ارزیابی و افزایش راندمان انرژی سیستم‌های تأمین هوای فشرده ریسندگی و بافندگی جت‌هوا

ریسندگی و بافندگی جت هوا، هوای فشرده را برای تشکیل نخ و پودگذاری استفاده می‌کنند. راندمان تبدیل به‌طور قابل ملاحظه‌ای برای تولید هوای فشرده پائین (حدود ۲۵%) است. اکثر شرکت‌های نساجی به هوای فشرده برای تولیداتشان نیاز دارند و توسعه کاربرد هوای فشرده، برای صنعت نساجی مزایای اقتصادی مفید و بسیار زیادی را در بر خواهد داشت. اگرچه تاکنون پیشنهاداتی برای بهبود راندمان کاربرد هوای فشرده داده شده است، اما این تلاش‌ها کافی نبوده است. هنوز یک نیاز مبرم به دانستن مقدار انرژی تلف شده یا مصرفی در فیلتر اسیون، توزیع و کاربرد ماشین در صنعت نساجی وجود دارد. به‌دلیل محدودیت‌های تکنولوژیکی، کاهش انرژی مصرفی هنوز به‌عنوان یک مسئله پیچیده به‌وسیله سیستم‌های هوای فشرده، مشاهده می‌شود. راه حل‌ آسانی در این تحقیق بیان می‌شود، که می‌تواند به‌وسیله مهندسین کارخانه‌ها در صنعت نساجی استفاده شود. این امکان برای یک شرکت وجود دارد که شانس‌هایش را برای توسعه راندمان انرژی و برای تولید منسوجات با هزینه کمتر امتحان کند. برای مثال، کاهش نشت هوا (Air Leakage) از ۱۲% به ۶% (بسته به نوع کارخانه) و کاهش فشار هوای سیستم تا ۱۶psi جهت سیستم هوای فشرده‌ای که برای ۵۰۰ ماشین بافندگی طراحی شده است، صرفه‌جوئی حدود ۴۴۰ هزار دلار در سال را در پی خواهد داشت.
تخمین صرفه‌جوئی‌های هزینه‌ای صنایع نساجی می‌تواند به‌عنوان نتایج این پروژه مورد انتظار باشد. صرفه‌جوئی که صنعت پوشاک، قالی و صنایع نساجی جورجیای آمریکا به‌عنوان نتایج این پروژه، به آن دست یافتند، نمونه‌ای از نتایج این کار می‌باشد. در کل، مصرف انرژی در واحد حجم کالای تولید شده بر پایه هزینه تولید کمتر و رقابت بالاتر، کاهش داده خواهد شد. این پروژه چشم انداز روشنی را در مصرف، تولید، فیلتراسیون و توزیع هوای فشرده دربافندگی و ریسندگی جت هوا ارائه می‌کند. در این کار سطوح با بیشترین پتانسیل برای کاهش مصرف انرژی تعیین می‌شوند. یافته‌های کامل این پروژه در جلسه‌ای که به‌وسیله بخش مهندسی نساجی در جامعه مهندسین مکانیک آمریکا ترتیب داده شد، بیان گردید. در آینده، امکان به‌کار بردن انتقال تکنولوژی به‌منظور یافتن راه حلی برای شرکت‌ها جهت تکمیل شیوه‌های اندازه‌گیری صرفه‌جوئی انرژی پیگیری خواهد شد.
● انجام پروژه تحقیقاتی
برای انجام این پروژه تیم تحقیقاتی بر روی چندین هدف متمرکز شد:
۱) مطالعه سیستماتیک به‌منظور به‌دست آوردن فاکتورهای مختلف پتانسیل‌های ذخیره انرژی.
۲) شیوه‌ای برای کاهش دادن هزینه انرژی برای سیستم‌های هوای فشرده در بافندگی، آزمایش و توسعه داده شد. این شیوه به‌منظور تعیین کمترین فشار هوای لازم برای یک عملیات بافندگی قابل اعتماد استفاده شد.
۳) تیم تحقیقاتی در تماس‌هائی که با کارخانجات نساجی برقرار کرد، آزمایشات به‌روزی را انجام داد.
۴) آنالیز داده‌ها به‌منظور تعیین شانس‌ها و پتانسیل‌ها برای کاهش مصرف انرژی کلی در بافندگی جت هوا انجام گرفت.
