Výroba a rozvod stlačeného vzduchu pro pneumatickou regulaci

Výroba a rozvod stlačeného vzduchu pro pneumatickou regulaci

Zdroje stlačeného vzduchu
Zdroji stlačeného vzduchu pro pneumatickou regulaci jsou různé druhy kompresorů v průmyslovém provedení, které musejí být schopny průběžného dlouhodobého provozu a musejí mít další vlastnosti vhodné k danému použití. Vylučme předem ze svých úvah všechny druhy tzv. hobby kompresorů, které požadované vlastnosti většinou nesplní. Ze současných požadovaných vlastností uveďme alespoň tyto:

• velmi dobrá účinnost (stlačený vzduch je drahý, ceny energií rostou),
• dobrá kvalita stlačeného vzduchu pro dané použití (čistota, vlhkost, výstupní teplota, výtlak bez významných pulsací),
• dobrá a ekonomicky přijatelná regulace při změnách zátěže,
• provozní spolehlivost,
• minimální údržba,
• dlouhá životnost,
• tichý chod,
• minimální provozní poškozování životního prostředí,
• snadná recyklovatelnost po vyřazení z provozu.

V technické praxi má být zdroj stlačeného vzduchu vždy tlakově co nejlépe přizpůsoben tlaku spotřebiče. Je třeba se vyhnout řešením s redukcí tlaku redukčními ventily či naopak se zvyšováním tlaku multiplikátory tlaku. Tato řešení jsou technicky opodstatněna jen pro malá množství takto upraveného stlačeného vzduchu. Pro velká množství jsou nehospodárná.

Zmíněné optimální přizpůsobení vedlo k ustálení vstupních tlaků stlačeného vzduchu v průmyslových rozvodech pro spotřebiče 6 bar (0,6 MPa) na 7,0 nebo 7,5 až 8,0 bar (0,7 nebo 0,75 až 0,8 MPa), což jsou zároveň výtlačné tlaky zdrojů (kompresorů). Pro spotřebiče se vstupním tlakem 8 bar (0,8 MPa) se používají zdroje 10 bar (1 MPa). (Pozn.: Většina druhů kompresorů umožňuje seřídit jmenovitý výstupní tlak až o –10 % bez podstatného zhoršení ostatních parametrů.) Rozdíl tlaků zdroje a spotřebiče je určen na krytí ztrát tlaku v tlakovém rozvodu. V těchto relacích se pohybují tlaky v průmyslových rozvodech téměř po celém světě, ač systémově nejsou tyto tlaky v mnoha zemích nikterak normalizovány. Výrobci však pro tyto tlaky sériově vyrábějí většinu průmyslových kompresorů.

Mazné kompresory
Výrobci kompresorů dodávají již mnoho let mazné a bezmazné kompresory. Hlavní rozdíl mezi nimi je v tom, že mazné kompresory mají stlačovací prostor přimazávaný kompresorovým olejem pro snížení tření a lepší utěsnění (pístové kompresory) nebo častěji mazaný, utěsňovaný a chlazený velkým množstvím vstřikovaného oleje do kompresního prostoru, který nejen maže třecí plochy kompresoru, ale současně odvádí velkou část tepla, vzniklou stlačováním vzduchu. Tím účinně ochlazuje stlačovaný vzduch, což významně zvyšuje účinnost stlačování (šroubové a lamelové kompresory). Vytlačovaná směs vzduchu a oleje se musí zbavit oleje ještě před výtlakem z kompresoru. K tomu se používají obvykle dvoustupňové až třístupňové odlučovače oleje. Současné kvalitní kompresory mazané a chlazené vstřikem oleje do stlačovacího prostoru po odloučení oleje v kompresoru obsahují jen 1 až 6 mg oleje v normalizovaném nasátém a stlačeném 1 m³ vzduchu, jehož hmotnost je 1,293 kg (při 0 °C a tlaku 1,01325 bar, abs.). Tyto hodnoty zbytkového obsahu oleje jsou přijatelné pro mnoho průmyslových aplikací stlačeného vzduchu. Vyšší nároky se obvykle řeší dodatečnou filtrací zařazenou v rozvodu stlačeného vzduchu. Mazné kompresory se vstřikem oleje do stlačovacího prostoru jsou v současné době nejrozšířenějšími průmyslovými kompresory.

