Об осушителях и фильтрах

К сожалению, результат покраски автомобиля часто непропорционален затраченным силам и средствам. Куплен дорогой антикоррозионный грунт, приличная краска, неплохо подготовлена поверхность, но после первой же зимы свежеокрашенный автомобиль покрывается мелкими красноватыми точками, быстро перерастающими в крупные очаги ржавчины. Или такая картина из практики. На дорогую иномарку укладывают третий, последний, слой краски. Качество идеальное. Вдруг краскопульт издает звук, похожий на плевок, и на самом видном месте вспухают уродливые пузыри. Работа загублена. А иногда вся окрашенная поверхность оказывается покрытой мельчайшими точками, появление которых неопытный маляр объясняет засоренностью покрасочного помещения.

Окружающий нас воздух всегда содержит некоторое количество влаги, обычно в виде истинного пара - бесцветного газа, который легко проходит через любые механические фильтры. Концентрация этого пара, измеряемая в граммах на кубический метр, определяется произведением относительной влажности (в процентах) на плотность насыщенных паров. Величину относительной влажности можно узнать в ежедневных сводках погоды. Комфортной для человека считают влажность на уровне 65%, а меньше 30% бывает только в пустыне.
Плотность насыщенного пара - параметр, который зависит только от температуры. В первом приближении можно считать, что его значение увеличивается в два раза при повышении температуры на каждые 10 градусов С. При 0 градусов оно равно 5 г/м3, при +10 - 10 г/м3, при +20 - 20 г/м3, при +30 - 40 г/м3 и т.д.
Легко посчитать, что при температуре 25оС и влажности 70% в одном кубическом метре воздуха содержится приблизительно 30 г воды. Интересно отметить, что в промозглом осеннем воздухе (относительная влажность - 100%, температура - 0оС) содержится в 10 раз меньше влаги, чем в жарком и сухом воздухе пустыни (относительная влажность - 30%, температура - +45оС).
Рассмотрим конкретный пример. Для работы используется компрессор производительностью 400 л/мин, создающий давление 10 бар в ресивере объемом 100 л. Используется также редуктор, понижающий давление с 10 до 3 бар, керамический фильтр-влагоотделитель, воздушные шланги длиной 10 м и внутренним диаметром 8 мм, а также пульверизатор с расходом воздуха 300 л/мин. Компрессор установлен в помещении с температурой 25 градусов С и относительной влажностью 75%. В рабочем цилиндре компрессора воздух уменьшает свой объем приблизительно в 10 раз и одновременно нагревается за счет приложенной механической работы примерно до 300 градусов С. Концентрация воды в сжатом воздухе также повышается в 10 раз и ориентировочно достигает 300 г/куб.м. Однако конденсации воды при этом не происходит, так как порог насыщения возрастает в еще большей степени вследствие повышения температуры. Более того, при такой высокой температуре происходит частичное испарение масла со стенок компрессора, поэтому сжатый воздух насыщается еще и парами масла. Горячий сжатый воздух попадает в ресивер, где охлаждается при контакте со стенками. В начале работы ресивер имеет температуру окружающего воздуха; при охлаждении воздуха в нем давление насыщающих паров понижается и происходит конденсация влаги в виде тумана и капель воды и масла, осаждающихся на стенках.
К сожалению, за время нахождения воздуха в ресивере (в нашем примере приблизительно 25 секунд) в виде конденсата выпадает незначительная часть влаги, а остальная в виде взвеси мельчайших капель воды или водяного и масляного тумана проходит дальше в редуктор, где давление снижается путем дросселирования, то есть без совершения внешней работы. Проходя через керамический влагоотделитель, воздух теряет капли жидкости, превышающие поры фильтра. Часто применяемые недорогие керамические фильтры с большим диаметром пор не способны задерживать водяной туман. В шланге скорость воздуха достигает приблизительно 20 м/с. Там при активном контакте со стенками сжатый воздух охлаждается до комнатной температуры, сохраняя в себе водяной пар и крупные капли, сдуваемые потоком со стенок шланга. В пульверизаторе воздух совершает механическую работу, раздробляя и ускоряя капли краски, вследствие чего его температура резко понижается. Степень этого понижения зависит от многих факторов: расхода воздуха, конструкции пульверизатора, применяемого растворителя и т.д. Перепад может достигать 20 градусов, при этом граница насыщения понижается почти в четыре раза. Соответственно 75% еще оставшегося в воздухе истинного пара превращается в туман и далее в мелкие капли.
