Pytanie: Dlaczego zużycie sprężonego powietrza w maszynach do pakowania stanowi tak poważny problem dla zakładów produkcyjnych i gdzie następuje marnowanie energii?

Sprężone powietrze jest często nazywane 'czwartą użytecznością' w nowoczesnej produkcji, obok energii elektrycznej, gazu i wody. Jednak jest zdecydowanie najdroższą użytecznością do wytworzenia. Aż 85% do 90% energii elektrycznej zużywanej do zasilania sprężarki powietrza tracone jest w postaci ciepła. Tylko 10% do 15% jest przekształcane w użyteczną energię pneumatyczną. W zakładach pakujących o dużej mocy, gdzie tysiące cylindrów pneumatycznych pracuje nieprzerwanie, dzień i noc, zużycie sprężonego powietrza stanowi ogromny koszt operacyjny i znaczące źródło emisji CO2.

Maszyny opakowaniowe, w tym kartonownice, maszyny do pakowania w worki, urządzenia do zamykania tack, systemy pick-and-place oraz paletyzatory, w dużym stopniu zależą od systemów pneumatycznych. Pneumatykę wybiera się ze względu na jej szybkość, niezawodność, czystość oraz wysoką gęstość mocy. Jednak ponieważ instalacja systemów pneumatycznych jest prosta, często są one słabo zoptymalizowane. Powoduje to ogromne straty energii w kilku obszarach:

• Jednolite ciśnienie podczas suwów bez roboczych: standardowy butelko pneumatyczne jest zaprojektowany tak, aby wykonywać swoją główną pracę (np. zaciskanie, dociskanie lub przesuwanie ciężkiego pudła) podczas suwu roboczego w przód. Wymaga to wysokiego ciśnienia, zwykle 6 bar. Jednak podczas suwu zwrotnego cylinder po prostu wraca do swojej początkowej pozycji, nie przemieszczając żadnego obciążenia. Mimo to standardowe układy zasilają obie strony cylindra tym samym ciśnieniem sprężonego powietrza wynoszącym 6 bar, co powoduje marnowanie energii podczas suwu zwrotnego.
• Nadmiernie wysokie ciśnienie powietrza: Projektanci maszyn często określają wyższe ciśnienie robocze niż to konieczne, aby zapewnić margines bezpieczeństwa. Jeśli maszyna może działać bez zarzutu przy ciśnieniu 4 bar, ale zakład dostarcza 6 bar, system marnuje ogromną ilość sprężonego powietrza w każdym cyklu.
• Zbyt duża objętość martwa: Objętość powietrza zawarta w przewodach między zaworem sterującym a cylindrem nazywana jest „objętością martwą”. W każdym cyklu to powietrze jest zwiększane do ciśnienia, a następnie odprowadzane do atmosfery bez wykonywania jakiejś użytecznej pracy. Jeśli przewody są zbyt długie lub mają większy średnicę niż to konieczne, ta objętość martwa powoduje znaczne straty powietrza.
• Ciągła strata przy wypuszczaniu: Podczas normalnego przełączania zaworów standardowe zawory elektromagnetyczne odprowadzają sprężone powietrze bezpośrednio do atmosfery, marnując cenne energię ciśnienia, którą można by odzyskać.

Dla zakładów produkcyjnych B2B oraz producentów maszyn opakowaniowych OEM te nieefektywności skutkują rocznymi stratami w wysokości kilku tysięcy dolarów na rachunkach za energię elektryczną. Optymalizacja energii pneumatycznej nie jest już tylko celem środowiskowym – stanowi kluczowy wymóg zapewnienia konkurencyjności cenowej.

Pytanie: Jak zawory oszczędzające powietrze oraz obwody pneumatyczne o podwójnym ciśnieniu optymalizują zużycie energii w zastosowaniach opakowaniowych?

Najskuteczniejszym sposobem ograniczenia marnotrawstwa sprężonego powietrza w maszynach do pakowania jest zastosowanie zaawansowanych zaworów oszczędzających powietrze oraz obwodów dwuciskowych. Technologie te skupiają się na podstawowym źródle strat pneumatycznych: suwie niepracującym.

Firma AIRWORK opracowała specjalistyczne rozwiązania zaworów oszczędzających powietrze, działające na zasadzie optymalizacji ciśnienia i ponownego wykorzystania powietrza:

