【壓縮機網】在美國中西部，大多數食品制造廠利用壓縮空氣和現場制氮對多種食品進行生產和包裝。當電價為4.5美分/KWh時，廠家每年在壓縮空氣系統的能耗上的支出為430,344美元。
本項目主要研究食品包裝過程中的空氣壓縮系統，研究成果可使工廠減少689scfm 的氣體流量，節約$54,671的成本。該項目采用開放式吹氣、氮氣泄漏修復以及使用空氣振蕩器的方法來維持產品的移動。
由于字數限制，本文將為讀者展示我們在壓縮氣體系統需求方所觀測到的結果，并對降低氣體流量的具體方案進行詳細闡述。
壓縮氣體系統評估
核心機房的壓縮空氣系統包括三個250-hp無油定速旋轉螺桿空氣壓縮機，同時它們通過管道與兩個400-hp無油變速驅動旋轉螺桿空氣壓縮機相連，由這五臺設備一起將壓縮氣體輸送到兩臺大型冷凍干燥機中實現氣體干燥。
而另一機房由兩個250-hp的無油旋轉螺旋桿壓縮機組成，且壓縮機中內置有分流HOC（熱壓）鼓式氣體干燥器，用以干燥氣體。
兩個機房中的壓縮空氣系統每年工作8,600小時。系統的負載曲線（空氣需求）在所有運行班次中相對穩定。總的來說，每年系統氣體流量在4,000scfm到6,200scfm 之間，平均約為5,200到5,500scfm。
如表1所示，核心機房的平均系統流量為3,627scfm，平均空氣壓縮機排放壓力為105psig，系統平均壓力為9psig。核心機房總輸入功率為748kW，比功率為4.85scfm/kW。每單位流量壓縮空氣的電費為每年$79.81/scfm，每單位壓力空氣的電費為每年$1,447.38 psig。核心機房每年的電費為$289,476。
面包店機房的平均系統流量為1,968scfm，平均排放壓力為90psig，平均系統壓力為80psig。機房總輸入功率為364kW，比功率為5.4scfm/kW。每單位流量壓縮空氣的電費為每年$71.58/scfm，每單位壓力空氣的電費為每年$704.34psig。核心房每年的電費為140,868美元。
經過壓縮機的工作分析，壓縮設備在兩處都運行良好。但正如在進行壓縮空氣評估時經常碰到的情況一樣，我們的團隊發現，一臺空氣壓縮機可能在功率達到了額定功率時，提供的空氣流量卻比所需的少得多。但是從表2我們可以看出，氣流（負荷）的實際需求與機組的電力消耗是相匹配的，因此這種情況沒有在該食品廠中出現。
除塵系統評估：食品廠不可回避的問題
在任何食品廠中，除塵系統的評估都顯得十分重要。在該食品廠中，我們檢查了12個除塵器使用壓縮空氣的情況，發現除塵器的進料尺寸合適，而且每個集塵器之間都有足夠的儲存空間。需求控制很有效，集塵器的布袋也在適當的時候更換。此外，這些裝置的運行并沒有使用定時器，但即使將低壓氣體通入附近的其他管道或是通入除塵器中也不會產生問題。
在典型的脈沖射流除塵系統中，粉塵被用布袋或者梳狀剔除器收集后，會形成尺寸結構合適的粉塵塊，可用壓縮空氣脈沖將其從布袋上沖刷下來。當粉塵塊被正確地從除塵器中移除時，系統就成功地將指定環境的粉塵除去了，且布袋具有正常的使用壽命；但如果粉塵塊不能被有效地從除塵器中除去，集塵器將失去除塵的功能，而且會大大縮短布袋的使用壽命。
當設備的壓縮氣體進給條件正常時，采用需求控制器可以消耗更少的空氣并實現更好的效果。但是若在沒有合適的壓縮空氣進給條件下使用需求控制器，可能會消耗更多的空氣，并且降低布袋的使用壽命和性能。因此，正確操作除塵器對降低成本和提高系統效率至關重要。同時，也有很多的集塵系統是通過定時器來控制壓縮空氣脈沖的，操作人員通過具體情況來設置定時器，以便有效地移除粉塵塊和保障布袋的使用壽命。
