Przygotowanie sprężonego powietrza – jak dobrać filtry, osuszacz i reduktor oraz wyeliminować najczęstsze problemy instalacji? Część 1

1. Co znajduje się w sprężonym powietrzu?

Sprężarka zasysa powietrze z otoczenia wraz z zawartą w nim parą wodną, pyłem i zanieczyszczeniami gazowymi. W sprężarkach olejowych dodatkowym źródłem zanieczyszczenia może być układ olejowy. Po drodze medium kontaktuje się ze zbiornikiem, przewodami, uszczelnieniami i armaturą. Z tego powodu powietrze na wyjściu sprężarki oraz przy maszynie może mieć różną jakość.

Dlaczego sprężanie powoduje problemy z wodą?

Podczas sprężania powietrze nagrzewa się. W gorącym medium znaczna część wilgoci pozostaje w postaci pary. Następnie powietrze stygnie w chłodnicy końcowej, zbiorniku i rurociągach. Jeżeli jego temperatura spadnie poniżej punktu rosy przy danym ciśnieniu, pojawi się kondensat.

Nie jest zatem zaskoczeniem, że przy ciepłej sprężarce wody nie widać, a na odległym stanowisku pojawia się jej duża ilość. Należy kontrolować cały przebieg temperatur, a nie tylko stan odstojnika zamontowanego najbliżej kompresora.

2. Jak określić wymaganą jakość sprężonego powietrza?

Punktem wyjścia powinna być dokumentacja maszyny, narzędzia lub procesu. Należy ustalić dopuszczalne zanieczyszczenie cząstkami, wodą i olejem oraz miejsce, w którym wymaganie ma być spełnione. Dla wielu zastosowań najbardziej użyteczne jest określenie jakości przy przyłączu odbiornika.

ISO 8573-1:2010 porządkuje wymagania dotyczące cząstek, wody i oleju. Zapis [A:B:C] odnosi się kolejno do tych trzech grup. Jedna liczba opisująca „klasę powietrza” bez wskazania zanieczyszczenia jest niepełną specyfikacją. Sama deklaracja dokładności filtra w mikrometrach również nie wyznacza wszystkich trzech klas.

Klasa 0 nie oznacza absolutnego braku zanieczyszczeń. Wymaga określenia konkretnego limitu, bardziej rygorystycznego niż dla klasy 1 w danej kategorii. W dokumentacji trzeba podać, czego dotyczy deklaracja i w jakich warunkach została potwierdzona.

Nie przypisujemy jednej klasy wszystkim siłownikom, lakierniom czy zakładom spożywczym. Wymagania zależą od produktu, kontaktu powietrza z wyrobem oraz skutków ewentualnego zanieczyszczenia. W procesach wrażliwych klasa cząstek, wody i oleju nie zastępuje wymagań mikrobiologicznych.

3. Ciśnieniowy punkt rosy – parametr ważniejszy niż określenie „suche powietrze”

Ciśnieniowy punkt rosy, PDP, to temperatura, przy której para wodna zaczyna się skraplać przy określonym ciśnieniu. Należy go odróżnić od punktu rosy odniesionego do ciśnienia atmosferycznego. Wyniki uzyskane przy różnych ciśnieniach nie powinny być porównywane bez odpowiedniego przeliczenia.

Osuszacze ziębnicze zwykle zapewniają dodatni PDP, często w okolicy +3°C, zależnie od modelu i warunków pracy. W instalacji prowadzonej przez ogrzewaną halę może to być wystarczające. Jeżeli jednak rurociąg wychładza się zimą poniżej 0°C, taki poziom osuszenia nie chroni całej sieci przed kondensacją i zamarzaniem. Wówczas rozważa się technologię zapewniającą niższy PDP, np. osuszanie adsorpcyjne.

Przykład: jeśli PDP wynosi +3°C, a fragment rurociągu ma temperaturę −5°C, to powietrze w tym miejscu może przekroczyć warunki nasycenia. Podstawą doboru jest najniższa przewidywana temperatura medium w instalacji, z odpowiednim marginesem, oraz wymaganie procesu.

4. Separator cyklonowy – oddzielanie skroplonej wody

Separator cyklonowy wykorzystuje ruch wirowy do oddzielania kropel cieczy. Kondensat spływa do dolnej części obudowy, skąd musi zostać odprowadzony. Jest to element wstępnego odwadniania, przydatny po schłodzeniu sprężonego powietrza, kiedy woda zdążyła przejść w fazę ciekłą.

