Енергоефективна пневматика

Намаляването на енергийното потребление е водещ приоритет във все повече промишлени предприятия. Машините и процесите, които консумират прекалено много електроенергия, постепенно се извеждат от експлоатация, тъй като в дългосрочен план финансовите щети за предприятията вследствие на енергийни загуби са твърде високи. Тъй като пневматичните системи са изключително широко използвани в индустрията, техният дял от общата консумация на промишлените съоръжения обикновено е доста голям. Ето защо е от критично значение енергийната им ефективност да се оптимизира с всички възможни средства.

За съжаление, в някои технически среди все още битува схващането, че пневматичната техника поначало е неефективна и вследствие на тази заблуда се пренебрегват сериозни възможности за повишаване на коефициента й на полезно действие. В миналото предприятията се интересуваха единствено от това дали пневматичните механизми работят. Твърде малко усилия се влагаха в правилното оразмеряване на компонентите и регулиране на налягането в системата. В модерните съвременни производства обаче подобни практики са недопустими, тъй като енергията е един от най-ценените ресурси. 

С правилната стратегия за повишаване на енергийната ефективност на пневматичните компоненти и механизми обаче предприятията могат да постигнат не само подобрена енергийна, но и ресурсна и икономическа ефективност, както и повишена производителност. Голяма част от факторите, водещи до неефективна работа и загуби на енергия в пневматичните механизми, могат да бъдат отстранени още във фазата на проектиране.

Потенциал за повишаване на енергийната ефективност
Някои производители на оригинално оборудване (OEM), които доставят индустриални машини и роботи на промишлените предприятия, се фокусират главно върху функционалността на своите решения, но не и върху оперативните разходи на клиентите си. Тези клиенти обаче все повече се интересуват от общата цена на притежание (TCO) на съответния продукт, а не само от необходимата първоначална инвестиция за закупуването му.

Енергийното потребление на пневматичните устройства е основен компонент от тази обща цена и може да достигне до 75% от нея. Бизнес моделите, базирани на производителност, но без да се отчита енергийната ефективност на индустриалните системи, машини и роботи, постепенно отмират, за да направят място на партньорските програми между производители и доставчици, фокусирани върху повишаване на енергийната ефективност на пневматиката.

Тя може да бъде оптимизирана както от производителите на оригинално оборудване, така и от техните клиенти – от фазата на проектиране до внасянето на подобрения в реални работещи системи. В пневматичните механизми могат да са налице множество причини за неефективна работа, но с прилагането на подходящи мерки за отстраняването им енергийната ефективност на системата може да бъде повишена с до 35%.

Минимизиране на утечките на сгъстен въздух
Утечките са често срещано явление в пневматичните системи и в системите за сгъстен въздух (или друг работен флуид под налягане). Много от тях могат да бъдат не само отстранени, но и предотвратени с правилна експлоатация на системата.

По данни на Енергийния департамент на САЩ, едно средно статистическо производствено съоръжение търпи загуби на сгъстен въздух в размер на 30 до 35% от общото количество, утилизирано в един работен цикъл на системата.

Има много точки между компресора и товара, в които утечките могат да бъдат коригирани или отстранени посредством уплътнители или вентили. Остарелите и повредени уплътнения и някои модели вентили със специфичен дизайн и метални уплътнители водят до възникването на постоянни вътрешни утечки при подаване на въздух в системата. Смяната на уплътненията с меки може значително да намали този тип утечки.

Важно е да се отбележи обаче, че консумацията на въздух на вентилите с метално уплътнение не се изменя по време на работа, както и че загубите от присъщите за твърдите уплътнители утечки са постоянни. Меките уплътнения, от друга стана, стават причина за много по-големи моментни утечки при превключване на вентила. Вземайки това предвид, общият обем на загубите на сгъстен въздух може да бъде значително намален с избор на правилната комбинация от вентили и уплътнения за съответното приложение.

Еднакво важно е да се отчетат факторите на работната среда (температура, влажност, вид на смазочно-охлаждащата течност или липсата на такава), тъй като те значително повлияват интензитета на изтичане на сгъстен въздух през дадено уплътнение.

Компресори и оразмеряване на компонентите
След утечките на сгъстен въздух, компресорите са следващата по важност област, която крие огромен потенциал за намаляване загубите на енергия и повишаване на ефективността. С целенасочени мероприятия за намаляване на енергийните загуби, причинени от неефективна работа на компресорите, може да се постигне значително повишаване на енергийната си ефективност и редуциране на общите разходи за електроенергия.

