использование современных энергоэффективный решений
Выбор и цены на осушители воздуха
Окружающий воздух, входящий в воздушный компрессор, всегда содержит водяной пар. При сжатии воздуха повышается концентрация водяного пара, но в то же время повышается температура сжатого воздуха, что поддерживает воду в состоянии пара. Когда сжатый воздух поступает в систему распределения и охлаждается, водяной пар конденсируется. При 25°С и относительной влажности 75% компрессор производительностью 20 м3/мин производит 165 л воды за смену (8 часов), если он не оборудован доохладителем, но даже после доохладителя и циклонного влагоотделителя в воздушную магистраль попадает более 50 л воды за смену. Эта вода должна быть удалена из воздушной системы. Неполное удаление конденсата может иметь следствием коррозию, воздушные утечки, снижение давления и формирование отложений в системе распределения сжатого воздуха. Конденсат в сжатом воздухе часто приводит к значительному сокращению срока службы основного технологического оборудования, снижению качества конечной продукции, производственному браку.
На многих российских предприятиях для удаления данного конденсата из систем распределения сжатого воздуха используются так называемые продувки. Из более низких точек трубопроводов через клапан с ручным приводом стравливают влагу вместе с сжатым воздухом. Такой клапан может оставаться открытым и на протяжении всего времени работы цеха или участка, особенно если в сжатом воздухе много влаги. Несмотря на то, что на первый взгляд затраты воздуха на продувку невелики по сравнению с общей выработкой, в сумме они нередко достигают 30% от общего объема потребления. Например, через один открытый клапан диаметром всего 10 мм расходуется столько сжатого воздуха, что на его выработку только в виде затрат на электроэнергию требуется около 35 000 руб./мес.
Сжатый воздух дополнительно охлаждается, когда он расширяется при изменении давления от повышенного до атмосферного, например при использовании воздуха для покраски. Конденсат является недопустимым для многих процессов, негативно влияя на качество процесса, и может «загрязнить» всю систему сжатого воздуха. Когда воздух охлажден до точки, при которой относительная влажность достигает 100%, то говорят, что воздух был охлажден до точки росы. При 100%-ной влажности понижение температуры на 12-14°С ведет к конденсации 50% водяного пара, содержащегося в сжатом воздухе.
Есть значительное различие между атмосферной температурой точки росы и точкой росы под давлением. Важно отличать эти два параметра. Например, температура точки росы при атмосферном давлении составляет –34°С, а при давлении (избыточном) 6,8 атм. — всего -10°С.
Типы осушителей
— нециклический,
— циклический.
— без нагрева;
— с внутренним нагревом;
— с внешним нагревом;
— с принудительной вентиляцией и подогревом;
— c использованием тепла сжатого воздуха.
Рефрижераторные осушители
Принцип, используемый в рефрижераторном воздушном осушитиле , по существу тот же, что используется в холодильнике или кондиционере. Обычно рефрижераторные осушители обеспечивают температуры точки росы под давлениям приблизительно от 2 до 4°С при стандартных условиях.
Преимущества : низкие начальные капитальные вложения, относительно низкие эксплуатационные расходы, низкая стоимость обслуживания, наличие масла в воздушном потоке не влияет на работу осушителя.
Недостатки : ограниченная возможность снижения точки росы.
Нециклические рефрижераторные осушители прямого расширения используют капиллярную систему трубок или термостатический расширительный клапан в соединении с байпасным клапаном горячего газа для компенсации колебаний нагрузки и предотвращения замораживания в условиях отсутствия или низкой нагрузки.
Преимущества : низкие точки росы, устанавливаемые с высокой точностью, быстрый отклик на изменения воздушного потока, непрерывная работа компрессора.
Недостатки : отсутствие экономии энергии при частичном воздушном потоке и его отсутствии.
Циклические рефрижераторные осушители используют тепловую емкость, которая окружает теплообменник воздух/охладитель. Тепловая емкость представляет собой сосуд, заполненный жидкостью или другим веществом с высокой теплоемкостью и хорошей теплопроводностью, в которую соответственно и погружен теплообменник. При уменьшении нагрузки тепловая емкость остается холодной, позволяя охлаждающему компрессору выключиться. Когда тепловая емкость начинает нагреваться, компрессор запускается. Некоторые более мощные осушители при уменьшении нагрузки на холодильный компрессор переводят его в режим холостого хода.
Преимущества : экономия энергии при неполном воздушном потоке или его отсутствии.
