Feuchtigkeit: der heimliche Feind in Druckluftanlagen
Die Überwachung des Taupunkts verhindert Produktionsausfälle und Produktausschuss
Druckluftnutzer gehen oft davon aus, dass die aus dem Rohrleitungssystem strömende Luft sauber und trocken ist. Dies ist jedoch selten der Fall, und neben Staub- und Schmutzpartikeln stellt insbesondere Feuchtigkeit die am meisten unterschätzte Gefahr dar. Dies gilt nicht nur für die ordnungsgemäße Funktion und Lebensdauer der Druckluftanlage selbst, sondern auch für die mit Druckluft gesteuerten Prozesse und Komponenten. Die korrekte Regelung und genaue Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts mittels Taupunktsensoren ist daher wichtiger, als viele denken!
Feuchtigkeit kann in Druckluftsystemen gefrieren und Rost sowie Lochfraß an Rohren und Bauteilen verursachen. Außerdem kann sie das Schmiermittel auswaschen, was zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und Schäden an Ventilen und Zylindern führt. Feuchte Luft ist zudem ein idealer Nährboden für Bakterien, was insbesondere in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zu Produktreklamationen und kostspieligen Produktionsausfällen führen kann. Es ist daher verwunderlich, dass sich viele Unternehmen darauf beschränken, nur grundlegende Größen wie Druck, Durchfluss und (aufgenommene) Leistung zu messen. Denn gerade Taupunktmessungen können viele Probleme und (unnötige) Kosten verhindern.
VPVision verarbeitet alle Messwerte zu Durchfluss, Druck, Taupunkt, Temperatur und Energieverbrauch, mit denen das Systemverhalten von Druckluftsystemen kontinuierlich überwacht und analysiert werden kann.
Feuchtigkeitsgehalt und Taupunkt
Der Taupunkt wird in Grad Fahrenheit angegeben und ist ein Maß für die Wasserdampfmenge in (komprimierter) Luft oder in einem Gas. Wir beziehen uns ausdrücklich auf den Drucktaupunkt für Druckluft, da die Taupunkttemperatur bei einem Druck gemessen wird, der in der Regel um den Faktor 6 bis 8 über dem atmosphärischen Druck liegt. Dies ist wichtig, da sich durch eine Änderung des Gasdrucks auch die Taupunkttemperatur ändert. Je niedriger der Druck, desto niedriger der Taupunkt. Wenn beispielsweise atmosphärische Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 bis 50 % auf einen Druck von 100 psig komprimiert wird, ist diese Luft zu 100 % gesättigt.
Die aktuelle Drucklufttemperatur (die über der Umgebungstemperatur liegt) entspricht dem tatsächlichen Drucktaupunkt. Sobald die Temperatur sinkt, kondensiert die Feuchtigkeit in der Druckluft, wodurch wöchentlich mehrere Liter Wasser in das System gelangen können.
Ursachen für Feuchtigkeitsprobleme
Feuchtigkeitsprobleme können verschiedene Ursachen haben. Häufig kommt es vor, dass sich Wasserabscheider oder kombinierte Öl-Wasser-Abscheider hinter dem Kompressor aufgrund mechanischer Probleme, wie beispielsweise eines festsitzenden Schwimmers, mit Wasser füllen. Bleibt dies unbemerkt, fließt das Wasser ungehindert in das Druckluftsystem und kann sich in einem Pufferbehälter ansammeln. Die Investition in einen Schwimmerablass, einen zeitgesteuerten Ablass oder ein elektronisches Kondensatablasssystem ist daher kein überflüssiger Luxus. Verstopfte Kühlelemente von Nachkühlern und Ölkühlern, aber auch Unkenntnis über den Betrieb von Kältetrocknern in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur sind weitere Ursachen für Feuchtigkeitsprobleme. Wenn beispielsweise ein Kältetrockner nach dem (nassen) Pufferbehälter die Luft auf einen Drucktaupunkt von (tatsächlich) 50 °F kühlt und im Winter sowie an kühlen Abenden die Umgebungstemperatur des Rohrleitungsnetzes auf 40 °F sinkt, wird dies oft ignoriert. Doch allein dieser Temperaturabfall von 10 Grad verursacht im Rohrleitungssystem während einer 40-Stunden-Woche etwa 1,45 Gallonen Kondenswasser und bei einer 24/7-Produktion sogar 6 Gallonen! Mit einer Taupunktmessung hinter dem Kühler lässt sich dies sehr schnell feststellen, und es können rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden. Bei der Auswahl eines Trockners und der zu erreichenden Drucktaupunkttemperatur muss also neben den Anforderungen, die der Prozess an die Druckluft stellt, auch die durchschnittliche Umgebungstemperatur berücksichtigt werden!