Правилното оразмеряване на компонентите на пневматичната система също е ключов подход за намаляване на разходите и оптимизиране на ефективността по множество начини, тъй като размерът на всеки компонент може да повлияе на други части на системата. Регулиращите вентили с по-малък от необходимия размер може първоначално да излязат по-евтини, но изискват въздушният компресор да работи с по-голяма мощност, за да подаде нужното налягане към задвижванията. Макар известно преоразмеряване да се прилага с цел компенсиране на колебанията в налягането и въздушните утечки, прекалено преоразмерените компоненти се явяват един от най-значителните причинители на енергийни загуби в пневматичните системи.

Предприятията спокойно можеха да си позволят подобни загуби преди години, когато цените на електроенергията бяха сравнително ниски. Излишното преоразмеряване в наши дни се избягва, особено при едромащабни промишлени системи, тъй като повишава не само експлоатационните, но и първоначалните разходи за закупуване на пневматичните компоненти. Тези компоненти са по-големи и тежки, което създава проблеми в системи, в които теглото или монтажното пространство са критични.

Намаляването на диаметъра на един пневматичен цилиндър например редуцира обема на консумирания въздух при всеки цикъл, при условие че все още генерира необходимата сила. В средностатистическите промишлени инсталации поне 15% от обема на въздуха могат да бъдат икономисани чрез компактни и икономични пневматични системи с правилно оразмерени цилиндри и клапани и оптимизирани номинални въздушни потоци. Това би позволило реализиране на енергийни икономии в размер на 15%. За да улеснят и подпомогнат процеса по адекватно оразмеряване на пневматичните компоненти, много производители предлагат различни онлайн инструменти и конфигуратори, както и калкулатори за съхранение на енергия, с чиято помощ проектантите могат прецизно да оразмерят компонентите спрямо изискванията на работното приложение.

Някои съображения при проектиране
Ако проектантът излишно преоразмери цилиндъра и вместо с диаметър 5 см избере такъв със 7,5 см, ще е необходим много по-голям от първоначалния обем въздух. Коректното оразмеряване на пневматичните цилиндри е изключително важно и поради факта, че са предназначени да сработват хиляди пъти в рамките на жизнения си цикъл. В общия случай повечето товари изискват само 25% допълнителен капацитет, за да се осигурят непрекъсната и безпроблемна работа при всякакви работни обстоятелства.

Правилното оразмеряване на компонентите в пневматичните транспортни системи е свързано с множество изчисления и съображения, например дали товарът в системата бива избутван, търкалян или повдиган и т. н. На пазара се предлагат специализирани софтуерни продукти, онлайн калкулатори и дори приложения за смартфон, с чиято помощ проектантите лесно могат да изчислят типоразмерите на необходимите компоненти.

Отделяйки повече време на етапа по проектиране на пневматичните механизми, производителите на оригинално оборудване могат значително да оптимизират енергийните разходи на клиентите си. Коректното оразмеряване на пневматичните компоненти в нови и съществуващи системи води не само до по-добри резултати за тях, но и до оптимизиране на операциите на самите производители. По-големите и тежки изделия с излишна презастраховка при размера изискват повече енергия и ресурси за производство и заемат повече място, а струват и повече на машиностроителните компании.

Оптимизиране на налягането
Пневматичните инсталации често работят с по-нисък КПД от електрическите, тъй като подават към задвижванията по-високо от необходимото налягане, което води до загуби на енергия. В повечето практически приложения на пневматична транспортна техника например цилиндрите или избутват, или теглят товара, но рядко са налице и двете действия. Повечето пневматични машини обаче често подават налягане с една и съща големина както за генериране на прав, така и на обратен ход, което е изключително неефективно.

Работата на пневматичните системи, влагани в индустриални машини и роботи, може да бъде оптимизирана посредством регулиране на въздушното налягане. Произвеждането на подходящото налягане за всяка отделна задача в пневматиката с помощта на регулатори на налягане може да намали потреблението на енергия на системата с повече от 25%, а в някои случаи – и до 40%. Т. нар. интелигентни регулатори например комбинират цифрова контролна електроника с пропорционални вентили. Тези устройства непрекъснато сравняват предварително зададените стойности за налягането в системата с моментните стойности, за да гарантират постоянно съответствие.

Интересен пример са пневматичните цилиндри, използвани в пресови машини за сглобяване. За пресоване на детайлите един към друг например се използват около 85 бара налягане на цилиндъра, като същото налягане се прилага и за изтегляне на незаредения цилиндър, макар самото действие да изисква не повече от 8 бара или около една десета от налягането за сглобяване. Добавянето на регулатор на налягане в системата между вентила и цилиндъра спомага за редуциране на налягането, използвано за прибиране на празния цилиндър до минимално необходимото. Така машината консумира до 40% по-малко енергия на работен цикъл, а необходимото време за възвръщане на инвестицията в новите компоненти е не повече от 2000 цикъла.

