Глава 9. Конденсат: образование, отвод, очистка

Конденсат — это «отход» компрессорной, на который никто не смотрит, пока он не начнёт вытекать на пол или приходить в продукт. Модельный пример: на молокозаводе таймерный конденсатоотводчик старого образца на ресивере 1500 литров срабатывал каждые 90 секунд по 3 секунды — независимо от наличия конденсата. Проходное сечение слива — 12 мм, при 7 бар изб. в открытом состоянии оно пропускает около 9 нм³/мин; при скважности 3 с / 90 с (3,3 %) это даёт среднюю утечку около 0,3 нм³/мин. За год потери воздуха через этот один клапан составили около 7 460 BYN (0,3 нм³/мин × 60 × 8760 ч × 0,11 кВт·ч/нм³ × 0,43 BYN/кВт·ч). После замены на электронный конденсатоотводчик с датчиком уровня (800–2 000 BYN в зависимости от типоразмера, см. §5.5) — потери ушли в ноль, а замена окупилась за полтора–три месяца: годовые потери 7 460 BYN — это около 143 BYN в неделю.

Конденсат — это две задачи, которые часто путают. Первая — отвести его из системы без потерь воздуха. Вторая — очистить перед сбросом до уровня экологических нормативов. Обе задачи решаются недорогим оборудованием, но требуют дисциплины обслуживания: датчик уровня надо периодически чистить, сепаратор — менять картриджи. Без обслуживания конденсатоотводчик через 2–3 года превращается в «постоянно открытое сопло», а сепаратор — в декорацию. Связка с §16.11 (сервисная карта) — прямая.

Конденсат — это вода (с примесью масла, если компрессор маслозаполненный), выпадающая из сжатого воздуха при охлаждении. По объёму он невелик — литры в час; по последствиям при неправильном обращении он съедает фильтры, осушители, пневмоарматуру, инструмент и финиш покраски. Глава отвечает на три вопроса: сколько конденсата образуется, чем его отводить и куда его девать после.

Расчётная база — глава 2 (точка росы, §2.2). Технологически глава связана с подготовкой воздуха (глава 5): осушители и конденсатоотводчики работают парой.

Сколько конденсата образуется

При сжатии воздуха его объём уменьшается; неизменным остаётся влагосодержание (г/кг сухого воздуха), а абсолютная влажность (г/м³) растёт по мере приближения к насыщению — относительная влажность растёт до 100 %. Избыточная вода выпадает в концевом холодильнике, ресивере и линии после. Масса воды считается из массового баланса: разность влагосодержания всасываемого воздуха и насыщенного воздуха при температуре и давлении после охлаждения, умноженная на массовый расход воздуха.

Производительность компрессора обычно задана в объёмных единицах (нм³/мин), поэтому сначала её переводят в массовый расход воздуха:

$$\dot{m}_{возд}\ [\text{кг/ч}] = Q\ [\text{нм}^3/\text{мин}] \times 60 \times \rho$$

где ρ ≈ 1,2 кг/м³ — плотность воздуха при нормальных условиях.

Масса выпадающего конденсата:

$$m_{воды}\ [\text{кг/ч}] = \dot{m}_{возд} \times \frac{d_1 - d_2(T,\ p_{абс})}{1000}$$

Где $d_1$ — влагосодержание всасываемого (атмосферного) воздуха, г/кг сухого воздуха; $d_2(T,\ p_{абс})$ — влагосодержание насыщенного воздуха при температуре $T$ после охлаждения и абсолютном давлении в системе $p_{абс}$, г/кг сухого воздуха; деление на 1000 переводит г/кг в кг/кг. Давление обязательно к учёту: при том же $T$ насыщающая способность воздуха по влаге при давлении $p_{абс}$ ниже, чем при атмосферном, — сжатый воздух «отжимает» воду сильнее, чем холодный атмосферный при той же температуре. Если по ошибке взять $d_{насыщ}$ для атмосферного давления вместо $p_{абс}$, разность $d_1 - d_2$ занижается и при определённых сочетаниях $T$ и $p$ уходит в математический минус — при том что физически конденсат образуется всегда, если $T$ ниже точки росы при рабочем давлении. На практике $d_2(T, p_{абс})$ берут из справочных таблиц или диаграммы I–d, построенных для конкретного давления (не атмосферных).

