Pneumatikschulung

Kapitel 9 - Grundlagen der Luftaufbereitung

Die Druckluft

WICHTIG! Von der Qualität der Druckluft hängt auch wesentlich die Betriebssicherheit des kompletten pneumatischen Systems ab.

Luft besteht zum großen Teil aus Stickstoff (N₂) (78,09 %), Sauerstoff (O₂) (20,95 %) und Argon (Ar) (0,93 %). 0,03 % des Volumens sind sonstige Gase, wie Kohlendioxid, Methan sowie Edelgase. Die Luft kann jedoch auch weitere Verunreinigungen enthalten, wie schwefelhaltige Gase, Kohlenmonoxide, Dämpfe, diversen atmosphärischen Schmutz sowie Feststoffpartikel. Bei der Druckluftherstellung werden diese Stoffe vom Kompressor angesaugt. Während der Komprimierung (Bedeutung: zusammenpressen, verdichten) und während des Transportes in die Rohrleitungen, können weitere unerwünschte Elemente in das System gelangen. Um die Anforderungen an die Druckluft klar zu definieren gibt es standardisierte Reinheitsklassen (nach ISO 8573-1). Die drei wichtigsten Verschmutzungselemente sind Feststoffpartikel, Wasser und Öl.

Verschmutzungskonzentrationen werden in folgende Reinheitsklassen unterteilt: ISO 8573-1:2010 [A:B:C]

• A– Feststoffpartikel Klasse | 0 ... 8, X
• B- Wasseranteil | 0 ... 9, X
• C– Ölanteil | 0 ... 4, X

Wenn der Verschmutzungsgrad als Klasse angegeben wird, muss das größte Verschmutzungselement in runden Klammern ergänzt werden. Im folgenden Beispiel liegt die Konzentration des Wassers bei Cw 15 g/m³.

z.B.: ISO 8573-1:2010 [4:X(15):3] Einstufung der Verschmutzungselemente gemäß Norm ISO 8573-1:2010

Bei normalen pneumatischen Anwendungen genügt die folgende Reinheitsklasse der Druckluft: ISO 8573-1:2010 [7:4:4]

Zugelassene Verschmutzungswerte laut Norm:

• Konzentration der Feststoffpartikel: 5-10 mg/m³
• Drucktaupunkt des Dampfes: kleiner als 3 °C
• Konzentration des Ölgehalts: max. 5 mg/m³

Bei speziellen Anwendungen kann eine höhere Reinheitsklasse der Druckluft erforderlich sein. Diese wird durch umfangreichere Luftaufbereitung erzielt.

Grundlagen zur Herstellung und Aufbereitung von Druckluft

Bei der Herstellung ist es wichtig, mit möglichst geringen Kosten ölfreie Druckluft zu erzielen. Auch die Aufbereitung sollte wirtschaftlich erfolgen.

Es kann sowohl mit ölfrei arbeitenden als auch mit nicht-ölfrei arbeitenden Kompressoren Druckluft mit ausgezeichneter Qualität (ölfrei/ mit reduziertem Ölgehalt) hergestellt werden. Dazu ist eine entsprechende Luftaufbereitung notwendig. Aspekte der Effizienz und Wirtschaftlichkeit sind zu berücksichtigen.

Die Umgebungsluft: Welche Qualität hat die angesaugte Luft?

Die Luftqualität hängt stark von den Umweltbedingungen ab. Der Kohlenwasserstoffanteil kann, in Folge der Emissionen (Luftbelastung) durch Industrie und Verkehr, auch in normalen Umgebungen einen Wert von 4-14 mg/m³ erreichen.

In Industriehallen kann der Öl-Anteil, aufgrund der Nutzung in Kühlschmier- und Prozessflüssigkeit, einen Wert von 10 mg/m³ weit überschreiten. Hinzu kommen weitere Verschmutzungselemente, wie Schwefeldioxid, Ruß, Metalle, Staub und Luftfeuchtigkeit.

Was bedeutet "ölfreie Druckluft "?

Laut Norm ISO 8573-1 kann die Druckluft als ölfrei bezeichnet werden, wenn der Ölanteil (Ölnebel inbegriffen) unter einem Wert von 0,01 mg/m³ liegt. Das entspricht ca. 4 % des Anteils an der Umgebungsluft. Diese Menge ist so gering, dass sie kaum noch nachgewiesen werden kann. Dieser hohe Reinheitsgrad wird z.B. oft in der Lebensmittel- oder in der Pharmaindustrie gefordert.

