Minska koldioxidutsläppen med rätt vakuumsystem - Piab

Minska koldioxidutsläppen med rätt vakuumsystem
Av Josef Karbassi, PIAB Business Unit Manager, Automotive
Sidan 1 av 8
Inledning
Idag anser de flesta forskare att koldioxid (CO2) utgör det största miljöhotet i världen. Höjda
koldioxidhalter i atmosfären leder till global uppvärmning, vilket i det långa loppet kan hota
mänskligheten här på jorden. För att minska användantet av fossila bränslen, vilket är
huvudorsaken till de ökade koldioxidhalterna i atmosfären, fortsätter länder runt om i världen
att implementera allt hårdare lagstiftning för individer, tjänsteföretag och industrin i allmänhet
för att minska koldioxidutsläppen. Till exempel sänks gränsen för hur mycket utsläpp som
tillåts och skatten höjs år för år.
I artikeln kommer vi att titta närmare på hur det är möjligt att kraftigt minska
energiförbrukningen och i många fall minska fabrikernas koldioxidutsläpp i en tid då mycket
av elen fortfarande tillverkas i gas- olje- och koldrivna kraftanläggningar. Vi kommer att
fördjupa oss i industrier där materialhanteringssystem med vakuumteknik används och endast
fokusera på system som konstruerats för täta material, t ex plåt, plast och glas. Lösningen är
enkel - använd den senaste tillgängliga vakuumtekniken för vakuumhanteringsapplikationer.
Vi återkommer till denna punkt senare i artikeln.
Beräkning av energiförbrukning och CO2-utsläpp i vakuumsystem
Den vanligaste tekniken för att skapa vakuum vid hantering av täta material är idag med hjälp
av tryckluftsdrivna ejektorer. Hanteringsutrustningar bygger ofta på en robot med
lyftutrustning innehållande vakuum och sugkoppar. Det finns också ergonomiska
lyfthjälpmedel baserade på vakuum för täta material, såväl som specialmaskiner med
integrerade vakuumhanteringssystem. Exempelvis plåtpressar, vatten-, laser-, glas- och
träbearbetningsmaskiner. Energin som förbrukas i dessa typer av vakuumhanteringssystem
definieras av hur mycket tryckluft ejektorn förbrukar för att skapa vakuum, och ofta bör man
ta med i beräkningen hur mycket tryckluft som behövs i blåsfunktionen för att lossa objektet
tillräckligt snabbt.
Mängden tryckluft som används i en ejektor när vakuum skapas beror på antalet
munstycksrader, storleken på minsta diametern i första ejektormunstycket och
matningstrycket på tryckluften. Formeln för att teoretiskt beräkna luftförbrukningen för ett
ejektormunstycke finns i tabell 1.
Tabell 1.
Volymflöde (Nl/s) = Massflöde / (φluft *1000)
Massflöde (kg/s) = A*¥*√(P 2 /(R*T))
Där:
φluft = luftens densitet vid atmosfärtryck = 101325* / (R*T)
A = Arean för minsta diametern i första ejektor munstycket
¥ = 0,6847 = “flödesfaktor” för luft som används när tryckluften överstiger atmosfärtrycket med cirka 2,1 bar.
P = Absolut tryck (Pascal), dvs noll är absolut. vakuum (6 bar = 701 325 Pa).
R = gaskonstant för luft = 287 (J/kg K)
T = lufttemperatur (° K = Kelvin)
* Normalt atmosfäriskt tryck (Pa) vid havsytan.

