Adsorptionstrockner

Adsorptionstrockner können eine einfache Lösung bei Anwendungen darstellen, bei denen die Qualität ein wesentlicher Faktor ist. Die Designs variieren erheblich, und es ist wichtig, sicherzustellen, dass der Trockner richtig auf der Grundlage seiner Auslassströmung dimensioniert ist. Bild: Norgren

Eines der größten Probleme sind dabei Verunreinigungen. Je nach Anwendung wird ein bestimmter Reinheitsgrad der Druckluft benötigt. Eine wichtige Grundlage ist die Norm ISO 8573-1:2010, die genaue Qualitätsklassen der Druckluft hinsichtlich Feststoffen, Ölgehalt und Feuchtigkeit definiert.

Sehr oft wird angenommen, dass von allen Verunreinigungen in einer Druckluftanlage, wie Feuchtigkeit, Partikel, Mikroorganismen, Öl, Aerosole, Rost oder Ablagerungen, das Öl die meisten Probleme verursacht – vor allem aufgrund des sehr oft sichtbaren Austritts aus offenen Abflussleitungen und Auslassventilen. In der Realität können jedoch die meisten Probleme in einer Druckluftanlage direkt dem Wasser zugeschrieben werden.

Tatsächlich macht Wasser bis zu 99,9 Prozent der gesamten Verunreinigung durch Flüssigkeiten in einer Druckluftanlage aus. Um dies zu verdeutlichen: Eine 2,8 m³/min Kompressor-Kältetrocknerkombination, die für 4000 Stunden unter typisch britischen klimatischen Bedingungen läuft, kann etwa 10.000 Liter flüssiges Kondensat pro Jahr produzieren. In wärmeren Klimazonen erhöht sich diese Menge noch deutlich.

Reinigungstechnologien

Für den effizienten Betrieb einer Druckluftanlage gilt es zehn Verunreinigungsarten (siehe Kasten) zu reduzieren oder entfernen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine Kombination aus verschiedenen Technologien erforderlich. Öl und Partikel können durch Filtration entfernt werden. Wasserdampf passiert jedoch Wasserabscheider und Mikrofilter ungehindert und kann nur durch einen Trockner entfernt werden.

Die Kapazität zur Entfernung von Wasserdampf aus der Druckluft wird bei Trocknern durch den erreichbaren Drucktaupunkt (DTP) ausgedrückt. Im Gegensatz zum atmosphärischen Taupunkt bezieht sich der Drucktaupunkt auf Taupunkttemperaturen bei einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks. Hocheffiziente Drucklufttrockner werden für besonders anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt, um Taupunkte wie in der ISO 8573.1:2010 definiert zu erreichen.

Hier sind Kältetrockner ungeeignet, da sie mit Taupunkten von drei, sieben und 10 °C keinen Taupunkt unter dem Gefrierpunkt realisieren können. Bei sehr vielen Anwendungen wird ein Drucktaupunkt von -40 °C empfohlen, da ein Wert unter -26 °C nicht nur Korrosion stoppt, sondern auch das Wachstum von Mikroorganismen hemmt. Weitere Schwachpunkte bei Kältetrocknern können ozonschichtgefährdende Gase oder ein erhöhter Aufwand spezieller Wartungen sein.

Derweil sind Membrantrockner in der Regel auf Anwendungen niedriger Durchflusskapazitäten beschränkt, und ihre Spülluft-Anforderungen sind in der Regel höher als die bei Adsorptions-trocknern. Die Lebensdauer der Membranen ist begrenzt, vor allem bei Anwendungen im Start-Stopp-Betrieb, und es ist ein hohes Niveau der Einlassfiltrierung erforderlich. Sie sind außerdem besonders anfällig für aggressive Chemikalien und können durch Stöße und Schwingungen schwer beschädigt werden und ausfallen.

Adsorptionstrockner

Adsorptionstrockner Schnitt

In Kammer A wird feuchte Druckluft geleitet und Verunreinigungen entfernt. Durch B wird eine kleine Menge trockener und gefilterter Luft in entgegengesetzter Richtung geleitet und in die Atmosphäre abgelassen. Bild: Norgren

Mit Taupunkten von -20 bis -40 oder -70 °C arbeiten Adsorptionstrockner in der Regel nach dem kaltregenerierenden Druckwechselprinzip, auch bekannt als PSA oder als Kaltregeneration.

Um kontinuierlich trockene Luft zu liefern, muss der Trockner sein Trockenmittel regenerieren. Das kann erreicht werden, indem saubere, trockene und entspannte Luft, sogenannte Spülluft, über das feuchte Adsorptionsmittel geleitet wird. Um diesen Prozess zu ermöglichen, sind PSA-Trockner mit zwei Kammern ausgestattet: Während die eine die Druckluft trocknet, kann die andere regeneriert werden. Obwohl sie nach den gleichen Prinzipien funktionieren, gibt es zwei Arten des Aufbaus von PSA-Trocknern: Doppelturm und modular. Der Aufbau kann erhebliche Auswirkungen auf Leistung und Wirtschaftlichkeit haben.

