Aufbereitung von Druckluft in pneumatischen Systemen

Abbildung 1: Druckluftfilter-Regler-Schmiergerät

Druckluft in pneumatischen Systemen enthält oft Feuchtigkeit und Verunreinigungen und kann einen für die direkte Verwendung ungeeigneten Druck aufweisen, was potenziell nachgeschaltete Geräte beschädigen kann. Um die Luft zu konditionieren, durchläuft sie Filter, Regler und Schmiergeräte, die sie reinigen und den Druck anpassen. Dieser Artikel untersucht die Komponenten der Luftaufbereitung, ihre Funktionen und Auswahlkriterien.

Inhaltsverzeichnis

• Druckluftaufbereitung in einem pneumatischen System
• Partikel in Druckluft und ihre Folgen
• Luftaufbereitungseinheiten in einem pneumatischen System
  • FRL
  • Pneumatischer Schalldämpfer
  • Nachkühler
  • Lufttrockner
  • Abläufe
• Wie man die richtige Luftaufbereitungseinheit auswählt

Druckluftaufbereitung in einem pneumatischen System

Druckluft ist Luft, die auf einen Druck über dem atmosphärischen Niveau gehalten wird. Sie ist eine lebenswichtige Energiequelle in pneumatischen Systemen für verschiedene industrielle Anwendungen. Die Aufbereitung von Druckluft beginnt mit Umgebungsluft (Abbildung 2 beschriftet mit A), die in einen Kompressor (Abbildung 2 beschriftet mit B) gesaugt wird, der sie verdichtet und zu einem Speicherbehälter (Abbildung 2 beschriftet mit C) für die Lagerung sendet. Um sicherzustellen, dass die Luft sauber und trocken ist, durchläuft sie einen Kältetrockner (Abbildung 2 beschriftet mit D), der Feuchtigkeit entfernt. Danach durchläuft sie Luftaufbereitungskomponenten (Abbildung 2 beschriftet mit E), um Verunreinigungen zu entfernen und ausreichenden Druck zu gewährleisten (wird später besprochen). Schließlich wird die aufbereitete Luft durch Rohre zur Maschine (Abbildung 2 beschriftet mit F) geleitet.

Die Druckluft durchläuft verschiedene Geräte, Rohre und Armaturen, die Verunreinigungen einführen können. Eine zusätzliche Luftaufbereitung am Verwendungsort ist unerlässlich, insbesondere über lange Distanzen oder in Umgebungen, die anfällig für Feuchtigkeit und Partikelansammlungen sind.

Abbildung 2: Komponenten des pneumatischen Luftaufbereitungssystems: Umgebungsluft (A), Kompressor (B), Speicherbehälter (C), Kältetrockner (D), Luftaufbereitung (E) und Maschine (F).

Partikel in Druckluft und ihre Folgen

Abbildung 3: Die Konzentration der Schadstoffe steigt beim Komprimieren der Luft viele Male an

Ein Kubikmeter Luft aus der Umgebung enthält viele Bestandteile, die in pneumatischen Systemen Probleme verursachen können. Dazu gehören:

• Schmutzpartikel: Schmutzpartikel können bis zu 180 Millionen Partikel umfassen, die von 0,01 Mikrometern bis zu 100 Mikrometern Größe reichen.
• Wasser: Die Wassermenge variiert mit der Temperatur, aber bei 50 𐩑C kann sie etwa 80 Gramm Wasser betragen.
• Öl: Es kann bis zu 0,03 Milligramm Öl enthalten sein.
• Chemische Schadstoffe: Chemische Schadstoffe umfassen schädliche Substanzen wie Blei, Cadmium, Eisen, Quecksilber und andere.

Tabelle 1 diskutiert die Folgen dieser Partikel in Druckluft. Die Reinigung von Druckluft ist entscheidend, um Schäden zu verhindern und sicherzustellen, dass die Komponenten reibungslos funktionieren. Auch haben verschiedene Branchen und spezialisierte Anwendungen ihre Standards dafür, wie sauber die Druckluft sein sollte.

