Pomiar wilgotności sprężonego powietrza

Sprężone powietrze jest powszechnie stosowane w wielu dziedzinach przemysłu, takich jak automotive, farmacja, chemia, energetyka, elektronika, a także w małych i średnich przedsiębiorstwach. Chociaż sprężone powietrze jest wysoce wartościowe i użyteczne, może również powodować wiele problemów, jeśli nie jest odpowiednio monitorowane i kontrolowane. Jednym z kluczowych aspektów, który warto monitorować, jest wilgotność, czyli zawartość wody w sprężonym powietrzu. Niniejsza publikacja przybliża metodykę pomiaru zawartości wody (wilgotności) w sprężonym powietrzu wg normy „PN-ISO 8573-3 Sprężone powietrze Część 3: Metody badań stosowane do pomiaru wilgotności”. Oryginalny tytuł standardu to ”Compressed air Part 3: Test methods for measurement of humidity”. Dokument PN-ISO 8573-3  jest trzecią częścią normy ISO 8573 – ważnego międzynarodowego standardu opisującego wymagania stawiane instalacjom sprężonego powietrza pod względem występujących w nim zanieczyszczeniom. W części trzeciej normy ISO 8573-3 podano zasady wykonywania pomiaru wilgotności w sprężonym powietrzu (pomiaru zawartości wody w sprężonym powietrzu). Obok zawartości w sprężonym powietrzu cząstek stałych oraz par oleju, wynik badania zawartości wody jest podstawą do określaniu klasy czystości sprężonego powietrza wg ISO 8573-1.
W niniejszym artykule omówimy również jakie mogą być konsekwencje zbyt wysokiej wilgotności w sprężonym powietrzu oraz jak można uniknąć tych problemów.

Konsekwencje zbyt wysokiej wilgotności w sprężonym powietrzu: jak uniknąć problemów

1. Korozja urządzeń i rurociągów

Wysoka wilgotność sprężonego powietrza może prowadzić do kondensacji pary wodnej na powierzchniach metalowych, takich jak zbiorniki, zawory, rurociągi i narzędzia pneumatyczne. Powoduje to korozję, która osłabia strukturę materiałów, skraca żywotność urządzeń i może prowadzić do awarii.

2. Szkodliwe dla procesów produkcyjnych

W przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, elektronicznym i chemicznym wysoka wilgotność w sprężonym powietrzu może wpływać na jakość produktów i procesy produkcyjne. Zanieczyszczenia wodne mogą prowadzić do zmiany właściwości chemicznych, powstawania osadów, zanieczyszczeń oraz innych niepożądanych efektów.

3. Wzrost zużycia energii

Wysoka zawartość wody w sprężonym powietrzu może wpłynąć na wydajność sprężarki powietrza. Sprężarki muszą pracować ciężej, aby osiągnąć wymagane parametry pracy, co prowadzi do wyższego zużycia energii i większych kosztów operacyjnych.

4. Zakłócenia w pracy narzędzi pneumatycznych

Zawilgocenie powietrza może wpłynąć na wydajność narzędzi pneumatycznych, powodując utratę mocy, opóźnienia, a nawet uszkodzenia. Ponadto, kondensacja wody wewnątrz narzędzi może prowadzić do powstawania rdzy, która może powodować zacięcia i zatarcia, a w rezultacie – przedwczesne zużycie.

Jak uniknąć problemów związanych z wilgotnością w sprężonym powietrzu?

Aby uniknąć wskazanym powyżej problemów wynikających ze zbyt wysokiej wilgotności sprężonego powietrza należy przede wszystkim stosować w instalacjach sprężonego powietrza wydajne osuszacze.

