Wszystko sprowadza się do zasady działania

Maulburg, Germany Pompy próżniowe są ważnymi elementami procesu pakowania świeżych produktów spożywczych. Która pompa próżniowa osiąga najwyższy czynnik wydajności? Odpowiedź na to pytanie może dać bezpośrednie porównanie, pod warunkiem że konfiguracja testowa została zaprojektowana w sposób przemyślany. Niedawno opublikowane badanie porównawcze sugeruje wyższość śrubowej pompy próżniowej z uszczelnieniem olejowym. Jednak wynik ten uzyskano przy użyciu konfiguracji testowej, która wydaje się bardzo nierealistyczna. Niezależna organizacja badawcza TÜV Süd również przeprowadziła porównanie wspomnianych pomp próżniowych. Wymagało ono realistycznej symulacji standardowego procesu przemysłowego. W tych warunkach wynik jest wyraźnie korzystny dla rotacyjnej łopatkowej pompy próżniowej smarowanej olejem.
Rys. 1: Zużycie energii z silnikiem standardowym. Source: Busch Vacuum Solutions
Rys. 1: Zużycie energii z silnikiem standardowym. Source: Busch Vacuum Solutions

W tym artykule zestawiono ze sobą dwa testy porównawcze. Aby wszystko było jasne, są one określane poniżej jako Test 1 i Test 2. Dla lepszej czytelności śrubowa pompa próżniowa z uszczelnieniem olejowym jest w dalszej części określana skrótem SVP (ang. screw vacuum pump), a rotacyjna łopatkowa pompa próżniowa smarowana olejem — RVVP (ang. rotary vane vacuum pump). 

Test 1: Sterowanie oparte na zapotrzebowaniu w porównaniu z pracą przy pełnym obciążeniu
Ten test został zainicjowany przez producenta śrubowej pompy próżniowej z uszczelnieniem olejowym (SVP). Firma specjalizuje się głównie w sprężarkach, a omawiana maszyna jest pochodną technologii sprężarkowej. Porównano ją ze smarowaną olejem rotacyjną łopatkową pompą próżniową (RVVP) R 5 RA 0630 C firmy Busch. Jednak z kilku powodów konfiguracja testowa nie pozwala na przeprowadzenie realistycznego porównania.
Cykl testowy symulował różne procesy wspomagane próżniowo. Jednak przerwy w produkcji, w tym nocne przestoje, podczas których pompa RVVP, w przeciwieństwie do SVP, kontynuowała pracę, zostały oczywiście również uwzględnione. W teście pompa SVP była eksploatowana jako część instalacji z przetwornicami częstotliwości i zintegrowanym układem sterowania, który zatrzymywał pracę pompy próżniowej na czas przerw. Z drugiej strony pompa RVVP była najwyraźniej podłączona jako odizolowana maszyna, która pracowała ciągle z pełną mocą.
Test 1 to przysłowiowe porównywanie jabłek z pomarańczami. Pracująca w trybie ciągłym pompa próżniowa naturalnie zużywała więcej energii elektrycznej niż jej sterowany odpowiednik, który był automatycznie zatrzymywany w trakcie przerw. Pompę RVVP również można by wyposażyć w przetwornicę częstotliwości i układ sterowania — firma Busch oferuje taką wersję tej pompy próżniowej. Stworzyłoby to podobne warunki wyjściowe. Oczywiście tak się nie stało. Niestety w opisie testu zabrakło precyzyjnych informacji o tak istotnych warunkach ramowych.
Ze względu na swoją konstrukcję pompa RVVP z reguły osiąga najwyższe zużycie energii w fazie rozruchu — od ciśnienia atmosferycznego do około 300 mbar (rys. 1). Jednak wraz ze zmniejszaniem ciśnienia wlotowego zużycie energii drastycznie spada. Z kolei pompa SVP zużywa mniej więcej tyle samo energii w przedziale od ciśnienia atmosferycznego do ciśnienia końcowego. Oznacza to, że pompa RVVP wymaga znacznie mniej energii w zakresie pracy od ciśnienia końcowego do 100 mbar niż pompa SVP.

Test 2: Jednakowe warunki
Drugi test porównawczy (rys. 2) został przeprowadzony niedawno przez niezależną organizację badawczą TÜV Süd. Jest to jedna z wiodących instytucji tego typu. Użyto tych samych pomp próżniowych co w Teście 1. Tym razem jednak symulowano rzeczywistą pracę, bez przerw i nocnych przestojów. Test 2 symulował cykl pracy maszyny do pakowania próżniowego. Jest to powszechne zastosowanie pomp próżniowych w przemyśle. Jak to często bywa w przypadku takich zastosowań, obie pompy próżniowe były dodatkowo wspierane przez identyczne wspomagające pompy próżniowe. Ponadto konfiguracja i procedura testowa zostały sprawdzone przez znanego producenta maszyn do pakowania próżniowego i zatwierdzone jako realistyczna symulacja.
Jako przykład zastosowania wybrano maszynę pakującą o dużej pojemności komory wykorzystywaną na przykład do pakowania mięsa lub serów. Zazwyczaj taka maszyna z automatycznym podawaniem produktów obsługuje kilka cykli na minutę.
W teście maszyna była symulowana przy użyciu komory o pojemności 300 litrów i systemu rur o długości 11,5 metra pomiędzy komorą, pompą booster i pompą próżniową. Komora była cyklicznie opróżniana do poziomu próżni, który wynosił 5 mbar.
Czas opróżniania zależał od wydajności pomp próżniowych. Okres między cyklami opróżniania został ustawiony na 14 sekund — to typowy odstęp w przypadku maszyn pakujących tego rozmiaru. Rejestrowano wymagany czas przestoju pomp próżniowych oraz ich zużycie energii. 


