НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ КАМОЦЦИ: МАГИСТРАЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА СЖАТОГО ВОЗДУХА (ЧАСТЬ 2)

Таким образом, обеспечивается первый этап охлаждения и конденсации влаги, позволяющий значительно снизить нагрузку на осушители и обеспечить их корректную работу в течение всего срока эксплуатации.

В зависимости от конструкции осушителя водяной пар удаляется либо за счет охлаждения воздуха с последующим выделением влаги, либо за счет осаждения паров воды на специальных химических компонентах. Существует три типа осушителей: рефрижераторные, адсорбционные и мембранные. Возможности современных осушителей (рисунок 2), представленных в каталоге, позволяют получить разную точку росы под давлением и рассчитаны на разную пропускную способность. Рефрижераторные осушители позволяют получить точку росы сжатого воздуха только в области положительных температур до +3°C, так как осушка воздуха осуществляется за счет принудительного охлаждения, а пропускаемый расход находится в диапазоне от 20 до 13200 Нм³/ч. Мембранные осушители работают в составе локальных систем с небольшим расходом – от 3 до 180 Нм³/ч и позволяют обеспечивать точку росы в положительной и отрицательной областях (+15…–40°C). Адсорбционные осушители обеспечивают точку росы до –70°C. Пропускная способность осушителей с холодной регенерацией равна от 6 до 6500 Нм³/ч, с горячей регенерацией – от 390 до 20200 Нм³/ч.

Рисунок 2 – Параметры осушителей воздуха Camozzi

Типовая конструкция рефрижераторного осушителя сжатого воздуха показана на рисунке 3. Его основными компонентами являются теплообменник 1 (или испаритель), компрессор 4, конденсатор 5 и расширительное устройство 8 (капиллярная трубка или дроссель). Холодильный модуль осушителя разделен на две части: воздушный контур и контур циркуляции хладагента. По воздушному контуру протекает сжатый воздух и осушается вследствие понижения его температуры. В контуре циркуляции хладагента происходит передача тепла от теплообменника к конденсатору. Температура окружающей среды, где установлен осушитель рефрижераторного типа, не должна превышать номинальных значений, указанных в каталоге. Также важно сохранить конденсатор в чистоте, защитив от пыли и других загрязнений.

Рисунок 3 – Типовая конструкция рефрижераторного осушителя

Рассмотрим особенности работы контура циркуляции хладагента. На первом этапе происходит сжатие поршневым компрессором хладагента в фазе газа под низким давлением. На выходе компрессора давление и температура газообразного хладагента повышаются. На втором этапе происходит конденсация хладагента. Газообразный хладагент, проходя через конденсатор (змеевидная трубка, находящейся в условия температуры окружающей среды), охлаждается и переходит в жидкую фазу под высоким давлением. Конденсатор изготовлен из медного трубопровода, окруженного пакетом из алюминиевых ребер. Процесс охлаждения осуществляется с помощью вентилятора, создающего воздушный поток внутри осушителя и перемещающего воздух через ребристый пакет. Затем хладагент в жидком виде проходит через фильтр 7, расположенный перед расширительным устройством. Функция фильтра заключается в удалении влаги и загрязнений из системы циркуляции, которые могут появиться при длительном использовании осушителя. В результате этого может уменьшиться смазка компрессора и заблокироваться расширительное устройство. Третьим этапом является расширение хладагента (снижение давления) при его протекании через расширительное устройство для эффективного испарения при заданной температуре в теплообменнике. Хладагент находится в фазе жидкости и газа с низкой температурой и низким давлением. Чем меньше давление на выходе, тем ниже температура испарения. Четвертая стадия – испарение хладагента в теплообменнике и полный переход из жидкой фазы в газообразную. Теплообменник сконструирован таким образом, чтобы предотвратить попадание жидкого хладагента в компрессор, что исключает повреждение компрессора. В момент прохождения хладагента через теплообменник ему передается тепло проходящего воздуха, что приводит к дальнейшему испарению хладагента. В результате изменения фазы образуется газ с низким давлением и высокой температурой, который снова возвращается в компрессор, и цикл повторяется.