Osuszacze do sprężonego powietrza: rodzaje, przeznaczenie, budowa, parametry techniczne, skuteczność

Rodzaje osuszaczy

Osuszacze do sprężonego powietrza można podzielić na trzy główne rodzaje:

1. Osuszacze chłodnicze

2. Osuszacze adsorpcyjne

3. Osuszacze z membraną

1. Osuszacze chłodnicze

Osuszacze chłodnicze są najbardziej popularnym i ekonomicznym rozwiązaniem, które działa na zasadzie obniżenia temperatury powietrza sprężonego, co prowadzi do skroplenia wilgoci. Parametry techniczne dla osuszaczy chłodniczych to:

– Zakres przepustowości: od 10 do 20 000 m³/h

– Zakres temperatury roboczej: od +2°C do +50°C

– Maksymalne ciśnienie robocze: do 16 bar

2. Osuszacze adsorpcyjne

Osuszacze adsorpcyjne wykorzystują materiały adsorpcyjne, takie jak żel krzemionkowy, aby adsorbować wilgoć z powietrza sprężonego. Parametry techniczne dla osuszaczy adsorpcyjnych to:

– Zakres przepustowości: od 5 do 10 000 m³/h

– Zakres temperatury roboczej: od -40°C do +70°C

– Maksymalne ciśnienie robocze: do 16 bar

3. Osuszacze z membraną

Osuszacze z membraną są najnowocześniejszym rodzajem osuszaczy, które oddzielają wilgoć od powietrza sprężonego poprzez selektywną membranę. Parametry techniczne dla osuszaczy z membraną to:

– Zakres przepustowości: od 0,1 do 1000 m³/h

– Zakres temperatury roboczej: od -40°C do +50°C

– Maksymalne ciśnienie robocze: do 20 bar

Przeznaczenie i skuteczność

Osuszacze do sprężonego powietrza mają na celu zapewnienie odpowiedniego poziomu wilgotności powietrza dla różnych zastosowań przemysłowych. Tabela 1 pokazuje przykładowe zastosowania iwymagane poziomy wilgotności powietrza.

Tabela 1: Przykładowe zastosowania i wymagane poziomy wilgotności powietrza**

Zastosowanie	Wymagany poziom wilgotności względnej
Malowanie proszkowe	< 50%
Produkcja elektroniki	< 40%
Farmacja	< 20%
Przemysł spożywczy	< 20%

Skuteczność osuszaczy zależy od rodzaju osuszacza oraz warunków pracy. Wykres 1 przedstawia przykładową skuteczność osuszaczy chłodniczych, adsorpcyjnych i z membraną w zależności od temperatury pracy.

Wady i zalety

Osuszacze chłodnicze:

– Zalety:

  – Niskie koszty inwestycyjne

  – Niska koszt eksploatacji

  – Prosta budowa

– Wady:

  – Ograniczona skuteczność osuszania

  – Duża masa i wymiary

Osuszacze adsorpcyjne:

– Zalety:

  – Wysoka skuteczność osuszania

  – Możliwość pracy w niskich temperaturach

– Wady:

  – Wysokie koszty eksploatacji

  – Konieczność regeneracji materiału adsorpcyjnego

Osuszacze z membraną:

– Zalety:

  – Małe wymiary i masa

  – Brak ruchomych części

  – Wysoka skuteczność osuszania

– Wady:

  – Wysokie koszty inwestycyjne

  – Ograniczona przepustowość

Przykładowe typy i modele

– Osuszacze chłodnicze:

  – Atlas Copco FD (cena: od 5 000 PLN)

  – Kaeser SECOTEC (cena: od 6 500 PLN)

– Osuszacze adsorpcyjne:

  – Ingersoll Rand D-EC (cena: od 10 000 PLN)

  – Parker Zander OIL-X (cena: od 12 000 PLN)

– Osuszacze z membraną:

  – Norgren Pneufit (cena: od 7 000 PLN)

  – Donaldson DF-PT (cena: od 9 000 PLN)

W jaki sposób mierzyć zawartość wody w sprężonym powietrzu?

