Quali indicatori determinano l'efficienza energetica di un miscelatore e come influiscono sul TCO?
L'efficienza energetica di un miscelatore industriale non è determinata da un singolo indicatore. Determinante è l'interazione tra apporto energetico, tempo di miscelazione, qualità di miscelazione raggiunta, portata di prodotto, rendimento dell'azionamento e fabbisogno energetico delle apparecchiature ausiliarie. Per una valutazione economica, questi valori devono sempre essere considerati in relazione a prodotto, ricetta, grado di riempimento, obiettivo di processo e concetto di impianto.
Apporto energetico specifico
L'apporto energetico specifico descrive l'energia necessaria, per chilogrammo, tonnellata o metro cubo di prodotto, per un processo di miscelazione. L'indicatore può essere espresso, ad esempio, in chilowattora per tonnellata o in chilowattora per metro cubo. È particolarmente adatto per confrontare lotti, parametri di processo o sistemi di miscelazione diversi, a condizione che siano alla base lo stesso compito di miscelazione e la stessa qualità obiettivo.
Un apporto energetico specifico basso rappresenta un vantaggio solo se vengono raggiunte la qualità di miscelazione richiesta, la delicatezza sul prodotto e la riproducibilità. Un miscelatore con un fabbisogno energetico molto ridotto può risultare inadatto se richiede tempi di miscelazione troppo lunghi o non raggiunge in modo affidabile l'omogeneità della ricetta.
Assorbimento di potenza e potenza specifica
L'assorbimento di potenza indica quanta potenza elettrica assorbe l'azionamento durante il funzionamento. La potenza specifica rapporta questa potenza al volume di miscelazione o alla massa di prodotto. Può essere espressa in chilowatt per metro cubo o chilowatt per chilogrammo.
Con prodotti ad alta viscosità, coesivi o fortemente compattati, la potenza specifica è spesso un valore di progettazione importante. Influenza il dimensionamento di motore, riduttore, alberi, utensili di miscelazione e infrastruttura elettrica. Una potenza installata elevata non significa tuttavia automaticamente un elevato consumo energetico per lotto. Determinanti sono potenza, tempo di miscelazione e profilo di carico considerati insieme.
Tempo di miscelazione e tempo di lotto
Il tempo di miscelazione descrive la durata necessaria per raggiungere una qualità di miscelazione definita. Influenza l'energia per lotto, la portata e la disponibilità dell'impianto. Un tempo di miscelazione breve può ridurre il consumo energetico e i costi per lotto, a condizione che venga raggiunto senza un apporto di potenza eccessivo, danneggiamento del prodotto o segregazione.
Il tempo di lotto complessivo comprende, oltre alla miscelazione vera e propria, anche il riempimento, il dosaggio, la termoregolazione, lo svuotamento, la pulizia ed eventualmente l'essiccazione. Per il TCO questo tempo complessivo è spesso più importante del solo tempo di miscelazione. Tempi lunghi di cambio, di pulizia o di svuotamento possono annullare il vantaggio economico di una fase di miscelazione breve.
Qualità di miscelazione e riproducibilità
L'efficienza energetica di un miscelatore deve sempre essere misurata in relazione alla qualità di prodotto raggiunta. Criteri rilevanti sono, ad esempio, la distribuzione della concentrazione, la distribuzione delle particelle, la distribuzione dell'umidità, la dissoluzione degli agglomerati, l'uniformità di temperatura o la viscosità. Non esiste un indicatore di qualità di miscelazione universalmente valido, poiché il metodo di valutazione dipende dal rispettivo compito di miscelazione.
Determinante è il rapporto tra apporto energetico, tempo di miscelazione e qualità di miscelazione raggiunta in modo affidabile. Particolarmente economico è un processo che raggiunge in modo ripetibile l'omogeneità richiesta, senza sollecitare inutilmente il prodotto o impiegare più energia del necessario.
Indicatori idraulici per liquidi e slurry
Con prodotti liquidi, pastosi o simili a slurry, gli indicatori idraulici possono essere importanti. Tra questi rientrano la portata di ricircolo, il volume trasportato, la velocità di flusso e la sollecitazione di taglio. La capacità di pompaggio descrive, in questo contesto, la capacità di un organo miscelante di ricircolare il prodotto nel recipiente.
