Zużycie energii przy hartowaniu szkła: jak nie być wprowadzonym w błąd przez fałszywe dane

Szczegóły: Kategoria: Wydanie 02/2018; Opublikowano: 27 luty 2018

Zużycie energii jest zawsze kluczowym tematem przy inwestowaniu w nową linię do hartowania szkła. Powód jest prosty: proces hartowania wymaga dużo energii. Tak więc koszty energii są główną częścią kosztów operacyjnych linii hartowania. Z tego powodu producenci urządzeń hartowniczych ciągle zwiększają energooszczędność swoich linii – a także zwracają uwagę, gdy czasami dostrzegają nierealistyczne twierdzenia dotyczące zużycia energii (niekiedy podawane przez firmy konkurencyjne).

2018 02 45 1

Przemysł motoryzacyjny oferuje dobrą analogię. Trend ten dotyczy samochodów, które zużywają mniej paliwa i emitują mniej emisji. Przepisy dotyczące „dokręcania wymagań” były jedną z głównych sił napędowych tego trendu. A ceny paliwa również odgrywają dużą rolę we właściwościach samochodu, więc kupujący stają się coraz bardziej wymagający. Rezultatem są bardziej przyjazne dla środowiska samochody na naszych ulicach. Innym rezultatem jest oszustwo, które zostało wykryte, gdy próbowano osiągnąć wyższe wskaźniki wydajności przy niższych nakładach inwestycyjnych.

Dwa lata temu opublikowano post na blogu „Volkswageny przemysłu hartowania szkła”, aby zwrócić uwagę, że te same problemy mogą występować w przemyśle dostarczającym linie produkcyjne do hartowania szkła. Jeśli nie miałeś okazji zapoznać się z tym postem, zapoznaj się z poniższym artykułem, by poznać przykład wzięty z życia.

Minęły dwa lata od publikacji wspomnianego postu, a problem nadal istnieje. Ciągle spotykamy się z sytuacjami, w których niektórzy ludzie twierdzą, że szkło może być hartowane przy użyciu mniejszej ilości energii, niż jest to wymagane do ogrzewania szkła zgodnie z prawami fizyki. Dlatego uważam, że konieczne jest uwzględnienie tej dyskusji o szczegółach w procesie hartowania.

Podstawy hartowania

Hartowanie szkła składa się z dwóch faz: ogrzewania i hartowania. Po pierwsze, szkło musi być ogrzane do temperatury znacznie powyżej punktu przejściowego +567°C, ale poniżej temperatury mięknienia +710°C.

Zwykle szkło musi być ogrzane do temperatury co najmniej + 630°C, aby uzyskać dobry wynik hartowania. Po podgrzaniu szkło należy schłodzić szybko i równomiernie z kontrolowaną szybkością, znacznie poniżej punktu odkształcenia +510°C. Dopiero po tej fazie szkło można schłodzić dalej, aby osiągnąć temperaturę pracy.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o fizyce związanej z hartowaniem szkła, zapoznaj się z podręcznikiem Glass Tempering Handbook.

2018 02 45 2

Terminologia

Ważne jest zrozumienie terminów używanych przy omawianiu zużycia energii. Określenia te mogą się nieco różnić w różnych firmach, a co najważniejsze, zawsze upewnij się, że otrzymane dane obejmują cały proces hartowania, od ogrzewania do chłodzenia. Obejmuje to wszystkie wskaźniki i zmienne w elementach grzejnych, elementach wymuszających konwekcję oraz straty energii wynikające ze sprawności pieca i wentylatorów. Upewnij się również, że liczby odzwierciedlają rzeczywistą, ciągłą produkcję.

Poniżej znajdują się najczęstsze terminy potrzebne do lepszego zrozumienia tego tematu.