Einbau von Taupunktmessgeräten
Spiegel-, kapazitive Metalloxid- und Polymersensoren sind die drei bekanntesten Messgeräte zur Bestimmung des Taupunkts. Kapazitive Polymersensoren sind jedoch am besten gegen Staub und Schmutz geschützt, unempfindlich gegenüber Kondensation, weisen eine gute Langzeitstabilität auf und bieten ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis. Bei diesen Sensoren wird eine Änderung der Kapazität in die Taupunkttemperatur umgerechnet, die in Grad Celsius oder Fahrenheit angezeigt wird. Insbesondere VP-Taupunktsensoren verfügen über ein einzigartiges internes Heizsystem, das es ihnen ermöglicht, sich nach starker Feuchtigkeitseinwirkung sehr schnell wieder zu erholen. Dies kann beispielsweise leicht der Fall sein, wenn Trockner, Wasserabscheider und/oder Abflüsse nicht ordnungsgemäß funktionieren.
Die große Frage ist natürlich, wie viele Taupunktsensoren in einer Druckluftanlage installiert werden sollten und wo sie platziert werden müssen, um zuverlässige Messungen zu gewährleisten. Die einfachste (Anfangs-)Lösung besteht darin, einen Taupunktsensor direkt hinter dem Trockner und vor dem Trocknungsbehälter zu installieren. Auf diese Weise wird der Trockner auf korrekten Betrieb überwacht. Es ist auch möglich, den Sensor hinter dem Trocknungsbehälter zu platzieren, wobei jedoch eine Verzögerung des Messsignals zu berücksichtigen ist. Bei zwei oder mehr parallel geschalteten Trocknern empfiehlt es sich, hinter jedem Trockner einen Taupunktsensor zu installieren. Denn wenn nur ein Sensor in der Zuleitung zum Puffertank verwendet wird, lässt sich bei einer abweichenden Messung nicht sofort feststellen, welcher Trockner Probleme verursacht. Es ist zudem ratsam, einen zusätzlichen Taupunktsensor in der Zuleitung kritischer Prozesse zu installieren. Sollte es zu einer Störung des Taupunkts kommen, können rechtzeitig Maßnahmen ergriffen und kostspielige Produktionsausfälle vermieden werden.
Die Stärke kombinierter Messungen
Um die Ursachen für einen abweichenden Taupunkt schnell und gezielt zu ermitteln, sind zusätzliche Messungen erforderlich. Durch den Einbau eines 3-in-1-VPFlowScope-Sensors hinter dem Trockner werden zusätzlich Massenstrom, Druck und Temperatur gemessen. Sobald der Taupunkt ansteigt, lässt sich dann schnell feststellen, was die Ursache dafür ist, beispielsweise eine steigende Einlasstemperatur des Kältetrockners und/oder ein hoher Luftdurchsatz. Ein Rückgang des Durchflusses und/oder des Drucks kann ebenfalls ein Hinweis darauf sein, dass der Trockner im Inneren verschmutzt ist, während Durchflussmessungen auch zur Überwachung des Leckagegrades genutzt werden können. Dies ist wichtig, da neben dem Energieverlust Kondensat über Leckagen zurück in das Rohrleitungsnetz fließen kann, wobei dieses Risiko bei Anwendungen mit niedrigerem Taupunkt steigt.
Zusätzliche Messungen können zudem dazu dienen, den Druckverlust in der Trockner- und Filteranlage zu visualisieren, sodass der Zeitpunkt für den Filterwechsel genau vorhergesagt werden kann. Durch die zusätzliche Messung der Leistungsaufnahme lässt sich in Verbindung mit den anderen Messwerten der Wirkungsgrad des Trockners berechnen und mit dem anderer Trockner vergleichen. Dies kann dann beispielsweise zur Optimierung der Wartung genutzt werden und dient zudem dazu, im Nachhinein zu überprüfen, ob beim Kauf des/der Trockner(s) die richtigen Entscheidungen getroffen wurden.