Šroubové kompresory
Z kompresorů uvedených v předcházejícím odstavci se v průmyslové praxi nejvíce používají šroubové kompresory. Technický život hlavních dílů, tj. šroubového páru a ložisek, je u kvalitních kompresorů přibližně 30 000 hodin. Po této době se musejí vyměnit (výměna těchto dílů stojí přibližně třetinu pořizovací ceny kompresoru). Hlučnost šroubových kompresorů je značná, proto se důsledně montují do odhlučňovací skříně. Velkou část odpadního ztrátového tepla kompresorů větších výkonů obvykle lze snadno využít pro ohřev vody či otop.

Lamelové kompresory
U nás méně známé, a proto i méně využívané a nejspíš neprávem opomíjené rotační lamelové kompresory jsou jedny z nejtišších na trhu, mají nepatrně lepší účinnost než šroubové, jsou spolehlivé a technický život všech jejich hlavních dílů je jedním z nejdelších – 100 000 provozních hodin. Zásluhou malé pulsace stlačeného vzduchu na výtlaku a dobré regulace nemusejí mít pro mnoho aplikací vzdušník (tlakovou nádobu). Avšak tyto kompresory větších výkonů jsou o přibližně třetinu dražší než kvalitní šroubové kompresory. Rovněž je možné využít zhruba stejnou část odpadního tepla lamelových kompresorů shodných výkonů jako u šroubových kompresorů. Pro zajištění zvlášť malé hlučnosti a tím možnosti mít zdroj stlačeného vzduchu ve výrobním prostoru co nejblíže spotřebičům existují i pro tyto kompresory větších výkonů účinné typové odhlučňovací skříně. Maximální velikosti dodávaných strojů končí podle jednotlivých výrobců u příkonů 75, 200 a 300 kW. V dosažitelném maximálním výkonu a maximálním stlačení v jednom stupni je šroubové kompresory dosud předčí.

Pístové kompresory
Nejméně se v současné době k danému účelu používají pístové kompresory, protože jsou hlučné, namáhají svůj základ vibracemi a rázy, dodávají na výtlaku teplejší pulsující stlačený vzduch, nemají účinnost a spolehlivost ani šroubových, ani lamelových kompresorů. Oproti nim mají též kratší životnost a větší nároky na údržbu. Používají se však pro svou láci v méně náročných aplikacích a většinou jen pro menší výkony.

Bezmazné kompresory
Již mnoho let se výrobci snaží dodávat též bezmazné kompresory, jejichž stlačovací prostor, a tedy i výtlak z kompresoru jsou bez oleje. Tak – při použití speciálních materiálů – vznikly bezmazné pístové, šroubové, lamelové a spirální varianty průmyslových kompresorů. Zatím jsou v různých aplikacích rozšířeny málo, protože většinou jsou pro daný výkon a výstupní tlak pořizovacími a provozními náklady dražší, mají menší účinnost, vytlačují teplejší vzduch, a vyžadují tedy i výkonnější dochlazovač. Jejich spolehlivost je většinou menší, životnost kratší, navíc vyžadují častější údržbu. V poslední době se na trhu objevila i varianta bezolejového šroubového kompresoru s keramickými šrouby, chlazená a utěsňovaná vstřikem velkého množství vody, která se před výtlakem z kompresoru odlučuje. Tím by se měla účinnost tohoto kompresoru zvýšit na úroveň mazných se vstřikem velkého množství oleje do stlačovacího prostoru. Zatím je použití těchto kompresorů opodstatněno pouze v případech extrémních požadavků na průběžně zaručovaný nulový obsah oleje ve výtlaku.