Подытожив наши расчеты, получаем, что если бы описанные условия сохранялись в течение всей работы, то вместе с краской на поверхность автомобиля попало бы приблизительно 150 г воды. Однако реальная картина гораздо хуже. В процессе работы ресивер неизбежно разогревается, при этом происходит частичное испарение конденсата, образовавшегося в начале работы. Концентрация влаги резко возрастает до 300-400г на кубический метр несжатого воздуха. Кроме того, крупные капли воды, сконденсировавшиеся в шланге, отрываются от стенок и увлекаются потоком воздуха. В итоге количество воды в факеле распыла может почти сравняться с количеством краски, образуя те грубые дефекты, с которых мы начали разговор. Причем, по понятным теперь причинам, их возникновение наиболее вероятно именно на последних слоях краски.
Существует несколько путей борьбы с повышенной влажностью воздуха. Наиболее простым и часто применяемым в промышленных и лабораторных условиях является метод химико-абсорбционного осушения с использованием колонн, заполненных активированным углем, силикогелем и другими поглотителями. После прохождения этих колонн концентрация влаги в воздухе не превышает нескольких десятков миллиграммов на кубический метр.
Обычно установки содержат два активных элемента. Непосредственно в работе принимает участие только один из них, другой в это время осушается методом пропускания через него части осушенного, к тому же дополнительно нагретого воздуха. Установки имеют большую производительность и небольшой вес. Так, например, одна из установок фирмы Fini при производительности 1500 литров в минуту имеет вес 85 кг. Существенным недостатком химико-абсорбционных установок является то, что даже следы масла в осушаемом воздухе быстро и необратимо выводят из строя фильтрующий элемент, стоимость которого составляет существенную часть стоимости всей установки. Видимо, этим и объясняется, что их сравнительно редко используют при покраске.
В автомобильных мастерских чаще всего применяют комбинированный метод осушения, сочетающий различные сепараторы, механические фильтры и рефрижераторные осушители. Далее мы опишем наиболее полную схему подготовки воздуха, позволяющую добиться прекрасных результатов при любых условиях окружающей среды.
Непосредственно после компрессора устанавливают охладитель воздуха. Он представляет собой радиатор, который рассчитан на максимальное давление, создаваемое компрессором. Обдув обеспечивает мощный электрический вентилятор. Сжатый воздух здесь принудительно охлаждается до комнатной температуры, в связи с чем приблизительно 60% влаги конденсируется в виде тумана и сравнительно крупных капель. Прибор этот особенно полезен в тех случаях, когда сам компрессор имеет небольшой ресивер или же длительное время работает с максимальной производительностью (и то, и другое мешает естественному охлаждению воздуха после сжатия).
После охладителя ставят вихревой сепаратор масляно-водяного конденсата. В нем поток воздуха закручивается при помощи косых прорезей. Вследствие этого достаточно крупные капли воды и масла отбрасываются к стенкам и по мере накопления стекают вниз. Несмотря на свою простоту, сепаратор очень эффективен, к тому же не нуждается ни в каком обслуживании. Срок работы его неограничен, поскольку в нем отсутствуют сменяемые или движущиеся части. Конденсат из донной части сепаратора удаляется автоматически при снижении давления в магистрали до величины менее 0,5 бара.
Охлажденный и отсепарированный воздух накапливается в ресивере, где продолжается процесс конденсации тумана на стенках. Чем больше объем ресивера, тем больше время контакта сжатого воздуха со стенками и, следовательно, эффективнее осаждение влаги из тумана. Как правило, ресиверы снабжают устройствами для автоматического или ручного удаления конденсата.
