Стиснене повітря є основою сучасних промислових систем, від пневматики в автоматиці, через технологічні процеси в харчовій та фармацевтичній промисловості, аж до сучасних установок у хімічній та електронній промисловості. Одним з найважливіших параметрів якості стисненого повітря є вміст вологи, тобто кількість водяної пари, розчиненої в газі.

Тут саме вступає в дію закон Рауля — хімічний принцип, який дозволяє зрозуміти, як поводиться водяна пара в стисненому повітрі. Хоча теорія Рауля асоціюється насамперед з рідкими розчинами, вона має фундаментальне значення також для точки роси, тобто температури, при якій водяна пара починає конденсуватися в стисненому повітрі.

У цій статті ми пояснимо, як явище Раульта пов'язане з вологістю стисненого повітря і які технології пропонують провідні виробники — Festo і BEKO Technologies — для ефективного контролю цієї вологості в промислових застосуваннях.

Закон Рауля — фізико-хімічні основи

Визначення

Закон Рауля описує залежність тиску пари розчинника над розчином від його мольного часткового вмісту в розчині і може бути сформульований наступним чином:

«Паротиск розчинника (в даному випадку води в повітрі) над розчином дорівнює добутку паротиску того ж розчинника в чистому стані та молярної частки розчинника в розчині».

Іншими словами, чим більше розчинника в розчині, тим вищий паротиск над цим розчином.

У найпростішій формі це можна записати рівнянням:

Ppara = x rozp ⋅ P0para

Де:

Ppara - тиск пари над розчином
x rozp - мольний частковий розчинника (в даному випадку води в повітрі)
P0para - тиск насиченої пари чистого розчинника при даній температурі

Значення для стисненого повітря

У стисненому повітрі водяна пара поводиться як компонент газового розчину. Це означає, що її парціальний тиск залежить від температури і ступеня стиснення повітря.

Чим вищий тиск повітря, тим більше водяної пари може бути конденсовано, оскільки її парціальний тиск може перевищити межу насичення.
Закон Рауля дозволяє передбачити, при якій температурі водяна пара в стисненому повітрі досягне стану насичення, тобто точки роси.

Манометр на пневматичній лінії для контролю тиску та вологості повітря згідно із законом Рауля

Вологість стисненого повітря та точка роси

Що таке точка роси?

Точка роси — це температура, при якій водяна пара, що міститься в повітрі, починає конденсуватися при заданому тиску. Якщо повітря стискається, а потім охолоджується, відбувається конденсація, і конденсована вода може:

спричиняти корозію в установках,
пошкоджувати силові приводи, клапани
створювати ризик (в особливих випадках) утворення льоду в пневматичних елементах (особливо в харчовій та фармацевтичній промисловості),
негативно впливати на якість виробництва (наприклад, в електроніці).

Інженер проводить огляд пневматичної системи та ресиверів для контролю точки роси та запобігання конденсації

Зв'язок із законом Рауля

Закон Рауля пояснює, чому в стисненому повітрі при підвищенні тиску легше перевищити поріг насичення водяною парою. Наприклад:

при атмосферному тиску (1 бар) повітря при температурі 20 °C може містити приблизно 17,3 г/м³ водяної пари,
при тиску 7 бар (типовому для промислових установок) повітря може «вмістити» значно менше водяної пари при тій самій температурі (після стиснення частковий тиск водяної пари збільшується, тому точка роси зростає).

Звідси випливає необхідність осушення стисненого повітря.

Вологість у пневматичних системах

Наслідки надмірної вологості

У пневматичних установках надмірна вологість означає:

зниження терміну експлуатації приводів і клапанів,
блокування механізмів змащення,
збільшення ризику пошкодження електроніки (наприклад, у клапанних островах),
проблеми з контролем виробничих процесів, в яких вимагається певний клас чистоти повітря (наприклад, відповідно до ISO 8573-1),
збільшення експлуатаційних витрат (корозія труб, витоки).

Промислові осушувачі повітря для запобігання корозії та наслідкам надмірної вологості в пневматичних системах

Норми якості стисненого повітря

Стандарт ISO 8573-1:2010 визначає класи вологості стисненого повітря:

Клас 1: точка роси ≤ -70°C
Клас 2: точка роси ≤ -40°C
Клас 3: точка роси ≤ -20°C
Клас 4: точка роси ≤ +3°C
Клас 5: точка роси ≤ +7°C

У більшості промислових підприємств, наприклад, в автомобільній або харчовій промисловості, необхідний клас 2 або 3. Для досягнення такої низької точки роси необхідно використовувати технологію осушення.

