Jak zwiększyć wydajność i oszczędności dzięki testowaniu szczelności instalacji sprężonego powietrza w przemyśle produkcji żywności

Sprężone powietrze jest dla branży spożywczej „czwartym źródłem energii” — po wodzie, energii elektrycznej i gazie ziemnym. Niezawodność tego czwartego źródła zależy od przewidywalnego ciśnienia powietrza, co oznacza, że nawet niewielkie wycieki mogą spowodować znaczne straty finansowe.

W tym artykule przyjrzymy się powszechnie występującym w branży spożywczej wyciekom powietrza, a także najlepszym praktykom i technologiom, które pozwalają rozwiązać ten problem.

Producenci żywności i napojów są szczególnie wyczuleni na kwestię wycieków sprężonego powietrza, ponieważ powtarzalność produktu ma kluczowe znaczenie dla reputacji marki i zachowania zgodności z przepisami, zwłaszcza że zakłady produkcyjne i znajdujący się w nich sprzęt podlegają ścisłym kontrolom i przepisom, których celem jest uniknięcie zanieczyszczenia produktów.

W zakładach produkcji żywności i napojów wiele układów sprężania powietrza łączy się za pomocą rur, aby dostarczyć sprężone powietrze potrzebne do przenoszenia produktów, obsługi narzędzi pneumatycznych lub pompowania płynu do różnych celów w łańcuchach produkcyjnych, systemach pakowania i czyszczenia. Oto kilka przykładów:

• Przekąski i ich zabezpieczanie w opakowaniach za pomocą azotu: Proces wtłaczania azotu służy do wypełniania tym gazem opakowań delikatnych przekąsek, aby zapobiec ich uszkodzeniu. W takim przypadku nie stosuje się tlenu, ponieważ wchodzi on w reakcję chemiczną z żywnością, zwłaszcza z olejami.
• Żywność i czystość: Sprężone powietrze jest oczyszczane i filtrowane w celu zapewnienia bezpieczeństwa żywności i utrzymania odpowiedniego ciśnieniowego punktu rosy, niezbędnego do zapobiegania rozwojowi drobnoustrojów.
• Obieranie owoców i warzyw: Strumień sprężonego powietrza skutecznie usuwa skórki z owoców i warzyw, przygotowując je do pakowania. Sprężone powietrze pod wysokim ciśnieniem jest również używane do przecinania żywności, co stanowi czystszą alternatywę niż noże lub ostrza.
• Browary, fermentacja i butelkowanie: Sprężone powietrze zwiększa poziom stężenia tlenu w celu ukończenia procesu fermentacji bakteryjnej. Sprężarki powietrza zmniejszają ilość pozostałego tlenu podczas butelkowania, a butelki są przepłukiwane dwutlenkiem węgla i napełniane piwem za pomocą urządzeń pneumatycznych. Ze względu na fakt, iż browary operują w ciepłych środowiskach, systemy są bardziej narażone na powstawanie nieszczelności.

Jakikolwiek wyciek powietrza może spowolnić produkcję, wpłynąć na jakość produktu, stworzyć problemy związane z bezpieczeństwem lub zanieczyszczeniem albo doprowadzić do wystąpienia wszystkich tych problemów jednocześnie i narazić finanse firmy.

Ukryte koszty spowodowane przez wycieki sprężonego powietrza

Sprężone powietrze i gazy muszą być dostępne pod określonym ciśnieniem, aby umożliwić realizację celów produkcyjnych i jakościowych. Mimo to wiele zakładów akceptuje przecieki powietrza i traktuje je jako część kosztów prowadzenia działalności. Koszty te mogą być wysokie z powodu strat energii, ale często przejawiają się również w innych ukrytych aspektach, takich jak wydajność, jakość i przestoje.

Zgodnie z informacjami zawartymi w Podręczniku dotyczącym sprężonego powietrza i gazu, wydanie siódme, opublikowanym przez Instytut sprężonego powietrza i gazu (CAGI), „Pojedynczy wyciek powietrza o średnicy ¼ cala z przewodu sprężonego powietrza może kosztować zakład od 2500 do ponad 8000 USD rocznie. Zlokalizowanie i naprawa nieszczelności przyniesie znaczne oszczędności w zależności od zapotrzebowania na ciśnienie i kosztów energii”.

