迈克Guelker
产品经理-气动执行器
费斯托公司(Festo Corp.)•纽约州豪帕格
真空发电机有广泛的类型,尺寸,设计和效率,以适应广泛的应用。虽然最大化给定任务的性能很重要,但任何使用真空系统的人都应该在指定必要组件之前仔细查看总体成本。
鉴于能源是一种宝贵的,有时是昂贵的资源,运行一个合适的真空系统的成本应该在任何设计中扮演重要的角色。对于基于真空喷射器的电路,用压缩空气操作气动真空喷射器所需的能量是不可忽视的。任何时候都要记住一条黄金法则:空气很贵。
另一方面,使用电动驱动真空泵,用户可以更容易地根据现行电价和电力消耗来衡量和评估能源成本。让我们仔细看看这两种基本类型的真空发生器,以及它们在底线上的比较。
真空喷射器
真空喷射器基本上是使用气动驱动的喷嘴产生真空,没有移动部件。它们在相对较低的流速下产生高真空。
一个经典的喷射器包括一个喷嘴(也称为拉瓦尔或文丘里喷嘴)和根据设计,至少一个接收喷嘴。压缩空气进入喷射器,喷嘴的收缩使流动的空气加速到声速的五倍。喷射器在喷嘴出口和接收喷嘴入口之间有一个短间隙。在这里,膨胀的压缩空气从喷气嘴在间隙产生吸力效应,反过来,在输出真空口产生真空。
真空喷射器有两种基本版本,单级和多级。一种单级喷射器,包括喷射喷嘴和仅有一个接收喷嘴。多级喷射器还包括喷射喷嘴。然而,与第一接收喷嘴一致的是附加喷嘴级,每级喷嘴的直径与下降的空气压力成正比。从第一个腔室吸入的空气与从射流喷嘴吸入的压缩空气相结合,因此被用作其他腔室的推进射流。在这两种版本中,空气从接收喷嘴通常通过消声器或直接排放到大气。
真空喷射器的优点包括:结构紧凑、重量轻、相对便宜、反应迅速、启动和停止时间短。它们是耐磨的,基本上无需维护,尽管供应商建议使用干燥和过滤的压缩空气。它们可以安装在任何位置,在操作中不会产生热量。
真空喷射器的另一个优点是只在需要的时候消耗能量。只有在吸气和工件处理过程中,才需要压缩空气来运行喷射器,在排放和不需要真空时,压缩空气保持关闭状态。
许多喷射器也有内置的节能功能,以确保压缩空气只在真空产生过程中消耗。达到必要的真空水平后,喷射器关闭。使用阀门和开关来保持和监测真空。典型的节能功能包括一个2/2通阀、压力开关和一个止回阀。
一般来说,多级喷射器可以产生高达85%的真空压力,与单级喷射器相比,具有更高的吸入流速。平均而言,多级喷射器的空气消耗水平要低得多,因此比单级喷射器消耗更少的能量。然而,它们的疏散时间较高,这在某些情况下会降低单级机组的节能效益。
缺点是,真空喷射器不能产生极高的吸力。例如,Festo喷射器产生的吸力速率在大约16米的高度相对有限3./人力资源。除此之外,每立方米真空的压缩空气消耗增加了能源成本,尽管具有节能功能的设计可以在一定程度上补偿这一点。
真空泵
机械真空泵通常分为两种不同的类型:正排量真空泵和动力/动力真空泵。置换真空泵本质上是作为压缩机工作的,进气低于大气压力,输出在大气压力。它们吸入的空气体积相当恒定,然后被机械关闭,膨胀,然后喷射出去。这种类型真空泵的主要特点是可以用低流量获得高真空。类型包括往复活塞,旋转叶片,膜片和旋转螺钉。它们通常适用于精密工业应用。
在动力真空泵中,气体颗粒通过在排气过程中施加额外的力而被迫向输送方向流动。例如,旋转鼓风机是根据脉冲原理工作的:旋转的叶轮通过冲击空气分子来传递动能。在工作中,空气被叶轮叶片吸入并压缩在吸力侧。
这些真空泵产生相对较低的真空,但在高流量(高吸力)。它们通常适用于处理极多孔的材料,如夹紧纸板箱,单位时间的大吸力是重要的。
在这些优点中,典型的容积式工业泵产生的真空高达98%,超过了喷射器的能力。(一些专业设计可以达到99%以上的极高真空水平。)鼓风机可以提供超过1000米的高吸力3./人力资源。
然而,机电真空泵几乎总是连续运行,真空度要求由阀门调节。这意味着电力消耗和能源成本可能相当高。它们的初始成本和持续维护费用也很高。最后,与弹射器相比,它们更大、更重,安装方向也更受限。
比较能源成本
在某些情况下,应用中首选的真空发生器类型是相当明显的——例如,当任务要求低真空和高流量时,采用真空鼓风机。但在许多情况下,选择并不明确。在这里,比较可能候选企业的能源和运营成本是有好处的。
如上所述,单个真空发生器的实际性能和效率可能因类型和制造商而大不相同。工程师可以通过做一些数学计算来缩小选择范围。这里有一些简单的计算,以帮助比较具有相似性能的真空发生器的经济性。
在这个例子中,我们比较了具有和不具有节气功能的真空喷射器和性能相似的电动真空泵的年能源成本。假设:
•电价为0.11美元/千瓦时。
•从大气空气中产生压缩空气,考虑到电价和所有成本,如材料、折旧和劳动力,计划成本约为每米0.022美元3.(35.3英尺3.)在7 bar (100 psi)供应压力下的体积。这些成本适用于压力范围高达约10bar的情况。在高达20bar的高压下,压缩空气的成本很容易翻倍。
•喷射器的供应压力为6bar。
•用于压缩空气的能量(1 m3.在7巴时)为0.095千瓦时/米3..
