Praktyczny poradnik obniżenia kosztów sprężonego powietrza, diagnozowanie
2021-04-14, dodano przez admin
Kategorie: [ Nowości - produkty ] [ Informacje techniczne ] [ Interesujące rozwiązania z branży ]

 

Praktycznie o efektywnym wykorzystaniu sprężonego powietrza.

 

Urządzenia pneumatyczne są dzisiaj niezbędnym elementem nawet najprostszego warsztatu jak i zautomatyzowanych linii i całych fabryk. Jeżeli w przypadku tych pierwszych możemy mówić głównie o narzędziach zasilanych sprężonym powietrzem (wkrętarki oraz kucze), to w przypadku maszyn, mamy do czynienia przeważnie z napędami, takimi jak siłowniki.

Dlaczego pneumatyka? Proste urządzenia pneumatyczne są już dzisiaj dostępne nawet w marketach budowlanych co świadczy o ich rosnącej popularności. Atrakcyjność sprężonego powietrza wynika w dużej mierze z prostoty elementów wykonawczych a co za tym idzie z łatwości ich eksploatacji. Innymi argumentami za stosowaniem pneumatyki jest duża bezawaryjność, niskie nakłady inwestycyjne, niewielkie gabaryty i masa w stosunku do mocy. Pneumatyka jest również uważana za stosunkowo bezpieczną, ponieważ jej stosowanie nie wymaga specjalnych uprawnień (w przeciwieństwie do uprawnień elektroenergetycznych). 

Do największych wad urządzeń zasilanych sprężonym powietrzem należy zaliczyć koszty ich eksploatacji z uwagi na niską sprawność. Poza zużyciem energii elektrycznej istnieją jeszcze koszty serwisowania maszyn i instalacji, więc samo zużycie energii przez sprężarkę nie jest do końca miarodajne (energia stanowi do 85% kosztów).
Świadomość stosowania kosztownego sprężonego powietrza jest nawet dzisiaj stosunkowo niska. Koszty eksploatacji wynikają wprost ze sprawności urządzeń, oraz konieczności przetworzenia energii elektrycznej na sprężone powietrze, które to dopiero po zmagazynowaniu i przesłaniu  do napędu może wykonać zadaną pracę.

 

Istnieją dwa główne kierunki optymalizacji kosztów związanych z pneumatyką:

1.       Obniżenie kosztów wytwarzania sprężonego powietrza

2.       Obniżenie zużycia sprężonego powietrza

Pierwszy kierunek potrafi być bardzo efektywny, jednak niesie za sobą konieczność inwestycji oraz rzadko kiedy może być natychmiastowy (czas projektowania i budowy sprężarkowni, np. z rekuperacją).
Drugi przynajmniej w niektórych punktach jest możliwy do szybkiego wdrożenia i nie wymaga tak wysokich nakładów (a czasem jest bezkosztowy).


Pierwszy krok – pomiary. Metod na obniżenie zużycia sprężonego powietrza jest kilka. Warto jednak rozpocząć od sprawdzenia aktualnego stany czyli zmierzenia poboru prądu przez sprężarki w pewnym okresie czasu, który jest w zakładzie powtarzalny, np. zużycie w trakcie 24h podczas normalnej produkcji.

Drugą prostą metodą zidentyfikowania nieszczelności jest odcięcie sprężarek od instalacji (za sprężarką a przed zbiornikiem jeżeli jest to możliwe). Należy to zrobić przy braku normalnego poboru sprężonego powietrza, czyli np. w weekend lub po ostatniej zmianie. Następnie należy odczytać ciśnienie na głównym zbiorniku i zapisywać jego spadek w czasie. Stopień wycieków można by obliczyć znając objętość instalacji, co w większości wypadków jest jednak trudne do oszacowania. Metoda ujawni jedynie niektóre nieszczelności, daje jednak możliwość monitorowania postępów . Szacuje się, że w Europie jest możliwość zmniejszenia zużycia sprężonego powietrza średnio o 35% przy niezmienionym zakresie pracy wykonywanym przez urządzenia pneumatyczne (oszczędności energii od 5 do 50% wg. raportu ISBN 3-932298-16-0).

