Компрессор, всасывающий атмосферный воздух с температурой 30 °C и относительной влажностью 70 процентов, каждый час втягивает через впускное отверстие несколько литров водяного пара. После того как этот воздух сжимается и охлаждается в ресивере и трубопроводах, пар превращается в жидкость, а ущерб наступает постепенно и обходится дорого: заржавевшие коллекторы, эмульгированная смазка в пневматических инструментах, «рыбьи глазки» в краске, бракованные партии на пищевых и фармацевтических линиях, замерзшие трубы в неотапливаемом цехе. Осушитель предотвращает всё это, однако две основные технологии работают на совершенно разных уровнях и имеют очень разные эксплуатационные расходы.
Холодильный воздухосушитель охлаждает сжатый воздух до температуры около +3 °C, обеспечивая точку росы под давлением около 38 °F, чего достаточно для подачи воздуха к установкам внутри помещений и для работы пневматических инструментов в отапливаемых зданиях. Регенеративный осушитель воздуха пропускает воздух через слой адсорбента, который удаляет водяной пар до точки росы под давлением −40 °C, или −70 °C в версиях высокой чистоты, и он является правильным выбором в тех случаях, когда температура любой части системы опускается ниже точки замерзания или технологический процесс категорически не допускает наличия влаги. Решение зависит от точки росы, необходимой для вашего предприятия, а не от того, какое устройство выглядит более мощным в коммерческом предложении.
В приведенных ниже разделах подробно рассматриваются физические аспекты, эксплуатационные расходы и последствия для технического обслуживания, связанные с этим единственным показателем.
Настоящее различие заключается в давлении точки росы, а не в конструкции осушителя
Холодильные осушители удаляют воду путем конденсации и не могут опускаться ниже температуры замерзания воды внутри собственного теплообменника, поэтому температура на выходе у них находится чуть выше +3 °C. Адсорбционные осушители удаляют воду путем адсорбции — процесса, основанного на химии поверхностей, не имеющего подобного ограничения, — поэтому они стандартно достигают температуры −40 °C, а при необходимости — −70 °C. Стоимость, техническое обслуживание и сложность конструкции обусловлены именно этим единственным физическим ограничением.
Точка росы под давлением — это температура, при которой влага в воздухе под линейным давлением начинает конденсироваться. Она измеряется при данном давлении, и разница с атмосферной точкой росы достаточно велика, чтобы привести к погрешностям в технических характеристиках: воздух, осушенный до −40 °C при давлении 7 бар, имеет атмосферную точку росы около −57 °C. Указанное значение без указания источника мало что говорит, поэтому точка росы в системах сжатого воздуха необходимо сравнивать при давлении, при котором система фактически работает. Практическое правило заключается в том, чтобы определить самую холодную поверхность, с которой воздух может когда-либо соприкасаться (обычно это наружный участок трубопровода, линия, ведущая в неотапливаемое хранилище, или оборудование рядом с погрузочными воротами), и задать точку росы под давлением, которая должна быть как минимум на 20 °F (около 11 °C) ниже этой температуры.
Что на практике означают классы влажности по стандарту ISO 8573-1
В настоящее время в большинстве корпоративных технических требований в качестве ориентира используется международный стандарт чистоты, а не просто значение температуры.
| Класс влажности | Точка росы под давлением | Содержание воды при давлении 7 бар | Тип сушилки, который соответствует этим требованиям |
| Класс 1 | −70 °C и ниже | Менее 0,03 г/м³ | Осушитель, высокоэффективный слой |
| 2-й класс | −40 °C и ниже | Около 0,12 г/м³ | Стандартный осушитель |
| 3-й класс | −20 °C и ниже | Около 0,9 г/м³ | Осушитель или холодильная система плюс специальная ступень |
| 4-й класс | +3 °C или ниже | Около 6 г/м³ | Холодильный |
| 5-й класс | +7 °C или ниже | Около 7,7 г/м³ | С охлаждением, высокая температура на входе |
| 6-й класс | +10 °C или ниже | Около 9,4 г/м³ | Базовый рефрижераторный, для тяжелых условий эксплуатации |
Разница между классами 4 и 2 заключается в том, что в классе 2 потребляется примерно в пятьдесят раз меньше воды, поэтому эти две технологии не являются взаимозаменяемыми в верхнем сегменте диапазона. Стандарт опубликован как ISO 8573-1:2010 и классифицирует частицы, воду и масло по трем независимым осям, поэтому полная спецификация представляет собой три числа, а не одно.
