Straty energii w instalacji pneumatycznej

Największe oszczędności energii w systemach pneumatycznych można osiągnąć przez optymalne wykorzystanie źródła energii sprężonego powietrza (sprężarek), ograniczenie strat ciśnienia i zmniejszenie przecieków sprężonego powietrza w instalacji pneumatycznej.

Oszczędności energii zależą także od efektywnego wykorzystania systemów sprężonego powietrza. Na schemacie rys. 7 przedstawiono szacunkową ocenę wykorzystania energii sprężonego powietrza do celów produkcyjnych, z uwzględnieniem nieefektywnego wykorzystania sprężonego powietrza oraz udziału strat ciśnienia i przecieków. Podczas przepływu sprężonego powietrze w instalacji pneumatycznej występują straty energii związane ze stratami ciśnienia i przeciekami. Straty te muszą być skompensowane przez dodatkowe zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarek, aby utrzymać odpowiednie ciśnienie zasilania i zrekompensować przecieki. Zbyt duże ciśnienie sprężonego powietrza powoduje nadmierne oraz nieuzasadnione akumulowanie energii sprężonego powietrza, tym bardziej, że wartość ciśnienie zasilania jest składnikiem obliczania zapotrzebowania powietrza.

Rys. 7. Ocena wykorzystania energii sprężonego powietrza w warunkach przemysłowych [5]

Aby dobrać odpowiednie przekroje przewodów instalacji pneumatycznej należy określić maksymalną rzeczywistą wartość objętościowego natężenia przepływu i dopuszczalne spadki ciśnienia. Na ogół przyjmuje się, że spadki ciśnienia w przewodach nie powinny przekraczać 2-5% wartości ciśnienia roboczego w instalacji pneumatycznej. Na rys. 8 przedstawiono wykres strat mocy w zależności od średnicy wewnętrznej rurociągu instalacji pneumatycznej, który został określony dla natężania przepływu 50 m³/h przy ciśnieniu manometrycznym 7 bar (700 kPa) na długości 100 m rury stalowej.

Rys. 8. Straty mocy w zależności od średnicy przewodu rurociągu instalacji pneumatycznej [6]

Przy doborze średnicy instalacji sprężonego powietrza, wykonywanej w systemach linowych lub pierścieniowych, należy uwzględniać zalecane spadki ciśnienia, jak na schematach rys. 9. W przypadku rur stalowych dopuszczalny spadek ciśnienia
p sprężonego powietrza kształtują się następująco: 10% zadanej wartości ciśnienia na 30 m rury dla średnicy nominalnej 6-15 mm, 5% zadanej wartości ciśnienia na 30 m rury dla średnicy nominalnej 20-80 mm. Spadki ciśnienia w zależności od średnicy i długości innych przewodów rurowych (aluminiowe, polipropylenowe, miedziane) zamieszczane są w tabelach producentów.

Rys. 9. Schemat instalacji sieci pneumatycznej [3]: a) system liniowy, b) system pierścieniowy,

spadki ciśnień w instalacji pneumatycznej: PG – główny przewód zasilający

Δp < 0,03 bar, PR– przewody rozprowadzające, Δp < 0,03 bar, PP – przewody

przyłączeniowe Δp < 0,04 bar, MP – miejsca (punkty) przyłączeniowe odbiorników

(siłowników) Δp < 0,3 bar.

W instalacji pneumatycznej występują straty energii spowodowane niepożądanym przeciekiem sprężonego powietrza. Poglądowy schemat systemu sprężonego powietrza z potencjalnymi punktami strat przecieków przedstawiono na rys. 10. Przecieki w instalacji pneumatyczne są źródłem znacznych strat energii, np. przez otwór o średnicy 1 mm przy ciśnieniu 0,6 MPa wycieka 1,2 dcm²/s sprężonego powietrza, co odpowiada stracie 0,6 kWh [11]. Kompleksowa kontrola sieci (instalacji) pneumatycznych oraz audyt sprężonego powietrza pokazuje skalę strat przecieków sprężonego powietrza. W instalacjach pneumatycznych zakładów produkcyjnych prawdopodobny jest wyciek dochodzący nawet do 20% wytworzonego sprężonego powietrza.

Ponieważ przecieki są nieuniknione, dlatego dopuszcza się występowanie przecieków w zależności od wielkości sieci sprężonego powietrza, np. w małych sieciach (warsztaty, laboratoria) dopuszczalny jest 5% przeciek, a w dużych sieciach (odlewnie, huty, elektrownie) dopuszcza się nawet 15 % przeciek.

Rys. 10. Poglądowy schemat systemu sprężonego powietrza z zaznaczonymi punktami możliwych przecieków (Norgren Pneumatic)

Rys. 11. Straty przecieków w zależności od średnicy otworu nieszczelności (Norgren Pneumatic)

Wpływ średnicy otworu nieszczelności na przeciek (przepływ objętościowy) przedstawiono na rys. 11.

Po uwzględnieniu 10-20% strat przecieków w instalacjach pneumatycznych, można określić według schematu rys. 3 straty energii elektrycznej rzędu 8÷16 TWh w skali UE. Przedstawione obliczenie oznacza duże potencjalne możliwości oszczędności energii w systemach sprężonego powietrza. Jeżeli obliczenia przeprowadzone zostaną dla sprężarki o mocy 110 kW pracującej przez 6000 h, to przy zużyciu energii 660 MWh straty przecieków wynoszą 66÷132 MWh.

Nieszczelności w przemysłowych systemach sprężonego powietrza mogą być spowodowane różnymi czynnikami, np. niedokładnością wykonania i montażu, starzeniem, korozją, uszkodzeniem elementów instalacji pneumatycznych. Najczęstszymi miejscami wycieków sprężonego powietrza są: połączenia instalacji (złączki, przewody), filtry, regulatory ciśnienia, zawory bezpieczeństwa, zawory odcinające, zawory spusty kondensatu, zbiorniki, a także czynności związane z łączeniem i rozłączaniem przewodów pneumatycznych. Duże przecieki są bardzo łatwe do zlokalizowania i usunięcia. Natomiast małe i bardzo małe przecieki są trudne do wykrycia i zlokalizowania, nawet przez czułe przyrządy akustyczne. Badania przecieków wymagają dużej wiedzy i doświadczenia. Przecieki w sieci pneumatycznej można ograniczy przez zastosowanie dodatkowych zaworów odcinających przepływ, np. na rys. 12 przedstawiono schemat sieci pneumatycznej z zaworami odcinającymi głównym i bocznym.

Rys. 12. Schemat sieci pneumatycznej z zaworami odcinającymi [6]

OCENA MOŻLIWOŚCI OSZCZĘDZANIA ENERGII W SYSTEMACH SPRĘŻONEGO POWIETRZA (część 3)

Autor: Ryszard Dindorf