Historycznie, gdy koszty energii i świadomość ekologiczna były niższe, zużycie sprężonego powietrza w maszynach nie zawsze było przedmiotem szczegółowej analizy. Projektanci dobierali siłowniki pneumatyczne często według doraźnych kryteriów: tego, co stosowali wcześniej, co mieli na magazynie, „wygląda odpowiednio”, analizując prosty wykres ciśnienie/siła i powiększając średnicę o jeden rozmiar „na wszelki wypadek”. W rezultacie siłowniki w wielu starszych maszynach są przewymiarowane i jak najbardziej uzasadnione jest obniżenie ciśnienia roboczego, aby zmniejszyć nadmiar oraz straty sprężonego powietrza.
Sprężone powietrze w maszynach jest zużywane nie tylko do napędu siłowników pneumatycznych. Do innych typowych obszarów należą:
Każdy z tych obszarów wymaga indywidualnej analizy pod kątem optymalnej wydajności i zużycia sprężonego powietrza.
Pneumatyczne generatory podciśnienia wykorzystują dyszę Venturiego opartą na zasadzie Bernoulliego, aby wytworzyć podciśnienie poprzez przyspieszenie przepływu powietrza w zwężającej się dyszy. Dysze w generatorach są zaprojektowane do pracy indywidualnej lub jako elementy generatora wielostopniowego. Dysze są projektowane tak, aby zapewniać wysoki poziom podciśnienia, wysokie przepływy dla krótkich czasów ewakuacji lub uniwersalne połączenie obu parametrów. Przepuszczanie sprężonego powietrza przez dyszę bezpośrednio do atmosfery może stanowić element o bardzo wysokim zużyciu powietrza. Dane katalogowe określają optymalne ciśnienie zasilające, aby uzyskać wymagany przepływ i poziom podciśnienia. Często generatory podciśnienia są zaprojektowane tak, aby osiągały najwyższy poziom podciśnienia przy ciśnieniu zasilania jedynie 4 bar. Zwiększenie ciśnienia do 6 bar nie powoduje uzyskania wyższego podciśnienia, chociaż zwiększa przepływ.
Strumienie powietrza są stosowane do wyrzucania elementów z przenośników oraz obudów. Istnieją różne sposoby optymalizacji zużycia energii – poprzez skupienie strumienia powietrza za pomocą dysz lub zastosowanie zbiornika zwiększającego energię magazynowaną, przy czym impuls powietrza jest bardzo krótki.
Pistolety powietrzne są powszechnie stosowane do czyszczenia i usuwania pyłu oraz cząstek. Oprócz potencjalnego zagrożenia stanowią także element o wysokim zużyciu sprężonego powietrza. Nowoczesne pistolety powietrzne są wyposażone we wbudowany regulator ograniczający ciśnienie do 2 bar oraz końcówkę bezpieczeństwa z portami odciążającymi.
Nieszczelności należy eliminować wszędzie, gdzie to możliwe, jednak oczywiste jest, że im wyższe ciśnienie, tym większe straty.
Martwe objętości w systemach pneumatycznych, takie jak napełnianie i odpowietrzanie długich lub dużych średnic przewodów w każdym cyklu siłownika, są kolejną przyczyną strat energii. Montaż zaworów bliżej siłowników skraca długość przewodów. Zmniejszenie średnicy przewodów może również pomóc, jednak ograniczy szybkość napełniania, a w większym stopniu czas odpowietrzania, dlatego zmiany te powinny być symulowane lub obliczone pod kątem uzyskania wymaganej wydajności.
Straty energii występują również w przypadku przepływów nielaminarnych i turbulentnych. Tarcie w przewodach i zawirowania spowodowane małymi promieniami, załamaniami lub przepływami naddźwiękowymi mogą powodować dalsze straty sprawności w układach pneumatycznych i są zależne od ciśnienia roboczego.
W nowych projektach maszyn obniżenie ciśnienia roboczego z np. 6 bar do 4 bar niekoniecznie prowadzi do zmniejszenia zużycia sprężonego powietrza. Jeśli elementy są odpowiednio dobrane do aplikacji – obejmując nie tylko siłowniki, ale również przewody, złączki oraz zespół przygotowania powietrza – może być korzystniejsze pozostać przy wyższym ciśnieniu. Na przykład, projektowanie maszyny do pracy przy ciśnieniu 4 bar wymaga zastosowania siłowników o większej średnicy, aby uzyskać tę samą siłę co przy 6 bar, a przewody pneumatyczne muszą mieć większy przekrój, aby zapewnić odpowiedni przepływ przy mniejszej różnicy ciśnień. Większe siłowniki, mocowania, przewody i złączki zwykle są droższe. Ponadto większe siłowniki zwiększają masę maszyny (co jest istotne, jeśli stanowią obciążenie dla innych siłowników) oraz zajmują więcej miejsca.
Hmm… może to nie brzmi zbyt dobrze?
