Енергийна ефективност на хидравлични задвижвания

В днешни дни изразът енергийна ефективност обикновено се свързва с екологосъобразни или “зелени” технологии, особено що се отнася до природните ресурси. Концепцията за ефективност включва възползването от различни източници на енергия и същевременно ограничаване на отпадъците, свързани с процесите, които използват или преобразуват тази енергия.

Когато става дума за ефективност на хидравлични системи, трябва да се имат предвид няколко фактора като например изискванията на машините и хидравличната мощност на двигателите и помпите. Най-общо казано, хидравликата не е изключително ефективна технология, тъй като в процеса на преобразуване на мощността се губи значително количество енергия.

Въпреки това, все пак е възможно хидравличната ефективност да бъде дефинирана, тъй като тя е резултат от напредъка, постигнат в проучването на различни материали и конструкции, позволяващи производството на нови системи с все по-добри енергоефективни характеристики.

Категории на ефективност

Има няколко различни категории на ефективност, които трябва да се вземат предвид при обсъждането на хидравлични помпи и двигатели – обемна ефективност, хидравлична ефективност, механична ефективност и обща ефективност.

Обемната ефективност се определя като действителният дебит, произведен от помпа при определено налягане, бъде разделен на теоретичния. Теоретичният дебит се използва за определяне на състоянието на дадена хидравлична помпа по отношение на вътрешни течове, дължащи се или на конструкцията, или на износване и/или повреда. Въпреки че механичната и хидравличната ефективност понякога се групират в една категория (хидромеханична ефективност), механичното триене включва загуби на енергия, които възникват при механичните уплътнения, носещата рамка и салника, докато хидравличната ефективност отчита фактори като триенето на флуида и други загуби, които възникват в рамките на спиралния кожух (дифузьор) и работните колела. Загубите на налягане и загубите от триене сред тези различни компоненти могат да повлияят негативно на хидромеханичната или механичната/хидравличната ефективност на системата.

Общата ефективност на двигателя или помпата е произведението, а не средната стойност, на обемната, хидравличната и механичната й ефективност. Най-просто казано, общата ефективност определя колко добре машината може да си свърши работата по преобразуване на енергия от една форма в друга.

Този процес на преобразуване е практически невъзможен за изпълнение, без да възникнат някакви загуби на енергия (или топлина) в хода му. Например хидравличните машини преобразуват електрическата енергия в механична. След това механичната енергия трябва да се преобразува в хидравлична, която накрая се преобразува обратно в механична. Всяка стъпка от този процес води до частични загуби, които се измерват и изчисляват като процент от гледна точка на ефективността на системата. С други думи, може да се произведе определено количество използваема хидравлична енергия, но в процеса частица, пропорционална на ефективността на машината, ще бъде загубена като чиста топлина.

Загубите със сигурност са по-високи при по-старите машини, които са съставени от по-стари компоненти, което означава, че с времето ефективността на помпите и двигателите намалява. За хидравличните системи обаче са характерни значителни течове, дължащи се на обилното смазване на многото компоненти, използвани в конструкцията на машината. Освен това течовете са по-лоши при някои двигатели, ако те работят извън оптималната си крива на въртящ момент и скорост.

Като се вземат предвид големите хлабини и по-голямото количество подвижни части, свързани с хидравличните агрегати, вече може да се определи загуба на топлинна енергия, свързана с налягането и дебита на течовете. Хидравличната ефективност се понижава още, като към топлинните загуби се добави екстензивното триене на флуида в помпите, клапаните и тръбопроводите, което кара хидравличните системи да губят мощност.

Причини за използване на хидравлика

Първо, хидравликата има естествени предимства пред електромоторите и помпите поради теглото и възможностите. Второ, ако ефективността на системата се разглежда като непрекъснато развиваща се цел, а не като установено състояние, може да се съобрази как управляемите променливи, включително правилното проектиране на системата, подходящото оразмеряване на компонентите и съвременната технология, могат да увеличат енергийната ефективност на хидравличните машини.

По отношение на първото описано съображение хидравличните задвижвания имат предимство по размер и тегло спрямо електродвигателите, което допринася за пестенето на енергия. Двигателят на хидравличната помпа може да се оразмери спрямо средното натоварване, което системата е предназначена да понесе, вместо спрямо върховия товар на системата, както е необходимо при електромеханичните системи. По принцип хидравличните агрегати се захранват от значително по-малки двигатели с по-ниско тегло от това на двигателите, използвани при електромеханичните модели. Освен това с правилните клапани хидравличните агрегати също имат способността да променят въртящия момент и скоростта и да обръщат посоката, което позволява по-широк спектър от приложения и съответно по-висока мотивация за използване. За сравнение, електродвигателите ще се нуждаят от невероятно сложни електронни устройства за управление, за да притежават същите характеристики.

