Energieverbruik van turboblowers, schroefblowers en meertraps centrifugaal blowers

Nauwkeurig prestaties vaststellen van blowers zoals turboblowers, schroefblowers en meertraps centrifugaal blowers kan tot complexe meetsystemen leiden. Het energieverbruik is in de meeste gevallen de belangrijkste eigenschap om vast te stellen. Hiervoor moeten tenminste de grootheden spanning, stroom, volumestroom, druk, temperatuur en luchtvochtigheid  worden gemeten. Voor alle metingen geldt hoe nauwkeuriger de meetresultaten moeten zijn, des te hoger de investeringen en des te kritischer de toepassing van de instrumentatie. Hierbij is onze decennia lange ervaring op het gebied van diverse meettechnieken in onze meetsystemen voor blowers goed van pas gekomen. Sjerp & Jongeneel heeft zich voorafgaand aan de bouw tot doel gesteld het meetsysteem te allen tijde inzichtelijk en verifieerbaar te laten zijn. Daarnaast zijn de metingen uiterst nauwkeurig en traceerbaar naar internationaal geaccepteerde standaarden. Het meetsysteem voldoet aan de normen voor het meten van blowers, maar verschuilt zich er uitdrukkelijk niet achter. Immers zijn deze normen voornamelijk geschreven door blowerfabrikanten en hebben zij hierin hun belangen behartigd zodat zij hun commerciële specificaties in stand kunnen houden. Wij zullen hier laten zien dat het, zeker voor een technicus, niet moeilijk is om ons meetsysteem te doorgronden. Dit om uiteindelijk onze bijdrage te leveren aan transparantie van werkelijke prestaties van grote energieverbruikers zoals blowers.

Transparant meetsysteem

Schema meetsysteem

Een schema met tientallen meetpunten lijkt in eerste opzicht wellicht ingewikkeld, maar door het op te delen in blokken wordt het inzichtelijk. Blowers (DUT,I) die we meten beschouwen we in feite als een black box. De ingaande elektrische energie tegenover de uitgaande proceslucht wordt ook wel wire to air efficiency genoemd.  Van de lucht die daadwerkelijk gebruikt wordt meten we dus de volumestroom. Dit klinkt logisch, maar vaak wordt de totale ingaande volumestroom gemeten zodat er bij het bepalen van de verhouding koellucht/proceslucht weer onzekerheden geïntroduceerd worden. Aan de andere kant willen we bij turn-key modules voor het energieverbruik ook alle verliezen meenemen. Denk hierbij naast de blower en motor aan luchtfilter, EMC filter, frequentieregelaar, besturing, koeling, interne transportverliezen en eventuele overbrenging of oliekoelers. De software van het meetsysteem registreert zowel de externe metingen als de interne metingen van de blower module. Het meetsysteem wordt dus ook gebruikt om de interne sensoren van de blowermodule te kalibreren.

Volumestroom

DN400 turbine gasmeter

Het nauwkeurig volumestroom meten van lucht en gassen is een uitdaging vanwege wervelingen die zich honderden meters door recht leidingwerk kunnen voortbewegen.  Het verkrijgen van een ideaal stromingsprofiel is, in tegenstelling tot bij vloeistoffen, bij lucht en gas dus een utopie onder niet-laboratorium omstandigheden. Voor deze meetopstelling is dus gekozen voor een oude vertrouwde techniek: de turbine gasmeter.  Onze DN400 turbine gasmeter heeft een geïntegreerde flowconditioner en kan relatief eenvoudig gedemonteerd en opgestuurd worden naar een geaccrediteerd kalibratielaboratorium. Hierdoor kunnen wij onze volumestroommetingen over het hele meetbereik doen met een meetonzekerheid van 0,15%. Aan de inlaat is gekalibreerd leidingwerk geïnstalleerd met een lengte van 20 x D en exact dezelfde binnendiameter als de DN400 turbine gasmeter. Hiermee worden afwijkingen op de volumestroommetingen in het systeem zelf voorkomen.

Luchtcondities

Controle van de druksensor in het uitlaattraject van de blower

Luchtconditie is een belangrijk element bij het bepalen van de blowerprestaties vanwege de invloed op de massastroom en de efficiëntie van de blowers zelf. Bij de inlaat van de blowers meten we de absolute druk, de temperatuur en de luchtvochtigheid. Vanuit deze grootheden wordt de actuele dichtheid van de lucht en de verhouding tussen waterdamp[kg] en droge lucht[kg] bepaald. Hieruit berekenen we de vochtigheidsratio W =  m(waterdamp)[kg] / m(droge lucht)[kg] van de aangezogen lucht die niet verandert in het meetsysteem. Door blowers stijgt de temperatuur behoorlijk en zal er geen condensatie optreden. Hierdoor kunnen we de vochtigheidsratio W, bepaald aan de inlaat, ter plaatse van de turbinemeter gebruiken om uiterst nauwkeurig het debiet te berekenen in o.a. Nm³/h (101,325 kPa & 273,15 K). Na de blower worden op verschillende plaatsen in het meetsysteem druk en temperatuur gemeten. Deze zijn meestal dubbel uitgevoerd aangezien er door de hoge capaciteiten royale leidingdiameters zijn toegepast. Tevens zijn de sensoren dusdanig geplaatst dat deze ruim aan de bestaande standaarden voor het meten van gassen en het testen van blowers en compressoren voldoen. Om de hoge nauwkeurigheden ook hier weer te kunnen garanderen zijn de sensoren thermisch ontkoppeld en makkelijk uitwisselbaar middels robuuste koppelingen. Bij deze grootheden bleek ook hier weer dat iedere fabrikant van meetapparatuur zo zijn specialisme heeft. Om de door ons gevraagde nauwkeurigheden te halen zijn wij dus voor iedere te meten grootheid op een andere leverancier uitgekomen.

