Der Drucktaupunkt erklärt: Was die Zahl auf dem Trockner tatsächlich verspricht

Was ist der Drucktaupunkt bei Druckluft?

Wasser taucht in Druckluftsystemen auf, wo es gar nicht erwünscht ist. Spritzpistolen spritzen. Plasmabögen wandern. Gasflaschen klemmen am ersten kalten Morgen des Jahres. Die Zahl, die auf jedem Datenblatt eines Trockners angegeben ist, um all dies zu verhindern, ist der Drucktaupunkt. Viele, die diese Zahl in Angebote eintragen, könnten nicht sagen, was „Druck“ in dieser Bezeichnung zu suchen hat.

Beginnen wir mit dem einfachen Taupunkt. Luft enthält Wasserdampf, und jedes Luftvolumen hat eine Temperatur, bei der der darin enthaltene Wasserdampf nicht mehr in der Gasphase verbleiben kann. Kühlt man die Luft auf diese Temperatur ab, beginnt die Kondensation. Diese Temperatur ist der Taupunkt. Warme Luft kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen, bevor sie gesättigt ist, kalte Luft weniger – und das ist bereits alles, was man an physikalischen Grundlagen für den weiteren Verlauf dieses Artikels wissen muss.

Die Kompression verändert das Bild auf eine ganz bestimmte Weise. Ein Kompressor presst ein großes Volumen Umgebungsluft auf ein kleines zusammen, und der Wasserdampf wird zusammen mit allem anderen komprimiert. Der Partialdruck des Wasserdampfs steigt, und ein höherer Partialdruck bedeutet, dass die Kondensation bereits bei einer wärmeren Temperatur einsetzt. Deshalb „produziert“ ein Kompressor selbst an einem trockenen Tag Wasser, und deshalb sammeln sich im Nachkühler und im Druckbehälter bereits wenige Minuten nach einer Neuinstallation Tropfen an.

Der Drucktaupunkt (PDP) ist die Temperatur, bei der es in Luft, die unter Betriebsdruck steht, zur Kondensation kommt. Das Wort „Druck“ ist der Kern des Begriffs: Es bezeichnet den Zustand, unter dem der Wert gültig ist. Der Taupunkt in einer Wettervorhersage basiert auf denselben physikalischen Prinzipien, jedoch in druckloser, freier Luft. Wenn man die Bedeutung der Vorhersage auf ein Gespräch im Kompressorraum überträgt, stimmen die Zahlen genau an dieser Stelle nicht mehr überein. Diese Diskrepanz ist der Ausgangspunkt für den nächsten Abschnitt.

Zwei Werte für dieselbe Luft: Drucktaupunkt vs. atmosphärischer Taupunkt

Eine häufige Ursache für Verwirrung ist der Vergleich einer bei Leitungsdruck angegebenen Trocknerleistung mit einem Messwert, der erst nach der Ausdehnung der Probe auf Atmosphärendruck ermittelt wurde. Als grobes Beispiel: Luft mit einem atmosphärischen Taupunkt von −40 °F entspricht bei 100 psig einem Drucktaupunkt von etwa −3 °F. Der genaue Wert hängt vom absoluten Druck und der verwendeten Dampfdruckformel ab; das NIST legt die Hyland–Wexler-Messungen als Referenzgrundlage für Arbeiten zum Taupunkt von komprimiertem Gas fest (NIST, 2021). Es gibt keine Unstimmigkeiten: Die beiden Temperaturen beschreiben dieselbe Feuchtigkeitskonzentration bei unterschiedlichen Drücken.

Dieselbe Luft, zwei unterschiedliche Zahlen

Bei einem festen Feuchtigkeitsgehalt ändert sich der Taupunkt mit dem Druck. Komprimiert man die Luft, steht derselbe Wasserdampf nun unter einem höheren Partialdruck, sodass er bei einer höheren Temperatur kondensiert. Dieser höhere Wert ist der Drucktaupunkt. Lässt man die Luft wieder expandieren, verschiebt sich der Taupunkt in Richtung niedrigerer Temperaturen; dieser niedrigere Wert ist der atmosphärische Taupunkt (ADP). Gleiche Luft, gleicher Feuchtigkeitsgehalt, zwei Werte.

Mit steigendem Druck vergrößert sich die Differenz. Bei etwa 7 bar(g) (100 psig) ergibt sich im obigen Beispiel ein Unterschied von etwa 20 °C zwischen dem atmosphärischen und dem Drucktaupunkt. Hierbei handelt es sich um eine thermodynamische Umrechnung und nicht um einen festen Versatz: Bei der Berechnung muss der Wasserdampf-Molenbruch beibehalten werden, während sich der absolute Gesamtdruck ändert.

