Het bewaken van het dauwpunt voorkomt productiestilstand en productafkeuring
Wat de gevaren van vocht zijn en hoe vochtbeheersing en dauwpuntmonitoring in de praktijk kunnen worden gerealiseerd, staat centraal in een tweedelige reeks, waarvan het eerste deel in de vorige uitgave van Process Control is verschenen. Beide artikelen zijn tot stand gekomen in samenwerking met Compressed Air Challenge-instructeur Frank Moskowitz en Pascal van Putten, CEO van VPInstruments Delft.
Bron van problemen
In het vorige artikel werd duidelijk welke schade vocht in persluchtsystemen kan veroorzaken, zoals roestvorming en putcorrosie in leidingen. Maar vocht kan ook smeermiddel verdrijven, wat resulteert in verhoogde slijtage van kleppen, cilinders en persluchtgereedschap. Daarnaast is vocht funest voor de kwaliteit van kritische processen zoals verfspuiten, halfgeleiderproductie of bij het met lucht transporteren van droge diervoeders. Komt daar vocht bij, dan gaat dit laatste klonteren. Vocht is bovendien een ideale voedingsbodem voor schimmels en bacteriën, wat met name in de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie kan leiden tot productafkeuring. Dauwpuntmetingen zijn in industriële omgevingen de enige manier om het vochtgehalte in perslucht te meten en corrosieschade en productafkeuring te voorkomen.
Het principe van dauwpuntmeting
De dauwpunttemperatuur is de temperatuur waarbij de lucht volledig verzadigd is (= 100% relatieve luchtvochtigheid). Als de temperatuur verder daalt, ontstaat er nevel, mist of condenswater.
De drie meest voorkomende technieken voor het meten van het dauwpunt zijn spiegeldauwpuntmeters, capacitieve metaaloxide- en polymeersensoren. Bij het eerste meetprincipe wordt een compacte spiegel gekoeld door een Peltier-element. Als het dauwpunt van het gas is bereikt, zal de spiegel beslaan, wat door een lichtsensor wordt gedetecteerd. De op dat moment actuele spiegeltemperatuur is het dauwpunt van de lucht/het gas. Spiegeldauwpuntmeters zijn erg nauwkeurig, maar ook zeer gevoelig voor stof, vuil en olie. Ze zijn duur (ook in onderhoud), niet ‘langdurig stabiel’ en daarom minder interessant voor toepassing in industriële omgevingen. Hiervoor zijn de capacitieve metaaloxide- en polymeersensoren aanzienlijk beter geschikt.
De werking van de VP-dauwpunttransmitter is gebaseerd op een zogenaamde capacitieve polymeersensor die bestand is tegen stof en vuil, ongevoelig is voor condensatie en een goede stabiliteit op lange termijn biedt.
Met name de capacitieve polymeersensor is het best bestand tegen stof en vuil, ongevoelig voor condensatie, heeft een goede stabiliteit op lange termijn en is aanzienlijk goedkoper dan spiegeldauwpuntmeters.
Sensoropbouw
De capacitieve polymeersensor bestaat uit twee elektroden met daartussen een vochtgevoelige polymeerlaag. De bovenste elektrode is vochtdoorlatend, waardoor er, afhankelijk van de hoeveelheid vocht in de lucht, een capaciteitsverandering optreedt tussen de elektroden. Deze zijn verbonden met de geïntegreerde elektronica die de capaciteitsverandering vertaalt naar de dauwpunttemperatuur, weergegeven in graden Celsius of Fahrenheit. Sommige dauwpuntsensoren, zoals de VP Dew Point Sensor, beschikken als unicum over een intern verwarmingssysteem, waardoor ze zeer snel kunnen herstellen nadat ze zijn blootgesteld aan zeer veel vocht. Dat kan bijvoorbeeld gebeuren als een droger niet goed werkt, waterafscheiders hun werk niet goed doen en/of afvoeren defect zijn.
Bij elektronische afvoeren moet men dus goed in de gaten houden of deze nog goed werken. De interne sensor kan bijvoorbeeld defect zijn, of de vlotter kan vastlopen, waardoor er steeds meer water onderin de buffertank komt te staan. Een elektronische afvoer heeft overigens vrijwel altijd een testknop waarmee de werking periodiek kan worden gecontroleerd. Bij een langdurig defecte afvoer zal er op een gegeven moment condens door de leidingen gaan stromen, waardoor de dauwpuntsensor plotseling een ‘erg hoge waarde’ zal aangeven. Soms denkt men dan dat de sensor defect is, maar het zijn dan toch echt mechanische of elektronische problemen die de boosdoener zijn.
Een geschikte plek voor een dauwpuntsensor is vlak achter de droger, zodat hiermee ook de goede werking van de droger kan worden gecontroleerd.