Zalety testowania układu sprężonego powietrza

• Zwiększenie wydajności dzięki regularnej konserwacji: Układy sprężonego powietrza, które nie są regularnie serwisowane, mogą tracić 20–30% sprężonego powietrza w wyniku samych nieszczelności.
• Zmniejszenie wydatków: Spadek ciśnienia jest często mylnie rozpoznawany jako awaria sprzętu, co przyczynia się do dodatkowych inwestycji kapitałowych w zakresie sprężarek powietrza.
• Skrócenie czasu przestojów: Utracony czas produkcji wynikający ze spadków ciśnienia lub instalacji nowego sprzętu wymagającej przestoju urządzeń negatywnie wpływa na harmonogramy przedsiębiorstwa. Nieplanowane przestoje kosztują zakłady średnio 200 USD na minutę, przez co ich unikanie ma krytycznie znaczenie.
• Poprawa jakości produktu: Zbyt niskie ciśnienie przyczynia się do wadliwego uszczelniania opakowań lub braku zgodności produktu spożywczego z wymaganiami dotyczącymi konsystencji lub smaku.
• Poprawa bezpieczeństwa produktów: Wycieki, będące przyczyną zanieczyszczeń, prowadzą do wysokich kosztów związanych z odpadami i kar z tytułu braku zgodności z przepisami oraz szkód dla reputacji firmy.
• Zmniejszenie emisji dwutlenku węgla: Systemy, w których występują wycieki powietrza i gazu, stają się nieefektywne, co wpływa na poziom śladu węglowego firmy i uniemożliwia osiągnięcie celów zrównoważonego rozwoju lub ochrony środowiska.

Wzór używany do określenia stopnia wycieków sprężonego powietrza w zakładzie jest następujący: Wyciek (%) = (T × 100) ÷ (T + t) T = czas pracy przy obciążeniu (minuty), t = czas pracy bez obciążenia (minuty).

Jeśli układ sprężonego powietrza jest wyposażony w elementy sterujące włączaniem/wyłączaniem, należy uruchomić sprężarkę powietrza, gdy nie ma zapotrzebowania na powietrze — po godzinach pracy lub po zakończeniu zmiany. Następnie należy wykonać kilka odczytów cykli sprężarki, aby określić średni czas rozładowania układu.

Metody wykrywania i usuwania wycieków powietrza

Pierwszym krokiem w kontrolowaniu procesów i kosztów jest znalezienie wycieków powietrza w punkcie ich powstawania. Poniżej znajduje się lista najczęściej spotykanych źródeł wycieków:

• Syfony kondensatu
• Łączniki
• Złączki
• Kołnierze
• Zestawy FRL (kombinacje filtrów, regulatorów i smarownic)
• Przewody
• Dławnice
• Zbiorniki pneumatyczne
• Szybkozłączki
• Gwintowane złączki rurowe
• Rury
• Zawory

Wycieki powietrza stanowią poważny problem, ponieważ są liczne i trudno je znaleźć. Po odnalezieniu i usunięciu jednej nieszczelności często powstają kolejne z powodu normalnego zużycia eksploatacyjnego instalacji.

Mimo że usunięcie każdego pojedynczego wycieku może nie być możliwe, można zmniejszyć całkowitą liczbę nieszczelności, prowadząc dedykowane kontrole przy użyciu tradycyjnych metod wykrywania. W przypadku tych metod po zlokalizowaniu wycieku do oznaczenia miejsca używany jest papierowy znacznik. Cztery tradycyjne metody wykrywania obejmują:

