Jak ocenić efektywność energetyczną, zrównoważony rozwój i trwałość przy wyborze instalacji mieszającej?
Przy wyborze instalacji mieszającej efektywność energetyczna, zrównoważony rozwój i trwałość nie powinny być oceniane osobno, lecz jako powiązane ze sobą kryteria decyzyjne. Energooszczędna instalacja nie jest automatycznie zrównoważona, jeśli powoduje wysokie straty produktu, wymaga dużej ilości mediów czyszczących lub może być eksploatowana tylko przy wysokim nakładzie na konserwację. Odwrotnie, solidna, długowieczna instalacja może być korzystna ekonomicznie i ekologicznie mimo wyższych kosztów zakupu, jeśli pracuje niezawodnie przez wiele lat, jest dobrze modernizowalna i powoduje niskie koszty przestojów oraz części zamiennych. Podstawą oceny powinny być zatem techniczne dane wydajnościowe, realistyczne założenia eksploatacyjne, wskaźniki środowiskowe i koszty cyklu życia.
Efektywność energetyczną należy odnosić do rzeczywiście wymaganego zadania mieszania. Centralnym wskaźnikiem jest jednostkowe zużycie energii, na przykład w kWh na tonę produktu zdatnego do sprzedaży lub na wsad, przy udowodnionej jakości mieszania. Decydująca nie jest sama moc przyłączeniowa mieszalnika. Na zapotrzebowanie na energię wpływają również czas mieszania, stopień napełnienia, geometria narzędzia, prędkość obrotowa, zachowanie produktu, receptura i wymagana jednorodność. Wysoka zainstalowana moc napędu nie jest automatycznie nieefektywna, jeśli jest wymagana do momentów rozruchowych, wysokich lepkości, szczytów obciążenia lub szczególnych faz procesu. Odwrotnie, zbyt duży dobór jednostki napędowej może powodować niepotrzebne straty inwestycyjne i straty przy obciążeniu częściowym. Dobór napędu powinien zatem odzwierciedlać rzeczywisty przypadek obciążenia i przewidywać wystarczające rezerwy na odchylenia wynikające z produktu lub procesu.
Wydajne silniki, przekładnie o niskich stratach i napędy sterowane częstotliwościowo mogą poprawiać efektywność energetyczną, jeśli są dopasowane do zastosowania. Przemienniki częstotliwości umożliwiają dostosowanie prędkości obrotowej i momentu obrotowego do produktu, stopnia napełnienia i fazy mieszania. Mogą one zmniejszać czasy jałowe, poprawiać łagodność wobec produktu i wspierać eksploatację dostosowaną do potrzeb. Odzysk energii przy procesach hamowania ma jednak przy wielu klasycznych procesach mieszania tylko ograniczone znaczenie i powinien być oceniany jako korzyść tylko wtedy, gdy dynamiczne procesy hamowania rzeczywiście występują często, a infrastruktura elektryczna umożliwia odzysk. Cały łańcuch napędowy powinien być zatem oceniany nie tylko według klasy sprawności, lecz według rzeczywistego profilu obciążenia, rocznych godzin pracy i jednostkowego zużycia energii.
Również dobór konstrukcji procesowej wpływa na efektywność energetyczną. Narzędzia mieszające korzystne pod względem przepływu, odpowiednia geometria zbiornika i właściwy stopień napełnienia mogą skracać czas mieszania wymagany dla określonej jakości. Krótki czas mieszania nie zawsze jest jednak celem nadrzędnym. Przy wrażliwych produktach lub wielkoobjętościowych wsadach sensowna może być dłuższa, powoli prowadzona homogenizacja, jeśli umożliwia łagodność wobec produktu, jakość mieszania i niższą moc przyłączeniową. Wybór mieszalnika powinien zatem następować na podstawie prób z produktem i jasno zdefiniowanych kryteriów jakościowych. Odpowiednie porównanie uwzględnia nie tylko czas do osiągnięcia jednorodności, lecz również zużycie energii, temperaturę produktu, skłonność do rozdzielania się mieszaniny, ścieranie, straty produktu i nakład na czyszczenie.