Rys. 2: Realistyczna konfiguracja testowa z naczyniem próżniowym, pompą booster i testowaną pompą próżniową jako pompą wstępną

Jednoznaczne wyniki
Wyniki różnych testów były zawsze jednoznaczne: rotacyjna łopatkowa pompa próżniowa (RVVP) zapewnia szybsze opróżnianie (rys. 3) i zużywa mniej energii niż śrubowa pompa próżniowa (SVP). W zależności od ustawionej prędkości obrotowej pompy RVVP przekłada się to na dalsze skrócenie czasów przestoju pompy lub zwiększenie oszczędności energii. Na przykład pompa RVVP jest porównywalnie o 11% szybsza w trybie 40 Hz i pozwala ograniczyć zużycie energii o 42%. 


Rys. 3: Liczba opakowań w zależności od prędkości obrotowej lub konstrukcji pompy próżniowej

Oprócz czasu przestoju pompy i zużycia energii podczas testu zmierzono również wydajność i zużycie energii w zależności od ciśnienia wlotowego (rys. 4). Na podstawie tych wartości obliczono wskaźnik jednostkowego zużycia energii (SEC) w przypadku różnych poziomów próżni. Zapewnia on dokładne informacje o tym, ile watów potrzeba do usunięcia jednego metra sześciennego powietrza na godzinę, aby osiągnąć określony poziom podciśnienia. Również w tym względzie pompa RVVP przewyższa SVP przy każdym poziomie próżni. Oszczędność energii wynosi 13–73%. Przy poziomie próżni wynoszącym 10 mbar (typowym w praktyce) pompa RVVP zużywa 38% mniej energii niż SVP (rys. 4). 


Rys. 4: Porównanie jednostkowego zużycia energii (SEC) testowanych pomp próżniowych pod kątem ciśnienia wlotowego

Kwestia zasady działania
Wyniki są zaskakująco jednoznaczne. Pompa RVVP jest klasycznym rozwiązaniem w technologii pomp próżniowych. Zastosowany tutaj model R 5 RA 0630 C korzysta z optymalizacji technicznych w zakresie wytwarzania próżni doskonalonych przez dziesięciolecia. Natomiast pompa SVP jest w zasadzie przekształconą sprężarką. Chociaż zarówno wytwarzanie próżni, jak i sprężanie dotyczą usuwania gazu, różne cele wymagają odmiennych rozwiązań technicznych.
W przypadku sprężarek stopień sprężania wynosi zazwyczaj 1 : 10, natomiast w przypadku pomp próżniowych — od 1 : 100 do 1 : 1000, a więc jest znacznie wyższy. Z technicznego punktu widzenia oznacza to, że dwie śruby i obudowa sprężarki śrubowej mogą być produkowane z większymi tolerancjami. Dzięki temu produkcja jest tańsza, a docelowy stopień sprężania 1 : 100 osiągany pomimo rosnącej liczby wycieków wewnętrznych. Staje się to jednak możliwe tylko dlatego, że jest on kompensowany znacznie wyższą prędkością obrotową — około 7000 obr./min przy pełnym obciążeniu. Z drugiej strony pompa RVVP jest typową pompą próżniową z precyzyjnymi częściami i minimalnymi tolerancjami, które redukują wewnętrzne wycieki do minimum i ostatecznie umożliwiają osiągnięcie znacznie wyższego stopnia sprężania. Dzięki temu zapewniana jest stała wydajność od początku do końca procesu opróżniania przy niskim zużyciu energii. Także dlatego pompa pracuje z maksymalną prędkością obrotową 1000 obr./min. Niższa prędkość zmniejsza obciążenie mechaniczne, a tym samym wymagania w zakresie konserwacji. Pozwala to również na osiągnięcie znacznie dłuższej żywotności i obniżenie kosztów cyklu życia maszyny.
Pompa SVP wymaga natomiast oddzielnej regulacji ciśnienia za pomocą zaworu sterującego na wlocie, aby zapobiec przeciążeniu pompy próżniowej w zakresie 1000–300 milibarów. Pomiędzy ciśnieniem atmosferycznym a niskim podciśnieniem pompa pracuje przy znacznie obniżonej wydajności. To oraz konstrukcja oparta na budowie sprężarki w znacznym stopniu przyczyniają się do wydłużenia czasu przestoju pompy.
To właśnie te różnice miały ostatecznie wpływ na wyniki testu porównawczego.

Podsumowanie
Test 2 został przeprowadzony w realistycznych warunkach. Jabłka porównano z jabłkami — zebrano i porównano rzeczywiste dane dotyczące wydajności wytwarzania próżni. Smarowana olejem rotacyjna łopatkowa pompa próżniowa (RVVP) R 5 RA 0630 C firmy Busch sprawdzała się znacznie lepiej niż śrubowa pompa próżniowa (SVP) pierwotnie zaprojektowana jako sprężarka, zarówno pod względem czasu przestoju pompy, jak i zużycia energii. Wyniki testów potwierdzają przewagę najlepiej sprzedającej się pompy próżniowej w tej klasie wydajności. 


Kategorie
Chcesz uzyskać więcej informacji?
Skontaktuj się z nami bezpośrednio (Busch Polska):
+48 (0)54 231 54 00 Skontaktuj się z nami