Feuchtigkeit: der heimtückische Feind in jeder Druckluftanlage
Wie und in welchem Umfang Feuchtigkeit in Druckluftsystemen entsteht, wie man dies verhindern kann und wie man den Feuchtigkeitsgehalt misst bzw. überwacht, steht im Mittelpunkt dieses zweiteiligen Artikels. Er entstand in Zusammenarbeit mit Frank Moskowitz, Dozent bei der Compressed Air Challenge, und Pascal van Putten, CEO von VPInstruments Delft.
Schmutz- und Wasserpartikel
Druckluft kann aus verschiedenen Gründen verunreinigt werden. Die von Kompressoren angesaugte Umgebungsluft enthält zunächst einmal Staub-, Wasser- und Schmutzpartikel, aber auch Bakterien. Viele davon passieren die Einlassfilter problemlos und gelangen so ungehindert in das Druckluftsystem. Darüber hinaus können sowohl über den Kompressorblock als auch aus der Umgebung Ölpartikel und Kohlenwasserstoffe in die Druckluft gelangen. Die von einem Kompressor erzeugte Druckluft ist also niemals sauber und trocken. Daher wird sowohl vor als auch hinter dem Kompressor ein ganzes Arsenal an Filtern, Wasser-/Ölabscheidern und Trocknern eingesetzt, um Druckluft in der gewünschten Qualität zu erzeugen.
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Feuchtigkeit, die in verschiedenen Formen (Dampf, Wasser) stets in Druckluft vorkommt. Feuchte Druckluft ist die Ursache für viele Probleme. Sie kann in Rohrleitungen gefrieren und Rostbildung sowie Lochfraß im Inneren der Leitungen verursachen. Außerdem kann Feuchtigkeit das für viele Komponenten wichtige Schmiermittel wegspülen, was zu beschleunigtem Werkzeugverschleiß und Schäden an Ventilen und Zylindern führt. In der Praxis ist es keine Seltenheit, dass Unternehmen monatlich fünf- bis zehntausend Euro an zusätzlichen Kosten für den Austausch von Werkzeugen aufgrund von Wasserschäden aufwenden müssen. Oftmals wird dies jedoch nicht bemerkt, auch weil die Anschaffung neuer Werkzeuge in der Buchhaltung meist unter einem anderen Kostenposten verbucht wird.
Wenn die Druckluft über Jahre hinweg zu viel Feuchtigkeit enthält, führt dies zu diesem Schreckensszenario. Es verursacht Rostbildung und Lochfraß, und ganze Rohrleitungen können dadurch sogar verstopfen.
Feuchtigkeit wirkt sich zudem beispielsweise verheerend auf die Qualität von Beschichtungsprozessen aus und kann beim Lackieren in der Automobilindustrie zu Ausschuss und hohen Nachbesserungskosten führen. Zudem ist feuchte Luft ein idealer Nährboden für Bakterien, was insbesondere in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zu Produktmängeln und Produktionsstillständen führen kann, mit Millionen Euro an Produkt- und Produktionsverlusten zur Folge. Taupunktmessungen sind in industriellen Umgebungen die einzige Möglichkeit, den Feuchtigkeitsgehalt in Druckluft zu messen und Korrosionsschäden sowie Produktmängel durch Wasserverschmutzung zu verhindern. In vielen Unternehmen werden jedoch am Druckluftsystem lediglich Grundgrößen wie Druck, Durchfluss und (aufgenommene) Leistung gemessen. Selten wird auch die so wichtige vierte Messgröße, nämlich der Taupunkt, mit einbezogen, obwohl gerade diese viele Probleme und Kosten verhindern kann.
Die Kombination aus Kalk, Rost, Schmutz und Bakterien ist natürlich nicht ideal für den Betrieb pneumatischer Systeme und schon gar nicht in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, wo dies direkt zu Produktmängeln und Produktionsausfällen führen kann.
Feuchtigkeitsgehalt und Taupunkt
Der Taupunkt eines Gases, beispielsweise von Luft, wird in Grad Celsius angegeben und ist ein Maß für den Wasserdampfgehalt im Gas bzw. in der Luft. Sinkt die Temperatur des Gases bzw. der Luft unter den Taupunkt, geht der Wasserdampf in (Kondens-)Wasser über. Bei Druckluft sprechen wir vom Drucktaupunkt, da es um die Messung der Taupunkttemperatur von Gasen bei einem Druck geht, der höher ist als der atmosphärische Druck. Meistens ist dieser um den Faktor 6 bis 8 höher. Dies ist wichtig zu wissen, da sich durch die Veränderung des Drucks eines Gases auch die Taupunkttemperatur ändert. In der Tabelle zu diesem Artikel ist dies gut zu erkennen. Je niedriger der Druck, desto niedriger ist der Taupunkt. Das zeigt sich auch am folgenden Beispiel, bei dem atmosphärische Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 bis 50 % auf einen Druck von 7 bar komprimiert wird. Durch diese Kompression wird die so entstehende Druckluft zu 100 % gesättigt. Das bedeutet, dass die aktuelle Drucklufttemperatur (etwa 10 Grad über dem Umgebungsdruck am Auslass des Kompressors) in diesem Moment dem Taupunkt entspricht.