Do bilansu energetycznego należą oprócz napędu mieszającego również wszystkie istotne agregaty pomocnicze. Zalicza się do nich na przykład elementy dozujące, technika transportu, systemy próżniowe i sprężonego powietrza, odciąg, technika sterowania oraz systemy ogrzewania lub chłodzenia. Przy temperowanych procesach mieszania, suszenia lub reakcji zapotrzebowanie na ciepło i chłód powinno być rejestrowane osobno, na przykład w kWh lub MJ na wsad lub na tonę produktu. Dobra izolacja termiczna zbiorników z płaszczem grzewczym może ograniczać straty ciepła. Odzysk ciepła jest szczególnie istotny tam, gdzie z powietrza wywiewanego, obiegów chłodzących lub ciepła procesowego rzeczywiście powstaje użyteczna energia. Przy nietemperowanych procesach mieszania proszków jego potencjał jest natomiast często niewielki.
Zrównoważony rozwój obejmuje, obok zużycia energii, efektywne obchodzenie się z surowcami, wodą, chemikaliami czyszczącymi i częściami zużywającymi się. Dobre opróżnianie resztkowe może zmniejszać straty produktu i odpady oraz przy zmianach produktu ograniczać nakład na czyszczenie. Komory mieszania bez stref martwych, dobrze dostępne i przyjazne dla czyszczenia mogą pomagać ograniczać zapotrzebowanie na wodę i chemikalia. Czy koncepcja CIP, WIP czy czyszczenia ręcznego jest rozwiązaniem najbardziej zrównoważonym, zależy od przywierania produktu, częstotliwości zmian, wymagań higienicznych, dostępnej infrastruktury i wymagań dotyczących walidacji czyszczenia. Wpływ środowiskowy nie powinien być mierzony wyłącznie zużyciem wody, lecz również zużyciem energii, zapotrzebowaniem na środki czyszczące, ilością ścieków i ewentualnie istotnymi ładunkami ścieków.
Przy doborze materiałów zużycie, korozja, higiena, naprawialność i zdolność do recyklingu muszą być oceniane wspólnie. Stale nierdzewne są w wielu zastosowaniach trwałe, dobrze czyszczalne i dobrze przetwarzalne pod koniec fazy użytkowania. Przy produktach ściernych materiały hartowane, wykładziny odporne na zużycie, powłoki z materiałów twardych lub ceramika techniczna mogą wydłużać żywotność określonych elementów. Powinny one jednak być stosowane tylko wtedy, gdy są kompatybilne z produktem, temperaturą, czyszczeniem, obciążeniem udarowym i wymaganiami regulacyjnymi. Dla mediów korozyjnych, zależnie od obciążenia chemicznego, w grę wchodzą na przykład stale austenityczne lub duplex oraz odpowiednie stopy specjalne. Odpowiednia jakość powierzchni może zmniejszać przywieranie produktu i poprawiać czyszczalność. W zastosowaniach higienicznych dla metalowych powierzchni mających kontakt z produktem często stosuje się jako wartość orientacyjną chropowatość Ra 0,8 µm lub lepszą. Rzeczywiście wymagana jakość powierzchni zależy jednak również od geometrii, wykonania spoin, metody czyszczenia i ryzyka higienicznego.
Trwałość instalacji mieszającej jest determinowana przez odpowiednie wymiarowanie wałów, łożysk, przekładni, sprzęgieł, uszczelnień i narzędzi mieszających. Komponenty te powinny być dostosowane do rzeczywistego kolektywu obciążeń, możliwych niewyważeń, zmiennych stopni napełnienia, procesów rozruchowych, ścierania przez produkt i oczekiwanych godzin pracy. Sztywne wartości docelowe, takie jak minimalna trwałość łożyska 40 000 godzin, nie są sensowne dla każdego zastosowania. Wymagana nominalna trwałość łożyska według normy ISO 281 zależy od krytyczności, obciążenia, prędkości obrotowej, koncepcji konserwacji, wymienialności i skutków awarii. Przy krytycznych procesach ciągłych o wysokiej wymaganej dostępności sensowne mogą być wyższe wymagania; przy łatwo wymienialnych lub przerywanie eksploatowanych komponentach bardziej ekonomiczne mogą być inne wartości docelowe.