除塵系統設計規定了有效除塵所需的歧管和脈沖閥的進氣口壓力。
脈沖閥以預定速度將給定量的壓縮氣體送向布袋，以沖刷與清理布袋上的粉塵塊。給定的空氣量大小取決于脈沖噴嘴在預定的情況下，被恒壓注入的壓縮空氣的壓力。
對于每一次脈沖，除塵器都必須處在正確地（或接近于它）、穩定可重復的壓力水平上，特別是使用定時器控制脈沖的是時候。操作人員可以通過實驗，找到在所需的進氣壓力下 的“正確的時序”。但是一旦壓力改變，系統的性能就可能會變差。
粉塵塊難以從布袋上清除是經常出現的問題，主要原因可能是脈沖器在不適當的時候向布袋發出脈沖，也可能是兩次脈沖間的時間過長，導致粉塵塊越積越大，以致難以有效清除。這不光會縮短布袋的使用壽命，還會使系統性能大大下降。出現這種情況的幾個基本原因有：
1.操作條件的定時器設置不正確。確定最佳定時器設置的實際需求可能會隨著生產產品的變化而變化，甚至隨季節變化而變化。因此定時器從一開始就需要精心設置，并且定時監控。
2.在進氣孔處缺乏足夠的存儲空間或足夠的空氣供給，使得系統不得不降低氣體壓力來滿足脈沖所需的空氣量。
3.除塵器的進氣管路過小，也會產生與空氣供應不足類似的效果。
4.太小或不適當的調節閥，無法處理集塵器所需的氣體流量。
所有這些情況都會導致氣體流量受到限制。出現這些情況的原因是，在安裝之前或在某些操作更改之前，沒有為除塵操作確定適當的氣體流量。進氣管的大小、調節閥的大小以及進氣量的多少都需要參照系統具體的氣體“實際流量”，而不能使用所謂的“平均流量”。
“平均流量”是壓縮空氣的流量(以立方英尺/分鐘為單位)，與進程所需的或是輸入系統的空氣量無關。而“實際流量”是指系統所需的空氣流量（以立方英尺/分鐘為單位）。如果在短時間內，即使系統所需的空氣量比較小，仍然可能有很大的“實際流量”。這正是除塵器擁有的特點。
程序控制器可以對系統所需的“實際流量”產生非常顯著的影響。舉例來說，一個裝有六個脈沖閥的除塵器可以使用3.5立方英尺的壓縮空氣，每個脈沖超過半秒。
如果將這兩種不同的“流量”用于控制給氣管路流量，則它們對調節器尺寸等方面的影響將出現類似的差異。以高流速進入歧管會造成額外的壓力損失，進而影響脈沖清潔器的性能。如果有必要，類似的效果也可以用在改變空氣接收器的尺寸上，以減小系統和給氣管路的壓降。
質量壓力表的推薦
我們通常建議在每個給氣管路的除塵器入口附近安裝一個質量壓力表。觀察脈沖沖擊在表上的壓力，如果壓降過高，就有必要找出其原因。了解除塵器規格、每脈沖的氣體流量、脈沖進給壓力時間、脈沖間循環時間等。然后計算系統空氣流量，檢查管道直徑和存儲空間是否合適，以決定是否增加存儲空間。當控制隔膜或者管道連接出現問題時，會有大量的壓縮氣體泄露（10到15立方英尺/分鐘甚至更多）。而這樣的泄露往往難以發現，也很難修復。
為除塵器選擇適當的尺寸和存儲裝置，可以將短時期內有較大體積氣體需求的作業轉化成平均流量很低的作業。如果不需要短的高需求脈沖（小于1分鐘），則應該在接收器之后安裝調節閥。
適當增加存儲空間不僅是從能量層面上考慮，更是從空氣的質量層面上考慮的。正確地控制除塵器可以讓噴嘴處的壓降對周圍系統的影響減小，同時也可以提高除塵器的性能和延長布袋的使用壽命。除塵器是一個重要的泄漏源，很難檢測到。脈沖控制隔膜也常泄漏，而電子氣流報警器可以遠距離地、直觀地發現這個問題并發出信號。
