Energiebesparing deel 4/4:Hoe perslucht compressoren energie-efficiënt maken?

Een correct uitgevoerde Air Audit kan ook bepalen of compressoren vervangen moeten worden om de persluchtcentrale energetisch beter af te stemmen op de verbruiksprofielen. Past de capaciteit van de vaste compressoren bijvoorbeeld nog bij het gemiddelde constant verbruik van de installatie(s)? Zou het niet voordeliger zijn om een vaste compressor te vervangen door een compressor met variabele opbrengst (VSD = Variable Speed Drive)? De meeste compressor leveranciers beschikken over simulatiesystemen die dit kunnen controleren en de eventuele energiebesparing en afschrijfkosten berekenen.

Bij oudere installaties is het in dit kader interessant om in overleg met de compressorleverancier door te rekenen of het zinvol is om oudere compressoren te vervangen door de nieuwste generatie van machines die veel zuiniger omspringen met energie.

Aangepaste compressorcombinaties

Bij fluctuerend verbruik van perslucht – en dit is meestal het geval- is een combinatie van een compressor met variabele opbrengst (VSD = Variable Speed Drive) met compressoren met constante opbrengst de ideale oplossing. Het is daarbij belangrijk om de leeglooptijden van compressoren met constante opbrengst zo laag mogelijk te houden. Zeker bij schroefcompressoren - die bij leegloop tot 25% van hun nominaal vermogen verbruiken om 0 m³ perslucht te leveren - is dit een aandachtspunt. De minimum leeglooptijden worden doorgaans bepaald door het maximum aantal toegelaten starts per uur van de elektromotoren: hoe zwaarder de motor, hoe langer de minimum leeglooptijd. De compressor(en) met vast debiet zal of zullen het gemiddelde constant basisverbruik van de installatie voor zijn (hun) rekening nemen, terwijl de VSD machine(s) de fluctuaties boven op het basisverbruik opvangen.

Om rendabel te blijven moeten VSD schroefcompressoren steeds binnen hun optimaal snelheidsbereik gebruikt worden: het specifiek vermogen {kW/(Nm³/min)} van deze machines wijkt, zeker bij te lage, maar ook bij te hoge snelheid, ver af van het optimale rendement: 20% en meer is geen uitzondering. Compressorfabrikanten beschikken over grafieken van specifiek vermogen in functie van de draaisnelheid.

Slimme sturing van compressoren en persluchtcentrales

Klassieke sturingen van volumetrische compressoren zijn onder andere: • vollast/leegloop uitschakeling; • computergestuurde uitschakeling; • snelheidsregeling; • proportionele regeling; • leegloop optimalisatie. De keuze van het optimale stuursysteem zal afhangen van de functie die de compressor te vervullen heeft: basisbelasting, middenbelasting of spitsbelasting. De meeste persluchtcompressoren zijn momenteel uitgerust met slimme besturingen om zo efficiënt mogelijk te kunnen draaien. Een persluchtcentrale met meerdere compressoren vereist een centrale overkoepelende sturing die zorgt voor het aansturen van de machines, het binnen optimale snelheden houden van VSD machines en voor de optimale mix van machines in functie van het te verwachten persluchtverbruik: de snelheid waarmee de druk in de vertrekleiding afneemt zal bijvoorbeeld bepalend zijn voor het automatisch oproepen van de meest geschikte vaste machine met de voorspelbare kortste leeglooptijden. Moderne centrale besturingssystemen zorgen voor een zo klein mogelijke drukband tussen ‘minimum nodig’ en ‘zo laag mogelijk maximum’. In vergelijking met de klassieke cascadesystemen met een drukband van 1 à 2 bar wordt met de moderne besturingsystemen gewerkt naar drukbanden van 0,2 à 0,4 bar met tot 15% energiewinst als resultaat.

In het kader van optimale sturing van compressorcentrales mogen ook de correcte berekeningen van persluchtketelvolumes niet uit het oog verloren worden. Grafieken en formules hiervoor houden rekening met het verbruik van perslucht, het beschikbare productiedebiet van de compressoren, gecombineerd met het aantal toegelaten schakelingen of belastingsschommelingen van de compressormotoren en de gewenste drukvariatie in de ketel.

Service en onderhoud

Een persluchtinstallatie heeft onderhoud nodig en dit beperkt zich niet tot de compressoren en drogers. Ook de filtersystemen achter de compressor en bij de aangesloten persluchtverbruikers evenals drains dienen geregeld gecontroleerd te worden. Een vaak voorkomend interval voor

Om rendabel te werken moeten VSD schroefcompressoren steeds binnen hun optimaal snelheidsbereik gebruikt worden. In vergelijking met de klassieke cascadesystemen kan een drukmanagementsysteem met een veel kleinere drukband werken.

het onderhoud van compressoren is 2.000 uur. Tijdens dit periodiek onderhoud worden de compressoren gereinigd, olie ververst en filterelementen van eventuele olieafscheiders en van de aanzuigfilters vervangen. Door vuile en verstopte aanzuigfilters en olieafscheiders kan de temperatuur in de compressor aanzienlijk oplopen. Dit gaat ten koste van de betrouwbaarheid en het rendement en dus met verhoogde energiekosten als resultaat.

