W dobie ocieplania się klimatu i nacisku na zielone źródła energii oraz ciągle drożejące nośniki energii tematyka energooszczędnych układów napędu maszyn przemysłowych powinna być jednym z wiodących problemów przy stołach konferencyjnych w przedsiębiorstwach.
Nikt chyba nie ma wątpliwości, a w każdym razie nikt, kto poważnie zajmuje się zarządzaniem w przemyśle, że koszty energii stanowią znaczący odsetek w ogólnych kosztach produkcji. Jako praktyk w serwisowaniu maszyn z napędami hydraulicznymi podjąłem się odrobinę karkołomnych, jak dla mnie, rozważań teoretycznych na taki temat. Niech to będzie wkład praktyka (który w codziennej pracy z kluczem w ręku walczy ze złośliwością natury martwej, a jednak ożywionej) do teoretycznych rozważań, które toczą się w gabinetach nieco oddalonych od hal produkcyjnych.
Zastanawiałem się, jak podejść do tematu? Od czego zacząć?
Dotarło do mnie, że głównym problemem w każdej firmie, która eksploatuje maszyny z napędami hydraulicznymi, jest grzanie się oleju w układzie. W ponadtrzydziestoletniej praktyce zawodowej wielokrotnie w rozmowach z użytkownikami słyszałem to samo pytanie: „Co powoduje nadmierne zużywanie się elementów układów hydraulicznych?” Praktycznie zawsze pada ta sama odpowiedź: złe smarowanie spowodowane spadkiem gęstości oleju, która wynika ze zbyt wysokiej temperatury. Olej to medium, które w układzie hydrauliki jest trochę jak krew w żyłach człowieka. Jego zadaniem jest transport energii, smarowanie elementów ruchomych oraz chłodzenie układu, a zwłaszcza odbieranie ciepła z miejsc, w których następuje zamiana energii zawartej w oleju na pracę.
W tym momencie dotykamy sedna problemu, jak zamienić jedną energię w drugą bez straty. Dochodzimy do zagadnienia zwanego sprawnością. Jak wiadomo, niemożliwe jest zbudowanie maszyny, która pracowałaby w przemianie izochorycznej, izobarycznej i izotermicznej. Wynika to z ogólnej teorii perpetuum mobile, która jest podstawą do wejścia w temat sprawności. W ultraskrócie: niemożliwe jest zbudowanie maszyny, czytaj: silnika, w której nie występuje tarcie o siebie elementów, zmiana objętości roboczej cylindra czy rozprężanie się gazów, co niestety zawsze powoduje stratę energii. Taką prawidłowość nazywamy sprawnością maszyn i określamy w procentach.
Krótko mówiąc, sprawność określa, ile energii tracimy przy jej zamianie na pracę. Ideałem byłoby, gdyby 100% energii dostarczonej do maszyny wykonało pracę. Niestety, ludzkość nie wymyśliła jeszcze takich maszyn. Najsprawniejszym urządzeniem póki co jest silnik elektryczny, którego sprawność obecnie przekracza 95%. Na drugim końcu listy jest maszyna parowa. Parowóz miał sprawność ok. 8–10%. Na szczęście dla nas większość maszyn w przemyśle jest napędzana energią elektryczną przy pomocy silnika elektrycznego.
Wchodząc w tematykę stricte hydrauliki siłowej: elementem, który w sposób naoczny udowadnia nam, czy mamy sprawny, czyli oszczędny energetycznie układ hydrauliczny, jest chłodnica oleju hydraulicznego. Im większa chłodnica, tym większa strata energii, czyli mniejsza sprawność układu. Na pewno zaraz odezwą się krytycy, którzy powiedzą, że maszyny hydrauliczne pracują na wysokim ciśnieniu i wykonują ciężką pracę, więc muszą się grzać. Jest to oczywiście prawda, ale niecała. Rzeczywiście część temperatury powstaje w układzie ze względu na pracę, ale znaczna jej część powstaje z innego powodu.
Pozostając jeszcze na chwilę przy chłodnicach oleju: o ironio, jej parametry podaje się w kilowatach, czyli tych samych jednostkach w jakich oblicza się ilość energii, którą kupujemy do napędzania pompy. Co z tego wynika? Pozwala to w prosty sposób policzyć zakładaną sprawność maszyny, którą posiadamy. Jeżeli do napędu maszyny używamy silnika o mocy 50 kW, a zamontowana chłodnica ma moc wymiany ciepła 10 kW, to od razu widzimy, że producent założył sprawność maszyny na poziomie 80%. Czyli że możemy w procesie produkcji tracić 20% energii. To bardzo uproszczone obliczenie, ale na nasze potrzeby wystarczające, aby zobrazować problem.
Wracając do energooszczędnych układów hydrauliki siłowej.
Moim zdaniem takim układem będzie maszyna o napędzie hydraulicznym, w której powstające ciepło będzie wynikało wyłącznie z wykonanej pracy. Oczywiście, że nie jest to proste, ale można spełnić określone warunki, aby można było poprawić sprawność układu hydrauliki. Takim krokiem w kierunku energooszczędnych układów hydrauliki było pojawienie się pomp o zmiennej wydajności.