 

Jak poprawić istniejący stan?

1.       Dbanie o stan filtrów i separatorów. Wraz ze wzrostem zanieczyszczeń na filtrze spada ciśnienie za filtrem. Starty są niewielkie ale proste do usunięcia. Należy brać również pod uwagę, że są filtry o różnej dokładności. Im bardziej dokładny, tym łatwiej o jego zabrudzenie i większe spadki ciśnienia.

2.       Usunięcie pistoletów do przedmuchiwania lub ograniczenie ciśnienia poprzez zastosowanie reduktorów. Jest to istotny element z uwagi na popularność zastosowania przedmuchu w Polce. Zgodnie z obowiązującymi normami bezpieczeństwa ciśnienie za dyszą pistoletu nie powinno przekraczać 2,1 bara (katalog SILVENT do sprawdzenia) a często jest podawane bez zredukowania, prosto z instalacji. Drugim powodem jest ekonomia. Dla przykładu dysza 2 mm zużywa 4,8l/s przy 7 barach i 1,81 l/s przy 2 barach. Efektywność przedmuchu zależy często od rodzaju zastosowanej dyszy, których wybór jest bardzo szeroki. Przy regularnym czyszczeniu detali lub powierzchni strumieniem powietrza, warto rozważyć zastosowanie dmuchaw.

3.       Odcinanie powietrza po zakończeniu pracy jest jednym z pierwszych kroków do optymalizacji układu. Często w zakładach słychać szum nieszczelności, który traktowany jest jako normalny element zastosowania sprężonego powietrza z zakładzie.  Nieszczelności słyszalne generują dźwięk o częstotliwości do 20 kHz, nieszczelności małe  generują falę o częstotliwości do 42 kHz, która jest już niestety niesłyszalna bez specjalnych przyrządów. W praktyce oznacza to, że brak charakterystycznego syczenia, nie jest równoznaczny ze szczelnością maszyny.
Prostym sposobem na ograniczenie zużycia sprężonego powietrza jest odcinanie maszyn, które nie pracują. W praktyce można to osiągnąć poprzez zastosowanie elektrozaworów, które będą odłączały dopływ sprężonego powietrza automatycznie. Szczególnie wartościowe mogą okazać się elektro zawory kulowe, ponieważ one nie zużywają prądu w trakcie spoczynku.

Porownanie zaworu kulowego i elektromagnetycznego

Rysunek 1  Zawór elekromagnetyczny i zawór kulowy napędzany silnikiem elektrycznym w rozmiarze 1/2" czyli DN15 

4.       Usuwanie nieszczelności w instalacjach i na maszynach. Zakładając brak specjalistycznych urządzeń, takich jak przepływomierze oraz ultradźwiękowe detektory nieszczelności, można tak jak w przypadku całej instalacji, podjąć się oszacowania nieszczelności poprzez odcięcie sprężonego powietrza i obserwowanie spadku ciśnienia w czasie. Następnie większość maszyn można podzielić na mniejsze obszary i sukcesywnie je mierzyć w podobny sposób, w poszczególnych cyklach pracy maszyny. Do dokładnego zidentyfikowania miejsca wycieku może służyć piana.

Częstymi usterkami w przypadku maszyn są: uszkodzenia mechaniczne (np. spusty kondensatu i osłony filtrów), zmęczenie materiału (np. nieszczelności pomiędzy komorami siłownika, na tłoku), wady materiałowe, starzenie materiału lub wpływ środowiska (np. uszkodzenia przewodów i ich połączeń), drgania (np. połączenia skręcane, uszczelki).



Rysunek Rodzaje uszkodzeń przewodów pneumatycznych, źródło: Trends in automation, Festo, nr 10, marzec 2009 rok



5.       Obniżenie ciśnienia pracy jest możliwe zarówno w przypadku narzędzi ręcznych jak i całych maszyn.  Producenci ręcznych narzędzi pneumatycznych zalecają różnych ciśnień zasilania, w zależności od typu urządzenia, inne ciśnienie jest wymagane w przypadku mieszadeł, inne dla szlifierek, inne dla nitownic.  Nawet w przypadku tych samych typów urządzeń możliwe są różne wymagania w zależności od producenta. Warto pogrupować te urządzenia oraz redukować ciśnienie ich pracy.

