Podobné články
Vlastnosti vzduchu
Porovnání skutečných nákladů na vakuové ejektory
04.01. 2017by Admin E-konstruktérVakuové ejektory se vyrábí v mnoha variantách, velikostech a s různou konstrukcí. Liší se proto účinností a určením pro rozdílné aplikace. Myšlenka použít ejektor s vysokým výkonem je jistě dobrá, ale ještě než objednáte, měli byste dobře zvážit, jaké budou náklady na provoz.
Podobně jako jinde (například u aut), i u ejektorů je správným řešením přesný kompromis mezi výkonem a spotřebou.
Spotřeba energie představuje hodnotu, která se zejména ve spojení s dobou povozu jednoznačně projevuje. O nákladech na provoz vhodného vakuového systému bychom měli, nehledě na jeho konstrukci, seriózně uvažovat. V obvodech využívajících vakuové ejektory bychom neměli přehlížet spotřebu stlačeného vzduchu a vždy pamatovat na to, že stlačený vzduch představuje energii, která může ve spojení s trvalou spotřebou významně ovlivnit náklady.
Při využití elektricky poháněných vývěv lze ohodnotit náklady na energii snadným změřením spotřeby elektřiny a přepočtem za pomoci její ceny. Podívejme se blíže na tyto dva základní způsoby tvorby podtlaku a zhodnoťme, jak se projeví v konečné bilanci nákladů.
Vakuové ejektory
Vakuové ejektory v zásadě vytváří podtlak pomocí trysky, na kterou je přiveden stlačený vzduch. Rychlé proudění způsobuje poměrně hluboký podtlak a relativně malým průtokem. Ejektory neobsahují žádné pohyblivé díly.
Obvykle je ejektor tvořen tryskou (nazývanou též Lavalova nebo Venturiho tryska) a podle konstrukce také jedním či více difuzory. Stlačený vzduch vstupuje do trysky, zúžení průřezu v trysce způsobuje značné zrychlení průtoku až na rychlost pětinásobně vyšší, než rychlost zvuku. Krátká mezera mezi tryskou a difuzorem je místem, kde dochází díky vznikajícímu podtlaku k nasávání vzduchu z podtlakového připojení ejektoru.
Vakuové ejektory se
dodávají ve dvou základních verzích, jednostupňové a
vícestupňové. Jednostupňový ejektor obsahuje trysku a jediný
difuzor. Vícestupňový ejektor obsahuje také trysku, ale v řadě
za ní následují další stupně, vždy s větším a větším
průřezem úměrným klesajícímu tlaku. Vzduch nasátý první
komorou je tak smíchán s procházejícím proudem a směs pak
společně napájí další trysku pro další komoru.
v obou
případech je proud vzduchu vystupující z difuzorů vypouštěn
do okolní atmosféry, případně prochází ještě tlumičem
hluku.
K výhodám vakuových ejektorů patří malé rozměry, nízká hmotnost, nízká cena a také rychlá reakce s krátkým náběhem a doběhem. Nevykazují žádná opotřebení, v zásadě nevyžadují žádnou údržbu, dodavatelé však doporučují provoz se suchým a filtrovaným stlačeným vzduchem. Pracují v libovolné poloze, montáž a uvedení do provozu jsou snadné a během činnosti nevyvíjí žádné teplo.
Další výhodou je, že vakuové ejektory spotřebovávají energii pouze v době, kdy pracují. Stlačený vzduch se tak spotřebovává pouze během přisávání výrobků a v ostatních fázích provozu je jeho přívod uzavřen.
Mnoho ejektorů obsahuje funkci úspory energie, která zaručí, že se stlačený vzduch spotřebovává pouze při tvorbě podtlaku. Po dosažení požadované hodnoty podtlaku se přívod tlaku uzavře. Pomocí čidla se podtlak sleduje a podle potřeby se jeho tvorba znovu spustí. Typický obvod pro úsporu energie obsahuje ventil 2/2, čidlo tlaku a zpětný ventil.
