Осушители сжатого воздуха — это специальные типы систем фильтрации, специально разработанные для удаления воды, которая содержится в сжатом воздухе. Сжатие воздуха повышает его температуру и концентрирует атмосферные загрязнители, в первую очередь водяной пар, что приводит к повышению температуры воздуха и 100% относительной влажности. По мере охлаждения сжатого воздуха водяной пар конденсируется в резервуаре(ах), трубах, шлангах и инструментах, подключенных ниже по потоку от компрессора, что может привести к повреждению. Поэтому водяной пар удаляется из сжатого воздуха, чтобы предотвратить образование конденсата и предотвратить попадание влаги в чувствительные промышленные процессы.
Избыточная жидкость и конденсирующаяся вода в воздушном потоке могут быть чрезвычайно вредны для оборудования, инструментов и процессов, которые зависят от сжатого воздуха. Например, вода может
Поэтому желательно удалять конденсирующуюся влагу из воздушного потока, чтобы предотвратить повреждение оборудования, пневматических инструментов и технологических процессов. [ необходима цитата ]
Наряду с этими механизмами повреждения, на открытом воздухе может скапливаться вода, которая затем замерзает, что приводит к выходу из строя компонентов, например, тормозных систем.
Существуют различные типы осушителей сжатого воздуха. Эти осушители обычно делятся на две категории: первичные, которые включают коалесцирующие, охлаждающие и расслаивающиеся ; и вторичные, которые включают осушающие, абсорбционные и мембранные. Их эксплуатационные характеристики обычно определяются расходом в стандартных кубических футах в минуту (SCFM) и точкой росы, выраженной в виде температуры.
Загрязнение водой является неотъемлемым побочным продуктом сжатия атмосферного воздуха, поскольку атмосферный воздух содержит большое количество воды, существующей в газообразной форме. [1] [2] Из-за этого явления системы сжатого воздуха обычно выигрывают от добавления осушителя сжатого воздуха, расположенного на выходе воздушного компрессора и/или в различных местах по всей системе распределения. В большинстве случаев выход компрессора обрабатывается через первичный осушитель или системный осушитель. В случаях, когда требуется воздух более высокого качества, выход первичного осушителя далее обрабатывается через вторичный осушитель или полирующий осушитель.
Коалесцирующие фильтры на самом деле не являются фильтрами, они скорее работают как элемент консолидации. Идея этих устройств заключается в том, что сжатый воздух проталкивается через зазоры или пористость внутри в остальном твердого элемента. Эти зазоры и/или пористость микроскопичны и достаточно малы, чтобы водяной пар смачивал внутренние поверхности. Жидкая вода, которая образуется в процессе смачивания, проталкивается через среду и капает вниз в ловушку. Сухой воздух поднимается к выпускному отверстию и выходит из него.
Существует два основных типа коалесцирующих элементов. Первый тип использует литой материал, в котором доминирует внутренняя микроскопическая решетка . Воздух вынужден протекать через решетку, что, в свою очередь, позволяет водяному пару смачивать внутренние поверхности. Второй тип обычно называют сложенным пластинчатым элементом. В этом случае тонкие диски сложены с микроскопическими зазорами между ними. Воздух вынужден протекать через зазоры, что, в свою очередь, позволяет водяному пару смачивать внутренние поверхности.
В принципе, коалесцирующий фильтр является идеальным способом отделения воды от потока сжатого воздуха. На практике это не так. Коалесцирующие элементы чрезвычайно чувствительны к загрязнению маслом и частицами и поэтому их лучше разместить в качестве осушителя второй ступени. Однако производительность коалесцирующего фильтра по точке росы относит его к основной категории осушителей сжатого воздуха. Чтобы использовать коалесцирующие фильтры в качестве первичных осушителей, их обычно устанавливают парами. Первый фильтр имеет элемент с большими зазорами, которые предназначены для удаления масла из потока. Второй фильтр использует более тонкий элемент, который предназначен для удаления водяного пара. Из-за чувствительности элементов коалесцирующие фильтры не особенно распространены. Одной из областей, где эти фильтры нашли применение, являются стоматологические компрессоры. Способ, которым спроектированы и используются стоматологические компрессоры, делает двухступенчатый коалесцирующий фильтр почти идеальным решением для загрязнения воды в этих системах.