Un'elevata portata di ricircolo può accelerare l'omogeneizzazione. Non è tuttavia automaticamente efficiente dal punto di vista energetico, se il flusso elevato provoca danneggiamento del prodotto, inglobamento d'aria, formazione di schiuma o un apporto energetico superfluo. L'azione di flusso e di taglio adeguata dipende dalla viscosità, dalla quota di particelle e dalla sensibilità del prodotto.
Numero di Newton e altri indicatori adimensionali
Il numero di Newton descrive il fabbisogno di potenza di un organo agitatore in funzione della geometria dell'utensile, della velocità di rotazione, della densità del fluido e del regime di flusso. È soprattutto per i mezzi liquidi e i processi di agitazione classici un'importante grandezza di progettazione e di confronto. La sua validità per le polveri asciutte è invece limitata, poiché in questo caso gravità, attrito con le pareti, coesione e contatti tra particelle influenzano fortemente il comportamento di miscelazione.
Ulteriori indicatori come il numero di Reynolds o il numero di Froude possono essere rilevanti per la progettazione e per lo scale-up. Non sostituiscono tuttavia le prove con il prodotto reale, in particolare con solidi sfusi coesivi, umidi, abrasivi o a rischio di segregazione.
Rendimento della catena cinematica
Il rendimento complessivo della catena cinematica comprende motore, convertitore di frequenza, riduttore, supporti e tenute. Motori efficienti, rapporti di riduzione adeguati e basse perdite meccaniche riducono il fabbisogno elettrico. La scelta non dovrebbe tuttavia basarsi unicamente sulla classe di rendimento più alta. Sono rilevanti anche il comportamento a carico parziale, le variazioni di carico, il fabbisogno di coppia, l'onere di manutenzione e la sicurezza di processo.
I convertitori di frequenza consentono un avviamento controllato e l'adattamento della velocità di rotazione a prodotto e fase di processo. Ciò può risparmiare energia e ridurre le sollecitazioni meccaniche. L'autoconsumo del convertitore di frequenza e la modalità di funzionamento effettiva dovrebbero tuttavia essere inclusi nella valutazione.
Apparecchiature ausiliarie e fabbisogno energetico termico
Nei miscelatori riscaldati, raffreddati, funzionanti sottovuoto o inertizzati, il fabbisogno energetico non è determinato solo dall'azionamento di miscelazione. Circuiti di riscaldamento e raffreddamento, pompe per vuoto, condensatori, filtri, aria compressa e alimentazione di gas inerte possono avere un'incidenza notevole sul consumo complessivo.
Perdite di potenza ridotte e un apporto energetico adeguato possono ridurre lo sviluppo di calore nel prodotto. Ciò può ridurre il fabbisogno di raffreddamento. Nei processi di essiccazione, tuttavia, deve essere considerato l'intero bilancio energetico. Il vuoto può abbassare la temperatura di prodotto richiesta, ma non riduce automaticamente il fabbisogno energetico complessivo di generazione del vuoto, condensazione ed evaporazione.
Influenza sul costo totale di proprietà
Gli indicatori energetici influenzano il TCO direttamente tramite il consumo di elettricità, calore, raffreddamento, aria compressa e gas inerte. Con un elevato grado di utilizzo o processi ad alta intensità energetica, anche miglioramenti relativamente piccoli del consumo energetico specifico possono diventare economicamente rilevanti nell'arco di molti anni.
Ancora maggiore può essere l'influenza indiretta. Un apporto energetico adeguato al prodotto riduce il rischio di danneggiamento del prodotto, scarti, rilavorazioni e fermi non pianificati. Carichi dinamici più bassi possono ridurre l'usura di supporti, tenute, riduttori e utensili di miscelazione. Ciò può prolungare gli intervalli di manutenzione e migliorare la disponibilità dell'impianto.
Tempi di lotto brevi e riproducibili aumentano la portata dell'impianto esistente. Ciò riduce i costi fissi per unità prodotta. Un'elevata qualità di miscelazione con scarti ridotti può essere economicamente più importante del semplice risparmio di energia elettrica, soprattutto con materie prime pregiate o prodotti critici per la qualità.
Una valutazione TCO solida non confronta quindi solo la potenza del motore o l'energia per tonnellata. Considera l'intera catena di processo composta da consumo energetico, tempo di miscelazione, portata, qualità del prodotto, scarti, onere di pulizia, manutenzione, disponibilità dell'impianto e costi delle periferiche necessarie.