Кратко опишем процесс прохождения сжатого воздуха через рефрижераторный осушитель (рисунок 3). Горячий влажный воздух поступает в теплообменник типа «воздух-воздух» (a). Затем воздух проходит через теплообменник типа «воздух-хладагент» (b), температура воздуха снижается примерно до +2°C, в результате чего водяной пар в потоке непрерывно конденсируется в жидкую фазу и собирается во влагоуловителе (c) с последующим удалением через устройство отвода конденсата 9. Количество конденсата зависит от температуры на входе и точки росы. Чем больше разница температур, тем больше количество конденсата выделяется. Выходящий из осушителя воздух все еще содержит небольшое количество паров воды. Чтобы снизить риск образования конденсата, холодный воздух перед выходом проходит через теплообменник типа «воздух-воздух», нагревается входящим потоком и выходит под давлением из осушителя с температурой на +10…+15°C ниже, чем температура входящего воздуха, и точкой росы +3°C. Клапан перепуска горячего газа 6 впрыскивает часть горячего газа в трубу между теплообменником и стороной всасывания компрессора, поддерживая постоянную температуру испарения на уровне приблизительно +2°С. Этот впрыск предотвращает образование льда внутри теплообменника при любых условиях эксплуатации и нагружения. Следует избегать замерзания теплообменника во время работы без нагрузки или частичной нагрузки.

Рефрижераторные осушители серии RD-N (рисунок 4) были разработаны для снижения точки росы сжатого воздуха до +3°C. Осушители устанавливаются в составе компрессорных установок, после компрессора или доохладителя. По сравнению с адсорбционными или мембранными осушителями рефрижераторные осушители являются наиболее эффективными с точки зрения энергопотребления. Производительность рефрижераторных осушителей подбирается в соответствии с производительностью компрессора (от 3 до 120 кВт) с выходным расходом от 20 до 13200 Нм³/ч. В рефрижераторных осушителях используется хладагент – R134a или R407c. Они сохраняют высокую производительность при низком перепаде давления при высоких температурах окружающей среды (до +45°C) и высоких температурах воздуха на входе (до +55°C). Характеристики осушителей представлены в каталоге при следующих условиях: температура окружающей среды +25°С, избыточное давление воздуха 7 бар при температуре на входе +35°С.

Рисунок 4 – Рефрижераторные осушители серии RD-N

Компактный теплообменник из нержавеющей стали повышает эффект теплообмена и стойкость к износу этого элемента. При проведении сервисных работ с боковых сторон корпуса осушителя демонтируются быстросъемные крышки, тем самым обеспечивается полный доступ ко всем компонентам устройства. Для отвода конденсата используется конденсатоотводчик серии EMD12. Для предотвращения загрязнений теплообменника осушителя, приводящих к снижению эффективности, необходима установка на входе в осушитель префильтра, обеспечивающего тонкость фильтрации 1 мкм.

Адсорбционные осушители предназначены для непрерывного отделения водяного пара из сжатого воздуха и глубокой осушки сжатого воздуха. К областям применения таких осушителей относятся автомобильная и железнодорожная отрасли, медицина, электронная, нефтехимическая, пищевая промышленности, производство напитков, лабораторное производство, общепромышленное использование. Примерами могут служить распыление краски, системы лазерной резки, розлив жидкостей, упаковка продукции, воздух для инструментов, пневматические моторы, условия, где риск замерзания системы большой, а также для обеспечения процессов, где необходимо высокое качество подготовки сжатого воздуха.

Принцип работы осушителей основан на свойствах адсорбента (высокопористого твердого тела) задерживать на своей поверхности молекулы воды под действием электростатических и молекулярных сил. Скорость адсорбции зависит от нескольких факторов: типа адсорбента, относительной влажности, температуры воздуха на входе, времени контакта, скорости воздушного потока. Процесс адсорбции индивидуален, устанавливается и оптимизируется для каждого отдельного применения. Адсорбент – материал, обычно поставляемый в виде шариков, и от его типа во многом зависит обеспечиваемая точка росы. В качестве адсорбентов обычно применяют несколько веществ: силикагель, активированный оксид алюминия (алюмогель) или молекулярное сито.

Схема работы адсорбционного осушителя с холодной регенерацией показана на рисунке 5. Насыщенный влагой сжатый воздух со входа 1 проходит через коалесцентный фильтр 13 с отводчиком конденсата 15, и далее направляется в нижний блок управления 7, проходя через 2/2 электромагнитный клапан 8 в левую колонну 3, в которой происходит адсорбция под давлением.