Moc podłączona – całkowita moc wszystkich komponentów elektrycznych podłączonych do linii hartowania. Wbrew powszechnym przekonaniom, podłączona moc nie jest bezpośrednio związana ze zużyciem energii. Potrzebna jest wysoka moc podłączona, aby piec mógł przetwarzać duże obciążenia bez opóźnień ładowania. Oznacza to, że piec może szybko być przygotowany do kolejnego cyklu produkcyjnego. Ponieważ szkło zawsze wymaga pewnej ilości ciepła, aby osiągnąć temperaturę hartowania, zużycie energii w ogrzewaniu szkła będzie dokładnie takie samo – niezależnie od podłączonej mocy. W rzeczywistości wysoka moc może nawet zaoszczędzić trochę energii, ponieważ czas oczekiwania na przygotowanie pieca do kolejnego cyklu produkcyjnego związanego z kolejnym ładunkiem szkła do hartowania będzie krótszy.
Moc grzewcza – całkowita moc pieca, w tym moc grzałki i konwekcja.
Moc hartowania – całkowita moc dmuchaw wentylatorów używanych do hartowania i chłodzenia szkła.
Strata energii – energia utracona bezproduktywnie w piecu (ubytki energii). Część ciepła zawsze promieniuje przez ściany pieca. Jednak w dobrze izolowanych, nowoczesnych piecach ilość strat energii spowodowanych promieniowaniem jest minimalna w porównaniu do całkowitego zużycia energii.
Zużycie energii w produkcji – ilość energii zużywanej w produkcji, zwykle mierzona w kWh/m² . Ta wartość składa się z ogrzewania, hartowania i strat energii z pieca.

(...)

2018 02 46 1

Zachowaj ostrożność, oceniając otrzymane dane dotyczące ilości zużywanej energii

Zawsze porównuj otrzymane informacje z minimalnymi liczbami, które musisz znać w swojej produkcji.
Zawsze upewnij się, że wszystkie elementy są brane pod uwagę.
Zapamiętaj wartość 0,475 kWh/m2 × mm. Jest to absolutne minimum potrzebne do podgrzania szkła.

W przypadku szkła o grubości 10 mm oznaczałoby to, że do samego ogrzewania wymagane jest minimum 4,75 kWh/m² × mm. Oprócz tego musisz dodać energię zużywaną do hartowania. Tak więc, gdy widzisz wartości, które są niższe niż to, co jest minimalnie wymagane do ogrzewania, wiesz od razu, że coś jest nie tak.

Przypadek opisany w artykule Volkswageny w branży hartowania szkła jest dobrym przykładem sytuacji, w której producent twierdzi, że jego piec może zapewnić cały cykl hartowania z zaledwie 0,20 kWh/m² × mm.

Jest to skrajny przykład, ale niestety sytuacje takie nie są tak rzadkie, jak mogłoby się wydawać. Jeśli dostawca celowo poda fałszywe informacje, aby jego sprzęt wyglądał lepiej, kto wie, jakie inne dane zostały zmodyfikowane, aby sprzedać piec?

Znajomość różnych wskaźników pozwoli lepiej zrozumieć proces hartowania, a także koszty związane z jego wymaganiami energetycznymi. Kiedy już się czegoś nauczysz, dobrze jest wiedzieć, aby nikt nigdy nie był w stanie oszukać Cię liczbami, dostarczając nieistotne lub zbyt optymistyczne dane dotyczące wydajności.

2018 02 46 2

Prawa fizyki do zużycia energii

Energia cieplna

Wymaganą energię do ogrzania szkła można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

E=ΔTxc_p × m

gdzie:

E = energia potrzebna do podgrzania szkła

ΔT = zmiana temperatury

c_p = ciepło właściwe szkła

m = masa szkła

Jako przykład weźmy arkusz 1 m² o grubości 4 mm. W tym przypadku wartości byłyby następujące:

ΔT = 610°C

c_p = 1,1 kJ/kg^oC *

m = 1 m² × 2500 kg/m³ × 0,004 mm = 10 kg

Wartość c_p w temperaturze pokojowej wynosi około 0,78, podczas gdy średnia ciepła właściwego między +20°C a +630°C wynosi około 1,1.

Umieszczając te wartości w powyższym wzorze, otrzymujemy:

E=610°C × 1,1 × 10 kg = 6710 kJ = 1,9 kWh = 0,475

Zgodnie z obliczonymi wynikami, widzimy, że niemożliwe jest ogrzanie arkusza szkła o grubości 4 mm od +20°C do +630°C przy użyciu mniejszej energii niż 1,9 kWh. Mówiąc bardziej uniwersalnie, oznacza to, że ogrzewanie wymaga co najmniej 0,475 kWh/m² × mm. Mnożąc to przez grubość szkła, otrzymujemy minimalną energię potrzebną do ogrzania tego kawałka szkła.