系統重置并穩定后，檢查每臺除塵器的運行情況，確保適時地對布袋的進行更換，控制工作需求，還要確保相鄰設備間無不良影響。
解決開放式吹氣問題，達到最佳吹氣效果
對工廠兩個區域的壓縮空氣系統進行了審計和徹底的評估，發現可以通過幾種方法來減少空氣流量。其中一項是開放式送氣的優化。
湍流壓縮空氣直接從管道中噴出，會浪費大量的壓縮空氣，違反職業安全與健康標準（OSHA）中有關噪音的規定，而且還遠達不到壓力要求。采用空氣射流和誘導空氣流動的噴嘴代替開放式吹氣，可以降低噪音水平，減少壓縮空氣的使用，通常還可以提高吹出作業的效率和質量。
工廠安裝了適當的文丘里放大器和控制器。并且開始更多地使用機械手段清理粉塵塊，以減少使用壓縮空氣。這些優化措施使氣流需求減少305scfm，每年耗電量減少539, 644kWh，相當于每年節省$24, 284。
市面上有許多噴氣射流裝置和誘導氣流的產品可用。但是一個噴嘴的試驗可能與同一制造商的另一個噴嘴有所不同，不過差別不大。以下是需要記住的要點:
5.在吹氣過程中，需要壓力推力(psig)來松動要吹除的灰塵。
6.一旦空氣離開“吹出”裝置，推力就會迅速消散。
7.在吹除過程中，總風量(cfm)、壓縮空氣和引風對于吹除作業至關重要。
8.把昂貴的壓縮空氣作為最后的手段;機械、液壓等永遠是更節能的手段，往往也更安全。
9.所有吹出的空氣應調節至最低有效壓力。更高的壓力伴隨著更大的流量，而這往往沒必要，因為更高的壓力會使生產成本更高。鼓風機提供的壓力空氣會更經濟。
10.無論何時，都應該盡可能地使用文丘里空氣放大器噴嘴——適當地選擇提供的空氣推力和體積，這通常會減少至少50%的吹出空氣，將省下的空氣用到其他更有價值的作業上。
11.在生產不需要的時候，所有吹出空氣的過程能夠自動停止。
更好的氮氣控制，更好的空氣振動方法
第二個減少氣流量的方法著重在工廠用氮(N2)上。研究小組在一個地區觀察了20個組裝袋作業后，發現除一種產品外，其他大部分裝袋系統都使用氮氣。氮氣是由容量為580-scfm的自動控制制氮裝置現場制備，以液體N2作為備用。氮氣的用量為320～350 scfm，純度在99.7%～99.8%之間。氮氣的生成比約為5:1，每過60～65秒，會有1750立方英尺的空氣被用來產生350立方英尺的氮氣。通常，當生產線停下時，氮氣的供應仍在進行。在一次實地考察中，大約有7個裝袋機被留在了不運行的生產線上，每個裝袋機中殘留有3到20立方英尺的氮氣。
工廠采用了自動關閉控制來解決這個問題。當不需要氮氣時，它會自動停止氮氣的供應。它還安裝了控制閥來調節氮氣的使用量。這項優化措施使氣流需求減少300scfm，每年耗電量減少530,800kWh，相當于每年節省$23, 886。
最后，工廠實施了一種更好的方法，使用空氣振動器來保持產品或包裝的移動或分離。如果一家工廠使用的空氣振動器的空氣使用量為每臺10 cfm左右，那么類似的電動振動器要生產相同的產品的話，就需要2.5-hp或更高的功率，而這可能需要0.25-hp左右的功率輸入。這項優化措施時氣流需求減少84scfm，每年耗電量減少144,480kWh，相當于每年節省$6, 501。
結論
食品包裝業務實現了其主要目標，即實施成本效益高的方法，以減少核心生產區和面包店對壓縮空氣的需求，并在這一過程中節省了成本。我們將繼續研究實施新的方法，以減少對壓縮空氣的需求，并改善供應運作，以達到更多的節省。