Част от налягането в пневматичната система се губи и от колебанията в потреблението на сгъстен въздух, хидродинамичното съпротивление на тръбните елементи, маркучите и вентилите и други експлоатационни фактори. Много от загубите обаче възникват само поради излишно голямото разстояние от въздушния компресор или точката, в която се подава въздух, до задвижването или крайния елемент на пневматичната система.

Проектирането на инсталации с минимална възможна дължина на тръбната система спомага за намаляване както на потреблението на енергия на пневматичната инсталация, така и на времената за цикъл. Обикновено маркучите и тръбите между контролните вентили и цилиндрите трябва да са дълги не повече от 3 м. Ако разстоянието между тези две точки на системата е по-дълго, се изисква повече налягане, за да не се компрометира правилното позициониране на товара.

Допълнителни съображения, свързани с обратния ход
Използването само на необходимото налягане за генериране на възвратен ход на пневматичните цилиндри е основен проблем, свързан с оптимизирането на енергийната ефективност на пневматичните инсталации. Системи, при които са налице по-кратки ходове, могат да използват пружинни задвижващи елементи за еднодействащите цилиндри. Контролният вентил при пружинните задвижвания подава налягане (използвайки сгъстен въздух) за работния такт (работната фаза на хода) и след това изпуска въздуха. По време на обратния ход пружината, или понякога само теглото на механизма, връща цилиндъра обратно в стартова позиция. Така механичните сили спомагат за икономия на енергия за генериране на налягане в пневматичната техника.

Интересно приложение, в което пружинно задвижване на еднодействащ пневматичен цилиндър може да повиши енергийната ефективност, са именно пресовите операции, особено при сглобяване на машинни елементи във възли. Такова приложение е асемблирането на лагери, при което се изисква сравнително голяма сила за пресоване на лагера в корпуса, но значително по-малка за връщане на буталото на пресата в изходна позиция. В такива системи оптимизирането на енергийната ефективност чрез намаляване на силата, използвана за генериране на възвратен ход, е основна мярка за намаляване на потреблението на електроенергия на пневматичната индустриална техника.

Важна, но често пренебрегвана полза от инициирането на мероприятия за регулиране на налягането в пневматичните системи е намаляването на износването на пневматичните и свързаните с тях компоненти. Когато даден ход на буталото на пневматичен цилиндър не се изпълнява с прекалено голямо за целта налягане например, вибрациите и шокът за механичното оборудване са значително по-малки. Това удължава експлоатационния живот на машините с пневматични задвижвания, същевременно повишавайки ефективността и производителността им. Последното може да се постигне и в по-голяма степен с добавянето на клапани за бързо изпускане на налягането, които съдействат за сериозно съкращаване на времената за цикъл. Този ефект възниква вследствие на това, че скоростта на цилиндъра пряко зависи от това колко бързо се осъществява възвратният ход на машината, за да приключи настоящият работен цикъл и да започне следващият.

Автоматично ограничаване подаването на въздух
Основен метод за елиминиране на излишното потребление на енергия, свързано с подаване на по-голямо от необходимото налягане, е именно регулирането на налягането в пневматичната система. Практика при много производители на пневматична техника е да проектират системите така, че да подават излишно голямо налягане към задвижващите механизми. Друг път причината за използване на по-голямо от необходимото налягане възниква локално в полевото приложение на пневматичната система. Някои оператори съзнателно увеличават подаването към задвижванията налягане, погрешно смятайки, че това повишава производителността на системата. Единственият резултат от това действие обаче са загубите на енергия и средства.

Съвременно решение на този проблем е внедряването на сензори за мониторинг на налягането в пневматичната система в комбинация с регулатори на налягане, които да поддържат необходимите стойности на налягането в инсталацията. Регулаторите на налягане за пневматични цилиндри регулират нивото на подаваното към цилиндъра налягане, като така повишават енергийната ефективност на системата.

Друг подход към намаляване на енергийното потребление на индустриалната пневматична техника е логичното изключване на машините, когато не се използват. За тази цел се използват автоматизирани системи за спиране на подаването на въздух към оборудването, което не е необходимо да работи в момента. Намаляването на персонала в много предприятия за сметка на повишаването на степента на автоматизация означава, че служителите, доскоро отговорни за ръчното спиране на тези машини, могат да се заемат с по-отговорни дейности и да оставят тази задача на средствата за автоматизация.

Макар някои елементи на пневматичните системи да изискват налягане дори при спряна машина, това налягане обикновено е много по-малко от работното. В такива случаи се използват автоматизирани системи за ограничаване, а не за спиране изцяло на подаването на налягане в системата.