Воздушные осушители

Воздух, входящий в компрессор содержит водяной пар, примеси – пары масел, пыль, производственные газы. В сжатом воздухе их концентрация возрастает.

В компрессорных установках для отделения примесей используются воздушные осушители – фильтрация водного, маслянистого, жирного или агрессивного конденсата.

Объем конденсата на выходе из компрессора зависит от температуры всасываемого воздуха, влажности, его количества. Для образования 1м³ сжатого воздуха (10 бар) установке требуется 11 м³ воздуха атмосферы.

 

Причины конденсата в компрессоре

Степень влажности атмосферного воздуха повышается с ростом его температуры. Например, при температуре 10 °C, атмосферном давлении 0 бар в 1м³ воздуха содержится 9,356 г влаги, при 20 °C - 17,148 г.

 

 

В таблице приведены максимальные значения влажности воздуха при давлении 0 бар в зависимости от температуры воздуха.

 

t °C	-40	-20	0	3	7	10	20	30	40
f г/ м3	0,117	0,88	4,868	5,953	7,732	9,356	17,148	30,078	5,672

При сжатии в компрессоре воздуха его температура увеличивается примерно до 180 °C. После ее понижения в пневмомагистралях начинается конденсация влаги. Смешавшись с посторонними примесями (смазкой компрессора) воздух образует:

• Агрессивные эмульсии – смесь воды с маслом, не отделяемые воздействием силы тяжести;
• Диспергированные смеси – аэрозольная смесь конденсата воды и масла.

Процесс конденсации начинается при концентрации влаги с посторонними примесями (не способными сжиматься подобно воздуху) значением, превышающим точку росы. Количество влаги выпадет больше при высокой температуре входящего газа. Дальнейшее движение по магистрали охлаждает смесь,  провоцируя конденсацию.

Попадая в пневматическую систему, влага порождает коррозию внутренних деталей, приводя оборудование в негодность. Зимой, в условиях низких температур влага замерзает, разрушая клапаны, уплотнители, прочие внутренние детали, узлы и агрегаты. Используемые для подготовки сжатого воздуха воздушные осушители являются обязательным условием сохранения целостности пневматических систем.

 

 

Влагоотделители разделяют воздух и влагу до попадания смеси в рабочее оборудование. Осушители бывают нескольких видов:

• Мембранный;
• Адсорбционный;
• Рефрижераторный.

Осаждение конденсата в осушителе происходит при охлаждении воздуха до значения ниже точки росы.

 

Точка росы в сжатом воздухе

Влажность является одним из определяющих параметров при выборе компрессорного оборудования. Чрезмерное наличие влаги в атмосфере может привести к сбоям в технологическом процессе работы оборудования, коррозии, поломкам. Максимальные ее значения производитель указывает в паспорте таких машин.

Влажностью называют значение объема водяных паров в газе. Влажность воздуха характеризуется следующими параметрами:

• Абсолютная влажность (г/м³) – показывает количество влаги в единице объема воздуха;
• Относительная влажность (%) – отношение фактической влажности к максимальному значению (значение насыщенности газа паром влаги). Показывает количество влаги, недостающее для конденсации. Зависима от температуры, давления;
• Точка росы  – значение температуры, необходимое для начала процесса конденсации. Показывает фактическое количество влаги в воздухе при определенной температуре.

 

Количество влаги в воздухе при постоянном значении температуры неизменно. Ввиду этого применительно к сжатому компрессорному воздуху точка росы - самый удобный, практически важный параметр. Например, объем влаги в 1 м³ воздуха при t = 20 °C примерно равен 17,15 г.

Чаще всего при проектировании пневматических систем используется точка росы значением +3, -20, -40, -70 °C.

 

Точка росы (под давлением) в компрессоре

Различают две различных друг от друга характеристики влажности воздуха:

• Точка росы атмосферная,  °C_трА – обозначается PD. Это минимальная температура охлажденного воздуха атмосферы без появления конденсата;
• Точка росы сжатого воздуха (под давлением), °C_трд – обозначается PDP. Это минимальная температура, до которой может охладиться сжатый газ без выпадения конденсата. Значение ее температуры снижается при понижении давления.

Точка росы сжатого воздуха показывает порог выпадения конденсата, являющийся нежелательным для оборудования. Именно это значение используется для мониторинга пневматических систем.

 

 

Различие этих двух величин и зависимость точки росы сжатого воздуха от температуры можно рассмотреть на примере. Куб, содержащий 1м³ воздуха при t = 20°C. Относительная влажность – 20%. Количество влаги при этом – 3 г. Максимальное значение влаги в этом объеме может достигать 15 г.

