Energooszczędna Technologia Filtracji

W poszukiwaniu potencjalnych oszczędności zawsze wyróżnia się zaopatrzenie w sprężone powietrze, które jest niezbędne dla przemysłu, ponieważ ta forma energii jest produkowana przez same przedsiębiorstwa; na jej koszty można więc bezpośrednio wpływać.

A ponieważ "diabeł tkwi w szczegółach" w najprawdziwszym tego słowa znaczeniu, potrzebni są specjaliści na różnych poziomach - od produkcji, poprzez uzdatnianie i dystrybucję, aż po wymaganą jakość sprężonego powietrza w miejscu poboru. Na przykład jednemu z wiodących producentów filtrów udało się w roku finansowym 2021 zaoszczędzić 460 000 kWh energii elektrycznej dzięki ukierunkowanym działaniom w zakresie zasilania sprężonym powietrzem w swoich amerykańskich zakładach (źródło: Donaldson Sustainability Report, Fiscal Year 2021). Działania oszczędnościowe tradycyjnie koncentrowały się na sprężarkach powietrza. Ich zużycie energii elektrycznej jest łatwe do zmierzenia, a rozwój technologiczny sprężarek i ich sterowania wydaje się osiągać granice możliwości w zakresie odpowiednich zasad projektowania w odniesieniu do zmniejszenia zapotrzebowania na energię elektryczną.

Od czego więc zacząć, gdy w dobrze zaprojektowanej sieci sprężonego powietrza (rys. 1) praktykuje się najnowocześniejsze wytwarzanie, dane są rejestrowane cyfrowo, a także skuteczna jest walka z wyciekami?

Unikanie strat ciśnienia to stałe zadanie i jedna z najskuteczniejszych śrub regulacyjnych na drodze do większej efektywności energetycznej. A technologia filtracji odgrywa w tym decydującą rolę. Nawet ulepszona filtracja powietrza wlotowego do sprężarki (rys. 2) ma wpływ na kolejne elementy filtrujące (rys. 3) podczas procesu sprężania, a więc także na uzdatnianie sprężonego powietrza. Do momentu, gdy nośnik energii "sprężone powietrze" dotrze do siłowników, elementów sterowania pneumatycznego, a w wielu obszarach zastosowań do swojego zadania jako powietrze procesowe, można założyć minimum od około sześciu do kilkuset filtrów specyficznych dla danego zastosowania. A każdy etap filtracji oznacza straty ciśnienia, które są kompensowane przez większe zapotrzebowanie na energię sprężarek.

Nie wolno więc lekceważyć wpływu technologii filtracji na zapotrzebowanie na energię. Badania i rozwój w Donaldson rozpoznały na bardzo wczesnym etapie, że interakcja wydajności filtracji i ciśnienia różnicowego może być zaprojektowana poprzez strukturę mediów filtracyjnych w taki sposób, że można osiągnąć znaczny potencjał oszczędności energii.

Technologia filtracji UltraPleat™ (rys. 4) wykorzystuje nową strukturę powlekanych włókien high-tech, które są przetwarzane na plisowane media filtracyjne o wysokiej skuteczności separacji cząstek ciekłych i dużej zdolności absorpcji cząstek stałych. Wielowarstwowa struktura nowego medium filtracyjnego została zaprojektowana w taki sposób, aby uzyskać optymalne warunki przepływu, a jednocześnie ponad 400% większą powierzchnię filtracyjną w porównaniu do zwiniętych mediów filtracyjnych.

W przypadku separacji aerozoli olejowych osiągana jest skuteczność ≥ 99,9 % zgodnie z normą ISO 12500-1:2007. Dane dotyczące wydajności filtrów według ISO 12500-1 i ISO 12500-3:2009 zostały również potwierdzone przez niezależny instytut badań nad energią i środowiskiem. Fakt, że tak wysoka wydajność filtracji mogła być osiągnięta przy jednoczesnej redukcji ciśnienia różnicowego o kolejne 50%, podkreśla udany rozwój tej technologii filtracji w celu zwiększenia efektywności energetycznej i ochrony zasobów (rys. 5). Prosta przykładowa kalkulacja pokazuje ogromne korzyści ekonomiczne tej technologii: ciśnienie różnicowe niższe tylko o 300 mbar przez 8000 godzin pracy pozwala zaoszczędzić około 4700 euro na jednym filtrze UltraPleat™ rocznie (ciśnienie sieciowe 7 barów, moc zainstalowanej sprężarki 110 kW, 0,18 euro/kWh).