Далее воздух проходит более или менее сложную систему механической фильтрации. Оговоримся сразу: никакой самый тонкий механический фильтр не может понизить относительную влажность воздуха до величины меньше 100%, но если такой воздух расширяется изотермически (без понижения температуры), то его влажность будет падать во столько раз, во сколько раз понижается давление. Иными словами, тщательно отфильтрованный воздух, сжатый первоначально до давления 10 бар, непосредственно перед пульверизатором (давление 3 бара) будет иметь влажность только 30%, что обычно уже достаточно для приемлемого качества покраски.
Обычно применяют многоступенчатую систему фильтрации. Вначале ставятся наиболее грубые предфильтры с ячейками 3-10 мкм. Их фильтрующий элемент сделан из керамики или изготовлен методом порошковой металлургии. Главное назначение предфильтров - понизить концентрацию масляного тумана и избавиться от крупных капель воды. Фильтрующий элемент имеет неограниченный срок службы, так как в случае засорения его можно промыть в жидкости, растворяющей масло. Вслед за предфильтром ставится собственно фильтр с диаметром ячеек 1 мкм. Его фильтрующий элемент может быть как керамическим, так и сделанным из полимерного материала. Следующий далее фильтр тонкой очистки выполняется только из полимерных материалов и позволяет улавливать частицы до 0,01 мкм. Его фильтрующий элемент не подлежит очистке и ресурс целиком определяется эффективностью предшествующих фильтров.
Хорошие фильтры обязательно снабжаются манометром или датчиком, регистрирующим разность давления на входе и выходе. По ее величине можно судить о степени загрязненности фильтра. Предусматривается также система удаления конденсата. Обычно на фильтре указана его производительность, а первая буква маркировки показывает назначение: Q - предфильтр, P - собственно фильтр, H - фильтр тонкой очистки, C - фильтр с активированным углем.
В идеальном случае должны присутствовать все четыре ступени фильтрации. Однако для покрасочного воздуха фильтры типа «С» не слишком необходимы. В крайнем случае можно отказаться и от фильтра тонкой очистки. Но в любом случае последним в системе должен стоять фильтр, который как минимум не пропускает обычный сигаретный дым. Дело в том, что частицы сигаретного дыма и водяного тумана имеют приблизительно равный размер. Следовательно, фильтр, легко пропускающий сигаретный дым, будет так же легко пропускать и влагу.
Как уже говорилось, никакие механические фильтры не могут задержать истинный пар. Для понижения влажности до величин много меньших, чем 100%, используют рефрижераторные осушители воздуха. Такое устройство содержит собственно рефрижератор, два теплообменника, влагоотделитель и систему удаления конденсата. Влажный воздух охлаждается в основном теплообменнике путем контакта с испарителем рефрижератора. При этом влага выпадает в виде крупных капель росы и легко улавливается влагоотделителем. Во втором теплообменнике уже осушенный холодный воздух нагревается, охлаждая при этом входящий влажный воздух.
Например, осушитель модели Artic ANC 10 при производительности 1000 л/мин имеет вес 38 кг и электрическую мощность всего 400 Вт. Воспользовавшись приведенными в начале статьи выкладками, нетрудно посчитать, что содержание воды в
1 м3 будет не более 0,5 г. В идеальной сети рефрижератор стоит после предфильтра, а после него все равно размещают фильтры "Р", "Н" и "С". Дело в том, что в одном кубическом метре воздуха содержится более 100 миллионов твердых частиц диаметром меньше 3 мкм. В рефрижераторе, где скорость потока воздуха невелика, их присутствие даже полезно (твердые частицы служат центрами конденсации влаги и способствуют возникновению крупных капель воды). Но эти же частицы, будучи разогнанными до скорости 100 м/с, действуют на сопло пульверизатора как абразив, что резко сокращает срок его службы.