W przypadku całych maszyn, zalecane przez producenta ciśnienie pracy jest przeważnie dostosowane do maksymalnie obciążonego napędu. Jeżeli nie ma w maszynie zróżnicowanych stref ciśnienia to prawdopodobnie istnieje możliwość jej optymalizacji.

6.       Optymalizacja maszyny (długości przewodów, przekroje przewodów i siłowników, zastosowanie zaworów redukcyjno-zwrotnych.

Najlepszą okazją do optymalizacji zużycia sprężonego powietrza jest etap projektowania. Jednak służby utrzymania ruchu przy okazji remontów również często ingerują w budowę maszyn. Można takie okazje wykorzystać do poprawy efektywności bez ingerencji w logikę układów. Jednym ze sposobów jest skrócenie przewodów pneumatycznych, pomiędzy zaworem a siłownikiem co można zrobić poprzez zmianę położenia zaworów na maszynie lub podzielenie jednej dużej wyspy na mniejsze, lepiej rozmieszczone. Efekt takiej zmiany potrafi być zdumiewający.
Za przykład może nam posłużyć niewielki, znormalizowany siłownik dwustronnego działania DIN ISO 6432 o tłoku fi 25 mm i skoku 80 mm. Siłownik ten ma tłoczysko o średnicy 10 mm. Zakładając, że jest podłączony standardowym przewodem 6mm (przewód kalibrowany zewnętrznie mam wewnątrz przekrój 4 mm) to zasilenie samego przewodu o długości 1850 mm pochłania tyle samo powietrza co zasilenie siłownika w trakcie jednego pełnego cyklu. Czyli skracając przewody o niecałe 2 metry (po 1 metrze na 1 przewód), można by zasilić tym samym powietrzem dwa, identyczne siłowniki.

ZDJĘCIE SIŁOWNIKA ISO 6432
Siłownik pneumatyczny ISO 6432

Rysunek 3 Siłownik DIN ISO 6432 firmy SMC, symbol: CD85N25-80-B 



Drugi ze sposobów na optymalizację zużycia powietrza w maszynie jest związany z faktem, że część siłowników wykonuje pracę tylko w jednym kierunku. Ruch w drugą stronę nie wymaga w związku z tym dużego ciśnienia i można je zredukować. W praktyce ekonomia takiego rozwiązania jest uzależniona od wielkości siłownika, częstotliwości jego pracy oraz kosztów zakupu reduktora.

Przy optymalizowaniu maszyn warto również pamiętać o elementach podciśnieniowych a w szczególności o eżektorach, które wytwarzają podciśnienie ze sprężonego powietrza. Ich stosowanie jest proste i wygodne, niestety jest również wyjątkowo kosztowne w przypadku prostych urządzań. Istnieją jednak generatory podciśnienia, które generują podciśnienie tylko w momencie przyssania oszczędzając w ten sposób powietrze. Potrafią również zwiększyć pewność odrzucania elementów dzięki impulsowi odrzutowemu.


Rysunek 4Eżektor firmy Festo, seria VN
 

7.       Optymalizacja instalacji

Instalacja pneumatyczna na halach produkcyjnych powinna być dostosowana do specyfiki zakładu. Często jednak wraz z rozbudową firmy jest ona sukcesywnie rozbudowywana, nie zawsze z zachowaniem parametrów, które towarzyszyły przy jej budowie. W takim wypadku warto pamiętać, że spadki ciśnień na rurociągi nie powinny przekraczać 5% ciśnienia roboczego, choć sam spadek ciśnienia jest naturalny i uzależniony jest od:
- projektu instalacji -dobrą praktyką jest stosowanie systemu pierścieniowego z uwagi na brak długich odnóg, warto również rozważyć zastosowanie zbiorników w miejscach chwilowego, dużego odbioru powietrza
- przekroju rurociągu -  im mniejszy przekrój, tym większa prędkość powietrza i większe opory
- ciśnienia w rurociągu – im większe ciśnienie, tym większy opór
- długość i kształt rurociągu – im rurociąg jest dłuższy i im więcej w nim zakrętów oraz rozgałęzień, tym większe opory są generowane. Istnieją tabele tworzone przez producentów instalacji, które pozwalają to przeliczać.
- gładkość wewnętrznej powierzchni rur – w tym wypadku ma znaczenie materiał z jakiego instalacja jest wykonana oraz odpowiednia konserwacja rurociągu poprzez np. unikanie korozji.