來源：本站原創
本項目主要研究食品包裝過程中的空氣壓縮系統，研究成果可使工廠減少689scfm 的氣體流量，節約$54,671的成本。該項目采用開放式吹氣、氮氣泄漏修復以及使用空氣振蕩器的方法來維持產品的移動。
由于字數限制，本文將為讀者展示我們在壓縮氣體系統需求方所觀測到的結果，并對降低氣體流量的具體方案進行詳細闡述。
壓縮氣體系統評估
核心機房的壓縮空氣系統包括三個250-hp無油定速旋轉螺桿空氣壓縮機，同時它們通過管道與兩個400-hp無油變速驅動旋轉螺桿空氣壓縮機相連，由這五臺設備一起將壓縮氣體輸送到兩臺大型冷凍干燥機中實現氣體干燥。
而另一機房由兩個250-hp的無油旋轉螺旋桿壓縮機組成，且壓縮機中內置有分流HOC（熱壓）鼓式氣體干燥器，用以干燥氣體。
兩個機房中的壓縮空氣系統每年工作8,600小時。系統的負載曲線（空氣需求）在所有運行班次中相對穩定。總的來說，每年系統氣體流量在4,000scfm到6,200scfm 之間，平均約為5,200到5,500scfm。
如表1所示，核心機房的平均系統流量為3,627scfm，平均空氣壓縮機排放壓力為105psig，系統平均壓力為9psig。核心機房總輸入功率為748kW，比功率為4.85scfm/kW。每單位流量壓縮空氣的電費為每年$79.81/scfm，每單位壓力空氣的電費為每年$1,447.38 psig。核心機房每年的電費為$289,476。
面包店機房的平均系統流量為1,968scfm，平均排放壓力為90psig，平均系統壓力為80psig。機房總輸入功率為364kW，比功率為5.4scfm/kW。每單位流量壓縮空氣的電費為每年$71.58/scfm，每單位壓力空氣的電費為每年$704.34psig。核心房每年的電費為140,868美元。
經過壓縮機的工作分析，壓縮設備在兩處都運行良好。但正如在進行壓縮空氣評估時經常碰到的情況一樣，我們的團隊發現，一臺空氣壓縮機可能在功率達到了額定功率時，提供的空氣流量卻比所需的少得多。但是從表2我們可以看出，氣流（負荷）的實際需求與機組的電力消耗是相匹配的，因此這種情況沒有在該食品廠中出現。
除塵系統評估：食品廠不可回避的問題
在任何食品廠中，除塵系統的評估都顯得十分重要。在該食品廠中，我們檢查了12個除塵器使用壓縮空氣的情況，發現除塵器的進料尺寸合適，而且每個集塵器之間都有足夠的儲存空間。需求控制很有效，集塵器的布袋也在適當的時候更換。此外，這些裝置的運行并沒有使用定時器，但即使將低壓氣體通入附近的其他管道或是通入除塵器中也不會產生問題。
在典型的脈沖射流除塵系統中，粉塵被用布袋或者梳狀剔除器收集后，會形成尺寸結構合適的粉塵塊，可用壓縮空氣脈沖將其從布袋上沖刷下來。當粉塵塊被正確地從除塵器中移除時，系統就成功地將指定環境的粉塵除去了，且布袋具有正常的使用壽命；但如果粉塵塊不能被有效地從除塵器中除去，集塵器將失去除塵的功能，而且會大大縮短布袋的使用壽命。
當設備的壓縮氣體進給條件正常時，采用需求控制器可以消耗更少的空氣并實現更好的效果。但是若在沒有合適的壓縮空氣進給條件下使用需求控制器，可能會消耗更多的空氣，并且降低布袋的使用壽命和性能。因此，正確操作除塵器對降低成本和提高系統效率至關重要。同時，也有很多的集塵系統是通過定時器來控制壓縮空氣脈沖的，操作人員通過具體情況來設置定時器，以便有效地移除粉塵塊和保障布袋的使用壽命。