Separator nie usuwa pary wodnej w sposób zapewniający wymagany punkt rosy. Zamontowany w miejscu, w którym powietrze jest jeszcze bardzo gorące, może zbierać niewiele cieczy, chociaż dalej w instalacji będzie powstawał kondensat.

Przykładem wyposażenia jest separator cyklonowy 1/2″ CKL-12. Przy doborze należy zweryfikować dopuszczalne ciśnienie, temperaturę, zakres przepływu i wykonanie spustu. Nie należy zakładać jednakowej skuteczności separacji przy dowolnie małym lub dużym przepływie.

Eksploatacja separatora

Należy kontrolować drożność odpływu, stan uszczelnień oraz poziom cieczy. Brak klasycznego wkładu filtracyjnego nie oznacza bezobsługowości. Zanieczyszczenia mogą odkładać się w układzie odprowadzania kondensatu, a niesprawny spust może doprowadzić do przenoszenia cieczy do kolejnych urządzeń.

5. Filtry cząstek – ochrona zaworów, siłowników i aparatury

Filtr mechaniczny zatrzymuje cząstki w zakresie określonym przez konstrukcję wkładu i deklarowaną skuteczność. W lokalnych zespołach spotyka się m.in. filtrację 5 µm. Odpowiedni stopień należy zawsze ustalić według wymagań odbiornika; oznaczenie „pneumatyka przemysłowa” nie wystarcza do doboru.

W instalacji o dużym obciążeniu pyłem zastosowanie wyłącznie bardzo dokładnego wkładu może powodować szybkie narastanie oporów. Filtracja wstępna odciąża dalsze stopnie. Nie oznacza to jednak obowiązku montowania wszystkich dostępnych dokładności po kolei: układ powinien odpowiadać rzeczywistemu zanieczyszczeniu i zaleceniom producentów.

W ofercie PS Automatyka dostępne są filtry wysokoprzepływowe oraz moduły lokalnego przygotowania powietrza.

Co oznacza wartość podana w mikrometrach?

Oznaczenie 5 µm lub 0,01 µm nie jest samodzielnym opisem jakości medium na wyjściu. Trzeba znać skuteczność separacji, warunki badania, przepływ i właściwości zanieczyszczeń. Nie należy traktować każdej wartości mikrometrowej jak gwarantowanej granicy, poniżej której wszystko przechodzi, a powyżej której wszystko zostaje zatrzymane. Szczególnie dotyczy to filtrów koalescencyjnych i adsorpcyjnych.

6. Filtry koalescencyjne – usuwanie aerozolu olejowego

Aerozol to drobne krople cieczy zawieszone w gazie. We wkładzie koalescencyjnym krople łączą się w większe i są odprowadzane z przepływu. Skuteczność zależy m.in. od prędkości przepływu, obciążenia cieczą, stanu wkładu i prawidłowego drenażu.

Przykładem produktu jest filtr odolejający dokładny 0,01 µm, 1/2″, 1,3 m³/min. Wartość przepływu w nazwie wymaga odniesienia do warunków katalogowych. Przed zakupem trzeba też sprawdzić wyposażenie w spust kondensatu i niezbędną filtrację poprzedzającą.

Filtr koalescencyjny nie zastępuje stopnia przeznaczonego do usuwania par oleju. Gazowa postać zanieczyszczenia wymaga innego mechanizmu. Rozróżnienie filtracji aerozoli, osuszania i usuwania par oleju przedstawia.

Dlaczego filtr odolejający przepuszcza olej?

Przed wymianą na „jeszcze dokładniejszy” należy sprawdzić: czy problem dotyczy aerozolu czy par, czy spust działa, czy przepływ nie przekracza dopuszczalnego zakresu, czy element został poprawnie zamontowany oraz czy olej nie pochodzi z przewodów znajdujących się za filtrem. W układzie wcześniej smarowanym pozostaje film olejowy, którego pojedynczy nowy filtr na początku sieci nie usuwa ze wszystkich odbiorników.

7. Węgiel aktywny – ograniczanie par oleju

Węgiel aktywny adsorbuje określone związki na swojej powierzchni. Jest wykorzystywany jako dalszy stopień uzdatniania wtedy, gdy samo usunięcie kropel i aerozolu nie zapewnia wymaganej jakości. Powinien otrzymywać powietrze przygotowane zgodnie z dokumentacją urządzenia: bez niekontrolowanego obciążenia ciekłym kondensatem i aerozolem olejowym.

