Minska koldioxidutsläppen med rätt vakuumsystem

Transkript

1 Sidan 1 av 8 Minska koldioxidutsläppen med rätt vakuumsystem Av Josef Karbassi, PIAB Business Unit Manager, Automotive Inledning Idag anser de flesta forskare att koldioxid (CO 2 ) utgör det största miljöhotet i världen. Höjda koldioxidhalter i atmosfären leder till global uppvärmning, vilket i det långa loppet kan hota mänskligheten här på jorden. För att minska användantet av fossila bränslen, vilket är huvudorsaken till de ökade koldioxidhalterna i atmosfären, fortsätter länder runt om i världen att implementera allt hårdare lagstiftning för individer, tjänsteföretag och industrin i allmänhet för att minska koldioxidutsläppen. Till exempel sänks gränsen för hur mycket utsläpp som tillåts och skatten höjs år för år. I artikeln kommer vi att titta närmare på hur det är möjligt att kraftigt minska energiförbrukningen och i många fall minska fabrikernas koldioxidutsläpp i en tid då mycket av elen fortfarande tillverkas i gas- olje- och koldrivna kraftanläggningar. Vi kommer att fördjupa oss i industrier där materialhanteringssystem med vakuumteknik används och endast fokusera på system som konstruerats för täta material, t ex plåt, plast och glas. Lösningen är enkel - använd den senaste tillgängliga vakuumtekniken för vakuumhanteringsapplikationer. Vi återkommer till denna punkt senare i artikeln. Beräkning av energiförbrukning och CO 2 -utsläpp i vakuumsystem Den vanligaste tekniken för att skapa vakuum vid hantering av täta material är idag med hjälp av tryckluftsdrivna ejektorer. Hanteringsutrustningar bygger ofta på en robot med lyftutrustning innehållande vakuum och sugkoppar. Det finns också ergonomiska lyfthjälpmedel baserade på vakuum för täta material, såväl som specialmaskiner med integrerade vakuumhanteringssystem. Exempelvis plåtpressar, vatten-, laser-, glas- och träbearbetningsmaskiner. Energin som förbrukas i dessa typer av vakuumhanteringssystem definieras av hur mycket tryckluft ejektorn förbrukar för att skapa vakuum, och ofta bör man ta med i beräkningen hur mycket tryckluft som behövs i blåsfunktionen för att lossa objektet tillräckligt snabbt. Mängden tryckluft som används i en ejektor när vakuum skapas beror på antalet munstycksrader, storleken på minsta diametern i första ejektormunstycket och matningstrycket på tryckluften. Formeln för att teoretiskt beräkna luftförbrukningen för ett ejektormunstycke finns i tabell 1. Tabell 1. Volymflöde (Nl/s) = Massflöde / (φ luft *1000) Massflöde (kg/s) = A* * (P 2 /(R*T)) Där: φ luft = luftens densitet vid atmosfärtryck = * / (R*T) A = Arean för minsta diametern i första ejektor munstycket = 0,6847 = flödesfaktor för luft som används när tryckluften överstiger atmosfärtrycket med cirka 2,1 bar. P = Absolut tryck (Pascal), dvs noll är absolut. vakuum (6 bar = Pa). R = gaskonstant för luft = 287 (J/kg K) T = lufttemperatur ( K = Kelvin) * Normalt atmosfäriskt tryck (Pa) vid havsytan.

2 Sidan 2 av 8 Det är tämligen vanligt att angiven luftförbrukning för ejektorer avviker från det teoretiska värdet. Den verkliga luftförbrukningen bör ligga mycket nära det teoretiska värdet (en avvikelse på några procent är rimlig). I tabell 2 visas det teoretiska värdet för några vanliga min. diametrar på munstycken vid olika matningstryck. Beräkningarna görs vid en temperatur av 10 grader Celsius (283,16 grader Kelvin). Tabell 2. Luftförbrukningen för ejektormunstycken med olika diametrar 600 Luftförbrukning (Nl/min) ,7 mm 1 mm 1,5 mm 2 mm 2,5 mm 3 mm Matningstryck (bar) Den andra, ofta förbisedda källan till luftförbrukning i ett vakuumhanteringssystem konstruerat för täta material, är friblåsningsfunktionen (för att snabbt lossa på objektet). Luftförbrukningen under friblåsningen bestäms av flödeskapaciteten hos den ventil som styr funktionen och trycket. När en stor centralt placerad ejektor används (dvs. många sugkoppar anslutna till samma ejektor), krävs ett mycket högt flöde för att sugkopparna längst bort snabbt ska lossa. I detta fall ligger standardflödesnivåer normalt på Nl/min vid 4-6 bar.