Недостатки : колебания точки росы, сокращение жизни холодильного компрессора из-за частых запусков и остановок, увеличенные размер и вес из-за наличия тепловой емкости, увеличенная стоимость.
Адсорбционные осушители
Регенеративные адсорбционные осушители используют адсорбент, который адсорбирует водяной пар, находящийся в воздушном потоке. Влага удаляется из адсорбента в процессе регенерации путем продувки расширенным до атмосферного давления осушенным воздухом, нагрева (внутреннего или внешнего) или комбинации обоих способов.
Эти осушители обычно имеют две колонны. В то время как одна колонна осушает воздух после компрессора, адсорбент в другой башне регенерируется. В безнагревных адсорбционных осушителях на регенерацию потребляется от 10 до 18% от полного потока воздуха. Могут быть получены точки росы приблизительно от –20 до –70°С.
Преимущества : могут быть достигнуты очень низкие значения точки росы без опасности замерзания влаги в осушителе, осушители без нагрева (с регенерацией только сжатым воздухом) могут иметь пневматическое управление и располагаться в пожаро- и взрывоопасных местах.
Недостатки : относительно высокая стоимость начальных капитальных затрат, необходимость периодической замены адсорбционного материала, масло в воздушном потоке может загрязнять адсорбент, снижая его эффективность, обычно требуется осушенный воздух, высокая стоимость эксплуатации. Применение таких осушителей повышает стоимость выработки сжатого воздуха на 25% и более.
Осушители с использованием тепла сжатия — регенеративные осушители, которые используют тепло, выделяющееся в процессе сжатия воздуха, для регенерации адсорбента. Они могут рассматриваться как «регенерируемые теплом». В случае безмасляных компрессоров возможно оптимальное сбережение энергии, т.к. для регенерации в таких случаях используется тепло от компрессора, которое нужно рассеять в любом случае.
Возможны два конструктивных решения. Осушитель с одним резервуаром или c вращающимся барабаном может обеспечить значения точки росы, которые в зависимости от температуры охлаждающей воды могут изменяться между –40 и –16°С. Среднее понижение точки росы составляет 50°С относительно температуры охлаждения осушителя. Осушитель в виде парной башни с использованием небольшого количества осушенного воздуха может обеспечить постоянную точку росы –40°С.
Преимущества : низкие затраты на электроэнергию, минимальная требуемая площадь, отсутствие потерь осушенного воздуха, возможность получения низких значений точек росы.
Недостатки : используются только с безмасляными компрессорами, компрессорами, которые имеют постоянную высокую температуру сжатого воздуха на выходе, значения точки росы изменяются при изменении нагрузки, имеется зависимость от изменения температур окружающего и сжатого воздуха на входе.
Деликвисцентные осушители
Это осушители, в которых влага удаляется из сжатого воздуха, вступая в химическую реакцию с веществом-адсорбентом, который при этом превращается в жидкость и удаляется из осушителя через автоматический или ручной слив конденсата По мере растворения активного вещества оно периодически пополняется. Такие осушители выполнены в виде одной осушающей колонны, не требуют электропитания и не имеют никаких движущихся частей. Данные осушители, проще говоря, представляют собой сосуд, оборудованный клапаном слива конденсата и заполненный таблетками гигроскопического вещества на основе солей натрия (NaCl) или кальция. Эта простота приводит к низкой стоимости осушителя. Такая конструкция обычно обеспечивает понижение точки росы приблизительно на 10оС, т.е. температура точки росы на выходе практически линейно зависит от температуры воздуха на входе в осушитель (обычно точка росы на входе в осушитель равна температуре сжатого воздуха – воздух имеет влажность близкую к 100%). Адсорбент расходуется только тогда, когда влажный воздух проходит через осушитель.
Преимущества : низкие капитальные затраты и стоимость установки, низкие потери давления, отсутствие движущихся частей, не потребляют электроэнергию, могут быть установлены на открытом воздухе, если автоматический слив воды защищен от замораживания, могут использоваться в опасных, загрязненных или подверженных коррозии условиях.
Нeдостатки : ограниченное понижение точки росы, невозможность глубокого осушения воздуха, требуется периодическое пополнение адсорбента, раствор солей может попасть в воздушную магистраль и повредить его, если неисправен клапан автоматического слива конденсата, некоторые виды адсорбента разрушаются при температуре свыше 30оС, масло в воздушном потоке может покрыть адсорбент, снижая его эффективность, относительно высокие затраты на обслуживание.
Данные осушители из-за недостаточно низких значений точки росы на выходе и необходимости в частом пополнении активным веществом практически не используются в России.
