Spremnici i sušenje stlačenog zraka

Zašto je potreban spremnik

Spremnik stlačenog zraka je tlačna posuda, najčešće okomiti čelični valjak s ispupčenim podnicama, smještena neposredno iza kompresora. Na prvi pogled služi samo kao zaliha zraka, ali u sustavu ima tri jednako važne zadaće.

Izjednačenje tlaka i protoka. Klipni kompresor isporučuje zrak u pulsacijama, a svaki kompresor s regulacijom „uklop–isklop" radi naizmjence punim opterećenjem i stoji. Potrošači, naprotiv, uzimaju zrak u nepravilnim udarima: cilindar koji se izvlači u pola sekunde trenutačno traži višestruko veći protok od prosječnog. Spremnik te razlike prima u svoj volumen, pa tlak u mreži oscilira samo unutar sklopne razlike kompresora, npr. između 6,5 i 8 bar. Istodobno spremnik određuje koliko će se često kompresor uključivati, a o tome ovisi trošenje motora i sklopnih elemenata.

Hlađenje. Zrak izlazi iz kompresora zagrijan, čak i nakon naknadnog hladnjaka obično 10 do 15 K topliji od okoline. U spremniku se zadržava dovoljno dugo da preda dio topline kroz stijenke. Hladniji zrak može nositi manje vodene pare, pa se višak izdvaja kao kapljevina.

Izdvajanje kondenzata. Zbog male brzine strujanja u spremniku kapljice vode i ulja padaju na dno i skupljaju se u najnižoj točki, odakle se ispuštaju. Spremnik je time prvi stupanj pročišćavanja; bez njega bi sav kondenzat odmah otišao u razvodnu mrežu.

Osim glavnog spremnika u stanici, u velikim mrežama postavljaju se i lokalni spremnici uz potrošače s velikom trenutačnom potrošnjom, primjerice uz velike cilindre ili uređaje za ispuhivanje. Oni pokrivaju vršnu potrošnju iz blizine i sprječavaju da tlak na drugim mjestima u mreži padne.

Određivanje volumena spremnika

Volumen spremnika bira se tako da kompresor s regulacijom uklop–isklop ne prelazi dopušteni broj uklopa na sat, koji ovisi o snazi elektromotora i navodi ga proizvođač. Za manje motore dopušteno je i više od 30 uklopa na sat, za veće bitno manje. Između tlaka uklopa p_u i tlaka isklopa p_i u spremniku je pohranjena količina zraka, iskazana kao volumen pri atmosferskom tlaku:

V_sl = V · (p_i − p_u) / p_atm

Kad kompresor stoji, potrošači tu količinu troše protokom Q_v; kad radi, puni spremnik viškom Q_k − Q_v. Trajanje jednog ciklusa zato je zbroj vremena pražnjenja i punjenja:

T = V_sl / Q_v + V_sl / (Q_k − Q_v)

Izraz je najkraći, a broj uklopa najveći, kad potrošnja iznosi točno polovicu isporuke kompresora. Tada je T = 4·V_sl/Q_k, a iz uvjeta da broj uklopa z ne smije premašiti dopuštenu vrijednost dobiva se poznati izraz za najmanji volumen spremnika:

V = Q_k · p_atm / (4 · z · Δp)

U izrazu je Q_k isporuka kompresora svedena na atmosferske uvjete (FAD), z broj uklopa u minuti, a Δp = p_i − p_u sklopna razlika tlaka. Za kompresor naprave SL-3 (Q_k = 0,8 m³/min, Δp = 8 − 6,5 = 1,5 bar) i dopuštenih 30 uklopa na sat (0,5 u minuti) dobiva se V = 0,8 · 1,013 / (4 · 0,5 · 1,5) = 0,270 m³, dakle upravo ugrađeni spremnik od 270 l.

Izraz uzima u obzir samo slobodni volumen spremnika; volumen cijevi mreže djeluje kao dodatni spremnik i u prvoj procjeni se zanemaruje, što daje rezervu. Kod kompresora s promjenjivom brzinom vrtnje (frekvencijskim pretvaračem) broj uklopa nije kritičan, ali spremnik je i dalje potreban zbog vršne potrošnje, hlađenja i kondenzata. Uobičajena praktična preporuka, koju ne treba smatrati pravilom, jest volumen u litrama približno jednak trećini isporuke kompresora u litrama u minuti; za 800 l/min to daje oko 270 l.

Sigurnosna oprema spremnika

Spremnik stlačenog zraka je tlačna oprema: u 270 l pri 8 bar pohranjena je energija dovoljna da pri pucanju posude uzrokuje teške ozljede i razaranje. Zato se izrađuje, ispituje, označava i povremeno pregledava prema propisima o tlačnoj opremi. Na natpisnoj pločici navedeni su najveći dopušteni tlak PS, volumen V, dopuštene temperature, godina izrade i oznaka sukladnosti. Umnožak PS · V u bar·l određuje kategoriju posude i time opseg nadzora.