Sensoren plaatsen
De grote vraag is natuurlijk hoeveel dauwpuntsensoren er in een persluchtsysteem moeten worden geïnstalleerd en waar deze moeten worden geplaatst om betrouwbare metingen te verkrijgen. De eenvoudigste (start)oplossing is om een dauwpuntsensor vlak achter de droger en nog vóór het buffervat te plaatsen. Op die manier wordt namelijk ook gecontroleerd of de droger correct functioneert. Het is ook mogelijk om de sensor na het buffervat te plaatsen, maar houd dan rekening met een vertraging in het meetsignaal. Staan er twee drogers parallel, dan is het advies om achter elke droger een dauwpuntsensor te plaatsen. Als men namelijk slechts één sensor toepast in de centrale leiding naar het buffervat, zal men bij een afwijkende meting niet direct kunnen achterhalen welke droger problemen veroorzaakt. Ook is het verstandig om bij kritische processen in de toevoerleiding van dat proces een extra dauwpuntsensor te plaatsen, zodat tijdig kan worden ingegrepen als er iets mis is met het dauwpunt. Dit voorkomt/beperkt productieverlies.
Als de persluchtinstallatie bestaat uit een combinatie van meerdere compressoren en drogers, plaats dan achter elke droger een dauwpuntsensor, zodat bij afwijkingen van het dauwpunt snel kan worden vastgesteld welke droger hiervoor verantwoordelijk is.
Voorbeeldblok
Dauwpuntsensoren werken het beste als ze een constante luchtstroom meten. Het hangt dus niet alleen af van waar ze worden geplaatst, maar ook van hoe. Door ze bijvoorbeeld rechtstreeks in een luchtleiding te monteren, worden de sensoren direct blootgesteld aan vervuiling en kan de meting nadelig worden beïnvloed door schommelingen in de luchtstroom. Daarnaast worden ze vaak in een kogelkraan geïnstalleerd, wat als nadeel heeft dat er pockets kunnen ontstaan in de kogelkraan waarin de lucht als het ware stil staat. Het is beter om een sample block te gebruiken. Door middel van een klein naaldventiel wordt hierbij een continue kleine luchtstroom over het sensorelement geleid, waardoor men gegarandeerd een goede meting krijgt.
Dauwpuntsensoren kunnen in principe rechtstreeks in een persluchtleiding worden gemonteerd en, zoals in dit voorbeeld, worden gecombineerd met een afsluitklep.
Metingen combineren
Om bepaalde oorzaken sneller en beter te kunnen achterhalen, wordt aangeraden om dauwpuntmetingen te combineren met druk-, debiet- en temperatuurmetingen. Na de droger en de buffertank kan bijvoorbeeld een debietmeter worden geïnstalleerd. Kies daarbij wel voor een uitvoering die specifiek is ontworpen om zowel (zeer) droge als vochtige lucht te meten.
Er zijn ook zogenaamde ‘drie-in-één-debietmeters’, zoals de VPFlowScope. Deze meet naast het debiet tegelijkertijd ook de temperatuur en de druk. Als deze metingen worden gecombineerd met zowel dauwpunt- als vermogensmetingen, krijgt men optimale informatie over de juiste werking van de persluchtinstallatie. Wordt bijvoorbeeld de inlaattemperatuur van de koeldroger te hoog, of is de flow te hoog, dan zal de droger moeite hebben om de lucht voldoende af te koelen, wat een direct effect heeft op de waarde van het dauwpunt. Door druksensoren toe te voegen aan het persluchtsysteem kan drukverlies over de droger- en filterinstallatie worden gemonitord, waardoor het moment waarop filters vervangen moeten worden exact kan worden voorspeld. Ook kan een afname van de flow en/of druk betekenen dat de droger inwendig vervuild is.
Door tegelijkertijd het vermogen te meten, kan ook de efficiëntie van de droger worden berekend en vergeleken met die van andere drogers. Dit kan vervolgens worden gebruikt om bijvoorbeeld het onderhoud te optimaliseren en om achteraf te beoordelen of bij de aanschaf van de droger(s) de juiste keuzes zijn gemaakt.
Dauwpuntsensoren werken het beste als ze een constante luchtstroom meten. Door ze te monteren in een zogenaamd ‘Sample Block’ wordt door middel van een klein naaldventiel een continue, kleine luchtstroom over het sensorelement geleid, wat een gegarandeerd goede en betrouwbare meting oplevert.
