Осушители воздуха

Дата публикации: 07.04.2021

Основные понятия

Одной из важнейших характеристик сжатого воздуха, используемого в промышленности, пищевой индустрии, медицине и других отраслях, является влажность. Самое общее определение таково: влажность — это мера, характеризующая содержание водяных паров в воздухе (или другом газе). Данное определение, разумеется, не претендует на «наукоемкость», зато дает физическое понятие влажности.

На практике используются специальные параметры, характеризующие влажность воздуха: относительная влажность, точка росы, абсолютная влажность.

Абсолютная влажность — это величина, показывающая, какое количество паров воды содержится в заданном объеме воздуха. Это самое общее понятие, оно выражается в г/м3.
При очень низкой влажности газа используется такой параметр как влагосодержании, единица измерения которого ppm (parts per million частей на миллион). Это абсолютная величина, которая характеризует число молекул воды на миллион молекул всей смеси. Ppm – более универсальная величина, она не зависит ни от температуры, ни от давления. Это и понятно количество молекул воды не может увеличиваться или уменьшаться при изменениях давления и температуры.

Относительная влажность — это понятие, используемое, как правило, в метеорологии. Оно
определяется как отношение действительной влажности воздуха к его максимально возможной влажности. Другими словами, относительная влажность показывает, сколько еще влаги не хватает, чтобы при данных условиях окружающей среды началась конденсация. Данная величина характеризует степень насыщения воздуха водяным паром. Однако, относительная влажность неудобна для работы, так как она привязана к давлению, и к температуре газа. Более часто используется величина, называемая температурой точки росы.

Точка росы — это температура, при которой начинается процесс конденсации влаги. Практическое значение точки росы заключается в том, что оно показывает, какое максимальное количество влаги может содержаться в воздухе при указанной температуре. Действительно, фактическое количество воды, которое может удерживаться в постоянном объеме воздуха, зависит только от температуры. Понятие точки росы является наиболее удобным техническим параметром. Зная значение точки росы, мы можем утверждать, что количество влаги в заданном объеме воздуха не превысит определенного значения. Так, например, для точки росы +5°С количество влаги будет меньше или равно 6,86 г/ м3.

В представленной ниже табл.1 показано максимальное количество воды, содержащейся в
воздухе (в граммах на кубический метр) в широком диапазоне температур от -40 °С до +40 °С.

Приведенная таблица дает точные значения для всего температурного диапазона, в котором
работает промышленная пневмоавтоматика. Первая половина таблицы относится к температурам выше нуля, вторая половина — к температурам ниже нуля.

Температура, °С	0	5	10	15	20	25	30	35
г/м3 атмосферный воздух	4,98	6,86	9,51	13,04	17,69	23,76	13,64	41,83
Температура, °С	0	-5	-10	-15	-20	-25	-30	-35
г/м3 атмосферный воздух	4,98	3,42	2,37	1,61	1,08	0,7	0,45	0,29

Часто возникает вопрос, о какой точке росы идет речь, если она выражается отрицательной температурой, ведь вода замерзает при температуре 0°С. Дело в том, что при отрицательных температурах замеряют не точку образования конденсата, а точку образования инея. Рассмотрим на примерах, как можно применить основные законы состояния газа и данные, приведенные в табл. 1, для оценки содержания влаги на выходе компрессора.

Температура +25 °С, относительная влажность 65%. Сколько влаги содержится в 1 м3?

Относительная влажность может быть выражена формулой:

Относительная влажность =(A/B) x 100% где A — фактическое содержание воды; В — содержание воды в состоянии насыщения (точка росы).

Воспользовавшись данными таблицы 1 или рис. 1 и вышеприведенной формулой, определяем фактическое содержание воды в состоянии насыщения при +25°С, что соответствует 24 г/м3. Тогда искомое количество воды равно 24 г/м3 х 0,65 = 15,6 г/м3. При сжатии воздуха его способность удерживать влагу в виде пара зависит от степени уменьшения объема. Следовательно, если температура остается постоянной или существенно не возрастет, вода начнет конденсироваться.

На примере 2 рассмотрим, сколько останется влаги при сжатии воздуха в компрессоре и сколько ее выпадет в осадок в виде конденсата.

Воспользовавшись данными таблицы 1 и вышеприведенной формулой, определяем фактическое содержание воды в состоянии насыщения при +25°С, что соответствует 24 г/м3. Тогда искомое количество воды равно 24 г/м3 х 0,65 = 15,6 г/м3. При сжатии воздуха его способность удерживать влагу в виде пара зависит от степени уменьшения объема. Следовательно, если температура остается постоянной или существенно не возрастет, вода начнет конденсироваться.

Пример 2.

10 м3 атмосферного воздуха при +15 °С и 65% относительной влажности сжимается до избыточного давления 6 бар (7 бар абсолютного).

Сколько воды сконденсируется?