• Sigurnosni ventil otvara pri tlaku koji ne smije biti viši od najvećeg dopuštenog tlaka posude i mora propustiti cijelu isporuku kompresora bez daljnjeg porasta tlaka. Između spremnika i sigurnosnog ventila ne smije biti zapornog elementa. Ventil se povremeno ručno provjerava povlačenjem prstena za prozračivanje.
• Manometar s označenom crvenom crtom na najvećem dopuštenom tlaku omogućuje očitavanje tlaka u svakom trenutku i provjeru rada tlačne sklopke kompresora.
• Ispust kondenzata na najnižoj točki: ručna slavina, plovkasti automatski ispust, vremenski upravljani elektromagnetski ventil ili elektronički ispust s mjerenjem razine koji se otvara samo kad ima kondenzata i ne ispušta zrak.
• Zaporni ventil na izlazu omogućuje odvajanje spremnika od mreže radi održavanja.
• Otvor za pregled (revizijski otvor) na većim spremnicima služi za unutarnji pregled stanja stijenki i korozije.

Vlaga u zraku i točka rosišta

Atmosferski zrak uvijek sadrži vodenu paru. Najveća količina pare koju kubni metar zraka može primiti ovisi samo o temperaturi i naglo raste s njom: pri 0 °C približno 4,9 g/m³, pri 20 °C približno 17,3 g/m³, pri 35 °C približno 39,6 g/m³. Relativna vlažnost je omjer stvarne i najveće moguće količine pare pri istoj temperaturi. Točka rosišta je temperatura na koju treba ohladiti zrak da bi relativna vlažnost dosegnula 100 % i počelo izdvajanje kapljica.

Pri kompresiji se isti sadržaj vode sabija u mnogo manji volumen. Kubni metar usisanog zraka pri 20 °C i relativnoj vlažnosti 70 % nosi približno 12,1 g vode. Kad se stlači na 8 bar i ohladi na 35 °C, zauzima samo oko 0,12 m³ i može zadržati još samo približno 4,7 g pare; ostatak od oko 7,4 g izdvaja se kao kondenzat već u naknadnom hladnjaku i spremniku. Za kompresor naprave SL-3 koji radi punim opterećenjem (48 m³/h usisanog zraka) to je oko 0,36 litre vode na sat, i to prije sušača.

Zato se za stlačeni zrak navodi točka rosišta pod tlakom (PDP, engl. pressure dew point): temperatura pri kojoj bi iz zraka pri radnom tlaku počela kondenzacija. Ona je bitno viša od atmosferske točke rosišta istog zraka nakon ekspanzije. Zrak stlačen na 6 bar s točkom rosišta pod tlakom +3 °C nakon rasterećenja na atmosferski tlak ima točku rosišta oko −20 °C. Za mrežu je mjerodavna točka rosišta pod tlakom, i ona mora biti niža od najniže temperature kroz koju vodovi prolaze.

Sušači stlačenog zraka

Rashladni sušač radi kao hladnjak. Zrak najprije prolazi kroz izmjenjivač zrak–zrak, gdje ga predhladi hladni izlazni zrak, zatim kroz isparivač rashladnog kruga, gdje se ohladi na približno +3 °C. Izdvojeni kondenzat odvaja se u separatoru i ispušta, a osušeni hladni zrak u izmjenjivaču se ponovno zagrijava prije izlaska, pa cijev s vanjske strane ne „znoji". Postiže točku rosišta pod tlakom +3 do +7 °C, troši malo energije i najčešći je sušač u radionicama i pogonima s vodovima u grijanim prostorima. Ne smije ići ispod 0 °C jer bi se kondenzat smrznuo u izmjenjivaču.

Apsorpcijski sušač sadrži sredstvo koje s vodom kemijski reagira ili se u njoj otapa (higroskopne soli ili tablete). Sredstvo se troši i mora se redovito dopunjavati, a otopina se ispušta kao kondenzat. Nema pokretnih dijelova ni potrošnje energije, ali točka rosišta je tek za nekoliko desetaka kelvina niža od ulazne temperature i ovisi o njoj. Danas se primjenjuje rijetko, uglavnom u manjim i povremenim sustavima.

