Proces sprężania powietrza atmosferycznego wiąże się nieodłącznie z kondensacją wilgoci zawartej w powietrzu. Skraplanie pary wodnej w układzie dystrybucji sprężonego powietrza prowadzi do powstawania kondensatu, który – jeśli nie zostanie skutecznie odprowadzony – może powodować korozję, awarie zaworów, zamarzanie przewodów, wzrost mikrobiologii i obniżenie jakości procesów zależnych od suchego powietrza. Właściwe obliczenie ilości kondensatu jest kluczowe zarówno dla doboru separatorów i odwadniaczy, jak i dla oceny skuteczności całego systemu uzdatniania.

W Polsce rzetelne pomiary i walidację obliczeń przeprowadza Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA, oferujące kompleksową analizę punktu rosy sprężonego powietrza, wilgotności oraz objętości kondensatu w praktycznych warunkach przemysłowych. Poniższy artykuł prezentuje szczegółowe podejście do obliczania kondensatu na podstawie parametrów wejściowych powietrza i założeń instalacji, opisuje metody obliczeniowe oraz przedstawia przykłady zastosowań.

1. Teoretyczne podstawy powstawania kondensatu

1.1 Zawartość wody w powietrzu atmosferycznym

Para wodna w powietrzu atmosferycznym występuje w ilości określanej jako wilgotność bezwzględna (AH, absolute humidity) lub wyrażanej przez ciśnieniowy punkt rosy (PDP). Wilgotność bezwzględna to masa wody (g) przypadająca na metr sześcienny powietrza suchego. Oblicza się ją z równania (Sensirion):ρv(T,RH)=216,7×(RH100)×e17,62 T243,12+T273,15+Tρv(T,RH)=216,7×(100RH)×273,15+Te243,12+T17,62T

gdzie
TT – temperatura powietrza w °C,
RHRH – wilgotność względna w %,
ρvρv – absolutna wilgotność w g/m³.

Ciśnieniowy punkt rosy to temperatura, przy której powietrze o określonym ciśnieniu zawiera tyle pary wodnej, że zaczyna się ona skraplać. Można go wyznaczyć z równania (Magnusa):Td(T,RH)=243,12 ln⁡(RH/100)+17,62 243,12T+243,1217,62−ln⁡(RH/100)−17,62 243,12T+243,12Td(T,RH)=17,62−ln(RH/100)−T+243,1217,62243,12243,12ln(RH/100)+T+243,1217,62243,12

gdzie
TdTd – dew point, punkt rosy w °C.

1.2 Zasada obliczania kondensatu

Przy sprężeniu powietrza do ciśnienia pcpc bez zmiany temperatury całkowitej masa pary wodnej w układzie pozostaje stała, jednak rośnie stężenie wilgoci na jednostkę objętości (skurcz objętości przy sprężaniu). Po schłodzeniu sprężonego powietrza do warunków odniesienia (zwykle do normalnej temperatury instalacji) para wodna powyżej wartości punktu rosy ulega skraplaniu. Dla obliczenia ilości kondensatu w instalacji przyjmuje się:

  1. Obliczenie masy pary wodnej w powietrzu atmosferycznym:min=ρv(Tin,RHin)×Vatmmin=ρv(Tin,RHin)×Vatmgdzie VatmVatm to objętość zasysanego powietrza atmosferycznego (m³).
  2. Obliczenie objętości powietrza po sprężeniu:Vc=VatmpcpatmVc=patmpcVatmzakładając izotermiczne schłodzenie do TinTin przed osuszaczem.
  3. Obliczenie maksymalnej masy pary wodnej, jaką może utrzymać sprężone powietrze po schłodzeniu do temperatury wyjściowej ToutTout:mmax=ρv(Tout,100%)×Vcmmax=ρv(Tout,100%)×Vc
  4. Ilość kondensatu to różnica między masą wejściową pary wodnej a masą możliwą do utrzymania jako para po ochłodzeniu:mcond=min−mmaxmcond=min−mmaxa objętość kondensatu (w litrach)Vcond=mcondρwaterVcond=ρwatermcondgdzie ρwater≈1000 kg/m3ρwater≈1000kg/m3.

