Giải pháp tối ưu tiết kiệm năng lượng trong ngành công nghiệp

Trong những năm gần đây, chi phí năng lượng đã tăng mạnh, phá vỡ quy luật ổn định vốn tồn tại hàng thập kỷ trước đó. Sự biến động nhanh chóng này buộc mọi ngành công nghiệp phải tìm biện pháp tiết kiệm năng lượng ở bất cứ đâu có thể. Những thay đổi hành vi này trở nên thiết yếu bởi xu hướng chi phí năng lượng khó có khả năng đảo ngược trong tương lai gần.

Trong toàn bộ chuỗi sản xuất công nghiệp, hệ thống bơm là một trong những hạng mục “ngốn điện” nhiều nhất. Theo Viện Thủy lực (Hydraulic Institute), các hệ thống bơm chiếm gần 20% nhu cầu điện năng toàn cầu. Trong bối cảnh năng lượng vừa đắt đỏ vừa khan hiếm, việc tìm giải pháp giảm tiêu thụ điện của hệ thống bơm trở thành ưu tiên hàng đầu.

Bất kỳ ngành công nghiệp nào sử dụng bơm đều có thể đạt được tiết kiệm năng lượng thông qua việc đánh giá lại thiết bị. Điều này đặc biệt đúng với những ngành sử dụng bơm nhiều, như ngành sơn và chất phủ. Về bản chất, sơn và chất phủ là sự kết hợp của các hạt màu (pigments) được treo lơ lửng trong môi trường chất lỏng. Từ những vật liệu thô sơ như than củi và nước ép quả mọng, ngành này đã phát triển thành các hợp chất tinh vi được sản xuất bằng quy trình công nghệ cao.

Trong 25 năm qua, ngành sơn và chất phủ đã chứng kiến một sự chuyển mình mạnh mẽ nhờ công nghệ mới. Những công nghệ này thay thế các công thức truyền thống dựa trên dung môi bằng các lựa chọn thân thiện với môi trường, chẳng hạn như sơn gốc nước, sơn ít VOC (hợp chất hữu cơ dễ bay hơi) và sơn bột. Các đổi mới như công nghệ nano hay sơn thông minh tiếp tục nâng cao hiệu suất và tính thẩm mỹ, định hình nên một thị trường toàn cầu đa dạng và quan trọng.

Ngày nay, sơn và chất phủ đóng vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng khác nhau. Sự tiến hóa này thể hiện bước nhảy vọt từ nguồn gốc nguyên thủy, chứng minh rằng những tiến bộ công nghệ đã đưa ngành công nghiệp bước vào giai đoạn nơi ý thức bảo vệ môi trường, độ bền và tính thẩm mỹ cùng hội tụ, tạo ra sản phẩm vừa ưu việt vừa phổ biến.

Chi phí vòng đời của một máy bơm

Cấu trúc chi phí điển hình cho một máy bơm dịch chuyển dương (positive displacement – PD) trong suốt vòng đời thường như sau:

Chi phí ban đầu (màu xanh) chỉ phát sinh một lần trong giai đoạn lắp đặt. Đây là phần chi phí nhỏ trong tổng chi phí sở hữu máy bơm. Ngược lại, các chi phí chính được thể hiện bằng nhiều sắc độ màu nâu khác nhau – đó là những chi phí phát sinh trong suốt quá trình vận hành. Trong đó, năng lượng chiếm gần một nửa tổng chi phí sở hữu. Khi giá năng lượng tăng, tỷ lệ này sẽ còn lớn hơn, tác động trực tiếp đến tổng chi phí vòng đời của máy bơm.

Có hai yếu tố chính cần tập trung nếu muốn giảm tiêu thụ năng lượng: Bản thân máy bơm và việc lắp đặt

Khi chú trọng vào hai yếu tố này, dù là trong thiết kế một hệ thống mới hay cải tạo hệ thống hiện có, thì trong một số trường hợp cực đoan, mức tiêu thụ năng lượng có thể giảm xuống chỉ còn một phần ba so với ban đầu.

Máy bơm

Trên thị trường hiện có nhiều công nghệ máy bơm dịch chuyển dương khác nhau. Tuy nhiên, chúng không hề giống nhau về mức độ tiêu thụ năng lượng.

Ở độ nhớt trung bình hoặc thấp, trong cùng điều kiện lưu lượng và áp suất, mức chênh lệch tiêu thụ năng lượng giữa các công nghệ bơm có thể lên tới 40%.

Khi độ nhớt cao hơn, sự khác biệt còn rõ rệt hơn, có thể lên tới 90%.

