Punkt rosy w instalacji sprężonego powietrza – dlaczego ma znaczenie dla urządzeń pneumatycznych?

Woda w przewodzie pneumatycznym rzadko pojawia się dlatego, że „osuszacz nie działa wcale”. Znacznie częściej problem zaczyna się wcześniej: punkt rosy sprężonego powietrza jest zbyt wysoki w stosunku do najniższej temperatury występującej w instalacji. Powietrze przechodzi przez sprężarkownię bez widocznej wilgoci, a kilkadziesiąt metrów dalej — w chłodnej części hali, przy bramie albo w przewodzie prowadzonym na zewnątrz — zaczyna wykraplać się woda.

Dla zaworu elektromagnetycznego, siłownika czy wyspy zaworowej nie jest to drobiazg eksploatacyjny. Kondensat wypłukuje smar, przyspiesza korozję, powoduje zacinanie elementów sterujących, zwiększa opory ruchu i może zamarzać w przewodach. Dlatego parametr PDP, czyli ciśnieniowy punkt rosy, powinien być dobierany do rzeczywistych warunków pracy instalacji, a nie tylko do nominalnych parametrów osuszacza.

Ciśnieniowy punkt rosy mówi więcej niż sama obecność osuszacza

Punkt rosy to temperatura, do której trzeba schłodzić powietrze, aby zawarta w nim para wodna zaczęła się skraplać. W instalacji pneumatycznej istotny jest przede wszystkim ciśnieniowy punkt rosy – Pressure Dew Point, PDP, czyli punkt rosy określony przy aktualnym ciśnieniu sprężonego powietrza.

To ważne rozróżnienie. Punkt rosy przy ciśnieniu atmosferycznym i PDP przy 7 czy 8 barach nie są tą samą wartością. Informacja typu „punkt rosy -20°C” bez określenia warunków pomiaru może więc prowadzić do złej decyzji.

Norma ISO 8573-1:2010 klasyfikuje jakość sprężonego powietrza m.in. według zawartości wody. Dla klas określanych przez ciśnieniowy punkt rosy granice wynoszą:

• klasa 1 – PDP ≤ -70°C,

• klasa 2 – PDP ≤ -40°C,

• klasa 3 – PDP ≤ -20°C,

• klasa 4 – PDP ≤ +3°C,

• klasa 5 – PDP ≤ +7°C,

• klasa 6 – PDP ≤ +10°C.

Dalsze klasy dotyczą już określonej ilości ciekłej wody w powietrzu, więc z punktu widzenia instalacji wymagającej suchego medium są zwykle znacznie mniej interesujące. ISO 8573-1 klasyfikuje oddzielnie również cząstki stałe i olej — niska zawartość wilgoci nie oznacza automatycznie, że powietrze jest czyste pod pozostałymi względami.

W typowej instalacji przemysłowej pracującej wewnątrz ogrzewanej hali często stosuje się osuszacz ziębniczy o PDP około +3°C, odpowiadający klasie 4 pod względem wody. Jeżeli temperatura każdego fragmentu instalacji pozostaje wyraźnie powyżej tej wartości, kondensacja za osuszaczem nie powinna występować.

Problem zaczyna się wtedy, gdy przewód trafia do miejsca o temperaturze niższej niż PDP. Instalacja może przez większość roku działać poprawnie, a pierwsze problemy pojawią się dopiero jesienią lub zimą.

Praktyczna zasada jest prosta: punkt rosy powinien znajdować się poniżej najniższej temperatury, jakiej realnie może zostać poddane sprężone powietrze w dalszej części instalacji. Nie należy więc dobierać osuszacza tylko według średniej temperatury w sprężarkowni.

