Kako povečati učinkovitost pretvorbe energije v pnevmatskih sistemih?

Imate težave z visokimi stroški energije v svojih pnevmatskih sistemih? Veliko industrijskih obratov se vsak dan sooča s tem izzivom. Rešitev je v razumevanju in optimizaciji učinkovitosti pretvorbe energije v pnevmatskih komponentah.

Učinkovitost pretvorbe energije v pnevmatskih sistemih pomeni, kako učinkovito se vhodna energija pretvori v koristno izhodno delo. Običajno standardni pnevmatski sistemi dosegajo le 10-30% izkoristek, preostanek pa se izgubi kot toplota, trenje in padec tlaka.

Več kot 15 let pomagam podjetjem izboljšati njihove pnevmatske sisteme in iz prve roke sem videl, kako lahko ustrezna analiza učinkovitosti zmanjša operativne stroške do 40%. Naj z vami delim, kaj sem se naučil o čim večji učinkovitosti komponent, kot so cilindri brez ročajev.

Kazalo vsebine

• Kako izračunati mehansko učinkovitost v pnevmatskih sistemih?
• Zakaj so sistemi za toplotno rekuperacijo učinkoviti v pnevmatskih aplikacijah?
• Kako lahko količinsko opredelite in zmanjšate izgube, povezane z entropijo?
• Zaključek
• Pogosta vprašanja o energetski učinkovitosti pnevmatskih sistemov

Kako izračunati mehansko učinkovitost v pnevmatskih sistemih?

Razumevanje mehanske učinkovitosti se začne z merjenjem dejanske delovne moči glede na teoretično vloženo energijo. To razmerje pokaže, koliko energije sistem med delovanjem izgubi.

Mehanski izkoristek v pnevmatskih sistemih je enak deležu koristnega dela in vložene energije, običajno izražen v odstotkih. Pri cilindrih brez palice je treba pri tem izračunu upoštevati izgube zaradi trenja, uhajanje zraka in mehanski upor v sistemu.

Osnovna formula učinkovitosti

Osnovna formula za izračun mehanskega izkoristka je:

η = (W_out / E_in) × 100%

Kje:

• η (eta) predstavlja odstotek učinkovitosti
• W_out je koristno opravljeno delo (v joulih).
• E_in je vhodna energija (v joulih)

Merjenje delovne moči v valjih brez palic

Za pnevmatske cilindre brez ročajev lahko delovno moč izračunamo s pomočjo:

W_out = F × d

Kje:

• F je proizvedena sila (v newtonih)
• d je prevožena razdalja (v metrih)

Izračun vhodne energije

Vloženo energijo za pnevmatski sistem lahko določimo z:

E_in = P × V

Kje:

• P je tlak (v paskalih)
• V je količina porabljenega stisnjenega zraka (v kubičnih metrih).

Dejanski dejavniki učinkovitosti

Spomnim se, da sem lani sodeloval s stranko iz Nemčije, ki je imela težave z učinkovitostjo. Njihov sistem cilindrov brez palice je deloval z učinkovitostjo le 15%. Po analizi njihove namestitve smo odkrili tri glavne težave:

1. Preveliko trenje v tesnilnem sistemu
2. uhajanje zraka na priključnih točkah
3. Neustrezno dimenzioniranje cevi za dovod zraka

Z odpravo teh težav smo povečali učinkovitost sistema na 27%, kar je omogočilo letni prihranek energije v višini približno 42.000 EUR.

Primerjalna tabela učinkovitosti

Zakaj so sistemi za toplotno rekuperacijo učinkoviti v pnevmatskih aplikacijah?

Sistemi za rekuperacijo toplote² zajemajo in ponovno uporabljajo odpadno toploto, ki nastaja med pnevmatskimi operacijami, ter tako spremenijo problem učinkovitosti v priložnost za varčevanje z energijo.

Sistemi za rekuperacijo toplote v pnevmatskih aplikacijah delujejo tako, da zbirajo odpadno toploto iz kompresorjev in jo pretvorijo v uporabno energijo za ogrevanje prostorov, ogrevanje vode ali celo proizvodnjo električne energije. Ti sistemi lahko izkoristijo do 80% odpadne toplotne energije.

Vrste sistemov za rekuperacijo toplote

Pri uvajanju toplotne rekuperacije za pnevmatske sisteme imate na voljo več možnosti:

1. Izmenjevalniki toplote zrak-voda

Ti sistemi prenašajo toploto iz stisnjenega zraka v vodo, ki se lahko uporabi za:

• Ogrevanje objekta
• Ogrevanje tehnološke vode
• Predgrevanje napajalne vode za kotel

2. Rekuperacija toplote zrak-zrak

Pri tem pristopu se odpadna toplota uporablja za ogrevanje vstopnega zraka za:

• Ogrevanje prostorov
• Predgrevanje procesnega zraka
• Postopki sušenja

3. Integrirani sistemi za pridobivanje energije

Sodobni integrirani sistemi združujejo več načinov predelave za največjo učinkovitost:

Razmisleki o izvajanju

Ko sem obiskal obrat za predelavo hrane v Wisconsinu, so vso toploto iz kompresorja odvajali na prosto. Z namestitvijo preprostega sistema za rekuperacijo toplote zdaj to energijo uporabljajo za predgrevanje napajalne vode za kotel, s čimer letno prihranijo približno $28.000 EUR pri stroških zemeljskega plina.

