Dauwpuntmonitoring voorkomt productie­stil­stand en product afkeur

Vocht is de sluipmoordenaar in iedere persluchtinstallatie Dauwpuntmonitoring voorkomt productie­stil­stand en product afkeur

Vocht komt in verschillende gedaanten voor in iedere persluchtinstallatie. Als damp, condens, vloeistof en zelfs als ijs. Een te hoog vochtgehalte kan ernstige schade toebrengen aan zowel de persluchtinstallatie zelf, als de machines, componenten, systemen en processen die met perslucht worden aangestuurd. Ook kan dit resulteren in productiestilstand en product afkeur. Naast een goed ontworpen en onderhouden persluchtsysteem is het meten/monitoren van het drukdauwpunt dan ook cruciaal om kosten te besparen en problemen te voorkomen.

Frank Senteur

Wat de gevaren zijn van vocht en hoe vochtbeheersing en dauwpuntmonitoring in de praktijk gerealiseerd kunnen worden, staat centraal in een tweeluik, waarvan het eerste deel in de vorige uitgave van Process Control is gepubliceerd. Beide artikelen kwamen tot stand in samenwerking met Compressed Air Challenge Instructeur Frank Moskowitz en Pascal van Putten, CEO van VPInstruments uit Delft.

In het vorige artikel werd duidelijk welke schade vocht in persluchtsystemen kan veroorzaken zoals roestvorming en putcorrosie binnenin leidingen. Maar ook kan vocht smeermiddel verdrijven, wat resulteert in verhoogde slijtage van kleppen, cilinders en persluchtgereedschap. Daarnaast is vocht funest voor de kwaliteit van kritische processen zoals verfspuiten, halfgeleider productie, of bij het met lucht transporteren van droge diervoeders. Komt daar vocht bij dan gaat dit laatste klonteren. Vocht is bovendien een dankbare voedingsbodem voor schimmels en bacteriën, wat met name in de food en farma industrieën kan leiden tot product afkeur. Dauwpuntmetingen zijn in industriële omgevingen de enige manier om het vochtgehalte in perslucht te meten en corrosieschade en product-afkeur te voorkomen.

Principe van dauwpuntmeting
De dauwpunttemperatuur is de temperatuur waarbij de lucht volledig verzadigd is (= 100% relatieve luchtvochtigheid). Zakt de temperatuur verder dan zal zich nevel, mist of condenswater gaan vormen. De drie meest voorkomende technieken voor het meten van het dauwpunt zijn spiegeldauwpuntmeters, capacitieve metaaloxide- en polymeer sensoren. Bij het eerste meetprincipe wordt een compacte spiegel door een Peltier element gekoeld. Is het dauwpunt van het gas bereikt dan zal de spiegel beslaan, wat door een lichtsensor wordt gedetecteerd. De op dat moment actuele spiegeltemperatuur is het dauwpunt van de lucht/het gas. Spiegeldauwpuntmeters zijn erg nauwkeurig maar ook zeer gevoelig voor stof, vuil en olie. Ze zijn duur (ook in onderhoud), niet ‘lange termijn stabiel’ en daarom minder interessant voor toepassing in industriële omgevingen. Hiervoor zijn de capacitieve metaaloxide- en polymeersensoren aanzienlijk beter geschikt. Met name de capacitieve polymeersensor is het beste gewapend tegen stof en vuil, ongevoelig voor condensatie, heeft een goede lange termijn stabiliteit en is aanmerkelijk goedkoper dan spiegeldauwpuntmeters.

Sensor constructie
De capacitieve polymeersensor is opgebouwd uit twee elektroden met daartussen een vochtgevoelige polymeerlaag. De bovenste elektrode is vochtdoorlatend waardoor er, afhankelijk van de hoeveelheid vocht in de lucht, een capacitieve verandering plaatsvindt tussen de elektroden. Deze zijn verbonden met de geïntegreerde elektronica die de capaciteitsverandering vertaalt naar de dauwpunttemperatuur, weergegeven in graden Celcius of Fahrenheit. Sommige dauwpuntsensoren, zoals de VP Dew Point Sensor, beschikken als unicum over een intern verwarmingssysteem, waardoor ze zeer snel kunnen herstellen nadat ze zijn blootgesteld aan heel veel vocht. Dat kan als bijvoorbeeld een droger niet goed werkt, waterafscheiders niet goed hun werk doen en/of drains defect zijn. Bij elektronische drains zal men er dus alert op moeten zijn of deze nog goed werken. De interne sensor kan bijvoorbeeld stuk zijn, of de vlotter blijft hangen, waardoor er steeds meer water onderin de buffertank zal komen te staan. Een elektronische drain heeft overigens vrijwel altijd een testknop waarmee de werking periodiek kan worden gecontroleerd. Bij een langdurig defecte drain zal er op een gegeven moment condens door de leidingen gaan stromen, waardoor de dauwpuntsensor opeens een ‘erg hoge waarde’ zal aangeven. Soms denkt men dan dat de sensor defect is, maar het zijn dan toch echt mechanische of elektronische problemen die de boosdoener zijn.