Przykładem jest filtr z węglem aktywnym 1/2″, 1,30 m³/min. Przy ocenie takiego produktu kluczowe są zdolność adsorpcyjna, dopuszczalne warunki pracy i deklarowana zawartość oleju na wyjściu. Sam zapis „0,005 µm” w nazwie nie wystarcza do określenia skuteczności usuwania substancji gazowych.

Wkład węglowy ma ograniczoną pojemność. Nie należy oceniać jego pozostałej trwałości wyłącznie według spadku ciśnienia: zużycie zdolności adsorpcyjnej nie musi powodować wyraźnego wzrostu oporów. Wymianę planuje się według dokumentacji, obciążenia i – w aplikacjach wymagających potwierdzenia jakości – pomiarów. Brak zapachu także nie jest dowodem spełnienia limitu oleju.

Za niektórymi adsorberami potrzebny jest filtr pyłowy. Nie wolno przenosić tego wymagania automatycznie na każdy zintegrowany wkład: należy sprawdzić konstrukcję i zalecenia producenta.

8. Osuszacze – kontrola pary wodnej

Osuszacz ziębniczy

Osuszacz ziębniczy schładza sprężone powietrze, co powoduje wykroplenie części pary wodnej. Powstała ciecz jest oddzielana i odprowadzana. W wielu konstrukcjach powietrze przed opuszczeniem urządzenia jest ponownie ogrzewane w wymienniku. Osuszenie wynika z usunięcia wody, a nie z samego podniesienia temperatury na wyjściu.

Przykładem urządzenia jest osuszacz ziębniczy Walter WDF 53. Karta oferty wskazuje filtry 1 i 0,01 µm. Przy projektowaniu trzeba sprawdzić pełną konfigurację dostawy i usytuowanie stopni, aby świadomie dobrać dodatkową filtrację, zamiast powielać ją bez uzasadnienia.

Osuszacz adsorpcyjny

W technologii adsorpcyjnej wilgoć wiązana jest przez materiał osuszający. Układ wymaga regeneracji złoża, która zależnie od konstrukcji wykorzystuje część suchego powietrza, ciepło lub inne rozwiązanie regeneracyjne. Przy bilansie wydajności trzeba uwzględnić zapotrzebowanie urządzenia na regenerację, jeśli występuje.

Osuszanie adsorpcyjne rozważa się przy ujemnym wymaganym PDP, wrażliwych procesach i zimnych odcinkach instalacji. Konieczne są właściwa ochrona złoża przed olejem oraz filtracja pyłu za urządzeniem, jeżeli wymaga tego konstrukcja.

Osuszacz membranowy

Osuszacze membranowe mogą być przydatne do lokalnych, odpowiednio dobranych strumieni. Wymagają przygotowania powietrza na wejściu i zwykle zużywają część przepływu jako strumień regeneracyjny. Należy sprawdzać osiągany PDP przy konkretnym ciśnieniu i przepływie, a także wymagania dotyczące oleju.

Dobór na warunki rzeczywiste

Wydajność znamionowa nie jest niezmienna. Przy doborze osuszacza uwzględnia się przepływ, minimalne ciśnienie robocze, najwyższą temperaturę powietrza na wejściu oraz warunki otoczenia. Współczynniki korekcyjne należy stosować dokładnie według metody producenta – w jednych tabelach korygują dostępną wydajność, w innych służą do wyznaczenia wymaganej wielkości urządzenia.

Przykład obliczeniowy: jeżeli producent definiuje wydajność rzeczywistą jako Q_rz = Q_nom × k₁ × k₂ × k₃, a iloczyn współczynników wynosi 0,70, osuszacz o wydajności nominalnej 1,0 m³/min ma w tych warunkach wydajność 0,70 m³/min. Dla dopływu 0,85 m³/min jest za mały. To ilustracja rachunku, nie uniwersalna tabela korekcyjna.

9. Odprowadzanie kondensatu – warunek działania całego układu

Oddzielenie cieczy od powietrza jest skuteczne tylko wtedy, gdy ciecz zostaje usunięta z urządzenia. Odstojnik o przepełnionej pojemności, zatkany odpływ lub niedziałający zawór spustowy mogą zniweczyć korzyści z zastosowania separatora i filtracji.