۵) یک مطالعه جامع و فراگیر برای تعیین صرفه‌جوئی انرژی با اندازه‌گیری‌های مختلف به کمک نرم‌افزار Alrmaster نیز صورت گرفته است. در نهایت فرمول‌های ساده‌ای برای تخمین صرفه‌جوئی هزینه به‌دست آورده شده‌اند.
● روش کار
هدف این تحقیق، بهبود راندمان انرژی در مصرف هوای فشرده در صنعت نساجی است. راه‌های متعددی برای کاهش مصرف انرژی به‌وسیله سیستم‌های هوای فشرده که شامل کمپرسورها، وسایل فیلتراسیون، شبکه توزیع و کاربرد نهائی می‌باشد، در نظر گرفته شده‌اند. یافته‌ها نشان می‌دهد که حذف نشت و کاهش فشار عملیات دو عامل از موثرترین عوامل صرفه‌جوئی انرژی هستند. یک دستگاه مافوق صورت نیز ساخته شد و نرخ نشت در محیط تولید به کمک آن تخمین زده شد. در ادامه یک وسیله قابل حمل ساخته و یک شیوه عملی برای تعیین کمترین سطح فشار لازم برای کار با اطمینان لازم ماشین بافندگی جت هوا به‌دست آورده شد. برای این کار در صنعت بیشتر از شیوه سعی و خطا استفاده می‌شود، انجام این روش ساده است و فشار زیادی به تولید و کیفیت کارخانه وارد نمی‌کند. سودمندی وسیله و روش کار، آزمایش و طی چندین مرحله در کارخانه‌های بافندگی اثبات شد. تحلیلی بر روی صرفه‌جوئی‌های بالقوه نیز انجام شده است و محاسبات ساده‌سازی شده نیز ارایه شد.
● شیوه‌های کاهش هزینه
شیوه‌های کاهش هزینه‌ای که پیگیری شده بودند شامل استفاده مجدد هوای کارخانه، انتخاب موتور کمپرسور، بهینه کردن طرح‌های کنترل کمپرسور، بازیافت گرمای تراکم، مطمئن شدن از درستی کار خطوط توزیع و عاری از نشت دادن آنها و تعیین فشار و جریان حداقل مورد نیاز در تجهیزات کاربرد نهائی. این تحقیق تکنیک‌هائی را به‌دست آورد که می‌تواند برای نشان دادن سیستم‌های کنترلی کمپرسور و همچنین پارامترهای تجهیزات تولید استفاده شود.
● جمع‌آوری گاز
عموماً، هوائی که فشرده می‌شود از اطراف کارخانه گرفته می‌شود که دما و رطوبت نسبی محیط را دارد. این امر شرایط مختلف و وسیعی را پدید می‌آورد که کمپرسورها می‌بایست با آن تطبیق پیدا کنند. در طول ماه‌های تابستان، کمپرسور تحت بیشترین بار است. هوا در دمای ۱۰۰ درجه فارنهایت با رطوبت نسبی بالا شامل مقدار زیادی آب است که باید تخلیه شود. بنابراین در مقایسه با فصل زمستان، نرخ جریان حجمی مدخل باید در حدود ۱۰% افزایش یابد تا بتوان SCFM (Standard Cubic Feet Per Minute (تغذیه هوای استاندارد برحسب فوت بر دقیقه) یکسانی را در طول ماه‌های تابستان داشت.
بعد از این که هوا در نقطه عملکردش استفاده می‌شود، به هوای موجود در فضای کارخانه اضافه می‌شود. این حجم اضافه شده به هوا باید فضای کارخانه را ترک کند؛ به‌عبارت دیگر، با باز کردن درها و پنجره‌ها و غیره، هوائی که از فضای کارخانه خارج می‌شود، محتوی رطوبت کمتری نسبت به هوای بیرون است. هوای داخل کارخانه همچنین چگالی بیشتری را در ماه‌های تابستان به سبب داشتن دمای پائین‌تر نسبت به بیرون کارخانه خواهد داشت.
ارائه سیستمی که هوای آماده‌سازی شده کارخانه را همپوشانی کند در کاهش دادن هزینه‌های تراکم هوا می‌تواند مفید باشد. صرفه‌جوئی‌های انرژی ناشی از استفاده مجدد این هوای خشک می‌تواند هنگامی که شرایط بیرون کارخانه خیلی گرم و مرطوب است، مفید باشد. مکان‌های جغرافیائی خاصی از نظر این استفاده مجدد مفیدتر هستند، به‌عنوان مثال مناطق جنوب شرقی آمریکا، که هوای نسبتاً گرم و مرطوب‌تری را در ماه‌های تابستان دارند.
