pneumatyczne Generatory próżniowe Venturiego od dawna są realną opcją dla szybko reagujących, zlokalizowanych systemów zasilanych próżniowo. Przez ostatnią dekadę uważano je za wygodne i elastyczne rozwiązania o krótkim czasie reakcji. Nie były one jednak uważane za energooszczędne, prawdopodobnie ze względu na zastosowanie sprężonego powietrza. Rozbudowany rozwój produktów z wykorzystaniem tego sprzętu, w szczególności kluczowych akcesoriów systemowych, często utrudnia wybór najbardziej energooszczędnych elementów w wielu lokalnych operacjach. W tym artykule przyjrzymy się prawidłowej aplikacji i kontroli generatorów próżniowych Venturiego, w tym krótkiemu wprowadzeniu do technologii i studium przypadku z obliczeniami energii.
Kiedy XVIII-wieczny włoski fizyk Giovanni Venturi odkrył, że gdy powietrze jest przepychane przez stożkową dyszę, jego prędkość wzrasta, a ciśnienie spada, ani on, ani nikt inny nie mógł sobie wyobrazić, że ostatecznie powstanie jeden z najczęściej używanych i najbardziej kontrowersyjnych produktów w przemyśle — Generator próżni Venturiego.
wielu użytkowników końcowych, poprzez dezinformację, nie rozumie w pełni korzyści płynących z tego produktu, lub — co ważniejsze — ograniczeń. Aby jeszcze bardziej zmylić problem, różni producenci nazywają je różnymi nazwami (tj. pompy, eżektory, pompy z przetwornikiem próżniowym itp.). Najbardziej akceptowaną ogólną nazwą kategorii jest naszym zdaniem Venturi vacuum generator, który dokładnie opisuje to, co robi.
dla niektórych jest to najwspanialsza rzecz od krojonego chleba. Dla innych jest to ciągłe marnowanie powietrza. W świecie rzeczywistym prawda leży gdzieś pomiędzy tymi skrajnościami, w zależności od zastosowania. Ciągły rozwój produktów przez liderów branży sprawił, że produkty te, po odpowiednim zastosowaniu, są nie tylko wygodne i elastyczne, ale często najbardziej energooszczędne.
Jak działają Generatory próżniowe Venturiego?
w swojej najprostszej formie jednostopniowy Generator Venturiego przepuszcza powietrze przez stożkowy otwór Venturiego. Gdy sprężone powietrze opuszcza stożkowe ograniczenie kryzy do większych otwartych linii, ciśnienie spada, a prędkość wzrasta. Intensywność jest taka, że powstaje podciśnienie (niższe ciśnienie niż ciśnienie powietrza otoczenia), a powietrze, które ma być ewakuowane z procesu, jest wciągane do przepływającego strumienia powietrza i wydmuchiwane.
Generator próżni Venturiego ma wiele zalet, w tym:
- brak wibracji
- brak wytwarzania ciepła
- brak ruchomych części
- podciśnienie włącza się i wyłącza natychmiast z dopływem powietrza
- bardzo dobrze toleruje agresywne warunki
- niski koszt
- szybka naprawa lub wymiana
- może być umieszczony bardzo blisko procesu, zmniejszając ilość powietrza ewakuacyjnego i oferując krótszy czas cyklu
- lekki i mobilny
- szybki czas wymiany serwisowej i/lub części
Rysunek 1: typowy jednostopniowy Generator podciśnienia Venturiego
jednostopniowe Generatory podciśnienia wykorzystują sprężone powietrze, przyspieszając je przez rurkę ogranicznika w celu wytworzenia efektu Venturiego, który usuwa wymaganą objętość powietrza. Te jednostopniowe Generatory zwężek Venturiego są nieco ograniczone pod względem możliwości wydajnego dopasowania do wielu zastosowań, ponieważ ich podstawowa konstrukcja jest dostosowana do najwyższego przepływu lub największej wymaganej objętości opróżniania. Zazwyczaj ten typ generatora podciśnienia ma stosunek zużycia sprężonego powietrza (scfm) do przepływu podciśnienia (szybkość, z jaką ciśnienie atmosferyczne jest usuwane z systemu) nie lepszy niż 1:1, a czasami nawet 2 lub 3:1.