Trong cả hai trường hợp trên và đa số tình huống khác, công nghệ bơm được đánh giá là kinh tế và tiết kiệm năng lượng nhất chính là bơm đĩa lệch tâm không phớt (seal-less eccentric disc pump) dòng Mouvex G-FLO.

Vì sao công nghệ bơm này lại tiết kiệm năng lượng?

Trục đơn (Single shaft)

Một số công nghệ bơm dựa trên thiết kế hai trục với bánh răng đồng bộ (timing gears). Bánh răng và nhiều ổ bi bổ sung tạo ra ma sát lớn hơn ở cả phần truyền động (nơi các bộ phận quay trong dầu bôi trơn) và phần tiếp xúc với chất lỏng được bơm.

Trong khi đó, máy bơm Mouvex G-FLO chỉ có một trục duy nhất, quay trong dầu sạch, được bao bọc bởi hệ thống bellows kép hoặc ba lớp, hoàn toàn cách ly với chất lỏng bơm. Thiết kế này giúp giảm thiểu ma sát, từ đó hạ thấp mức tiêu thụ năng lượng.

Không có bộ phận quay trong chất lỏng được bơm

Công nghệ bơm đĩa lệch tâm Mouvex G-FLO dựa trên hai bộ phận chính: một xi-lanh tĩnh và một đĩa chuyển động. Đĩa này không quay quanh trục của nó mà thực hiện chuyển động tịnh tiến tròn quanh xi-lanh.

Tốc độ tuyến tính chênh lệch giữa xi-lanh và đĩa thấp và đồng đều tại mọi điểm trên đĩa. Chuyển động “chậm” này cần ít năng lượng hơn so với các loại bơm có bộ phận quay với tốc độ ngoại vi cao.

Không có vòng trượt (bushings) trong buồng bơm

Một số công nghệ bơm sử dụng trục được giữ bởi các vòng trượt (bushings) trong buồng bơm. Dù được làm từ vật liệu có hệ số ma sát thấp, những chi tiết này vẫn nằm trong vùng có ma sát.

Như đã đề cập, trong bơm đĩa lệch tâm Mouvex G-FLO, trục quay không tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng được bơm mà được bảo vệ bởi các bellows thép không gỉ nhiều lớp. Các bộ phận duy nhất tiếp xúc với chất lỏng chỉ gồm vỏ bơm, bellows và cụm đĩa/xi-lanh.

Không có phớt cơ khí

Phớt cơ khí dựa vào ma sát giữa hai bề mặt quay. Dù hệ số ma sát nhỏ, nhưng khi sử dụng nhiều phớt (có thể tới bốn phớt ở bơm hai trục), năng lượng bổ sung vẫn cần để vượt qua ma sát này.

Ngoài ra, phớt kép đòi hỏi một lớp chất lỏng rào cản, bản thân nó cũng tiêu tốn năng lượng cho việc tuần hoàn và kiểm soát. Các giải pháp không phớt như truyền động từ tính (magnetic drive) dù không có ma sát trực tiếp nhưng vẫn cần nhiều điện hơn vì phải tạo ra từ trường mạnh để truyền mô-men xoắn.

Bơm đĩa lệch tâm Mouvex G-FLO không có phớt cơ khí hay nam châm. Sự kín khít của trục được đảm bảo nhờ bellows, kết nối giữa vỏ bơm và đĩa. Giải pháp này không tạo ma sát bổ sung, đồng thời cung cấp khả năng ngăn rò rỉ hoàn toàn và giảm nhu cầu bảo trì thường xuyên.

Tốc độ quay thấp hơn

Trong nhiều trường hợp, bơm đĩa lệch tâm Mouvex duy trì tốc độ quay của trục thấp hơn từ một đến hai lần so với các công nghệ khác ở cùng lưu lượng và áp suất chênh lệch. Tốc độ thấp giúp tiêu thụ ít năng lượng hơn và tăng tuổi thọ của các chi tiết chuyển động như ổ bi.

Ngay cả với tốc độ thấp, bơm Mouvex G-FLO vẫn có thể đạt lưu lượng lên tới 70 m³/giờ (308,2 gpm) và áp suất tới 10 bar (145 psi).

Hiệu suất trong ngành sơn và chất phủ

Các nhà sản xuất sơn và chất phủ cần chọn công nghệ bơm vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm, vừa tiết kiệm năng lượng. Một số loại bơm có thể đạt chất lượng sản phẩm tốt nhưng lại tiêu hao nhiều điện, hoặc ngược lại.