На практике. Типичная цифра для маслозаполненного винтового компрессора 5 нм³/мин при 7 бар и +25 °C / 70 % на входе, охлаждение до +35 °C — 3–4 кг воды в час, или 24–32 литра за восьмичасовую смену. К этому добавляется масло: при типичной концентрации 30–200 мг на литр конденсата (см. §9.4) это 90–800 мг в час, то есть от 0,7 до 6,4 грамма за смену. Даже нижняя граница диапазона вдвое превышает ориентировочный норматив сброса 15 мг/л, верхняя — больше чем на порядок; именно поэтому сепаратор «вода–масло» обязателен, а фактическую концентрацию на своей машине надо замерять, а не брать «типичную». Эти цифры — основа подбора конденсатоотводчиков и сепаратора масла.

Важно. Если воздух не осушается, конденсат продолжает выпадать в магистрали при охлаждении ниже точки росы под давлением. На улице зимой это лёд в трубе. Установка осушителя (глава 5) переносит точку росы под давлением ниже температуры самого холодного участка сети — конденсат образуется в концевом холодильнике и в самом осушителе; сеть за осушителем остаётся сухой.

Расчёт конденсата без диаграммы I–d

Формула массового баланса выше точна, но упирается в практическую проблему: величину $d_2(T,\ p_{абс})$ нужно взять из диаграммы I–d, построенной именно под рабочее давление системы. Диаграмм под 7, 8 или 10 бар в справочниках общего назначения нет, и на этом расчёт у большинства энергетиков останавливается.

Есть замкнутый способ, которому нужна одна таблица атмосферных значений и калькулятор. Вода считается в двух точках, конденсат — как разность.

Шаг 1. Вода, поступающая с всасываемым воздухом:

$$Q_{вх}\ [\text{л/ч}] = \frac{M(t_{окр}) \times \varphi \times q}{100\,000}$$

Шаг 2. Вода, остающаяся в сжатом воздухе после концевого охладителя:

$$Q_{ост}\ [\text{л/ч}] = \frac{M(t_{ох}) \times q}{(p_{изб} + 1) \times 1000}$$

Шаг 3. Выпавший конденсат:

$$Q_{конд} = Q_{вх} - Q_{ост}$$

Где $M(t)$ — влагосодержание насыщенного воздуха при температуре $t$, г/м³ (таблица ниже); $\varphi$ — относительная влажность всасываемого воздуха, %; $q$ — производительность компрессора, нм³/ч; $t_{окр}$ — температура воздуха на всасе, °C; $t_{ох}$ — температура воздуха после концевого охладителя, °C; $p_{изб}$ — избыточное рабочее давление, бар. Литр воды принимается равным килограмму.

Вся хитрость — во втором шаге. После концевого охладителя воздух насыщен ($\varphi$ = 100 %), а его объём уменьшен в $(p_{изб} + 1)$ раз. Поэтому деление на $(p_{изб} + 1)$ делает ровно то, ради чего иначе пришлось бы искать диаграмму I–d под конкретное давление.

Важно. Температура после концевого охладителя — не свободный параметр. В расчёте принимается $t_{ох} = t_{окр} + 10\ ^\circ$C: типовой недогрев воздушного концевого охладителя. Это допущение, а не константа — у воздушных охладителей недогрев 8–15 °C над температурой окружающего воздуха, у водяных 5–10 °C над температурой охлаждающей воды. Если в паспорте машины указана фактическая температура на выходе, брать её. То же допущение «+10 °C» лежит и в основе типовой цифры, приведённой выше в этом разделе (+25 °C на всасе → +35 °C после охладителя).

Влагосодержание насыщенного воздуха при атмосферном давлении

Таблица рассчитана по формуле Магнуса в редакции ВМО (Sonntag): давление насыщенного пара над водой $p_{нас} = 611{,}2 \cdot \exp!\left(\frac{17{,}62\,t}{243{,}12 + t}\right)$ Па, надо льдом $p_{нас} = 611{,}15 \cdot \exp!\left(\frac{22{,}452\,t}{272{,}55 + t}\right)$ Па; далее $M = \dfrac{p_{нас}}{R_п \cdot T} \cdot 1000$ при $R_п$ = 461,5 Дж/(кг·К) и $T = t + 273{,}15$ К. Формулы приведены, чтобы таблицу можно было продолжить за её границы под конкретную задачу — например, до +82 °C для горячего воздуха перед охладителем.