Aus dieser Tabelle geht hervor, wie groß der Unterschied im Drucktaupunkt von gekühlter Luft bei einem Druck von ca. 7 bar (100 PSIG) und normalem atmosphärischem Druck.
Bei jeder Abkühlung kondensiert die Feuchtigkeit in dieser Luft sofort. Zur Berechnung des Taupunkts wird der Dampfdruck gemessen, der anschließend in Liter pro Kubikmeter Druckluft umgerechnet wird. Nehmen wir als Beispiel einen Kompressor, der bei 7 bar etwa 2,8 m³/min Druckluft erzeugt.
Bei einer 40-Stunden-Woche ergibt das insgesamt 6.720 m³. Beträgt die Drucklufttemperatur hinter dem Nachkühler beispielsweise 27 °C, ist die ungetrocknete Druckluft zu 100 % gesättigt (Drucktaupunkt 27 °C). Durch die Abkühlung auf eine Umgebungstemperatur von 21 °C entstehen in der Druckluft dieses Beispiels bereits etwa 6 Liter Kondenswasser pro Woche. Bei einer Produktion rund um die Uhr sind das sogar mehr als 25 Liter Wasser pro Woche.
Mechanische Probleme
Viele Feuchtigkeitsprobleme lassen sich auf mechanische Probleme zurückführen. Ein Beispiel ist das Überlaufen eines Wasserabscheiders oder eines kombinierten Öl-/Wasserabscheiders hinter dem Kompressor. Meist handelt es sich dabei um ein System mit einem Schwimmer, der den Abfluss automatisch öffnet, sobald das Wasser einen bestimmten Stand überschreitet. Nicht selten bleibt der Schwimmer jedoch hängen. Wird dies vom technischen Dienst nicht entdeckt, fließt das Wasser direkt in das Druckluftsystem. Befindet sich hinter dem Kompressor ein Pufferbehälter und ist dieser nicht mit einem Trockner ausgestattet, sammelt sich ein Großteil des Kondensats und des Wassers am Boden dieses Behälters. Wird diese Feuchtigkeit nicht regelmäßig abgelassen, führt dies zu Korrosion sowohl im Pufferbehälter als auch in den nachgeschalteten Systemen. Außerdem können im Laufe der Zeit ernsthafte Probleme durch Kalkablagerungen entstehen. Es wird daher empfohlen, den Pufferbehälter mindestens einmal täglich abzulassen und bei Kompressoren, die unter Volllast laufen, sogar noch häufiger.
Normalerweise befindet sich hinter dem Kompressor ein Wasserabscheider oder ein kombinierter Öl-Wasser-Abscheider. Oft handelt es sich dabei um ein System mit einem Schwimmer, der den Abfluss automatisch öffnet, sobald der Wasserstand einen bestimmten Wert überschreitet.
Die Investition in einen Schwimmerablass, einen zeitgesteuerten Ablass oder – noch besser – ein elektronisches Kondensatablaufsystem beugt Problemen vor. Allerdings müssen diese Systeme regelmäßig auf ihre ordnungsgemäße Funktion überprüft werden. Probleme mit Kondensat können nicht nur durch festsitzende Schwimmerkugeln, sondern auch durch verschlammte Kühlelemente von Nachkühlern und Ölkühlern entstehen. Durch unzureichende Kühlung wird nämlich weniger Feuchtigkeit am Nachkühler abgeschieden, wodurch mehr Feuchtigkeit in das System gelangt. Ohne Taupunktmessung kommt man dem nie auf die Spur, und weltweit gibt es in der Praxis Hunderttausende, vielleicht sogar Millionen von Unternehmen, bei denen Wasser im Leitungssystem durch mechanische Störungen verursacht wird.
Oft wird davon ausgegangen, dass der Schwimmer eines Wasserabscheiders immer einwandfrei funktioniert. Nicht selten im Laufe der Zeit jedoch fest. Eine regelmäßige Überprüfung ist daher erforderlich, da sonst Wasser direkt in das Druckluftsystem gelangt.
