybór producenta i modelu produktu oraz zapewnienie odpowiednich warunków eksploatacji.

Instalacja sprężonego powietrza

Aby uniknąć dużych spadków ciśnienia w instalacji sprężonego powietrza, trzeba brać pod uwagę trzy czynniki:

• całkowity przepływ powietrza,
• odległość, na jaką tłoczone jest sprężone powietrze,
• minimalne wymagane ciśnienie robocze.

Niezależnie jednak od tego, jak zwymiarowana jest instalacja, spadki ciśnienia będą występować. Jedynym wyjątkiem może być bardzo duże przewymiarowanie instalacji, ale jest to przypadek ekonomicznie nieuzasadniony.

Na spadek ciśnienia w instalacji ma wpływ wiele czynników:

• średnica głównego rurociągu i odejść,
• sposób prowadzenia instalacji (najkrótszą drogą czy dłuższą),
• rodzaj instalacji (otwarta lub w pętli),
• rodzaj materiału (chropowaty czy gładki),
• ilość i rodzaj złączek, kolanek itp. (każda kształtka jest kalkulowana jako dodatkowa odległość prostoliniowa rurociągu),
• charakter zmian kierunku w instalacji (90^o czy 2 x 45^o).

Istnieją trzy podejścia określania spadku ciśnień albo dobierania średnicy rurociągu:

• skorzystanie z kalkulatora dostępnego on-line lub u dostawców elementów instalacji. Przykładem może być nasz kalkulator spadku ciśnienia w sieci
• Skorzystanie z tabel doboru instalacji. Firma Prevost przyjmuje założenie, że dopuszczalny spadek przy ciśnieniu 8 bar wynosi 5% ciśnienia roboczego, czyli 400 mbar przy jednoczesnym zachowaniu prędkości przepływu powietrza do 10m/s i dla takiego spadku dobierana jest średnica wewnętrzna rurociągu
• Skorzystanie z nomografu dla danego rodzaju rur w celu określenia spadku ciśnienia.

Co zrobić, by ograniczyć spadki ciśnień?

Omówione zostały spadki ciśnień w filtrach, osuszaczach chłodniczych i rurociągu, ale należy pamiętać również o dodatkowych chłodnicach albo podgrzewaczach sprężonego powietrza, separatorach cyklonowych, zbiornikach buforowych, osuszaczach adsorpcyjnych lub membranowych. Każde z tych urządzeń generuje spadki ciśnień.

Podczas doboru urządzeń systemu sprężonego powietrza warto analizować ich parametry i charakterystyki, by zapewnić jak najmniejsze spadki ciśnień. I to spadki bazujące na maksymalnym przepływie, a nie przy średnim przepływie.

Czasami też warto trochę przewymiarować instalację pod przyszłe inwestycje. Gdyby główny rurociąg był zwymiarowany do bieżącego przepływu, to rozwój przedsiębiorstwa i uruchomienie dodatkowych maszyn napędzanych pneumatycznie oraz następnej sprężarki generowałoby dodatkowe spadki ciśnień.

W przypadku budowy instalacji o następnej większej dostępnej średnicy, koszt materiału oraz robocizny zwiększy się, ale spadki ciśnień będą znacznie ograniczone i wpłynie to na oszczędności w kosztach operacyjnych.

BP Techem od prawie 30 lat doradza w doborze urządzeń do systemu sprężonego powietrza. Posiadamy doświadczenie, by dobrać jak najlepsze rozwiązanie pod względem niezawodności, trwałości i sprawności całego systemu. Dlatego skontaktuj się z naszym Doradcą Technicznym, by dobrać rozwiązanie gwarantujące jak najmniejsze spadki ciśnień w instalacji. Dla zrównoważonego rozwoju i oszczędności energetycznych.