W opracowaniu odpowiemy na często zadawane dotyczące pomiaru wilgotności w sprężonym powietrzu:

1. W jaki sposób wybrać metodę oznaczania zawartości wody w sprężonym powietrzu? Czym się różnią poszczególne metodyki pomiarowe badania zawartości wody w postaci pary oraz jakie są ograniczenia analityczne poszczególnych metod?
2. W jaki sposób pobierać próbki sprężonego powietrza, aby oznaczyć w nim zawartość wody?
3. Jak wykonać krok po kroku pomiar wilgotności w różnych częściach instalacji sprężonego powietrza – od sprężarki, poprzez zbiornik buforowy powietrza, po punkty użytkowania sprężonego powietrza.
4. Jak dokonać przeliczenia wyników standardowych jednostek zawartości wody w sprężonym powietrzu na niestandardowe miary wilgotności?
5. W jaki sposób oszacować niepewność metody pomiaru zawartości wody w sprężonym powietrzu? Jakie przyjąć składowe niepewności pomiaru? Jak przeliczyć poszczególne źródła budżetu niepewności na niepewności składowe za pomocą metody A oraz metody B?
6. Jak przedsta­wić wyniki pomiaru wilgotności w sprężonym powietrzu w sprawozdaniu z badań spełniającym wymagania normy ISO 17025 obowiązującej w laboratoriach akredytowanych.
7. W jaki sposób obliczyć ciśnienie pary dysponując wynikami zawartości wody w sprężonym powietrzu.

Czy niemniejsze opracowanie można wykorzystać jako przewodnik do opracowania wewnętrznych metod oznaczania zawartości wody w instalacjach technologicznych i procesowych sprężonego powietrza? Na pewno tak. W skrypcie odnosiliśmy się pod względem merytorycznym do zapisów wspomnianej powyżej obowiązującej normyPN-ISO 8573-3 Sprężone powietrze Część 3: Metody badań stosowane do pomiaru wilgotności”, a ta powstała w ramach komitetu technicznego działającego przy ISO – Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej. Warto wspomnieć, że na gruncie polskim, aktualizacją norm w zakresie pomiaru zanieczyszczeń (w tym wody) w sprężonym powietrzu, zajmuje się Komitet Techniczny nr 118 PKN.

Jakie istnieją metody badania zawartości wody w sprężonym powietrzu?

Dostępne na rynku metody oznaczania zawartości wody w sprężonym powietrzu to przede wszystkim:

• Metoda spektroskopowa
• Metoda kondensacyjna
• Metoda chemiczna
• Metoda elektryczna
• Metoda psychrometryczna

W zakresie wilgotności (dla ciśnieniowego punktu rosy) od -80°C do 0°C bardzo dobrze sprawdzi się metoda spektroskopowa. Dla niskich wartości cieniowego punktu rosy (ang. Dew Point) dokładne wyniki pomiaru zawartości wody w sprężonym powietrzu osiągniemy również stosując metodę kondensacyjną oraz elektryczną. Dla metody tych wyraźnie wiesza będzie jednak niepewność pomiaru. Dla sprężonego powietrza w instalacjach technologicznych w branży farmaceutycznej, kosmetycznej, spożywczej, branży automotive, w większości przypadków optymalnym wyborem do oznaczania ciśnieniowego punktu rosy w sprężonym powietrzu będzie metoda chemiczna lub psychrometryczna.

Metodyka pobierania próbek sprężonego powietrza na potrzeby pomiaru temperatury punktu rosy

Pomiar temperatury punktu rosy (zawartości wilgoci) może być wykonywany przy ciśnieniu atmosferycznym (brak nadciśnienia) lub w warunkach ciśnienia rze­czywistego występującego w instalacji technologicznej. Przed wykonaniem pomiaru temperatury punktu rosy należy odczytać na manometrze instalacji sprężonego powietrza aktualną wartość ciśnienia oraz zazwyczaj wprowadzić tę wartość do urządzenia pomiarowego celem automatycznego wprowadzenia poprawki pomiarowej. Wartość ciśnienia przy jakim mierzono ciśnieniowy punkt rosy należy zawsze podać w sprawozdaniu z badań – temperatura punktu rosy dotyczy zawsze danego ciśnienia. Jeśli pomiar jest wydłużony (zwłaszcza w przypadku instalacji sprężonego powietrza o niskiej zawartości wody), pomiaru ciśnienia należy dokonywać okresowo. Identyfikując punkt poboru próbki sprężonego powietrza, należy zwrócić uwagę na wartości dopuszczalnego przepływu oraz ciśnienia w instalacji wskazane przez producenta sondy punktu rosy.