Для лучшей производительности и более высокой надежности в колонны помещены минимум два типа адсорбента. Далее осушенный воздух поступает в верхний блок управления 6, проходя через обратный клапан 10 и пылевой фильтр 14 на выход 2 к потребителю. При этом часть потока (10-20%, в зависимости от размера осушителя) проходит через дроссель 11 и попадает в правую колонну. В правой колонне насыщенный влагой адсорбент 4 регенерируется при помощи части уже осушенного сжатого воздуха, идущего в обратном направлении при небольшом избыточном давлении. Регенерация насыщенного адсорбента происходит потому, что небольшая часть уже сухого сжатого воздуха расширяется и при расширении становится очень сухой, способной эффективно впитывать влагу из отработавшего адсорбента. Затем впитанные молекулы воды выводятся в окружающую среду через другой клапан 8 и глушитель 9, обеспечивающий низкий уровень шума и защиту от попадания пыли внутрь конструкции осушителя. Когда левая колонна насыщается влагой до определенного уровня, происходит переключение колон с помощью контроллера 5, и процесс адсорбции продолжается в правой колонне без падения давления на выходе из осушителя. Движение адсорбента приводит к трению и, как следствие, снижению эффективности осушения. Чтобы этого избежать, каждая колонна укомплектована пружиной 17, которая давит сверху на слой адсорбента через сетку из нержавеющей стали 16, а в нижней части он поддерживается сеткой 19. Фиксация пружины обеспечивается предохранительным кольцом 18. Манометрами 12 отслеживается уровень давления в колоннах в сочетании со светодиодной индикацией на контроллере.

Рисунок 5 – Схема адсорбционного осушителя

В каталоге представлено три серии осушителей с холодной регенерацией: ADS, ADM и ADL, которые отличаются, в основном, своей производительностью и контроллером управления.

Адсорбционный осушитель серии ADS показан на рисунке 6. Осушитель содержит две съемные колонны, наполненные высококачественным адсорбентом, контроллер, электромагнитные клапаны, манометры, блок управления и фильтры со всеми необходимыми элементами. Контроллер содержит современный электронный интерфейс с LCD-дисплеем, четыре кнопки управления электромагнитными клапанами (230 V AC), три индикатора, осуществляет функцию контроля слива конденсата (230 V AC). Колонна и внешние металлические детали покрыты эпоксидной порошковой краской, а другие детали анодированы для предотвращения оксидирования. Конструкция обеспечивает быструю установку и простое сервисное обслуживание в течение нескольких минут. Пропускная способность составляет от 6 до 600 Нм³/ч. В стандартной комплектации на входе в осушитель установлен коалесцентный фильтр 0,01 мкм, а на выходе – пылевой фильтр 1 мкм. Если осушитель поставляется без фильтра, то на входе необходимо обеспечить качество воздуха класса 1 (ISO 8573-1:2010) по твердым частицам и маслу. Основные характеристики:

• давление: 4…16 бар
• расход на входе (избыточное давление 7 бар, температура окружающей среды 20°C, температура воздуха на входе 35°C, точка росы -40°C): 6…200 Нм3/ч
• расход на выходе: 4,7…158 Нм³/ч
• точка росы: –40 (–25 / –70)°C
• потери расхода: 15-20%
• присоединение: G1/2…G1 1/2
• температура: 1,5…50°C
• потребляемая мощность: <30 Вт
• степень защиты: IP65.

Рисунок 6 – Адсорбционный осушитель серии ADS

Осушитель может работать в двух режимах: фиксированный режим (работа по стандартному циклу) и режим ожидания (энергосберегающий). Фиксированный цикл оптимизирован на работу с низким энергопотреблением. Переход в режим ожидания происходит при получении контроллером сигнала от компрессора или другого источника сжатого воздуха, в момент его остановки. При этом два входных клапана переключаются в открытое положение, клапаны сброса закрываются, и сжатый воздух протекает со входа на выход через обе колонны. Между тем контроллер готов возобновить нормальную работу, как только он получает соответствующий сигнал. Устанавливают осушитель централизованно в рамках компрессорных станций или локально (в требуемом месте использования, на транспортных средствах, машинах и поездах).

Адсорбционные осушители серии ADM и ADL (рисунок 7) предназначены для использования в рамках компрессорных станций. Рассчитаны на постоянную нагрузку и большую производительность в сравнении с серией ADS. По умолчанию осушители оснащены входным коалесцентным и выходным пылевым фильтрами. Основные характеристики осушителей:

• давление: 4…16 бар
• расход на входе: 110…1000 Нм³/ч (ADM), 1200…6500 Нм³/ч (ADL)
• расход на выходе: 86…784 Нм³/ч (ADM), 936…5070 Нм³/ч (ADL)
• точка росы: –40 (–25 / –70)°C
• потери расхода: 15-20%
• присоединение: G1/2…G2 (ADM), DN50…DN125 (ADL)
• температура: 1,5…50°C
• потребляемая мощность: <60 Вт
• степень защиты: IP65.