Così amixon® valuta l'efficienza energetica, la prestazione di pulizia, il TCO e l'ammortamento di un miscelatore industriale
L'efficienza energetica di un miscelatore non è determinata unicamente dalla potenza del motore. Determinante è se la qualità di miscelazione richiesta, la delicatezza sul prodotto e la riproducibilità vengono raggiunte con un apporto energetico adeguato al prodotto. Per il costo totale di proprietà sono inoltre rilevanti le perdite di prodotto, i tempi di pulizia e di cambio, la manutenzione, l'approvvigionamento dei ricambi, la disponibilità dell'impianto e l'utilizzabilità a lungo termine dell'impianto.
amixon® considera questi fattori come un sistema complessivo interconnesso. Gli indicatori più importanti sono l'apporto energetico specifico, il tempo di miscelazione, il tempo di lotto complessivo, la qualità di miscelazione raggiungibile, lo svuotamento residuo, l'onere di pulizia, la disponibilità dell'impianto, nonché il fabbisogno energetico delle apparecchiature ausiliarie necessarie.
Apporto energetico e tempo di miscelazione
I dati generici sul consumo energetico per tonnellata di prodotto hanno, nei miscelatori industriali, un valore informativo solo limitato. Il fabbisogno energetico reale dipende da ricetta, dimensione del lotto, grado di riempimento, peso di massa volumica, viscosità, tempo di miscelazione, temperatura e apporto energetico richiesto.
A seconda del tipo costruttivo e del compito di miscelazione, i miscelatori amixon® lavorano con basse velocità periferiche. Il funzionamento a bassa velocità può ridurre l'attrito, la sollecitazione da urto e i carichi dinamici. Con polveri sensibili, a scorrimento libero o a rischio di segregazione, un rimescolamento del prodotto su ampia scala può raggiungere la qualità di miscelazione richiesta con un apporto energetico relativamente ridotto.
Un tempo di miscelazione breve non riduce automaticamente il consumo energetico. Un tempo di miscelazione breve è economico quando l'omogeneità richiesta viene raggiunta senza una velocità di rotazione eccessiva, un'azione di taglio superflua o danneggiamento del prodotto. Il tempo di miscelazione e l'apporto energetico devono quindi essere valutati per ogni ricetta con il prodotto originale.
Il silo miscelatore Gyraton® GM è progettato per lotti di grande volume fino a circa 100 metri cubi. Il principio di miscelazione consente l'omogeneizzazione di grandi quantità di prodotto con una potenza di azionamento installata relativamente bassa. Ciò può contenere il fabbisogno energetico per lotto, in particolare con grandi quantità di solidi sfusi a scorrimento libero. L'assorbimento di energia effettivo viene valutato con il prodotto concreto, il grado di riempimento e l'obiettivo di processo.
Svuotamento residuo e perdita di prodotto
La perdita di prodotto è un fattore TCO essenziale, in particolare con materie prime pregiate, principi attivi, additivi o lotti piccoli. Ogni quantità residua rimanente nel miscelatore non causa soltanto una perdita diretta di materiale. Può anche allungare la pulizia, influenzare i lotti successivi e aumentare il rischio di contaminazioni crociate.
Le serie amixon® AM e KS sono progettate per uno svuotamento residuo esteso. Gli utensili di scarico ComDisc® favoriscono l'evacuazione del prodotto residuo dalla camera di miscelazione. Il grado di svuotamento raggiungibile dipende sempre dalle caratteristiche del prodotto come umidità, forma delle particelle, coesione, peso di massa volumica, abrasività e tendenza all'adesione. La svuotabilità dovrebbe pertanto essere testata con il prodotto originale.
Uno svuotamento residuo esteso può ridurre la perdita di materie prime, abbreviare il tempo di pulizia e aumentare la produttività dell'impianto. In questo modo influisce spesso sul TCO in misura maggiore rispetto a una piccola differenza nell'assorbimento di potenza elettrica dell'azionamento di miscelazione.
Pulizia a getto mirato programmabile
I tempi di pulizia e di cambio sono, negli impianti multiprodotto, una parte essenziale dei costi operativi complessivi. In particolare nell'industria alimentare, farmaceutica, chimica e chimica speciale, la durata tra due lotti determina quanto tempo di impianto è utilizzabile in modo produttivo.
amixon® può dotare gli impianti di miscelazione di ugelli di pulizia a getto mirato programmabili. Gli ugelli vengono orientati in modo mirato verso le superfici a contatto con il prodotto, gli utensili di miscelazione, le geometrie della camera di miscelazione e le zone di scarico. I programmi di pulizia possono attivare gli ugelli in sequenze definite, favorendo così una bagnatura riproducibile delle superfici rilevanti.