Obecně platí, že vícestupňové ejektory mohou vytvářet podtlak až do 85% vakua a s větším nasávaným objemem v porovnání s jednostupňovými ejektory. Vícestupňové ejektory mají mnohem menší spotřebu vzduchu a tedy i energie. Čas pro přisátí je však mnohem delší a tak se snadno může stát, že tato nevýhoda zcela znehodnotí účinek nižší spotřeby za provozu a vyrovná rozdíly oproti jednostupňovým ejektorům.
Na druhé straně, vakuové ejektory nejsou schopny odsávat velkým průtokem. Například ejektory Festo dokážou odsávat průtokem přibližně do 16 m3/h. Spotřeba stlačeného vzduchu na odsátí každého kubického metru znamená vyšší náklady, které lze ale výrazně snížit použitím funkce pro úsporu energie.
Vývěvy
Mechanické vývěvy
obecně patří do jednoho ze dvou druhů – buď používají
mechanický výtlak, nebo využívají dynamického
účinku.
Mechanický výtlak znamená činnost velmi podobnou
kompresoru, jehož vstup pracuje pod hodnotou atmosférického tlaku
a výstup s okolním tlakem. Nasávají stálý objem vzduchu,
který je mechanicky odebrán, expandován a poté odvětrán. Hlavní
vlastností těchto vývěv je, že mohou dosáhnout poměrně
hlubokého podtlaku s malým průtokem. Obvykle obsahují
střídající se písty, rotační křídlo, membránu nebo rotační
šroub. Často jsou vhodné pro přesné průmyslové aplikace.
Vývěvy s dynamickým účinkem přivádí částečky plynu do pohybu požadovaným směrem působením síly, která vzniká během odsávání. Například rotační dmychadla pracují na principu impulzu, uděleného jednotlivým molekulám oběžným kolem. Lopatky předávají kinetickou energii narážením do molekul a uvádí je do pohybu požadovaným směrem.
Tyto vývěvy dosahují relativně málo hlubokého podtlaku, ale s velkým průtokem (veliká kapacita sání). Obvykle se používají pro manipulaci s výjimečně porézními materiály, které vyžadují velký průtok při přisávání.
K výhodám
vývěv s mechanickým výtlakem patří schopnost vytvořit
podtlak až na úrovni 98% vakua – daleko hlubší než ejektory
(některé speciální konstrukce dosáhnou výjimečných hodnot až
pod 99%).
Vývěvy s dynamickým účinkem, například
dmychadla, zase snadno dosáhnou odsávaného průtoku až 1 000
m3/h.
Elektromechanické
vývěvy jsou však prakticky vždy v trvalém provozu a
vyžadují proto ovládání podtlaku pomocí ventilů. To s sebou
přináší trvalé elektrické napájení a tedy i vysoké
energetické nároky. Vysoká je také pořizovací cena a
nepřetržité náklady na provoz a údržbu.
Ve srovnání
s ejektory jsou vývěvy nakonec větší, těžší, a mívají
značná omezení ohledně montážní polohy.
Porovnání nákladů na energii
V některých případech je způsob tvorby podtlaku jasně dán – například ventilátory se použijí tam, kde postačí slabší podtlak ale s velkým průtokem. V mnoha situacích ale volba není jasná. Pak se vyplatí porovnat energetické a provozní náklady všech použitelných možností.
Jak jsme se již zmínili, výkon a účinnost vakuových ejektorů může značně kolísat v závislosti na výrobci a druhu výrobku. Konstruktéři mohou volbu optimalizovat pomocí výpočtů. Zde uvádíme některé jednoduché výpočty, které Vám mohou pomoci porovnat hospodárnost vakuových ejektorů s podobným výkonem.