“De grote vraag is uiteraard hoeveel dauwpuntsensoren er in een persluchtsysteem geïnstalleerd moeten worden en waar deze geplaatst moeten worden om betrouwbare metingen te realiseren”

Sensoren plaatsen
De grote vraag is uiteraard hoeveel dauwpuntsensoren er in een persluchtsysteem geïnstalleerd moeten worden en waar deze geplaatst moeten worden om betrouwbare metingen te realiseren. De meest eenvoudige (start)oplossing is een dauwpuntsensor te plaatsen vlak achter de droger en nog vóór het buffervat. Op die manier wordt namelijk ook de droger bewaakt op juiste werking. Het is ook mogelijk om de sensor na het buffervat te plaatsen, maar houd dan rekening met een vertraging in het meetsignaal. Staan er twee drogers parallel, dan is het advies om achter elke droger een dauwpuntsensor te zetten. Past men namelijk slechts één sensor toe in de centrale leiding naar het buffervat, dan zal men bij een afwijkende meting niet direct kunnen achterhalen welke droger problemen veroorzaakt. Ook is het verstandig om bij kritische processen in de toevoer­leiding van dat proces een extra dauwpunt­sensor te plaatsen, zodat tijdig kan worden ingegrepen als er iets mis is met het dauwpunt. Dit voorkomt/beperkt productie uitval.

Sample block
Dauwpuntsensoren werken het beste als ze een constante luchtstroom meten. Het hangt er dus niet alleen vanaf waar ze geplaatst worden, maar ook hoe. Door ze rechtstreeks in een luchtleiding te monteren worden de sensoren bijvoorbeeld direct blootgesteld aan vervuiling en kan de meting nadelig worden beïnvloed door fluctuaties in de flow. Daarnaast worden ze vaak in een kogelkraan geïnstalleerd wat als nadeel heeft dat er pockets kunnen ontstaan in de kogelkraan waarin de lucht als het ware stil staat. Beter is het om een sample block toe te passen. Door middel van een klein naaldventiel wordt hierbij een continue kleine luchtstroom over het sensor element geleid waardoor men gegarandeerd een goede meting krijgt.

Metingen combineren
Om bepaalde oorzaken sneller en beter te kunnen achterhalen, wordt geadviseerd om dauwpunt­metingen te combineren met druk-, flow- en temperatuurmetingen. Na de droger en buffertank kan bijvoorbeeld een flowmeter worden geïnstalleerd. Kies daarbij dan wel een uitvoering die specifiek is ontworpen om zowel (zeer) droge als natte lucht te meten. Er zijn ook zogeheten ‘drie in één flowmeters’, zoals de VPFlowScope. Deze meet behalve flow tegelijkertijd ook de temperatuur en druk. Als deze metingen worden gecombineerd met zowel dauwpunt- als vermogensmetingen krijgt men optimale informatie over de juiste werking van de persluchtinstallatie. Wordt bijvoorbeeld de inlaattemperatuur van de koeldroger te hoog, of is de flow te hoog, dan zal de droger moeite hebben om de lucht voldoende af te koelen, wat een direct effect heeft op de waarde van het dauwpunt. Door druksensoren toe te voegen in het persluchtsysteem, kan drukverlies over de droger- en filterinstallatie worden gemonitord, waardoor het moment waarop filters vervangen moeten worden exact voorspeld kan worden. Ook kan flow- en/of drukafname betekenen dat de droger inwendig is vervuild. Door tegelijkertijd het vermogen te meten kan ook de efficiëntie van de droger worden berekend en worden vergeleken met die van andere drogers. Dat kan dan weer worden gebruikt om bijvoorbeeld het onderhoud te optimaliseren en ook om achteraf te zien of bij de aanschaf van de droger(s) de juiste keuzes zijn gemaakt.