Как работает холодильный осушитель воздуха
Холодильный осушитель охлаждает сжатый воздух до температуры около +3 °C, обеспечивает конденсацию паров в капли, механически отделяет эти капли и отводит их. Это стандартный осушитель для воздушных компрессоров на большинстве предприятий, поскольку он обеспечивает стабильную точку росы при низких капитальных затратах и потребляет умеренную, предсказуемую мощность от 0,8 до 1,0 кВт на 100 кубических футов в минуту.
Цикл состоит из четырёх этапов. Горячий насыщенный воздух предварительно охлаждается в воздушно-воздушном теплообменнике за счёт холодного сухого воздуха, выходящего из осушителя, что позволяет рекуперировать большую часть энергии охлаждения. Затем он поступает в испаритель, где хладагент охлаждает его до температуры около +3 °C, и пар конденсируется. Устройство удаления конденсата или гравитационный сепаратор удаляет капли, а сливной трубопровод отводит конденсат. Холодный сухой воздух возвращается через предварительный охладитель, поглощая тепло, что снижает его относительную влажность и предотвращает образование конденсата на последующих участках трубопровода.
Существуют три ситуации, в которых данная технология не справляется. Трубопровод, проходящий на открытом воздухе, зимой охлаждается до температуры ниже +3 °C, в результате чего воздух с точкой росы +3 °C конденсируется, а затем замерзает внутри него. В процессах, чувствительных к влажности, таких как воздух, контактирующий с продукцией в пищевой промышленности, при розливе фармацевтических препаратов, при работе с полупроводниками или в окрасочных камерах, допустимое содержание влаги не может превышать 6 г/м³. Кроме того, требования, предъявляемые к классу 2 или классу 1, невозможно выполнить за счет одного лишь конденсата. В каждом из этих случаев установка не является неисправной; от неё требуют того, что физика не допускает.
Как работают адсорбционные осушители и сколько стоит каждый тип при использовании продувочного воздуха
В осушителе с адсорбционным наполнителем воздух проходит через слой активированного оксида алюминия или молекулярного сита, на поверхности гранул которого удерживаются молекулы воды. Поскольку слой насыщается, две колоны работают поочередно: одна осушает, а другая регенерирует, причем переключение происходит по фиксированному циклу или при достижении заданной точки росы. Именно на регенерации приходится основная часть эксплуатационных затрат, поскольку в большинстве конструкций для удаления влаги из слоя используется часть самого осушённого сжатого воздуха.
| Тип | Метод регенерации | Объем продувочного воздуха как доля номинального расхода | Где это применимо |
| Без нагрева (с переменным давлением) | Осушенный воздух расширяется до атмосферного давления и прогоняет воздух из неактивного слоя | от 15 до 20 процентов | Небольшие и средние расходы, низкая точка росы при ограниченном бюджете |
| С внешним нагревом | Нагреватель повышает температуру продувочного воздуха, благодаря чему требуется меньший его объем | от 5 до 8 процентов | Средние и крупные потоки, где важна энергия |
| Продувка вентилятора | Внешний вентилятор подаёт нагретый воздух из окружающей среды, практически не потребляя сжатого воздуха | от 1 до 3 процентов | Большие расходы при большом количестве часов работы |
Почему показатель очистки — это тот показатель, который имеет значение
Воздух для продувки уже прошел сжатие, осушение и фильтрацию, а затем сбрасывается. В системе производительностью 500 кубических футов в минуту (cfm) осушитель с адсорбционным наполнителем без нагрева При 15-процентном загрузке система непрерывно потребляет 75 кубических футов в минуту, что соответствует примерно 13–14 кВт энергии на сжатие за каждый час работы установки под давлением. Это более чем в три раза превышает потребление электроэнергии холодильного осушителя того же размера до проведения технического обслуживания. Конструкции с подогревом и продувкой вентилятором сокращают потери воздуха, но требуют дополнительной мощности нагревателя или вентилятора и увеличения количества движущихся частей, поэтому выбор сводится к компромиссу между расходом воздуха, потреблением электроэнергии и сложностью конструкции, а не между низкой и высокой стоимостью.
Проблема усугубляется при частичной нагрузке. Без регулирования по точке росы осушитель без нагрева продувает один и тот же фиксированный объем воздуха независимо от того, работает ли установка на полной мощности или на треть мощности, поэтому сокращение потребности в воздухе вдвое приводит к удвоению доли продувки. Именно по этой причине переключение колонок в зависимости от измеренной точки росы на выходе, а не по таймеру, является наиболее эффективной мерой.