Przyjazność dla konserwacji jest istotnym czynnikiem trwałości technicznej i ekonomicznej. Dobrze dostępne uszczelnienia, łożyskowania, narzędzia mieszające i elementy wyładowcze skracają czasy inspekcji i naprawy. Wymienne części zużywające się, moduły konstrukcyjne i możliwie standaryzowane komponenty ułatwiają utrzymywanie zapasu części zamiennych i konserwację. Długoterminowa dostępność części zamiennych powinna być zabezpieczona umownie lub poprzez możliwą do prześledzenia strategię serwisową i retrofitową, a nie przez ogólne założenie dostępności przez 15 czy 20 lat. Czujniki drgań, temperatury, momentu obrotowego, poboru prądu lub czasów pracy mogą wspierać konserwację ukierunkowaną na stan techniczny. Pomagają one wcześnie rozpoznawać zauważalne trendy i przenosić interwencje konserwacyjne do zaplanowanych okien przestojowych. Decydujące pozostają jednak odpowiednia jakość danych, fachowa ocena i sprawnie funkcjonująca organizacja utrzymania ruchu.
Dla oceny dostępności pomocne są wskaźniki, takie jak średni czas między awariami (Mean Time Between Failures), średni czas naprawy (Mean Time To Repair) i całkowita efektywność wyposażenia (Overall Equipment Effectiveness). MTBF opisuje czas między przerwami wynikającymi z awarii, MTTR – przeciętny czas do przywrócenia funkcji. OEE łączy dostępność, wydajność i wskaźnik jakości. Wskaźników tych nie należy rozpatrywać w oderwaniu, ponieważ wysokie OEE może zostać osiągnięte na przykład kosztem wysokich ilości braków lub nadmiernego zużycia energii. Analiza staje się miarodajna dopiero wtedy, gdy zużycie energii, straty produktu, nakład na czyszczenie, braki, koszty konserwacji i przyczyny przestojów są oceniane wspólnie.
Wiarygodną ocenę ekologiczną można przeprowadzić za pomocą analizy cyklu życia. Norma ISO 14040 opisuje zasady i ramy oceny cyklu życia, natomiast ISO 14044 ustala wymagania i wytyczne dotyczące celu i zakresu badania, analizy zbioru danych, oceny wpływu, interpretacji, sprawozdawczości i ewentualnej weryfikacji krytycznej. Dla wyboru instalacji mieszającej oznacza to: granice systemu, jednostka funkcjonalna, rozpatrywane fazy cyklu życia, jakość danych, założenia i istotne oddziaływania środowiskowe muszą być zdefiniowane z góry. Nieprawdziwe jest ogólne stwierdzenie, że energia eksploatacyjna w każdym przypadku dominuje w bilansie CO₂. Przy wysokim wykorzystaniu i długich okresach pracy może być decydująca; przy niskim wykorzystaniu, materiałach energochłonnych, częstych częściach zamiennych lub szczególnie emisyjnych surowcach silniejsze znaczenie mogą mieć inne fazy cyklu życia.
Obok oceny cyklu życia decyzja powinna uwzględniać rozpatrzenie całkowitego kosztu posiadania lub kosztów cyklu życia. Uwzględnione powinny być zakup, instalacja, energia, media pomocnicze, czyszczenie, konserwacja, części zamienne, personel, straty jakościowe, braki, nieplanowane przestoje, modernizacje i demontaż. Okres obserwacji nie powinien być ustalany ogólnie na dziesięć do dwudziestu lat, lecz dopasowany do oczekiwanego okresu użytkowania, logiki amortyzacji, rozwoju technologii i planowania procesu. Analiza wartości użytkowej może uzupełniać te aspekty ekonomiczne o kryteria niepieniężne, takie jak łagodność wobec produktu, jakość mieszania, przydatność higieniczna, czyszczalność, elastyczność, skalowalność, intensywność CO₂, dostępność i zdolność serwisowa.
