Zużycie energii w sprężarkach powietrza pod wpływem wydajności trzech filtrów

Autor: Scott Galloway, globalny menadżer ds. sprzedaży, Donaldson Company, Inc.

Sprężone powietrze jest kluczowym źródłem zasilania w zakładach przemysłowych. Często nazywane „czwartym medium”, obok wody, prądu i gazu, sprężone powietrze obsługuje maszyny, transportuje materiały, zapewnia ciśnienie w układach hydraulicznych i wykonuje niezliczone inne funkcje.

Wszystko to wymaga energii. Według amerykańskiego departamentu ds. energii wytwarzanie sprężonego powietrza stanowi średnio 10 do 30 procent kosztów energii elektrycznej w fabryce.¹ Przy tak znacznym wpływie na koszty zarządcy obiektów żywo interesują się zmniejszeniem zapotrzebowania sprężarek na energię, a producenci sprężarek starają się zaprojektować sprzęt zapewniający maksymalną wydajność. Ponadto rządy na całym świecie ustanawiają wyższe wymagania dotyczące wydajności urządzeń na sprężone powietrze (patrz pasek boczny).

System filtracji sprężarki może mieć znaczący wpływ na wydajność systemu. Wytwarzanie sprężonego powietrza niskim kosztem wymaga trzech odrębnych, harmonijnie współpracujących filtrów, filtrowania cząstek stałych i oddzielania mgły olejowej od strumienia powietrza bez nadmiernego ograniczania przepływu powietrza przez układ. Wydajność jednego filtra ma bezpośredni wpływ na działanie dwóch pozostałych. Stosując wiodącą technologię filtracji w całym systemie, producenci sprężarek mogą wspierać oszczędzanie energii — a także pomagać w ochronie smarów wymaganych przez ich urządzenia.

Poniżej znajduje się wprowadzenie do roli każdego filtra sprężarki i technologii, które mogą pomóc w optymalizacji wydajności systemu.

Ekosystem filtrów: Przegląd

Zalane olejem rotacyjne sprężarki śrubowe, najczęściej stosowana technologia w branży, mają trzy podstawowe elementy filtracyjne: filtr powietrza wlotowego, filtr oleju lub smaru oraz separator oleju z powietrza, jak pokazano na rysunku 1. 

Ulepszona filtracja powietrza wlotowego przedłuża również żywotność dalszych elementów filtra — filtra smaru i separatora oleju z powietrza. Zanieczyszczenie pyłem i innymi cząstkami jest głównym czynnikiem ograniczającym żywotność filtra smaru i separatora oleju z powietrza. Dzięki utrzymywaniu cząstek stałych z dala od strumienia powietrza inne filtry mogą działać dłużej i wydajniej. Dzięki zmniejszeniu zanieczyszczenia dalszego odcinka i wynikającemu z tego wzrostowi oporu w separatorze oleju z powietrza i filtrze smaru, sprężarka będzie wymagała mniejszej ilości energii elektrycznej do dostarczenia danej objętości sprężonego powietrza, pomagając w utrzymaniu ogólnych kosztów eksploatacji.

Przykład mediów filtracyjnych podłączonego separatora oleju z powietrza pokazano na powiększonych obrazach na rysunku 7. Dzięki czystym mediom filtracyjnym separatora oleju z powietrza 100 procent powierzchni jest dostępne do koalescencji. W przypadku mediów filtracyjnych obciążonych cząstkami dostępna jest mniejsza powierzchnia do koalescencji, a separator oleju z powietrza staje się mniej skuteczny.

Jak składniki ekosystemu współdziałają ze sobą?

Współoddziaływanie elementów filtrujących można zobaczyć, obserwując wpływ filtrów powietrza na żywotność separatora oleju z powietrza. Jak pokazano na rysunku 13, filtry powietrza Ultra-Web spowodowały wolniejszy wzrost oporu w separatorach oleju z powietrza w porównaniu do filtrów powietrza z mediami celulozowymi, co ponad dwukrotnie zwiększyło żywotność separatora oleju z powietrza w jednym przypadku i o około 65 procent w innym wypadku. Te wyniki pochodzą z dwóch oddzielnych sprężarek o mocy 600 KM w fabryce tekstyliów w Karolinie Północnej. Firma Donaldson przeprowadziła podstawowe testy na dopiero co serwisowanych maszynach przy użyciu oryginalnych elementów celulozowych (czerwone linie), następnie napełniono sprężarkę świeżym olejem i użyto nowego separatora oleju z powietrza, a elementy powietrzne zastąpiono wersjami Ultra-Web i przeprowadzono ponowny test. Rezultatem była dłuższa żywotność separatora oleju z powietrza w tych sprężarkach (niebieskie linie). 