Adsorpcijski sušač koristi tvari s golemom unutarnjom površinom na koje se vodena para veže fizikalno: silikagel, aktivni aluminijev oksid ili molekularna sita. Ima dvije posude: dok kroz jednu struji zrak i suši se, druga se regenerira. Hladna regeneracija koristi dio već osušenog zraka koji se ekspandira i propuhuje kroz zasićeno punjenje; taj ispirni zrak iznosi oko 15 do 20 % nazivnog protoka i gubi se. Topla regeneracija zagrijava punjenje grijačem i ima manji gubitak zraka, ali troši električnu energiju. Adsorpcijski sušač postiže točku rosišta pod tlakom −40 °C ili −70 °C i nužan je za vodove na otvorenom, za lakiranje, elektroniku, prehranu i farmaciju.

Membranski sušač sadrži snop šupljih polimernih vlakana. Stlačeni zrak struji kroz vlakna, a vodena para, čije molekule kroz stijenku prolaze mnogo lakše od molekula kisika i dušika, prelazi na vanjsku stranu. Mali dio osušenog zraka ekspandira se i vodi uz vanjsku stranu vlakana kao ispirni zrak koji odnosi paru. Membranski sušač nema pokretnih dijelova ni električni priključak, malen je i tih, pa se ugrađuje neposredno ispred potrošača kojemu treba suši zrak od ostatka mreže. Za veće protoke je neekonomičan zbog potrošnje ispirnog zraka.

Sušač se odabire iz lista podataka prema nazivnom protoku, koji vrijedi za točno određene referentne uvjete (ulazni tlak, ulazna temperatura i temperatura okoline). Kad su stvarni uvjeti lošiji, npr. topliji ulazni zrak ljeti, nazivni protok se množi korekcijskim faktorima proizvođača i obično se bira veći sušač. Ispred adsorpcijskog sušača postavlja se pročistač za kapljice ulja, a iza njega pročistač za prašinu punjenja.

Klase čistoće stlačenog zraka

Norma ISO 8573-1 razvrstava stlačeni zrak po tri skupine onečišćenja: krute čestice, voda i ulje (kapljevina, aerosol i para zajedno). Za svaku skupinu propisani su razredi, a kakvoća zraka zapisuje se s tri broja redom, npr. ISO 8573-1:2010 [2:4:2]. Manji broj znači čišći zrak. Razred 0 nije „savršeno čist" zrak, nego razred strože vrijednosti koju dogovaraju korisnik i isporučitelj.

• Čestice: razredi 1 do 5 definirani su najvećim brojem čestica po kubnom metru u pojedinim rasponima veličine, a viši razredi masenom koncentracijom čestica.
• Voda: razredi 1 do 6 definirani su točkom rosišta pod tlakom: 1 do −70 °C, 2 do −40 °C, 3 do −20 °C, 4 do +3 °C, 5 do +7 °C i 6 do +10 °C; viši razredi određeni su sadržajem kapljevite vode.
• Ulje: razredi po ukupnoj koncentraciji ulja, npr. razred 1 do 0,01 mg/m³, razred 2 do 0,1 mg/m³, razred 3 do 1 mg/m³ i razred 4 do 5 mg/m³.

Oznaka [.:4:.] za vodu znači da zrak iz rashladnog sušača s točkom rosišta +3 °C zadovoljava razred 4. Za opću pneumatiku u grijanom prostoru, uključujući napravu SL-3, to je dovoljno. Proizvođači pneumatskih komponenata u listovima podataka navode potrebnu kakvoću zraka; ona je za cilindre i razvodnike obično znatno blaža nego za senzore, proporcionalne ventile ili zrak koji dodiruje hranu. Pretjerano čist zrak u cijeloj mreži skup je, pa se strože zahtjeve pojedinih potrošača ispunjava lokalnom dodatnom obradom.

Računski prikaz: potreban volumen spremnika

Prikaz računa najmanji volumen spremnika za najnepovoljniji slučaj potrošnje, predlaže prvi veći volumen iz niza 90, 150, 270, 500, 900, 1500, 2000, 3000 i 5000 l, te za odabrani spremnik i zadanu stvarnu potrošnju računa broj uklopa kompresora na sat.

Za kompresor naprave SL-3 (0,8 m³/min, uklop 6,5 bar, isklop 8 bar) i 30 dopuštenih uklopa na sat najmanji volumen iznosi 270 l, i odabire se upravo spremnik od 270 l. Pri potrošnji 0,4 m³/min, što je polovica isporuke, kompresor se uključuje točno 30 puta na sat. Kad bi naprava SL-3 sa svojih 17,6 Nl/min bila jedini potrošač, kompresor bi radio oko pola minute i stajao više od 22 minute, dakle manje od tri uklopa na sat. Pokušajte smanjiti sklopnu razliku na 1 bar: potreban volumen naraste na 405 l, a s postojećim spremnikom od 270 l kompresor bi se u najnepovoljnijem slučaju uključivao 45 puta na sat.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.