Важно. Ниже 0 °C — насыщение надо льдом, а не над переохлаждённой водой. Минусовая часть таблицы построена по льду. Разница не косметическая и растёт с глубиной минуса: при −10 °C насыщение над переохлаждённой водой выше на 10 %, при −20 °C — на 22 %, при −40 °C — на 48 % (0,177 против 0,119 г/м³).

Отсюда два практических следствия. Первое: сравнивая расчёт с паспортной точкой росы адсорбционного осушителя (−40 или −70 °C, см. §5.3), убедитесь, что обе величины взяты в одной системе отсчёта — иначе запас по осушке окажется мнимым. Второе касается измерения: у прибора с охлаждаемым зеркалом ниже нуля на зеркале образуется либо иней, либо переохлаждённая плёнка воды, и показания в этих двух случаях расходятся ровно на величины выше. Хороший прибор принудительно доводит зеркало до образования инея и сообщает, в какой системе выдан результат; у дешёвого это остаётся неконтролируемой неопределённостью — и тем большей, чем глубже точка росы, то есть как раз там, где точность нужнее всего (см. §12.5).

Важно. Расчётный пример. Тот же компрессор, что и в типовой цифре выше: $q$ = 5 нм³/мин = 300 нм³/ч, всас +25 °C при $\varphi$ = 70 %, рабочее давление 7 бар изб., после концевого охладителя +35 °C.

Вода на входе: $Q_{вх} = 23{,}03 \times 70 \times 300 / 100\,000 = 4{,}84$ л/ч.

Вода, ушедшая в сеть со сжатым воздухом: $Q_{ост} = 39{,}57 \times 300 / (8 \times 1000) = 1{,}48$ л/ч.

Конденсат: $Q_{конд} = 4{,}84 - 1{,}48 = 3{,}4$ л/ч — то есть 27 литров за восьмичасовую смену.

Результат совпадает с типовой цифрой 3–4 кг/ч, полученной выше по массовому балансу. Два независимых метода на одних исходных данных дают одно число — это и есть проверка, что расчёт выполнен верно, а не подогнан.

Факт. Точность метода. Формула шага 1 использует $M$ — величину, отнесённую к фактическому кубометру при температуре $t_{окр}$, тогда как $q$ задана в нормальных кубометрах. При +25 °C это расхождение около 2 % и практического значения не имеет: подбор конденсатоотводчика и сепаратора ведётся с запасом 50 % (см. §9.4), а точность самих исходных данных по влажности на площадке редко бывает лучше ±5 %.

Конденсатоотводчики

Задача отводчика — выводить конденсат из-под давления, не выпуская воздух. От качества решения зависит как энергопотребление (плохой отводчик «травит» воздух непрерывно), так и надёжность (плохой отводчик забивается и переливает).

Все конденсатоотводчики делятся по одному признаку на два класса. Zero-loss — реагируют на фактическое наличие конденсата (в терминологии OEH NSW (2017) и DOE Compressed Air Sourcebook — sensing drains) и не выпускают воздух вхолостую; внутри этого класса — три конструктивных варианта по способу обнаружения уровня и приводу клапана: поплавковый, электронный (ёмкостный) и пневматический. Таймерный — второй класс, один вариант: открывается по расписанию независимо от того, есть конденсат или нет.

Zero-loss: три конструктивных варианта

Таймерный (соленоидный с реле времени)

Клапан открывается через заданный интервал времени на заданную длительность. Простой, дешёвый. Проблема — он работает независимо от того, есть конденсат или нет: в моменты отсутствия конденсата выпускает в атмосферу сжатый воздух. Типовая потеря для таймера, настроенного «с запасом», — 0,2–0,4 нм³/мин на каждый отводчик (абсолютное значение на один отводчик; процентные оценки §5.5 — «1–3 %» на отводчик, «2–4 %» суммарно по станции — корректны при пересчёте на станцию с расходом от ≥20 нм³/мин, для меньших станций абсолютные и процентные цифры расходятся в разы, так как считаются от разных баз). На предприятии с 10 точками отвода это 2–4 нм³/мин постоянной утечки, или 49 700–99 400 BYN/год потерь электроэнергии. Применять допустимо только на удалённых точках, где электронный отводчик дороже сэкономленного воздуха за весь срок службы (см. главу 14).