هزینه نصب چنین سیستمی می‌تواند برای یک کارخانه موجود خیلی بالا باشد، اما این طرح را هنگامی که یک کارخانه جدید طراحی می‌شود، می‌توان در نظر گرفت.
● راندمان موتور کمپرسور
پیشرفت‌ها در طراحی موتور منجر به افزایش راندمان انرژی در عملیات موتورها شده است. موتورهای جدید که برای فضای کارخانجات نساجی مناسب هستند، در مقایسه با موتورهای طراحی شده ۱۵ سال پیش که در راندمان ۹۰% یا کمتر کار می‌کردند، در راندمان حدود ۹۵% کار می‌کنند. در طول زمان راندمان موتورها کاهش می‌یابد. این که پس از ۱۰ سال راندمان موتور افت کند، یک امر طبیعی است. موتورهای جدید با راندمان بالا، هنگام جایگزینی یا زمانی که تغییرات عمده‌ای (Major Maintenance) مورد نیاز است، می‌توانند مورد توجه قرار بگیرند.
بدین منظور یک مطالعه تحقیقاتی که دارای یک برنامه نرم افزاری تحلیل سیستم کمپروسور بود انجام گرفت. برای کارخانه‌ای با مشخصات ظرفیت کمپرسور ۶۰۰۰۰HP، صرفه‌جوئی معادل با ۱۰۵ هزار دلار با ارتقاء راندمان موتور از ۹۰% به ۹۵% مشاهده گردید. مقدار صرفه‌جوئی ناشی از تغییر در راندمان موتور را با استفاده از معادله زیر می‌توان برآورد کرد:
[قدیم n/ (قدیم n-جدید n)] (هزینه اصلی سالیانه) = صرفه‌جوئی سالیانه برای کارخانه‌ای که ۶ کمپرسور ۱۰۰۰HP دارد، هزینه جایگزینی موتورهای قدیمی با موتورهای جدید با راندمان ۹۵% چیزی حدود ۴۰ هزار دلار به‌ ازاء هر کدام و یا ۲۴۰ هزار دلار در کل خواهد بود. دوره برگشت (Simple Payback Period) برای سرمایه‌گذاری اولیه در موتورها در ۲۸ ماه خواهد بود که از رابطه زیر حاصل می‌شود:
۱۲ ٭ (ذخیره سالیانه / هزینه ارتقاء) - دوره بازگشت (ماه‌ها)● کنترل‌های کمپرسور
کمپرسورهای گریز از مرکز معمولاً از پروانه‌های راهنمای ورودی (Jnlet Guide Vanes) برای کنترل کردن جریان هوا در طول کمپروسور استفاده می‌کنند. این شیوه کنترل به‌دلیل این که راندمان به‌طور قابل توجهی با این روش کاهش نمی‌یابد، مفید است. محدوده کنترل در حدود ۸۰% حداکثر ظرفیت جریان هوا پائین آورده می‌شود. بیشترین راندمان کمپرسور در حال کار با ظرفیت ۱۰۰% به‌دست می‌آید. اگر هوا به مقدار تولید شده مصرف نشود، فشار در دریافت کننده هوا بالا خواهد رفت. یک یا چند کمپرسور باید جهت جلوگیری از این مشکل به دریچه‌ی کنترل مجهز شوند. همه کمپرسورها باید در حداکثر ظرفیت خود به جزء برای وقتی که دریچه کنترل عمل می‌کند، کار کنند. اگر خروجی مجموع کمپرسور بیشتر از مقدار مورد نیاز است، هوا باید از سیستم از طریق دریچه‌های خروجی (Blow -off Valve) خارج شود. یک طرح کنترلی مناسب می‌تواند این ضایعات را کاهش و یا محدود کند.
یک برنامه دقیق کنترل کمپرسور با تغییرات فشار کم مطلوب است. نیازی نیست که کمپرسور هوا را در فشاری بالاتر از فشار حداقل مورد نیاز برای کار کارخانه تولید کند. خروجی فشار یک کمپرسور هنگامی در طول روز تمایل به نوسان دارد. یک برنامه کنترلی خوب این نوسانات را حداقل خواهد کرد.