V tomto případě porovnáváme roční náklady na energii při použití vakuových ejektorů s a bez funkce úspory energie a elektricky poháněných vývěv podobného výkonu.
Předpokládejme, že:
• Cena elektrické energie je 4,- Kč/kWh.
• Pro výrobu
stlačeného vzduchu uvažujeme cenu elektrické energie, náklady na
materiál, amortizaci a práci. Dostaneme se
na náklady kolem
0,50 Kč / m3. Tyto náklady lze aplikovat až do tlaku kolem 10
barů. Při vyšším tlaku, například 20 barů, se
mohou
náklady snadno zdvojnásobit
• Napájecí tlak pro ejektory činí 6 barů.
• Energie na výrobu stlačeného vzduchu činí 0,50 Kč/m3.
Uvažujme navíc s následujícími náklady na pořízení, provoz a údržbu:
• Pořizovací náklady na vývěvu jsou 25 000,- Kč.
• Pořizovací náklady na ejektor jsou 10 000,- Kč.
• Roční náklady na údržbu vývěvy činí 11 000,- Kč.
Všimněte si, že pořizovací náklady na ejektor jsou v tomto příkladu vztaženy na vakuový ejektor jako například OVEM od firmy Festo – s integrovanými ventily pro spínání podtlaku a profuk, čidlem pro snímání podtlaku a volitelnou funkcí pro úsporu stlačeného vzduchu. Firma Festo také nabízí jednoduché a levné ejektory (řada VN), ovládané externími ventily. Pořizovací náklady na takový jednoduchý ejektor činí přibližně 1000,- Kč (k tomu ještě ovládací ventil a případně čidlo). Náklady se proto budou pohybovat někde mezi samostatnými ejektory a ejektory s integrovanými ventily a čidly.
Jednostupňový ejektor zahrnuje trysku a difuzor. Stlačený vzduch vstupuje do trysky, zrychluje a v mezeře mezi tryskou a difuzorem přisává okolní vzduch – tím vytváří podtlak v daném „výstupním" přívodu.
Uvažujme typickou manipulační úlohu, která je v provozu 250 dní ročně, 16 hodin denně. Každý provozní cyklus trvá 5 s a zahrnuje odsátí, odběr výrobku, přesun, zrušení podtlaku, odložení výrobku a návrat do výchozí polohy pro začátek dalšího cyklu. Čas potřebný pro každý krok závisí na generátoru vakua.
Ejektor s funkcí úspory vzduchu spotřebovává vzduch (energii) pouze během odběru výrobku, což trvá 0,5 s.
Ejektor bez funkce pro úsporu vzduchu spotřebovává energii během odběru a přesunu výrobku, což trvá 2 s.
Vakuový vývěva spotřebovává energii po celý cyklus, protože se obvykle nevypíná. V každém cyklu tedy počítáme s dobou 5 s.
Náklady na energii porovnáme následovně:
Z celkové doby provozu (s) dělené délkou trvání cyklu (s) vypočítáme počet výrobků (jednotek) ročně = 250 x 16 x 3 600/5 = 2 880 000 jednotek.
Vícestupňový ejektor obsahuje několik stupňů, které mají postupně větší průměr proporcionálně ke klesajícímu tlaku. Vzduch procházející první komorou se mísí s odsávaným vzduchem, tvoří napájení následující trysky. Vzduch nakonec opouští ejektor odvětráním přímo do atmosféry, případně ještě přes tlumič hluku.
Z počtu jednotek násobeným dobou chodu v rámci jednoho cyklu určíme čas chodu za rok. Pro ejektor bez funkce pro úsporu vzduchu 2 880 000 jednotek x 2 s = 5 760 000 s (96 000 min). Pro ejektor s funkcí pro úsporu vzduchu je doba chodu 1 440 000 s (24 000 min).