Podobnie jak w przypadku zawartości cząstek stałych, temperaturę puntu rosy można mierzyć w warunkach przepływu pełnego lub częściowego.

• Pełny przepływ

Czujnik temperatury punktu rosy wprowadza się do głównej nitki instalacji sprężonego powietrza (nie do martwej odnogi, czy układu bocznikowania) oraz zabezpiecza go przed niekorzystnym wpływem wody obecnej w sprężonym gazie. Wartością raportowaną zawartości wody (ciśnieniowego punktu rosy), jest wartość odczytana w dolnym oraz górnym zakresie przepływu sprężonego powietrza w danej części instalacji.

• Pomiar w przepływie częściowym przy ciśnieniu rzeczywistym

Dopuszcza się również próbkowanie tylko części sprężonego powietrza. Wybierając to podejście inżynier wykonujący pomiar ciśnieniowego punktu rosy może zdecydować się na umieszczenie sondy w małym przewodzie bocznikującym (zazwyczaj jest w ten sposób możliwe uzyskanie odpowiedniego przepływu gazu w otoczeniu sondy pomiarowej) lub też wykorzystanie upustu sprężonego powietrza do niewielkiej rozmiarów celki pomiarowej, w której wykonuje się pomiar pod ciśnieniem panującym w układzie sprężonego powietrza.

• Pomiar w przepływie częściowym przy zredukowanym ciśnieniu

Kolejną opcją jest zredukowanie w instalacji ciśnienia sprężonego powietrza do ciśnienia pożądanego w czasie pomiaru (np. cieśnienia atmosferycznego lub ciśnienia z zakresu 1 – 2 bar abs) i wykonanie pomiaru punktu rosy w celce pomiarowej.

Należy zaznaczyć, że czynnikiem wpływającym na wartość zmierzonego cieniowego punktu rosy może być przenikalność dla pary wodnej materiałów, z których wykonana jest celka pomiarowa lub układ doprowadzenia sprężonego powietrza do próbkowania. Warto rozważyć w tym zakresie zastosowanie stali kwasoodpornej lub PTFE (Teflonu). Teflon (PTFE) jest tylko słabo prze­puszczalny i zwykle może być odpowiedni dla punktów rosy powyżej -20 °C, i czasami poniżej tej temperatury. Unikać należy nylonu – popularnego materiału wykorzystywanego do dystrybucji sprężonego powietrza w końcowych odcinkach instalacji. Materiały takie jak nylon, PVC lub guma są stosunkowo mocno przepuszczalne i są całko­wicie nieodpowiednie do niskich wilgotności. Niewłaściwy materiał doprowadzić może do nadmiernego wnikania wody do układu pomiarowego i ostatecznie zakłócenia poprawności pomiaru. Przy bardzo niskiej wilgotności ważna jest obróbka wykańczająca powierzchni. Nawet bardzo małe ilości wody zaadsorbowane na powierzchni materiałów nie higroskopijnych mogą mieć znaczące skutki. W celu osiągnięcia najlepszych wyników zalecana jest polerowana lub elektropołerowana stal kwasoodpoma.

Nie tylko wprowadzona, ale również skroplona w celce pomiarowej woda, może negatywnie wpłynąć na dokładność pomiaru punktu rosy. Kluczowe jest, aby temperatura w układzie próbkowania powinna być wyższa niż punkt rosy.