Centraal of lokaal dauwpunt
Aangezien het drogen van perslucht veel energie kost en daardoor een kostbare aangelegenheid is, is het verstandig om dit fenomeen zeer kritisch te benaderen. In veel bedrijven wordt het drukdauwpunt van de perslucht afgestemd op het meest kritische proces in de fabriek. Vaak wordt daarbij gekozen voor een of meerdere koeldrogers en/of adsorptiedrogers die in de compressorruimte direct achter de compressor(en) zijn opgesteld. Alle in de fabriek op perslucht werkende apparaten en systemen werken dan met dezelfde droge lucht, maar de vraag is of dat wel in de hele fabriek nodig is of slechts bij specifieke processen/afdelingen. In het laatste geval zou men immers ook voor lokale drogers kunnen kiezen, die bovendien kleiner kunnen zijn omdat ze niet de totale persluchthoeveelheid hoeven te drogen. Dat dit ook veel energie bespaart, zal duidelijk zijn.
Een ander punt om te overwegen is of men het hele jaar door wel hetzelfde lage dauwpunt nodig heeft en hoe schommelingen in het dauwpunt als gevolg van seizoensinvloeden kunnen worden voorkomen. Bijvoorbeeld door leidingen beter te isoleren en/of ze langs stoom- of verwarmingsbuizen te laten lopen, waardoor condensvorming in koudere periodes wordt voorkomen.
“De grote vraag is natuurlijk hoeveel dauwpuntsensoren er in een persluchtsysteem moeten worden geïnstalleerd en waar deze moeten worden geplaatst om betrouwbare metingen te verkrijgen”
Selectie van drogisterijartikelen
Wat het energieverbruik betreft, is het ook van cruciaal belang om kritisch te kijken naar het werkelijk benodigde drukdauwpunt en/of de noodzaak om alle lucht centraal te gaan koelen. Een goede leidraad is de norm ISO 8573-1:2010, waarin de dauwpuntwaarden zijn onderverdeeld in zeven klassen: Klasse 0 tot en met Klasse 6.
Een andere‘verborgen boosdoener’is het verschil tussen het drukdauwpunt (bijv. 10 °C) en een lagere omgevingstemperatuur van het leidingnet na de waterafscheider en de koeldroger (bijvoorbeeld 4,5 °C). Die temperatuurdaling van 5,5 graden betekent dat er elke week 23 liter extra vocht in het systeem terechtkomt.
Klasse 0 is de allerhoogste categorie die uitsluitend in zeldzame gevallen van toepassing is, bijvoorbeeld wanneer perslucht nodig is in cleanrooms van de hoogste categorie. Bij Klasse 1 is er sprake van een drukdauwpunt van -70 °C, bij Klasse 6 van +10 °C. Goed analyseren wat er werkelijk nodig is, kan veel geld besparen, zowel bij de investering in een drogerinstallatie als bij de exploitatie daarna. Koeldrogers zijn in veel toepassingen de meest rendabele oplossing om perslucht te drogen. De werking is vergelijkbaar met die van een normale koelkast. Door afkoeling van de persluchttemperatuur condenseert de in de perslucht aanwezige waterdamp tot water, dat vervolgens wordt afgevoerd. Hiermee wordt een drukdauwpunt bereikt van 3 à 4 °C. Zijn lagere waarden nodig, dan komt het adsorptieprincipe in beeld. Adsorptiedrogers bestaan doorgaans uit twee met droogmiddel gevulde kolommen die afwisselend voor de droging zorgen, dan wel worden geregenereerd. Terwijl perslucht door het ene reservoir stroomt en wordt gedroogd, wordt in een tweede reservoir het droogmiddel geregenereerd. Dit kan koud gebeuren (koudregenererende adsorptiedroger) of warm (warmregenererende adsorptiedroger). Met adsorptiedrogers kunnen zelfs bij grote luchtvolumes zeer lage drukdauwpunten worden bereikt tot -70 °C. Grofweg kan men ervan uitgaan dat een koeldroger ongeveer 0,3 kW/m3/min aan energie verbruikt, terwijl een adsorptiedroger ongeveer vijf keer zoveel energie nodig heeft (circa 1,5 kW/m3/min).
Milieuvriendelijker drogen
Dankzij innovaties zijn er tegenwoordig nieuwe generaties koel- en adsorptiedrogers op de markt die aanzienlijk energiezuiniger zijn dan de ‘conventionele’ drogers. Zo zijn er koeldrogers die drukdauwpunten tot -40 °C mogelijk maken en zijn er hybride- of tandemdrogers waarbij een koeldroger de lucht afkoelt tot een drukdauwpunt van 4 °C, waarna in de ‘tweede trap’ met het adsorptieprincipe drukdauwpunten tot -70 °C kunnen worden gerealiseerd. Ook is het in het kader van Total Cost of Ownership (TCO) verstandig om kritisch te kijken naar het toegepaste droogmiddel. Door over te stappen op een ander merk/type droogmiddel dat bijvoorbeeld minder regeneratie-energie nodig heeft en/of minder vaak hoeft te worden vervangen, kunnen kosten worden bespaard. Voorts is het bij de zogenaamde Pressure Swing Adsorptiedrogers (PSA), waarbij het droogmiddel koud wordt geregenereerd, belangrijk om te kijken naar het werkelijke energieverbruik van de regeneratiecyclus. Bij dit soort drogers wordt het regeneratieproces uitgevoerd met behulp van perslucht, wat circa 15–20% van de nominale capaciteit van de droger vereist bij een werkdruk van 7 bar(e). Maar dat hoeft in de praktijk niet altijd zo uit te pakken.