Рефрижераторные осушители являются наиболее распространенным типом осушителей сжатого воздуха. Они удаляют воду из воздушного потока, охлаждая воздух примерно до 3 °C (38 °F) и эффективно конденсируя влагу в контролируемой среде. 3 °C (38 °F) — реалистичный нижний предел для рефрижераторного осушителя, поскольку более низкая температура создает риск замерзания отделенной воды. Обычно они указываются как первичные осушители и, как правило, производят воздух такого качества, которое подходит примерно для 95% всех применений сжатого воздуха.
Рефрижераторные осушители используют два теплообменника , один для воздух-воздух и один для воздух-охлаждение. Однако есть также один теплообменник TRISAB, который совмещает обе функции. Компрессоры, используемые в этом типе осушителей, обычно герметичного типа, а наиболее распространенным используемым газом является R-134a и R-410a для небольших воздушных осушителей до 100 куб. футов в минуту. Более старые и более крупные осушители по-прежнему используют хладагенты R-22 и R-404a. Цель наличия двух теплообменников заключается в том, что холодный выходящий воздух охлаждает горячий входящий воздух и уменьшает размер требуемого компрессора. В то же время повышение температуры выходящего воздуха предотвращает повторную конденсацию.
Некоторые производители выпускают «циклические осушители». Они хранят холодную массу, которая охлаждает воздух, когда компрессор выключен. Когда холодильный компрессор работает, большая масса охлаждается гораздо дольше, поэтому компрессор работает дольше и остается выключенным дольше. Эти устройства работают при более низких точках росы, как правило, в диапазоне 1,5 °C - 4,5 °C (35 °F - 40 °F). При выборе с дополнительным «холодным коалесцирующим фильтром» эти устройства могут подавать сжатый воздух с более низкими точками росы. Нециклические осушители используют перепускной клапан горячего газа для предотвращения обледенения осушителя.
Некоторые производители выпускают «холодные коалесцирующие фильтры», которые располагаются внутри осушителя воздуха в точке с самой низкой температурой воздуха (точка, в которой происходит максимальная конденсация). [3] [4]
Рефрижераторные осушители обычно изготавливаются одним из двух различных способов: на основе фреона и на основе эффекта Джоуля-Томсона .
Эти осушители получают свое охлаждение от замкнутой холодильной системы на основе одного из трех коммерческих хладагентов R-22, R-134a или R410a. Холодильная система, используемая этими осушителями, похожа на бытовые и коммерческие системы кондиционирования воздуха. Схема, показанная справа, иллюстрирует типичный фреоновый осушитель сжатого воздуха с охлаждением.
Рефрижераторные осушители сжатого воздуха на основе фреона обычно состоят из теплообменника, который похож на охладитель с водяным охлаждением. Вместо использования воды в качестве хладагента жидкий CFC заполняет оболочку теплообменника. Жидкий CFC поддерживается под давлением, позволяющим ему кипеть при 3 °C (38 °F). После того, как CFC закипит, пар втягивается через всасывающую линию в компрессор, который сжимает CFC до высокого давления и высокой температуры. Высокотемпературный CFC охлаждается в конденсаторе и переходит в жидкое состояние. Жидкость снова вводится в теплообменник через дозирующее устройство, и образуется замкнутый холодильный цикл. Когда сжатый воздух проходит через теплообменник, он охлаждается до температуры кипения CFC. По мере охлаждения сжатого воздуха он теряет способность удерживать влагу, и водяной пар конденсируется на внутренней стороне трубки теплообменника.
Вариации этой базовой конструкции включают блоки, оснащенные теплообменниками повторного нагрева, которые предназначены для повышения эффективности. В этих случаях охлажденный сжатый воздух повторно нагревается входящим воздухом.