2. Praktyczny przykład obliczeń

Rozważmy kompresor o wydajności absorpcji powietrza atmosferycznego Vatm=2720 m3/hVatm=2720m3/h, ciśnieniu końcowym pc=10,5 bar(g)pc=10,5bar(g) i wlocie powietrza o parametrach T_{\text{in}} = 35\,^\circ\mathrm{C}, RHin=60%RHin=60%. Po sprężeniu powietrze schładzane jest w chłodniczym osuszaczu do T_{\text{out}} = 3\,^\circ\mathrm{C} (punkt rosy klasy 4).

  1. Absolutna wilgotność na wlocie:
    Z tabeli wilgotności przy 35 °C i 60% RH ρv≈20 g/m3ρv≈20g/m3.
    Masa pary wodnej w powietrzu atmosferycznym:min=20 g/m3×2720 m3/h=54 400 g/h.min=20g/m3×2720m3/h=54400g/h.
  2. Objętość po sprężeniu:
    Ciśnienie absolutne: pc=11,5 bar(abs)pc=11,5bar(abs).Vc=272011,5=236,5 m3/h.Vc=11,52720=236,5m3/h.
  3. Maksymalna wilgotność przy 3 °C:
    Z tabeli wilgotności dla 3 °C i 100% RH ρv≈4 g/m3ρv≈4g/m3.mmax=4 g/m3×236,5 m3/h=946 g/h.mmax=4g/m3×236,5m3/h=946g/h.
  4. Masa kondensatu:mcond=54 400 g/h−946 g/h=53 454 g/h≈53,5 kg/h.mcond=54400g/h−946g/h=53454g/h≈53,5kg/h.
  5. Objętość kondensatu:Vcond=53,454 g/h1000 g/L=53,45 L/h.Vcond=1000g/L53,454g/h=53,45L/h.

W skali dobowej przy nieprzerwanym trybie 3-zmianowym (24 h) daje to ponad 1280 L kondensatu na dobę, co wymaga doboru separatorów i odwadniaczy o odpowiedniej wydajności.

3. Rozłożenie kondensatu w instalacji

W praktyce kondensat występuje w kilku miejscach:

  • Za chłodniczym osuszaczem – główne miejsce skroplenia przy schładzaniu do 3 °C.
  • W zbiorniku powietrza – dodatkowe ochładzanie i gromadzenie dużych objętości skroplin.
  • Na przewodach dystrybucyjnych – obniżone odcinki, zawory, pułapki wodne.
  • W końcowych odbiornikach – narzędzia, punkty pomiaru.

Sumaryczna ilość kondensatu to suma przepływów we wszystkich punktach. Dla przykładu wielkokubaturowa instalacja z chłodniczym osuszaczem i dwoma zbiornikami może dzielić kondensat w stosunku 75% główny zbiornik i 25% dodatkowe punkty kolekcji.

4. Wpływ warunków eksploatacyjnych

4.1 Temperatura wlotowa

Każdy wzrost temperatury o 1 °C zwiększa zawartość pary wodnej w powietrzu o ok. 3–4% (). W naszym przykładzie, gdyby wlot miał 40 °C przy 60% RH, ρv≈23 g/m3ρv≈23g/m3, to min≈62 560 g/hmin≈62560g/h, a kondensatu byłoby ok. 61,6 L/h.

4.2 Ciśnienie robocze

Wyższe ciśnienie sprężonego powietrza oznacza większe skurczenie objętości, co zwiększa stężenie pary wodnej. Przy 14 bar (abs)  ⁣Vc=2720/14=194 m3/hVc=2720/14=194m3/h, a więc mmax≈778 g/hmmax≈778g/h i mcond≈54 400−778=53 622 g/hmcond≈54400−778=53622g/h. Różnica nieznaczna, ale ważna przy projektach wysokociśnieniowych.

