Sieć dystrybucji sprężonego powietrza należy zaprojektować tak, aby zapewnić wymagane ciśnienie i przepływ w każdym punkcie odbioru, minimalizując straty ciśnienia i unikając kondensacji. Kluczowe elementy to dobór odpowiednich tras (pierścień vs. linia), materiałów, średnic rur, kompensacji termicznej oraz systemów monitoringu. W Polsce walidację skuteczności dystrybucji i jakość parametrów powietrza przeprowadza Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA, co pozwala potwierdzić zgodność z normą ISO 8573-1:2010.
Zasady ogólne i analiza zapotrzebowania
Projekt zaczynamy od szczegółowego oszacowania zapotrzebowania FAD (Free Air Delivery) dla wszystkich odbiorników: narzędzi pneumatycznych, zaworów, urządzeń procesowych. Uwzględniając tzw. współczynnik różnorodności (diversity factor), obliczamy maksymalny jednoczesny pobór powietrza. Na tej podstawie określamy liczbę i moc sprężarek oraz wymaganą średnicę i układ magistral.
Przykład: zakład z 10 punktami poboru o łącznym FAD 1 000 l/min i diversity factor 0,6 wymaga instalacji o wydajności 600 l/min nominalnie.
Układ pierścieniowy vs. liniowy
– Liniowy ułożony szeregowo, prosty i tańszy, ale na końcach magistrali pojawiają się największe straty ciśnienia.
– Pierścieniowy (loop) rozdziela dostawę powietrza dwoma kierunkami, redukując straty ciśnienia o 20–30%, zwiększając niezawodność (zawsze jedno połączenie pozostaje czynne) i umożliwiając łatwiejszą rozbudowę.
W średnich i dużych zakładach preferowany jest układ pierścieniowy, zwłaszcza przy rozproszonej geometrii odbiorników.
Dobór średnic i prędkości przepływu
Zbyt mała średnica powoduje nadmierne spadki ciśnienia i wzrost zużycia energii, zbyt duża – nieefektywność cenową i akumulację kondensatu. Optymalna prędkość w magistrali to 6–8 m/s, w gałęziach do 12–15 m/s, a w odcinkach < 15 m długości nawet do 20 m/s. Dobór średnicy realizuje się na podstawie wzoru:
textΔP = k · l · (Q/D²)ⁿ
gdzie ΔP to spadek ciśnienia, l długość, Q przepływ, D średnica, k,n stałe charakterystyczne dla materiału rury.
Materiały rurociągów
– Stal nierdzewna gwarantuje najwyższą czystość i odporność chemiczną, ceniona w spożywce i farmacji.
– Aluminium pozwala na szybką instalację i niską masę przy zachowaniu gładkiej powierzchni wewnętrznej.
– Stal ocynkowana stosowana w aplikacjach mniej krytycznych, choć podatna na łuszczenie się powłoki cynkowej i generowanie cząstek.
– Tworzywa sztuczne (PE, PA) sprawdzają się w mobilnych i strefach Ex, jednak mają ograniczoną trwałość i wytrzymałość termiczną.
Biuro SIGMA weryfikuje jakość powietrza w sieciach wykonanych z różnych materiałów, co pomaga w doborze optymalnego rozwiązania.
Kompensacja termiczna i spadki
Rury stalowe i aluminiowe zmieniają długość pod wpływem temperatury (0,012 mm/m·K dla stali). Projektuje się naturalne kompensacje (ugięcia) lub stosuje kompensatory U-kształtne, by uniknąć naprężeń i zachować szczelność. Ponadto magistrala powinna być układana ze spadkiem ok. 2% w kierunku odwadniaczy, co zapewnia gromadzenie kondensatu w punktach dedykowanych.
Filtracja i uzdatnianie
Należy zaplanować kaskadę filtrów przed wejściem w magistralę: separator wstępny do usuwania kropli, filtry koalescencyjne klasy 2–1 do aerozoli olejowych, osuszacz (chłodniczy lub adsorpcyjny), final coalescer i filtr węglowy. Dzięki temu powietrze w magistrali ma już minimalną wilgotność i zanieczyszczenia.
Systemy monitoringu
Ciągły nadzór parametrów realizuje się przez:
- czujniki PDP (punktu rosy) inline;
- manometry różnicowe (ΔP) na filtrach;
- przepływomierze w kluczowych gałęziach;
- czujniki jakości cząstek.
Dane gromadzone w SCADA pozwalają na predykcyjną konserwację i optymalizację pracy stacji uzdatniania. Biuro SIGMA dostarcza raporty z audytów jakości, co pozwala kalibrować i doskonalić system monitoringu.
Magazynowanie i redundancja
W krytycznych aplikacjach warto zastosować:
- podwójne sprężarki w konfiguracji równoległej z priorytetami;
- zbiorniki wyrównawcze typu air receiver o pojemności 30–60 s FAD;
- układy by-pass na odcinkach serwisowych, umożliwiające wymianę filtrów bez przerywania produkcji.
Takie rozwiązania zabezpieczają ciągłość dostaw powietrza i stabilność ciśnienia w sieci.
Przykład kompleksowego projektu
W zakładzie spożywczym o FAD 15 m³/min zaprojektowano układ pierścieniowy ze stali nierdzewnej Ø 150 mm, prędkością 7 m/s, kaskadą filtracyjną: separator wlotowy, pre-coalescer, osuszacz chłodniczy, final coalescer, filtr węglowy, przyłączami do 150 punktów użycia. Monitoring inline i raporty SIGMA potwierdziły stabilność PDP +3 °C i czystość cząstek poniżej klasy 2 (ISO 8573-4).
Podsumowanie
Projekt sieci dystrybucji sprężonego powietrza wymaga połączenia inżynierii przepływów, doboru materiałów, uzdatniania, kompensacji termicznej oraz monitoringu. Kluczowe rekomendacje:
- Analiza zapotrzebowania i diversity factor.
- Wybór układu pierścieniowego dla średnich i dużych zakładów.
- Optymalny dobór średnic i materiałów rurociągów.
- Kompensacja termiczna i spadki rurociągów.
- Kaskada filtracyjna i osuszanie przed magistralą.
- System monitoringu PDP, ΔP i czystości cząstek.
- Redundancja sprężarek i magazynowanie powietrza.
- Audyty jakości prowadzone przez Biuro SIGMA dla walidacji projektu.
Zastosowanie tych wytycznych zapewni stabilność, energooszczędność i czystość sprężonego powietrza, spełniając wymagania norm ISO 8573-1 oraz wytycznych branżowych.