Ефективни компоненти и цялостен дизайн

Напредъкът в технологиите както по отношение на научноизследователската дейност, така и на това какви материали се използват ще бъде насочен към подпомагане на функционирането на хидравличните агрегати по по-енергийно ефективен начин. Тъй като на хидравличните агрегати се разчита при безброй търговски и индустриални операции в редица промишлени сектори, непрекъснато се полагат усилия да се направят конструкциите и технологиите на компонентите по-усъвършенствани, с подобрени експлоатационни характеристики и по-ниска цена.

Когато става въпрос за инвестиране на много финансови средства в замяна на забележима разлика в качеството, помпата е особено важен компонент, който трябва да се има предвид. Например висококачествена бутална помпа може да бъде с ефективност от около 95%, което е значително повече от тази на старите зъбни помпи. Освен това тя създава 80% по-малко загуби, което намалява изискванията за охлаждане. Накратко, буталните помпи в момента са сред най-ефективните модели, предлагани на пазара.

През последните години са въведени нови функции на хидравличните помпи, отнасящи се до някои от критичните проблеми с управлението, които влошават ефективността на хидромеханичните системи. Една такава функция е компенсацията на налягането, която позволява настройката на дадена помпа на определено налягане в режим на готовност. Това означава, че помпата може да намали отместването си, за да съответства на пада на налягането или потока надолу по веригата, и автоматично ще генерира нужния дебит при определено налягане. Ако е необходимо да се приложи по-ниско налягане за определена операция, може да се използва помпа със сензор за натоварване. Благодарение на допълнителен компенсатор, поставен след дозиращия вентил, помпата може да измери налягането на товара и да го сравни с компенсаторното налягане, като така осигури дебита и налягането, необходими на задвижването и веригата. Това ефективно управление на налягането и дебита води до сравнително нисък процент загуби.

Изборът на хидравлични задвижвания също се отразява на общата ефективност на хидравличната машина. Когато става въпрос за оптимален хидравличен двигател, то трябва да се има предвид радиален бутален или аксиален двигател с бутало, които имат съответно около 95% и 90% ефективност. Не е изненадващо, че лопатковите, зъбните и орбитални двигатели са с по-ниска цена, но са и с по-лоши характеристики по отношение на енергийната ефективност. Това е основното съображение при хидравличните двигатели.

При модерните хидравлични системи производителите въвеждат и други по-енергийно ефективни компоненти, включително клапани, филтри, уплътнения и флуиди, които помагат да се елиминират отрицателните въздействия от триенето.

Следващата стъпка за постигане на енергийна ефективност изисква усъвършенстване на метода за електрохидравлично управление на движението, така че множеството задвижващи механизми да работят заедно плавно и координирано, за да повишат скоростта и производителността на хидравличната машина. Усъвършенстването на технологията за управление, включително компоненти като регулатори на налягането, контролери на осите, преобразуватели и честотни регулатори, оптимизират динамичните характеристики и влияят на общата ефективност. Честотните регулатори, на които разчитат повечето съвременни управления на хидравлични помпи с променлива скорост, могат точно да контролират скоростта на помпата и ще стартират само ако или когато веригата изисква поток.

Фиксирана или променлива скорост

Традиционната хидравлика работи непрекъснато с постоянна скорост, за да генерира необходимата мощност за функционирането на дадена машина. В тези вериги електрическият мотор обикновено работи със своята номинална скорост, например 1800 об./мин., и задвижва помпа с фиксирана скорост. Помпата, от своя страна, се върти непрекъснато и генерира поток, без да се отчита действителната мощност, необходима на машината във всеки даден момент. Различният хидравличен поток, който изисква една машина, се регулира чрез вътрешни механизми за настройка в помпата или чрез отклоняване на излишния поток обратно към резервоара.

През годините иновациите подобриха ефективността на помпените вериги с фиксирана скорост, но прилагането на техники с променлива скорост повишава потенциалните икономии на енергия до ново ниво. Такива системи използват честотни регулатори, за да въртят помпите с най-ефективната им скорост – често по-малка от 200 об./мин., като осигуряват само хидравличната мощност, която процесът изисква във всеки един момент. В зависимост от приложението това може да доведе до икономия на енергия между 30 и 80% в сравнение с работа с фиксирана скорост, без да се жертва производителност или да се ограничи работното налягане. В допълнение, по-ниската консумация на енергия косвено намалява емисиите на CO2, което помага на компаниите значително да намалят въглеродния си отпечатък.