● بازیافت حرارت
در طی فرایند متراکم کردن هوا، درصد زیادی از رطوبت موجود در هوا به صورت آب متراکم خواهد شد. گرمای نهانی (Latent Heat) در ارتباط با این متراکم شدن وجود خواهد داشت که به‌وسیله سرد کردن باید منتقل شود. یک محاسبه ساده برای تعیین اهمیت گرمای نهان به‌کار برده شده است. برای یک کمپرسور با مشخصات ۶۰۰hp و خروجی ۲۰۰۰SCFM و شرایط هوای ورودی ۸۵ درجه فارنهایت و رطوبت نسبی ۹۰% گرمای نهان کل تلف شده تقریباً برابر (therms/hour۲) می‌شود. این امر دلالت بر این دارد که تلاش زیادی برای بازیافت گرما لازم نخواهد بود.
● خطوط توزیع
سیستم توزیع، یک منبع بزرگ برای ذخیره کردن انرژی را ارائه می‌دهد. افت فشارهائی وجود دارند که به همه تجهیزات موجود در خط حتی در خود لوله‌گذاری، مرتبط می‌شوند،. افت فشار در نقطه استفاده و از خروجی کمپرسور باید تا آنجائی که امکان دارد پائین باشد. تجهیزات نهائی باید به‌گونه‌ای باشند که با کمترین جریان کار کنند. تیم تحقیقاتی شیوه جدیدی را برای شناسائی نشت در کارخانجات نساجی دنبال کرد. بدین منظور یک شناساگر مافوق صورت طراحی و به کار گرفته شد (سیستم UE مدل Up۹۰۰۰) که نشت‌ەا را در خطوط توزیع و تجهیزات، در حالی که آسیبی به شنوائی انسان نمی‌رساند، می‌تواند پیدا کند. شناساگر مافوق صورت قادر است حسگر را در یک نقطه خاص متمرکز کند، و آن را هنگامی که ماشین در حال کار کردن است، آماده پیدا کردن نشت کند. خروج هوا صدای بالائی را در سطح فرکانس حدود ۴۰KHZ تولید می‌کند، که ماورای فرکانس شنوائی انسان است. دستگاه، سطح بلندی (The Loudnes Level) این فرکانس را اندازه‌ می‌گیرد. تخمین مقدار نشت هوا می‌تواند از روی مقدار دسی‌بل (db) به‌دست آورده شود.
● کاربرد نهائی
ذخیره هوای فشرده در استفاده نهائی منجر به کاهش مستقیم مقدار هوای فشرده مورد نیاز برای عملیات خواهد شد صرفه‌جوئی مصرف هوا به مقدار SCFM (The Loudnes Level باعث صرفه‌جوئی ۶۵ دلار در سال در یک کارخانه بزرگ خواهد شد. صرفه‌جوئی در استفاده نهائی می‌تواند همچنین با کاهش دادن جریان هوا در طول تجهیزات، یا به‌وسیله پائین آوردن فشار در نقطه استفاده به‌دست آورده شود. پائین آوردن فشار در کاربرد نهائی همچنین اثر کاهش جریان طبیعی را نیز در پی دارد. کاهش جریان و فشار باید بدون تأثیر منفی بر بهره‌وری اتفاق بیافتد. کارخانه‌ها باید به‌طور پیوسته تجهیزات تولید را کنترل کنند تا مطمئن شوند که فشار و جریان هوای حداقل در حال استفاده است.
● تخمین‌های صرفه‌جوئی در هزینه‌ها به‌وسیله کاهش فشار و جریان هوا
توانائی اندازه‌گیری صرفه‌جوئی‌ها به سبب تغییر پارامترهای سیستم، برای تعیین امکان‌پذیری اقتصادی تغییرات سیستم، مناسب است. یک برنامه نرم‌افزاری (Air Master) در اندازه‌گیری تغییرات سیستم استفاده شد. برنامه به یک کارخانه اجازه می‌دهد که اثر تغییرات پارامترهای مختلف سیستم و درصد نشت را قبل از این که آنها واقعاً اجرا شوند را اندازه‌گیری کند. هدف از طراحی این برنامه این است که ذخیره انرژی به‌سبب تغییرات سیستم نظیر کاهش نشت‌ها، کنترل‌های تعدیل کننده، کاهش فشار، کاهش زمان اجراء و کنترل‌های مرتب کننده - تنظیم کننده را بر آورد کند. این اندازه‌گیری‌های ذخیره انرژی به‌طور خاص یا ترکیبی می‌تواند تحلیل شود. در ادامه یک کمپرسور گریز از مرکز ۶۰۰HP با ۲۷۱۷SCFM ظرفیت حداکثر و در فشار ۱۰۵ PSl، (از ۱۰۵ PSl به ۱۰۰PSl) و کاهش در نشت به میزان ۶۰% مقدار واقعی آن می‌شود. صرفه‌جوئی سالانه ۲۳ هزار دلار در هزینه‌های انرژی به‌وسیله این تغییرات در سیستم انتظار می‌رود. در مجموع ۷/۱۲% از هزینه‌های اصلی کاهش یافت.