Технології контролю вологості в стисненому повітрі

Охолоджувачі

Працюють за принципом охолодження потоку стисненого повітря нижче точки роси, щоб водяна пара випаровувалася, а потім видалялася конденсат, що утворюється. Типова точка роси: від +3°C до +7°C.

Адсорбційні осушувачі

Використовуються, коли потрібне дуже сухе повітря. Адсорбенти (наприклад, силікагель, активоване оксид алюмінію) зв'язують молекули води. Досягаються точки роси: від -20°C до навіть -70°C.

Циклонні сепаратори - попередня обробка

Видаляють конденсат механічно (обертання повітря змушує краплі води відкидатися на стінки корпусу сепаратора).

Принцип роботи циклонного сепаратора для попереднього очищення та видалення конденсату зі стисненого повітря

Пропозиція Festo та BEKO Technologies у сфері вологості стисненого повітря

Festo

Festo, лідер у галузі пневматичної автоматики, пропонує компоненти, що забезпечують контроль вологості:

Холодильні осушувачі серії MSR – досягають точки роси +3°C. Ідеально підходять для виробничих ліній, де потрібна стабільна якість повітря.
Модулі підготовки повітря серії MS – інтегрують фільтрацію, осушення, змащування. Дозволяють контролювати параметри вологості.

Модульна система підготовки стисненого повітря Festo з блоками фільтрації та регуляторами тиску в шафі керування

Датчики вологості SFE1 – контролюють точку роси в режимі реального часу, що дозволяє здійснювати профілактичне обслуговування.

Festo підкреслює важливість контролю вологості в контексті Індустрії 4.0 – їхні компоненти співпрацюють з системами IoT, що дозволяє здійснювати дистанційну діагностику.

BEKO Technologies

BEKO Technologies – спеціаліст у галузі обробки стисненого повітря. Їхня пропозиція включає:

Адсорбційні осушувачі DRYPOINT AC – точки роси до -70 °C. Ідеально підходять для процесів, що вимагають надчистого повітря (наприклад, електроніка, фармацевтика).
Холодильні осушувачі DRYPOINT RA — бестселер серед холодильних осушувачів, відмінне співвідношення ціни та якості.

Технічне обслуговування рефрижераторного осушувача BEKO DRYPOINT RA для осушення стисненого повітря

Сепаратори конденсату BEKOMAT – автоматичне відведення конденсату без втрат стисненого повітря з таких компонентів установки стисненого повітря, як циклонні сепаратори, резервуари під тиском, холодильні осушувачі та мембранні осушувачі, фільтри.

Промислова система підготовки повітря з автоматичними відвідниками конденсату BEKOMAT та магістральними фільтрами

Системи вимірювання METPOINT – забезпечують постійний моніторинг точки роси, тиску та потоку, що має ключове значення для оптимізації енергоспоживання.

Система вимірювання METPOINT OCV на магістральному трубопроводі для моніторингу якості стисненого повітря

BEKO звертає увагу на оптимізацію витрат, тобто точне пристосування осушення до реальних потреб, що означає менші енергетичні втрати.

Установка BEKOKAT для безмасляного очищення стисненого повітря в системі, де діє закон Рауля

Закон Рауля та вибір технології

Чому закон Рауля є ключовим у виборі технології осушення? Тому що він дозволяє передбачити, скільки води випаде після стиснення повітря. Проектувальники установок для обробки або систем часто використовують діаграми Моллієра або психометричні діаграми, які враховують закон Рауля, щоб:

підібрати відповідний тип осушувача,
оптимізувати установку (наприклад, уникнути перерозмірування),
мінімізувати витрати енергії.

Вплив умов навколишнього середовища на вологість стисненого повітря

Сезонність і кліматичні умови

У промислових умовах слід пам'ятати, що вміст водяної пари в повітрі сильно залежить від:

температури атмосферного повітря,
відносної вологості атмосферного повітря.