Tabelle 1: Die Partikel in Druckluft und ihre Folgen

Luftaufbereitungseinheiten in einem pneumatischen System

Luftaufbereitungseinheiten beziehen sich typischerweise auf die verschiedenen Komponenten, die entlang des Systems installiert sind, um die Qualität der Druckluft vor dem Erreichen des Verwendungsortes vorzubereiten und zu erhalten. Die Haupteinheiten werden unten besprochen.

FRL

Ein FRL-Gerät ist ein modulares System zur Aufbereitung von Druckluft, bestehend aus einem Filter, Regler und Schmiergerät, das entwickelt wurde, um Verunreinigungen zu entfernen, den Druck anzupassen und Schmiermittel zur Druckluft in pneumatischen Systemen hinzuzufügen. Obwohl diese Komponenten häufig in einem einzigen System integriert sind, können sie auch als separate Einheiten gefunden werden, wie nur ein Regler oder ein kombinierter Filterregler. Moderne pneumatische Systeme, die mit selbstschmierenden Komponenten ausgestattet sind, benötigen oft keine Schmiergeräte.

Filter

Ein Filter eliminiert Verunreinigungen wie Staub, Wasserdampf und Öl, die in der Druckluft vorhanden sind. In einigen Systemen sind aufgrund verschiedener Anforderungen mehrere Filter erforderlich:

• Das System muss Verunreinigungen aus den Rohren oder Kondensation, die während des Transports auftritt, beseitigen, bevor die Luft jedes Gerät erreicht.
• Verschiedene Steuer- oder Regelgeräte benötigen Luft unterschiedlicher Reinheitsgrade.
• Bestimmte Anwendungen, wie die Lebensmittelverpackung, erfordern mehr als die Standardfiltration. Hier sind Aktivkohlefilter notwendig; die Luft muss durch Feinfilter gehen, bevor sie diese erreicht.

Pneumatische Systeme verwenden typischerweise Filterelemente, die Partikel zwischen 5 bis 50 Mikrometern (µm) Größe erfassen können. Um eine Luftqualität zu erreichen, die dem ISO 8573-1:2010 [7:4:4]-Standard entspricht, müssen die folgenden Kriterien erfüllt sein:

• Partikelkonzentration: 5-10 Milligramm pro Kubikmeter (mg/m³)
• Filterfeinheit: 20-50 µm

Für höhere Standards muss das Design der ISO 8573-1:2010 [6:4:4]-Spezifikation entsprechen:

• Partikelkonzentration: Nicht mehr als 5 mg/m³
• Filterfeinheit: 5 µm

Filterelemente müssen regelmäßig ersetzt werden, da sie mit der Zeit durch Schadstoffe verstopft werden, was zu einem reduzierten Luftstrom führt. Ein Druckabfall kann durch Messung des Druckunterschieds vor und nach dem Filter identifiziert werden. Wenn ein Filterelement verschmutzter wird, erhöht sich der Druckabfall über den Filter (typischerweise gleich oder etwas weniger als 0,5 bar), was den Grad der Verstopfung im Filterelement anzeigt.

Regler

Ein Druckregler steuert den Druck der Druckluft in einem pneumatischen System und stellt sicher, dass nachgeschaltete Geräte Luft mit dem richtigen Druck erhalten. Das Netzwerk liefert typischerweise einen Druck von 6 bis 10 bar, der je nach Luftverbrauch schwanken kann. Um Druckluft effektiv zu nutzen, sollte jedes Gerät seinen notwendigen Druck mit einem separaten Druckregler einstellen.