В Европе линии подготовки воздуха включают в себя еще один обязательный элемент - сепаратор конденсата. При производительности компрессора 1000 л/мин выход конденсата во всех элементах системы может составлять 20-30 литров за рабочую смену. Сам же конденсат представляет собой масловодяную эмульсию, очень вредную для окружающей среды. Сепаратор конденсата позволяет разделить эмульсию на техническую воду, которую допустимо сливать в канализацию, и отработанное масло, утилизируемое обычным путем.
Описанная схема подготовки воздуха позволяет получать практически сухой воздух в любых условиях окружающей среды - зимой и летом, в дождь и мороз. Однако затраты на ее реализацию могут в несколько раз превысить стоимость компрессора, хотя, конечно, они окупятся повышением качества покраски и снижением количества рекламаций. В некоторых случаях вся описанная схема монтируется в едином блоке с компрессором, как, например, в установке KSC10-500F-ES фирмы Fini. При собственных размерах 2,0х0,6х1,3 м и весе 325 кг она содержит в себе роторный компрессор, ресивер емкостью 0,5 м3, рефрижераторный осушитель воздуха и необходимую систему фильтров. Агрегат способен вырабатывать 900 л/мин осушенного воздуха при давлении до 10 бар. Электроника обеспечивает функционирование агрегата в автоматическом режиме. Словом, здесь нет никаких проблем кроме одной: стоит такой агрегат около 10 тысяч долларов. Можно собрать систему из элементов, имеющихся в продаже, существенно сократив затраты на приобретение оборудования.
Далее хотелось бы дать несколько проверенных практикой советов для тех, кто еще не может позволить себе смонтировать полную систему очистки воздуха.
1. Входящий воздух должен иметь как можно более низкую температуру. Постарайтесь обеспечить подвод воздуха ко входу компрессора с улицы. В зимних условиях это понизит концентрацию влаги в 4-5 раз.
2. Храните воздух в ресивере компрессора при максимально возможном для данного типа компрессора давлении. Не допускайте скапливания избыточного количества воды в ресивере.
3. Постарайтесь установить стационарный компрессор в хорошо вентилируемом, прохладном помещении. Если ресивер тем не менее нагревается выше 30-40оС, используйте дополнительный ресивер, включенный последовательно, пусть небольшой, но установленный на улице. Или же поставьте охладитель воздуха. В этом качестве можно использовать радиаторы промышленных холодильников.
4. Небольшие переносные компрессоры непосредственно перед началом работы есть смысл выносить на улицу, по крайней мере зимой. Это позволяет, с одной стороны, сжимать холодный воздух с низким абсолютным содержанием влаги, а с другой - ускоряет процесс конденсации влаги в ресивере.
5. Фильтры-влагоотделители размещайте в точках сети, имеющих максимальное давление и минимальную температуру. Например, при использовании редуктора для понижения давления фильтр должен быть включен до редуктора, а не после. В противном случае эффективность отделения влаги падает в 3-4 раза.
6. Регулярно проверяйте состояние фильтрующих элементов керамических влагоотделителей, не снабженных индикатором, вовремя очищайте замаслившиеся элементы.
7. Не допускайте повышенного расхода воздуха из-за утечек в шлангах и соединениях. Количество влаги, образовавшейся в магистрали, в конечном счете прямо пропорционально количеству воздуха, сжатого компрессором.
8. Если по каким-то причинам понизить количество влаги невозможно, используйте влагоотделитель, непосредственно присоединенный к пульверизатору. Это, по крайней мере, убережет вас от грубых дефектов, создаваемых крупными каплями воды.
9. Использование пульверизаторов с минимальным расходом воздуха понижает общее количество сконденсированной влаги. Для наименьшего охлаждения воздушно-красочной струи желателен распылитель, способный работать при пониженном до 2 бар давлении.
10. Не рекомендуется красить детали, температура которых существенно ниже температуры воздуха в покрасочной камере.
11. Постарайтесь все-таки изыскать возможность покупки фирменных фильтров или рефрижератора: летом, при высокой температуре окружающего воздуха, бороться с влажностью самодельными средствами очень трудно.


"Автомобиль и Сервис". Февраль 1998 г.http://www.abs.msk.ru