La pulizia a getto mirato programmabile può ridurre acqua, detergente e tempo di pulizia, se progettata in modo adeguato all'adesione del prodotto, alla geometria del recipiente e al compito di pulizia. Può ridurre le operazioni di pulizia manuale e accelerare il passaggio tra ricette diverse. La prestazione di pulizia richiesta deve tuttavia essere validata per prodotto, mezzo di pulizia e criteri di rilascio.
Essiccazione rapida dopo la pulizia a umido
Dopo una pulizia a umido, l'essiccazione della camera di miscelazione è spesso un passaggio decisivo. L'umidità residua può compromettere i prodotti successivi, ritardare il rilascio e prolungare il tempo di fermo dell'impianto. Ciò vale in particolare per polveri igroscopiche, ricette sensibili all'umidità o applicazioni con elevati requisiti di purezza del prodotto.
amixon® può progettare gli impianti di miscelazione in modo che la camera di miscelazione pulita e umida venga essiccata in tempi molto brevi. La camera di miscelazione viene attraversata da aria di processo o gas inerte guidati in modo mirato. L'organo miscelante favorisce la distribuzione del flusso all'interno e può accelerare l'essiccazione delle superfici a contatto con il prodotto.
Anche con acqua di pulizia fredda un'essiccazione rapida può essere possibile, se il convogliamento dell'aria, la portata volumetrica, la temperatura, il vuoto, il livello di pressione e l'evacuazione della condensa sono coordinati in modo adeguato tra loro. Il tempo di essiccazione raggiungibile dipende da dimensione del recipiente, superfici, acqua residua, umidità dell'aria, temperatura e procedimento di essiccazione previsto. Il vantaggio risiede in un tempo di fermo ridotto, cambi di prodotto più brevi e una maggiore disponibilità dell'impianto di miscelazione.
Manutenzione e disponibilità a lungo termine
La tecnica di miscelazione amixon® è progettata per costruzioni robuste, carichi dinamici ridotti e una buona accessibilità per l'ispezione e la pulizia. L'organo miscelante è supportato esclusivamente in alto. Un passaggio d'albero inferiore a contatto con il prodotto può così venire a mancare. Ciò riduce un'area potenzialmente impegnativa dal punto di vista manutentivo all'interno della camera di miscelazione.
La combinazione tra funzionamento a bassa velocità, costruzione a bassa usura e documentazione costruttiva disponibile a lungo termine può ridurre l'onere di manutenzione e i rischi legati ai ricambi. Componenti di usura selezionati possono già essere forniti con la prima consegna. In caso di fabbisogno di ricambi, trasformazioni o modernizzazioni, la progettazione, la produzione e il servizio di amixon® supportano l'utilizzo a lungo termine dell'impianto.
Dati di prova solidi anziché valori di catalogo
Un calcolo solido di TCO, ROI o ammortamento dovrebbe basarsi su dati documentati con il prodotto originale. Nel centro prove amixon® possono essere valutati, in condizioni realistiche, il tempo di miscelazione, l'assorbimento di energia, la qualità di miscelazione, la delicatezza sul prodotto, la svuotabilità, l'onere di pulizia, il tempo di essiccazione e il tempo di cambio.
Nel centro prove amixon® di Paderborn sono disponibili più di 30 impianti di prova in diverse taglie. A completamento esistono centri prove in Giappone, India, Thailandia, Cina, Corea del Sud e negli Stati Uniti. Le prove possono essere condotte con gradi di riempimento e dimensioni di lotto realistici, nonché con le condizioni di temperatura e pressione previste.
I risultati vengono documentati e costituiscono una base per la scelta della taglia, la definizione dei parametri di processo e la valutazione economica. amixon® non valuta quindi l'efficienza energetica isolatamente come consumo elettrico dell'azionamento. Determinante è l'intero processo composto da tempo di miscelazione, apporto energetico, perdita di prodotto, pulizia, essiccazione, manutenzione, disponibilità dell'impianto e utilizzabilità a lungo termine.