Energochłonność w przesyle sprężonego powietrza dr inż. Jacek Szymczyk Instytut Techniki Cieplnej PW PJCEE KAPE S.A.
Informacje wstępne Napędy pneumatyczne Przykład: Narzędzie pneumatyczne do młotowania Rys. Młot pneumatyczny bezzaworowy Natryskiwanie Przykład: Piaskowanie, malowanie natryskowe Rys. Narzędzie do łukowego metalizowania natryskowego Transportowanie Przykład: Przenośniki Rys. Podnośnik mostowy o napędzie pneumatycznym Dmuchanie Przykład: Wydmuchiwanie, czyszczenie Rys. Pistolet wydmuchowy z wężem spiralnym
Informacje wstępne Pompy 30% Czynnik kosztowny! OC Energia elektryczna Silniki elektryczne ~60% Inne ~30% Wentylatory 15% Wytwornice chłodu 15% Inne 10% Sprężarki 10% 100 % 10 % C 5 % 85 % Dostarczone 100% energii elektrycznej zostaje przekształcone w następującej proporcji: ok. 10% w energię sprężonego powietrza, a pozostałe 90% w ciepło, z czego 85% można odzyskać w wymienniku ciepła (OC = chłodnica oleju). Pozostałe 5% energii zostaje wypromieniowane jako ciepło do otoczenia.
Praca sprężarek śrubowych Układ sterowania do uruchamiania i zatrzymywania maszyny Sterowanie z obciążeniem/bez obciążenia Lo = Zatrzymanie (Sprężarka zatrzymana, ale gotowa do obsługi) L1 = Bez obciążenia (napęd sprężarki pracuje, powietrze nie ulega sprężeniu. Praca bez obciążenia redukuje przejścia silnika, a co za tym idzie zmniejsza jego zużycie). L2 = Pod pełnym obciążeniem (Sprężarka dostarcza maksymalną ilość sprężonego powietrza i zużywa maksimum energii) W trakcie pracy sprężarki w stanie pracy jałowej może ona pobierać nawet do 30% energii w porównaniu z trybem pracy czynnej!
Sytuacja zaistniała Obserwacje główne W wielu zakładach przemysłowych obserwuje się kilka podstawowych błędów w eksploatacji sprężarek i generacji sprężonego powietrza: - pozostawienie w instalacji nieużywanych a nieodciętych nitek, - małe średnice i niepotrzebne zwężenia, - jeden zbiornik główny i brak małych pomocniczych, - utrudniona wentylacja sprężarkowni i brak wykorzystania generowanego ciepła, - brak dbałości o jakość przewodów i złączek wycieki powietrza z instalacji rzędu 30% i więcej, - brak oszczędnego użytkowania powietrza, - zasilanie wszystkich zróżnicowanych odbiorów z jednej magistrali.
Metody oszczędności Redukowanie rozległości instalacji ( skracanie tam, gdzie to możliwe) Zmniejszanie strat przesyłu (zwiększanie średnic i gładkości, instalowanie zbiorników przy dużych i nagłych odbiorach, domykanie pętli) Minimalizacja czasu pracy w stanie jałowym sprężarek (poprawa sterowania, zastosowanie falowników, dbałość o właściwe nastawy grupy sprężarek) Obniżanie do możliwie niskich wartości nastaw ciśnień na sprężarkach Przegląd i niwelowanie wycieków sprężonego powietrza Odbiór ciepła wydzielanego przy sprężaniu powietrza Wydzielanie stref z zapotrzebowaniem na wysokie i niskie ciśnienie Racjonalne zwiększanie pojemności instalacji Oszczędne korzystanie ze sprężonego powietrza (instalowanie dmuchaw tam gdzie to możliwe)
Zmniejszenie rozległości instalacji i spadków ciśnień + mniej przewodów rurowych niż w strukturze pierścieniowej - większa średnica linii niż w strukturze pierścieniowej - większe straty ciśnienia - więcej przewodów rurowych + krótsza droga sprężonego powietrza do odbiorców + mniejsze straty ciśnienia p. + mniejsza średnica (połowa długości rury i połowa objętości przepływu) 1
Zmniejszenie rozległości instalacji i spadków ciśnień Projekt orurowania może mieć wpływ na koszty. Jeśli średnica rury jest zbyt mała, dochodzi do większych strat ciśnienia, co trzeba rekompensować większym ciśnieniem roboczym. Przy wyborze optymalnej średnicy rury d i należy uwzględnić poniższe parametry: Stosowną długość rury (użycie elementów z zoptymalizowanym przepływem) Przepływ objętości (łącznie z czynnikiem przyszłego rozprężenia) Poziom ciśnienia roboczego (niższe ciśnienie obniża przepustowość rur) Kształt T, niezalecany Kształt łukowy, zalecany Linie przyłączeniowe do odbiorców powinny być o średnicy nominalnej wielkości przynajmniej DN 25!
