Optymalizacja kosztów przy zastosowaniu próżni centralnej

W naszym wpisie na blogu z dnia 22 lipca 2021 pt. „Podstawy próżni” podaliśmy definicję próżni oraz opisaliśmy podstawowe jednostki próżni, podział próżni na kategorie, zastosowania próżni i sposoby jej wytwarzania.

Z innego wpisu pt. „Zalety centralnej próżni” dowiesz się, czym jest próżnia centralna, jakie ma zastosowanie w przemyśle oraz jakie występują zalety, gdy próżnia centralna jest wykorzystywana w procesie produkcyjnym.

Rozwój zastosowania próżni

Popularyzacja zastosowania centralnej próżni przypada na lata 80/90 XX wieku. Powszechność wykorzystania próżni w przemyśle wymogła, w uzasadnionych kosztowo przypadkach, zastosowanie centralnego źródła próżni zamontowanego w jednym miejscu zakładu produkcyjnego. Podciśnienie było doprowadzone rurociągiem do maszyn wykorzystujących próżnię, zlokalizowanych w obszarze produkcyjnym.

W każdym z zastosowań, niezależnie od tego, jaka to jest branża, jest taki punkt, do którego zastosowanie próżni centralnej jest nieuzasadnione. Ale od tego punktu występuje również obszar, gdzie zastosowanie centralnej próżni jest ekonomicznie uzasadnione i pozwala na optymalizację kosztów produkcji. Na przykładzie przetwórstwa spożywczego postaramy się wyjaśnić, gdzie taki punkt występuje.

Denis Papin, francuski uczony pracował w latach 1670-1674 nad konstrukcją pompy próżniowej. Swoje spostrzeżenia związane z budową pompy oraz przeprowadzanymi próbami opublikował w 1674 roku w książce Nouvelles experiences du vide (New Experiments on the Vacuum). Wśród różnych zastosowań próżni było również poprawienie trwałości żywności.

Próżnia w przemyśle przetwórstwa spożywczego

W ciągu ok. 350 lat technologia próżniowa rozwinęła się, a pompy próżniowe są obecnie powszechnie stosowane w przemyśle spożywczym m.in. do usuwania powietrza, formowania tacek, odsysania odpadów, suszenia lub transportu.

Ze względu na problematykę bezpieczeństwa żywności wprowadzono kilka systemów mających na celu zapewnienie jakości w zakładach, w których wytwarzana jest żywność:

  • System Analizy Zagrożeń i Krytycznych Punktów Kontroli (HACCP –  Hazard Analysis and Critical Control Points),
  • Dobra Praktyka Produkcyjna (GMP – Good Manufacturing Practice),
  • Dobra Praktyka Higieniczna (GHP – Good Hygienic Practice).

W treści powyższych regulacji znajdują się wytyczne dotyczące m.in. warunków termicznych oraz czystości otoczenia w obszarze produkcyjnym. Na oba zagadnienia mają wpływ maszyny produkcyjne, a wśród nich maszyny wyposażone w stanowiskowe pompy próżniowe, takie jak maszyny do pakowania próżniowego, zamykania tac, formowania, masownice próżniowe albo przecinarki próżniowe.

Wpływ stanowiskowej pompy próżniowej na otoczenie

Pompom próżniowym podczas pracy towarzyszą:

  • wibracje i hałas – powodujące zmęczenie pracowników,
  • ciepło odpadowe – zwiększające koszty klimatyzacji i utrzymania odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach produkcyjnych,
  • opary olejowe – zanieczyszczające obszar wokół maszyn. 

Dodatkowo, gdy nadejdzie czas przeglądu okresowego, otoczenie maszyny wyposażonej w pompę próżniową narażone jest na zanieczyszczenie olejem podczas jego nieumiejętnej wymiany.

Czynnik decyzyjny do zmiany systemu zasilania w próżnię

Najważniejszym aspektem przemawiającym za usunięciem pompy próżniowej z obszaru produkcyjnego jest zużycie energii elektrycznej.

Pompa próżniowa dobierana jest do maszyny produkcyjnej, do jej największej wydajności i zarazem do największej prędkości odpompowywania. Z reguły pompa próżniowa posiada jeszcze 10-15% zapas wydajności.

Przemysłowe pakowarki próżniowe, formierki są na tyle uniwersalne, że pozwalają na obróbkę różnej wielkości wsadu, co oznacza również, że przy mniejszych tackach lub objętościach potrzebny jest krótszy czas odpompowywania, czyli pompa próżniowa o mniejszej wydajności.

W procesie pakowania czas odpompowywania to jedynie ok. 35% całkowitego czasu cyklu. Na pozostały czas składa się transport, zgrzewanie, przewietrzanie i czasami tworzenie modyfikowanej atmosfery. W tym czasie pompa próżniowa pracuje i pobiera energię mimo, że próżnia nie jest potrzebna.