1. Давление в кубе не меняется – 1 бар. Воздух охлаждается. При температуре t = -3,2°C из него конденсируется 3г воды, т.к. при охлаждении возможность держать влагу уменьшается (табличное значения содержания влаги при -3 г/м³).  -3,2°C_тр – это значение атмосферной точки росы, т.к. процесс проходил в условиях атмосферы;
2. Объем куба уменьшается в 3 раза при увеличении давления до 3 бар. Масса водяного пара остается неизменной – 3 г (влага не впускалась и не выпускалась). Абсолютная влажность приобрела значение 9г/м³ = 3г/(1/3 м³). Температура не меняется (20°C) – максимальное количество влаги при этом около 15 г/м³. Относительная влажность такого воздуха равна 60% (9/15).

Следовательно, от начального объема куба воздух повысил относительную влажность в 3 раза.

 

 

Дальнейшее охлаждение этого закрытого объема приведет к образованию точки росы уже не при -3,2°C, а при +12 °C_тд. Таким образом, температура точки росы сжатого воздуха повышается с увеличением давления. Воздух на выходе из компрессора нужно охладить значительно меньше для его насыщения - конденсации влаги.

 

Последствия влаги в воздушной системе

Влага, попадая в пневматическую систему, со временем образует коррозию. Химические примеси в воздухе оседают на стенках трубопроводов, рабочих цилиндров, приводя к разъеданию металла, разрушению уплотнителей, повреждению клапанов. Существует целый ряд значительных отрицательных факторов влаги в системе:

• Эмульгированный с маслом водный конденсат засоряет протоки пневмоинструмента;
• Замерзание в трубопроводах с последующим разрывом;
• Появление «кратеров» на окрашиваемой поверхности, способствующим коррозии (пневматические устройства покраски);
• Повреждение электроники, разнообразных датчиков;
• Нарушение технологического процесса при охлаждении воздухом литейных форм (для литья под давлением);
• Расширение рабочего масла пневматических машин;
• Коррозия воздуховодов пневмоинструмента с образованием пыли, твердых частиц;
• Коррозия металла при пескоструйной обработке;
• Изменение физического состояния сыпучих материалов при пневматической транспортировке;
• Недопустимость конденсата при производстве продуктов питания лекарственных препаратов;
• Влага неприемлема при производстве электроники.

Существует несколько классов очистки воздуха, определенных ГОСТ 17433-80 и стандартом ISO 8573-1:201(E). Кроме значения количества воды в сжатом воздухе они регламентируют содержание масла и твердых частиц.

 

 

Класс загрязненности характеризуют следующие параметры:

• Точка росы;
• Размер твердых частиц;
• Количество масла в воздухе;
• Содержание воды в воздухе;
• Объем твердых частиц в воздухе.

Осушители сжатого воздуха

Сжатие воздуха в компрессорной установке сопровождается его нагревом с последующим образованием конденсата. Для отделения влаги перед пуском воздуха к потребителю стандартно используется сепаратор. Однако его в большинстве случаев недостаточно.

Дополнительно устанавливается специальное оборудование - воздушные осушители сжатого воздуха.

 

 

В зависимости от условий работы, назначения, производительности компрессора осушители сжатого воздуха используют 3 основных принципа осушения:

• Ассимиляция;
• Абсорбция;
• Конденсация.

Ассимиляционный тип осушителя работает на основе свойства теплого воздуха содержать в себе больше пара воды относительно холодного. Обладают низким КПД одновременно с малой эффективностью, высокой энергетической емкостью. Результат работы такого типа зависит от температуры воздуха, влажности и т.д. (подверженность влиянию атмосферных условий). Работа такого оборудования в условиях высокой влажности затруднена или невозможна.

Конденсационный тип осушителя работает на основе явления перехода пара из состояния газа в жидкое. Основным элементом является холодильная конденсационная камера. Охлаждаясь в ней воздух достигает температуры точки росы, конденсируется на стенках камеры.

КПД конденсационного типа осушителя выше ассимиляционного. Недостатком является снижение эффективности при понижении температуры входящего воздуха.

Адсорбционный тип осушителя работает по принципу адсорбции – поглощение влаги веществом абсорбентом. Способны работать при низких температурах, высокой влажности воздуха.

 

 

Кроме этого может использоваться дополнительное сжатие. Воздух при этом сжимается еще больше, образуя конденсат. После этого происходит расширение воздуха до рабочих значений. Точка росы при таком методе может достигать -60°C. Главный минус такого метода – дороговизна.

Вихревой тип отделяет воду от воздуха образованием завихрений в камере. Воздух после прохождения через лопастную крыльчатку закручивается. Центробежная сила выталкивает частицы влаги на стенки корпуса. На нем влага конденсируется, стекает на дно, откуда удаляется через пробку.

 

Мембранные осушители сжатого воздуха

От других типов водоотделителей мембранные осушители сжатого воздуха отличаются принципом работы. Устройство снижает влажность воздуха без понижения температуры до точки росы.

