Równanie, teoria, zasada Raoulta w pneumatyce

Prawo Raoulta — podstawy fizykochemiczne

Definicja

Prawo Raoulta opisuje zależność prężności par rozpuszczalnika nad roztworem od jego ułamka molowego w roztworze i można je sformułować następująco:

„Prężność par rozpuszczalnika (w tym wypadku wody w powietrzu) nad roztworem jest równa iloczynowi prężności pary tego samego rozpuszczalnika w stanie czystym i ułamka molowego rozpuszczalnika w roztworze”.

Innymi słowy, im więcej rozpuszczalnika jest w roztworze, tym wyższa prężność par nad tym roztworem.

W najprostszej formie zapisujemy to równaniem:

P_para = x _rozp ⋅ P⁰_para

Gdzie:

• P_para - ciśnienie pary nad roztworem

• x _rozp - ułamek molowy rozpuszczalnika (w tym wypadku wody w powietrzu)

• P⁰_para - ciśnienie pary nasyconej czystego rozpuszczalnika w danej temperaturze

Znaczenie dla powietrza sprężonego

W sprężonym powietrzu para wodna zachowuje się jak składnik roztworu gazowego. To znaczy, że jej ciśnienie cząstkowe zależy od temperatury i stopnia sprężenia powietrza.

• Im wyższe ciśnienie powietrza, tym więcej pary wodnej może zostać wykroplone, bo jej ciśnienie cząstkowe może przekroczyć granicę ciśnienia nasycenia.

• Prawo Raoulta pozwala przewidzieć, w jakiej temperaturze para wodna w sprężonym powietrzu osiągnie stan nasycenia — czyli punkt rosy.

Wilgotność sprężonego powietrza a punkt rosy

Co to jest punkt rosy?

Punkt rosy to temperatura, w której para wodna zawarta w powietrzu zaczyna się wykraplać przy danym ciśnieniu. Jeśli powietrze sprężamy i następnie ochładzamy – to następuje zjawisko kondensacji , a wykroplona woda może:

• powodować korozję w instalacjach,

• uszkadzać siłowniki, zawory

• generować ryzyko (w szczególnych przypadkach) powstawania lodu w elementach pneumatycznych (szczególnie w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym),

• negatywnie wpływać na jakość produkcji (np. w elektronice).

Powiązanie z Prawem Raoulta

Prawo Raoulta tłumaczy, dlaczego w sprężonym powietrzu przy wzroście ciśnienia łatwiej przekroczyć próg nasycenia pary wodnej. Przykładowo:

• przy ciśnieniu atmosferycznym (1 bar) powietrze o 20°C może zawierać ok. 17,3 g/m³ pary wodnej,

• przy ciśnieniu 7 bar (typowe dla instalacji przemysłowych), powietrze może „pomieścić” znacznie mniej pary wodnej w tej samej temperaturze (po sprężeniu ciśnienie cząstkowe pary wodnej wzrasta, więc punkt rosy rośnie).

Stąd potrzeba osuszania sprężonego powietrza.

Wilgotność w systemach pneumatycznych

Skutki nadmiernej wilgotności

W instalacjach pneumatycznych nadmiar wilgoci oznacza:

• spadek żywotności siłowników i zaworów,

• blokowanie mechanizmów smarowania,

• wzrost ryzyka uszkodzeń elektroniki (np. w wyspach zaworowych),

• problemy z kontrolą procesów produkcyjnych, w których wymagana jest klasa czystości powietrza (np. zgodnie z ISO 8573-1),

• zwiększone koszty eksploatacji (korozja rur, przecieki).

Normy jakości sprężonego powietrza

Norma ISO 8573-1:2010 definiuje klasy wilgotności sprężonego powietrza:

• Klasa 1: punkt rosy ≤ -70°C

• Klasa 2: punkt rosy ≤ -40°C

• Klasa 3: punkt rosy ≤ -20°C

• Klasa 4: punkt rosy ≤ +3°C

• Klasa 5: punkt rosy ≤ +7°C

W większości zakładów przemysłowych, np. w branży automotive czy spożywczej, wymagana jest klasa 2 lub 3. Osiągnięcie tak niskiego punktu rosy wymaga wykorzystania technologii osuszania.