Zmniejszenie rozległości instalacji i spadków ciśnień Rozwiązanie graficzne: Długość rury (m) d i = średnica rury [m] V = przepływ objętości [m³/s] L = długość rury [m] p = maks. strata ciśnienia [bar] p max = poziom ciśnienia sprężarki [bar abs ] Spadek ciśnienia od miejsca generacji do odbiornika wynosić powinien nie więcej niż 0,4 bar, co rozkłada się następująco: - przewód główny p<0,03 bar, - przewody przyłączeniowe p<0,07 bar, - przyłącze odbiorników p<0,3 bar. Średnica rury (mm) Przepływ objętości m 3 /min Strata ciśnienia (bar) Poziom ciśnienia sprężarki
Minimalizacja czasu pracy w stanie jałowym sprężarek Zamiana pracy w trybie praca czynna/praca jałowa/(wyłączenie) na pracę falownikową może przynieść oszczędności w kosztach energii elektrycznej od 10% do nawet 35%, w zależności od nastaw ciśnień. Koszty zakupu falownika nie są tu brane pod uwagę, jednakże czas zwrotu przemiennika częstotliwości w przypadku pracy ciągłej może się zwrócić po czasie krótszym niż dwa lata. Zwiększenie pojemności instalacji może zmniejszyć koszty energii. Przykładowo przy dwukrotnym zwiększeniu pojemności zbiornika koszty pracy zespołu sprężarek mogą spaść o około 10-15%. Zwiększenie wartości ciśnienia górnego, czyli de facto różnicy ciśnień pracy zespołu sprężarek, powoduje zmniejszenie całkowitych kosztów pracy. Mogą one osiągać wartości od kilku do 20%, w zależności od szerokości wstęgi ciśnienia. Spowodowane to jest faktem, że zmniejsza się nie tyle moc maksymalna i minimalna, co czasu pracy w stanie pracy czynnej i jałowej poszczególnych sprężarek zespołu. W przypadku jednego urządzenia opłacalne jest utrzymywanie stosunkowo niskiego dopuszczalnego ciśnienia, gdyż moc pobierana przez sprężarkę zwiększa się wraz z wartością utrzymywanego ciśnienia.
Redukcja ciśnienia Wydzielenie strefy niskiego ciśnienia i zasilanie jej poprzez redukcję strata. Zalecenie dla ciągłych odbiorów i tam gdzie to możliwe, rozważenie zastosowania dmuchaw lub oddzielnej sprężarki. Obniżenie ciśnienia górnego, jeśli to dopuszczalne przez technologię i inne uwarunkowania, stwarza możliwość zmniejszenia zużycia energii. Przykład: Ciśnienie w instalacji przed p = 7 bar Redukcja o p = 1 bar Przybliżony procent zaoszczędzonej energii 8%.
Wykrywanie wycieków Nie każdy wyciek da się usunąć konieczność technologiczna W każdej instalacji sprężonego powietrza istnieją wycieki, które mogą osiągnąć poziom nawet 35% całego generowanego strumienia powietrza. Przyjmuje się, że zmniejszenie tej wartości do poziomu 10% oznacza już sytuację akceptowalną, jednakże zawsze należy instalacje tego typu okresowo przeglądać. Najczęstsze miejsca wycieków: - Elastyczne złączki, - kolanka i gumowe węże, - siłowniki i aparatura wykonawcza. Strata, p = 8 bar 1 mm 0,6 kw 4 mm ~ 9 kw W skali roku jeden wyciek przez otwór d = 2 mm to koszt około 7 tys złotych.
Temperatura a koszty Zwiększenie temperatury powietrza zasysanego i/lub utrudnienie chłodzenia zmniejszenie sprawności -> większe koszty! Wzrost temperatury o 10 C spadek sprawności o ~ 2% Rozważenie możliwości wykorzystania ciepła z generacji Rozważenie możliwości wykorzystania ciepła z generacji powietrza na ogrzewanie hal lub stworzenie kurtyn powietrznych. W przypadku dużych urządzeń chłodzonych cieczą możliwość regeneracji ciepła i wykorzystania go np. do celów sanitarnych. Obniżenie temperatury poprzez właściwą wentylację lub wykonanie specjalnych przewodów nawiewno/wywiewnych.
Wnioski W polskim przemyśle istnieją znaczne możliwości obniżenia energochłonności produkcji przez działania beznakładowe bądź niskonakładowe należy je wykorzystać Szacuje się, że potencjał polskich zakładów przemysłowych wynosi około 30% i jest wciąż wyraźnie wyższy od krajów byłej 15-tki W licznych zakładach poprawa w dziedzinie sprężonego powietrza nie wymaga działań wysokonakładowych. Racjonalizacja działania sprężarkowni może przynieść niestety także i straty, więc powinna być poprzedzona wnikliwą analizą poborów powietrza oraz pewności generacji, jaką wytwórca chce posiadać. Każdy najmniejszy element, który może zostać poprawiony (usunięcie części wycieków, poprawa współdziałania sprężarek, oczyszczenie filtrów, zamknięcie nieużywanych instalacji) wart jest wdrożenia. Zauważalnej poprawy nie trzeba koniecznie szukać w drogich inwestycjach.
Dziękuję za uwagę dr inż. Jacek Szymczyk Instytut Techniki Cieplnej PW PJCEE KAPE S.A. jaszym@itc.pw.edu.pl