Bơm đĩa lệch tâm như Mouvex G-FLO mang đến cả hai: chất lượng sản phẩm ổn định và chi phí năng lượng thấp. Khác với bơm ly tâm truyền thống dựa vào lực ly tâm, bơm đĩa lệch tâm dịch chuyển chính xác một lượng chất lỏng cố định trong mỗi vòng quay, nhờ đó duy trì lưu lượng ổn định bất kể biến động áp suất hay độ nhớt. Thiết kế này không chỉ đảm bảo hiệu suất với các chất lỏng “khó xử lý” mà còn giảm ma sát, giảm nhiễu loạn bên trong, từ đó tiết kiệm điện năng rõ rệt trong sản xuất công nghiệp.

Đường kính ống lắp đặt

Nhiều đơn vị thường chọn ống đường kính nhỏ để tiết kiệm chi phí, bởi ống nhỏ rẻ hơn và cần ít giá đỡ hơn so với ống lớn. Đây là khoản chi phí “màu xanh” trong biểu đồ chi phí vòng đời – chỉ phải trả một lần khi lắp đặt.

Tuy nhiên, thông số này lại có ảnh hưởng lớn đến điện năng tiêu thụ của hệ thống bơm, tức chi phí thực sự sẽ phát sinh trong suốt vòng đời vận hành. Với sản phẩm có độ nhớt thấp, dùng ống nhỏ thường không gây vấn đề. Nhưng khi độ nhớt tăng, ống nhỏ trở thành trở ngại.

Chúng ta hãy xem xét cài đặt bên dưới với các thông số sau:

Ví dụ: Nếu sử dụng ống 1,5 inch, áp suất chênh lệch tại cửa bơm là 9,2 bar (133 psi). Nếu nằm trong giới hạn bơm cho phép, hệ thống sẽ vận hành bình thường.

Nhưng hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta xây dựng hệ thống với đường ống 2 inch (chỉ lớn hơn một cấp tiêu chuẩn), áp suất chênh giảm xuống còn 3,7 bar (54 psi).

Về tiêu thụ điện, sự khác biệt này rất đáng chú ý:

Chỉ cần chọn đường ống lớn hơn một chút, mức điện năng và chi phí có thể giảm từ 37% đến hơn 50%, tùy công nghệ bơm.

Nếu kết hợp đường ống lớn hơn với bơm tiết kiệm năng lượng như Mouvex G-FLO, mức tiết kiệm còn ấn tượng hơn, thậm chí giảm tiêu thụ điện xuống còn một phần ba.

Nếu tiếp tục tăng kích cỡ ống lên 2,5 inch, áp suất chênh chỉ giảm còn 2,9 bar (42 psi) – thấp hơn so với 3,7 bar ở ống 2 inch, nhưng mức giảm điện năng không đáng kể, thậm chí gần bằng 0 với một số công nghệ bơm.

Do đó, cách hợp lý là so sánh tổn thất ma sát và áp suất chênh với các kích cỡ ống khác nhau để chọn giải pháp tối ưu. Trong ví dụ trên, ống 2 inch là lựa chọn cân bằng nhất giữa chi phí đầu tư và hiệu quả tiết kiệm năng lượng.

Thiết kế đường ống

Một cách khác để tiết kiệm năng lượng là “làm gọn” đường ống, giảm tối đa các khúc cua và chỉ dùng phụ kiện thực sự cần thiết.

Ví dụ: trong một đoạn ống ngắn, tùy cách thiết kế và số phụ kiện, tổn thất ma sát có thể tăng gấp năm lần. Áp suất cao hơn đồng nghĩa tiêu thụ điện nhiều hơn.

Chiều dài đường ống

Ống càng dài thì tổn thất ma sát càng lớn, khiến bơm phải hoạt động với áp suất chênh cao hơn, từ đó tốn điện hơn.

Dù khó rút ngắn đường ống ở các nhà máy hiện có, nhưng khi thiết kế hệ thống mới, đây là yếu tố cần lưu ý. Nó vừa giảm chi phí xây dựng ban đầu, vừa tiết kiệm chi phí vận hành lâu dài.

Khi nhắc tới tiết kiệm năng lượng, nhiều người thường nghĩ tới việc cắt giảm chiếu sáng, sưởi hoặc các thiết bị sản xuất nặng. Nhưng ít ai nhận ra rằng hệ thống bơm cũng mang lại tiềm năng tiết kiệm rất lớn.

Bằng cách chọn máy bơm tiêu thụ điện thấp, kết hợp thiết kế đường ống hợp lý cho hệ thống mới hoặc cải tiến hệ thống hiện có, các doanh nghiệp có thể tạo ra khoản tiết kiệm năng lượng đáng kể trong quá trình sản xuất công nghiệp.

Hồng Minh (Theo processingmagazine)