Jeżeli rurociąg pracuje w hali utrzymywanej na poziomie 15–25°C, PDP +3°C daje rozsądny zapas. Jeśli jednak część instalacji przechodzi przez nieogrzewany magazyn, gdzie zimą może być 0°C albo -5°C, osuszacz ziębniczy z punktem rosy +3°C przestaje zapewniać ochronę przed kondensacją. W takim układzie trzeba rozważyć osuszanie adsorpcyjne, przykładowo do PDP -20°C albo -40°C.

Nie ma natomiast sensu automatycznie kupować osuszacza osiągającego -40°C lub -70°C tylko dlatego, że jego parametry wyglądają lepiej. Im niższy wymagany punkt rosy, tym bardziej rozbudowany i energochłonny staje się proces osuszania. Osuszacze adsorpcyjne mogą dodatkowo zużywać część sprężonego powietrza na regenerację złoża. Parametr należy więc ustalić według instalacji i procesu, a nie według zasady „im mniej, tym lepiej”.

Co wilgoć robi z zaworami, siłownikami i przewodami pneumatycznymi

Pierwszym widocznym objawem problemu często jest woda w odstojniku zespołu przygotowania powietrza. To już sygnał ostrzegawczy. Oznacza, że wilgoć dotarła daleko w instalację i urządzenie końcowe zaczyna pełnić funkcję separatora, której nie powinno wykonywać.

Zawory pneumatyczne są szczególnie wrażliwe na wodę i zanieczyszczenia transportowane razem z kondensatem. Wilgoć może powodować korozję powierzchni metalowych, zwiększać opory przesuwu suwaka oraz wypłukiwać fabryczne środki smarne. Skutek nie zawsze jest natychmiastowy. Najpierw pojawiają się pojedyncze opóźnione przełączenia, później nieregularna praca, a dopiero na końcu trwałe zacięcie zaworu.

Producenci pneumatyki wprost zalecają stosowanie osuszaczy lub separatorów wody, gdy ilość kondensatu w instalacji jest duża. SMC wskazuje również, że woda może prowadzić do nieprawidłowego działania zaworów i innych urządzeń pneumatycznych.

W siłownikach pneumatycznych problem wygląda nieco inaczej. Kondensacja wewnątrz układu może prowadzić do degradacji albo wypłukiwania smaru. Z czasem rośnie tarcie uszczelnień, pogarsza się płynność ruchu i skraca trwałość elementów ciernych. W układzie wymagającym powtarzalnego czasu cyklu może to oznaczać różnicę pomiędzy stabilną maszyną a linią, która co kilka godzin zgłasza trudną do odtworzenia awarię.

Szczególnie niebezpieczna jest kombinacja wilgoci i niskiej temperatury. Przy spadku temperatury poniżej 0°C kondensat może zamarznąć. Kryształki lodu ograniczają przekrój przewodów i kanałów sterujących albo blokują ruchome elementy. Producent podzespołów pneumatycznych SMC zwraca uwagę, że przy temperaturze medium około 5°C i niższej trzeba już uwzględniać ryzyko zamarzania wilgoci w obwodzie.

Najczęstsze skutki zbyt wysokiego punktu rosy to:

• korozja przewodów, zbiorników i elementów metalowych,

• wypłukiwanie smaru z siłowników oraz zaworów,

• nieregularne przełączanie elektrozaworów,

• większe tarcie i pogorszenie dynamiki siłowników,

• uszkadzanie urządzeń pomiarowych i precyzyjnych regulatorów,

• zamarzanie kondensatu w przewodach oraz dyszach,

• przenoszenie produktów korozji dalej do instalacji,

• pogorszenie jakości procesu przy malowaniu, przedmuchu, pakowaniu lub produkcji wymagającej czystego powietrza.

Jest też mniej oczywista pułapka: powietrze można osuszyć za mocno w stosunku do konstrukcji urządzenia. Niektóre standardowe podzespoły pneumatyczne nie są projektowane do ciągłej pracy z ekstremalnie niskim punktem rosy. SMC ostrzega w dokumentacji części urządzeń, że bardzo suche powietrze może pogarszać właściwości smarne wewnątrz podzespołu i skracać jego trwałość. W jednym z zastosowań producent wskazuje nawet atmosferyczny punkt rosy poniżej -40°C jako poziom wymagający indywidualnej oceny warunków pracy.