Technologie kontroli wilgotności w sprężonym powietrzu

Osuszacze chłodnicze

Działają na zasadzie schładzania strumienia sprężonego powietrza poniżej punktu rosy, aby para wodna wykropliła się, a następnie usunięcia pojawiającego się kondensatu. Typowy punkt rosy: +3°C do +7°C.

Osuszacze adsorpcyjne

Stosowane, gdy potrzebne jest bardzo suche powietrze. Adsorbenty (np. żel krzemionkowy, aktywowany tlenek glinu) wiążą cząsteczki wody. Osiągane punkty rosy: od -20°C do nawet -70°C.

Separatory cyklonowe - uzdatnianie wstępne

Usuwają kondensat mechanicznie (wirujące powietrze wymusza odrzut kropel wody na ścianki obudowy separatora).

Oferta Festo i BEKO Technologies w zakresie wilgotności sprężonego powietrza

Festo

Festo, lider w automatyce pneumatycznej, oferuje komponenty, które zapewniają kontrolę wilgotności:

• Osuszacze chłodnicze serii MSR – osiągają punkt rosy +3°C. Idealne do linii produkcyjnych, gdzie wymagana jest stabilna jakość powietrza.

• Moduły przygotowania powietrza serii MS – integrują filtrację, osuszanie, smarowanie. Umożliwiają monitoring parametrów wilgotności.

  

• Czujniki wilgotności SFE1 – monitorują punkt rosy w czasie rzeczywistym, co pozwala na predykcyjną konserwację.

Festo podkreśla znaczenie monitorowania wilgotności w kontekście Przemysłu 4.0 — ich komponenty współpracują z systemami IoT, umożliwiając zdalną diagnostykę.

BEKO Technologies

BEKO Technologies to specjalista w uzdatnianiu sprężonego powietrza. Ich oferta obejmuje:

• Osuszacze adsorpcyjne DRYPOINT AC – punkty rosy do -70°C. Idealne do procesów wymagających ultra-czystego powietrza (np. elektronika, farmacja).

• Osuszacze ziębnicze DRYPOINT RA – bestseller jeśli chodzi o osuszacze chłodnicze, doskonały stosunek ceny do jakości.

  

• Separatory kondensatu BEKOMAT – automatyczne odprowadzanie kondensatu bez strat sprężonego powietrza z takich komponentów instalacji sprężonego powietrza, jak separatory cyklonowe, zbiorniki ciśnieniowe, osuszacze chłodnicze i osuszacze membranowe, filtry.

  

• Systemy pomiarowe METPOINT – umożliwiają ciągły monitoring punktu rosy, ciśnienia i przepływu, co ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji zużycia energii.

  

BEKO zwraca uwagę na optymalizację kosztów tj. precyzyjne dopasowanie osuszania do realnego zapotrzebowania to mniejsze straty energetyczne.

Prawo Raoulta a dobór technologii

Dlaczego Prawo Raoulta jest kluczowe w doborze technologii osuszania? Bo pozwala przewidzieć, ile wody wykropli się po sprężeniu powietrza. Projektanci urządzeń uzdatniania czy instalacji często posługują się wykresami Molliera lub diagramami psychrometrycznymi, które uwzględniają prawo Raoulta, aby:

• dobrać odpowiedni typ osuszacza,

• zoptymalizować instalację (np. unikać przewymiarowania),

• minimalizować koszty energii.

Wpływ warunków środowiskowych na wilgotność sprężonego powietrza

Sezonowość i warunki klimatyczne

W realiach przemysłowych należy pamiętać, że zawartość pary wodnej w powietrzu jest silnie uzależniona od:

• temperatury powietrza atmosferycznego,

• wilgotności względnej powietrza atmosferycznego.

Latem, przy wysokiej wilgotności, sprężarki zasysają z otoczenia powietrze, które może zawierać nawet kilkadziesiąt gramów wody na każdy metr sześcienny. Po sprężeniu i ochłodzeniu ta woda musi zostać usunięta, aby nie dochodziło do jej kondensacji w instalacji.

Zimą, mimo niższej wilgotności powietrza atmosferycznego, punkt rosy w instalacji może być nadal krytyczny, zwłaszcza w obszarach o dużym wahaniu temperatur. W niskich temperaturach występuje dodatkowe ryzyko zamarzania kondensatu, co może blokować przewody i zawory.