Ključni dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri izvajanju termične obnove, so:

1. Zahteve glede temperaturne razlike
2. Razdalja med virom toplote in potencialno uporabo
3. Doslednost proizvodnje toplote
4. Kapitalske naložbe v primerjavi s predvidenimi prihranki

Izračun ROI

Če želite ugotoviti, ali je toplotna rekuperacija finančno smiselna, uporabite to preprosto formulo:

Obdobje donosnosti naložbe (leta) = stroški namestitve / letni prihranki energije

Večina dobro zasnovanih sistemov za rekuperacijo toplote doseže donosnost naložbe v 1-3 letih.

Kako lahko količinsko opredelite in zmanjšate izgube, povezane z entropijo?

Povečanje entropije pomeni nered in neuporabno energijo v vašem pnevmatskem sistemu. Kvantitativna opredelitev teh izgub pomaga prepoznati priložnosti za izboljšave, ki jih standardne metrike učinkovitosti lahko spregledajo.

Z entropijo povezane izgube v pnevmatskih sistemih je mogoče količinsko opredeliti z uporabo analiza eksergije³ki meri največje možno koristno delo med postopkom. Te izgube običajno predstavljajo 15-30% celotne vložene energije in jih je mogoče zmanjšati z ustrezno zasnovo in vzdrževanjem sistema.

Razumevanje entropije v pnevmatskih sistemih

V pnevmatskih aplikacijah se entropija poveča med:

• Kompresija zraka
• Padci tlaka na ventilih in armaturah
• Procesi širitve
• trenje v gibljivih sestavnih delih, kot so cilindri brez palice.

Kvantifikacija povečanja entropije

Matematični izraz za spremembo entropije je:

ΔS = Q/T

Kje:

• ΔS je sprememba entropije
• Q je prenesena toplota
• T je absolutna temperatura

Okvir analize eksergije

Za praktično uporabo je analiza eksergije bolj uporaben okvir:

1. Izračun razpoložljive energije v vsaki točki sistema
2. Določite uničenje eksergije med točkama
3. Določite komponente z največjimi izgubami energije.

Pogosti viri izgub entropije

Na podlagi mojih izkušenj pri delu s stotinami pnevmatskih sistemov so to tipični viri izgube entropije po vrstnem redu vpliva:

1. Izgube pri uravnavanju tlaka

Če se tlak zmanjša z regulatorji, ne da bi se opravilo delo, se uniči veliko eksergije. Zato je pravilna izbira tlaka v sistemu ključnega pomena.

2. Zmanjševanje izgub

Omejitve pretoka v ventilih, armaturah in premajhnih ceveh povzročajo padec tlaka, ki povečuje entropijo.

3. Izgube zaradi širjenja

Ko se stisnjen zrak širi, ne da bi opravil koristno delo, se entropija znatno poveča.

Praktične strategije za zmanjšanje entropije

Lani sem sodeloval s proizvajalcem opreme za pakiranje v Illinoisu, ki je imel težave z učinkovitostjo pri svojih sistemih valjev brez palic. Z uporabo analize eksergije smo ugotovili, da konfiguracija njihovih krmilnih ventilov ustvarja prekomerno entropijo.

Z izvajanjem teh sprememb:

1. Premestitev ventilov bližje pogonom
2. Povečanje premera napajalnih vodov
3. Optimizacija zaporedij krmiljenja za zmanjšanje cikličnega spreminjanja tlaka

Izgube, povezane z entropijo, so zmanjšali za 22%, s čimer so izboljšali splošno učinkovitost sistema za 8,5%.

Napredni pristopi spremljanja

Sodobni pnevmatski sistemi lahko izkoristijo spremljanje entropije v realnem času:

• Temperaturni senzorji na ključnih točkah
• Senzorji tlaka v celotnem sistemu
• Merilniki pretoka za spremljanje porabe
• Računalniška analiza za prepoznavanje trendov entropije

Zaključek

Povečanje učinkovitosti pretvorbe energije v pnevmatskih sistemih zahteva celovit pristop, ki obravnava mehansko učinkovitost, toplotno rekuperacijo in zmanjšanje entropije. Z izvajanjem teh strategij lahko znatno zmanjšate obratovalne stroške ter hkrati izboljšate zmogljivost in zanesljivost sistema.

Pogosta vprašanja o energetski učinkovitosti pnevmatskih sistemov