Sidan 2 av 8
Det är tämligen vanligt att angiven luftförbrukning för ejektorer avviker från det teoretiska
värdet. Den verkliga luftförbrukningen bör ligga mycket nära det teoretiska värdet (en
avvikelse på några procent är rimlig). I tabell 2 visas det teoretiska värdet för några vanliga
min. diametrar på munstycken vid olika matningstryck. Beräkningarna görs vid en temperatur
av 10 grader Celsius (283,16 grader Kelvin).
Tabell 2.
Luftförbrukning (Nl/min)
600
500
400
300
200
100
0
Luftförbrukningen för ejektormunstycken med olika diametrar
3 4 5 6
Matningstryck (bar)
0,7 mm
1 mm
1,5 mm
2 mm
2,5 mm
3 mm
Den andra, ofta förbisedda källan till luftförbrukning i ett vakuumhanteringssystem
konstruerat för täta material, är friblåsningsfunktionen (för att snabbt lossa på objektet).
Luftförbrukningen under friblåsningen bestäms av flödeskapaciteten hos den ventil som styr
funktionen och trycket. När en stor centralt placerad ejektor används (dvs. många sugkoppar
anslutna till samma ejektor), krävs ett mycket högt flöde för att sugkopparna längst bort
snabbt ska lossa. I detta fall ligger standardflödesnivåer normalt på 200-500 Nl/min vid 4-6
bar.

Sidan 3 av 8
I ett decentraliserat system med en liten ejektor vid varje sugkopp aktiveras
frisläppsfunktionen i många fall av att utblåset från ejektorn blockeras. Luften genom ejektorn
tvingas in i sugkoppen så att luftförbrukningen är lika med eller något högre än
luftförbrukningen för att skapa vakuum. En alternativ lösning är en liten
friblåsningsbackventil på den decentraliserade ejektorn, vilken normalt släpper igenom 100-
200 Nl/min vid 4-6 bar.
För att beräkna energiförbrukningen krävs att kompressoreffektiviteten är känd. En
normalstor kompressor som kan skapa 7-10 bar förbrukar 6-10 kW per kubikmeter luft som
skapas beroende på storlek och effektivitet. Den totala luftförbrukningen för ett ejektorsystem
per år kan enkelt beräknas genom att addera luften som förbrukas genom att vakuum skapas
och luften som används av friblåsningsfunktionen i varje cykel, och sedan multiplicera detta
med antalet cykler per år. Ännu bättre är att mäta förbrukningen med en flödesmätare över att
antal cykler.
Ett vedertaget faktum är att CO2-utsläppen per kWh elkraft är enligt följande, beroende på
produktionssätt:
Gas: 0,2 kg CO2/kWh
Olja: 0,27 kg CO2/kWh
Kol: 0,33 kg CO2/kWh
Vatten-, vind- och kärnkraft: 0,0007 kg CO2/kWh
Efter omräkning för produktion av tryckluft blir resultatet 0,02-0,033 kg CO2 /m 3 om endast
“smutsiga” produktionsmetoder tas med i beräkningen och baserat på en
kompressoreffektivitet på 10 kW per tillverkad kubikmeter luft.
Hur du minskar vakuumsystemens koldioxidutsläpp till lägsta möjliga
Ejektorns effektivitet är naturligtvis en viktig parameter för att minska energi- och
luftförbrukningen. Effektiviteten bestäms av ejektorns prestanda (flöde och
evakueringsförmåga) i förhållande till luftförbrukningen. I princip finns idag två typer av
vakuumejektorer som används för hantering av täta objekt: enstegsejektorer och
flerstegsejektorer. Flerstegskonstruktionen är mer komplicerad och kräver större utrymme,
men är alltid 15-50 procent mer effektiv (bättre flöde/reaktionstid med mindre
luftförbrukning). Därför är det viktigt att om möjligt alltid använda en flerstegsejektor.
Figur 1.
Munstycke i enstegsejektor Munstycken i en flerstegsejektor
monterade som en kassett
När ejektortekniken kom ut på marknaden för vakuummaterialhantering täta material och
började ersätta elektromekaniska vakuumpumpar var huvudskälen enkelheten och
tillförlitligheten hos produkterna, samt även förmågan att lätt kunna styra ejektorerna av/på