Влітку, при високій вологості, компресори всмоктують з навколишнього середовища повітря, яке може містити навіть кілька десятків грамів води на кожен кубічний метр. Після стиснення та охолодження ця вода повинна бути видалена, щоб не відбувалося її конденсації в установці.

Взимку, незважаючи на нижчу вологість атмосферного повітря, точка роси в установці може залишатися критичною, особливо в районах з великими коливаннями температури. При низьких температурах існує додатковий ризик замерзання конденсату, що може блокувати трубопроводи та клапани.

Рефрижераторний осушувач повітря у компресорній кімнаті для стабілізації вологості залежно від сезонних змін

Газові перетворення в контексті закону Рауля

Стиснення повітря підвищує температуру і тиск. Після стиснення відбувається його охолодження (ще в охолоджувачі компресора) - в теплообміннику. У цей момент відбувається ключова зміна:

температура падає,
тиск залишається високим,
водяна пара швидше досягає стану насичення (відповідно до закону Раульта).

Тому в системах стисненого повітря не можна покладатися виключно на температуру навколишнього середовища — необхідно враховувати точку роси під робочим тиском.

Точка роси під тиском — так звана pdp — що це означає на практиці?

У пневматичних установках важливою є точка роси під тиском, тобто температура, при якій вода починає конденсуватися при робочому тиску системи.

Це ключовий параметр:

повітря, осушене до точки роси +3°C при 7 барах, відповідає точці роси приблизно -20°C при атмосферному тиску,
чим нижча точка роси, тим менше води залишається в газі.

Ось чому виробники обладнання (наприклад, Festo, BEKO, Kaeser) цікавляться точкою роси під тиском, а не тільки атмосферною. Це дає реальну інформацію про те, чи відбудеться конденсація в трубопроводах і пристроях, і дозволяє порівняти стан (ступінь осушення) стисненого повітря в пневматичних установках.

Економічні аспекти зниження вологості

Витрати енергії

Осушення стисненого повітря споживає енергію. На практиці це означає:

холодильні осушувачі споживають менше енергії, але досягають точки роси тільки до приблизно +3°C,
адсорбційні осушувачі дозволяють опуститися до точки роси -70°C, але вони значно більш енергоємні (ця технологія зазвичай призводить до втрат стисненого повітря)

За оцінками, витрати на осушення можуть становити навіть 10-15% від загальних витрат на виробництво стисненого повітря.

Оптимізація роботи системи

Такі компанії, як BEKO Technologies або Kaeser, пропонують інтелектуальні системи управління, які:

адаптують роботу осушувача до поточної потреби,
уникають роботи осушувача на 100% потужності, коли це не потрібно,
дозволяють контролювати точку роси та сповіщають про перевищення.

Це дозволяє значно зменшити споживання енергії.

Приклади галузей – де закон Рауля є ключовим?

Фармацевтична промисловість

У виробництві ліків діють суворі вимоги щодо чистоти повітря. Навіть невеликі кількості вологи можуть:

призводити до розвитку мікроорганізмів,
впливати на властивості порошків і таблеток,
пошкоджувати технологічне обладнання.

Тут часто вимагається принаймні клас 2 згідно з ISO 8573-1, що означає точку роси до -40 °C. Використовуються адсорбційні осушувачі (наприклад, BEKO DRYPOINT AC).

Застосування безмасляних технологій BEKOKAT для осушення повітря на чистому виробництві згідно з медичними стандартами

Електронна промисловість

У виробництві електроніки:

конденсація водяної пари може спричинити корозію доріжок в електронних компонентах,
вологість може знизити електричні параметри компонентів.

У деяких підприємствах необхідна точка роси навіть до -70 °C, що вимагає найефективніших технологій.

Инженеры проверяют печатную плату на наличие повреждений от конденсата и коррозии в электронной промышленности

Харчова промисловість

У виробництві харчових продуктів:

вода, що конденсується на обладнанні, створює ризик розвитку цвілі та бактерій,
гігієнічні норми є надзвичайно суворими.

Часто достатньо точки роси близько +3°C (холодильні осушувачі), але в деяких випадках, наприклад, при пакуванні в захисній атмосфері (або коли температура у виробничому цеху близька до 0°C), застосовуються ще нижчі точки роси.

Автоматизована лінія виробництва кондитерських виробів, де контроль вологості повітря запобігає розвитку бактері