Работата на помпата и двигателя с по-малка от пълна скорост също така означава, че те генерират по-малко шум. В някои случаи шумовите емисии са намалени с до 20 dB. Това елиминира потенциалните опасности за работниците и необходимостта от защитни мерки за персонала. Като следствие от това разходите и времето за внедряване на вторичните мерки за ограничаване на шума или заглушаването му съответно намаляват. Това допринася за потенциалната възвръщаемост на разходите за честотни регулатори, помагайки за изплащане на инвестицията в сравнително кратък период.

Поради по-ниския разход на енергия друго предимство е, че хидравличната течност не се нагрява прекомерно. В много случаи е възможно да се елиминират топлообменниците или вентилаторите за охлаждане на захранващия блок. Това, от своя страна, позволява по-компактен дизайн, който може да намали сложността на системата и съответните разходи. Пускането в експлоатация става по-лесно и бързо, а отстраняването на проблеми и поддръжката са опростени. Не на последно място, задвижванията на помпата с променлива скорост могат да бъдат интегрирани в съществуващо оборудване без големи изменения, като по този начин позволяват да се повиши енергийната ефективност в машините, които вече са инсталирани в производственото предприятие.

Типични приложения на помпи с променлива скорост

Задвижванията с помпи с променлива скорост не са оправдани за всяка хидравлична система. Но инженерите трябва да ги имат предвид всеки път, когато машинният цикъл има колебаещи се потоци. Интелигентните сервозадвижвания засичат енергийните нужди и регулират скоростта, а следователно и консумацията на енергия от електродвигателите. Колкото повече време прекарва една машина в условия на частично натоварване, толкова по-големи са потенциалните икономии на енергия. Приложения, при които задвижването на помпи с променлива скорост предлага значителни икономии на енергия, включват: металорежещи машини, машини за обработка на пластмаси, леене под налягане, преси, дървообработване и производство на хартия.

Например задвижванията на помпите с променлива скорост в машини за обработка на пластмаси намаляват загубите при задържане на налягане по време на паузи и работа под частично натоварване. Високоефективните агрегати ускоряват два пъти по-бързо от конвенционалните помпи с променлива скорост, скъсявайки времето на производствения цикъл за по-висока производителност. Цифровото управление на скоростта гарантира висока повторяемост, а настройките компенсират загубите от течове, свързани с налягането. С усъвършенстван контрол на налягането в затворен контур са възможни бързи промени в стойността му, като в същото време се свеждат до минимум спадовете или пиковете. Чрез софтуер дори може да се предотврати кавитация при промяна от високо към ниско налягане.

В машините за леене под налягане с гореща камера управлението на затворения контур коригира отклоненията в налягането и скоростта и компенсира загубите от течове в помпата. Освен това може да опрости хидравличната верига.

При автоматизиран процес на пресоване управленията с променлива скорост ефективно генерират необходимия поток. В допълнение, задвижванията подобряват ефективността, като премахват загубите от дроселиране в контролните участъци. Необходимият поток на масло прецизно се измерва, а електродвигателят се изключва, когато пресата не се нуждае от поток или налягане. При ретрофит на съществуващи преси съществено се подобрява капацитетът на машината, като същевременно значително намаляват разходите за енергия и отделящият се шум.

При непрекъснатото производство на хартия задвижванията на помпите с променлива скорост могат значително да подобрят енергийната ефективност. Например по време на функции за задържане на налягане при навиване на хартия интелигентното намаляване на скоростта спестява до 60% от електроенергията в сравнение със силови агрегати с нерегулирани двигатели с фиксирано преместване. В същото време задвижванията на помпите с променлива скорост могат да работят по-бързо, което означава, че те са с по-малък размер и с по-ниски изисквания за охлаждане. По този начин те намаляват експлоатационните разходи и изискванията за пространство.

Във всички тези приложения задвижванията на помпите с променлива скорост поддържат надеждността и мощностната плътност на хидравликата и ги комбинират с гъвкавостта на електрическите задвижвания. Разширените опции за диагностика на тези устройства със затворен цикъл също отварят допълнителни опции за предотвратяване на скъпи повреди на машината, благодарение на мониторинга на състоянието.

Винаги трябва да се има предвид възможността за усъвършенстване на съществуващите машини в предприятието чрез подмяна на агрегатите с фиксирана скорост с помпи с променлива скорост. Това позволява на потребителите бързо да намалят консумацията на енергия, без да се налага да инвестират в ново оборудване. Предлагат се симулационни програми, които оценяват хидравличните вериги на машината и определят възможните спестявания, преди да се инвестира в хардуер. И тъй като съществуващите хидравлични вериги често остават непроменени, подмяната може да се направи с изненадващо малко усилия.