Jakie wskaźniki determinują efektywność energetyczną mieszalnika i jak wpływają na TCO?
Efektywność energetyczna mieszalnika przemysłowego nie jest determinowana przez pojedynczy wskaźnik. Decydujące jest współdziałanie wprowadzania energii, czasu mieszania, osiągniętej jakości mieszania, wydajności produktowej, sprawności napędu oraz zapotrzebowania energetycznego agregatów pomocniczych. Dla oceny ekonomicznej wartości te muszą być zawsze rozpatrywane w powiązaniu z produktem, recepturą, stopniem napełnienia, celem procesu i koncepcją instalacji.
Jednostkowe wprowadzanie energii
Jednostkowe wprowadzanie energii opisuje ilość energii potrzebnej na kilogram, tonę lub metr sześcienny produktu w procesie mieszania. Wskaźnik ten może być podawany na przykład jako kilowatogodziny na tonę lub kilowatogodziny na metr sześcienny. Jest on szczególnie odpowiedni do porównywania różnych wsadów, parametrów procesowych lub systemów mieszania, o ile leży u ich podstaw to samo zadanie mieszania i ten sam cel jakościowy.
Niskie jednostkowe wprowadzanie energii jest korzyścią tylko wtedy, gdy osiągnięta zostaje wymagana jakość mieszania, łagodność wobec produktu i powtarzalność. Mieszalnik o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię może okazać się nieodpowiedni, jeśli wymaga zbyt długich czasów mieszania lub nie osiąga pewnie jednorodności receptury.
Pobór mocy i moc jednostkowa
Pobór mocy pokazuje, ile mocy elektrycznej pobiera napęd podczas pracy. Moc jednostkowa odnosi tę moc do objętości mieszania lub masy produktu. Może być podawana w kilowatach na metr sześcienny lub kilowatach na kilogram.
Przy produktach o wysokiej lepkości, kohezyjnych lub silnie zagęszczonych moc jednostkowa jest często ważną wartością projektową. Wpływa ona na wymiarowanie silnika, przekładni, wałów, narzędzi mieszających i infrastruktury elektrycznej. Wysoka zainstalowana moc nie oznacza jednak automatycznie wysokiego zużycia energii na wsad. Decydujące są łącznie moc, czas mieszania i profil obciążenia.
Czas mieszania i czas wsadu
Czas mieszania opisuje okres do osiągnięcia określonej jakości mieszania. Wpływa on na energię na wsad, wydajność i dostępność instalacji. Krótki czas mieszania może obniżyć zużycie energii i koszty na wsad, o ile zostanie osiągnięty bez nadmiernego wprowadzania mocy, uszkodzenia produktu lub rozdzielenia się mieszaniny.
Cały czas wsadu obejmuje oprócz właściwego mieszania również napełnianie, dozowanie, temperowanie, opróżnianie, czyszczenie oraz ewentualnie suszenie. Dla TCO ten całkowity czas jest często ważniejszy niż sam czas mieszania. Długie czasy przezbrojenia, czyszczenia lub opróżniania mogą zniwelować korzyść ekonomiczną wynikającą z krótkiej fazy mieszania.
Jakość mieszania i powtarzalność
Efektywność energetyczna mieszalnika musi zawsze być mierzona osiągniętą jakością produktu. Istotnymi kryteriami są na przykład rozkład stężenia, rozkład wielkości cząstek, rozkład wilgotności, rozpuszczenie aglomeratów, równomierność temperatury lub lepkość. Nie istnieje ogólnie obowiązujący wskaźnik jakości mieszania, ponieważ metoda oceny zależy od danego zadania mieszania.
Decydujący jest stosunek wprowadzania energii, czasu mieszania i pewnie osiągniętej jakości mieszania. Szczególnie ekonomiczny jest proces, który w sposób powtarzalny osiąga wymaganą jednorodność, nie obciążając przy tym produktu ponad potrzebę i nie zużywając więcej energii niż konieczne.
Wskaźniki hydrauliczne przy cieczach i zawiesinach
Przy produktach ciekłych, pastowatych lub o konsystencji zawiesiny istotne mogą być wskaźniki hydrauliczne. Należą do nich wydajność obiegu, strumień objętości, prędkość przepływu i obciążenie ścinające. Wydajność pompowania opisuje przy tym zdolność mieszadła do przemieszczania produktu w zbiorniku.
Wysoka wydajność obiegu może przyspieszać homogenizację. Nie jest ona jednak automatycznie energooszczędna, jeśli wysoki przepływ prowadzi do uszkodzenia produktu, wnikania powietrza, tworzenia piany lub niepotrzebnego wprowadzania energii. Odpowiednie oddziaływanie przepływu i ścinania zależy od lepkości, udziału cząstek i wrażliwości produktu.