Пары масла и воды в сжатом воздухе должны охладиться до точки росы (стать аэрозолями) до того, как коалесцирующий фильтр сможет эффективно работать. [5] Охлаждающие осушители сжатого воздуха обычно имеют остаточное содержание масла 6 мг/м3. [6] Охлаждающие осушители сжатого воздуха с внутренними холодными коалесцирующими фильтрами рассчитаны на остаточное содержание масла на уровне 0,008 мг/м3, что намного меньше, чем у коалесцирующих фильтров, которые находятся ниже по потоку от воздушных осушителей, поскольку охлажденный сжатый воздух повторно нагревается входящим воздухом. Более крупные рефрижераторные осушители имеют теплообменник «воздух-воздух» между теплым входящим воздухом и охлажденным исходящим воздухом. Охлажденные масляные и водяные туманы намного лучше коалесцируют в коалесцирующем фильтре при низких температурах, чем в более теплых масляных и водяных парах, расположенных ниже по потоку от воздухо-воздушного теплообменника осушителя воздуха. [7]
Коалесцирующие фильтры собирают жидкости и аэрозоли , а не пары, см. раздел Механические коалесцирующие фильтры на сайте Коалесцер . В таблице выше РАСПОЛОЖЕНИЕ означает, где коалесцирующий фильтр находится относительно рефрижераторного осушителя воздуха. 1 мг/м3 — это вес масла в объеме воздуха, который приблизительно равен 0,83 ppm по весу. [11]
Высокотемпературные сушилки оснащены дополнительным предварительным охладителем, который удаляет избыточное тепло через систему принудительной подачи воздуха. Эти устройства разработаны для эффективной сушки чрезмерно горячего сжатого воздуха. Температура сжатого воздуха свыше 38 °C (100 °F) очень распространена в южном климате, на горнодобывающих предприятиях, сталелитейных заводах, на судах и т. д. В областях и приложениях, требующих работы при повышенных температурах окружающей среды, высокотемпературные сушилки являются необходимостью.
Циклические сушилки (также известные как сушилки с тепловой массой) используют тепловую массу, обычно бак с водой, для хранения энергии, вырабатываемой холодильной системой. Температура воды контролирует холодильную систему через термостат. Сжатый воздух проходит через тепловую массу через теплообменник с водяным охлаждением. Ценность этого типа конфигурации заключается в том, что они обычно обеспечивают более стабильные результаты охлаждения.
Осушители типа JT — это устройства, которые используют поток сжатого воздуха в качестве охлаждающего элемента. Сжатый воздух высокого давления (150–175 фунтов на кв. дюйм) подается в редукционный клапан в верхней части осушителя. Выход этого клапана (90–120 фунтов на кв. дюйм) направляется в расширительную камеру, окруженную пористыми стенками. По мере того, как воздух расширяется до более низкого давления, он становится холодным (на основе эффекта Джоуля-Томсона), и его способность удерживать влагу снижается. Влага выделяется из воздуха в виде тумана. Затем насыщенный туманом воздух проходит через пористые стенки камеры. Микрокапли воды, из которых состоит туман, смачиваются пористым материалом и собираются, пока не образуют капли, на которые может воздействовать гравитация. Затем вода падает в ловушку, а осушенный воздух поднимается к выпускному отверстию и выходит из него. Недостатком осушителя JT является то, что его можно использовать только с двухступенчатыми компрессорами. Это связано с тем, что двухступенчатый компрессор обеспечивает свою эффективность за счет нагнетания высокого давления (150–175 фунтов на кв. дюйм). Это давление не подходит для цеха и должно быть снижено до (90–120 фунтов на кв. дюйм). Осушитель JT использует это падение давления для удаления влаги из потока сжатого воздуха с помощью внутреннего охлаждения, основанного на эффекте Джоуля-Томсона расширяющегося воздуха. Использование этого падения давления позволяет осушителю JT производить те же относительные точки росы, что и осушители на основе фреона.
Сушилки Deliquescent обычно состоят из сосуда под давлением, заполненного гигроскопичной средой, которая имеет высокое сродство к водяному пару. На практике эти сушилки обычно представляют собой большой сосуд под давлением, заполненный кристаллами соли.