3 Sidan 3 av 8 I ett decentraliserat system med en liten ejektor vid varje sugkopp aktiveras frisläppsfunktionen i många fall av att utblåset från ejektorn blockeras. Luften genom ejektorn tvingas in i sugkoppen så att luftförbrukningen är lika med eller något högre än luftförbrukningen för att skapa vakuum. En alternativ lösning är en liten friblåsningsbackventil på den decentraliserade ejektorn, vilken normalt släpper igenom Nl/min vid 4-6 bar. För att beräkna energiförbrukningen krävs att kompressoreffektiviteten är känd. En normalstor kompressor som kan skapa 7-10 bar förbrukar 6-10 kw per kubikmeter luft som skapas beroende på storlek och effektivitet. Den totala luftförbrukningen för ett ejektorsystem per år kan enkelt beräknas genom att addera luften som förbrukas genom att vakuum skapas och luften som används av friblåsningsfunktionen i varje cykel, och sedan multiplicera detta med antalet cykler per år. Ännu bättre är att mäta förbrukningen med en flödesmätare över att antal cykler. Ett vedertaget faktum är att CO 2 -utsläppen per kwh elkraft är enligt följande, beroende på produktionssätt: Gas: 0,2 kg CO 2 /kwh Olja: 0,27 kg CO 2 /kwh Kol: 0,33 kg CO 2 /kwh Vatten-, vind- och kärnkraft: 0,0007 kg CO 2 /kwh Efter omräkning för produktion av tryckluft blir resultatet 0,02-0,033 kg CO 2 /m 3 om endast smutsiga produktionsmetoder tas med i beräkningen och baserat på en kompressoreffektivitet på 10 kw per tillverkad kubikmeter luft. Hur du minskar vakuumsystemens koldioxidutsläpp till lägsta möjliga Ejektorns effektivitet är naturligtvis en viktig parameter för att minska energi- och luftförbrukningen. Effektiviteten bestäms av ejektorns prestanda (flöde och evakueringsförmåga) i förhållande till luftförbrukningen. I princip finns idag två typer av vakuumejektorer som används för hantering av täta objekt: enstegsejektorer och flerstegsejektorer. Flerstegskonstruktionen är mer komplicerad och kräver större utrymme, men är alltid procent mer effektiv (bättre flöde/reaktionstid med mindre luftförbrukning). Därför är det viktigt att om möjligt alltid använda en flerstegsejektor. Figur 1. Munstycke i enstegsejektor Munstycken i en flerstegsejektor monterade som en kassett När ejektortekniken kom ut på marknaden för vakuummaterialhantering täta material och började ersätta elektromekaniska vakuumpumpar var huvudskälen enkelheten och tillförlitligheten hos produkterna, samt även förmågan att lätt kunna styra ejektorerna av/på

4 Sidan 4 av 8 under arbetscyklen. Då placerades små ejektorer på varje sugkopp vilket bildade ett decentraliserat system. I många fall är ett decentraliserat system som mest effektivt, eftersom det tillför sugkraft precis där det behövs. Överdimensionerade ejektorer behövs inte, som i centraliserade system, för att kompensera för förluster och större volymer. Läckagerisken minskas även slang, fästen och kopplingar. När luftbesparande teknik (ES-system) blev tillgänglig för ejektorer började en ny trend. Så kallade smarta ejektorer med integrerade styrfunktioner som till exempel ventiler, vakuumvakter och luftbesparande funktioner fyllde marknaden. Dessa kompakta ejektorer placeras centralt och förser flera sugkoppar med vakuum. De sitter vanligen några meter ifrån sugkopparna. Den luftbesparande funktionen stänger av ejektorn när tillräckligt vakuum skapats, och slår på den igen för att kompensera för eventuellt läckage i systemet. En stor fördel med systemet är att den centraliserade ejektorn med luftbesparande funktion endast jobbar en kort period under vakuumcykeln, och energi sparas jämfört med det tidigare decentraliserade systemet. Figur 2. Klassiskt decentraliserat system Centraliserat system med kompakt ejektor och luftbesparande funktion Med en centraliserad ejektor tullar man på tillförlitligheten, säkerheten vid drift, hastigheten på skapa vakuum och frisläppandet av objekt till i ganska stor utsträckning. Hastigheten kan till viss grad kompenseras med en mycket stor centraliserad ejektor, men då förbrukas mycket mer energi.

5 Sidan 5 av 8 Ett annat problem vid användningen av centraliserade kompaktejektorer är att friblåsningsfunktionen måste vara mycket kraftfull för att objektet ska frigöras tillräckligt fort. Detta beror på att ledningarna är många, långa och ofta tillknäppta, vilket leder till stor luftmängd under den tiden som friblåsningen sker. I tabell 3 nedan visas en vanlig arbetscykel i en applikation för täta material med vakuumhantering, där en centralt placerad ejektor med luftbesparande funktion används. Tabell 3. Cykelanalys av en centraliserad kompakt ejektor Vakuumpump på före lyftet Vakuumarbetscykel Pump som arbetar under en arbetscykel och kompenserar för läckage Verklig frisläppning Extra tid per cykel för friblåsningsfunktionen Återgå till startpositionen Luftförbrukning sker under följande faser: 1. Mörkblått vakuumfunktionen startas lite innan lyftet för att skynda på hastigheten att skapa vakuum I systemet. 2. Blått tillräckligt med vakuum skapas i systemet för att kompensera för läckage av tillbehör och kopplingar. På grund av läckage är det inte ovanligt med några återställningar per cykel. 3. Rött frigöring av objekt med friblåsning med positivt tryck. 4. Mörkrött för lång friblåsningstid. Det är uppenbart att även med en luftbesparande funktion (ES) på plats förbrukas en stor mängd tryckluft under varje cykel.