Rysunek 2: typowy wczesny wielostopniowy Generator próżni Venturiego
wielostopniowe Generatory próżni zostały opracowane w celu poprawy tej wydajności w wielu zastosowaniach. Jednostki wielostopniowe wykorzystują serię eżektorów i dysz, które umożliwiają rozszerzanie sprężonego powietrza w kontrolowanych stopniach. Zwykle poprawia to stosunek zużycia sprężonego powietrza do przepływu podciśnienia do poziomu około 1: 3 lub lepszego. Urządzenia wielostopniowe są również znacznie cichsze i mogą rozwijać podciśnienie przy niższym ciśnieniu. Wydajność ta zmniejszy przepływ sprężonego powietrza wymagany w tych samych warunkach i / lub skróci czas reakcji i zwiększy produktywność.
Rysunek 3: Współosiowe wielostopniowe Generatory próżni zapewniają skuteczne współczynniki usuwania próżni powietrza.
Coaxial jest wielostopniowym generatorem próżniowym z wielostopniowymi zaworami zainstalowanymi wokół współosiowo pokrytej rury, która znacznie usprawnia profil przepływu przez generator. Ta konstrukcja pozwala koncentrycznemu wkładowi spełnić i dostarczyć wiele różnych wymagań dotyczących przepływu i ciśnienia. W wielu przypadkach wkład koncentryczny wewnątrz korpusu generatora można wymienić na inny, aby umożliwić temu samemu sprzętowi spełnienie różnych warunków przy optymalnej wydajności energetycznej przy stosunkowo niskich kosztach.
najlepsze praktyki w zakresie efektywności energetycznej
podobnie jak w przypadku wielu produktów, które nie wymagają bardzo dużych nakładów inwestycyjnych, Generatory próżniowe Venturi, prawidłowo (lub niewłaściwie) stosowane i eksploatowane, mogą mieć znaczący wpływ na koszty energii.
przyjrzyjmy się podstawowej charakterystyce działania generatorów podciśnienia pod względem efektywności energetycznej sprężonego powietrza. W przeciwieństwie do mechanicznych pomp próżniowych, których pobór energii spada, gdy poziom próżni spada poniżej 14″ Hg, Generatory próżni napędzane powietrzem zawsze zużywają więcej sprężonego powietrza, aby osiągnąć niższą próżnię, ponieważ musi pozostać włączone (przepływające powietrze) dłużej. W rzeczywistości przeciętny Generator próżni Venturiego będzie wymagał 10 razy więcej energii, aby zwiększyć poziom próżni z 18″ do 27″ Hg.
dlatego zawsze jest zaletą operacyjną, aby:
- zidentyfikować najniższą wymaganą próżnię, przytrzymać ją i starać się jej nie przekraczać.
- Osiągnij ten poziom tak szybko, jak to możliwe.
- Uruchom automatyczne wyłączanie sprężonego powietrza, jeśli to możliwe, raz na wymaganym poziomie.
aby to osiągnąć, konieczne są pewne ważne dane:
- całkowita objętość systemu do ewakuacji — linie, kubki, przecieki itp.
- jaki jest minimalny wymagany optymalny poziom podciśnienia? Jest to bardzo ważne i warte przetestowania, jeśli jest to wymagane.
- jak szybko musisz dotrzeć do tej próżni?
- czy przewidujesz jakieś zmiany w wymaganym czasie cyklu w najbliższej przyszłości? Informacje te pozwolą na prawidłową identyfikację wielkości linii i właściwy dobór pompy wielostopniowej.
- jakie rodzaje kontroli są potrzebne? Jakie są ograniczenia?
Generatory próżniowe Venturiego powinny być umieszczone jak najbliżej (lub włączone) rzeczywistego procesu:
- skuteczny generator Venturiego zapewnia dużą elastyczność w zdecentralizowanym systemie, gdy jest dobrze kontrolowany.
- z systemem zdecentralizowanym i generatorami Venturiego zamontowanymi blisko przyssawek, straty (spowodowane przez węże, zakręty, złączki, zawory, filtry itp.) są eliminowane.
- gdy wdrożona zostanie właściwa strategia projektowania systemu, skorzysta on z możliwości generatora próżni Venturiego znajdującego się w pobliżu procesu, aby szybko zareagować i szybko wyciągnąć wymaganą próżnię, a następnie w miarę możliwości wyłączyć dopływ powietrza.