To ważna korekta popularnego założenia, że najbardziej suche powietrze jest zawsze najlepsze. Najlepszy jest taki poziom osuszenia, którego wymaga proces i który dopuszcza producent urządzenia.

Jak dobrać punkt rosy i znaleźć problem w istniejącej instalacji

Dobór powinien zaczynać się od urządzenia końcowego, a nie od sprężarki. Trzeba ustalić trzy rzeczy: wymagania odbiornika, minimalną temperaturę instalacji oraz miejsce, w którym jakość powietrza ma być zagwarantowana.

Jeżeli producent maszyny określa wymaganą klasę ISO 8573-1, należy przyjąć ją jako punkt wyjścia. Zapis może mieć postać trzech liczb, na przykład ISO 8573-1:2010 [2:4:2]. Poszczególne pozycje oznaczają kolejno klasę cząstek stałych, wody i oleju. W tym przykładzie druga liczba — 4 — oznacza PDP nie wyższy niż +3°C.

Jeżeli dokumentacja nie podaje klasy, trzeba zacząć od temperatury. Dla instalacji znajdującej się w całości w ogrzewanej hali PDP +3°C jest często rozsądnym poziomem dla standardowej pneumatyki. Taki zakres osiągają typowe przemysłowe osuszacze ziębnicze. SMC podaje dla wybranych układów przygotowania suchego powietrza ciśnieniowy punkt rosy od około +15°C do +3°C przy ciśnieniu 0,7 MPa, zależnie od konfiguracji i warunków wejściowych.

Jeżeli jednak instalacja wychodzi na zewnątrz albo przechodzi przez nieogrzewane pomieszczenia, należy ustalić najniższą rzeczywistą temperaturę rurociągu. Dla odcinka, który zimą może osiągnąć -10°C, PDP +3°C jest zdecydowanie za wysoki. Trzeba zejść poniżej temperatury przewodu z odpowiednim zapasem, np. do klasy 3 z PDP ≤ -20°C albo — przy bardziej wymagających warunkach — klasy 2 z PDP ≤ -40°C.

Przy diagnozowaniu działającej już instalacji kolejność powinna być następująca:

1. Sprawdzić PDP za osuszaczem, a nie tylko komunikat „dryer OK” na jego sterowniku.

2. Zmierzyć lub ustalić najniższą temperaturę rurociągu w najzimniejszym miejscu instalacji.

3. Sprawdzić automatyczne spusty kondensatu w zbiorniku, filtrach, separatorze i osuszaczu.

4. Skontrolować filtry oraz spadki ciśnienia przed i za elementami przygotowania powietrza.

5. Dopiero później szukać problemu w pojedynczych zaworach i siłownikach.

To istotna kolejność. Wymiana zaworu, który regularnie dostaje mokre powietrze, usuwa objaw na kilka tygodni lub miesięcy, ale nie usuwa przyczyny.

Trzeba też uważać na źle dobrany osuszacz. Jego nominalna wydajność jest określana dla konkretnych warunków: przepływu, temperatury powietrza na wejściu, temperatury otoczenia oraz ciśnienia roboczego. Jeżeli kompresor dostarcza gorętsze powietrze albo przepływ chwilowy przekracza wydajność osuszacza, rzeczywisty punkt rosy może być gorszy od wartości deklarowanej dla warunków nominalnych. Sam napis „PDP +3°C” na tabliczce nie gwarantuje więc +3°C w każdej instalacji.

Podobnie jest z filtrem. Filtr nie zastępuje osuszacza. Filtr koalescencyjny może usuwać aerozol olejowy i drobne krople cieczy, ale nie usuwa pary wodnej w taki sposób jak osuszacz. Jeśli para wykropli się dopiero kilka metrów dalej, nawet dobry filtr zamontowany wcześniej nie rozwiąże problemu.