Liczba Newtona i inne bezwymiarowe wskaźniki
Liczba Newtona opisuje zapotrzebowanie na moc mieszadła w zależności od geometrii narzędzia, prędkości obrotowej, gęstości płynu i reżimu przepływu. Jest ona przede wszystkim przy mediach ciekłych i klasycznych procesach mieszania ważną wielkością projektową i porównawczą. Jej wartość informacyjna dla suchych proszków jest natomiast ograniczona, ponieważ tam grawitacja, tarcie o ściany, kohezja i kontakty między cząstkami silnie wpływają na zachowanie podczas mieszania.
Dalsze wskaźniki, takie jak liczba Reynoldsa czy liczba Froude'a, mogą być istotne przy projektowaniu i skalowaniu. Nie zastępują one jednak prób z rzeczywistym produktem, zwłaszcza przy materiałach sypkich kohezyjnych, wilgotnych, ściernych lub zagrożonych rozdzieleniem się mieszaniny.
Sprawność układu napędowego
Całkowita sprawność układu napędowego obejmuje silnik, przemiennik częstotliwości, przekładnię, łożyskowania i uszczelnienia. Wydajne silniki, odpowiednie przełożenia przekładni i niskie straty mechaniczne zmniejszają zapotrzebowanie na prąd. Wybór nie powinien jednak następować wyłącznie według najwyższej klasy sprawności. Istotne są również zachowanie przy obciążeniu częściowym, zmiany obciążenia, zapotrzebowanie na moment obrotowy, nakład na konserwację i bezpieczeństwo procesu.
Przemienniki częstotliwości umożliwiają kontrolowany rozruch oraz dostosowanie prędkości obrotowej do produktu i fazy procesu. Może to oszczędzać energię i zmniejszać obciążenia mechaniczne. Zużycie własne przemiennika częstotliwości i rzeczywisty sposób pracy powinny być jednak uwzględnione w ocenie.
Agregaty pomocnicze i termiczne zapotrzebowanie na energię
Przy mieszalnikach ogrzewanych, chłodzonych, pracujących pod próżnią lub inertyzowanych o zapotrzebowaniu na energię decyduje nie tylko napęd mieszający. Obiegi grzewcze i chłodzące, pompy próżniowe, kondensatory, filtry, sprężone powietrze i zasilanie gazem obojętnym mogą mieć znaczny udział w całkowitym zużyciu.
Niższe straty mocy i odpowiednie wprowadzanie energii mogą zmniejszać wydzielanie ciepła w produkcie. Dzięki temu może spaść zapotrzebowanie na chłodzenie. Przy procesach suszenia trzeba jednak rozpatrywać cały bilans energetyczny. Próżnia może obniżyć wymaganą temperaturę produktu, nie zmniejsza jednak automatycznie całkowitego zapotrzebowania na energię związanego z wytwarzaniem próżni, kondensacją i parowaniem.
Wpływ na całkowity koszt posiadania
Wskaźniki energetyczne wpływają na TCO bezpośrednio poprzez zużycie prądu, ciepła, chłodzenia, sprężonego powietrza i gazu obojętnego. Przy wysokim wykorzystaniu lub procesach energochłonnych nawet stosunkowo niewielkie poprawy jednostkowego zużycia energii mogą przez wiele lat mieć istotne znaczenie ekonomiczne.
Jeszcze większy może być wpływ pośredni. Wprowadzanie energii dostosowane do produktu zmniejsza ryzyko uszkodzenia produktu, braków, poprawek i nieplanowanych przestojów. Niższe obciążenia dynamiczne mogą zmniejszać zużycie łożysk, uszczelnień, przekładni i narzędzi mieszających. Może to wydłużać interwały konserwacji i poprawiać dostępność instalacji.
Krótkie i powtarzalne czasy wsadu zwiększają wydajność istniejącej instalacji. Dzięki temu spadają koszty stałe na wyprodukowaną jednostkę. Wysoka jakość mieszania przy niskim poziomie braków może mieć większe znaczenie ekonomiczne niż samo oszczędzanie energii elektrycznej, zwłaszcza przy wysokowartościowych surowcach lub produktach krytycznych jakościowo.
Wiarygodna ocena TCO nie porównuje więc tylko mocy silnika lub energii na tonę. Uwzględnia ona cały łańcuch procesowy obejmujący zużycie energii, czas mieszania, wydajność, jakość produktu, braki, nakład na czyszczenie, konserwację, dostępność instalacji oraz koszty wymaganej peryferii.