Luftkühlen
Ein weiterer „heimtückischer Faktor“ ist der Unterschied zwischen dem Drucktaupunkt (z. B. 10 °C) und einer niedrigeren Umgebungstemperatur des Rohrleitungsnetzes hinter dem Wasserabscheider und dem Kältetrockner (z. B. 4,5 °C). Dieser Temperaturabfall um 5,5 Grad bedeutet, dass jede Woche 23 Liter zusätzliche Feuchtigkeit in das System gelangen.
Ein weiterer „heimtückischer Feind“ ist die Unkenntnis darüber, wie Kältetrockner in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur funktionieren. Denn wenn der Kältetrockner nach dem (nassen) Buertank die Luft auf einen Drucktaupunkt von (in Wirklichkeit) 10 °C abkühlt und (beispielsweise im Winter und an kühlen Abenden) die Umgebungstemperatur des Leitungsnetzes auf 4,5 °C sinkt, wird dies oft nicht beachtet. Rechnet man jedoch nach, entstehen durch diesen Temperaturabfall von 5,5 Grad innerhalb einer Woche (40 Stunden) etwa 5,5 Liter Kondenswasser im Leitungssystem. Bei einem 24/7-Betrieb sprechen wir dann sogar von 23 Litern pro Woche, nur weil die Umgebungstemperatur im Vergleich zum Drucktaupunkt um 5,5 °C sinkt. Mit einer Taupunktmessung hinter dem Kühler kann man dies feststellen und gegebenenfalls Maßnahmen ergreifen. Vielen Unternehmen reicht übrigens ein Kältetrockner aus, dabei muss man jedoch auch die durchschnittliche Umgebungstemperatur berücksichtigen. Ist in bestimmten Fällen, beispielsweise in der Lebensmittel- oder Pharmabranche oder in der Halbleiterindustrie, sehr trockene Luft erforderlich, besteht Bedarf an einem niedrigeren Drucktaupunkt (-20 °C bis -70 °C), wofür Adsorptionstrockner die am besten geeignete Lösung sind.
Durch ein Leck in der Leitung strömt trockene Luft unter hohem Druck in die Atmosphäre. Dadurch kondensiert die Feuchtigkeit in der Luft, die über das Leck zurück in die Leitung strömt, in Richtung der trockeneren Luft.
Leitungsprobleme
Durch ein Leck in der Leitung strömt trockene Luft unter hohem Druck in die Atmosphäre. Dadurch kondensiert die Feuchtigkeit in der Luft, die über das Leck zurück in die Leitung strömt, in Richtung der trockeneren Luft.
Viele Unternehmen gehen nach der Installation von Wasserabscheidern und Drucklufttrocknern davon aus, dass der Drucktaupunkt in Ordnung ist und das System frei von (Kondens-)Wasser ist. Wenn im System alles richtig berechnet wurde, einwandfrei funktioniert und das Rohrleitungssystem dicht ist, könnte dies eine realistische Annahme sein. Oft funktioniert jedoch nicht alles optimal, und ein Leitungssystem ist faktisch nie zu 100 % dicht. Hinzu kommen die physikalischen Eigenschaften von Wasser(dampf). Dieser bewegt sich nämlich immer von einem Ort mit hoher zu einem Ort mit niedriger relativer Luftfeuchtigkeit, unabhängig von der Richtung des Luftstroms.
Das bedeutet, dass beispielsweise durch ein Leck in der Druckluftleitung Feuchtigkeit in das System gelangen kann. Druckluft, die durch ein Leck in der Leitung nach außen strömt, dehnt sich schnell aus, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird und die Leitung an dieser Stelle gekühlt wird. Dadurch entsteht Kondenswasser an der Leitung, das sich über das Leck seinen Weg in die trockenere Luft in der Leitung sucht. Dies wirkt sich negativ auf den Drucktaupunkt aus, während sich die Feuchtigkeit schnell weiter im System ausbreitet und schließlich in Komponenten und Prozesse gelangt. Letztendlich sammelt sich die gesamte Feuchtigkeit an einer Stelle. Dies geschieht meist am tiefsten Punkt der Anlage, da Wasser nun einmal der Schwerkraft unterliegt. Denken Sie dabei also an den tiefsten Punkt im Leitungsnetz oder am Boden von Pufferbehältern. Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist der Leitungsdurchmesser. Je kleiner der Durchmesser, desto höher ist die Geschwindigkeit, mit der die Druckluft durch die Leitung strömt. Enthält diese Luft Feuchtigkeit, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass sie aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit an Wasserabscheidern und sogar durch Filter hindurchgeblasen und so weit in das Leitungsnetz verteilt wird. Die Verwendung größerer Leitungsdurchmesser sorgt für mehr Ruhe im System und gewährleistet eine höhere Wirksamkeit von Wasserabscheidern und Filtern.