Předpokládáme, že spotřeba vzduchu při p = 6 barů činí 505 l/min. Z času chodu za rok děleného spotřebou vypočítáme roční spotřebu stlačeného vzduchu = 96 000 min/505 l/min = 48 480 m3 pro ejektor bez funkce pro úsporu vzduchu a 12 120 m3 pro ejektor s funkcí pro úsporu stlačeného vzduchu.
Nakonec ze spotřeby vzduchu násobené jeho cenou dojdeme k ročním nákladům: pro ejektor bez funkce pro úsporu vzduchu = 48 480 m3 x 0,50 Kč / m3 = 24 240,- Kč. Podobně pro ejektor s funkcí pro úsporu vzduchu nám vyjdou náklady 6 000,- Kč.
Z uvedeného vyplývá, že ejektor s funkcí pro úsporu stlačeného vzduchu snižuje náklady z tohoto příkladu o 75 %. Zde se jedná o více než 36 000 m3 stlačeného vzduchu ročně, neboli 24 000,- Kč ročně.
Náklady na vývěvy s elektrickým pohonem určíme podobně. Roční doba chodu = denní doba chodu násobená dny provozu za rok = 16 x 250 = 4 000 hodin. Předpokládáme motor se spotřebou 0,55 kW/h. Spotřeba energie za rok = doba chodu za rok násobená spotřebou energie za hodinu = 4 000 h x 0,55 kW = 2 200 kWh. Náklady na energii za rok = spotřeba energie za rok násobená cenou = 2 200 kWh x 3,- Kč = 6 600,- Kč.
Závěrem porovnejme celkové náklady na vakuové ejektory s vývěvami. Nezapomeňte na to, že vakuový systém vyžaduje nejen investice, ale také náklady na údržbu a energii. Investice jsou jednorázové, zatímco náklady na údržbu a energii jsou pravidelné (roční).
Typickou vývěvu lze pořídit za 25 000,- Kč, náklady na roční údržbu činí 9 000,- Kč (po 4 000 až 6 000 hodinách provozu) a náklady na energii 6 600,- Kč. Oproti tomu vakuový ejektor bez funkce pro úsporu vzduchu znamená investici ve výši 1 000,- Kč, náklady na energii 24 400,- Kč, ovšem náklady na údržbu žádné. Podobně pro ejektor s funkcí pro úsporu vzduchu činí investice 10 000,- Kč a náklady na energii 6 000,- Kč, opět bez nákladů na údržbu.
Zde je přehled různých možností:
| GENERÁTORY PODTLAKU | ||
|
jednostupňové ejektory |
vícestupňové ejektory |
vývěvy |
|
kompaktní a lehké |
střední velikost a hmotnost |
velké a těžké |
|
rychlá reakce |
středně pomalá reakce |
- |
|
nejmenší průtok |
stření průtok |
největší průtok |
|
nejnižší pořizovací náklady |
střední pořizovací náklady |
nejvyšší pořizovací náklady |
|
bez údržby |
citlivější na nečistoty |
nejvyšší náklady na údržbu |
Přímé porovnání ukazuje, že nejmenší náklady na energii vykazuje vývěva, těsně v závěsu s vakuovými ejektory s funkcí pro úsporu stlačeného vzduchu. Ejektory bez funkce pro úsporu stlačeného vzduchu mají značně větší náklady na energii, než ostatní generátory podtlaku. Pokud vezmeme v úvahu i náklady na provoz a údržbu, zjistíme, že se tím pro vývěvu smaže výhoda ve spotřebě energie oproti ostatním řešením.
Příklad ukazuje, že v mnoha aplikacích ejektory více než potvrzují důvod svojí existence. Vysoké pořizovací náklady vývěvy a náklady na jejich provoz a údržbu ve spojení s nepřetržitým provozem a potřebou náhradních dílů tento závěr jen potvrzují. Zatímco ejektory mohou spotřebovávat více energie, jejich jednoduchá konstrukce snižuje pořizovací náklady a náklady na provoz a údržbu na minimum.