Tak amixon® ocenia efektywność energetyczną, wydajność czyszczenia, TCO i amortyzację mieszalnika przemysłowego
Efektywność energetyczna mieszalnika nie jest determinowana wyłącznie mocą silnika. Decydujące jest to, czy wymagana jakość mieszania, łagodność wobec produktu i powtarzalność są osiągane przy wprowadzaniu energii dostosowanym do produktu. Dla całkowitego kosztu posiadania istotne są ponadto straty produktu, czasy czyszczenia i przezbrojenia, konserwacja, zaopatrzenie w części zamienne, dostępność instalacji oraz długoterminowa użyteczność instalacji.
amixon® traktuje te czynniki jako powiązany system całościowy. Najważniejszymi wskaźnikami są jednostkowe wprowadzanie energii, czas mieszania, cały czas wsadu, osiągalna jakość mieszania, opróżnianie resztkowe, nakład na czyszczenie, dostępność instalacji oraz zapotrzebowanie energetyczne wymaganych agregatów pomocniczych.
Wprowadzanie energii i czas mieszania
Ogólne dane dotyczące zużycia energii na tonę produktu mają przy mieszalnikach przemysłowych tylko ograniczoną wartość informacyjną. Rzeczywiste zapotrzebowanie na energię zależy od receptury, wielkości wsadu, stopnia napełnienia, gęstości nasypowej, lepkości, czasu mieszania, temperatury i wymaganego wprowadzania energii.
Mieszalniki amixon® pracują, zależnie od typu konstrukcji i zadania mieszania, z niskimi prędkościami obwodowymi. Niskoobrotowy sposób pracy może zmniejszać tarcie, obciążenie udarowe i obciążenia dynamiczne. Przy wrażliwych, swobodnie płynących lub zagrożonych rozdzieleniem się proszkach wielkoobszarowe przemieszczanie produktu może osiągnąć wymaganą jakość mieszania przy stosunkowo niskim wprowadzaniu energii.
Krótki czas mieszania nie obniża automatycznie zużycia energii. Krótki czas mieszania jest ekonomiczny wtedy, gdy wymagana jednorodność zostaje osiągnięta bez nadmiernej prędkości obrotowej, niepotrzebnego działania ścinającego lub uszkodzenia produktu. Czas mieszania i wprowadzanie energii muszą być zatem oceniane dla każdej receptury z produktem oryginalnym.
Silos mieszający Gyraton® GM jest zaprojektowany do wielkoobjętościowych wsadów do około 100 metrów sześciennych. Zasada mieszania umożliwia homogenizację dużych ilości produktu przy stosunkowo niskiej zainstalowanej mocy napędu. Może to ograniczać zapotrzebowanie na energię na wsad zwłaszcza przy dużych ilościach swobodnie płynących materiałów sypkich. Rzeczywisty pobór energii jest oceniany z konkretnym produktem, stopniem napełnienia i celem procesu.
Opróżnianie resztkowe i straty produktu
Strata produktu jest istotnym czynnikiem TCO, zwłaszcza przy wysokowartościowych surowcach, substancjach czynnych, dodatkach lub małych wsadach. Każda pozostająca w mieszalniku ilość resztkowa powoduje nie tylko bezpośrednią stratę materiałową. Może ona również wydłużać czyszczenie, wpływać na kolejne wsady i zwiększać ryzyko zanieczyszczeń krzyżowych.
Serie amixon® AM i KS są zaprojektowane pod daleko idące opróżnianie resztkowe. Narzędzia wyładowcze ComDisc® wspierają opróżnianie pozostałości produktu z komory mieszania. Osiągalny stopień opróżnienia zależy jednak zawsze od właściwości produktu, takich jak wilgotność, kształt cząstek, kohezja, gęstość nasypowa, ścieralność i skłonność do przywierania. Dlatego zdolność do opróżniania powinna zostać sprawdzona z produktem oryginalnym.
Daleko idące opróżnianie resztkowe może zmniejszać straty surowca, skracać czas czyszczenia i zwiększać produktywność instalacji. Dzięki temu wpływa ono na TCO często silniej niż niewielka różnica w poborze mocy elektrycznej przez napęd mieszający.