Drukval in het leidingnet

De drukval moet zo laag mogelijk en onder controle gehouden worden. Zeker bij uitbreidingen van productiemachines of veranderde productiemethodes zijn aanpassingen van bestaande persluchtnetten onontbeerlijk.

Algemeen gekende aanbevelingen zijn onder meer:

• hoofdleidingnet in ring- of rastervorm; • 1% afhellend in de doorstromingsrichting; • aftakpunten aan de bovenkant van de hoofdleiding; • aftakleidingen zo kort mogelijk; • koppelingen en afsluiters met volle doorgang; • bochten met R=2D De exacte drukval over een bepaalde lengte(m), voor een bepaald debiet (Nl/s) in functie van leiding diameter (mm) en druk (bar) aan de ingang van een leiding, vindt men door gebruik te maken van bestaande nomogrammen voor zowel stalen als kunststofleidingen. Hierna de nomogram voor stalen leidingen.

Normaal wordt gerekend met persluchtsnelheden lager dan 6 m/s voor een totale drukval van 0,1 bar vanaf het vertrekpunt uit het compressorlokaal tot aan een bepaalde verbruiker. Om rekening te houden met de invloed van leidingtoebehoren worden gemeten lengtes met een correctiefactor 1,6 vermenigvuldigd .

De snelheid wordt gegeven door de formule

V = 1273.Q (P+1).D²

Met hierbij: V = snelheid in m/s P = druk in bar Q = debiet van ontspannen lucht in l/s D = de inwendige diameter van de leiding in mm.

Omgekeerd vindt men de noodzakelijke inwendige diameter D om beneden de snelheid van 6 m/s te blijven met de formule 212. Q P + 1

Voor 7 bar kan volgende benaderende eenvoudige formule gebruikt worden:

Koeling en warmterecuperatie

Theoretisch kan de energie van de elektrische motor van de compressor twee keer gebruikt worden: eenmaal voor de productie van perslucht en een tweede maal als recuperatie van de compressiewarmte.

Van het totaal ingebrachte energie gaat slechts een klein deel naar de perslucht, de overgrote hoeveelheid gaat naar het koelsysteem van de compressor.

Daar waar de koeling van luchtgekoelde compressoren enkel afhangt van de goede werking van een ingebouwde ventilator en de temperatuur van de omgevingslucht, is de bedrijfszekerheid van watergekoelde compressoren afhankelijk van koeltorens en waterpompen, die ook nog hogere bedrijfskosten (energieverbruik en onderhoud) met zich meebrengen.

Luchtgekoelde compressoren in een omkasting geven in theorie circa 95 % van de aan het elektriciteitsnet onttrokken energie af aan de omgeving. Deze warmte kan via geïsoleerde luchtkanalen en ventilatoren naar verder gelegen ruimtes gevoerd worden.

Een 75 kW luchtgekoelde compressor zal bijvoorbeeld met 20°C opwarming van 10.600 m³/h koellucht theoretisch circa 68.000 kcal/h warmte-energie kunnen afgeven. Per 1000 h vollast komt dit overeen met circa 10.400 l stookolie besparing.

Het probleem hierbij is dat de koelluchtdebieten groot zijn en een relatief lage Delta T hebben t.o.v. de omgevingstemperatuur.

Met zowel watergekoelde als met luchtgekoelde compressoren kan de energie uit de oliekoeler gebruikt worden in een secundair koelwatercircuit: 80% van de toegevoegde elektrische energie kan zo nuttig hergebruikt worden als voorverwarming van stoomketels of warmwaterboilers, als sanitair water, in verwarmingsradiatoren of als proceswater (al dan niet met een veiligheidswarmtewisselaar).

Met het voorbeeld van de 75 kW compressor geeft dit 51.600 kcal recuperatie met een warmwaterdebiet van 2,58 m³/h bij een temperatuursverhoging (Delta T) van 20°C. ( 1,72 m³/h voor Delta T 30°C // 1,29 m³/h voor Delta T 40°C ).

De relatief hoge kosten, de relatief ingewikkelde installatie en de benodigde energie voor pompen en/of ventilatoren maken dat de installatie van recuperatiesystemen steeds moet afgewogen worden ten opzichte van het te verwachten energievoordeel. • kwalitatieve persluchtgereedschappen • elektrische vacuümpompen voor lang aangehouden vacuüm • blaassystemen met ‘air multiplier effect’

De invloed van de compressorkoeling: hoe dichter bij de isotherme compressie, des te lager het specifiek energieverbruik.