Wysoka wydajność innowacyjnych elementów filtracyjnych jest w pełni wykorzystywana w zoptymalizowanych pod kątem przepływu obudowach filtrów. Warunkiem jest jednak ciągła kontrola ciśnienia różnicowego przez cały okres eksploatacji elementów filtra koalescencyjnego lub cząsteczkowego. Należy je wymienić, gdy koszty energii związane z rosnącą różnicą ciśnień spowodowaną wydajnością filtracji osiągną koszty inwestycyjne nowego elementu filtracyjnego. Wskazanie najbardziej ekonomicznego czasu wymiany zapewnia w wersji standardowej ekonometr lub ekonomizer (rys. 6), który w sposób ciągły mierzy różnicę ciśnień. Zintegrowany mikroprocesor ocenia mierzone dane i porównuje rosnące koszty energii z powodu utraty ciśnienia z kosztami nowego wkładu filtracyjnego. Obliczony w ten sposób najbardziej ekonomiczny czas wymiany jest wskazywany przez diody świetlne i - jeśli pozwalają na to wymogi cyfrowego sterowania i konserwacji - przekazywany do nadrzędnego sterowania stacji sprężonego powietrza.

W przypadku większych strumieni objętości sprężonego powietrza, które wymagają indywidualnych rozwiązań z obudową dostosowaną do danego zastosowania (rys. 7), pojawia się pytanie, czy wyniki pomiarów serii standardowej DF-UltraPleat™ można "przeskalować". Wolfgang Bongartz, kierownik ds. inżynierii w Donaldson w Haan, wyjaśnia: "Ponieważ urządzenia do testowania dużych wydajności filtrów były dostępne w niezależnych instytutach, dysponujemy wiarygodną bazą danych. Struktura filtrów została zoptymalizowana dla różnych gatunków filtrów. Dzięki walidacji nowych elementów zgodnie z normami ISO 12500-1 i 12500-3 zapewniona jest pełna porównywalność danych eksploatacyjnych. Dla użytkownika oznacza to: długą żywotność elementów przy niezmiennie niskim ciśnieniu różnicowym - decydujący parametr dla oszczędności energii."

W przeliczeniu na wiele milionów filtrów sprężonego powietrza używanych na całym świecie jest to czynnik redukcji zanieczyszczeń CO₂, którego nie należy lekceważyć. - A "zielony prąd" też nie przychodzi za darmo (rys. 8).

Tylko zaawansowana technika filtracji pozwoli osiągnąć niezbędne oczyszczenie sprężonego powietrza aż do sterylnej filtracji w punkcie poboru. W koncepcjach uzdatniania sprężonego powietrza, w których spełnione są specyfikacje normy ISO 8573-1:2010 z klasami jakości 1-2:1-2, jak również 0, gdzie stosuje się systemy osuszania wyposażone w energooszczędne filtry UltraPleat (rys. 9).

Dla ekonomicznego wykorzystania osuszaczy adsorpcyjnych decydujące znaczenie ma wybór procesu regeneracji, uwzględniający warunki eksploatacji. Jeśli dostępne jest ciepło sprężarki, można je ekonomicznie wykorzystać do regeneracji w tzw. procesie Heat of Compression (HOC). Czas cyklu wynosi tu 3,5 - 5,5 godziny. Jeśli dostępne jest ciepło procesowe, możliwa jest dalsza poprawa bilansu energetycznego.

Jeśli np. nie dla wszystkich odbiorców wymagana jest szczególnie wysoka jakość sprężonego powietrza odpowiadająca klasom jakości sprężonego powietrza wg ISO 8573-1:2010, ma to wpływ na konstrukcję centralnego przygotowania i sieci sprężonego powietrza. Szczególnie wysoki poziom jakości można wtedy osiągnąć w sposób bardziej ekonomiczny w miejscu odbioru, stosując system oczyszczania Ultrapac™ Smart (rys. 10). Dostępnych jest dziesięć rozmiarów o przepływach nominalnych od 5 do 100 m³/h. Zintegrowany filtr wstępny UltraPleat™ zatrzymuje cząstki stałe i zawiesiny, a także aerozole płynne (olej/woda). Złoże adsorpcyjne pochłania wilgoć do ciśnieniowego punktu rosy -70 °C, przy 70 % obciążeniu nominalnym (standardowo -40 °C). W ostatnim etapie pozostałe cząstki stałe o wielkości do 0,01 μm są zatrzymywane w zintegrowanym filtrze końcowym UltraPleat.