Energiebesparing door middel van een perslucht systeem ECN Engineering & Services oktober 2011 www.ecn.nl
Doel Het bepalen van het energie-besparingspotentieel van een perslucht systeem door middel van een theoretische analyse. 2 31-10-2011
Achtergrond Leveranciers van perslucht systemen claimen een betere efficiency wanneer lucht uit de uitlaat van pneumatische gereedschappen wordt benut aan de inlaat van een compressor #. Hiermee zou in de praktijk een energiebesparing van 20-40% kunnen worden gerealiseerd. # = Bijvoorbeeld, op basis van data uit de EARS Catalogue 2010 (p.20-22): de toepassing van een systeem verhoogt de efficiency van 21-27% voor conventionele compressorsystemen naar 37-49% voor systemen met een recycle. 3 31-10-2011
Configuraties We vergelijken het energiegebruik van een compressor: 1. Zonder recycle (conventioneel systeem, referentie case) Compressor Tools 2. Met optimale recycle (geen lekverliezen; lucht perfect afgestemd op compressorvraag) Compressor Tools 3. Met recycle (mismatch of lekkage: 10-50% make-up air) Compressor Tools Manifold 4 31-10-2011
Criterium voor vergelijk Voor een vergelijk van verschillende configuraties wordt de arbeidspotentiaal van de geleverde lucht (druk volumestroom) gelijk gehouden #. De efficientie van het compressorsysteem wordt uitgedrukt als: arbeidspotentiaal van geleverde lucht efficientie = 100% vermogens input van de compressor Het perslucht systeem * wordt met het conventionele systeem vergeleken op basis van de verwachte energiebesparing: vermogensinput conventioneel vermogensinput recycle besparing = 100% vermogensinput conventioneel # = De scope is beperkt tot het compressorsysteem. Voor een vergelijk op basis van de mechanische arbeid van pneumatische gereedschappen was onvoldoende data beschikbaar. * = EARS 5 31-10-2011
Aannames Omgevingstemperatuur # : 10.1 C Relatieve vochtigheid # : 86% FAD (Free Air Delivery) referentie : 20 C, 1 bara Compressorsysteem - Type : multi-stage - Inter-stage koeltemperatuur : ~ 22 C * - Isentropische efficientie : 70% - Mechanische efficientie : 90% - Drukverlies : 0.5 bar - Uitlaattemperatuur : +12 o C hoger dan omgeving - Uitlaatdruk : 6 barg (conventional) : 8 barg (recycle) # = Bron: KNMI, jaargemiddelden. * = zodanig dat de compressor uitlaattemperatuur tussen 70-95 C is 6 31-10-2011
Systemen: conventioneel en perslucht Conventioneel Perslucht systeem referentie voor vergelijk 7 31-10-2011
Onderzochte parameters 1. Effect van lekverliezen en van een mismatch tussen recycle lucht en compressorvraag: 100%, 90% en 50% recycle. 2. Effect van lagere recycle druk: 1.5 barg in plaats van 2 barg. 3. Effect van een hogere inlaattemperatuur: 20 C in plaats van 10 C. 4. Effect van een groter, meer efficient compressorsysteem. 8 31-10-2011
1. Effect van lekverlies en mismatch Conventioneel Perslucht (100% recycle) Perslucht (90% recycle) Volume in (Nm 3 /h) 100 25.4 30.3 51.6 FAD (l/min) 1383 465 498 696 Voedingsdruk (barg) 0 2.0 1.8 1.0 Compr. Tuitlaat ( o C) 88 73 75 76 H 2 O fractie 0.0011 0.0009 0.0009 0.0009 Power input (kw) 12.5 6.7 7.2 9.3 Potential work (W) 2.35 2.35 2.35 2.35 Efficientie (%) 18.8 35.0 32.7 25.2 Energiebesparing (%) - 46.3 42.4 25.4 Perslucht (50% recycle) > De ultieme besparing bij een perfecte recycle wordt geschat op 46%. > De verwachte maximum besparing in de praktijk (10% lek) is 42%. > Bij een mismatch tussen aanbod van lucht en compressor vraag is de besparing duidelijk minder groot (25% bij 50% recycle). 9 31-10-2011
2. Effect van de lagere recycle druk Recycle druk Parameter Conventioneel Perslucht (100% recycle) Perslucht (90% recycle) 2 barg Efficientie, % 18.8 35.0 32.7 25.2 Energiebesparing, % - 46.3 42.4 25.4 1.5 barg Efficientie, % 18.8 30.1 28.6 23.3 Energiebesparing, % - 37.6 34.3 19.4 > De besparing neemt 6 9 % af bij een 0.5 bar lagere recycle druk. Perslucht (50% recycle) 10 31-10-2011
3. Effect van hogere inlaattemperatuur Inlaat temperatuur Parameter Conventioneel Perslucht (90% recycle) 10 o C Efficientie (%) 18.8 32.7 Energiebesparing (%) - 42.4 20 o C Efficientie (%) 17.4 30.2 Energiebesparing (%) - 42.3 > De energiebesparing is vrijwel gelijk bij een 10 C hogere inlaattemperatuur. 11 31-10-2011
4. Effect van een grotere, meer efficient compressorsysteem Variabele Parameter Conventioneel Perslucht (90% recycle) Standaard capaciteit Efficientie (%) 18.8 32.7 Energiebesparing (%) - 42.4 Hogere capaciteit # Efficientie (%) 22.1 38.5 Energiebesparing (%) - 42.7 # = Hogere capaciteit compressor heeft een isentropische efficientie van 80% en een mechanische efficientie van 95%. Voor de standaard capaciteit is dit 70% resp. 90%. > Voor een systeem met hogere capaciteit (hogere efficientie) wordt een marginaal hogere energiebesparing verwacht. 12 31-10-2011
Conclusie > De theoretisch optimale energiebesparing van het perslucht systeem is 46%, echter deze is in de praktijk niet haalbaar. > In praktische toepassingen wordt een energiebesparing van 42% verwacht bij een mismatch tussen vraag/aanbod van lucht van 10%, en een besparing van 25% bij een mismatch van 50%. > Een 0.5 bar lagere druk leidt tot een energiebesparing van 34% bij 10% mismatch en 19% besparing bij 50% mismatch. > Het effect van inlaattemperatuur en capaciteit van de compressor op de energiebesparing is klein (verschil minder dan 1%). Deze resultaten zijn gebaseerd op een theoretische analyse op basis van de beschikbare informatie, en moeten met metingen worden gevalideerd. 13 31-10-2011