Centraal of lokaal dauwpunt
Omdat het drogen van perslucht veel energie vergt en daarom een dure aangelegenheid is, is het zinvol om dit fenomeen uiterst kritisch te benaderen. In veel bedrijven wordt het drukdauwpunt van de perslucht afgestemd op het meest kritische proces in de fabriek. Vaak wordt daarbij gekozen voor een of meerdere koeldrogers en/of adsorptiedrogers die in de compressorruimte direct achter de compressor(en) staan opgesteld. Alle in de fabriek op perslucht werkende apparaten en systemen werken dan met dezelfde droge lucht, maar de vraag is of dat wel in de hele fabriek nodig is of slechts bij specifieke processen/afdelingen. In het laatste geval zou men dan immers ook voor lokale drogers kunnen kiezen, die bovendien kleiner kunnen zijn omdat ze niet de totale persluchthoeveelheid hoeven te drogen. Dat dit ook veel energie bespaart zal duidelijk zijn. Een ander punt om te overwegen is of men wel het hele jaar door hetzelfde lage dauwpunt nodig heeft en hoe fluctuaties in het dauwpunt door seizoensinvloeden kunnen worden voorkomen. Bijvoorbeeld door leidingen beter te isoleren en/of langs stoom- of verwarmingsbuizen te laten lopen, wat condensvorming in koelere perioden voorkomt.

“Een ander punt om te overwegen is of men wel het hele jaar door hetzelfde lage dauwpunt nodig heeft”

Droger selectie
In het kader van energiegebruik is het ook van cruciaal belang om kritisch te kijken naar het werkelijk benodigde drukdauwpunt en/of de noodzaak om alle lucht centraal te gaan koelen. Een goede leidraad is de norm ISO 8573-1:2010 waarin de dauwpuntwaarden zijn onderverdeeld in zeven klassen: Class 0 t/m Class 6. Class 0 is de allerhoogste categorie die uitsluitend van toepassing is in zeldzame gevallen, bijvoorbeeld als perslucht nodig is in cleanrooms van de hoogste categorie. Bij Class 1 is sprake van een drukdauwpunt van -70 °C, bij Class 6 van +10 °C. Goed analyseren wat er werkelijk nodig is kan veel geld besparen bij zowel de investering in drogerinstallatie als bij de exploitatie daarna. Koeldrogers zijn in veel toepassingen de meest rendabele oplossing om perslucht te drogen. De werking is vergelijkbaar met die van een normale koelkast. Door afkoeling van de persluchttemperatuur condenseert de in de perslucht aanwezige waterdamp tot water, dat vervolgens wordt afgevoerd. Hiermee wordt een drukdauwpunt bereikt van 3 à 4 °C. Zijn lagere waarden nodig, dan komt het adsorptieprincipe in beeld. Adsorptiedrogers zijn doorgaans opgebouwd uit twee met droogmiddel gevulde kolommen die alternerend voor de droging zorgen, dan wel geregenereerd worden. Terwijl perslucht door het ene reservoir stroomt en gedroogd wordt, wordt in een tweede reservoir het droogmiddel geregenereerd. Dit kan koud gebeuren (koudregenererende adsorptiedroger) of warm (warmregenererende adsorptiedroger). Met adsorptiedrogers kunnen zelfs bij grote luchtvolumes zeer lage drukdauwpunten worden bereikt tot -70 °C. Ruwweg kan men ervan uitgaan dat een koeldroger ongeveer 0,3 kW/m3/min aan energie gebruikt terwijl een adsorptiedroger ongeveer vijf keer zoveel energie nodig heeft (circa 1,5 kW/m3/min).