Мембранный осушитель имеет в составе большой объем собранных в пучок волокон из фторосодержащей смолы Flemion. Размещаться волокна могут в:

• Кассетный модуль двунаправленного действия;
• Гибкую трубу;
• Цилиндр.

Воздух проходит во входное отверстие, через пористую или монолитную структуру, оставляя на них молекулы воды или азота. Пары переходят через мембраны из области высокого давления в более разреженную среду. Для работы используется сухой и влажный воздух.

 

 

Количество паров внутри полости начинает превышать их количество с внешней стороны мембраны, после чего фтористое волокно выпускает пар наружу. Таким образом происходит уравновешивание концентрации пара.

Вышедшие молекулы воды уносятся потоком воздуха из выхода мембранной полости. Расширяясь во внешней полости мембраны, он создает поток, унося влагу из осушителя.

Мембранные осушители сжатого воздуха обладают следующими преимуществами:

• Не нужна электроэнергия;
• Относительно малые размеры;
• Быстрая установка/замена;
• Нет подвижных частей;
• Могут работать в агрессивных, опасных средах;
• Небольшое падение давления.

Недостатки:

• Малая пропускная способность;
• Не используются для сильнозагрязненных газов.

 

Адсорбционные осушители сжатого воздуха

В условиях невозможности использования влагоотделителей с точкой росы +3°C применяются адсорбционные осушители сжатого воздуха. Диапазон температур точки росы таких установок – от -25°C до -70°C. Впитывающим влагу элементом служит адсорбент – вещества с большой площадью поверхности. Установка состоит из двух резервуаров – для осушки и регенерации соответственно.

 

 

Адсорбционные осушители бывают двух видов:

• С холодной регенерацией;
• С горячей регенерацией и охлаждением в вакууме.

В осушители холодной регенерации воздух попадает сквозь фильтр предварительного очищения – 0,01 мкм. Воздух проходит через емкость с адсорбентом (селикогель), освобождаясь от части влаги. В ней воздух охлаждается до определенной температуры точки росы. Около 15% осушенного воздуха переносится во вторую емкость (регенерирующую).

Накопленная адсорбентом влага выносится в атмосферу сухим воздухом. После «промокания» первого резервуара и «высыхании» второго происходит перенаправление сжатого воздуха между резервуарами. Процесс повторяется циклически.

Осушители горячей регенерации дешевле в эксплуатации при подготовке больших объемов газа низкой температуры точки росы (до -70°C). Пройдя первый резервуар, воздух нагревается до точки росы (-40/-70°C). Регенерация второго резервуара выполняется атмосферным воздухом, впускаемым вакуумным насосом и нагретым электрическим элементом.

 

 

 

В остальном принцип работы такого типа адсорбционного осушителя сжатого воздуха аналогичен первому типу.

 

Рефрижераторный осушитель сжатого воздуха

Благодаря стабильной температуре точки росы +3°C рефрижераторный осушитель сжатого воздуха применяется чаще остальных. Несколько плюсов такого влагоотделителя:

• Простая эксплуатация;
• Экологичность;
• Надежность;
• Регенеративный контур экономит общий расход электричества до50 %.

В конструкции рефрижераторного осушителя два контура – для воздуха и хладагента.

 

 

Принцип действия рефрижераторного осушителя:

• Сжатый воздух поступает воздушный контур, соприкасаясь с холодным потоком и охлаждаясь, теряя часть влаги;
• Далее воздух поступает в контур хладагента (фреон R404A, R134A), снижая температуру до точки росы, влага конденсируется;
• В центробежном отделителе конденсата влага выталкивается на стенки сепаратора, стекает вниз, удаляется через электрический клапан;
• Хладагент циркулирует с помощью холодильного компрессора;
• Из компрессора нагретый хладагент идет в конденсатор (медные трубки в алюминиевых пластинах), охлаждается;
• Для усиления охлаждения конденсатор оснащен осевым вентилятором;
• Затем воздух проходит через узкую капиллярную трубку, снижая свое давление и охлаждаясь;
• Хладагент поступает обратно в испарительный контур.

Это одна из нескольких конструкций рефрижераторного осушителя, применяемая наиболее часто. Общий принцип их работы одинаков.

 

 

Температура точки росы регулируется датчиком. Температура в испарителе не снижается ниже 0°C благодаря системе by-pass. Чрезмерно холодный хладагент выпускается электроклапаном в обход конденсатора, подавая в него хладагент горячий. Он восстанавливает температурный режим конденсатора.

После подготовки сжатого воздуха вести его через пневмотрассу, расположенную на холодном участке не рекомендуется. Пройдя через воздушные осушители, понизив свою температуру ниже точки росы, воздух может повторно выделить конденсат, навредив системе потребителя.