Spodziewając się wysokich wyników pomiarów wilgotności sprężonego powietrza, powyżej wilgotności otoczenia, w celu uniknięcia kondensacji zaleca się, aby miejsca pobierania próbek były utrzymywane w temperaturze powyżej punktu rosy mierzonego gazu sprężonego. Często najbardziej praktyczną metodą jest zapewnienie w danej lokalizacji ogrzewania elektrycznego. W przypadku pomiarów małych wartości wilgotności (bardzo suche sprężone powietrze), miejsca pobierania próbek przygotowuje się przez przepłukiwanie strumieniem suchego gazu lub przez odpowietrzenie do niskiego ciśnienia. Jeśli to możliwe, usuwa się resztkową wodę przez wygrzanie sprzętu. Im mniejsze zawartości wilgoci są mierzone, tym bardziej wydłuża się czas suszenia. Należy unikać pomiaru materiałów higroskopijnych. Przy niskiej wilgotności (poniżej punktu rosy 0°C) ilość wody wydostająca się z organicznych lub porowatych materiałów może mieć istotny wpływ na wartość wilgotności powietrza. Im mniejszy poziom wilgoci w powietrzu, tym bardziej znaczący ich wpływ.

Nawet odciski palców stanowią schronienie dla wody. Do czyszczenia (jeśli wymagane) zazwyczaj stosuje się środki czyszczące o wy­sokiej czystości: rozpuszczalniki klasy, do analizy” dla zanieczyszczeń na bazie oleju i oczyszczona woda (destylowana lub dejonizowana) dla soli. Po czyszczeniu zaleca się stosować gruntowne osuszenie.

Układ rurociągów do pobierania próbek sprężonego powietrza powinien mieć jak najmniejszą długość. Pole powierzchni zaleca się zminimalizować przez zastosowanie rurociągów o jak najmniejszym przekroju, na jaki pozwalają warunki przepływu.

W instalacji do próbkowania sprężonego powietrza pod kątem zawartości wody należy zdecydowanie unikać przecieków. Może wtym pomóc zminimalizowanie ilości przyłączy – kolanek, trójników, za­worów itp.).

Zaleca się zapewnienie odpowiedniego przepływu próbki sprężonego powietrza w celu zminimalizowania wpływu wody resztkowej na drodze przepływu. Zaleca się unikania :ślepych” końców w rurociągach, ponieważ nie mogą być one łatwo przemywane i mogą wpływać one negatywnie na poprawność pomiaru wilgotności sprężonego powietrza (ciśnieniowego punktu rosy).

Pomiar ciśnieniowego punktu rosy nie jest więc pomiarem szybkim i prostym. Znaczenia ma zabezpieczenie układu przez dostaniem się lub wykropleniem wody, stabilizacja warunków panujących w celce pomiarowej. Przyjmuje się, że odczyty dwóch kolejnych pomiarów wykonanych w odstę­pie co najmniej 20 min nie powinny różnić się od siebie o więcej niż to wynika to z dokładności układu pomiarowego.

Jak w wielu innych pomiarach technicznych, na dokładność pomiaru wilgotności sprężonego powietrza znaczenie będzie miała również czystość układu pomiarowego, regularne wzorcowania wyposażenia pomiarowe­go poprzedzone jego adjustacją (korektą wskazań). Pomiary wilgotności sprężonego powietrza za pomocą metod spektroskopowych z zastosowaniem diody laserowej cechuje dobra odporność na zanieczyszczenia. Przeciętną odpornością na zanieczyszczenia sprężonego powietrza cechują się metody chłodzonego lustra kondensacyjnego, metoda reakcji chemicznej z użyciem rur szklanych do bezpośredniego odczytu z wypełniaczem higroskopijnym, pomiar za pomocą elektrycznego czujnika pojemnościowego. Pomiar ciśnieniowego punktu rosy może być najbardziej wrażliwy na zakłócenia wynikające z zanieczyszczeń gdy stosowany jest psychrometr, zarówno wyposażony w termometr mokry, jak i suchy. Niektóre zanieczyszczenia, w szczególności mające strukturę podobny do molekuł wody, mogą zakłócać po­miary. Takie zanieczyszczenia powinny być wyeliminowane z próbki przed rozpoczęciem pomiaru. Gdy nie jest możliwe należałoby rozpatrzeć uwzględnienie ich jako źródła niepewności w budżecie niepewności metody.