• Obwody dwuciskowe: Zawór oszczędzający powietrze może być skonfigurowany tak, aby dostarczał wysokie ciśnienie (np. 6 bar) do suwu roboczego cylindra oraz niskie ciśnienie (np. 2 lub 3 bar) do suwu zwrotnego. Obniżenie ciśnienia zwrotnego do minimalnego poziomu niezbędnego do cofnięcia tłoka pozwala zmniejszyć zużycie powietrza przez cylinder podczas suwu zwrotnego nawet o 50%. W przypadku milionów cykli przekłada się to na całkowite obniżenie zużycia powietrza przez ten siłownik o 25–35%.
• Wbudowane regulatory ciśnienia: Energoooszczędne kolektory AIRWORK zawierają zwarte, wysokiej precyzji regulatory bezpośrednio w obudowie zaworu. Pozwala to inżynierom dostosować ciśnienie robocze poszczególnych cylindrów do ich dokładnych wymagań obciążeniowych, zapobiegając nadmiernemu podciśnieniu całego urządzenia.
• Recyrkulacja wydechowego powietrza: Niektóre zaawansowane zawory oszczędzające powietrze firmy AIRWORK wyposażone są w wewnętrzną obwodnicę. Gdy cylinder kończy wysokociśnieniowy ruch roboczy w przód, zamiast odprowadzać całe sprężone powietrze do atmosfery, zawór przekierowuje jego część w celu sprężenia przeciwległego końca cylindra dla ruchu zwrotnego. Ten mechanizm recyrkulacji pozwala na wykonanie ruchu zwrotnego przy użyciu „darmowego” zużytego powietrza, co daje dodatkowe obciążenie kompresora powietrza.
• Technologia niskoprądowych zaworów elektromagnetycznych: Same zawory elektromagnetyczne zużywają energię elektryczną. Energoooszczędne cewki AIRWORK zużywają zaledwie 0,5–1,5 W mocy elektrycznej w porównaniu do standardowych cewek o mocy 4–5 W. Dzięki temu zmniejsza się generowanie ciepła w szafach elektrycznych oraz obniża się całkowite zużycie energii elektrycznej.

Pytanie: Jakie praktyki projektowe powinni stosować inżynierowie R&D, aby zminimalizować martwą objętość pneumatyczną w maszynach do pakowania?

Chociaż zawory oszczędzające powietrze przynoszą natychmiastowe efekty, inżynierowie R&D mogą osiągnąć dalszą optymalizację energetyczną poprzez zastosowanie inteligentnych praktyk projektowania pneumatycznego. Minimalizacja martwej objętości jest kluczową strategią:

• Zamontowanie zaworów elektromagnetycznych w pobliżu cylindrów: Tradycyjnie zawory elektromagnetyczne są grupowane razem w centralnym szafie, co ułatwia ich konserwację. Choć jest to wygodne, wymaga to długich przewodów doprowadzających medium do cylindrów, powodując znaczny martwy objętościowy. Inżynierowie powinni stosować zdecentralizowane kolektory zaworowe, takie jak kompaktowa seria AIRWORK, montując je bezpośrednio na ramie maszyny w pobliżu siłowników, aby ograniczyć długość przewodów do mniej niż 500 mm.
• Optymalizować Rurki Średnica: Dobór średnicy przewodów jest delikatną równowagą. Zbyt wąskie przewody ograniczają przepływ i spowalniają pracę maszyny. Z kolei zbyt szerokie przewody zwiększają martwą objętość. Inżynierowie ds. badań i rozwoju powinni korzystać z oprogramowania AIRWORK do obliczania przepływu, aby wybrać minimalną średnicę przewodów spełniającą wymagania dotyczące prędkości cylindra.
• Wybierz zwarte i zintegrowane siłowniki: nowoczesne maszyny do pakowania korzystają z zintegrowanych jednostek cylinder- zawór. Łącząc zawór sterujący i cylinder w jedną jednostkę fizyczną, całkowicie eliminuje się przewody połączeniowe, co redukuje martwą objętość do zera.

Pytanie: Jaki jest całkowity koszt posiadania (TCO) oraz zwrot z inwestycji (ROI) modernizacji na pneumatyczne systemy oszczędzające powietrze AIRWORK?

Dla menedżerów zakupów B2B ocena opłacalności finansowej modernizacji na energooszczędne systemy pneumatyczne jest kluczowa. Zastąpienie standardowych zaworów systemami pneumatycznymi oszczędzającymi powietrze AIRWORK wiąże się z niewielkimi początkowymi nakładami kapitałowymi, ale zapewnia wyjątkowo szybki okres zwrotu inwestycji:

• Szybki zwrot z inwestycji (ROI): W typowej fabryce pakującej pracującej 24/7 modernizacja jednej intensywnie wykorzystywanej linii pakującej przy użyciu zaworów oszczędzających powietrze AIRWORK pozwala obniżyć roczne rachunki za energię elektryczną o 500–1500 USD na maszynę. Okres zwrotu nakładów inwestycyjnych na wymianę zaworów wynosi zazwyczaj mniej niż 6 miesięcy.
• Zmniejszona konieczność konserwacji sprężarki: Obniżenie zużycia powietrza zmniejsza obciążenie sprężarek w zakładzie. Sprężarki pracują przy niższych temperaturach, zużywają się wolniej i wymagają rzadziej kosztownych przeglądów konserwacyjnych, co wydłuża ich całkowity okres użytkowania.
• Redukcja śladu węglowego: Minimalizacja zużycia energii elektrycznej bezpośrednio zmniejsza emisję gazów cieplarnianych w zakładzie. Korzystanie z rozwiązań AIRWORK pozwala firmom produkującym na dokumentowanie konkretnych danych dotyczących oszczędności energii, wspierając ich cele korporacyjne w zakresie zrównoważonego rozwoju oraz zapewniając zgodność ze standardami środowiskowymi na szczeblu międzynarodowym, takimi jak ISO 50001.

Dzięki współpracy z AIRWORK producenci OEM sprzętu opakowaniowego oraz zakłady produkcyjne mogą przekształcić swoje systemy pneumatyczne – od kosztownych odbiorców energii do wysoko zoptymalizowanych, zrównoważonych i opłacalnych aktywów automatyzacyjnych.