4.3 Wilgotność względna

Zmiana RH z 60% na 80% w powyższym przykładzie podnosi ρvρv do ok. 27,2 g/m³, co zwiększa kondensat do 72,1 L/h. W aplikacjach mokrego klimatu warto uwzględnić sezonowe wahania wilgotności przy planowaniu odwodnień.

5. Projektowanie systemu odwadniania

5.1 Dobór separatorów i odwadniaczy

Na podstawie obliczonej maksymalnej ilości kondensatu (w naszym przykładzie ok. 1280 L/dobę), należy dobrać:

  • Separator cyklonowy o wydajności nominalnej ≥ 2720 m³/h, z pojemnikiem skroplin min. 200 L i spustem automatycznym.
  • Odwadniacze termostatyczne lub pływakowe montowane w najniższych punktach każdej gałęzi instalacji, o przepustowości min. 60 L/h łącznie.
  • Separator ceramiczny lub koalescencyjny jako drugi stopień przed osuszaczem chłodniczym, ograniczający zapychanie osuszacza.

5.2 Harmonogram odprowadzania kondensatu

Regularny serwis wymaga:

  • kontrolowania poziomu skroplin w separatorze głównym co 24 h,
  • czyszczenia separatorów wstępnych co 7 dni,
  • sprawdzania poprawności działania odwadniaczy co miesiąc,
  • ewidencjonowania ilości kondensatu (wartość pomocna przy analizie trendów).

6. Automatyzacja i monitoring

Współczesne instalacje wykorzystują czujniki przepływu skroplin i poziomu skroplin w separatorach, podłączone do systemów SCADA. Dane te pozwalają:

  • automatycznie sterować zaworami spustowymi,
  • alarmować o przekroczeniu progów minimalnych i maksymalnych,
  • planować okresy serwisu i konserwacji,
  • analizować korelację między parametrami powietrza a ilością skroplin.

Realizację takiego zaawansowanego monitoringu oraz kalibrację przyrządów oferuje Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA, wykonując pomiary przepływu kondensatu i analizując ich wiarygodność.

7. Znaczenie ekonomiczne i ekologiczne

Nadmierna ilość kondensatu wymaga większych separatorów i częstszej obsługi, co przekłada się na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Kontrola kondensatu pozwala na:

  • minimalizację kosztów serwisu (mniej wymian wkładów, rzadkie przestoje),
  • ochronę urządzeń przed korozją (mniejsze nakłady na naprawy),
  • oszczędność energii (wydajniejsza praca sprężarki przy czystych układach),
  • zmniejszenie emisji ścieków (mniej wody do uzdatniania).

Traktowanie kondensatu jako cennego medium (woda do chłodzenia, np. w systemach przemysłowych) coraz częściej wpisuje się w polityki zrównoważonego rozwoju w dużych zakładach.

8. Podsumowanie

Obliczenie ilości kondensatu w instalacjach sprężonego powietrza stanowi fundament projektowania i eksploatacji efektywnych systemów uzdatniania. Kluczowe kroki to:

  1. Wyznaczenie absolutnej wilgotności powietrza atmosferycznego i warunków pracy.
  2. Przeliczenie objętości powietrza po sprężeniu na podstawie ciśnienia.
  3. Obliczenie maksymalnej zdolności powietrza do utrzymywania pary wodnej przy schłodzeniu do punktu rosy.
  4. Wyprowadzenie różnicy jako objętości kondensatu.
  5. Dobór separatorów i odwadniaczy na podstawie wyliczeń.
  6. Monitorowanie i harmonogram obsługi zgodnie z rzeczywistymi danymi.

Dzięki wsparciu merytorycznemu i praktycznym pomiarom realizowanym przez Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA polskie zakłady mogą zoptymalizować systemy odwadniania, zminimalizować koszty eksploatacyjne i zagwarantować niezawodność procesów korzystających ze sprężonego powietrza.

Dodaj komentarz