Холодильные и адсорбционные системы: сравнение по основным параметрам
Холодильные осушители выигрывают по стоимости оборудования, эксплуатационным расходам и простоте эксплуатации везде, где достаточно температуры +3 °C. Адсорбционные осушители выигрывают по способности обеспечивать нужную точку росы и являются единственным вариантом, когда воздух подвергается воздействию температур ниже нуля или технологический процесс требует класса 2 или выше. Ни один из этих типов не является эффективным в абсолютном выражении; каждый из них эффективен в рамках своих собственных ограничений.
| Фактор | Холодильный осушитель | Сушилка с осушителем |
| Точка росы под давлением | +3 °C (около 38 °F) | −40 °C — стандартная версия, −70 °C — по запросу |
| Остаточное содержание воды | Около 6 г/м³ при давлении 7 бар | Около 0,12 г/м³ при −40 °C |
| Капитальные затраты | Исходные данные | в 1,5–2,5 раза выше при том же расходе |
| Потребление энергии | от 0,8 до 1,0 кВт на 100 куб. футов в минуту, при постоянной нагрузке | Эквивалент промывки плюс нагрузка на нагреватель или вентилятор |
| Эксплуатационные расходы | Исходные данные | Как правило, в четыре–шесть раз выше для конструкций без нагрева |
| Объем технического обслуживания | Фильтры, сливные клапаны, холодильный контур | Фильтры, клапаны, глушители, периодическая замена фильтрующих материалов |
| Срок службы расходных материалов | Отсутствие расходных материалов, герметичный контур | Средства массовой информации — каждые 3–5 лет (без подогрева), каждые 2–3 года (с подогревом) |
| Габариты и вес | Компактные, часто устанавливаемые на салазках | Более крупные и тяжелые — два судна |
| Характеристики при частичной нагрузке | Стабильная точка росы, более низкое абсолютное потребление | Без регулирования спроса доля очистки резко возрастает |
| Лучшая посадка | Воздух в помещениях с комнатными растениями, инструменты, производство в целом | Наружные трубопроводы, пищевая промышленность, фармацевтика, электроника, приборный воздух |
Строка «точка росы» определяет технические возможности; строка «эксплуатационные расходы» определяет, насколько эти возможности доступны с финансовой точки зрения. Предприятие, которое закупает осушитель для воздуха, который никогда не покидает отапливаемое здание, ежемесячно переплачивает в четыре–шесть раз за сухость, которой оно не может воспользоваться.
Сколько обойдётся эксплуатация каждого типа в течение десяти лет
На энергозатраты приходится примерно 80 процентов затрат на производство сжатого воздуха, тогда как доля затрат на оборудование составляет незначительную часть. В случае с осушителем это означает, что разница в стоимости приобретения двух технологий окупается в течение нескольких лет, а остальное определяют расходы на электроэнергию и продувку.
Наглядный пример позволяет наглядно продемонстрировать разницу. Рассмотрим систему производительностью 500 кубических футов в минуту, работающую 8 000 часов в год при стоимости электроэнергии 0,10 за кВт·ч.
| Статья расходов | Холодильный осушитель | Осушитель с осушительным веществом без нагрева |
| Расход продувочного воздуха | Нет | 75 кубических футов в минуту в непрерывном режиме |
| Эквивалентная мощность | 4,5 кВт, только сушилка | 13,5 кВт для продувки плюс 0,3 кВт для систем управления |
| Годовая энергия | Около 36 000 кВт·ч | Около 110 000 кВт·ч |
| Годовые расходы на энергию | Около 3 600 | Около 11 000 |
| Ежегодное техническое обслуживание, в среднем | Около 300 | Около 900, включая амортизацию носителей информации |
| Расходы на эксплуатацию за десять лет | Около 39 000 | Около 119 000 |
Термин «холодильный агрегат» охватывает холодильный компрессор, вентиляторы и системы управления, то есть то, что холодосушитель с воздушным охлаждением на типичной установке. В расходе осушителя преобладает объем продувки, поэтому существуют варианты с подогревом и с использованием вентилятора: они переносят затраты с потерь сжатого воздуха на затраты на покупную электроэнергию, и на крупных установках такой перенос, как правило, оправдан.
В федеральных рекомендациях с системной точки зрения делается тот же вывод. Осушение воздуха, необходимого для технологического процесса, до температуры ниже точки росы требует затрат энергии, не приносящих никакой эксплуатационной выгоды, а перепад давления в системе очистки сам по себе является постоянной статьёй расходов, поскольку каждый дополнительный бар, необходимый для прогона воздуха через сушилку с ограниченным проходом, увеличивает расходы на электроэнергию примерно на 7 процентов. В качестве ориентира служит Справочник по улучшению качества сжатого воздуха, в которой процесс сушки рассматривается как один из восьми компонентов системы, от которых зависит эффективность процесса.