Bevor man einer einzelnen Zahl Glauben schenkt, ist es hilfreich zu wissen, woher die jeweilige Art von Zahl stammt und welche Rückschlüsse man daraus ziehen darf.

Umrechnung bei Ihrem Betriebsdruck

Ein Rechner für den Drucktaupunkt von Druckluft muss den Absolutdruck und nicht den Manometerdruck verwenden. Er rechnet zunächst den bekannten Taupunkt in den Wasserdampfdruck um, skaliert diesen Partialdruck anhand des Verhältnisses der beiden Absolutdrücke und rechnet den neuen Dampfdruck anschließend wieder in einen Taupunkt um. Die Norm ISO 8573-3 befasst sich ausdrücklich mit der Druckkorrektur und der Umrechnung von Feuchtigkeitsgrößen (ISO 8573-3, 1999). Das Ergebnis einer Berechnung ist nur dann aussagekräftig, wenn der Eingangsdruck, der Ausgangsdruck, die Temperaturbasis sowie die Angabe, ob es sich um einen Taupunkt oder einen Frostpunkt handelt, angegeben werden.

Im Winterfall erweist sich diese Unterscheidung als sinnvoll. In unter Druck stehenden Rohrleitungen bildet sich Kondensat entsprechend dem PDP, daher sollte der Sollwert sicher unterhalb der kältesten unter Druck stehenden Oberfläche liegen, auf die die Luft trifft. Die allgemeine Luft in Innenanlagen wird üblicherweise durch Kältetrockner im PDP-Bereich von 35–50 °F (ca. 2–10 °C) versorgt, während Rohrleitungen unter dem Gefrierpunkt und feuchtigkeitsempfindliche Prozesse einen niedrigeren Sollwert erfordern, der aus dem tatsächlichen Betriebsbereich ausgewählt wird (US-Energieministerium, 2016).

Betrachten Sie also das Typenschild eines Trockners als versprochenen Druckwert und den Messwert eines tragbaren Messgeräts hinter einem Druckregler als einen auf den ersten Blick niedriger erscheinenden Wert, der erst umgerechnet werden muss, bevor er aussagekräftig ist. Wie niedrig dieser versprochene Wert sein sollte, ist eine andere Frage – und die Antwort darauf ist kostengünstiger, als bei den meisten Beschaffungsprozessen angenommen wird.

Wie tief ist tief genug: Klassen, Anwendungen und die Kosten, wenn man zu weit geht

Die Norm ISO 8573-1 klassifiziert die Reinheit von Druckluft hinsichtlich Partikeln, Wasser und Öl anhand von drei Zahlen; die mittlere Zahl gibt die Wasserklasse an. Für Wasser in der Gasphase gelten üblicherweise folgende Grenzwerte: Klasse 4 bei +3 °C PDP, Klasse 3 bei −20 °C, Klasse 2 bei −40 °C und Klasse 1 bei −70 °C (ISO 8573-1, 2010). Hierbei handelt es sich um Höchstwerte und nicht um allgemein gültige Anwendungsanforderungen. Herkömmliche Kältetrockner liefern in der Regel einen PDP von etwa 35–50 °F (2–10 °C) und können den Gefrierpunkt praktisch nicht unterschreiten, während regenerative Adsorptionstrockner üblicherweise Werte von −40 °F/°C oder darunter anstreben (CAGI, 2017).

Legen Sie den Zielwert anhand des Prozesses fest, nicht anhand des Katalogs. Zwei Faktoren sind dabei entscheidend: die kälteste unter Druck stehende Oberfläche, mit der die Luft in Berührung kommt, und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit der Endanwendung. Alles, was über diesen Punkt hinausgeht, ist Verschwendung, keine Qualitätssteigerung.

Eine über die Prozessanforderungen hinausgehende Trocknung verursacht zusätzliche Kosten. Strengere Zielvorgaben führen häufig dazu, dass ein System von der Kältetechnik auf Adsorption umgestellt wird, was den Regenerationsbedarf erhöht. Laut CAGI können wärmebetriebene Regenerationstrockner bis zu etwa 18% des gesamten Luftstroms als Spülvolumen verbrauchen, während beheizte Ausführungen den Spülbedarf je nach Konfiguration auf etwa 5–10% reduzieren können (CAGI, 2017). Das richtige Ziel ist daher der am wenigsten strenge PDP, der dennoch die kälteste Oberfläche und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit des Prozesses schützt.

Die rechte Spalte dieser Tabelle ist aussagekräftiger, als es auf den ersten Blick scheint. Es kann vorkommen, dass zwei Systeme im Angebot beide als „Adsorptionstrockner“ bezeichnet werden, aber völlig unterschiedliche Taupunkte liefern, da der angegebene Wert von dem Füllmaterial im Behälter bestimmt wird.