Gleichgewicht
Wichtig ist auch, dass jeder Trockner ein instabiles Gas erzeugt, das so schnell wie möglich Wasser aufnehmen will, um ein Gleichgewicht herzustellen (Ficksche Gesetze). Bei Druckluft mit einem Drucktaupunkt von -40 °C und einem Druck von 7 bar beträgt der Dampfdruck in der Leitung beispielsweise 0,00013 bar. Außerhalb der Leitung beträgt der Taupunkt der (atmosphärischen) Luft beispielsweise 16 °C bei einem Dampfdruck von 0,018 bar. Der Dampfdruck außerhalb der Leitung ist in dieser Situation also 138-mal so hoch wie in der Leitung. Das bedeutet, dass im Bestreben, ein Gleichgewicht herzustellen, Feuchtigkeit über ein Loch in der Leitung in die Druckluft gelangt. Stammt die Druckluft aus einem Adsorptionstrockner mit einem Drucktaupunkt von -70 °C, ist der Dampfdruck außerhalb der Leitung sogar etwa 11.000-mal höher als der Dampfdruck in der Leitung. Von außen gelangt somit noch viel, viel schneller Feuchtigkeit in das Druckluftnetz. Will man dies in Systemen mit einem sehr niedrigen Drucktaupunkt verhindern, muss man alle Verbindungen im Leitungsnetz vollständig gasdicht machen, indem man beispielsweise alle Leitungen integral miteinander verschweißt.
Durch Taupunktmessungen lassen sich Probleme vermeiden und Kosten einsparen. Wie Taupunktmessgeräte funktionieren und wo sie angebracht werden sollten, steht im Mittelpunkt von Teil 2 dieses Artikels, der in der nächsten Ausgabe von „Process Control“ veröffentlicht wird.
„Wichtig ist auch, dass jeder Trockner ein instabiles Gas erzeugt, das so schnell wie möglich Wasser aufnehmen will, um ein Gleichgewicht herzustellen.“
In vielen Fällen ist dies jedoch nicht der Fall, da meist Klemmverschraubungen verwendet werden, was bedeutet, dass man sich damit abfinden muss, dass Druckluftleitungen niemals hermetisch dicht sind. Von außen gelangt also über Undichtigkeiten immer Feuchtigkeit in das Druckluftsystem.
Wartung und Überwachung
Wenn man Feuchtigkeitsprobleme vermeiden will, sollte man zunächst sicherstellen, dass mechanische Probleme niemals die Ursache dafür sind. Mechanische Ausfälle lassen sich nämlich durch regelmäßige Wartung gut verhindern. Überprüfen Sie Wasserabscheider regelmäßig auf ordnungsgemäße Funktion und entleeren Sie Puffertanks und Filtergehäuse regelmäßig. Wählen Sie außerdem den richtigen Trockner aus, der für die jeweilige Anwendung den erforderlichen Drucktaupunkt erreicht. Nicht mehr, nicht weniger. Oft wählt man „aus Sicherheitsgründen“ eine zu trockene Luft. Bedenken Sie jedoch, dass trockene Luft auch mehr Feuchtigkeit anzieht und in vielen Fällen mehr kostet, als sie einbringt. Spüren Sie außerdem regelmäßig Leckagen im Leitungsnetz auf und beheben Sie diese. Stellen Sie schließlich sicher, dass der Taupunkt überwacht wird. Bei sehr trockener Luft wird zudem empfohlen, den Taupunkt nicht nur im Druckluftraum, beispielsweise hinter dem Trockner, sondern auch auf Maschinenebene zu messen. In Teil 2 dieses Artikels, der in der nächsten Ausgabe von Process Control veröffentlicht wird, wird detailliert behandelt, womit und wie der Taupunkt und andere wichtige Größen in Druckluftanlagen gemessen bzw. überwacht werden können. Außerdem wird erläutert, wo diese Messungen am besten durchgeführt werden sollten und wie damit die Grundlage für eine hochmoderne Druckluftanlage mit optimalen technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften geschaffen werden kann.
vpinstruments
Von Frank Senteur im Process Control Magazine.
Webinar: Messung des Taupunkts in Druckluftsystemen
Erfahren Sie in diesem Webinar mehr über die schädlichen Auswirkungen von Wasserverschmutzung und darüber, wie man das Taupunktproblem in Druckluftsystemen in den Griff bekommt.
China (vereinfachtes Chinesisch)
Großbritannien (Englisch)