معادلات ساده‌سازی شده بر مبنای معادلات فشار و جریان برای تخمین اثر اقتصادی، فرمول‌بندی شده‌اند. کاهش توان کل برای کاهش در هر دو مقدار جریان و فشار رابطه زیر بیان می‌شود: (توان قدیمی / توان جدید) ٭ (جریان اصلی کارخانه / جریان کاهش یافته نشت - جریان اصلی کارخانه) = % درصد توان اصلی برای مثال بالا، این معادله ساده صرفه‌جوئی حدود ۹/۱۰% را نشان می‌دهد.
● کنترل کارآئی ماشین بافندگی در مقابل فشار
برای این منظور، یک وسیله اندازه‌گیری جریان قابل حمل ساخته و برای نمایش فشار در برابر تحلیل کارآئی روی یک ماشین بافندگی به‌کار برده شد. تیم تحقیقاتی با یک کارخانه صنایع نساجی به‌منظور انجام آزمایشی روی یک ماشین بافندگی در محیطی که کیفیت و راندمان تولید دارای اهمیت زیاید بودند، همکاری کرد. یک رگولاتور فشار به منظور تنظیم فشار ورودی ماشین بافندگی در خط تولید نصب شد. این نصب آزمایشی را نشان می‌دهد. آزمایش با کاهش سیستماتیک فشار هوای ورودی ماشین بافندگی، در حالی که کیفیت و راندمان بافندگی به‌طور مدار بسته کنترل می‌شدند، انجام گرفت.
ارتباط بین توقف‌های پودگذاری ماشین بافندگی در ساعت و فشار هوای خط در جریان سنج را نشان می‌دهد. سطح قابل قبول توقف‌های پودگذاری به شرایط کارخانه، پارچه تولیدی، ماشین بافندگی و موارد دیگر بستگی دارد. برای تحلیل‌ها، نرخ ۱ توقف پودرگذاری در ساعت در یک شیفت ۱۲ ساعته به‌عنوان حد آستانه برای کارائی قابل قبول استفاده شد. شایان ذکر است که کارائی ماشین بافندگی تا زمان کاهش فشار هوا از یک سطح مشخص، تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد ولی با کاهش فشار هوا از یک سطح مشخص نرخ توقفات پودی به‌طور محسوسی افزایش می‌یابد. در آزمایش‌های صورت گرفته کارآئی بافندگی غیر قابل قبول هنگامی که فشار در جریان سنج کمتر از ۶۴psi است، اتفاق افتاد. این نتیجه نشان می‌دهد که فشار حداقل مورد نیاز در ماشین بافندگی آزمایشی، در سطحی قابل توجه پائین‌تر از فشار ۸۰Psi پیشنهاد شده به‌وسیله سازنده است. به سهولت در یک سطح وسیع تولید، صرفه‌جوئی کل منتج از این چنین کاهش فشار و جریان به میزان حدود ۴۴۰ هزار دلار در سال برای یک سیستم با عمل‌کرد ۵۰۰ ماشین بافندگی است.
با انجام این آزمایش بر روی ماشین‌های بافندگی انتخاب شده با بیشترین نیاز به فشار هوا (اینامر ممکن است چندین عمل آزمایشی نیاز داشته باشد)، سطح فشار بهینه برای ورودی کارخانه تعیین می‌شود. با حداقل کردن علل نامشخص به‌وسیله فاکتورهای مختلف، سطح فشار پائین‌تری با دنبال کردن این شیوه قابل دست‌‌یابی خواهد بود. در آزمایش کارخانه بزرگ قدیمی، به هر حال، فرآیند پائین آوردن فشار زمانی که بعضی فاکتورهای مخرب نامربوط به فشار باعث عملکرد نامناسب برخی ماشین‌های بافندگی شوند، اغلب به‌سرعت خاتمه داده می‌شود.

پی‌نوشت:
دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
ماخذ:
Y., Wang, "Evaluation and Enhancement of the Energy Efficiency of Compressed Air Supply Systems for Airjet Weaving and Spinning" TYO۱ CCACTI Annual Report ۲۰۰۱.
ترجمه: مهندس مجید‌حسن‌پور (Air Leakage)

منبع : ماهنامه نساجی امروز