Was das PDP tatsächlich ausmacht: Trocknungstechnologie und die darin enthaltenen Medien

Jeder in einem Angebot angegebene Taupunktwert wird durch die Hardware und die Komponenten im Inneren eines Behälters bestimmt: einen Kältemittelkreislauf oder ein Bett aus Adsorptionsperlen. Die Hardware legt die Obergrenze fest. Die Perlen bestimmen den genauen Wert, und genau hier entscheidet sich still und leise, ob die meisten Taupunktversprechen eingehalten werden oder nicht.

Die Kältetechnik hat ihre Grenzen

Ein Kältetrockner kühlt die Luft ab und leitet das Kondensat ab. Herkömmliche Konstruktionen erreichen in der Regel einen PDP-Wert von etwa 35–50 °F (2–10 °C); wird der Verdampfer unter 32 °F gekühlt, besteht die Gefahr des Einfrierens, sodass diese Technologie nicht geeignet ist, um PDP-Zielwerte unter dem Gefrierpunkt zu erreichen (CAGI, 2017). Sie eignet sich gut für viele allgemeine Anwendungen im Bereich der Pflanzen- und Druckluftversorgung, doch für den Frostschutz und bei Anforderungen an eine tiefere Trocknungsstufe der Instrumentenluft sind in der Regel Adsorption oder ein anderes geeignetes Trocknungsverfahren erforderlich.

Aktiviertes Aluminiumoxid: Das Arbeitstier bei hoher Luftfeuchtigkeit

Aktiviertes Aluminiumoxid ist poröses Aluminiumoxid und wird häufig dort eingesetzt, wo das Bett eine vergleichsweise hohe Wasserdampflast entfernen muss, bevor der Auslass einen vollständig trockenen Zustand erreicht. Es sollte jedoch nicht als unempfindlich gegenüber Flüssigwasser-Schüben beschrieben werden: Flüssigkeitsansammlungen und Ölaerosole sollten stromaufwärts entfernt werden, da sie jedes regenerative Trockenmittelbett überlasten oder verschmutzen. Ein repräsentatives JALON-Produkt in Industriequalität weist eine statische Wasseradsorption von mindestens 17 %wt bei 60% relativer Luftfeuchtigkeit und 25 °C auf, mit Kügelchengrößen von etwa 1–10 mm und einem Abriebverlust von höchstens 0,3 %wt; Spezialqualitäten erreichen unter den angegebenen Testbedingungen 20–22 %wt (Spezifikationen für aktiviertes Aluminiumoxid). CAGI weist darauf hin, dass die Intervalle für den Austausch des Trockenmittels anwendungsabhängig sind und in der Regel bei etwa drei bis fünf Jahren liegen, sofern die Vorbehandlung und die Regeneration ordnungsgemäß durchgeführt werden (CAGI, 2017).

Molekularsieb: Die „Deep-Dry“-Qualitäten

Ein Molekularsieb ist ein kristalliner Zeolith mit einer einheitlichen Porenstruktur und einer starken Affinität zu Wasser bei sehr geringer Luftfeuchtigkeit, weshalb es für Anwendungen mit extrem niedrigen Taupunkten eingesetzt wird. Zu den gängigen Druckluftqualitäten gehören 4A für die Tiefentrocknung und 13X, wenn sowohl die Entfernung von Wasser als auch von CO₂ von Bedeutung ist. Eine repräsentative JALON 4A-Spezifikation gibt eine statische Wasseraufnahmekapazität von mindestens 22,5 %wt bei 75% relativer Luftfeuchtigkeit und eine Druckfestigkeit von 40–80 N je nach Korngröße an; eine repräsentative 13X-Spezifikation gibt eine Wasseraufnahmekapazität von mindestens 26,5 %wt und eine CO₂-Aufnahmekapazität von 18,5 %wt gemäß den angegebenen Messverfahren an (Technische Daten zum Molekularsieb 4A; Technische Daten zum Molekularsieb 13X). Hierbei handelt es sich um Testwerte der Produkte und nicht um garantierte Betriebsleistungen für jeden einzelnen Trockner. CAGI empfiehlt, das vom Trocknerhersteller angegebene Trockenmittel zu verwenden und das Bett durch eine vorgeschaltete Koaleszenzfilterung vor Ölverschmutzung zu schützen (CAGI, 2017).