Przemiany gazowe w kontekście Prawa Raoulta

Sprężanie powietrza podnosi temperaturę i ciśnienie. Po sprężeniu następuje jego chłodzenie (jeszcze w chłodnicy sprężarki) - w wymienniku ciepła. W tym momencie zachodzi kluczowa przemiana:

• spada temperatura,

• ciśnienie pozostaje wysokie,

• para wodna osiąga stan nasycenia szybciej (zgodnie z Prawem Raoulta).

Dlatego w systemach sprężonego powietrza nie można bazować wyłącznie na temperaturze otoczenia — konieczne jest uwzględnienie punktu rosy pod ciśnieniem roboczym.

Punkt rosy pod ciśnieniem - tzw. pdp – co to oznacza w praktyce?

W instalacjach pneumatycznych ważny jest ciśnieniowy punkt rosy, czyli temperatura, w której woda zaczyna się wykraplać przy ciśnieniu roboczym systemu.

To kluczowy parametr:

• powietrze osuszone do punktu rosy +3°C przy 7 barach odpowiada punktowi rosy około -20°C przy ciśnieniu atmosferycznym,

• im niższy punkt rosy, tym mniej wody pozostaje w gazie.

To dlatego producentów sprzętu (np. Festo, BEKO, Kaeser) interesuje punkt rosy ciśnieniowy, a nie tylko ten atmosferyczny. Daje to rzeczywistą informację o tym, czy w przewodach i urządzeniach nastąpi kondensacja i umożliwia porównanie stanu (stopnia osuszenia) sprężonego powietrza w instalacjach pneumatyki.

Ekonomiczne aspekty redukcji wilgotności

Koszty energii

Osuszanie sprężonego powietrza pochłania energię. W praktyce oznacza to:

• osuszacze chłodnicze pobierają mniej energii, ale osiągają punkt rosy tylko do ok. +3°C,

• osuszacze adsorpcyjne pozwalają zejść do pdp -70°C, lecz są znacznie bardziej energochłonne (ta technologia wprowadza zwykle straty sprężonego powietrza)

Szacuje się, że koszty osuszania mogą stanowić nawet 10-15% całkowitego kosztu wytwarzania sprężonego powietrza.

Optymalizacja pracy systemu

Firmy takie jak BEKO Technologies czy Kaeser oferują inteligentne systemy sterowania, które:

• dostosowują pracę osuszacza do chwilowego zapotrzebowania,

• unikają pracy osuszacza na 100% mocy, gdy nie jest to potrzebne,

• umożliwiają monitorowanie punktu rosy i alarmują o przekroczeniach.

To pozwala znacząco ograniczyć zużycie energii.

Przykłady branżowe – gdzie prawo Raoulta jest kluczowe?

Przemysł farmaceutyczny

W produkcji leków obowiązują rygorystyczne wymagania co do czystości powietrza. Nawet drobne ilości wilgoci mogą:

• prowadzić do rozwoju mikroorganizmów,

• wpływać na właściwości proszków i tabletek,

• uszkadzać instalacje procesowe.

Tu często wymagana jest co najmniej klasa 2 wg ISO 8573-1, co oznacza punkt rosy do -40°C. Stosuje się osuszacze adsorpcyjne (np. BEKO DRYPOINT AC).

Przemysł elektroniczny

W produkcji elektroniki:

• kondensacja pary wodnej może powodować korozję ścieżek w elementach elektronicznych,

• wilgoć może obniżyć parametry elektryczne komponentów.

W niektórych zakładach wymagany jest punkt rosy nawet do -70°C, co wymaga najwydajniejszych technologii.

Przemysł spożywczy

W produkcji żywności:

• woda kondensująca na urządzeniach stwarza ryzyko rozwoju pleśni i bakterii,

• normy higieniczne są niezwykle restrykcyjne.

Często wystarcza punkt rosy ok. +3°C (osuszacze chłodnicze), ale w niektórych aplikacjach, np. w pakowaniu w atmosferze ochronnej (lub gdy np. temperatura w hali produkcyjnej jest bliska 0*C ) stosuje się jeszcze niższe punkty rosy.

Autor:
Krzysztof Kornacki
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Krzysztof Kornacki
Product Manager
Pneumat.