Sidan 4 av 8
under arbetscyklen. Då placerades små ejektorer på varje sugkopp vilket bildade ett
decentraliserat system. I många fall är ett decentraliserat system som mest effektivt, eftersom
det tillför sugkraft precis där det behövs. Överdimensionerade ejektorer behövs inte, som i
centraliserade system, för att kompensera för förluster och större volymer. Läckagerisken
minskas även slang, fästen och kopplingar.
När luftbesparande teknik (ES-system) blev tillgänglig för ejektorer började en ny trend. Så
kallade smarta ejektorer med integrerade styrfunktioner som till exempel ventiler,
vakuumvakter och luftbesparande funktioner fyllde marknaden. Dessa kompakta ejektorer
placeras centralt och förser flera sugkoppar med vakuum. De sitter vanligen några meter ifrån
sugkopparna. Den luftbesparande funktionen stänger av ejektorn när tillräckligt vakuum
skapats, och slår på den igen för att kompensera för eventuellt läckage i systemet. En stor
fördel med systemet är att den centraliserade ejektorn med luftbesparande funktion endast
jobbar en kort period under vakuumcykeln, och energi sparas jämfört med det tidigare
decentraliserade systemet.
Figur 2.
Klassiskt decentraliserat system Centraliserat system med kompakt ejektor och
luftbesparande funktion
Med en centraliserad ejektor tullar man på tillförlitligheten, säkerheten vid drift, hastigheten
på skapa vakuum och frisläppandet av objekt till i ganska stor utsträckning. Hastigheten kan
till viss grad kompenseras med en mycket stor centraliserad ejektor, men då förbrukas mycket
mer energi.

Sidan 5 av 8
Ett annat problem vid användningen av centraliserade kompaktejektorer är att
friblåsningsfunktionen måste vara mycket kraftfull för att objektet ska frigöras tillräckligt fort.
Detta beror på att ledningarna är många, långa och ofta tillknäppta, vilket leder till stor
luftmängd under den tiden som friblåsningen sker. I tabell 3 nedan visas en vanlig arbetscykel
i en applikation för täta material med vakuumhantering, där en centralt placerad ejektor med
luftbesparande funktion används.
Tabell 3.
Cykelanalys av en centraliserad kompakt ejektor
Vakuumpump “på” före lyftet
Vakuumarbetscykel
Pump som arbetar under en arbetscykel och kompenserar
för läckage
Verklig frisläppning
Extra tid per cykel för friblåsningsfunktionen
Återgå till startpositionen
Luftförbrukning sker under följande faser:
1. Mörkblått – vakuumfunktionen startas lite innan lyftet för att skynda på hastigheten att
skapa vakuum I systemet.
2. Blått – tillräckligt med vakuum skapas i systemet för att kompensera för läckage av
tillbehör och kopplingar. På grund av läckage är det inte ovanligt med några
återställningar per cykel.
3. Rött – frigöring av objekt med friblåsning med positivt tryck.
4. Mörkrött – för lång friblåsningstid.
Det är uppenbart att även med en luftbesparande funktion (ES) på plats förbrukas en stor
mängd tryckluft under varje cykel.

Sidan 6 av 8
Kan luftförbrukning och koldioxidutsläpp minskas kraftigt?
En ny, kompakt decentraliserad ejektorenhet med två unika funktioner är svaret på frågan om
luftförbrukning och koldioxidutsläpp kraftigt kan minskas med ett vakuumsystem: den
helpneumatiska och luftbesparande funktion med namnet Vacustat, och en ny friblåsventil
(AQR), som använder vanlig atmosfär för att snabbt loss ett hanterat objekt. Volymen i varje
sugkopp är så liten att endast atmosfäriskt tryck behövs. Med andra ord krävs ingen tryckluft
vid losssläppandet och en automatisk luftbesparande funktion finns I varje enhet.
Figur 3.
Figur 4.
Nyligen patenterad Vacustat-COAX ® -med AQR-teknik
AQR (snabbsläppningsventil med hjälp av atmosfärtryck) används i ett decentraliserat vakuumsystem. Med AQR
krävs inte dubbla slangar för varje decentraliserad enhet, vilket underlättar dragning av ledningar och ingen
kostnad för en extra styrventil.
Denna konstruktion tillhandahåller alla fördelarna i ett decentraliserat ejektorsystem vad
gäller tillförlitlighet, säkerhet och hastighet (reaktionstid och frisläpp). Nästan ingen luft och
energi förbrukas. Nästan ingen luft förbrukas vid frisläppande av objekten. Den
luftbesparande funktionen behöver inte kompensera för läckage i tillbehör som slang och
kopplingar. Internvolymen blir så liten att den luftbesparande funktionen startar nästan
omedelbart. Den tid ejektorn måste vara på innan plockningen minskas till nästan noll. Ett
förvakuum behöver inte skapas i systemet för att få snabb reaktionstid. Hastigheten är ändå
hög.