Pamiętaj, że to nie wszystko. Aby obliczyć całkowite zużycie energii, oprócz powyższych obliczeń należy również dodać straty energii, energię zużywaną przez dmuchawy konwekcyjne i energię zużywaną w procesie hartowania szkła.

Energia zużywana do chłodzenia

Drugą fazą hartowania jest chłodzenie. Jest to również część, w której urządzenia stosowane do obróbki szkła mają największy wpływ na całkowite zużycie energii na przetworzenie metra kwadratowego wyrobu. Czemu? Nowoczesne piece na ogół działają w procesie ciągłym, więc ilość hartowanego szkła nie wpływa na wydajność energetyczną urządzenia. Oznacza to, że nie ma znaczenia, czy zamierzasz wykorzystać 5%, czy 90% maksymalnego obszaru ładowania. Zużycie energii na metr kwadratowy będzie w przybliżeniu takie samo w obu przypadkach.

W procesie chłodzenia wielkość wykorzystania powierzchni ładowania odgrywa znacznie większą rolę. Agregaty chłodzące zwykle nadmuchują powietrze na ten sam obszar nadmuchu we wszystkich przypadkach. Jeśli wykorzystujesz tylko 5% swojej powierzchni ładunkowej, większość energii wytworzonej przez dmuchawy do chłodzenia jest marnowana.

Wymagana energia do chłodzenia zależy przede wszystkim od wykorzystywanej powierzchni ładunkowej, a następnie od technologii dmuchawy. Zgodnie z dobrą zasadą, przy około 90% wydajności ładowania i nowoczesnej technologii dmuchawy, wymagana energia wyniesie około 0,125 kWh/m² × mm.

Poniższa tabela ilustruje wpływ efektywności zapełnienia obszaru ładowania pieca na całkowite zużycie energii na metr kwadratowy ze szkłem 4 mm. Przykład obliczany jest przy maksymalnym obszarze ładunkowym 2,4 x 4,8 metra.

2018 02 47 1

* Powyższy przykład nie uwzględnia energii zużywanej przez konwekcję, ponieważ różne technologie zużywają różne ilości energii, dlatego liczby w rzeczywistości byłyby nieco wyższe. Celem tego przykładu jest zilustrowanie wpływu skuteczności ładowania i jakie minimalne współczynniki mogą być widoczne w produkcji.

Jak widać, wpływ procentowego wykorzystania obszaru ładowania na zużycie energii na metr kwadratowy jest ogromny.

2018 02 47 2

Technologia pieca jest kluczowa

Z powyższego przykładu widać, że największe oszczędności energii pochodzą ze strony agregatu chłodzącego. Pełniejsze wykorzystanie obszaru ładunkowego pieca prowadzi do drastycznego zmniejszenia zużycia energii na metr kwadratowy.

Jednak technologia pieca jest kluczem do obróbki dużych ładunków. Wybierając piec do hartowania, upewnij się, że pozwala on na jak najlepsze wykorzystanie przestrzeni ładunkowej bez pogorszenia jakości szkła.

W grę wchodzi również wpływ podłączonej mocy urządzenia. Jeśli twój piec nie ma wystarczającej mocy, nie może on obsługiwać dużych ładunków, nawet jeśli jest w stanie przetworzyć pojedyncze ładunki. Twój piec musi być w stanie przygotować się do następnego cyklu produkcyjnego tak szybko, jak to możliwe. Jeśli nie będzie wystarczająco gorący, kiedy pojawi się kolejna porcja szkła do obróbki, napotkasz problemy. Kiedy możesz uruchomić kolejny cykl produkcyjny bez zbędnych opóźnień załadunku, możesz osiągnąć wyższą wydajność, a także niższe zużycie energii na metr kwadratowy, ponieważ część energii jest zawsze tracona, gdy piec jest włączony – niezależnie od tego, czy w środku znajduje się szkło.

Zamykając temat: mam nadzieję, że ten przegląd zużycia energii w każdej fazie hartowania szkła pomoże lepiej zrozumieć określenia stosowane przez dostawców w branży. Mam nadzieję, że będzie to dla ciebie dobry sprawdzian praktyczny przy wybieraniu kolejnej linii do hartowania. A przede wszystkim, chcę, abyś był dobrze poinformowany, by w sposób kompetentny ocenić wszystkie liczby, które mogą nie być prezentowane w twoim najlepszym interesie.

Riku Färm
Glaston Finland Oy

2018 02 47 3