Kompletace dodávaných kompresorů, rozvod a úprava stlačeného vzduchu
V současné době dodávají téměř všichni výrobci kompresory jako „balené jednotky“ na rámu či v odhlučňovací skříni spojené s pohonnými elektromotory, vybavené filtry nasávaného vzduchu, chladiči a filtry oleje, kompletní elektrickou spínací, ochrannou a řídicí instalací. U velkých strojů se často používá řídicí a diagnostická mikroprocesorová jednotka, např. doplněná i řízením výkonu proměnnými otáčkami. U strojů malých výkonů je možné, je-li to třeba, nahradit rám vzdušníkem (tlakovou nádobou). Dále mnoho výrobců vybavuje balené jednotky i součástmi úpravy stlačeného vzduchu, např. dochlazovači (chladiči stlačeného vzduchu), protože se balené jednotky začaly podle požadavku zákazníků dále vybavovat i sušičkami stlačeného vzduchu. U kompresorů malých a středních výkonů se používá jeden elektromotor pro pohon kompresoru i větráku chladiče oleje a popř. i dochlazovače, u velkých jednotek má větrák dochlazovače svůj vlastní elektromotor automaticky spínaný podle teploty vytlačovaného vzduchu. V dochlazovači dochází i k dílčímu vysrážení (zkondenzování) vlhkosti ze stlačeného vzduchu, proto bývá navíc opatřen i výpustí kondenzátu. Dochlazovač se používá pro snížení teploty vzduchu stlačeného kompresorem. Je nutné jej použít v každém případě před sušičkou, protože sušičky obvykle mají vstupní jmenovitou teplotu stlačeného vzduchu omezenu na +35 °C; při vyšších vstupních teplotách, jsou-li vůbec povoleny, prudce klesá účinnost sušičky.

Vysoušení stlačeného vzduchu
Protože pro naprostou většinu aplikací je vlhkost stlačeného vzduchu, která se do kompresoru dostává vzduchem nasávaným z atmosféry, nepřípustně velká, musí se ze stlačeného vzduchu účinně odstraňovat. Část vlhkosti se sice ochlazením vysráží v dochlazovači, ovšem i přesto by se dál do rozvodu dostával vlhký vzduch, jenž je pro mnoho aplikací nepřijatelný. Proto se do procesu úpravy vzduchu zařazuje sušička.

Ke spokojenosti zákazníků začali výrobci do balené jednotky integrovat i tuto komponentu. Pro stroje malých výkonů (do 80 m³/h) se nejčastěji používají membránové sušičky (dosažitelný tlakový rosný bod při daném tlaku do –40 °C). Pro střední a velké výkony jsou určeny kondenzační sušičky (vymrazovací – dosažitelný tlakový rosný bod se pohybuje mezi +2 až +5 °C), pro nejvyšší nároky vysoušení vzduchu samostatné (oddělené) adsorpční sušičky (s chemickým vysoušedlem a regeneračním provozem, mají dosažitelný tlakový rosný bod -40 až -70 °C). Pro velkou většinu aplikací ve vytápěných provozech v budovách stačí zařadit kondenzační sušičky, pro nevytápěné a venkovní provozy, stejně jako pro provozy s velkými nároky na suchost vzduchu, je nutné použít membránové nebo adsorpční sušičky. Obecně, na základě poznatků z praxe platí: nikdy nevolit menší výkon sušičky, než jaký je výkon kompresoru. Lépe je z hlediska bezpečnosti provozu výkon sušičky předimenzovat, s ohledem na negativní vliv letních zvýšených provozních teplot. Pro aplikace v pneumatické regulaci se používají i oddělené malé sušičky s filtrací, zařazené těsně před spotřebičem a zaručující spotřebiči potřebnou kvalitu vzduchu. To je výhodné řešení při připojení na již existující (starší) rozvody stlačeného vzduchu.

Filtrace stlačeného vzduchu
Prvním stupňem filtrace je sací filtr použitý ještě před stlačením. Vzduch nasávaný kompresorem není zdaleka čistým atmosférickým vzduchem. V průmyslových areálech je zamořen všemi možnými nečistotami včetně spalin, popílků, aerosolů, rozptýlených olejů, par a plynů různých látek a tvrdých abrazivních částic. Aby se zabránilo rychlému opotřebení kompresoru, předřazují výrobci kompresoru velkoplošný sací filtr s malou tlakovou ztrátou, který odstraní hrubé nečistoty poškozující kompresor. Filtr však propustí část shora uvedených látek. Sací filtr je zapotřebí vyměňovat v předepsaných lhůtách údržby. Jinak by po jeho zanesení klesl výkon kompresoru, popř.  by se kompresor mohl i přehřát. Ve fázi návrhu umístění stroje je třeba vzít ohled na tyto požadavky:

• nasávat co nejčistší vzduch dosažitelný v daném prostoru,
• vzduch musí být co nejchladnější (nesmí být ohřátý),
• použije-li se přívodní kanál sacího vzduchu, musí mít dostatečný průřez neomezující za všech provozních podmínek sání kompresoru.