Luftfeuchtigkeit und ihre Ursachen

Die Umgebungsluft beinhaltet immer einen gewissen Feuchtigkeitsanteil. Dieser hängt von der Temperatur und dem Luftdruck ab. Die Fähigkeit der Luft, Feuchtigkeit aufzunehmen, steigt mit der Temperatur und sinkt mit dem Luftdruck.

Abhängig von Temperatur und Druck kann ein Luftvolumen nur eine bestimmte Menge Wasser aufnehmen. Wenn die maximale Menge aufgenommen wurde, ist die Luft gesättigt.

In der nachfolgenden Tabelle sind die maximalen Wasseraufnahmemengen (Sättigungswerte) aufgeführt:

Wenn die relative Luftfeuchtigkeit über 100% steigt, scheidet die Luft die überschüssige Feuchtigkeit aus. Die Temperatur, bei der das Wasser aus der Luft ausgeschieden wird, nennt man Taupunkt.

Wird der Druck erhöht und/oder die Temperatur reduziert, wird Luftfeuchtigkeit ausgeschieden.

Genau dies geschieht im Kompressorblock und im Nachkühler.

Die ausfallende Feuchtigkeit bildet das sogenannte Kondensat.

Trocknung der Druckluft

Im Zuge der Abkühlung der Umgebungsluft wird Wasser aus der Luft ausgeschieden.

Beispiel aus der Praxis:

Ein Schraubenkompressor saugt, bei 20°C Temperatur und einem Umgebungsdruck von 10 m³ pro Minute, Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 %.

Diese Luftmenge beinhaltet ca. 104 g Wasser(-dampf).

(Die maximale Luftfeuchtigkeit beträgt bei 20 °C 17,3 g/m³. Dieser Wert ist aus dem obenstehenden Diagramm ablesbar. Bei einer Luftfeuchtigkeit von 60 % entspricht dies = 10,38 g/m³ (17,3 x 60 / 100). Bei 10 m³ Umgebungsluft entspricht dies 103,8 g Wasserinhalt.)

Wenn die Luftmenge mit einem Komprimierungsverhältnis von 1:10 auf 10 bar Druck komprimiert wird, ergibt dies 1 m³ Druckluft pro Minute als Ergebnis.

Die Temperatur nach der Komprimierung beträgt annähernd 80°C. Bei dieser Temperatur kann die Luft 290 g Wasser pro m³ aufnehmen (Wert aus Diagramm).

Da der Dampfinhalt aber nur ca. 104 g beträgt, liegt die relative Luftfeuchtigkeit bei 36 %. Die Luft ist eher trocken und es entsteht kein Kondensat.

Relative Luftfeuchtigkeit = absolute Luftfeuchtigkeit / maximale Luftfeuchtigkeit x 100 (%).

In Werten : 104 g / 290 g x 100 (%) = 35,8 %.

Im Nachkühler des Kompressors sinkt die Temperatur der Druckluft von 80°C auf ca. 35 °C. Danach kann sie nur noch 39,6 g/m³(Wert aus Diagramm) Wasser aufnehmen. Entsprechend des Unterschiedes zwischen den beiden Werten entstehen ca. 64 g/min Wasser, die von der Druckluft nicht gebunden werden können und deshalb ausgeschieden werden.

(103,8 g/m³- 36,9 g/m³= 64,2 g/m³)

Im obigen Beispiel entstehen an einem 8-Stunden-Arbeitstag annähernd 31 Liter Kondensat.

(64,2 g/min x 60 min = 3852 g/h = 3,85 l/h. 3,85 l/h x 8 h = 30,8 l/Schicht.)

Diese Wassermenge muss aufgrund der Betriebssicherheit aus dem System entfernt werden. Die Trocknung der Druckluft ist also ein essenzieller Teil der Luftaufbereitung. WICHTIG! Kondensat entsteht immer dort, wo das Strömungsvolumen wächst und die Temperatur sinkt. Diese Erscheinung tritt normalerweise bei den Luftbehältern auf, ist aber auch im Luftsystem und in den betriebenen Anlagen zu finden. Die allgemeinen Filter, die im System eingebaut sind (50 ... 0,01 Mikron), können die Luftfeuchtigkeit nicht beeinflussen. Sie können nur Feststoffpartikel entsprechend der Filterfeinheit filtern. Die Wassermenge, die sich in den Filtergläsern ansammelt, enthält die im System als Tropfen angesammelte Dampfmenge. Im Verhältnis zu der aus der Druckluft ausgeschiedenen Wassermenge ist sie jedoch unbedeutend.