除塵系統設計規定了有效除塵所需的歧管和脈沖閥的進氣口壓力。
脈沖閥以預定速度將給定量的壓縮氣體送向布袋，以沖刷與清理布袋上的粉塵塊。給定的空氣量大小取決于脈沖噴嘴在預定的情況下，被恒壓注入的壓縮空氣的壓力。
對于每一次脈沖，除塵器都必須處在正確地（或接近于它）、穩定可重復的壓力水平上，特別是使用定時器控制脈沖的是時候。操作人員可以通過實驗，找到在所需的進氣壓力下 的“正確的時序”。但是一旦壓力改變，系統的性能就可能會變差。
粉塵塊難以從布袋上清除是經常出現的問題，主要原因可能是脈沖器在不適當的時候向布袋發出脈沖，也可能是兩次脈沖間的時間過長，導致粉塵塊越積越大，以致難以有效清除。這不光會縮短布袋的使用壽命，還會使系統性能大大下降。出現這種情況的幾個基本原因有：
1.操作條件的定時器設置不正確。確定最佳定時器設置的實際需求可能會隨著生產產品的變化而變化，甚至隨季節變化而變化。因此定時器從一開始就需要精心設置，并且定時監控。
2.在進氣孔處缺乏足夠的存儲空間或足夠的空氣供給，使得系統不得不降低氣體壓力來滿足脈沖所需的空氣量。
3.除塵器的進氣管路過小，也會產生與空氣供應不足類似的效果。
4.太小或不適當的調節閥，無法處理集塵器所需的氣體流量。
所有這些情況都會導致氣體流量受到限制。出現這些情況的原因是，在安裝之前或在某些操作更改之前，沒有為除塵操作確定適當的氣體流量。進氣管的大小、調節閥的大小以及進氣量的多少都需要參照系統具體的氣體“實際流量”，而不能使用所謂的“平均流量”。
“平均流量”是壓縮空氣的流量(以立方英尺/分鐘為單位)，與進程所需的或是輸入系統的空氣量無關。而“實際流量”是指系統所需的空氣流量（以立方英尺/分鐘為單位）。如果在短時間內，即使系統所需的空氣量比較小，仍然可能有很大的“實際流量”。這正是除塵器擁有的特點。
程序控制器可以對系統所需的“實際流量”產生非常顯著的影響。舉例來說，一個裝有六個脈沖閥的除塵器可以使用3.5立方英尺的壓縮空氣，每個脈沖超過半秒。
如果將這兩種不同的“流量”用于控制給氣管路流量，則它們對調節器尺寸等方面的影響將出現類似的差異。以高流速進入歧管會造成額外的壓力損失，進而影響脈沖清潔器的性能。如果有必要，類似的效果也可以用在改變空氣接收器的尺寸上，以減小系統和給氣管路的壓降。
質量壓力表的推薦
我們通常建議在每個給氣管路的除塵器入口附近安裝一個質量壓力表。觀察脈沖沖擊在表上的壓力，如果壓降過高，就有必要找出其原因。了解除塵器規格、每脈沖的氣體流量、脈沖進給壓力時間、脈沖間循環時間等。然后計算系統空氣流量，檢查管道直徑和存儲空間是否合適，以決定是否增加存儲空間。當控制隔膜或者管道連接出現問題時，會有大量的壓縮氣體泄露（10到15立方英尺/分鐘甚至更多）。而這樣的泄露往往難以發現，也很難修復。
為除塵器選擇適當的尺寸和存儲裝置，可以將短時期內有較大體積氣體需求的作業轉化成平均流量很低的作業。如果不需要短的高需求脈沖（小于1分鐘），則應該在接收器之后安裝調節閥。
適當增加存儲空間不僅是從能量層面上考慮，更是從空氣的質量層面上考慮的。正確地控制除塵器可以讓噴嘴處的壓降對周圍系統的影響減小，同時也可以提高除塵器的性能和延長布袋的使用壽命。除塵器是一個重要的泄漏源，很難檢測到。脈沖控制隔膜也常泄漏，而電子氣流報警器可以遠距離地、直觀地發現這個問題并發出信號。
系統重置并穩定后，檢查每臺除塵器的運行情況，確保適時地對布袋的進行更換，控制工作需求，還要確保相鄰設備間無不良影響。