Мембранные осушители
Специально разработанные мембраны позволяют водяному пару проходить через мембранные поры и не пропускают воздух. Это уменьшает количество водяного пара в воздушном потоке на выходе осушителя и понижает точку росы приблизительно на 32°С. Точки росы до –40°С могут быть достигнуты за счет дополнительного расхода сухого воздуха, как и в адсорбционных осушителях с регенерацией сжатым воздухом. Понижение точки росы в этом случае составит 55°С.
Преимущества : низкая стоимость монтажа, малые габариты, низкая стоимость обслуживания, могут быть установлены на открытом воздухе, могут использоваться в опасных условиях, отсутствуют движущиеся части, не потребляют электроэнергии.
Недостатки : ограниченная пропускная способность, большие затраты сухого воздуха и соответственно энергетические издержки, масло или другие примеси могут загрязнить и вывести из строя мембрану.
Выбор
Выбор осушителя воздуха должен быть сделан профессионалом, хорошо разбирающимся в технике для осушения воздуха. Информация о применении и степени требуемого осушения очень важны в принятии этого решения.
Установление значения точки росы намного ниже, чем необходимо, может привести к увеличению первоначальных и эксплуатационных расходов и значительному росту затрат на выработку сжатого воздуха. В общем случае такой подход не является правильным с точки зрения инженерной практики. Установление недостаточно низкого значения точки росы может быть еще более дорогостоящим, так как может привести к остановке процесса или повреждению выпускаемой продукции.
Для системы производственного воздуха самыми важными задачами являются устранение конденсации и замораживания. Эти соображения определяют, какая точка росы с точки зрения защиты системы сжатого воздуха будет требоваться.
Для правильного выбора осушителя воздуха необходима следующая информация:
Кроме того, для оценки, насколько возрастет стоимость выработки сжатого воздуха, необходимо учесть все потери давления на фильтрах и в самом осушителе, потребляемые осушителем электроэнергию и сжатый воздух, стоимость расходных материалов и частоту их замены. Например, на практике считается нормальным, если адсорбционный осушитель повышает стоимость выработки сжатого воздуха на 25%, однако при неправильном выборе осушителя или при его работе не в оптимальном режиме такие затраты легко могут вырасти до 50%.
Установка
Осушители воздуха должны всегда устанавливаться с фильтрами на входе и выходе. Размещение и тип фильтра зависят от типа осушителя. Обычно перед всеми типами осушителей помещаются коалесцирующие фильтры для отсечения капельной влаги и масла. Некоторые изготовители рекомендуют устанавливать фильтр для очистки от механических примесей перед рефрижераторным осушителем, особенно если слив конденсата в таком осушителе поплавкового типа. Фильтры на выходе осушителя обычно также коалесцирующие. Для регенеративных осушителей может требоваться одномикронный фильтр на выходе для фильтрации частиц разрушенного адсорбента. Осушители и фильтры должны иметь байпасные клапаны, чтобы дать возможность их обслуживания или замены без перекрытия системы сжатого воздуха.
На каждом фильтре должны быть установлены дифференциальные индикаторы давления для индикации времени замены. Нельзя устанавливать байпасы никаких компонентов в системах дыхания. Некоторые системы сжатого инструментального воздуха требуют наличия двойной системы подготовки воздуха для ее обслуживания без простоя.
Выбор поставщика
Выше были рассмотрены различные технологии осушки воздуха с перечислением их достоинств и недостатков. Некоторые из перечисленных технологий в теории гораздо более энергоэффективны по сравнению с другими. Однако реализация конкретных технологий осушки может быть далека от теории. Например, обычно регенерация адсорбента сжатым воздухом более энергозатратна по сравнению с регенерацией теплом. При этом на рынке существуют осушители довольно известных производителей с регенерацией адсорбента теплом, где энергетические затраты на нагрев значительно выше дополнительных затрат на регенерационный сжатый воздух в безнагревных осушителях. В этих случаях нагрев используется для снижения себестоимости осушителя, а не для улучшения его энергоэффективности.