1. Dźwięk: Odgłos syczenia wskazuje na przecieki, co oznacza, że nieszczelność jest już duża, ponieważ dopiero poziom dźwięku powyżej 60 dBA jest słyszalny dla ludzi bez zastosowania urządzeń do wykrywania nieszczelności. Ze względu na fakt, iż w większości zakładów występuje duży hałas i często wymaga się stosowania środków ochrony słuchu przez pracowników, nasłuchiwanie w celu wykrycia miejsc występowania wycieków należy przeprowadzać podczas przestojów — między zmianami, w weekendy lub podczas planowej konserwacji.
2. Woda z mydłem: Technicy rozpylają wodę z mydłem w miejscach, w których można usłyszeć nieszczelności, a obecność pęcherzyków powietrza wskazuje punkt wycieku. Metoda ta jest czasochłonna, nie gwarantuje precyzji i wymaga czyszczenia, ponieważ rozpylona woda z mydłem stwarza ryzyko poślizgnięcia się. W niektórych czystych i zabezpieczonych przed zanieczyszczeniem procesach produkcji korzystanie z tej metody jest niedozwolone.
3. Ultradźwiękowe wykrywanie wycieków: Podczas przestoju technicy noszący słuchawki skanują potencjalne miejsca, w których mogą występować nieszczelności, za pomocą przyrządu w kształcie parabolicznego talerza lub stożka. Po wykryciu hałasu sygnalizującego wyciek technik wykorzystuje urządzenie o kształcie różdżki, które należy trzymać w odległości kilku centymetrów od nieszczelności, aby dokładnie określić miejsce wycieku.
4. Korzystanie z pomocy ekspertów zewnętrznych: Inżynierów lub innych ekspertów zewnętrznych zatrudnia się zwykle raz w roku, aby zaoszczędzić pieniądze i zmniejszyć zakłócenia procesów produkcji. Wykorzystują oni jedną lub wszystkie tradycyjne techniki, a naprawy i kontrole przeprowadzane są przez techników zakładu.

Żadna z tych metod nie jest niezawodna i większość z nich wymaga doprowadzenia do przestojów produkcji, co przyczynia się do utraty czasu i pieniędzy.

Testowanie szczelności instalacji sprężonego powietrza pozwala palarni kawy z łatwością obniżyć zużycie energii o 10%

Inżynierowie projektu z palarni kawy wzięli udział w badaniu pilotażowym, w którym wykorzystano technologię obrazowania akustycznego w zakładzie, w którym panujące warunki zwykle przyczyniają się do powstawania wielu nieszczelności. W badaniu stwierdzono, że dzięki nowemu urządzeniu do wykrywania nieszczelności firma może osiągnąć oszczędności na zużyciu energii rzędu ponad 10% rocznie.

W obiekcie o powierzchni 28 000 metrów kwadratowych znajduje się obszar do palenia i pakowania kawy, obszar realizacji mokrych procesów przygotowywania kawy oraz obszar mieszania i pakowania herbaty. Wszystkie operacje wymagają odpowiedniego ciśnienia powietrza, aby efektywnie realizować procesy, a tradycyjne metody wykrywania nieszczelności są niewystarczające.

W ciągu typowego dnia zakład używa od 28 do 45 metrów sześciennych sprężonego powietrza na minutę. Instalacja sprężonego powietrza w zakładzie, składająca się z pięciu sprężarek powietrza o łącznej mocy 585 KM, zasila układy automatyzacji i instalację rurową stosowaną do zasilania systemu wytwarzania azotu. Azot wykorzystuje się do poprawy jakości kawy. Ponadto ten gaz obojętny wykorzystuje się przy mieszaniu herbaty.

Dzięki kamerze do obrazowania akustycznego Fluke ii900 zespół określił, że potencjalnie możliwe jest osiągnięcie 10% oszczędności na energii, co jest zgodne z postawionym przez zakład celem, jakim jest zapewnienie zrównoważonego rozwoju. Nowe podejście pokazało również, w jaki sposób zespół mógłby uprościć proces wykrywania wycieków powietrza, umożliwiając inżynierom projektu skupienie się na pracy nad produktami zamiast odrywania się od niej na dłuższy czas w celu wykrywania i usuwania nieszczelności.

Kamera do obrazowania akustycznego pozwala po raz pierwszy zobaczyć trudne do wykrycia wycieki powietrza

Postęp w technologii wykrywania nieszczelności w postaci przenośnej, przemysłowej kamery dźwiękowej ułatwia wykrywanie wycieków i pozwala uniknąć utraty zysków.