此外,让我们假设以下购买和维护成本的标准。
•真空泵的初始成本为786美元。
•喷射器的初始成本为371美元。
•真空泵每年的维护费用为337美元。
(请注意,在示例中引用一个喷射器的初始成本将适用于像Festo OVEM这样的真空发生器,它有一个集成的控制阀来打开/关闭喷射器和真空。它还有一个真空压力传感器,可能有也可能没有“节省空气”的功能。Festo还提供非常紧凑、低成本的发电机(VN家族),由外部阀门控制。VN的成本大约是35美元(加上一个控制阀,可能还有一个传感器)。因此,独立发电机和集成阀门/传感器的发电机的成本将有所不同。)
考虑一个典型的处理操作,其中设备每年运行250天,每天运行16小时。每个操作周期需要5秒,每个工作步骤包括疏散、工件拾取、运输、真空排放、卸载和返回起始位置开始下一个循环。每一步所需的时间取决于真空发生器。
具有节气功能的喷射器只在拿起工件时消耗空气(能量),这需要0.5秒。
没有节气功能的喷射器在拾取和运输工件时消耗压缩空气。这需要2秒。
真空泵在整个运行周期中消耗能量,因为泵在正常情况下不会关闭。每个周期的运行时间为5秒。
比较这些真空发生器的能源成本如下:
计算每年总运行时间(秒)/每个操作周期的时间(秒)= 250 x 16 x 3600 /5 = 2880,000个产品。
用单位数量×每个单位喷射器的运行时间来确定每年的运行时间。对于不具有节气功能的喷射器,其运行时间为2880,000单位× 2秒= 5,76万秒或96,000分钟。对于具有节气功能的喷射器,运行时间为1,440,000秒或24,000分钟。
假设p = 6 bar时的空气消耗量为505升/分。计算每年的空气消耗量/每年的运行时间/空气消耗量= 96000分钟/505升/分钟= 48480米3.对于不带节气功能的喷射器。带节气功能,高12120米3..
根据这些信息,计算每年的能源成本,基于空气消耗(不含空气节约)x每立方米压缩空气的价格= 48,480米3.x 0.022美元/米3.= $ 1066 .56点。同样,对于具有节能功能的喷射器,每年的成本为266.64美元。
这表明,一个具有节约空气功能的喷射器可以减少75%的空气消耗,在这个例子中,每年可以减少超过36000立方米的压缩空气消耗。这相当于每年节省800美元。
由电动机驱动的真空泵也需要同样的注意。每年的运行时间=每天的运行时间x每年的运行天数= 16 x 250 = 4000小时。假设一台1马力的电动机消耗0.55千瓦/小时。年能耗=年运行时间×小时能耗= 4000小时× 0.55千瓦= 2200千瓦时。每年的能源成本=每年的能源消耗x每千瓦时成本= 2,200千瓦时x 0.11美元= 242美元。
最后,让我们比较一下真空喷射器和真空泵的总体成本。记住,真空系统包括投资、维护和能源成本。投资成本是初始的一次性成本,而维护和能源是年度成本。
一台典型的真空泵的投资成本为786美元,每年的维护成本为337美元(运行4000至6000小时后),能源成本为242美元。相比之下,一个没有空气节约功能的喷射器的投资成本为371美元,能源成本为1066美元,但没有维护成本。同样,带有空气节约功能的喷射器的前期成本为371美元,能源成本为266美元,而且同样没有维护费用。
直接的成本比较表明,真空泵具有最低的能源成本,紧随其后的是具有节省空气功能的喷射器。没有节气功能的喷射器比其他真空系统的能耗高得多。如果我们也考虑到维护和投资成本,这就减少了真空泵由于其低能源成本而优于其他系统的优势。
该示例表明,在许多应用程序中,弹射器不仅证明了它们的存在。真空泵的高投资成本以及与其持续使用和易损件相关的年度维护成本证实了这一结论。虽然喷射器可能会使用更多的能源,但其简单的设计使初始成本和维护成本降到最低。
费斯托公司。
www.festo.com
了下:气动技巧