 

Rysunek 5 Przykład instalacji pierścieniowej,


8.       Optymalizacja maszyn na etapie projektowania

Najlepsze efekty daje dobrze zrobiony projekt maszyny. Przy produktach jednostkowych maszyn, optymalizacja i obliczenia zużycia sprężonego powietrza są rzadko wykonywane z uwagi na ich czasochłonność oraz brak wymagań klientów dotyczących efektywności energetycznej. Kupowane urządzenia mają zazwyczaj spełniać powierzone im zadanie oraz być możliwie tanie.

Tylko na tym etapie można optymalizować ciśnienie w maszynie, podzielić ją na strefy, dobrać wielkości przewodów oraz siłowników oraz rozplanować ułożenie zaworów (jeżeli chcemy uniknąć jednej centralnej wyspy z uwagi na straty powietrza związane z przewodami).
Większość siłowników pracujących w maszynach jest standardowo przewymiarowana, co jest związane ze standaryzacją wielkości tłoka. Oznacza to, że jeżeli konstruktor obliczył wymaganą, teoretyczną siłę na poziomie 3200 N i założył ciśnienie na poziomie 6 bar, to musi skorzystać z siłownika o tłoku średnicy 100mm, który daje teoretyczną siłę 4712N, ponieważ typoszereg mniejszy (czyli 80mm) daje teoretyczną siłę na poziomie  3016N. Stosując jednak siłownik o średnicy tłoka 100 i obniżając ciśnienie do 4,1 bara uzyskujemy 3220 N.  Są to obliczenia uproszone, ponieważ ciśnienie podawane do siłownika zależy również od warunków pracy oraz prędkości z którymi ma pracować, jednak pokazują możliwości, które mają do dyspozycji konstruktorzy maszyn.

9.       Kwalifikacje kadry technicznej

Jednym z głównych zadań kadry technicznej w zakładach produkcyjnych jest utrzymanie ciągłości produkcji W tym celu budowane są wskaźniki typu OEE (Overall Equipment Effectiveness) gdzie sprawdza się dostępność maszyn. W związku z tym nie powinno dziwić, że priorytetem jest działająca maszyna oraz sprawna instalacja a nie jej efektywne i ekonomiczne wykorzystanie. 
Kroki związane z optymalizacją, takie jak zmniejszenie ciśnienia, zmiany sterowania, wymagają wiedzy aby móc je bezpiecznie wprowadzać.

Aby ryzyko z tym związane się opłaciło, powinno być ono minimalizowane. Można to osiągnąć poprzez zatrudnienie specjalistycznych firm lub podnoszenie wiedzy i świadomości wśród własnych pracowników. Podnoszenie technicznych kwalifikacji w obrębie optymalizacji układów pneumatycznych ma również tę zaletę, że może wpłynąć na wiele aspektów związanych z eksploatacją maszyn, w szczególności ich niezawodność i okres eksploatacji, jak również zmniejszenie kosztów inwestycyjnych związanych z koniecznością zwiększania produkcji sprężonego powietrza. 


W razie pytań serdecznie zapraszam do kontaktu.
michal.fudalej@mgfprojekt.pl

 



Linie przenośników ze stanowiskami roboczymi - Starsze »
« Nowsze - Automatyczne urządzenie do montowania przewodów pneumatycznych kompresora samochodowego.

Copyright © 2009 MGFprojekt Wykonanie: Bizzit