W ofercie znajduje się wewnętrzny pływakowy spust kondensatu AOK 16. Jest przeznaczony do kompatybilnych obudów; nie należy traktować go jako uniwersalnego zamiennika każdego spustu. Mechaniczne pasowanie, zakres ciśnienia i geometria obudowy muszą być zgodne.

Przewodów spustowych nie powinno się łączyć przypadkowo w sposób powodujący przeciwciśnienie lub przepływ z jednego urządzenia do drugiego. Należy zastosować układ odbioru kondensatu zalecany dla danych spustów.

Kondensat może zawierać olej i inne zanieczyszczenia. Nie należy utożsamiać go z czystą wodą. Dobór separatora olej–woda lub innej metody zagospodarowania wymaga rozpoznania składu kondensatu i warunków jego odbioru; szczególnej uwagi wymagają emulsje.

10. Reduktor ciśnienia – stabilna praca pod obciążeniem

Reduktor obniża ciśnienie do poziomu wymaganego przez odbiornik i reguluje je w granicach swojej charakterystyki. Nie zwiększa ciśnienia wejściowego. Nie jest też gwarancją idealnie stałego ciśnienia przy dowolnie dużym przepływie.

Najczęstszy błąd polega na ustawieniu ciśnienia podczas postoju maszyny i uznaniu sprawy za zakończoną. Podczas ruchu siłownika lub uruchomienia narzędzia może pojawić się znaczne obniżenie ciśnienia za reduktorem. Przyczyną bywa niewłaściwa wielkość elementu, mała różnica ciśnień wejście–wyjście albo opór w innym odcinku instalacji.

W doborze analizuje się zakres regulacji, dopuszczalne ciśnienie wejściowe, charakterystykę przepływową, wpływ zmian ciśnienia zasilania oraz zachowanie przy małym i dużym poborze. Dla niskich nastaw warto wybierać odpowiedni zakres sprężyny, zamiast regulować na dolnej granicy szerokiego zakresu.

Przykładem jest reduktor precyzyjny Futura G3/8″, 0,1–1 bar. Taki zakres może być punktem wyjścia do aplikacji niskociśnieniowych, po zweryfikowaniu przepływu i parametrów regulacji.

Reduktor z upustem i bez upustu

Wersja z wtórnym odpowietrzeniem może odprowadzić nadmiar ciśnienia ze strony wyjściowej zgodnie ze swoją konstrukcją. Wersja bez upustu nie realizuje tej funkcji, więc samo zmniejszenie nastawy nie musi natychmiast obniżyć ciśnienia w zamkniętej objętości. Reduktor upustowy nie zastępuje zaworu bezpieczeństwa ani zaworu kontrolowanego rozładowania maszyny. Niektóre regulatory precyzyjne mają konstrukcyjne zużycie powietrza – nie każdy niewielki upust oznacza uszkodzenie.

Dlaczego ciśnienie rośnie mimo stałej nastawy?

Gdy przy zamkniętym odbiorniku ciśnienie wyjściowe stopniowo wzrasta, warto sprawdzić szczelność gniazda reduktora, zanieczyszczenie elementu regulacyjnego i możliwe zasilanie zwrotne. Nie wolno uznać takiej sytuacji za nieistotną, jeśli odbiornik ma niższe dopuszczalne ciśnienie niż sieć.

11. Filtroreduktor i blok FRL – kiedy wybrać zespół modułowy?

Filtroreduktor łączy filtrację z regulacją ciśnienia. FRL obejmuje filtr, regulator i smarownicę. Dzięki konstrukcji modułowej można zbudować lokalny zespół odpowiadający wymaganiom maszyny, z manometrem, odcięciem, rozdzielaczem lub dodatkowymi funkcjami.

Przykładem kompletnego zestawu jest blok przygotowania powietrza Futura G1/4″, obejmujący filtroreduktor i smarownicę. Jego zastosowanie jest uzasadnione wtedy, gdy zasilany obwód wymaga naolejania. Dla pneumatyki pracującej bez dodatkowego smarowania należy dobrać konfigurację bez dozowania oleju.

Przy porównywaniu serii LT, FLOW, Flowmatik i Futura nie należy przenosić parametrów jednego wykonania na całą rodzinę. W obrębie serii mogą różnić się korpusy, przyłącza, zakresy regulacji, spusty i materiały. Zgodność gwintu nie potwierdza zgodności przepływu ani możliwości bezpośredniego połączenia modułów.

12. Smarownica – potrzebna tylko w określonych obwodach