Stlačený vzduch je bezpečný a spolehlivý zdroj energie, který je široce používán v celém průmyslu. Toto médium, označované také jako čtvrtá energie, používá v některém aspektu své činnosti přibližně 90 procent všech výrobců. Na rozdíl od jiných energií je však stlačený vzduch generován na místě a jeho kvalita a cena jsou tak odpovědností uživatele.
Znamená to, že uživatel si musí být vědom možných úskalí, která mohou mít vliv na kvalitu dodávaného vzduchu, přičemž tím hlavním je přítomnost nečistot. Čistota stlačeného vzduchu je klíčová například v zubních, lékařských a laboratorních aplikacích, dále v aplikacích automobilového průmyslu a elektroniky, v aplikacích telekomunikačních, farmaceutických a při řezání laserem. Nečistoty ze vzduchu je třeba odstraňovat nebo snižovat na přijatelnou úroveň.
Znečištění stlačeného vzduchu a zdroje znečištění
V typickém systému stlačeného vzduchu existuje deset hlavních kontaminantů pocházejících ze čtyř různých zdrojů: atmosférického vzduchu, samotného vzduchového kompresoru, vzdušníku a rozvodného potrubí. Atmosférický vzduch obsahuje vodní páry a jeho schopnost držet vodní páry závisí na teplotě a tlaku. Jen 1 m³ atmosférického vzduchu při 100% relativní vlhkosti a teplotě 25 °C obsahuje 24 g (0,02 litru) vodní páry. Se zvyšujícím se tlakem může vzduch udržet menší množství páry, zatímco naopak, jak se zvyšuje teplota, může vzduch udržet páry více. Během komprese se teplota vzduchu zvyšuje, což umožňuje, aby vzduch snadno zadržel vlhkost, avšak po kompresi se vzduch normálně ochlazuje na použitelnější teplotu, která snižuje schopnost vzduchu zadržovat vodní páru. To má za následek kondenzaci vodní páry na kapalnou vodu. Nasycený vzduch, vodní aerosoly a voda v kapalném skupenství v systému stlačeného vzduchu mohou způsobovat korozi ve skladovací a rozvodné soustavě a poškozovat ventily, válce, nářadí a výrobní zařízení. To má za následek zvýšené náklady na údržbu a snížení účinnosti výroby. Voda ve stlačeném vzduchu může také při přímém kontaktu způsobovat poškození výrobků a obalů.
Částice, mikroorganismy
Stejně jako voda obsahuje i atmosférický vzduch částice – obvykle 140 až 150 milionů nečistot v každém krychlovém metru. Asi 80 % těchto částic je menších než 2 µm, a jsou tak příliš malé na to, aby se zachytily na vstupním filtru kompresoru, což je obvykle 25 µm, takže se budou neomezeně dostávat do proudu stlačeného vzduchu. Atmosférický vzduch může také obvykle obsahovat až 100 milionů mikroorganismů – bakterií, virů, hub a spor – na krychlový metr vzduchu, které jsou vtahovány do sání vzduchového kompresoru. Prostředí s vlhkým vzduchem v systému stlačeného vzduchu, zejména ve vzdušníku, je pro růst takových mikroorganismů ideální.
Olej
Dalším zdrojem kontaminace z atmosférického vzduchu je olej ve formě uhlovodíků. Typické koncentrace olejové mlhy se mohou pohybovat v rozmezí 0,05 až 0,5 mg na metr krychlový okolního vzduchu. Dostanou-li se do systému rozvodů stlačeného vzduchu, mohou se olejové výpary ochlazovat a kondenzovat na kapalný olej. Jak kapalina, tak rozprášený olej se v systému mísí s vodou a vytváří hustý kyselý kondenzát, který působí škody nejen v samotném systému stlačeného vzduchu, ale také na výrobním zařízení, výrobcích a obalech. V době, kdy je vzduch stlačený a ochlazený a opouští olejem lubrikovaný kompresor, jsou přidány další čtyři nečistoty. Přidanými nečistotami jsou tekuté oleje a aerosoly, olejové výpary z kompresorového oleje, kondenzovaná voda a vodní aerosoly. A konečně jak vzdušník, tak rozvodný systém mohou přidat další dvě znečišťující látky, a to ve formě rzi a vodního kamene v potrubí, které jsou způsobeny teplým vlhkým vzduchem v systému. Obecný náhled je ten, že ze všech kontaminujících látek přítomných v systému stlačeného vzduchu způsobuje většinu problémů olej, a to hlavně proto, že je možné jej vidět vycházet z otevřených drenážních míst a výfukových ventilů. Ve skutečnosti však lze většinu problémů v systému stlačeného vzduchu připsat přímo vodě v té či oné podobě. Ve skutečnosti až 99,9 procenta celkové kapalné kontaminace zjištěné v systému stlačeného vzduchu představuje voda. Abychom to uvedli do souvislosti, pak kombinace kompresoru o výkonu 2,8 m³×min–1 a kondenzační sušičky, provozovaná po dobu 4 000 hodin v typických britských klimatických podmínkách, může vyprodukovat přibližně 10 000 litrů kapalného kondenzátu ročně. V teplejších klimatických pásmech bude tento objem výrazně vyšší.