Из таблицы 1 находим, что при температуре +15 °С в воздухе может содержаться максимум
13,04 г/м3, а в 10 м3 _ 13,04 г/м3 х10 м3 = 130,4 г. При относительной влажности 65% воздух
будет содержать130,4г х 0,65 = 84,8 г влаги. Уменьшенный объем сжатого воздуха при давлении 6 бар можно подсчитать, исходя из закона Бойля -Мариотта (температура воздуха существенно не изменяется):

P1 x V1 = P2 x V2

V2 = (P1 x V1) / P2

где Р1 — атмосферное давление равное 1,013 бар;

V2 = ( 1,013бар х 10 м3 )/ (6+1,013)бар = 1,44 м3

Далее определяем, что 1,44 м3 воздуха при +15°С может удерживать максимум 13,04 г х 1,44 = 18,8 г влаги

Количество конденсата равняется общему количеству воды, содержащемуся в атмосферном воздухе, минус количество воды, которое может вобрать в себя сжатый воздух, а именно:

84,8 г — 18,8 г = 66 г.

Таким образом, после сжатия 66 грамм воды выпадет в виде конденсата. Во избежание вредного воздействия, которое может оказать конденсат на состояние магистрали и работу пневматических элементов, его необходимо удалить, прежде чем сжатый воздух будет направлен к потребителю.

Рассмотрим, в чем же проявляются отрицательные факторы присутствия влаги в пневмосети:

конденсат расширяет смазочное масло в используемых пневматических машинах, приводя к их быстрому износу, и увеличивает стоимость технического обслуживания;
водные смеси эмульгируются с маслом, забивают протоки в пневматических инструментах, вызывая поломки;
конденсат коррозирует линии подачи воздуха, образуя оксидные обломки или пыль, которые загрязняют пневматические устройства и приводят к их поломкам;
при понижении температуры конденсат может замерзнуть в трубопроводах и вызвать разрывы;
влага вызывает коррозию изделий, подвергнутых пескоструйной обработке с применением влажного воздуха;
при покраске конденсат образует в краске неэстетичные кратеры, которые к тому же способствуют коррозии;
в пневматическом транспорте порошкообразных материалов влажность вызывает блокировку или изменяет транспортируемый продукт;
повышенная влажность приводит к преждевременной потере работоспособности элементов электропневматических систем управления (датчиков расхода воздуха, давления, температуры и т.п.);
конденсат вреден в фармацевтической и пищевой промышленности;
конденсат недопустим в воздухе, используемом для охлаждения литейных форм и пресс-форм для литья под давлением;
в электронной промышленности может применяться только сухой воздух.

Для избежания нежелательных воздействий следует установить, до какой точки росы необходимо довести влажный воздух. При планировании подготовки сжатого воздуха для конкретного применения можно пользоваться соответствующими стандартами.

Международный стандарт DIN ISO 8573-1 (Таблица 2) устанавливает 6 классов чистоты воздуха и соответствующее каждому классу предельно допустимое содержание различных видов примесей и содержание влаги.

Класс чистоты	Максимальное содержание масла	Частицы	Твердых включений	Максимальная температура точки росы под давлением
№	мг/м3	максимальный размер	максимальное содержание	ºC
1	0,01	мкм	мг/м3	-70
2	0,1	0,1	0,1	-40
3	1	1	1	-20
4	5	5	5	3
5	25	15	8	7
6	—	40	10	10

Для отечественного оборудования существует аналогичный российский ГОСТ 17433-80. При выборе необходимого оборудования следует руководствоваться либо заданными предельно допустимыми значениями содержания примесей и влажности, либо, при отсутствии таких сведений, можно опираться на данные Таблицы 3, в которой указан рекомендованный набор оборудования для подготовки воздуха в зависимости от назначения сжатого воздуха.

Устройства и методы осушки

Как мы уже рассмотрели в части 1, сжатие воздуха в компрессоре приводит к образованию конденсата, поэтому необходимо использовать дополнительный сепаратор для отделения влаги. Однако этого тоже недостаточно, поскольку сжатый воздух, расширяясь в оборудовании, охлаждается независимо от условий среды, что сопровождается дополнительным выделением конденсата (см. пример 1). Поэтому и встает вопрос об использовании специальных осушителей, обеспечивающих необходимую точку росы. Например, если осушитель имеет точку росы +3 °С, то дополнительное охлаждение сжатого воздуха до температуры не ниже + 3 °С не приведет к образованию конденсата.

Это наиболее широко применяемый в промышленности и наиболее экономичный тип осушителя. Стоимость такого осушителя в диапазоне производительностей от 3 до 20 м3/мин составляет примерно 15-20% от стоимости компрессорного оборудования. Сжатый воздух охлаждается хладагентом, а выпавший конденсат отводится.

Как показано на рис.1, воздух обычно охлаждается противоположным потоком хладагента в два этапа: предварительный – воздух — воздух; главный – воздух — хладагент. При этом достигается точка росы + 3°С.