Detektor wycieków powietrza Fluke ii900 umożliwia użytkownikom zlokalizowanie i zobaczenie wycieków powietrza na ekranie LED w czasie rzeczywistym za pomocą prostego sposobu „celowania i rejestracji”. Co więcej, do obsługi nie jest potrzebny wyspecjalizowany technik. Większość użytkowników jest w stanie nauczyć się obsługi przyrządu w ciągu około 10 minut. Technicy korzystający z tego przyrządu mogą również wykonywać swoje zadania szybko i z bezpiecznej odległości, nawet podczas pracy badanego sprzętu. Ponadto przyrząd ten ułatwia odnajdywanie wycieków w trudno dostępnych miejscach i rozróżnianie wielu nieszczelności, które znajdują się na tym samym obszarze.

Ręczna kamera zawiera matrycę składającą się z bardzo czułych mikrofonów, które wykrywają dźwięki zarówno z zakresu słyszalnego dla ludzi, jak i ultradźwiękowego, a następnie są one wizualizowane na ekranie. Przyrząd wykorzystuje opatentowane algorytmy do analizy wyników i natychmiast tworzy wizualną mapę nieszczelności na ekranie. Obraz wycieku jest nakładany na obraz badanego obszaru w paśmie światła widzialnego, dzięki czemu operatorzy mogą szybko zlokalizować miejsce nieszczelności.

Przyrząd Fluke ii900 może również służyć do weryfikacji skuteczności przeprowadzonych napraw. W przypadku wątpliwości można udostępniać zarejestrowane obrazy i filmy nagrywane na żywo innym pracownikom w celu ich omówienia. Wykonane zdjęcia eliminują konieczność wchodzenia na drabinę i oznaczania nieszczelności za pomocą zwykłego, nietrwałego znacznika fizycznego.

Sposób obniżenia kosztów wynikających z ukrytych nieszczelności

Bez względu na, czy wykorzystuje się klasyczne, czy też nowe metody wykrywania, warto szybko przejść do wyeliminowania ukrytych kosztów i niepotrzebnych strat powietrza. Oto kilka najlepszych praktyk, które warto stosować:

• Podejście systemowe: Często naprawa nieszczelności powoduje wzrost ciśnienia w układzie, przyczyniając się do zwiększenia rozmiarów mniejszych wycieków i wpływając negatywnie na cały układ. Warto połączyć wprowadzane zmiany z ogólnymi strategiami lepszego wykorzystywania energii i bardziej niezawodnymi systemami sterowania. Mimo że inwestycje kapitałowe mogą stanowić spore wyzwanie, często przynoszą oszczędności energii, które znacznie skracają czas zwrotu z inwestycji.
• Częste audyty: Częste audyty — wykonywane częściej niż typowe coroczne lub kwartalne inspekcje szczelności — pozwalają zaoszczędzić czas, pieniądze i zasoby w dłuższej perspektywie, nawet jeśli konieczne jest wyłączenie urządzeń. Nowa technologia obrazowania pozwala całkowicie wyeliminować wycieki i regularnie je naprawiać bez utraty cennego czasu produkcji.
• Potwierdzanie głównych przyczyn spadków ciśnienia: Spadek ciśnienia może zostać błędnie rozpoznany jako awaria sprzętu. Przeprowadzenie kontroli szczelności i napraw przed poniesieniem wydatków kapitałowych może pozwolić zaoszczędzić tysiące lub setki tysięcy złotych oraz pomóc w natychmiastowym przywróceniu zdolności produkcyjnych.
• Rejestrowanie, śledzenie i weryfikacja w czasie: Ważne jest, aby dokładnie rejestrować miejsca występowania nieszczelności, ponieważ w słabych punktach często pojawiają się nowe wycieki, dlatego warto regularnie sprawdzać te miejsca. Rejestrowanie informacji w trybie online umożliwia łatwe udostępnianie danych i wykorzystywanie ich w celu wdrożenia odpowiedniej dyscypliny w procesie weryfikacji. Wkrótce po naprawie należy sprawdzić, czy nieszczelność została całkowicie wyeliminowana i czy dany obszar nie wymaga dalszej uwagi.