6 Sidan 6 av 8 Kan luftförbrukning och koldioxidutsläpp minskas kraftigt? En ny, kompakt decentraliserad ejektorenhet med två unika funktioner är svaret på frågan om luftförbrukning och koldioxidutsläpp kraftigt kan minskas med ett vakuumsystem: den helpneumatiska och luftbesparande funktion med namnet Vacustat, och en ny friblåsventil (AQR), som använder vanlig atmosfär för att snabbt loss ett hanterat objekt. Volymen i varje sugkopp är så liten att endast atmosfäriskt tryck behövs. Med andra ord krävs ingen tryckluft vid losssläppandet och en automatisk luftbesparande funktion finns I varje enhet. Figur 3. Figur 4. Nyligen patenterad Vacustat-COAX -med AQR-teknik AQR (snabbsläppningsventil med hjälp av atmosfärtryck) används i ett decentraliserat vakuumsystem. Med AQR krävs inte dubbla slangar för varje decentraliserad enhet, vilket underlättar dragning av ledningar och ingen kostnad för en extra styrventil. Denna konstruktion tillhandahåller alla fördelarna i ett decentraliserat ejektorsystem vad gäller tillförlitlighet, säkerhet och hastighet (reaktionstid och frisläpp). Nästan ingen luft och energi förbrukas. Nästan ingen luft förbrukas vid frisläppande av objekten. Den luftbesparande funktionen behöver inte kompensera för läckage i tillbehör som slang och kopplingar. Internvolymen blir så liten att den luftbesparande funktionen startar nästan omedelbart. Den tid ejektorn måste vara på innan plockningen minskas till nästan noll. Ett förvakuum behöver inte skapas i systemet för att få snabb reaktionstid. Hastigheten är ändå hög.

7 Sidan 7 av 8 Tabell 4. Cykelanalys av en Vacustat-Coax med AQR Vakuumpump på före lyftet Vakuumarbetscykel Pump som arbetar under vakuumarbetscykeln Frisläppning av AQR ingen luftförbrukning Återgå till startpositionen Så som visas i tabell 4 arbetar pumpen endast under mycket kort tid. Nu ska vi titta på en typisk applikation med vakuumhantering av täta material, med följande villkor och krav: Cykeltid: Drifttimmar per år: Vakuumcykel: Diameter 75 mm sugkoppar: Reaktionstid: Frisläppningstid: 10 s 6000 h 5s 4 st Max 0,1-0,2 s < 0,1 s 1. Tidigare utvecklade decentraliserade lösningar kräver cirka * m 3 luft per år för att klara kraven. 2. Med en centraliserad ejektor med luftbesparande funktion (ES) minskas luftförbrukningen till cirka * m 3 luft per år för att möta samma krav. 3. Vacustat-COAX -AQR-lösningen förbrukar cirka m 3 luft per år för samma uppgift. *Förbrukningsintervallet varierar starkt beroende på om enstegs- eller flerstegsejektor används. Med dessa förhållanden kan alltså energiförbrukningen minskas med procent enbart genom att använda den senaste tekniken. Enligt tidigare avsnitt kan vi beräkna att m 3 luft motsvarar cirka kg koldioxidutsläpp om elektriciteten kommer ifrån ett kol-, olje- eller gaskraftverk. Detta baseras på endast en applikation. En typisk bilfabrik t.ex., kan ha upp till 400 av dessa applikationer i drift. Koldioxidutsläppen för vakuumhantering i dessa fabriker kan uppgå till mellan och kg med konventionell vakuumteknik (enligt förutsättningarna ovan). Med en Vacustat-COAX med AQR-teknik minskas koldioxidutsläppen till endast kg. Jämförelsevis kan nämnas att genomsnittsutsläppet av CO 2 från en bil är 180 g/km. En realistisk minskning av koldioxidutsläppet i en bilfabrik per år med den senaste vakuumhanteringstekniken motsvarar mil i köravstånd.

8 Sidan 8 av 8 Som en bonus minskas energikostnaden Idag ligger CO 2 -skatten för europeisk industri på mellan 0,15 0,3 kr per kg. En bilfabrik kan spara mer än kr i skatt enbart genom att byta till senaste tekniken för vakuumhantering. Detta innebär en stor fördel eftersom det är oundvikligt med högre skatter i framtiden. Dock kommer de största kostnadsbesparingarna från minskad kostnad för elförbrukning. Kostnaden för att producera tryckluft i en fabrik med en normalstor kompressor (med hänsyn till pris per kwh, livstidscykel, ränta, inköpspris, servicekostnader, drifttimmar per år, etc) ligger vanligen på öre per kubikmeter luft. En bilfabrik med 400 vakuumhanteringsapplikationer kan lätt spara kr per år enbart i kostnader för tryckluft med den senaste tekniken.