Trocknungsmethoden

• Absorptionstrocknung Die Absorptionstrocknung ist ein chemisches Verfahren. Hier strömt die Druckluft durch eine Trocknungsmaterialschicht (häufig Salzkristalle). Wasser bzw. Dampf wird auf chemischem Wege gebunden, wodurch sich die Schicht allmählich abnutzt. Das Granulat muss regelmäßig regeneriert oder ersetzt werden. Geringe Taupunktreduktion!
• Adsorptionstrocknung Die Adsorptionstrocknung ist ein physisches Verfahren, bei der die Druckluft durch ein poröses Material sowie Spezialgel strömt. Wasser und Dampf werden aufgenommen. Die Aufnahmefähigkeit des Gels ist begrenzt. Es kann aber nach Sättigung mit einem einfachen Vorgang ausgeblasen werden. Dieses Verfahren bietet jedoch nur eine relativ geringe Durchflussleistung!

• Membrantrocknung Die Membrantrocknung wird zur Trocknung von Druckluft und Gas genutzt. Zentralelement ist hier eine Polymer-Mikrofaser-Hohlmembran, welche so gestaltet ist, dass ausschließlich Wassermoleküle die Membranwand durchdringen können. Nachteile: Niedrige Luftleistung (meist max. 1000 l/min) und relativ geringe Trocknungsleistung.

• Kältetrocknung Die Kältetrocknung basiert auf der Gegebenheit, dass kalte Luft weniger Wasser binden kann. Die zu trocknende Luft strömt in einen Wärmetauscher, welcher von einem Kühlaggregat auf +3°C gekühlt wird. Aus der gekühlten Luft fallen Wasser und Öl aus und werden ausgeschieden. Die Druckluft wird danach durch einen Feinfilter geleitet, um weitere Verschmutzungselemente auszufiltern.

Weshalb ist eine Luftaufbereitung notwendig?

Unabhängig von der Ausführung ist jeder Kompressor prinzipiell eine Art „riesiger Staubsauger", der Verschmutzungen aus der Umgebungsluft ansaugt. Bei der Komprimierung konzentriert der Kompressor diese und im Falle fehlender oder schlechter Luftaufbereitung werden sie in das Druckluftnetz geleitet.

Ein wichtiges Element der Pneumatik ist daher die Luftaufbereitungseinheit. Mit ihrer Hilfe kann die notwendige Luftqualität sichergestellt werden (Filterungsfeinheit, Höhe des Betriebsdrucks, Öl-Anteil).

Pneumatische Systeme benötigen für eine sichere Funktion eine entsprechend aufbereitete Druckluft.

Ziel ist aber nicht nur eine höhere Zuverlässigkeit und Verbesserung der Betriebssicherheit, sondern auch die Erhöhung der Lebensdauer der einzelnen Komponenten. Um eine optimale Leistung und Schutz der pneumatischen Komponenten zu gewährleisten, muss die Druckluft getrocknet, geregelt und evt. geölt sein.

Zur Produktgruppe der Luftaufbereitungseinheiten gehören folgende Elemente:

• Luftfilter
• Druckregler
• Öler
• Diverse Einschalt- und Druckaufbauventile
• Verteiler und dazu passende Druckschalter

Die Luftaufbereitungseinheiten können nach Aufbau, Baugröße, Durchflussleistung und Anschlussgröße gruppiert werden.

Es steht eine breite Produktpalette von G1/8" bis G3" zur Verfügung.

Auf den untenstehenden Abbildungen sind die gängigsten Luftaufbereitungseinheiten zu sehen.

Komplette Luftaufbereitungseinheit mit Filter, Öler und Druckregler

Modulare Luftaufbereitungseinheiten bieten dem Anwender eine hohe Flexibilität, da aus den einzelnen Modulen eine komplette Einheit zusammengebaut werden kann - je nach Anforderung.