Vermogensmeting

Serienummers controleren met kalibratierapport van de zero flux current transducers

Turn-key blower modules maken gebruik van frequentieregelaars. Dit betekent ook dat de opgenomen stroom van turn-key blower modules een groot aandeel hogere harmonischen heeft en daarmee ook de netspanning beïnvloedt. Om nauwkeurig vermogensmetingen te doen zijn hier dus alleen power analyzers geschikt.  Deze zijn in staat om van alle fasen ook het hoogfrequente aandeel in de spanningen en stromen mee te nemen. De foto laat de aansluitkast zien waarin de 1500 A zero flux current transducers zijn geïnstalleerd. Deze zijn uiterst lineair over het hele meetbereik. De transducers, de interface, de power analyser en de meetkabels ondergaan systeemkalibraties die tot een meetonzekerheid van 0,05% leiden.

Regeling systeemweerstand

DN250 servo bestuurde diafragma klep

De luchtweerstand in het meetsysteem moet worden geregeld om de gewenste stabiele werkpunten van blowers in te stellen en te meten. Hiervoor geldt dat hoe kleiner de stappen waarin een klep open of dicht geregeld kan worden, hoe dichter men bij het gewenste werkpunt kan komen. Marktonderzoek leidde niet tot een aanbieder die de voor ons meetsysteem gevraagde toleranties kon halen. De afgebeelde DN250 diafragma klep is een unieke in-huis succesvol ontwikkelde klep. De externe aandrijving gebeurt middels CNC servo lineaire techniek waarmee de opening van de klep in 100.000 stappen van 1 tot 100 % wordt geregeld. Bij turboblowers resulteert dit in de prakrijk tot PID regeling van stabiele werkpunten tot op 1,0 m³/h nauwkeurig.

Software

Hoofdscherm blower meetsoftware tijdens stabiel werkpunt

De in-huis ontwikkelde software stelt ons in staat alle meetgegevens van de voor blowers relevante grootheden uit te lezen en te verwerken. Daarnaast besturen we er turn-key blower modules mee en bevat het een uitgebreide PID regeling waarmee de gewenste stabiele werkpunten bereikt worden. In de sensorendatabase staan de benodigde sensoren gedetailleerd beschreven waarbij tevens de mogelijkheid bestaat eventuele sensorafwijkingen uit geaccrediteerde kalibratierapporten te justeren met meervoudige correctiepolynomen. Met andere woorden, net zoals de systeemkalibratie bij de vermogensmeting, vangen we ook bij alle sensoren het hele traject af met een ketenkalibratie. Dit ook weer met als doel een zeer nauwkeurige uitlezing te krijgen. De data van alle vastgelegde werkpunten zijn tevens weer herleidbaar naar de gebruikte sensoren en hun kalibraties. Uit de database met resultaten kunnen wij maatwerk meetrapporten genereren met de door u gewenste gemeten data.

Kalibratie & verificatie

Verificatiemeetinstrumenten en verificatieklemmenstrook

Met onze blower meetsystemen hebben wij ons tot doel gesteld nauwkeurige metingen te doen, herleidbaar naar internationaal geaccepteerde standaarden en op ieder moment verifieerbaar door derden. Dit vinden wij belangrijk omdat in de wereld van blowers commerciële specificaties nog altijd de overhand hebben en wij onze klanten reële werkelijk herleidbare blowerspecificaties willen aanbieden. Dit betekent ook dat wij op dit moment, blower-energieverbruik-technisch gezien, niet het mooiste verhaal op de markt vertellen. Wij weten echter wel dat onze producten relatief goed zijn. Dus ook op het gebied van energieverbruik waarmee onze blowers een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan het optimaliseren van processen. Wij vragen u dan ook om kritisch te kijken naar blower specificaties van concurrenten, met name als het om het energieverbruik gaat. Dit is dan tevens direct een uitnodiging om dat ook met onze gegevens te doen. Verifiëren ligt dan ook aan de basis van onze meetsystemen. Op de foto ziet u hoe dit live mogelijk is tijdens metingen. De DN400 turbine gasmeter heeft twee gelijkwaardige uitgangen die hetzelfde aantal pulsen / m³ / h geven. Eén uitgang gaat naar de data-acquisitie van het meetsysteem en wordt door de software verwerkt tot schermwaarden en opgeslagen metingen. De opstelling op de foto laat een hoogfrequent oscilloscoop zien waarmee de andere uitgang wordt gemeten. Schermwaarden en opgeslagen metingen kunnen dus direct met instrumenten van derden vergeleken worden. Dit geldt ook voor alle andere metingen die via de klemmenstrook met een loop calibrator te controleren zijn.