Doppelturm-PSA-Trockner bestehen aus einem Paar Druckbehältern, deren Installation umfangreiche Modifikationen der Rohrleitungen und Anlagen sowie Einlass- und Auslassfilterung erfordern kann. Sie brauchen eine große Menge an Trockenmittel, was zu hohen Betriebs- und Wartungskosten führen kann.

Die Füllmethode dieses Designs kann zu Ungleichmäßigkeiten bei Trocknung, Trockenmittelregeneration und Taupunkt führen, während die Trockenmittelabnutzung im Laufe der Zeit die Adsorptionskapazität des Trockners reduziert, zu blockierten Auslassfiltern führt und regelmäßige Wartung erfordert – eine jährliche Prüfung und Zertifizierung ist nach Druckgeräterichtlinie (DGRL) generell erforderlich. Ihr Aufbau ist recht einfach, doch können bei Adsorptionstrocknern Spülluftverluste bis zu 25 Prozent auftreten.

Trockenmittelleistung und -abnutzung

Modulare PSA-Trockner haben eine auswechselbare Trockenmittelpatrone in einer kaltregenerierenden Doppelkammer-Konfiguration in einem Gehäuse. Feuchte Luft aus dem Nachkühler wird in eine Kammer des Trockners geleitet. Wasser und Partikel werden in der Filtrationsphase ausgefiltert, und das Wasser bleibt im Trockner zurück, bis die Kammer regeneriert wird und es bei Verringerung des Drucks in die Atmosphäre abgelassen wird. Nach dieser Phase strömt die Luft durch das Trockenmittelbett und die verbleibende Feuchtigkeit wird adsorbiert.

Schließlich wird die trockene Luft durch einen Partikelfilter geleitet, der jegliche übrigen Trockenmittelpartikel ausfiltert. Gleichzeitig wird eine kleine Menge trockener Luft in Gegenrichtung durch die zweite Kammer geleitet und in die Atmosphäre abgelassen, um Feuchtigkeit zu entfernen und das Trockenmittel zu regenerieren. Eine elektronische Steuerung kehrt die Funktion der einzelnen Kammern in regelmäßigen Abständen um und gewährleistet so eine kontinuierliche Versorgung mit trockener Druckluft.

Es gibt verschiedenste Arten von Trockenmittel auf dem Markt, und die Wahl kann die Taupunktleistung beeinflussen. Ein weiterer Faktor ist die Abnutzung, also der Verlust der Trocknungseffizienz durch den Zerfall der optimierten Ton-/Kristallstruktur innerhalb des Trockners.

Von zentraler Bedeutung ist die Methode, die zum Füllen der Patrone verwendet wird. Die Methode „Schütten und Füllen“ führt zu einer lockeren Füllung, behindert die effiziente Durchleitung der Luft durch das Trockenmittel, verhindert, dass ein Teil des Materials zum Trocknen benutzt wird und erlaubt den Trockenmittelperlen mehr Bewegung und Reibung aneinander.

Alternative ist das sogenannte Schneesturmfüllen. Dafür ist die Verwendung einer speziellen Fülleinrichtung erforderlich, die auf den Durchmesser der zu füllenden Patrone und den Durchmesser der Trockenmittelperlen optimiert ist. Die Methode maximiert die Packungs-

dichte und minimiert die Fluidisierung des Trockenmittelbetts, sodass 100 Prozent des verfügbaren Trockenmittels zum Trocknen benutzt werden. Durch die Einschränkung der Bewegung der einzelnen Trockenmittelperlen kommt es auch zu weniger Abnutzung derselben.

Weitere Hauptursache für die Abnutzung ist eine ungleichmäßige Strömungsverteilung über den Trocknungsoberflächen, die zu einer größeren Reibung in einigen Bereichen des Trockenmittelbetts führt und damit seine Degeneration beschleunigt. Eine zu starke Strömung kann auch zu Problemen mit Stoßbelastungen und Überlastung des Trockenmittelbetts führen.

Dies kann nicht nur potenziell verheerende physische Auswirkungen auf die Trockenmittelbettstruktur durch das Entstehen von Hohlräumen haben, sondern auch zu Taupunktverlusten führen, die große Auswirkungen auf die Trocknungseffizienz und vor allem auf die Anwendung haben, was zu fehlerhaften, beschädigten oder verdorbenen Produkten führen kann.

Weiteres Problem ist die Ablagerung von Staub aus dem Trockenmittelbett, wenn es zu zerfallen beginnt. Diese Ablagerungen haben Auswirkungen auf die Effizienz und können zur vorzeitigen Verstopfung von Filtern und Schalldämpfern führen. Das Problem hoher Druckdifferenz zwischen beiden Enden des Trockenmittelbetts beim Umschalten der Trockenmittelkammern und somit schlagartiger und zu hoher Strömungsgeschwindigkeit kann durch vorherigen automatischen Kammer-Druckausgleich verhindert werden.