Когда водяной пар контактирует с солью, он прикрепляется и растворяет среду или расслаивается. По мере того, как жидкая вода накапливается на кристаллах соли, образуется рассол, который стекает вниз и собирается на дне сосуда. Периодически рассол необходимо сливать, а среду, соответственно, заполнять заново. Обычно расслаивающиеся сушилки обеспечивают подавление точки росы от 10 °C до 14 °C (от 18 °F до 25 °F).
С положительной стороны, эти осушители очень просты, не имеют движущихся частей и не требуют электропитания. Однако они не очень хорошо работают с потоками воздуха высокой температуры и/или при высоких температурах окружающей среды. Это непропорционально большие блоки, которые заполнены едким веществом. Их размер и едкая природа могут создавать проблемы для любой системы, которая их использует. Из-за этого эти осушители обычно используются только в специальных приложениях. Обычные приложения часто включают удаленные, опасные или мобильные рабочие площадки. Распыляющиеся осушители используются для удаления водяного пара из сжатого воздуха, природного газа и отработанных газов, таких как свалочный газ и газ из реактора .
Производительность сушилки с разделяющим эффектом, измеряемая точкой росы на выходе, в значительной степени зависит от температуры обрабатываемого воздуха или газа, при этом более низкие температуры обеспечивают лучшую производительность.
Осушители с адсорбционным эффектом, иногда называемые абсорбционными осушителями, работают, поглощая водяной пар в пористую среду с высоким сродством к воде. [12] [13] Эти типы осушителей также называются абсорбционными системами или геттерами. Поскольку эти осушители получают и удерживают воду, они минимально эффективны в качестве осушителей первой ступени. Если в этой роли используется осушитель, среда быстро насыщается, и эффективность осушителя сводится на нет. Осушители с адсорбционным эффектом лучше всего применять на второй ступени или в качестве полировщика. Обычно они используются ниже по потоку от рефрижераторного осушителя или какого-либо другого первичного осушителя. При применении в качестве осушителя второй ступени они могут легко и надежно создавать точки росы в диапазоне ниже нуля.
Адсорбционные осушители обычно поставляются в двух вариантах: «Одноканальные» и «Двухбашенные». Одноканальные блоки имеют внешний вид корпуса фильтра. Однако они заполнены гранулированным материалом, который необходимо периодически заменять. Материал можно регенерировать, прокаливая его при высокой температуре в соответствии с рекомендациями производителей. Одноканальные адсорбционные осушители обычно устанавливаются в местах использования. При использовании в качестве осушителя второй ступени они могут легко и надежно создавать точки росы в диапазоне ниже нуля.
Разновидностью одноканального осушителя воздуха является фильтр для туалетной бумаги. Эти типы фильтров выполняют ту же основную функцию, что и осушитель воздуха, за исключением того, что в качестве абсорбирующего носителя они используют обычный рулон туалетной бумаги. Когда туалетная бумага становится влажной, ее удаляют и заменяют новым рулоном. Популярность этих фильтров в первую очередь основана на их низкой стоимости, удобстве и эффективности. Как ни удивительно, эти типы фильтров очень эффективны в качестве точек использования.
Двухбашенные или регенеративные осушители с адсорбентом имеют два вертикальных резервуара, заполненных средой. Сжатый воздух проходит через сосуд под давлением с двумя «башнями», заполненными средой, такой как активированный оксид алюминия, силикагель , молекулярное сито или другой осушающий материал. Этот осушающий материал притягивает воду из сжатого воздуха посредством адсорбции. По мере того, как вода прилипает к осушителю, «слой» осушителя становится насыщенным. Когда среда в первом резервуаре становится насыщенной, поток воздуха автоматически перенаправляется через второй резервуар. Затем первый резервуар нагревается, в то время как часть осушенного воздуха, называемая продувочным воздухом, обратно течет через резервуар и выпускается в атмосферу. Этот процесс осушает или регенерирует среду в первом резервуаре и подготавливает ее к следующему перенаправлению. Одним из наиболее существенных недостатков двухбашенных осушителей с адсорбентом является использование ими продувочного воздуха. Обычно двухбашенный адсорбционный осушитель использует около 15–20 % своей мощности для регенерации противоположного резервуара, что делает такие осушители неэффективными и дорогими в эксплуатации.