Ostatecznie spadek ciśnienia zmniejsza wydajność sprężarki. Ta sama ilość energii elektrycznej wytwarza mniej sprężonego powietrza po wprowadzeniu spadków ciśnienia. Podstawową zasadą jest to, że spadek ciśnienia o 1 psi zasadniczo pozbawia sprężarkę 0,5 procent mocy efektywnej, jak pokazano na rysunku 14. Na przykład wzrost spadku ciśnienia o zaledwie 3 psi w separatorze oleju z powietrza w jednostce o mocy 200 KM może w niektórych przypadkach zwiększyć koszty nawet o 1460 USD rocznie. 

Separator oleju z powietrza

Praktyczna zasada:

1 psi ΔP = 0,5% KM

Wniosek

Stosując podejście do kompresorów oparte na ekosystemach, staje się jasne, że system jest tak dobry jak jego „najsłabsze ogniwo”. Jeśli jeden element filtracyjny zostanie naruszony, może to niekorzystnie wpłynąć na inne komponenty, a ostatecznie na cały system. Oleje sprężarkowe są olejami zaawansowanymi technologicznie i są droższe niż standardowe smary, dlatego właściciele układów sprężarek mają ważne powody, aby zminimalizować straty i zmaksymalizować wydajność. Zwiększona wydajność sprzyja oszczędnościom kosztów i mniejszej liczbie zmartwień dla operatorów / właścicieli instalacji. Dzięki technologii i wsparciu technologicznemu firmy Donaldson właściciele sprężarek mogą znaleźć rozwiązanie oparte na ekosystemie produktów, które odpowiednio pasuje do elementów filtrujących, aby pomóc im zoptymalizować wydajność.

Przepisy dotyczące wydajności sprężarek

Poprawa wydajności sprężarek staje się coraz ważniejsza dla właścicieli instalacji ze względu na ostatnie zmiany przepisów. W grudniu 2016 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) opublikował normy wydajności energetycznej dla rotacyjnych sprężarek powietrza. DOE szacuje, że sprężarki spełniające wymogi nowych norm pozwolą zaoszczędzić 0,16 tryliona BTU przez sprężarki sprzedawane w ciągu 30 lat lub około 15,6 miliarda kilowatogodzin, co przyniesie oszczędności netto w wysokości od 200 do 400 milionów USD w przypadku sprężarek zakupionych w tym okresie. To zmniejszenie zużycia energii zapobiegnie również emisji szacowanej na 8,2 miliona ton CO₂ w tym samym okresie.

Canadian Standards Association opublikowało również dokument mający na celu ulepszenie pomiaru wydajności sprężarki (C837-16 „Monitorowanie i wydajność energetyczna systemów sprężonego powietrza”). Norma ta określa informacje, które należy zgromadzić oraz sposób pomiaru lub obliczania parametrów systemu, takich jak moc, energia, przepływ, ciśnienie i wydajność produkcji, przy użyciu jednolitych, zatwierdzonych i powtarzalnych metod pomiaru. Zawiera wskazówki dotyczące określania metod ustalania wskaźników wydajności energetycznej i bazowych poziomów energii, które mają być stosowane jako część ogólnego systemu zarządzania energią. W przypadku układów sprężonego powietrza podano szczegółowe wymagania określające spójną metodologię pomiaru, szacowania i raportowania wydajności energetycznej.

Unia Europejska opublikowała dyrektywy dotyczące ekoprojektu z wymaganiami w toku. Dyrektywa stanowi następująco: „Na etapie projektowania produktów związanych z energią należy podjąć działania, ponieważ wydaje się, że zanieczyszczenia powstałe podczas cyklu życia produktu są określane na tym etapie, a większość związanych z tym kosztów jest wtedy realizowana… Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych poprzez zwiększenie efektywności energetycznej powinno być uważane za priorytetowy cel ekologiczny do czasu przyjęcia planu roboczego”. - Zintegrowana polityka produktowa: Bazowanie na ekologicznym myśleniu w kategoriach cyklu życia produktu (Dziennik Unii Europejskiej).