Technologie čištění
Pro zajištění efektivního provozu systému stlačeného vzduchu je třeba výše uvedené kontaminanty redukovat nebo odstranit, přičemž dosažení tohoto cíle představuje potřebu kombinace různých technologií. Ropu a částice lze odstranit filtrací. Vodní pára bude nicméně procházet přes odlučovače vody a koalescenční filtry tak snadno jako samotný vzduch, takže je třeba ji odstranit za použití sušičky. Schopnost sušičky odstraňovat vodní páru je vyjádřena tlakovým rosným bodem nebo PDP (Pressure Dewpoint). Rosný bod se vztahuje k teplotě, při níž nastává kondenzace, přičemž PDP se týká rosného bodu vzduchu při tlaku vyšším než atmosférickém. Vysoce výkonné sušičky stlačeného vzduchu se používají v kritických aplikacích, kde jsou úrovně vlhkosti nebo PDP stanoveny podle ISO 8573.1:2010. Tato norma stanovuje čistotu tříd stlačeného vzduchu, pokud jde o částice, vodu a olej, a to nezávisle na umístění v systému stlačeného vzduchu, v němž je vzduch specifikován nebo měřen. Stanoví rovněž plynné a mikrobiologické kontaminanty.
Kondenzační a membránové sušičky
Pro kritické aplikace jsou kondenzační sušičky nevhodné, neboť nemohou dosahovat rosného bodu pod bod mrazu, přičemž mají rosné body +3 °C, +7 °C nebo +10 °C. U většiny kritických aplikací se doporučuje PDP –40 °C, protože PDP nižší než –26 °C zastaví nejen korozi, ale rovněž potlačí růst mikroorganismů. Některé aplikace, například u elektroniky, vyžadují rosný bod –70 °C. Kondenzační systémy také obvykle používají CFC plyny („tvrdé freony") poškozující ozonovou vrstvu, mohou být drahé a neskladné a rovněž vyžadují odbornou údržbu. Naproti tomu membránové sušičky jsou většinou omezeny na aplikace s nízkou kapacitou a jejich požadavky na proplachování vzduchem jsou obvykle vyšší než u adsorpční sušičky. Životnost membrány je omezená, zejména u stop/start aplikací, a je nutná vysoká úroveň vstupní filtrace. Jsou také náchylné k chemické korozi a může u nich dojít ke katastrofálnímu selhání v důsledku otřesů a vibrací.
Adsorpční sušičky
S rosnými body –20 °C, –40 °C nebo –70 °C využívají adsorpční sušičky obvykle metodu adsorpce kolísáním tlaku bez tvorby tepla, která je známa také jako PSA (Pressure Swing Adsorption) nebo obecněji jako regenerace bez tvorby tepla. Fyzikálně se jedná o využití procesu adsorpce, při němž se konkrétní molekuly (adsorbát) pomocí elektrostatických a molekulárních sil drží na povrchu vysoce porézní pevné látky (adsorbentu). Adsorbent má specifickou strukturu pórů, která bude kombinací větších neboli makropórů, o něco menších neboli mesopórů nebo velmi malých pórů známých jako mikropóry. Adsorbent je obvykle tvořen granulemi nebo kuličkami, které se používají k vytvoření vrstvy náplně, přes níž prochází adsorbát, kde může dojít k procesu adsorpce. Aby mohla adsorpční sušička průběžně dodávat suchý vzduch, musí regenerovat vysoušecí prostředek. Nejjednodušší způsob, jak toho dosáhnout, je pustit čistý, suchý a expandovaný vzduch, označovaný jako čisticí vzduch, přes mokrý adsorpční materiál. Pro umožnění tohoto procesu jsou PSA konstruovány se dvěma nádobami, takže zatímco jedna on-line čistí stlačený vzduch, ve druhé probíhá off-line regenerace. I když používají stejný princip, existují dva typy konstrukce PSA, a to dvojitá věž a typ modulární; rozdíly v jejich konstrukci mohou výrazně ovlivnit výkonnost a efektivnost nákladů.