Задача осушителя — довести точку росы под давлением сжатого воздуха до уровня, при котором вода больше не будет конденсироваться, или удалить как можно больше воды из сжатого воздуха. Стандартная точка росы, ожидаемая регенеративным осушителем, составляет −40 °C (−40 °F); это означает, что когда воздух покидает осушитель, в воздухе содержится столько же воды, как если бы воздух был «охлажден» до −40 °C (−40 °F). Требуемая точка росы зависит от области применения, и в некоторых областях применения требуется −70 °C (-94 °F). Многие новые осушители оснащены переключением, зависящим от росы (DDS), которое позволяет осушителю определять точку росы и сокращать или удлинять цикл сушки для достижения требуемой точки росы. Зачастую это позволяет сэкономить значительное количество энергии, что является одним из важнейших факторов при выборе подходящей системы сжатого воздуха.
Регенерация осушительного сосуда может осуществляться тремя различными способами:
Мембранный осушитель относится к осушающей мембране, которая удаляет водяной пар из сжатого воздуха. Мембранные осушители работают по принципу миграции. Сжатый воздух, который необходимо осушить, пропускается через мембрану, которая имеет высокое сродство к водяному пару. Водяной пар накапливается на мембране и мигрирует на противоположную или низконапорную сторону. Сухой защитный газ протекает через низконапорную сторону и поглощает воду на мембране. После поглощения воды защитный газ выбрасывается в атмосферу. Защитный газ обычно отбирается с выхода осушителя. Мембрана обычно представляет собой ряд небольших трубок, собранных в пучок внутри внешнего корпуса.
Некоторые осушители непористые, что означает, что они пропускают только водяной пар. Мощность сушки непористых мембран зависит только от расхода и давления. Продувочный поток строго контролируется отверстием и не зависит от температуры. Пористые мембраны представляют собой модифицированные азотные мембраны и также пропускают воздух, обычно изменяя состав сжатого воздуха за счет снижения содержания кислорода. Единственное необходимое обслуживание — замена картриджа предварительной фильтрации два раза в год. Производительность пористых мембран зависит от температуры, а также рабочего давления и расхода.
Мембранные осушители воздуха снижают входную точку росы. Большинство осушителей имеют спецификацию точки росы и давления воздуха для испытания. Таким образом, если точка росы на входе ниже, чем указанная точка росы воздуха для испытания, то точка росы на выходе еще ниже, чем указано. Например, осушитель может быть рассчитан на точку росы -40 °C (−40 °F) с точкой росы для испытания 21 °C (70 °F) и 100 фунтов на кв. дюйм. Если входящий воздух имеет точку росы на входе всего 0 °C (32 °F), точка росы на выходе будет несколько меньше. Давление также играет роль. Если давление выше номинальной спецификации, то точка росы на выходе будет снижена. Это снижение точки росы на выходе обусловлено более длительным временем пребывания воздуха внутри мембраны. Используя приведенную выше спецификацию, рабочее давление 120 фунтов на кв. дюйм даст более низкую точку росы на выходе, чем указано. Степень улучшения зависит от природы мембраны и может различаться у разных производителей. У нескольких производителей имеются в продаже мембранные осушители. [14]
Мембранные осушители воздуха предназначены для непрерывной работы, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Мембранные осушители воздуха тихие, надежные и не требуют электричества для работы. При правильной настройке и эксплуатации мембранные осушители могут обеспечивать чрезвычайно низкие точки росы. По этой причине они очень распространены в лабораториях, медицинских учреждениях и на специализированных производственных предприятиях, где требуется ограниченное количество высококачественного сжатого воздуха. Обычно они устанавливаются как осушители в точке использования и обеспечивают наилучшее обслуживание при использовании на втором или третьем этапе. Хрупкая природа оборудования и способ его использования делают их, как правило, непригодными для более массовых или промышленных применений. Мембранные осушители воздуха используются в пневматических компонентах, распылительной окраске, лазерной продувке пленума, воздушных подшипниках, воздушных шпинделях, медицинском оборудовании, пневматических пистолетах и пневматических тормозах для транспортных средств и поездов.