Dobrą praktyką pomiarową będzie również takie dobierania zakresu roboczego metody pomiarowej (urządzenia pomiarowego), aby spodziewane wartości wilgotności sprężonego powietrza (ciśnieniowego punktu rosy) znajdowały się połowie zakresu pomiarowego sondy.

Opracowywanie wyników badań wilgotności sprężonego powietrza

Zmierzone wartości wilgotności (ciśnieniowego punktu rosy) sprężonego powietrza raportuje się dla rzeczywistych warunków pomiarowych występujących w instalacji, uzgodnionych wcześniej z podmiotem zamawiającym usługę pomiarową. Jeżeli nie uzgodniono inaczej, to warunkami odniesienia dla pomiaru wilgotności są: temperatura sprężonego powietrza 20°C oraz ciśnienie sprężonego powietrza 7 bar (nadciśnienie). Jeśli jest to konieczne, otrzymane wartości pomiarowe mogą być odniesione do innego ciśnienia (odniesienia) z użyciem ciśnień absolutnych i ciśnień cząstkowych – metodykę przeliczenia wyniku pomiaru wskazuje norma ISO 8573-3.

Czy po wykonanym pomiarze jest możliwa zamiana niestandardowych jednostek wilgotności na standardowe i odwrotnie? Tak.

• Wilgotność względna. Wartość wilgotności względnej dla danej próbki powietrza w danej temperaturze może zostać przeliczona na temperaturę punktu rosy na podstawie tablicy podanej w normie ISO 7183:1986, załącznik C. W normie tej podano wartości ciśnień nasycenia i gęstości pary wodnej w różnych temperaturach. Aby dokonać przeliczenia, należy ciśnienie nasycenia pary dla aktualnej temperatury pomnożyć przez wyrażoną w pro­centach wilgotność względną, a z tablicy odczytać temperaturę punktu rosy, odpowiadającą rzeczywistemu ciśnieniu cząstkowemu pary.

• Stopień zawodnienia. Stopień zawodnienia to stosunek masy pary wodnej do masy suchego powietrza. Według tablicy zamieszczonej w ISO 7183 możliwe jest dokonanie przeliczenia stopnia zawodnienia na stosunek masy pary wodnej do masy mokrego powietrza.

Zawartość pary wodnej w sprężonym powietrzu w sprawdzaniach z badań najczęściej wyraża się w postaci ciśnieniowego punktu rosy. Rzadko stosuje się inne miary opisujące zawartość wody w sprężonym powietrzu – zawartość wody, wilgotność względną, aktywność wody.

Raport z badań wilgotności / ciśnieniowego punktu rosy

Raport z pomiarów powinien zawierać:

• opis układu sprężonego powietrza i jego warunków pracy, ze szczegółami wystarczającymi do oceny poprawności stwierdzonej wartości stężenia;
• opis punktu, w którym pobierane były próbki;
• opis stosowanych warunków pobierania próbek i przeprowadzania pomiaru (w szczególności zastosowa­nych materiałów) i szczegółów dotyczących jego wzorcowania;
• średnią z wartości zmierzonych, wyrażoną w stopniach Celsjusza, w odniesieniu do warunków rzeczywistych;
• średnią z wartości zmierzonych, wyrażoną w stopniach Celsjusza, sprowadzoną do warunków odniesienia;
• rzeczywistą wartością ciśnienia, któremu odpowiada punkt rosy w barach (nadciśnienie);
• informację na temat niepewności pomiarów (niepewność rozszerzona dla k=2);
• datę pobierania próbek i wykonania pomiarów.