Schmiergerät

Ein Schmiergerät fügt der Druckluft präzise Mengen an Öl hinzu. Hersteller von mechanischen Komponenten zielen darauf ab, Produkte zu erstellen, die keine zusätzliche Schmierung benötigen. Dies wird erreicht, indem geeignete Materialien verwendet, die richtigen Dichtungssysteme ausgewählt, Reibung minimiert oder das Produkt zum Zeitpunkt des Kaufs mit ausreichender Dauerschmierung versehen wird. Spezielle Fette werden zu diesem Zweck hergestellt, um dauerhaft in Ventilen oder Zylindern zu verbleiben. Um zu verhindern, dass das Schmiermittel ausgewaschen wird, ist es wichtig, trockene Luft zu verwenden, da Feuchtigkeit das Schmiermittel schädigen kann. Dieser Auswascheffekt tritt auch bei Schmiergeräten auf, daher ist es entscheidend, sicherzustellen, dass Schmiergeräte niemals ohne Schmiermittel laufen.

Pneumatischer Schalldämpfer

Ein pneumatischer Schalldämpfer (Schalldämpfer) ist ein Gerät, das am Auslass eines pneumatischen Systemkomponenten, wie einem Ventil oder Zylinder, angebracht wird, um das Geräusch von entweichender Druckluft zu reduzieren. Es funktioniert, indem es die Luft expandieren und verlangsamen lässt, bevor sie in die Atmosphäre entlassen wird, was den Geräuschpegel verringert. Einige Schalldämpfer können auch Schadstoffe aus der Auslassluft einfangen oder filtern.

Abbildung 4: Pneumatischer Schalldämpfer

Nachkühler

Nachkühler kühlen die Luft ab, nachdem sie komprimiert wurde und bevor sie in den Lufttrockner eintritt, was hilft, Feuchtigkeit zu entfernen.

Lufttrockner

Nachkühler können etwa 85% der Feuchtigkeit aus der Luft eines Kompressors entfernen. Um noch mehr Feuchtigkeit zu entfernen, werden Lufttrockner nach den Nachkühlern verwendet, insbesondere wenn es wichtig ist, zu verhindern, dass die Luft zu feucht wird, während sie durch das pneumatische System strömt. Dies ist entscheidend in Anwendungen, die sehr trockene Luft erfordern, wie in Prozessen, die empfindlich auf Feuchtigkeit reagieren, um Korrosion zu verhindern oder das ordnungsgemäße Funktionieren pneumatischer Ausrüstung zu gewährleisten.

Abbildung 5: Lufttrockner für pneumatisches System

Abläufe

Abläufe entfernen jegliches angesammeltes Kondensat aus verschiedenen Punkten im pneumatischen System, insbesondere aus dem Luftempfänger und den Filtern.

Wie man die richtige Luftaufbereitungseinheit auswählt

Die richtige Luftaufbereitung für ein Gerät, das Druckluft verwendet, umfasst drei Hauptfaktoren:

• Reinheit der Druckluft
• Ausreichende Durchflussrate
• Optimaler Betriebsdruck

Angemessene Reinheit der Druckluft

Saubere Luft hilft dem pneumatischen System, länger zu halten und effizient zu arbeiten, und sie erfüllt die Vorschriften für bestimmte Branchen, wie die Lebensmittelproduktion. Der ISO 8573-1:2010-Standard legt die Reinheit der Druckluft fest.

• Die Reinheitsklasse wird durch drei Faktoren bestimmt - feste Partikel, Wasser und Öl.
• Für jede Kategorie dieser Schadstoffe gibt der Standard die maximal zulässige Menge an Verunreinigungen in der Druckluft an.

Je höher die Klassennummer, desto weniger rein muss die Luft sein. Hersteller von pneumatischen Komponenten wie Ventilen und Zylindern geben das für ihre Ausrüstung erforderliche Luftreinheitsniveau an. Verschiedene Anwendungen benötigen unterschiedliche Niveaus an sauberer Druckluft, um gut zu funktionieren.