Auswahl eines Wäschetrockners
Im Zusammenhang mit Energieeinsparungen ist es wichtig, den tatsächlich erforderlichen Drucktaupunkt und/oder die Notwendigkeit einer zentralen Luftkühlung kritisch zu hinterfragen. Eine dezentrale Trocknung, die nur für die Prozesse eingesetzt wird, die sie benötigen, ist ebenfalls eine Option. Oftmals entscheidet man sich „aus Sicherheitsgründen“ für zu trockene Luft mit einem zu niedrigen Drucktaupunkt. Dies verursacht jedoch unnötige Energiekosten. Eine gute Richtlinie zur Bestimmung des richtigen Taupunkts ist die Norm ISO 8573-1:2010. Hier werden die Taupunktwerte in sieben Klassen unterteilt: Klasse 0 bis Klasse 6. Klasse 0 (definiert als alles, was besser ist als Klasse 1) ist die höchste Kategorie, die nur in seltenen Fällen zur Anwendung kommt, beispielsweise wenn Druckluft in Reinräumen der höchsten Kategorie benötigt wird. Klasse 1 hat einen Drucktaupunkt von -94 °F, Klasse 6 von +50 °F.
Eine sorgfältige Analyse des tatsächlichen Bedarfs kann sowohl bei der Investition in die Trockneranlage als auch im späteren Betrieb viel Geld sparen. Zur Veranschaulichung: Der Energieverbrauch eines Kältetrockners liegt bei etwa 0,8 kW/100 CFM, während ein Adsorptionstrockner etwa fünfmal so viel Energie benötigt, d. h. etwa 3 bis 4 kW/100 CFM!
Tanks für die Lagerung von Flüssigkeiten und Feststoffen
Es wird empfohlen, einen Nassbehälter hinter dem Luftkompressor und vor dem Drucklufttrockner zu installieren. Es wird außerdem empfohlen, einen separaten „Trockenluftspeicher“ hinter dem Trockner zu installieren. Dies schützt den Trockner vor Überlastung und ermöglicht es zudem, die Größe des Trockners anhand des durchschnittlichen Durchflusses statt anhand eines (kurzfristigen) Spitzenbedarfs zu bemessen. Dadurch kann in der Regel ein kleinerer Trockner gewählt werden. Darüber hinaus trägt der zusätzliche Behälter zu einem stabileren Systemdruck bei und kann sich sogar positiv auf die Dimensionierung und Regelung des Kompressors auswirken.
Systemoptimierung
Die Grundlage für eine gesunde und optimal wirtschaftliche Druckluftanlage ist eine permanente Überwachung, bei der Taupunktmessungen mit Durchfluss-, Druck-, Temperatur- und Leistungsmessungen kombiniert werden. Durch die übersichtliche Darstellung aller Daten in einem speziell für diesen Zweck entwickelten Überwachungssystem, wie beispielsweise VPVision, lässt sich das Systemverhalten rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr, überwachen und analysieren.
Schwankungen bei der Nachfrage, beim Taupunkt, eine zu hohe Kompressortemperatur – all dies wird rechtzeitig angezeigt, und bei Abweichungen wird ein Alarm ausgelöst. Das System liefert zudem äußerst wertvolle Informationen für die Optimierung der Wartung, für die richtigen Investitionsentscheidungen im Hinblick auf zukünftige Erweiterungen sowie für die Optimierung des gesamten Druckluftsystems. Die permanente Überwachung verlängert die Lebensdauer der Anlagen, senkt Wartungs- und Energiekosten und beugt Produktverlusten sowie Produktionsausfällen vor.
Dieser Artikel entstand in Zusammenarbeit mit Frank Moskowitz, Dozent bei der „Compressed Air Challenge“, und Pascal van Putten, Geschäftsführer von VPInstruments Delft, Niederlande. Er wurde im Magazin „Compressed Air Best Practices“ veröffentlicht.
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