Jeśli wszystkie maszyny i urządzenia podłączone do systemu sprężarkowego mogą pracować przy obniżonym ciśnieniu sprężonego powietrza, wówczas możliwe jest nie tylko obniżenie ciśnień lokalnych, ale także redukcja ciśnienia w całej sieci. Systemy sprężarkowe mogą być zoptymalizowane pod kątem określonego zapotrzebowania na ciśnienie i przepływ — co należy uwzględnić. Niższe ciśnienie w sieci oznacza mniejsze straty wynikające z nieszczelności.
Sieci sprężonego powietrza muszą radzić sobie ze szczytowymi zapotrzebowaniami i wahaniami. Obniżenie ciśnień oraz maksymalnej wydajności przepływowej, choć może przynieść oszczędność energii, może również powodować spadki ciśnienia i straty produkcyjne.
Najlepszym podejściem jest konsultacja ze specjalistami aplikacyjnymi, którzy pomogą zoptymalizować maszynę zgodnie ze wszystkimi priorytetami — wydajnością maszyny, kosztami produkcji, kosztami cyklu życia, efektywnością energetyczną itp. Zalecamy analizować całą aplikację, a nie rozpatrywać jedynie pojedyncze funkcje oddzielnie. Sprowadzanie dyskusji wyłącznie do zastępowania napędów pneumatycznych elektrycznymi może prowadzić do błędnych uogólnień. Czy na przykład ma sens stosowanie w manipulatorach zaawansowanych elektrycznych chwytaków, skoro tę samą pracę mogą wykonać chwytaki pneumatyczne? W przeciwieństwie do chwytaków elektrycznych, chwytaki pneumatyczne nie zużywają energii podczas utrzymywania stałej siły chwytu. W większości przypadków można zaoszczędzić 50–60% masy, co jest szczególnie istotne np. w manipulatorach. Można zmniejszyć rozmiary wszystkich kolejnych napędów — obrotów, napędów w osiach X‑Y oraz Z. Oszczędności w całym układzie handlingowym mogą być kluczowe zarówno z punktu widzenia kosztów inwestycyjnych, jak i operacyjnych.
Rekomendujemy skupić się na tym, co chcesz osiągnąć, a następnie skorzystać ze wsparcia specjalistów Festo przy konfiguracji maszyny. Zostanie to wykonane przy użyciu oprogramowania inżynierskiego, które dostarczy narzędzia, dane i dokumentację umożliwiające podejmowanie świadomych decyzji na poziomie komponentów i całych systemów.
Jednym z najskuteczniejszych sposobów na oszczędność kosztów sprężonego powietrza jest prawidłowe dobranie całego „łańcucha pneumatycznego” — od sprężarki i osuszacza, poprzez instalację dystrybucyjną, aż po elementy wykonawcze, takie jak zespoły przygotowania powietrza, zawory, przewody, złączki i napędy. Oszczędności w zużyciu energii mogą sięgać nawet 50%, a ich potencjał można modelować przy użyciu bezpłatnego oprogramowania, na przykład symulacyjnego narzędzia Festo Pneumatic Sizing.
Typowe układy sprężonego powietrza obejmują:
1) zawory pneumatyczne sterujące napędami pneumatycznymi – siłownikami, chwytakami oraz zaciskami
2) generatory podciśnienia wyposażone w dyszę Venturiego wykorzystującą zasadę Bernoulliego – wytwarzają podciśnienie poprzez szybko przepływające powietrze. Podciśnienie stosuje się w przyssawkach na manipulatorach lub do zasysania cieczy, np. do ich precyzyjnego dozowania.
3) urządzenia do przedmuchiwania lub sortowania części.
4) dysze powietrzne do suszenia.
5) nadciśnienie powietrza nad cieczami przeznaczonymi do dozowania lub pompowania.
Ciśnienie powietrza można obniżyć w całej sieci, co oznacza, że sprężarki będą generować niższe ciśnienie lub wyłączą się po osiągnięciu niższego poziomu ciśnienia. Zbiornik sprężonego powietrza oraz sieć dystrybucyjna mogą zostać ustawione do pracy przy niższym ciśnieniu — zazwyczaj obniżanym z 7,5 bar do 6, a nawet 5 bar. Jeżeli w jednym lub kilku punktach odbioru wymagane jest wyższe ciśnienie, można lokalnie zastosować wzmacniacz ciśnienia, taki jak Festo DPA. W systemach sprężonego powietrza, w których wcześniej wbudowano nadmiar wydajności, obniżenie ciśnienia roboczego prowadzi bezpośrednio do zmniejszenia zużycia energii.
Układy pneumatyczne wykorzystujące sprężone powietrze mają kilka kluczowych zalet:
Najważniejsze, szybkie działania konserwacyjne w układach pneumatycznych obejmują regularną konserwację lub wymianę filtrów w jednostkach przygotowania powietrza, testowanie lub osłuch (słyszalny lub najlepiej ultradźwiękowy) w celu wykrycia nieszczelności i ich natychmiastowej naprawy oraz sprawdzanie, czy w przewodach nie występują zagięcia, załamania lub ograniczenia przepływu. Te szybkie i łatwe działania mogą zazwyczaj obniżyć koszty o 5–10%.