Срок службы осушителя и периодичность его замены
При нормальной эксплуатации корпус осушителя служит от 15 до 20 лет, однако адсорбент является расходным материалом. В осушителях без подогрева замена адсорбента обычно требуется каждые 3–5 лет, а в моделях с подогревом — каждые 2–3 года, поскольку многократный нагрев ускоряет износ адсорбента. Замена осуществляется в рамках планового сервисного визита, а не в ходе капитального ремонта: отработанные гранулы удаляются, а на их место загружается новый адсорбент, как правило, во время планового простоя.
Что сокращает срок службы осушителя
Сбои в работе носителя почти всегда вызваны факторами, лежащими выше по цепочке, а не самими микросферами.
- Остаток нефти. Перенасыщенный или отсутствующий коалесцирующий фильтр образует налет на шариках и закупоривает поры, что приводит к необратимому снижению производительности. Это наиболее частая причина преждевременной замены.
- Попадание жидкой воды в слой. В случае выхода из строя сепаратора или сливного устройства, расположенных выше по потоку, конденсат, поступающий порциями, приводит к растрескиванию и истиранию наполнителя.
- Чрезмерное катание на велосипеде. Осушитель, рассчитанный на пиковый расход, но работающий с расходом, составляющим лишь небольшую часть от него, переключает колонны гораздо чаще, чем это необходимо.
- Высокая температура на входе. Производительность снижается по мере повышения температуры на входе, поэтому агрегат, в который поступает воздух температурой 45 °C вместо номинальной 38 °C, фактически оказывается недостаточно мощным.
- Потери давления в загрязнённом слое. Рост перепада давления свидетельствует о образовании каналов или сдавливании среды и приводит к постоянным энергозатратам.
Можно ли повторно использовать осушитель?
Здесь путают два значения термина «повторное использование». Внутри осушителя одни и те же гранулы регенерируются тысячи раз, как правило, в течение цикла, длительность которого измеряется минутами, поэтому по замыслу наполнитель используется непрерывно. Как сыпучий материал, отработанный осушитель можно реактивировать вне линии путем нагрева до температуры примерно от 175 до 350 °C с использованием сухого продувочного газа. На производственном предприятии это редко бывает экономически целесообразно: наполнитель загрязнён маслом и твердыми частицами, износ уже снизил его прочность на раздавливание, а обращение с сыпучими гранулами обходится дороже, чем с новым материалом. Реалистичный подход заключается в том, что слой регенерируется в процессе эксплуатации в течение трёх–пяти лет, а затем заменяется.
Неисправность проявляется раньше, чем это показывает календарь: в виде повышения точки росы на выходе при постоянной нагрузке, сокращения интервала между переключениями градиентной колонны в установке с регулированием по потребности, появления фрагментов капель на последующем фильтре или увеличения перепада давления. Любой из этих признаков является основанием для проверки точки росы.
Когда правильным ответом являются оба варианта
Большинству установок, которым требуется температура −40 °C, она нужна только на одной линии, а не на каждом кубическом метре воздуха. Холодильный осушитель, обслуживающий всю установку, в сочетании с небольшим адсорбционным осушителем, установленным непосредственно в точке потребления на критической линии, обычно обходится дешевле при покупке и значительно дешевле в эксплуатации, чем система адсорбционных осушителей, охватывающая всю установку.
Типичными примерами являются: отдельный наружный трубопровод к удаленному зданию, окрасочная камера на заводе общей сборки, лаборатория или ветка подачи приборного воздуха, а также упаковочная линия, на которой регулируется воздух, контактирующий с продукцией, в то время как воздух для инструментов не регулируется. Существуют два правила, определяющих порядок установки: на осушительную установку должен поступать сухой воздух, поэтому холодильный осушитель устанавливается первым; кроме того, ему требуется собственный коалесцирующий фильтр, поскольку наполнитель, подверженный попаданию масла, выходит из строя преждевременно, независимо от того, насколько эффективно работает основной осушитель.
Как правильно выбрать сушилку
Выбор определяется пятью параметрами: максимальный расход в единицах измерения, используемых поставщиком, минимальное и максимальное входное давление, максимальная температура входящего воздуха, требуемая точка росы под давлением и допустимый перепад давления. Если поставщику будет указана только величина расхода, он будет рассчитывать размеры оборудования на основе допущений, причем эти допущения будут оптимистичными.