Похожую ситуацию можно встретить и в циклических холодильных осушителях с тепловыми емкостями. При полной загрузке такой осушитель менее энергоэффективен по сравнению с нециклическим, т.к. неизбежны дополнительные потери энергии в теплообменниках на границах воздух/тепловая емкость и тепловая емкость/хладагент. Кроме того, присутствуют потери тепла — тепловая емкость/атмосфера. При неполной нагрузке — уменьшенном воздушном потоке через осушитель – можно ожидать, что циклический осушитель покажет бoльшую энергоэффективность. Потребление энергии действительно снижается, но точка росы в таких режимах может подниматься даже при стандартных условиях до +10-15°С. Это происходит потому, что для качественной реализации идеи циклического осушителя с тепловой емкостью необходимы качественные дорогие теплообменники, большая тепловая емкость и качественная изоляция от окружающей среды, холодильный компрессор должен быть большей мощности по сравнению с установленным в нециклический осушитель такой же производительности для быстрого охлаждения не только входящего потока сжатого воздуха, но и тепловой емкости. Нужно также обеспечить низкий перепад давления через всю систему подготовки воздуха.
Если выполнить все указанные условия, то эффект от экономии энергии окажется меньше добавки к стоимости обычного осушителя на реализацию циклического принципа работы и внедрение такой технологии не окупится. Если сэкономить на всех вышеназванных факторах, то приходится жертвовать постоянством температуры точки росы и перепадом давления через систему подготовки воздуха.
С другой стороны, если потребитель готов мириться с точкой росы в +15°С, то почему бы не использовать стандартный недоразмеренный осушитель меньшей производительности и еще более меньшей стоимости? Не стоит также забывать, что на холодильную осушку сжатого воздуха тратится в 30 раз меньше электроэнергии, чем на выработку осушаемого воздуха. Готовы ли вы пожертвовать стабильностью температуры точки росы и в конечном итоге качеством выпускаемой продукции для потенциальной экономии 1-1,5% энергетических затрат на выработку сжатого воздуха? Это при том, что гораздо больше можно потерять на потерях давления через систему подготовки воздуха. Потеря давления 0,5 атмосферы соответствует уже 3% затрат энергии на выработку сжатого воздуха.
Как упоминалось выше, подавляющее большинство компаний, выпускающих фильтры и осушители, концентрируются на снижении себестоимости, часто в ущерб рабочим параметрам. Однако системы подготовки воздуха являются частью энергетического оборудования, и стоимость потребленной энергии в их жизненном цикле является доминирующей величиной.
Второй не менее важный вопрос – работоспособность оборудования для подготовки сжатого воздуха и полное соответствие декларируемым параметрам, т.к. измерить реальные параметры – точку росы, чистоту воздуха после фильтров в большинстве случаев не представляется возможным.
Остановимся на последнем факторе более подробно. Основным аргументом при продаже осушителей и магистральных фильтров часто является низкая цена. При этом все основные декларируемые параметры выглядят одинаково, а часть параметров, таких, как перепад давления через систему, может и вовсе не указываться. Несколько лет назад независимой лабораторией в Бельгии было проведено исследование параметров осушителей холодильного типа различных производителей на предмет соответствия заявленным параметрам. Примечательно, что ни один из осушителей низшей ценовой группы не смог продемонстрировать заявленных параметров по производительности и точке росы. При этом надежность изделий не тестировалась, использовались только новые осушители различных производителей. Основным отклонением стало значительное завышение производительности и, вследствие этого, несоответствие заявленной точки росы на выходе из осушителя, перепад давления через осушитель во многих случаях достигал более 0,5 бар. Особенно обратил на себя внимание тот факт, что при отклонении от стандартных условий (25оС) параметры осушителей низкой ценовой группы резко отклонялись от заявленных.
Но что же делать, когда бюджет, отпущенный на подготовку воздуха, ограничен? Самое простое решение — показать руководству потенциальные убытки от низкого качества воздуха и приобретать ту систему подготовки воздуха, которая может гарантированно уберечь дорогостоящее оборудование от преждевременного выхода из строя. Другой способ – более тщательно подойти в расчету осушителя: вполне возможно, что точка росы в +3оС избыточна и для вашего оборудования достаточно +10оС. В этом случае поток через осушитель серии FD производства компании «Атлас Копко» можно увеличить на 70%, а при точке росы на выходе +15оС производительность возрастает более чем в два раза! При этом стоимость самого осушителя, естественно, не меняется. Тот же подход верен и для магистральных фильтров. Если вы готовы пожертвовать энергоэффективностью и мириться с бoльшим перепадом давления и меньшим сроком службы сменных элементов, поток сжатого воздуха через фильтры можно увеличить без заметного снижения качества фильтрации.
Самый же простой способ решения, пожалуй, любой проблемы – обратиться к специалистам и максимально полно поставить задачу, определить приоритеты. Вполне возможно, что специалисты предложат решение, о котором вы даже и не догадывались, в любом случае взгляд на проблему со стороны всегда полезен. Но не стоит забывать, что конечный выбор всегда за вами.