Teraz garść technicznej wiedzy. Pompy o stałej wydajności mają prawie same zalety. Są tanie, proste w budowie, a co za tym idzie łatwe w serwisie. Nie potrzebują wysokiej czystości oleju i znoszą najgorsze z możliwych warunki pracy. No i ze względu, że są tanie, w razie czego bez większego bólu można je zastąpić nowym elementem. Ale tu ich „dobroć” się kończy. Mają wadę, bo wytwarzają stały strumień oleju. Czyli mają swoją stałą wydajność przy określonej prędkości wirowania elementów roboczych i stałe ciśnienie zależne od nastawy na zaworze przelewowym. Już tłumaczę, dlaczego to wada. Maszyny przemysłowe to złożone urządzenia realizujące wiele funkcji i to w rygorze technologicznym. Oznacza to konieczność regulacji ciśnienia i szybkości roboczych elementów ruchomych.
W tym miejscu dotykamy istoty problemu. Konstruktor zakłada wydajność pompy do najszybszego i najbardziej chłonnego ruchu na maszynie. Efektem tego jest konieczność dławienia przepływu przy innych ruchach lub ich zwolnieniach. Jeżeli dławimy przepływ, to zachowujemy się trochę jak kierowca rajdowy, który żeby nie tracić mocy silnika, nie ujmuje gazu, wchodząc w zakręt, tylko utrzymując pedał gazu w tym samym położeniu, jednocześnie naciska hamulec, zwiększając opory toczenia.
Czy ktoś z nas tak się zachowuje, prowadząc samochód? Nie każdy ujmuje gazu, bo to bardziej ekonomiczne. I tu znajduje się clou problemu. Pompy o stałej wydajności w czasie swojej pracy wytwarzają nadmiar energii zawartej w oleju, którą później tracimy, dławiąc przepływ. Oddajemy je do atmosfery przy użyciu chłodnicy oleju. I kółko się zamyka.
Na szczęście udało się rozwiązać ten problem, konstruując pompę o zmiennej wydajności. W tym przypadku mamy oczywiście odwrócenie proporcji. Bo taka pompa ma wiele wad. Jest skomplikowana, a w związku z tym trudna w produkcji, czyli będzie droga. Ma wysokie wymagania czystości oleju. Wymaga wysoko wykwalifikowanego personelu do serwisu. Ma jednak jedną niepodważalną zaletę: dostarcza do układu taki strumień oleju, jakiego w danym momencie potrzebujemy. Wracając na moment do analogii z kierowaniem samochodem: taka pompa jest trochę jak automatyczna skrzynia biegów. Jeżeli chcemy jechać wolniej, to ujmujemy gazu, a nie naciskamy hamulec.
Gdyby chcieć w prosty sposób powiedzieć, jaki układ hydrauliczny będzie energooszczędny, to trzeba by wskazać taki, który najlepiej wykorzysta dostarczoną energię. Układy hydrauliczne zawsze cechują się dużą energochłonnością, co tym bardziej wskazuje na to, by próbować ją oszczędzać. Zastosowanie nowoczesnych pomp o zmiennej wydajności ma wiele aspektów technicznych, które powodują oszczędności. Możliwość sterowania wydajnością w znaczący sposób ogranicza energochłonność. Nie będę tu prowadził wyliczeń stosunku pobranej mocy przez pompę do podanych litrów na minutę oleju. Mogą mi Państwo wierzyć, że istnieje w tym zakresie ścisły związek i wzrost energochłonności pompy jest wprost proporcjonalny do wzrostu jej wydatku przy określonym ciśnieniu.
Jak z tego wynika, możliwość regulacji wydajności pompy przekłada się na możliwość ograniczenia poboru energii do jej napędzania. Wracając na chwilę do chłodnic oleju: oczywiste wydaje się teraz, że jeżeli będziemy do układu dostarczali pożądaną w danym momencie ilość oleju, to nie będziemy napotykali na nadmierne grzanie się oleju. Jeżeli tak, to ciepło wytworzone w maszynie będzie związane wyłącznie z pracą i będzie go znacznie mniej. Co za tym idzie, chłodnica będzie mogła być mniejsza, czyli sprawność układu będzie większa.
Podsumowując te teoretyczne rozważania praktyka nad materią energooszczędnych układów hydraulicznych napędzających maszyny przemysłowe, mogę powiedzieć, że w obecnych czasach energooszczędne układy hydrauliczne to układy z zastosowaniem pomp o zmiennej wydajności przy wykorzystaniu elementów proporcjonalnych. Kombinacja taka pozwala na maksymalne ograniczenie oporów przepływu i najdokładniejszy dobór parametrów roboczych do planowanego efektu końcowego produkcji.
Gdybym miał na chwilę usiąść do stołu konferencyjnego i wtrącić swoje pięć groszy do dyskusji na temat, jaką maszynę kupić, aby była najbardziej energooszczędna, powiedziałbym, że najdroższą w momencie zakupu. Przełoży się to na energooszczędność i bezawaryjność, która da zysk w postaci niskich kosztów produkcji bezpośrednio związanych z oszczędnościami energii i kosztami serwisu. To zrekompensuje koszy zakupu i wygeneruje zysk.
autor: DARIUSZ NIEZDROPA Pracował w DAEWOO-FSO Warszawa HANYANG-ZAS w Elblągu w Dziale Utrzymania Ruchu. Wdrażał normy ISO i TQM. Od 2000 r. właściciel firmy HYDROPRES Małdyty. Wykonawca i serwisant wielu aplikacji hydrauliki siłowej, pneumatycznych i sterowań PLC. Autor publikacji z zakresu hydrauliki siłowej, automatyki przemysłowej oraz systemów pneumatycznych.
artykuł ukazał się w czasopiśmie „Nowoczesny Przemysł” nr 3/2023