Energievriendelijker drogen
Dankzij innovaties zijn er tegenwoordig nieuwe generaties koel- en adsorptiedrogers op de markt die aanzienlijk energie-efficiënter zijn dan de ‘conventionele’ drogers. Zo zijn er koeldrogers die drukdauwpunten tot -40 °C mogelijk maken en zijn er hybride- of tandem­drogers waarbij een koeldroger de lucht afkoelt tot een drukdauwpunt van 4 °C, waarna in de ‘tweede trap’ met het adsorptie principe drukdauwpunten tot -70 °C gerealiseerd kunnen worden. Ook is het in het kader van Total Cost of Ownership (TCO) verstandig om kritisch te kijken naar het toegepaste droogmiddel. Door over te stappen op een ander merk/type droogmiddel dat bijvoorbeeld minder regeneratie-energie nodig heeft en/of minder vaak gewisseld hoeft te worden, kunnen kosten worden bespaard. Voorts is het bij de zogeheten Pressure Swing Adsorptiedrogers (PSA), waarbij het droogmiddel koud wordt geregenereerd, belangrijk om te kijken naar het werkelijke energiegebruik van de regeneratiecyclus. Bij dit soort drogers wordt het regeneratieproces uitgevoerd met behulp van perslucht, wat circa 15-20% van de nominale capaciteit van de droger vereist bij een werkdruk van 7 bar(e). Maar dat hoeft in de praktijk niet altijd zo uit te pakken. Bijvoorbeeld omdat het regeneratie debiet te hoog is ingesteld, wat te wijten kan zijn aan verkeerd uitgevoerd onderhoud of al door een verkeerde initiële instelling bij de inbedrijfname. Daarom is het raadzaam om altijd te controleren of de invoerstroom op de juiste waarde is ingesteld. Dat kan door deze te bewaken met een flowmeter die geschikt is voor het meten van ‘natte lucht’, zoals de VPFlowScope DP en tegelijkertijd ook de uitvoerstroom te meten zodat kan worden vastgesteld wat er aan regeneratiestroom uit de droger komt. Ook interessant is om bij de aanschaf van een adsorptiedroger te kiezen voor een uitvoering met geïntegreerde dauwpuntregeling. Hierdoor wordt het regeneratieproces gestuurd op basis van het werkelijke dauwpunt in plaats van op tijd, wat eveneens een gunstig effect heeft op het energiegebruik en de TCO. Tot slot zijn er ook nog membraandrogers. De droging geschiedt hierbij via hoogselectieve membranen waarmee drukdauwpunten gerealiseerd kunnen worden van -40 °C tot +15 °C. Membraandrogers zijn vooral geschikt voor laboratoria of compacte mobiele oplossingen waarbij sprake is van relatief geringe volumestromen. Weliswaar is voor de droging geen losse energiebron nodig, maar dit soort drogers kosten wel extra perslucht. Goed op de kosten letten bij de drogerkeuze is dus het devies.

Droge buffertank
Geadviseerd wordt om vlak achter de droger, een aparte ‘droge lucht buffertank’ te installeren. Deze beschermt de droger tegen overbelasting en maakt het ook mogelijk om de droger te dimensioneren op basis van de gemiddelde flow in plaats van op een (kortstondige) piekvraag. Hierdoor kan in de regel een kleinere droger gekozen worden. Daarnaast helpt de extra tank bij het realiseren van een stabielere systeemdruk en kan deze zelfs een gunstig effect hebben op de compressordimensionering en -aansturing.

“Dankzij innovaties zijn er tegenwoordig nieuwe generaties koel- en adsorptie­drogers op de markt die aanzienlijk energie-efficiënter zijn dan de ‘conventionele’ drogers”

Permanente monitoring
De basis voor een gezonde en optimaal rendabele persluchtinstallatie is permanente monitoring, waarbij dauwpuntmetingen worden gecombineerd met flow-, druk- temperatuur- en vermogensmetingen. Door alles overzichtelijk weer te geven in een specifiek hiervoor ontwikkeld monitoringsysteem zoals VPVision, kan 365 dagen per jaar 24/7 het systeemgedrag gevolgd en geanalyseerd worden. Fluctuaties in de vraag, in dauwpunt, een te hoge compressor­temperatuur, alles wordt tijdig in beeld gebracht en er wordt tijdig gealarmeerd als zaken uit de pas gaan lopen. Ook levert dit uiterst waardevolle informatie op voor onderhoudsoptimalisatie, om de juiste investeringsbeslissingen te nemen voor toekomstige uitbreiding en voor optimalisatie van het totale persluchtsysteem. Permanente monitoring verlengt de levensduur van apparatuur, verlaagt de onderhouds- en energiekosten en voorkomt productverlies en productiestilstand.

www.vpinstruments.com