Weiterhin wird durch Einsatz eines Durchflussbegrenzers sichergestellt, dass der gesamte Luftstrom durch den Trockner nicht zu stark ist und der Auslasstaupunkt nicht herabgesetzt wird. Derweil kann übermäßiger Staub durch eine zusätzliche Luftfiltrationsphase nach der Regeneration einer Kammer, bevor die Regeneration der anderen Kammer beginnt, vermieden werden.

Adsorptionstrockner können eine einfache Lösung bei Anwendungen sein, bei denen die Qualität ein wesentlicher Faktor ist. Die Designs variieren, und es ist wichtig, dass der Trockner richtig auf der Grundlage seiner Auslassströmung dimensioniert ist.

Die Wartung von Schalldämpfern ist unerlässlich, da sie bei Verstopfung durch Trockenmittelstaub einen höheren Gegendruck verursachen, der zu einer kontinuierlichen Verminderung der Durchflussmenge der Spülluft führt, was eine unvollständige Regeneration, suboptimale Leistung und einen möglichen Ausfall zur Folge hat.

Moderne Trockner mit austauschbaren Trockenmittelpatronensystemen verfügen in der Regel über Schutzmechanismen in den Bereichen Strömungsmanagement und Filtration zur Vermeidung von Fehlbedienung und für einen kontinuierlichen Betrieb. jl

Hintergrundwissen

Arten der Druckluftverunreinigung

In einem typischen Druckluftsystem gibt es verschiedene Verunreinigungen aus vier unterschiedlichen Quellen: atmosphärische Luft, dem Kompressor an sich, Luftbehälter sowie Verteilernetz.

  • Die atmosphärische Luft enthält Wasserdampf, ihre Fähigkeit, Wasserdampf aufzunehmen, hängt von Temperatur und Druck ab. Allein ein Kubikmeter Luft enthält bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von 25 °C ganze 24 g (0,02 l) Wasserdampf. Bei steigendem Druck sinkt die Fähigkeit Wasserdampf aufzunehmen während bei steigender Temperatur die Kapazität zur Aufnahmekapazität für Wasserdampf steigt.
  • Während der Kompression erhöht sich die Lufttemperatur und ermöglicht der Luft, die Feuchtigkeit zu halten. Jedoch kühlt die Druckluft nach der Komprimierung ab, wodurch die relative Feuchte bis hin zur Sättigung ansteigt. Bei weiterer Abkühlung über Sättigung hinaus kondensiert der Wasserdampf zu Wasser.
  • Ab einer relativen Feuchte von etwa 50 % steigt die Korrosionsgefahr, was letztlich auch zu Schäden im Verteilersystem, an Ventilen, Zylindern, Werkzeugen und Produktionseinrichtungen führen kann. Dies führt zu höheren Wartungskosten und reduzierter Produktionseffizienz. Wasser in der Druckluft kann auch zu Schäden an Produkten und Verpackungen führen.
  • Neben Wasser enthält atmosphärische Luft auch Partikel – in der Regel zwischen 140 und 150 Millionen Schmutzpartikel in jedem Kubikmeter. Rund 80 Prozent dieser Partikel sind kleiner als zwei Mikrometer und damit so klein, dass sie vom Ansaugfilter des Kompressors, der in der Regel eine Kapazität von 25 Mikron hat, nicht mehr ausgefiltert werden könnten. Daher können sie uneingeschränkt in den Druckluftstrom gelangen.
  • Atmosphärische Luft enthält in der Regel auch bis zu 100 Millionen Mikroorganismen – Bakterien, Viren, Pilze und Sporen – pro Kubikmeter Luft, die in den Kompressor eingesaugt werden. Die feuchte Umgebung der Druckluftanlage, besonders im Luftbehälter, ist ideal für das Wachstum von Mikroorganismen.
  • Eine weitere Quelle der Verunreinigung durch atmosphärische Luft ist Öl. Typische Öldampfkonzentrationen können zwischen 0,05 mg und 0,5 mg pro Kubikmeter Luft variieren. Sobald sie im Druckluftverteilersystem sind, können die Öldämpfe abkühlen und zu flüssigem Öl kondensieren. Sowohl Flüssigkeiten als auch Öl-Aerosole mischen sich mit dem Wasser im System zu einem dicken, sauren Kondensat, das nicht nur am Druckluftsystem selbst, sondern auch an Produktionsanlagen, Produkten und Verpackungen Schäden verursacht.
  • Immer, wenn die Luft verdichtet und gekühlt aus einem ölgeschmierten Kompressor kommt, werden vier weitere Verunreinigungen hinzugefügt: flüssiges Öl und Aerosole, Öldämpfe aus dem Kompressoröl, kondensiertes Wasser und Wasser-Aerosole.
  • Luftbehälter wie auch Verteilersystem können zwei weitere Verunreinigungen in Form von Rost und Ablagerungen hinzufügen, die durch die warme, feuchte Luft im System verursacht werden.