Warum −40 °C als Schichtbett geliefert wird

Mehrschichtbetten können ein vorgelagertes Trockenmittel mit hoher Kapazität mit einem Molekularsieb als abschließende Reinigungsschicht kombinieren; diese Anordnung ist jedoch nicht universell anwendbar und muss der vom Trocknerhersteller vorgegebenen Durchflussrichtung, Regenerationsmethode und Beladungszeichnung entsprechen. Das US-Energieministerium weist darauf hin, dass für spezielle Trocknungsanwendungen mehr als ein Trockenmittel verwendet werden kann und dass ein Molekularsieb als abschließendes Trockenmittel hinzugefügt wird, wenn sehr niedrige Taupunkte erforderlich sind (US-Energieministerium, 2016). JALON’s Anwendungshinweise zur Lufttrocknung stellt den entsprechenden internen Kontext für die Produktauswahl bereit.

Dieser Satz ist es wert, über dem Beschaffungsschalter aufgehängt zu werden, denn er fasst in einer einzigen Zeile zusammen, wie ein Bett spezifiziert werden sollte. Die praktische Version davon, mit den zu jeder Zeile gehörenden Prüfpunkten, sieht wie folgt aus.

Ordnen Sie die Parameter vor den Adjektiven an. Die Checkliste, die der obigen Matrix entspricht: statische Kapazität bei einer angegebenen relativen Luftfeuchtigkeit, Druckfestigkeit im Mittel über eine angegebene Perlenanzahl, Abriebverlust und das Perlengrößenband. Wenn Sie das Füllmaterial in einem bestehenden Behälter austauschen, vergewissern Sie sich, dass die Regenerationseinstellungen weiterhin zur neuen Befüllung passen. Bestehen Sie außerdem auf der Einbauzeichnung: Ein korrekt spezifiziertes Bett, das falsch eingebaut wird, wird trotzdem wieder feucht werden.

Wenn die Zahlen lügen: Messfehler und die tatsächlichen Ausfallursachen

Ein Taupunktwert kann in zweierlei Hinsicht falsch sein: Entweder erbringt das Bett nicht die erwartete Leistung, oder die Messung ist fehlerhaft. Führen Sie die Überprüfungen in dieser Reihenfolge durch, da die erste kostenlos ist und die übrigen Ausfallzeiten verursachen.

Die Reihenfolge ist wichtiger als die Liste. Eine feucht wirkende Messwertanzeige aufgrund einer überfluteten Probenleitung oder eines zu stark gedrosselten Sensors hat schon viele einwandfreie Filterbetten auf den Schrottplatz gebracht. Genau aus diesem Grund wird der Messwert überprüft, bevor das Filtermedium aussortiert wird.

Schließen Sie den Kreis auch auf dem Papier. Eine Annahmeklausel, an der es nichts zu rütteln gibt, sieht so aus:

Eine angegebene Wasserklasse sollte an eine definierte Prüfbedingung und Messmethode geknüpft sein. Die Norm ISO 8573-1 definiert die Reinheitsklassen, während die Norm ISO 8573-3 die Probenahme zur Bestimmung der Feuchtigkeit, die Druckkorrektur, die Messunsicherheit und die Berichterstattung regelt (ISO 8573-1, 2010; ISO 8573-3, 1999).

Ein PDP-Versprechen aus der Perspektive eines Käufers lesen

Lesen Sie das Angebot unter Berücksichtigung des gesamten Betriebspunkts. Der Trocknertyp legt den möglichen PDP-Bereich fest, während die Auswahl des Füllkörpers, die Vorbehandlung, die Regenerationsparameter und die Betriebslast darüber entscheiden, ob diese Leistung dauerhaft aufrechterhalten wird. Geben Sie den Ziel-PDP, den Betriebsdruck, den Nennvolumenstrom, die Einlasstemperatur, die Umgebungsbedingungen, den zulässigen Luftverlust, die Prüfmethode und die Prüfdauer direkt in die Garantie ein. Geben Sie für Ersatzmedien außerdem die Bedingungen für die Kapazitätsprüfung, die Druckfestigkeit, den Abrieb, das Korngrößenband und die genehmigte Beladungszeichnung an. Dadurch wird verhindert, dass ein nominell gleichwertiger Ersatz das hydraulische oder Adsorptionsverhalten des Bettes verändert.

Referenzen

1. ISO. ISO 8573-1:2010 – Druckluft – Teil 1: Verunreinigungen und Reinheitsklassen. 2010.
2. ISO. ISO 8573-3:1999 – Druckluft – Teil 3: Prüfverfahren zur Messung der Feuchtigkeit. 1999.
3. ISO. ISO 7183:2007 – Drucklufttrockner – Anforderungen und Prüfungen. 2007.
4. US-Energieministerium. Verbesserung der Leistung von Druckluftsystemen: Ein Handbuch für die Industrie, dritte Auflage. 2016.
5. Institut für Druckluft und Gase. Trocknung von Druckluft und Gasen. 2017.
6. Institut für Druckluft und Gase. Druckluftaufbereitung. 2017.
7. Nationales Institut für Standards und Technologie. Taupunktmessungen für Wasser in Druckgasen. 2021.