- wykorzystując najnowocześniejsze Generatory próżniowe Venturiego (ze sprężonym powietrzem o niskim ciśnieniu wlotowym, automatycznym wyłączaniem dopływu powietrza, zmniejszonym rozmiarem i lepszym wyborem kubków w celu wykorzystania najniższego możliwego poziomu próżni), przejście na centralny system próżniowy rzadko jest skutecznym wyborem pod względem wykorzystania sprężonego powietrza, zużycia energii i poprawy wydajności.
właściwe zastosowanie technologii próżniowej w celu zmniejszenia kosztów energii
niedawno opracowany wielostopniowy współosiowy może być odpowiednio zastosowany do obniżenia ciśnienia sprężonego powietrza wlotowego, co powoduje mniejsze zużycie sprężonego powietrza do generowania podobnego poziomu próżni. Pompy koncentryczne są często wymienne z korpusem, co pozwala na łatwą i ekonomiczną zmianę wydajności w celu dopasowania do nowych sytuacji(np.).
większość czasu ewakuacji wynosi od 12″ Hg i głębszej próżni. Wzrost poziomu próżni z 18 „do 27” Hg jest 10 razy większy. Dlatego w miarę możliwości należy stosować niższy poziom podciśnienia przy większych kubkach. Odpowiedni dobór kubka jest bardzo ważny dla optymalizacji kosztów operacyjnych i produktywności, a nowa technologia przyssawek wciąż rozszerza możliwości.
Rysunek 4: większe kubki przy niższych poziomach próżni obniżają koszty energii i zwiększają siłę trzymania. Mniejsza siła na kubku = dłuższa żywotność.
|
rysunek 5: Generator próżniowy venturiego z automatycznym startem/zatrzymaniem
|
Kiedy musisz uruchomić generator próżni, wykorzystuje on sprężone powietrze. Z drugiej strony, po osiągnięciu pełnej próżni, bardzo energooszczędne jest wyłączenie przewodu powietrznego do próżni i, przy odpowiednim zaworze, przytrzymanie próżni bez użycia powietrza. Niektóre materiały porowate na to nie pozwolą, ale wiele materiałów to robi.
wiele razy te sterowanie odbywa się za pośrednictwem oprogramowania PLC dostarczonego przez producenta maszyny. Istnieją również Generatory podciśnienia z automatycznym sterowaniem całkowicie zintegrowanym z obudową generatora.
istnieje bardzo częsty błąd, który odkrywamy podczas pełnej analizy systemu instalacji. Personel zakładu powinien wyłączyć generator podciśnienia, gdy nie jest potrzebny — więc zamyka linię podciśnienia do procesu, a sprężone powietrze nadal dmucha. Okazuje się to oczywiste przez ponad 40% czasu w sytuacjach takich jak: właśnie dostarczone nowe maszyny produkcyjne; starsze maszyny produkcyjne, których systemy zostały zmodernizowane; i nowo zainstalowane pneumatyczne systemy generatorów Venturiego w starszych maszynach produkcyjnych. Ostateczną ironią jest to, że w wielu przypadkach znajdujemy kontrolę odcięcia na linii powietrza na niektórych, a na linii próżniowej innych na tej samej maszynie.
Rysunek 6: odciąć dopływ powietrza, a nie linię próżniową.
Case Study: Automatyczna kontrola Paletyzatorów zrobotyzowanych
podczas niedawnego audytu zakładu dokonano przeglądu zestawu sześciu paletyzatorów na końcu linii pakujących. Każdy paletyzator ma zrobotyzowane ramię z sześcioma przyssawkami i dwoma generatorami próżni Venturiego, pracującymi i ciągnącymi 6 cfm przy 60 psig.
program miał ramię robota podnieść arkusz poślizgu z boku i przytrzymać, aż sygnał z palety aktywowany. Następnie odkładano i wypuszczano arkusz ślizgowy,a powietrze wyłączano. Ramię robota natychmiast podeszło do stosu i podniosło kolejny arkusz ślizgowy, trzymając go do następnego sygnału zwalniającego.
wynik ten był średnio ponad godzinę trzymania i ruchu ze sprężonym powietrzem na 52 sekund i średnio 9,3 sekundy ruchu przy wyłączonym powietrzu. Średni czas cyklu wynosił 61,3 sekundy.