Oznacza to, że pompa stanowiskowa zamontowana w maszynie dobrana jest z zapasem do największego zapotrzebowania, a wykorzystywana jest w niepełnym wymiarze wydajności i części czasu całego cyklu oraz zużywa energię elektryczną przez cały czas cyklu.

Kierunki optymalizacji kosztów

Redukcja strat spowodowanych stanowiskowym montażem pomp może być zrealizowana poprzez montaż wymienników ciepła w celu odzysku ciepła odpadowego albo zastosowanie pomp próżniowych wyposażonych w falownik. Jednak najbardziej zaawansowaną optymalizacją kosztów będzie zastosowanie układu próżni centralnej.

Zalety próżni centralnej

Centralizacja próżni zapewni stabilność procesu, maksymalizację wydajności, ograniczenie głośności, ograniczenie kosztów klimatyzacji pomieszczeń produkcyjnych oraz zredukuje ryzyko ich zanieczyszczeń.

W obszarze produkcyjnym, tam gdzie przebywają pracownicy, obowiązują normy dotyczące głośności na stanowisku pracy i temperatury przetwarzanych/pakowanych produktów. W systemie centralnej próżni, wszystkie pompy próżniowe zgrupowane są w oddzielnym pomieszczeniu, a ich praca nie ma negatywnego wpływu na obszar produkcyjny.

Ułatwiona jest również obsługa serwisowa. Serwisant obsługuje jednorazowo cały system, a nie poszczególne pompy stanowiskowe. Z reguły system składa się z kilku pomp o większej wydajności zamiast kilkunastu pomp o mniejszej wydajności, więc czas obsługi serwisowej jest krótszy, a koszty części eksploatacyjnych są niższe. Ewentualna awaria pompy, wyciek oleju, mgła olejowa nie zanieczyszcza pomieszczeń produkcyjnych. 

Centralna próżnia zwiększa niezawodność procesu produkcyjnego. Jeżeli wystąpi awaria stanowiskowej pompy próżniowej to wyłącza ona całą linię z produkcji. W przypadku awarii jednej pompy z systemu centralnej próżni to system w dalszym ciągu dostarcza próżnię, bo prawidłowo zaprojektowany system posiada rezerwę wydajności.

Rozwój systemów sterowania pompami próżniowymi pozwala na optymalizację pracy każdej pompy z systemu centralnej próżni i jednocześnie na optymalizację pracy całego systemu. Możliwe jest ustawienie kaskadowego trybu pracy, zastosowanie pomp próżniowych stałoobrotowych i zmienoobrotowych, zastosowanie centralnego sterownika nadrzędnego albo wyposażenie systemu w pompy Roots’a w celu przyspieszenia prędkości odpompowywania. Dzięki temu wydajność systemu może być precyzyjnie dostosowana do zapotrzebowania, które jest zmienne w czasie. Pociąga to za sobą również oszczędności energetyczne dochodzące nawet do 50% kosztów energii elektrycznej pobieranej przez stanowiskowe pompy próżniowe.

W efekcie zastosowania próżni centralnej, produkt finalny jest mniej kosztochłonny, co sprawia, że jest na rynku bardziej konkurencyjny cenowo. Dodatkowo stabilny i szybki proces pakowania zwiększa jakość produktu i jego trwałość. Warto również podkreślić, że system taki jest również korzystny dla reżimu eksploatacji pomp próżniowych dostosowujących swoją pracę do zapotrzebowania na próżnię.

Kiedy zastosować system centralnej próżni?

Skoro wiadomo, że optymalizacja kosztów może być zrealizowana poprzez zastosowanie systemu próżni centralnej, to gdzie występuje ten punkt, od którego jej zastosowanie jest uzasadnione?

Wystarczy prosty rachunek, w którym zsumuje się wszystkie koszty eksploatacji stanowiskowych pomp próżniowych (zużycie energii elektrycznej, koszty obsługi okresowej, usuwania awarii itp.) doda się zwiększone koszty schładzania pomieszczenia produkcyjnego i oszacuje się dodatkowe koszty obniżenia ryzyka zanieczyszczenia obszaru produkcyjnego, utraconej produkcji z powodu awarii itp.

Prawdopodobnie okaże się, że w przypadku linii złożonej z maszyn z kilkoma stanowiskowymi pompami próżniowymi okres zwrotu z inwestycji będzie na akceptowalnym poziomie.

Jednak by dokonać podobnego szacunku, potrzeba wiedzy i doświadczenia. Należy prawidłowo dobrać rodzaj, ilość i wielkość pomp próżniowych, system sterowania, zabezpieczenia pomp, wielkość rurociągu i jego stopniowanie oraz kilka innych niezbędnych szczegółów.