Další filtrační stupně se zařazují podle potřeby (tab. 1) do rozvodu stlačeného vzduchu, protože v rozvodu ke zmíněným propuštěným nečistotám přibývají další, např. rez, okuje, vápenaté úsady a zbytková vodní pára. K tomu výrobci do rozvodu dodávají vestavné filtry (mikrofiltry) s různými stupni propustnosti nečistot, olejových aerosolů, zbytků vlhkosti, popř. i pachů. Filtry jsou běžně vybavovány kontrolními diferenciálními manometry pro zjišťování zanesení filtračních vložek filtrů s nutností je vyměnit. Použít je lze buď na vstupu stlačeného vzduchu do rozvodu (obvykle za dochlazovačem, vzdušníkem a sušičkou) nebo při různých nárocích na stupeň čistoty stlačeného vzduchu v rozličných místech odběru, bezprostředně právě před těmito odběrovými místy.

Tab. 1. Definice tříd kvality stlačeného vzduchu podle ISO EN 8573-1 (1995)

Vzdušník
Kolísá-li v provozu odběr stlačeného vzduchu tak, že se v něm vyskytují tlakové rázy, doporučuje se vestavět do rozvodu vzdušník vhodné velikosti. Ten je navíc nutný pro zajištění optimální účinnosti při přerušovaně řízeném provozu kompresoru vypnuto/zapnuto (stop/start). Kolísá-li rázově v rozvodu s více odběrovými místy odběr jen v jednom místě, je vhodné při malém průřezu dlouhého potrubí rozvodu předřadit vzdušník až tam. Pro dílčí ochlazení a současnou částečnou kondenzaci vlhkosti stlačeného vzduchu se téměř vždy předřazuje vzdušník před sušičku. Protože vzdušník je většinou tlakovou nádobou, podléhá periodickým úředním prohlídkám a zkouškám, o nichž je nutné vést záznam.

Rozvod
Rozvod tvoří spojovací potrubí stlačeného vzduchu mezi kompresorem (balenou kompresorovou jednotkou), použitými součástmi úpravy stlačeného vzduchu a odběrovými místy spotřebičů. Potrubí tvoří tlakové trubky kovové z galvanizované oceli, korozivzdorné oceli, mědi či hliníku nebo z vhodných plastů (nyní velmi často používaných). Pro snadný odtok kondenzátu má mít hlavní rozvod spád minimálně 2° a v jednotlivých úsecích nesmí tvořit průhyby, které by se zanášely nečistotami a kondenzátem a omezovaly by světlý průřez potrubí.

Značným problémem je kvalitní čištění starých znečištěných rozvodů, které je velmi pracné i nákladné. Jeho cena se obvykle pohybuje mezi 35 až 50 % nového rozvodu.

Dále je zapotřebí upozornit na to, že rozvody bývají nejčastějšími a značně velkými zdroji ztrát drahého stlačeného vzduchu. K tomu je třeba si uvědomit, že otvorem o průměru 1 mm při přetlaku v rozvodu 6 bar unikne za hodinu přibližně 4,5 m³ stlačeného vzduchu. Otvorem o průměru 3 mm a při stejném přetlaku za hodinu unikne přibližně 40 m³ stlačeného vzduchu.

Výpusti kondenzátu
Všechna nízko položená místa rozvodu, dochlazovače, vzdušníky, sušičky a filtry se opatřují výpustmi kondenzátu. Ty jsou ruční (nyní již zřídka) nebo automatické. Kondenzát z jednotlivých výpustí se svádí do jednoho sběrného místa. Kondenzát z mazných kompresorů obsahuje stopy oleje, který se musí před vypuštěním kondenzátu do kanalizace odloučit ve vhodném odlučovači vody a oleje.

DLS International s. r. o.
Sedláčkova 14
250 88 Čelákovice
tel./fax: 0202/89 15 10
e-mail: stasek@dls.cz