Het is belangrijk dat bij het meten van het debiet in persluchtleidingen een debietmeter wordt gebruikt die geschikt is voor het meten van zowel (zeer) droge als natte lucht, zoals deze VPFlowScope DP.
Bijvoorbeeld omdat het regeneratiedebiet te hoog is ingesteld, wat te wijten kan zijn aan onjuist uitgevoerd onderhoud of al aan een verkeerde basisinstelling bij de inbedrijfstelling. Daarom is het raadzaam om altijd te controleren of het toevoerdebiet op de juiste waarde is ingesteld. Dat kan door deze te bewaken met een flowmeter die geschikt is voor het meten van ‘natte lucht’, zoals de VPFlowScope DP tegelijkertijd ook de uitvoerstroom te meten, zodat kan worden vastgesteld wat er aan regeneratiestroom uit de droger komt. Ook is het interessant om bij de aanschaf van een adsorptiedroger te kiezen voor een uitvoering met geïntegreerde dauwpuntregeling. Hierdoor wordt het regeneratieproces gestuurd op basis van het werkelijke dauwpunt in plaats van op tijd, wat eveneens een gunstig effect heeft op het energieverbruik en de TCO.
Tot slot zijn er ook nog membraandrogers. Het droogproces vindt hierbij plaats via zeer selectieve membranen waarmee drukdauwpunten van -40 °C tot +15 °C kunnen worden gerealiseerd. Membraandrogers zijn vooral geschikt voor laboratoria of compacte mobiele oplossingen waarbij sprake is van relatief geringe volumestromen. Weliswaar is voor de droging geen losse energiebron nodig, maar dit soort drogers kost wel extra perslucht. Goed op de kosten letten bij de drogerkeuze is dus het devies.
“Een ander punt om over na te denken is of men wel het hele jaar door hetzelfde lage dauwpunt nodig heeft”
Droge buffertank
Er wordt aangeraden om vlak achter de droger een aparte ‘droge-luchtbuffertank’ te installeren. Deze beschermt de droger tegen overbelasting en maakt het ook mogelijk om de droger te dimensioneren op basis van de gemiddelde flow in plaats van op een (kortstondige) piekvraag. Hierdoor kan in de regel een kleinere droger worden gekozen. Daarnaast helpt de extra tank bij het realiseren van een stabielere systeemdruk en kan deze zelfs een gunstig effect hebben op de compressordimensionering en -aansturing.
“Dankzij innovaties zijn er tegenwoordig nieuwe generaties koel- en adsorptiedrogers op de markt die aanzienlijk energiezuiniger zijn dan de ‘conventionele’ drogers”
Permanente monitoring
De basis voor een gezonde en optimaal rendabele persluchtinstallatie is permanente monitoring, waarbij dauwpuntmetingen worden gecombineerd met metingen van het debiet, de druk, de temperatuur en het vermogen. Door alles overzichtelijk weer te geven in een specifiek hiervoor ontwikkeld monitoringsysteem zoals VPVision, kan het systeemgedrag 365 dagen per jaar 24/7 worden gevolgd en geanalyseerd. Schommelingen in de vraag, in het dauwpunt, een te hoge compressortemperatuur, alles wordt tijdig in beeld gebracht en er wordt tijdig gealarmeerd als zaken uit de pas gaan lopen. Dit levert ook uiterst waardevolle informatie op voor onderhoudsoptimalisatie, om de juiste investeringsbeslissingen te nemen voor toekomstige uitbreiding en voor optimalisatie van het totale persluchtsysteem. Permanente monitoring de levensduur van apparatuur, verlaagt de onderhouds- en energiekosten en voorkomt productverlies en productiestilstand.
De webgebaseerde VPVision systeem kan op elk gewenst apparaat en op elke gewenste plek worden geraadpleegd. Analyses, KPI’s, verbruiks-overzichten, alarmen; alle informatie wordt op een eenvoudige manier inzichtelijk gemaakt via een vrij in te delen aantal schermen en rapporten.
Door Frank Senteur in Process Control Magazine.
Webinar: Het meten van het dauwpunt in persluchtsystemen
Ontdek in dit webinar meer over de schadelijke gevolgen van waterverontreiniging en hoe u het dauwpunt in persluchtsystemen kunt aanpakken.
China (Vereenvoudigd Chinees)
VK (Engels)