Рисунок 7 – Адсорбционные осушители серии ADM и ADL

Работа осушителей возможна в трех режимах. Помимо фиксированного режима и режима ожидания опционально осушители могут работать до 2 часов в энергосберегающем переменном режиме с контролем точки росы под давлением (при условии наличия датчика точки росы). Зачастую осушители работаю с неполной загрузкой, поэтому количество осушенного сжатого воздуха для регенерации может быть пропорционально уменьшено. Контроль низкой загруженности обеспечивается датчиком точки росы, а контроллер автоматически переключает режимы работы, чтобы свести к минимуму потери энергии. Контроллер управления с LCD-дисплеем имеет дискретный вход для приема сигнала «Режим ожидания», аналоговый вход для подключения датчика точки росы (4-20 мА), релейные выходы (230 V AC) для управления электромагнитными клапанами и конденсатоотводчиком. Распределение потока воздуха в колонны осушителей серии ADL происходит с помощью поворотных дисковых затворов с пневматическим приводом. Для управления ими на корпусе осушителя располагается шкаф управления, внутри которого установлены устройства подготовки воздуха, распределители управления приводами затворов. 

Правила выбора рефрижераторных осушителей и адсорбционных осушителей с холодной регенерацией основаны на учёте рабочих параметров, таких как рабочее давление, температура воздуха на входе, температура окружающей среды и желаемая точка росы. В каталоге по этим параметрам определяются соответствующие коэффициенты из таблиц с корректирующими факторами. Поскольку в каталоге указан расход осушителя при номинальных параметрах, то переход к реальным значениям всегда осуществляется умножением номинального расхода из каталога на соответствующие коэффициенты, обратная задача всегда решается делением на коэффициенты.

Если объем потребления сжатого воздуха не может быть обеспечен осушителями с холодной регенерацией, то применяют адсорбционные осушители с горячей регенерацией. Очень часто осушители с горячей регенерацией изготавливают без потерь сжатого воздуха, то есть воздух не сбрасывается в атмосферу. Осушитель имеет две колонны, помещенные в теплообменники, которые работают попеременно. Адсорбция происходит под давлением в первой колонне, в то время как во второй колонне происходит регенерация, перед началом которой давление в колонне снижается до атмосферного. Регенерация проходит в два этапа: первый – регенерация горячим воздухом, который берется из атмосферы, под давлением вакуума, вторая – охлаждение атмосферным воздухом. Схема осушителя представлена на рисунке 8. На входе G1 и выходе G0 осушителя установлены фильтры (коалесцентный F1, пылевой F2) и датчики температуры (ТТ01, ТТ04). Проходя через шаровой кран V1 с пневматическим приводом, влажный воздух попадает в колонну А1, где происходит адсорбция. Индикатор PI01 и датчики PT01 фиксируют давление внутри колонны и на выходе из нее. Далее осушенный сжатый воздух через шаровой кран V7 и обратный клапан CV1 идет на выход. Одновременно с этим в колонне А2 происходит процесс регенерации, но уже без затрат осушенного сжатого воздуха. С помощью вакуумного компрессора M1 воздух засасывается из атмосферы, проходя через электрический нагреватель H1, и его температура повышается. Затем через шаровой кран V5 горячий воздух поступает в колонну A2, в которой происходит процесс регенерации благодаря способности горячего воздуха удерживать большее количество влаги в форме пара. Как только температуры на выходе из колонны станет равной максимальному заданному значению, начинается процесс охлаждения (нагреватель H1 отключается). После этого, давление в колонне повышается, чтобы обеспечить требуемый уровень давления питания. 

Рисунок 8 – Схема работы адсорбционного осушителя с горячей регенерацией

В каталоге осушитель с горячей регенерацией представлен серией R-DRY (рисунок 9).

Управление осушителем происходит от двух шкафов – пневматического и электрического. На лицевую панель электрического шкафа выведена панель оператора. Как опция доступны два цифровых протокола подключения – Profibus, Profinet.

Основные характеристики:

• давление: 4…11 бар
• производительность: 390…20200 Нм³/ч
• присоединение: DN50…DN250
• точка росы: –40°C
• рабочая температура: 1,5…42,5°C
• температура окружающей среды: 1,5…50°C
• степень защиты: IP54.