Przy projektowaniu albo modernizacji układu przydaje się więc nie katalog pojedynczego urządzenia, lecz analiza całej drogi powietrza: sprężarka → chłodnica końcowa → separator kondensatu → zbiornik → filtry → osuszacz → magistrala → lokalne przygotowanie powietrza → odbiornik. Informacje dotyczące doboru, serwisu i wyposażenia instalacji pneumatycznych można znaleźć także tutaj: https://www.marcom-serwis.pl.

FAQ – punkt rosy w instalacji sprężonego powietrza

Jaki punkt rosy jest dobry dla zwykłej pneumatyki przemysłowej?
W ogrzewanej hali często wystarcza ciśnieniowy punkt rosy około +3°C, czyli klasa 4 pod względem wody według ISO 8573-1. Warunek: żaden dalszy fragment instalacji nie może być chłodzony do temperatury zbliżonej do +3°C lub niższej.

Czy PDP +3°C wystarczy dla instalacji prowadzonej na zewnątrz?
Nie, jeśli temperatura przewodów może spadać poniżej +3°C. Przy zimowych temperaturach rzędu -10°C lub -15°C trzeba zastosować niższy PDP, często -20°C albo -40°C, zależnie od minimalnej temperatury i wymagań urządzeń.

Czym różni się punkt rosy od ciśnieniowego punktu rosy?
Zwykły punkt rosy może odnosić się do powietrza przy ciśnieniu atmosferycznym. PDP określa punkt rosy sprężonego powietrza przy danym ciśnieniu. W pneumatyce to właśnie PDP powinien być podstawowym parametrem doboru osuszania.

Czy filtr 5 µm usuwa problem wilgoci?
Nie. Filtr usuwa cząstki i część cieczy, ale nie zastępuje osuszacza usuwającego parę wodną. Producent pneumatyki może jednocześnie wymagać filtracji, np. 5 µm lub dokładniejszej, oraz odpowiedniego osuszania powietrza.

Czy bardzo niski punkt rosy, np. -70°C, jest zawsze lepszy?
Nie. PDP -70°C odpowiada bardzo wysokiej klasie czystości pod względem wody i jest potrzebny tylko w określonych procesach. Osuszanie do tak niskich wartości kosztuje więcej energii, a w części standardowych urządzeń bardzo suche powietrze może pogarszać warunki smarowania. Trzeba sprawdzić dokumentację podzespołów.

Gdzie najlepiej mierzyć punkt rosy?
Co najmniej za osuszaczem, ale przy problemach z konkretną maszyną pomiar warto wykonać również w pobliżu odbiornika. Pozwala to wykryć wpływ długiej magistrali, martwych odgałęzień, nieszczelnych spustów lub miejscowego wychłodzenia przewodów.

Dlaczego woda pojawia się tylko zimą, skoro osuszacz działa przez cały rok?
Najczęściej dlatego, że latem temperatura przewodów pozostaje powyżej PDP, natomiast zimą jakiś fragment instalacji schładza się poniżej niego. Para wodna zaczyna się wtedy kondensować mimo tego, że osuszacz pracuje tak samo jak wcześniej.

Co sprawdzić jako pierwsze, gdy w instalacji pojawia się woda?
Najpierw zmierz rzeczywisty ciśnieniowy punkt rosy za osuszaczem i porównaj go z temperaturą najzimniejszego fragmentu instalacji. Jeżeli PDP jest wyższy od minimalnej temperatury rurociągu lub znajduje się niebezpiecznie blisko niej, naprawa zaworów i wymiana filtrów nie rozwiążą źródła problemu. W pierwszej kolejności trzeba usunąć niewłaściwe osuszanie albo miejsce, w którym powietrze schładza się poniżej swojego punktu rosy.