Ook de ‘ klassieke pneumatiek’ laat heel wat energiebesparingen toe zoals:

• enkel werkende cilinders i.p.v. dubbel werkende waar mogelijk • geen overdimensionering • mechanisch vast houden van cilinder posities • verlaagde druk bij cilinder terugloop • externe- lage druk -pilootsturing van stuurventielen • onnodige gebruikers uitschakelen

Een beetje thermodynamica

In het kader van compressorkoeling is het nuttig even naar de thermodynamica van de compressie- cyclus te verwijzen: de ideale luchtcompressie gebeurt volgens een isotherm waarbij de temperatuur constant gehouden wordt. Om deze isotherm te benaderen is het dus belangrijk dat de compressor goed gekoeld wordt (oliecircuit bij gesmeerde schroef- en schoepencompressoren) en/of, zoals bij hogere drukken en bij turbo- en zuigercompressoren, met meertrapscompressie waar met tussenkoelers gewerkt wordt. Een ander belangrijke benadering in het kader van energiebesparing door verhoogd compressorrendement, is de temperatuur van de aangezogen omgevingslucht: hoe lager de temperatuur, des te zwaarder de lucht en des te meer gewicht perslucht zal geleverd worden. Iedere verlaging van 10°C van de aanzuiglucht komt overeen met 3% minder energieverbruik.

Nog bijkomende bronnen van energiewinst zijn onder andere:

• correcte perslucht behandeling (voldoende maar niet te veel); • hoogrendement elektromotoren; Elk van deze elementen zou uitgebreid het voorwerp van analyses moeten uitmaken.

Conclusie

Perslucht is een uiterst praktische energiedrager maar blijft tevens een zeer kostelijke energiebron, ook nog na het uitvoeren van energie besparende toepassingen. We mogen niet vergeten dat een persluchtgereedschap van 1 kW een compressor vermogen van circa 8 a 10 kW nodig heeft.

Bronnen:

Geveke - Frank Senteur (White Paper Energiebesparing) www.geveke.com BCAS (British Compressed Air Society) Druckluft effizient VDMA KU Leuven/VIVES FIMOP Automation Product Guide De Energiegids (FOD Economische zaken)

FR-E800, EEN VEELVOUD AAN FUNCTIONALITEIT IN EEN ULTRACOMPACTE FREQUENTIEOMVORMER

De trend van IOT (Internet of Things) in de industriële wereld vereist steeds meer netwerkvriendelijke componenten zonder moeilijke programmering. Mitsubishi biedt het beste antwoord op deze huidige vraag met de nieuwe fr equentieomvormer FR-E800.

Het basismodel, bedoeld om de huidige FR-E700 te vervangen, bevat als basis een RS-485 aansluiting en een STO (Safe Torque Off) veiligheidsfunctie, SIL2 / Pld conform. Het evolutief model, speciaal ontwikkeld voor netwerk communicatie, bevat 2 Ethernet-poorten en de STO-veiligheidsstop funktie (SIL2/Pl d conform). De EPB-versie, het standaard Europees model, bevat de volgende multinetwerkprotocollen: CC-link IE TSN (Time Stamped Network), CC-Link IE Field Network Basic, Modbus / TCP en Profinet . De EPA-versie omvat naast de CC-link en Modbus Ethernet protocollen tevens Ethernet/IP en Bacnet/IP. Het topmodel “Ethernet-security” omvat ook SIL3 / PLE-ingangen- en veiligheidsfuncties zoals SS1, SLS, SBC, SSM. Dit aanvullend op de Ethernet safety protocollen CC-link, Profisafe (model EPB) of CIP Safety (EthernetIP/ Devicenet) (model EPA). Tevens is ook naar de toekomst een Ethercat-compatibel model gepland (EPC), zo ook naar safety FsoE protocol (Safety over Ethercat). Bovendien hebben de aandrijvingen uit de FR-E800-familie o.a. de volgende kenmerken: • Geïntegreerde PLC met” inverter to inverter” communicatie • Bedrijfstemperatuur: -20 ° C tot + 60 ° C • Dubbele coating van elektronische componenten (IEC607213-3 3C2 en voldoet aan 3S2) • Dubbel rating vermogen ( ND: 150% overbelasting, LD, 120% overbelasting) voor de 400 VAC types • Aandrijving van asynchrone motoren IE2, IE3 en synchrone permanentmagneetmotoren met geïntegreerde auto-tuning. • Vector-mode zonder snelheidssensor, • Binnenkort vector-mode met snelheids- en positiesensor. • Mobiele programmering via wifi-router (Wlan-toegang) • Bovendien is ook veel gewerkt aan het preventief onderhoud via AI (artificial intelligence) met o.a. uniek gepatenteerd diagnose/preventief waarschuwingssysteem voor gebruik in aggresieve omgevingen (“CorrosiveAttack-Level Alert System“).

www.esco.be

“The little Allrounder”.

De nieuwste telg uit de rijke Mitsubishi frekwentieregelaars familie

ontdek meer op : www.esco.be of bel naar : 02 717 64 60