Rysunek 7: paletyzatory linii pakujących z automatycznym wyłączaniem generatora Venturiego
podstawowe dane eksploatacyjne obejmują:
- godziny produkcji = 6240 rocznie
- Mieszana roczna moc = $0,115/kWh
- dwa jednostopniowe generatory próżni przy 6 SCFM każdy; pełny przepływ przy 60 psig na paletyzator w sumie 12 SCFM na jednostkę
- czas włączania/wyłączania powietrza ogółem = 52 sekundy włączone + 9,3 sekundy wyłączone = 61,3 sekundy
- roczne godziny pracy powietrze i ssanie włączone: 85% czasu x 6240 godzin = 5304 godzin/rok
- średni cfm: 52 sekundy ÷ 60 sekund = 87% przepływu przy pełnym obciążeniu / 5,2 scfm każdy zawór otwarty, lub 10,4 scfm dla 2
- roczny koszt eksploatacji energii elektrycznej: 10,4 ÷ 4 każdy/scfm = 2,6 km dla każdego paletyzatora, lub 2,6 km x .746 ÷ .90 = 2,16 kW energia wejściowa
- 2,16 kW x $0.115 / kWh x 5,304 godzin / rok = $1,318 / rok na jednostkę
- Razem dla sześciu jednostek = $7,908 / rok
naszą pierwszą propozycją dla zakładu była zmiana oprogramowania tak, aby profil operacyjny był włączony tylko przez 15 procent czasu i wyłączony przez 85 procent czasu. Zapewniło to potencjalne roczne oszczędności energii elektrycznej w wysokości:
- 2.16 kW x $0.115/kWh x 936 godzin = $233/rok
- $1,085/rok oszczędności energii elektrycznej dla każdej jednostki ($6,510/rok dla sześciu jednostek)
To było tylko obliczanie oszczędności energii elektrycznej, która natychmiast trafia do dolnej linii. Nie uwzględniono innych kosztów sprężonego powietrza (tj. konserwacji, napraw, amortyzacji itp.). Odpowiedź była natychmiastowa: „nie ma mowy, aby ktokolwiek dotknął tego oprogramowania. Ta maszyna została wyprodukowana za granicą i nikt tutaj nie jest na niej szkolony. Koniec dyskusji.”
nasza następna sugestia miała trochę więcej ugryźć. Zastąp obecne Generatory próżniowe Venturiego jednym zintegrowanym systemem generatora próżni z wbudowanym systemem automatycznego wyłączania. Produkt tego typu jest generatorem próżni Venturiego zapakowanym w Akcesoria do automatycznego wyłączania dopływu powietrza po osiągnięciu docelowej próżni i ponownego uruchamiania (jeśli jest to wymagane), aby utrzymać próżnię. Pełna automatyczna kontrola jest wykonywana w zespole generatora podciśnienia i nie ma wymogu modyfikowania ani dotykania oprogramowania sterującego maszynami hosta. Przy tych samych warunkach pracy mamy teraz następującą analizę kosztów operacyjnych energii elektrycznej dla wykorzystania sprężonego powietrza:
- godziny produkcji 6240 rocznie
- Współczynnik Mocy 0 USD.115/kWh
- jeden automatyczny generator próżniowy Venturiego o pełnym obciążeniu przepływu = 10,4 scfm przy 60 psig
- czas ssania: 85% z 6240 godzin / rok = 5304 godzin/rok
- generator sprężonego powietrza o czasie 0,7 sekundy / 50 sekund/0,12 minuty = 0,72 minuty/godzinę
- 0,72 minuty na godzinę (0,72 ÷ 60)=.012% godzin
- 5304 godzin produkcji lub 5304 x .012 = 64 godziny/rok powietrze na
Średni przepływ scfm
- pełny przepływ obciążenia 10,4 scfm
- rzeczywisty przepływ .012 minuta = 10,4 scfm x .012 dla125 scfm każdy generator
- łącznie dla sześciu jednostek = .750 scfm (÷4 km/CFM mocy wejściowej) dla .187 średnie km (x .746 ÷ .9 ME) 0.155 średni kW wejściowy
- roczny koszt energii elektrycznej z eksploatacji sześciu jednostek
(0.187 kW x $0.115 /kWh x 64 godziny) = $11.40/rok
aplikacje przeszły z rocznego kosztu eksploatacji energii elektrycznej $7,908/rok dla sześciu jednostek do $11.40/rok dla sześciu jednostek. Lub, od znacznego do prawie nieistotnego kosztu poprzez zmianę na bardziej odpowiedni typ generatora próżniowego do warunków, w tym odpowiednich, dobrze uszczelnionych kubków.