Tabell 4.
Så som visas i tabell 4 arbetar pumpen endast under mycket kort tid.
Sidan 7 av 8
Nu ska vi titta på en typisk applikation med vakuumhantering av täta material, med följande
villkor och krav:
Cykeltid: 10 s
Drifttimmar per år: 6000 h
Vakuumcykel: 5s
Diameter 75 mm sugkoppar: 4 st
Reaktionstid: Max 0,1-0,2 s
Frisläppningstid: < 0,1 s
Cykelanalys av en Vacustat-Coax ® med AQR
Vakuumpump “på” före lyftet
Vakuumarbetscykel
Pump som arbetar under vakuumarbetscykeln
Frisläppning av AQR – ingen luftförbrukning
Återgå till startpositionen
1. Tidigare utvecklade decentraliserade lösningar kräver cirka 25 000-40 000* m 3 luft
per år för att klara kraven.
2. Med en centraliserad ejektor med luftbesparande funktion (ES) minskas
luftförbrukningen till cirka 15 000 – 20 000* m 3 luft per år för att möta samma krav.
3. Vacustat-COAX®-AQR-lösningen förbrukar cirka 1 000 m 3 luft per år för samma
uppgift.
*Förbrukningsintervallet varierar starkt beroende på om enstegs- eller flerstegsejektor används.
Med dessa förhållanden kan alltså energiförbrukningen minskas med 90-99 procent enbart
genom att använda den senaste tekniken.
Enligt tidigare avsnitt kan vi beräkna att 15 000 – 40 000 m 3 luft motsvarar cirka 450 – 1 200
kg koldioxidutsläpp om elektriciteten kommer ifrån ett kol-, olje- eller gaskraftverk. Detta
baseras på endast en applikation. En typisk bilfabrik t.ex., kan ha upp till 400 av dessa
applikationer i drift. Koldioxidutsläppen för vakuumhantering i dessa fabriker kan uppgå till
mellan 180 000 och 480 000 kg med konventionell vakuumteknik (enligt förutsättningarna
ovan). Med en Vacustat-COAX® med AQR-teknik minskas koldioxidutsläppen till endast 12
000 kg.
Jämförelsevis kan nämnas att genomsnittsutsläppet av CO2 från en bil är 180 g/km. En
realistisk minskning av koldioxidutsläppet i en bilfabrik per år med den senaste
vakuumhanteringstekniken motsvarar 93 333 – 260 000 mil i köravstånd.

Sidan 8 av 8
Som en bonus minskas energikostnaden
Idag ligger CO2-skatten för europeisk industri på mellan 0,15 – 0,3 kr per kg. En bilfabrik kan
spara mer än 150 000 kr i skatt enbart genom att byta till senaste tekniken för
vakuumhantering. Detta innebär en stor fördel eftersom det är oundvikligt med högre skatter i
framtiden.
Dock kommer de största kostnadsbesparingarna från minskad kostnad för elförbrukning.
Kostnaden för att producera tryckluft i en fabrik med en normalstor kompressor (med hänsyn
till pris per kWh, livstidscykel, ränta, inköpspris, servicekostnader, drifttimmar per år, etc)
ligger vanligen på 10-12 öre per kubikmeter luft.
En bilfabrik med 400 vakuumhanteringsapplikationer kan lätt spara 670 000 – 1 870 000 kr
per år enbart i kostnader för tryckluft med den senaste tekniken.