Именно в условиях на входе возникает большинство неточностей в технических характеристиках. Осушитель, рассчитанный на входную температуру 38 °C, теряет значительную часть своей производительности при 45 °C, а воздух, выходящий из компрессора без надлежащего послеохлаждения, легко достигает этой температуры. Учет входной температуры, давления и условий окружающей среды — вот что отличает осушитель, способный поддерживать точку росы в августе, от того, который этого не может.
Пять типичных ошибок в технических заданиях
- Указание точки росы атмосферы при оценке процесса при давлении в трубопроводе, что приводит к завышению показателя сухости примерно на 17 °C.
- Расчет мощности исходя из номинального расхода, а не из измеренной пиковой нагрузки, что, как правило, приводит к завышению мощности и, в случае адсорбционных установок, к чрезмерному количеству циклов работы.
- Отказ от установки коалесцирующего фильтра перед слоем осушителя, что сокращает срок службы фильтрующего материала до доли от номинального значения.
- Игнорируя перепад давления в осушителе, затем повышая заданное значение давления компрессора для компенсации и бесконечно расходуя на 7 процентов больше энергии на каждый бар.
- Приобретение осушительной установки для завода, на котором никогда не бывает морозов.
Какая сушилка нужна вашему предприятию?
Возьмите самую низкую температуру, которую достигнет любая часть системы, вычтите из неё 11 °C и сравните полученное значение с +3 °C. Если результат равен +3 °C или выше, то для данной части системы подойдет рефрижераторный осушитель. Если результат ниже или технологический процесс требует соответствия стандарту ISO 8573-1 класса 3 или выше, на данном участке системы необходимо установить адсорбционный осушитель.
| Ваша ситуация | Рекомендуемый выбор |
| Воздух в помещениях с комнатными растениями, отапливаемое здание, пневматические инструменты | Холодильный |
| Подводящие линии к хозяйственным постройкам, погрузочным платформам и неотапливаемым складским помещениям | Осушитель на этих ветвях |
| Контакт с пищевыми продуктами, напитками и фармацевтическими препаратами | Осушитель, класс 2 или выше |
| Электроника, полупроводники, технический воздух | Осушитель, часто класса 1 |
| Окраска и отделка: случаи, когда влага приводит к появлению дефектов | Осушитель на линии установки кабин |
| Смешанное дерево с одной критической ветвью | Холодильная установка плюс адсорбционный осушитель в месте использования |
| Установлен холодильный осушитель, но вода по-прежнему появляется на выходе | Перед заменой каких-либо деталей проверьте точку росы относительно самой холодной поверхности |
Часто задаваемые вопросы
Как я могу проверить, какова фактическая точка росы, достигаемая моей сушильной машиной?
Проводите измерения на выходе с помощью датчика, номинальная температура которого значительно ниже заданной, поскольку соответствие требованиям класса 2 невозможно проверить с помощью прибора, нижний предел измерения которого составляет −40 °C. Используйте проточную пробу, а не тупиковый отвод, поддерживайте датчик под давлением в линии для измерения точки росы под давлением и дайте ему несколько часов на высыхание, если измерение начинается с атмосферного воздуха. Запишите показания при нескольких уровнях нагрузки, поскольку осушитель, поддерживающий точку росы при полной нагрузке, может давать отклонения при 40-процентной нагрузке.
Является ли мембранная сушилка практичной альтернативой адсорбционной сушке?
При небольших расходах и умеренных значениях точки росы это возможно. Мембранные осушители используют полые волокна, которые пропускают водяной пар быстрее, чем воздух, и подходят для подачи приборного воздуха в точке использования с расходом в несколько кубических футов в минуту, не имея движущихся частей и не требуя электропитания. Их продувка представляет собой постоянный процент от расхода; при более высоких расходах им сложно достичь температуры −40 °C, и они чувствительны к маслу и твердым частицам, поэтому они конкурируют скорее с небольшими адсорбционными установками, чем с системами осушения на уровне всего предприятия.
Температура поступающего воздуха превышает номинальное значение для данной сушильной машины. Мне нужна сушильная машина большей мощности?
Сначала устраните неисправность, а затем измените размер. Обычно причиной является недостаточное послеохлаждение или расположение ресивера слишком далеко по потоку, и устранение проблемы на входе обходится дешевле, чем покупка дополнительной мощности для компенсации этого. Если температуру невозможно довести до номинального значения, следует применять поправочный коэффициент поставщика для температуры и давления на входе, а не фиксированный запас, поскольку потери производительности носят нелинейный характер, а произвольно выбранный запас приведёт либо к избыточному размерам агрегата, либо к недостижению точки росы летом.