Konstrukční provedení adsorpčních sušiček
PSA s dvojitou věží sestávají z páru tlakových nádob, přičemž instalace může vyžadovat rozsáhlé potrubí a úpravu zařízení, jakož i vstupní a výstupní filtraci. Vyžadují rovněž velké množství vysoušedla, což může vést k vysokým provozním nákladům a nákladům na údržbu. Metoda plnění používaná u konstrukcí dvojitých věží může vést k nekonzistencím při sušení, regeneraci vysoušedla a u rosného bodu, přičemž přirozený úbytek vysoušedla časem snižuje adsorpční kapacitu sušičky a vede k zablokování výstupních filtrů a časté údržbě. Protože jsou to v zásadě tlakové nádoby, vztahují se na ně požadavky směrnice o tlakových zařízeních (PED) na roční inspekce a certifikaci. I když je jejich konstrukce jednoduchá, mohou tradiční adsorpční sušičky trpět také ztrátami čisticího vzduchu, a to až 25 procent. Modulární PSA používají spíše než tlakové nádoby vyměnitelnou vysoušecí patronu v konfiguraci s dvojicí teplo negenerujících komor uzavřených uvnitř pouzdra. Vlhký vzduch z kompresoru za chladičem vstupuje do sušičky a je směrován do jedné komory. Voda a částice jsou odstraněny ve filtrační fázi a voda je zadržována v sušičce, dokud se sloupec nezregeneruje; pak bude odvětrána do atmosféry při postupném snižování tlaku. V návaznosti na fázi filtrace prochází vzduch vysoušecí vrstvou, kde se absorbuje veškerá zbývající vlhkost. Nakonec suchý vzduch prochází přes filtr pevných částic, jenž zadrží všechny zbývající částice vysoušedla, které mohly projít systémem. Ve stejné době malé množství suchého vzduchu prochází opačným směrem do druhé komory, odkud odvádí vlhkost a regeneruje vysoušedlo a následně je vypouštěno do atmosféry. Elektronické ovládání pravidelně obrací funkci každého sloupce a zajišťuje tak nepřetržitou dodávku suchého vzduchu.
Výkon adsorpční sušičky
Na trhu existuje mnoho různých typů sušiček, volba pak může ovlivnit výkon rosného bodu a přirozený úbytek. Stejný význam má metoda používaná k plnění patrony. Metody „vyklop a nalej" mají za následek nekompaktní náplň a mohou ztěžovat účinné nasměrování vzduchu přes vysoušedlo a zabraňovat část materiály, aby byl využit k sušení. To může přispívat také k úbytku vysoušedla s následným prášením, ucpáváním filtrů a ztrátou rosného bodu. Účinnější je metoda vyměnitelných patron s adsorbentem. Vyžaduje použití speciálního plnicího zařízení, které je optimalizováno pro průměr plněné patrony a průměr vysoušecí náplně. Metoda maximalizuje hustotu ucpávky a minimalizuje fluidizaci vysoušecí vrstvy, což umožňuje využít pro sušení 100 % dostupného vysoušedla.
Co říci závěrem?
Adsorpční sušičky vzduchu mohou nabídnout jednoduché řešení v aplikacích, kde je kvalita vzduchu důležitým faktorem. Konstrukce sušiček se značně liší a je důležité zajistit, aby byla dimenzována správně na základě jejího výstupního průtoku. Údržba adsorbentu je rozhodující pro provoz, pokud je vystaven zvýšenému zpětnému tlaku. Nízký tlak zvyšuje objemový průtok a redukuje proplachovací vzduch, což vede k neúplné regeneraci, sníženému výkonu a možnému selhání. Moderní sušičky Norgren Hydra-D využívající výměnný systém vysoušecích patron mají obvykle zabudované ochrany, které brání náhodnému zneužití, a zajišťují konzistentní a spolehlivý provoz.