解決開放式吹氣問題，達到最佳吹氣效果
對工廠兩個區域的壓縮空氣系統進行了審計和徹底的評估，發現可以通過幾種方法來減少空氣流量。其中一項是開放式送氣的優化。
湍流壓縮空氣直接從管道中噴出，會浪費大量的壓縮空氣，違反職業安全與健康標準（OSHA）中有關噪音的規定，而且還遠達不到壓力要求。采用空氣射流和誘導空氣流動的噴嘴代替開放式吹氣，可以降低噪音水平，減少壓縮空氣的使用，通常還可以提高吹出作業的效率和質量。
工廠安裝了適當的文丘里放大器和控制器。并且開始更多地使用機械手段清理粉塵塊，以減少使用壓縮空氣。這些優化措施使氣流需求減少305scfm，每年耗電量減少539, 644kWh，相當于每年節省$24, 284。
市面上有許多噴氣射流裝置和誘導氣流的產品可用。但是一個噴嘴的試驗可能與同一制造商的另一個噴嘴有所不同，不過差別不大。以下是需要記住的要點:
5.在吹氣過程中，需要壓力推力(psig)來松動要吹除的灰塵。
6.一旦空氣離開“吹出”裝置，推力就會迅速消散。
7.在吹除過程中，總風量(cfm)、壓縮空氣和引風對于吹除作業至關重要。
8.把昂貴的壓縮空氣作為最后的手段;機械、液壓等永遠是更節能的手段，往往也更安全。
9.所有吹出的空氣應調節至最低有效壓力。更高的壓力伴隨著更大的流量，而這往往沒必要，因為更高的壓力會使生產成本更高。鼓風機提供的壓力空氣會更經濟。
10.無論何時，都應該盡可能地使用文丘里空氣放大器噴嘴——適當地選擇提供的空氣推力和體積，這通常會減少至少50%的吹出空氣，將省下的空氣用到其他更有價值的作業上。
11.在生產不需要的時候，所有吹出空氣的過程能夠自動停止。
更好的氮氣控制，更好的空氣振動方法
第二個減少氣流量的方法著重在工廠用氮(N2)上。研究小組在一個地區觀察了20個組裝袋作業后，發現除一種產品外，其他大部分裝袋系統都使用氮氣。氮氣是由容量為580-scfm的自動控制制氮裝置現場制備，以液體N2作為備用。氮氣的用量為320～350 scfm，純度在99.7%～99.8%之間。氮氣的生成比約為5:1，每過60～65秒，會有1750立方英尺的空氣被用來產生350立方英尺的氮氣。通常，當生產線停下時，氮氣的供應仍在進行。在一次實地考察中，大約有7個裝袋機被留在了不運行的生產線上，每個裝袋機中殘留有3到20立方英尺的氮氣。
工廠采用了自動關閉控制來解決這個問題。當不需要氮氣時，它會自動停止氮氣的供應。它還安裝了控制閥來調節氮氣的使用量。這項優化措施使氣流需求減少300scfm，每年耗電量減少530,800kWh，相當于每年節省$23, 886。
最后，工廠實施了一種更好的方法，使用空氣振動器來保持產品或包裝的移動或分離。如果一家工廠使用的空氣振動器的空氣使用量為每臺10 cfm左右，那么類似的電動振動器要生產相同的產品的話，就需要2.5-hp或更高的功率，而這可能需要0.25-hp左右的功率輸入。這項優化措施時氣流需求減少84scfm，每年耗電量減少144,480kWh，相當于每年節省$6, 501。
結論
食品包裝業務實現了其主要目標，即實施成本效益高的方法，以減少核心生產區和面包店對壓縮空氣的需求，并在這一過程中節省了成本。我們將繼續研究實施新的方法，以減少對壓縮空氣的需求，并改善供應運作，以達到更多的節省。
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