Programowalne czyszczenie strumieniem celowanym
Czasy czyszczenia i przezbrojenia stanowią przy instalacjach wieloproduktowych istotną część całkowitych kosztów eksploatacji. Zwłaszcza w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym i chemii specjalistycznej czas trwania między dwoma wsadami decyduje o tym, jak wysoki jest produktywnie wykorzystywany czas pracy instalacji.
amixon® może wyposażać instalacje mieszające w programowalne dysze czyszczące o strumieniu celowanym. Dysze są celowo kierowane na powierzchnie mające kontakt z produktem, narzędzia mieszające, geometrie komory mieszania i obszary wylotowe. Programy czyszczenia mogą sterować dyszami w określonych sekwencjach i dzięki temu wspierać powtarzalne zwilżenie istotnych powierzchni.
Programowalne czyszczenie strumieniem celowanym może zmniejszać zużycie wody, środków czyszczących i czas czyszczenia, jeśli jest dostosowane do przywierania produktu, geometrii zbiornika i zadania czyszczenia. Może ono ograniczać ręczne prace czyszczące i przyspieszać zmianę między różnymi recepturami. Wymagana skuteczność czyszczenia musi być jednak walidowana dla produktu, medium czyszczącego i kryteriów zwolnienia.
Szybkie suszenie po czyszczeniu na mokro
Po czyszczeniu na mokro suszenie komory mieszania jest często decydującym etapem. Pozostała wilgotność może wpływać na kolejne produkty, opóźniać zwolnienie i wydłużać czas przestoju instalacji. Dotyczy to zwłaszcza proszków higroskopijnych, receptur wrażliwych na wilgoć lub zastosowań o wysokich wymaganiach co do czystości produktu.
amixon® może projektować instalacje mieszające tak, aby oczyszczona i mokra komora mieszania była suszona w bardzo krótkim czasie. Komora mieszania jest przy tym przepływana celowo prowadzonym powietrzem procesowym lub gazem obojętnym. Mieszadło wspiera rozprowadzanie przepływu we wnętrzu i może przyspieszać suszenie powierzchni mających kontakt z produktem.
Również przy zimnej wodzie czyszczącej możliwe jest szybkie suszenie, jeśli prowadzenie powietrza, strumień objętości, temperatura, próżnia, poziom ciśnienia i odprowadzanie kondensatu są odpowiednio dopasowane. Osiągalny czas suszenia zależy od wielkości zbiornika, powierzchni, pozostałej wody, wilgotności powietrza, temperatury i przewidzianej metody suszenia. Korzyścią jest zmniejszony czas przestoju, krótsze zmiany produktu i wyższa dostępność instalacji mieszającej.
Konserwacja i długoterminowa dostępność
Technika mieszania amixon® jest zaprojektowana pod solidne konstrukcje, niskie obciążenia dynamiczne i dobrą dostępność do inspekcji i czyszczenia. Mieszadło łożyskowane jest wyłącznie od góry. Dolny przepust wału mający kontakt z produktem może dzięki temu zostać wyeliminowany. Zmniejsza to potencjalnie wymagający intensywnej konserwacji obszar wewnątrz komory mieszania.
Połączenie niskoobrotowego sposobu pracy, konstrukcji o niskim zużyciu i długoterminowo dostępnej dokumentacji konstrukcyjnej może zmniejszać nakład na konserwację i ryzyka związane z częściami zamiennymi. Wybrane części zużywające się mogą być dostarczane już przy pierwszej dostawie. Przy zapotrzebowaniu na części zamienne, przebudowach lub modernizacjach konstrukcja, produkcja i serwis amixon® wspierają długoterminowe użytkowanie instalacji.
Wiarygodne dane z prób zamiast wartości katalogowych
Wiarygodne obliczenie TCO, ROI lub amortyzacji powinno opierać się na udokumentowanych danych z produktem oryginalnym. W centrum prób amixon® można w realistycznych warunkach ocenić czas mieszania, pobór energii, jakość mieszania, łagodność wobec produktu, zdolność do opróżniania, nakład na czyszczenie, czas suszenia i czas przezbrojenia.
W centrum prób amixon® w Paderborn dostępnych jest ponad 30 instalacji próbnych w różnych wielkościach konstrukcyjnych. Dodatkowo istnieją centra prób w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. Próby mogą być przeprowadzane przy realistycznych stopniach napełnienia, wielkościach wsadu oraz przewidzianych warunkach temperatury i ciśnienia.
Wyniki są dokumentowane i stanowią podstawę doboru wielkości konstrukcyjnej, ustalenia parametrów procesowych i oceny ekonomicznej. amixon® nie ocenia zatem efektywności energetycznej w oderwaniu, jako samego zużycia prądu przez napęd. Decydujący jest cały proces obejmujący czas mieszania, wprowadzanie energii, straty produktu, czyszczenie, suszenie, konserwację, dostępność instalacji i długoterminową użyteczność.