Beispielsweise bedeutet es, wenn ein pneumatisches System eine Anforderung an die Qualität der Druckluft als 'Klasse 2.4.1' angibt:

• Für feste Partikel (erste Ziffer), Klasse 2: Die Luft sollte nicht mehr als 100.000 Partikel/m³ der Größe ≥ 1 Mikron, 1.000 Partikel/m³ der Größe ≥ 5 Mikron und 10 Partikel/m³ der Größe ≥ 10 Mikron enthalten.
• Für Wasser (zweite Ziffer), Klasse 4: Die Luft sollte einen Drucktaupunkt von nicht höher als +3 °C haben, was die Menge an Wasserdampf begrenzt, die bei einem gegebenen Druck zu flüssigem Wasser kondensieren kann.
• Für Öl (dritte Ziffer), Klasse 1: Die Luft sollte nicht mehr als 0,01 mg/m³ Öl enthalten.

Ausreichende Durchflussrate

Ausreichende Durchflussraten sind notwendig, um einen ordnungsgemäßen Betrieb und Geschwindigkeit der Komponenten zu gewährleisten, zum Beispiel, um sicherzustellen, dass die Kolben der Zylinder mit den Geschwindigkeiten bewegen, die sie sollen.

Die Durchflussrate wird hauptsächlich durch die Größe der Öffnungen in den Teilen und deren Design bestimmt. Wenn die Teile ähnlich konstruiert sind, ermöglichen größere mehr Luftstrom. Allerdings kann sich die Durchflussrate je nach Anwendung dieser Teile ändern. Beispielsweise bieten Filter natürlichen Luftwiderstand und können die Durchflussrate reduzieren.

Probleme wie Durchflussbeschränkungen, Lecks und lange Rohrleitungen können zu erheblichen Druckverlusten führen. Um dies zu minimieren, wird empfohlen, einen Eingangsdruck zum Luftaufbereitungssystem der Maschine aufrechtzuerhalten, der 10-20% höher ist als der Betriebsdruck, und bei Bedarf die Versorgungsleitungen zu vergrößern.

Wenn die richtigen Teile für den Job ausgewählt sind, das System aber immer noch nicht genügend Luftstrom erhält, überprüfen Sie die folgenden Faktoren:

• Sind die Anschlusspunkte für die Luftversorgung unterdimensioniert?
• Gibt es Probleme, die durch lange Luftleitungen, zu viele Verzweigungen oder enge Biegungen verursacht werden?
• Sind die Innenflächen der Luftleitungen rau oder verschmutzt?
• Gibt es undichte Stellen im System, die nicht erkannt wurden?

Der richtige Betriebsdruck

Der Betriebsdruck sollte dem Druck entsprechen, der benötigt wird, um die pneumatischen Teile zu bewegen. Ein angemessener Druck stellt sicher, dass das System genügend Kraft zum Betrieb hat.

Jedes Gerät, das Druckluft verwendet, ist so konzipiert, dass es innerhalb eines bestimmten Druckbereichs am besten funktioniert. Wenn der Druck zu niedrig ist, funktioniert das System nicht so gut, wie es sollte. Wenn der Druck zu hoch ist, kann dies dazu führen, dass Teile wie Dichtungen schneller verschleißen, mehr Energie verbrauchen und viel Lärm machen. Daher ist es wichtig, mögliche Druckabfälle zu berücksichtigen, wenn der richtige Druck ermittelt wird. Diese Druckabfälle können aufgrund von:

• Den Geräten, die die Luft verwenden, wie Ventile, Filter und Trockner.
• Langen Rohren, Verzweigungen, zu engen Biegungen, rauen Innenflächen und Schmutz in den Rohren.
• Undichten Stellen, die nicht erkannt wurden.

Der maximale Druck eines pneumatischen Elements hängt von mehreren Parametern ab, wie dem Gehäusematerial und den Federn, die für die Einstellung verwendet werden.