Важно. Типовая ошибка: ставить таймерные отводчики «потому что так в проекте 1987 года», и не считать утечку. Один таймер с проходным сечением 8 мм и открытием 5 с каждые 60 с при давлении 7 бар сбрасывает порядка 0,3 нм³/мин. Это эквивалентно отверстию диаметром 1,5–2 мм в магистрали постоянно.

На практике. Как посчитать свой отводчик: средняя утечка = расход через полностью открытый слив × скважность, где скважность — время открытия, делённое на период. Расход через открытый слив при 7 бар изб.: Ø8 мм — около 3,8 нм³/мин, Ø10 мм — 5,9, Ø12 мм — 8,5. Отсюда одна и та же цифра 0,3 нм³/мин получается и при 5 с / 60 с на Ø8 мм, и при 3 с / 90 с на Ø12 мм (модельный пример в начале главы) — диаметр слива в этом расчёте значит не меньше расписания.

Идеальная схема установки zero-loss отводчика (OEH)

Просто поставить конденсатоотводчик «на трубу» — недостаточно. По методике OEH NSW (2017), правильная инсталляция включает четыре последовательных элемента:

┌→ [2 Strainer Y-типа] → [3 Sensing drain] →┐
Магистраль → [1 Full-bore ball valve] ┤                                          ├→ Слив конденсата
                                      └───────────→ [4 Manual drain bypass] ──────┘

— 1. Full-bore ball valve (запорный кран полнопроходный) — позволяет отсечь отводчик для обслуживания без остановки магистрали. Не лепестковый и не угловой — только полнопроходный, иначе создаётся локальный накопитель конденсата перед сужением. — 2. Strainer Y-типа (сетчатый фильтр) — задерживает окалину и крупные частицы до того, как они попадут на седло клапана отводчика. Обязателен для всех вариантов zero-loss отводчика — без strainer срок службы клапана сокращается с 5–7 лет до 6–12 месяцев. Strainer чистится при плановом ТО. — 3. Sensing drain — собственно конденсатоотводчик, любой из трёх вариантов zero-loss (§9.2.1). — 4. Manual drain bypass (ручной дренаж в обход) — резервный кран на параллельной ветке, отходящей тройником до strainer и идущей в обход всего узла (strainer + sensing drain), а не последовательно после отводчика — иначе при отводчике, застрявшем в закрытом положении, байпас тоже окажется перекрыт. Через него можно вручную сбросить конденсат для диагностики работы отводчика (открыть ручной → отвести → закрыть; если из автомата ничего не выходит при наличии конденсата — отводчик неисправен).

Эта схема — стандарт инсталляции на серьёзных проектах. Стоимость дополнительных элементов (strainer + ручной байпас) — 100–250 BYN на одну точку, что окупается первой же ситуацией, когда отводчик «застрял в открытом» и потерял 0,3 нм³/мин или «застрял в закрытом» и затопил линию подготовки.

Где ставить отводчики

После концевого холодильника (где образуется до 80 % всего конденсата).

На нижней точке ресивера — конденсат, выпадающий при стоянке.

После каждого фильтра — коалесцентный, угольный.

После осушителя — небольшие остатки.

В нижних точках магистрали (там, где образуются «карманы воды» при остывании).

Перед точками отбора с высокими требованиями к качеству — покраска, пневмоэлектроника.

На практике. Ставьте отводчики на отдельные дренажные линии диаметром не менее 1/2" с уклоном к отводчику не менее 1 % — длинные горизонтальные дренажные участки забиваются и работают как ловушка.

Очистка конденсата перед сбросом

Конденсат маслозаполненного винтового компрессора — это эмульсия воды и масла с типичной концентрацией 30–200 мг масла на литр воды — сотни, а не единицы миллиграммов (выше при работе на пределе ресурса сепаратора; конкретное значение зависит от климата площадки, сорта масла и конструкции машины, см. Прил. Д.6). Сброс таких стоков в канализацию регулируется постановлением Совета Министров РБ от 30.09.2016 № 788 «Об утверждении Правил пользования централизованными системами водоснабжения, водоотведения (канализации) в населённых пунктах» и условиями приёма сточных вод конкретного водоканала. Сбрасывать такой конденсат в канализацию без очистки нельзя — это загрязнение вод, административная ответственность по ст. 16.34 КоАП РБ (ред. 2021 г.); окончательную квалификацию по конкретному эпизоду согласовывать с юристом.