Wybór zrównoważonej instalacji mieszającej powinien zatem opierać się na wiarygodnych próbach z produktem, zmierzonym lub w sposób możliwy do prześledzenia obliczonym zużyciu energii i mediów, realistycznej strategii utrzymania ruchu oraz przejrzystej ocenie kosztów cyklu życia i środowiska. Norma ISO 50001 może przy tym stanowić ramy dla systematycznej poprawy efektywności energetycznej: norma wspiera przedsiębiorstwa w rejestracji danych, wyznaczaniu celów, pomiarze i ciągłym doskonaleniu efektywności energetycznej, zużycia energii i poboru energii. Norma ISO 14001 może wspierać system zarządzania środowiskowego; normy ISO 14040 i ISO 14044 są istotne dla metodycznego przeprowadzenia oceny cyklu życia.
Tak amixon® rozwiązuje to zadanie
Zrównoważony rozwój w rozumieniu amixon® oznacza ocenę zużycia energii, wydajności surowcowej, nakładu na czyszczenie, konserwacji i ekonomicznego okresu użytkowania jako powiązanego systemu. Przy wyborze instalacji mieszającej nie wystarczy porównać samej zainstalowanej mocy napędu lub ceny zakupu. Decydujące są rzeczywiste zadanie mieszania, zachowanie produktu, wielkość wsadu, stopień napełnienia, wymagana jakość mieszania, wymagania dotyczące czyszczenia oraz oczekiwany sposób eksploatacji. amixon® może ocenić te czynniki poprzez próby w centrum prób z produktem oryginalnym oraz poprzez dane procesowe odniesione do zastosowania.
Efektywność energetyczna jest w znacznym stopniu determinowana przez zasadę mieszania, geometrię narzędzia, prędkość obrotową, stopień napełnienia i czas mieszania. Mieszalniki amixon® pracują w wielu zastosowaniach z niskimi prędkościami obwodowymi narzędzi mieszających. Może to umożliwiać łagodne przemieszczanie produktu i ograniczać mechaniczne wprowadzanie energii. Wymagana moc napędu jest jednak zawsze dobierana na podstawie produktu, receptury, zadania mieszania, wielkości wsadu i pożądanej jednorodności. Sama niska moc przyłączeniowa nie jest wystarczającym kryterium efektywności; decydujące jest jednostkowe zużycie energii przy powtarzalnie osiąganej jakości mieszania, na przykład w kWh na wsad lub na tonę produktu zdatnego do sprzedaży.
Krótkie czasy mieszania mogą obniżać zużycie energii na wsad, o ile wymagana jednorodność zostaje pewnie osiągnięta. W mieszalniku KoneSlid® KS amixon® podaje w odpowiednich warunkach optymalną jakość mieszania po około 20 do 30 obrotach narzędzia. Wartość ta jest specyficzna dla danego produktu i nie jest ogólnie przenoszalna na inne produkty, stopnie napełnienia czy typy mieszalników. W mieszalniku dwuwałowym HM nakładające się strumienie mieszania mogą wspierać szybkie i intensywne przemieszanie. Rzeczywisty czas mieszania, zapotrzebowanie na energię i jakość mieszania powinny być jednak zawsze sprawdzane z produktem oryginalnym.
Krótki czas mieszania nie w każdym zastosowaniu jest celem nadrzędnym. Jeśli w centrum uwagi znajdują się łagodność wobec produktu, jednorodność i niska moc przyłączeniowa elektryczna, ekonomicznie sensowna może być dłuższa, powoli prowadzona homogenizacja. Mieszalnik Gyraton® GM realizuje tę zasadę. Jest on zaprojektowany do dużych wsadów i może łagodnie przemieszczać materiał sypki przy niskiej prędkości obrotowej. Dzięki temu wymagana moc napędu może pozostać niska w stosunku do dużej ilości wsadu. Mieszalniki Gyraton® są dostępne dla wielkości wsadu do 100 m³ i nadają się, zależnie od wykonania, do materiałów sypkich suchych, wilgotnych lub mokrych. Konkretna moc silnika, czas mieszania i osiągalna jakość mieszania są ustalane specyficznie dla projektu na podstawie produktu, wielkości wsadu, stopnia napełnienia i wymagania jakościowego.