Рисунок 9 – Адсорбционный осушитель серии R-DRY

Мембранный осушитель представлен серией M-DRY (рисунок 10). Конструктивно состоит из водоразделительной мембраны, которая пропускает сухой воздух на выход, а молекулы воды осаждаются на поверхности. В зависимости от значения точки росы процент удаления паров воды может быть разным (чем ниже точка росы, тем больше влаги удаляется). Например, при точке росы, равной –40°C, удаляется 99,77% паров воды, а при +15°C – 69,7%. Часть осушенного воздуха (10-30%) тратится на регенерацию мембраны, и этот воздух проходит по наружной части. Конденсат отводится через отверстие в мембранном осушителе вместе с осушенным воздухом. Мембранные осушители применяются в автомобильной промышленности, локальных системах осушки воздуха (1-2 потребителя), устройствах, требующих низкую точку росы, в пневмоавтоматике, медицинских установках.

Основные характеристики:

• точка росы: +15 / +3 / –20 / –40°C
• давление: 0…12 бар
• перепад давления: 50…400 мбар
• производительность (при входных параметрах: давление 7 бар, точка росы +35°C, точка росы на выходе +15°C): 3…180 Нм³/ч
• присоединение: G1/4, G1/2, G1
• температура: 1,5…60°C
• установка, вертикальная, горизонтальная.

Рисунок 10 – Мембранный осушитель серии M-DRY

Точка росы существенно зависит от расхода, пропускаемого через конкретный типоразмер осушителя мембранного типа. При номинальном расходе 3000 Нл/мин осушитель наибольшего типоразмера обеспечивает точку росы под давлением +15°C, однако при расходе 1025 Нл/мин тот же типоразмер уже снижает точку росы под давлением до –40°C. Качество сжатого воздуха на входе в осушитель должно соответствовать 1-му классу по твердым частицам и маслу согласно ISO 8573-1:2010. Для этого перед осушителем необходимо устанавливать коалесцентный фильтр сверхтонкой очистки. Если качество воздуха будет не соответствовать указанным требованиям, то мембрана может быть повреждена. На выходе осушителя должен быть установлен фильтр 1 мкм для исключения попадания пыли к потребителю.

В заключении стоит еще раз отметить, что борьба с загрязнениями, присутствующими в сжатом воздухе, всегда является актуальной. Если не принимать соответствующие меры, то это неизбежно приведет к многочисленным проблемам: образованию коррозии, быстрому засорению и выходу из строя элементов пневмоавтоматики, повышению затрат на производство энергии, простою оборудования, снижению качества выпускаемой продукции и многому другому. Правильно организованная подготовка воздуха позволяет этого избежать.

Решение задачи проектирования или модернизации магистральной системы подготовки сжатого воздуха на предприятии всегда является процессом, который требует учитывать множество разных факторов и нюансов. Начиная от места установки и эксплуатации системы, типа, производительности и количества компрессоров, значениями суммарного потребления воздуха, параметрами окружающей среды, заканчивая требованиями к сжатому воздуху на выходе из системы подготовки (класс очистки сжатого воздуха, температура точки росы) и ряду других параметров, являющихся специфичными для конкретного производства. Дальнейший подбор оборудования также является ответственным шагом, сделать который помогают специалисты компании Camozzi. Касаясь вопроса работы с оборудованием, изделия сопровождаются руководствами по монтажу и эксплуатации, паспортами. В случае проведения регламентных или ремонтных работ, есть возможность заказа ремонтных комплектов (фильтроэлементы, фильтры, уплотнения, глушители, трубопроводы, клапаны, дисковые затворы, приводы, адсорбенты). Дополнительную информацию о продукции можно всегда получить на технических семинарах компании, проходящих в учебных центрах в России, и у инженеров, обеспечивающих полную поддержку клиентов на всех этапах взаимодействия.

Антон Федорович Синяков,

инженер по развитию учебных программ

и продажам учебного оборудования Учебно-научного центра,

sinyakov@camozzi.ru

Сергей Андреевич Арфикян,

начальник отдела системной интеграции,

arfikyan@camozzi.ru

ООО «Камоцци Пневматика»

Сайт: www.camozzi.ru

Тел.: +7 (495) 786- 65- 85

Предыдущая статья: 

НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ КАМОЦЦИ: МАГИСТРАЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА СЖАТОГО ВОЗДУХА (ЧАСТЬ 1)