Стандартное решение — сепаратор «вода–масло» с активированным углём. Принцип: гравитационная коалесценция (вода тяжелее, масло всплывает) + угольный фильтр на выходе воды. Сепарат-вода имеет остаточное содержание 5–10 мг/л — пригодна для сброса в производственную канализацию. Уловленное масло собирается в сменный картридж и утилизуется как нефтесодержащий отход (код по классификатору отходов РБ — постановление Минприроды № 3-Т от 2019 г. — уточнить у территориального органа Минприроды).

Факт. Норматив: единого общегосударственного значения ПДК нефтепродуктов при сбросе в канализацию не существует, и это прямо следует из самих Правил № 788 — пункт 70 относит перечень загрязняющих веществ и их предельно допустимые концентрации к «условиям приёма», которые устанавливают местные исполнительные и распорядительные органы по согласованию с территориальными органами Минприроды. Таблицы предельных концентраций в постановлении нет. Типовое значение ориентировочно 15 мг/л, но фактическое нужно запрашивать у своего водоканала до проектирования очистки (см. также §5.6). Фактическая работа исправного сепаратора (5–10 мг/л, см. выше) укладывается в этот ориентир с запасом. Локальные условия приёма обычно жёстче — соблюдать их.

Производительность сепаратора подбирается по расходу конденсата с запасом 50 % на пиковую нагрузку. Для компрессора 5 нм³/мин с типовой производительностью 3–4 кг/ч конденсата расчётный диапазон — 4,5–6,0 л/ч; на практике берут ближайший серийный типоразмер (например, Beko ÖWAMAT 4, Donaldson WMOS-1.5 или аналог) — обычно с округлением вверх.

На практике. Обращение с масляными отходами компрессорной — три позиции, и все три нельзя сливать в канализацию или грунт: (1) отработанное компрессорное масло после ТО (типовой объём 10–60 л на замену); (2) картриджи сепаратора «вода–масло» с уловленным маслом; (3) масляные фильтры и сепараторы компрессора. Все три передаются специализированной организации, имеющей лицензию Минприроды на использование отходов 1–3 классов опасности, обезвреживание либо захоронение отходов (Закон Республики Беларусь от 14.10.2022 № 213-З «О лицензировании»), по договору и акту передачи. Прежнее основание — Указ Президента от 01.09.2010 № 450 — утратило силу Указом от 22.06.2023 № 178; если в вашем договоре с подрядчиком лицензия описана ссылкой на № 450, договор устарел и его формулировку нужно обновить. На предприятии ведётся учёт отходов производства (книга учёта по форме, установленной Минприроды); при проверке экологической инспекции запрошены будут именно договор, акты передачи и записи учёта. Слив отработанного масла «в бочку за цехом» — нарушение законодательства об обращении с отходами (ст. 16.44 КоАП РБ, ред. с 01.03.2021), штраф на должностное лицо и предписание с пересчётом ущерба.

Принципы этой главы

Принцип 22. Конденсат — не побочный эффект, а расчётная величина.

Принцип 23. Таймерный конденсатоотводчик открывается вслепую, и платите за это вы.

Принцип 24. Температура после концевого охладителя — не свободный параметр.

Резюме главы

— Количество конденсата предсказуемо считается, конденсатоотводчики делятся на два класса с разной экономикой — zero-loss (поплавковый, электронный, пневматический — реагируют на фактическое наличие конденсата) и таймерный (открывается по расписанию вслепую), — а сброс регулируется экологическим законодательством. — Электронные отводчики — на ответственных точках, поплавковые — на чистых участках, пневматические — на крупных ресиверах и осушителях, таймерные — избегать или применять только осознанно с пониманием потерь. — Сепаратор «вода–масло» обязателен для маслозаполненных машин.

Эта глава соединяет физику (глава 2, точка росы), оборудование (глава 5, осушители и фильтры) и экологию (Приложение Ж, ответственность). Следующая глава — 10 «Машинное помещение» — собирает всё это вместе на уровне компоновки, вентиляции и шума.