Obok zużycia energii istotnym czynnikiem zrównoważonego rozwoju jest wydajność surowcowa. Możliwie kompletne opróżnianie mieszalnika może zmniejszać straty produktu, braki i nakład na czyszczenie. Zależnie od produktu, typu mieszalnika i wykonania mieszalniki amixon® mogą osiągać wysokie stopnie opróżnienia. Dla określonych wykonań amixon® podaje stopnie opróżnienia do 99,98 procent. Dzięki technologii ComDisc® możliwe są w odpowiednich warunkach stopnie opróżnienia do 99,997 procent i wyższe. Rzeczywiście osiągalna ilość resztkowa zależy jednak od zachowania płynięcia, wilgotności, wielkości cząstek, gęstości nasypowej i skłonności do przywierania danego produktu i powinna być sprawdzona w próbie.
Komory mieszania bez stref martwych i dobrze dostępne mogą ułatwiać czyszczenie. Przy odpowiedniej koncepcji procesu i instalacji może to zmniejszać zapotrzebowanie na wodę, środki czyszczące, energię i interwencje ręczne. Przy wmieszaniu cieczy drobno rozproszone, dostosowane do receptury dozowanie może pomagać ograniczać lokalne przywieranie. Czy rzeczywiście wynikają z tego krótsze czasy czyszczenia lub niższe zużycie mediów, zależy między innymi od produktu, standardu higienicznego, częstotliwości zmian i metody czyszczenia. Przy proszkach wrażliwych na temperaturę łagodna zasada mieszania może ponadto pomagać ograniczać niepożądane wprowadzanie ciepła. Czy dzięki temu oszczędzana jest energia chłodzenia, powinno być zmierzone dla konkretnego zastosowania.
Trwałość jest kolejnym czynnikiem zrównoważonego rozwoju. Solidna konstrukcja, odpowiednie materiały, komponenty dostosowane pod względem zużycia, dobra dostępność konserwacyjna i możliwość modernizacji mogą wydłużać ekonomiczny okres użytkowania instalacji mieszającej. amixon® wspiera użytkowników konserwacją, zaopatrzeniem w części zamienne, retrofitem i modernizacją. Doposażenia mogą dotyczyć na przykład napędów, sterowania, czujników, funkcji bezpieczeństwa, techniki dozowania, czyszczenia lub dokumentacji procesowej. Umożliwiają one dostosowanie istniejących instalacji do nowych receptur, zmienionych wydajności, wyższych wymagań co do identyfikowalności lub przepisów regulacyjnych. Może to zmniejszać zapotrzebowanie na pełne inwestycje zastępcze oraz związane z nimi zużycie materiałów i energii.
Dla ugruntowanego wyboru wskaźniki energii, zasobów i dostępności powinny być rozpatrywane łącznie. Szczególnie sensowne są jednostkowe zużycie energii na wsad lub na tonę produktu, pobór mocy w przebiegu czasowym, ilość resztkowa po opróżnieniu, wskaźnik strat produktu, zużycie wody i środków czyszczących na czyszczenie lub zmianę produktu, zapotrzebowanie na części zużywające się, nieplanowane czasy przestoju oraz oczekiwany okres użytkowania. Zależnie od koncepcji automatyzacji dane te mogą być rejestrowane specyficznie dla projektu, dokumentowane i wykorzystywane do analiz energetycznych, CO₂, zasobowych lub OEE.
Przed inwestycją konkretne zadanie mieszania może zostać wypróbowane w centrum prób amixon® z produktem oryginalnym. W siedzibie głównej w Paderborn dostępnych jest ponad 30 instalacji próbnych w różnych wielkościach konstrukcyjnych. Ponadto amixon® prowadzi centra techniczne w USA, Chinach, Japonii, Indiach, Tajlandii i Korei Południowej. Próby mogą być przeprowadzane z przewidzianymi surowcami, realistycznymi stopniami napełnienia, wielkościami wsadu oraz istotnymi zakresami temperatury i ciśnienia. Ocenie podlegają między innymi jakość mieszania, łagodność wobec produktu, wprowadzanie energii, zdolność do opróżniania, czyszczalność i powtarzalność. Udokumentowane wyniki stanowią wiarygodną podstawę do przejrzystego wyważenia wymagań technicznych, ekologicznych i ekonomicznych przed inwestycją.