Energy Optimization of Hydraulic Systems : An investigation of energy-efficient designs for hydraulic systems

An investigation of the global energy consumption debate confirms the complexity of the global environmental issues, the severity of the impact in developing countries and the major efforts that is required to discourse this development. Electricity production is the largest growing source of CO2- emissions, mainly due to the expansion of coal power plants in China and India. Therefore one can easily argue for the importance of develop more environmentally friendly use of coal. However, the cheapest measure to reduce CO2-emissions is not to develop new technologies but to use the produced energy more effective, regardless of energy source. In this final thesis in mechanical engineering investigates the possibilities of modifying two hydraulic systems in an energy efficiency perspective. The investigations will show if there is potential for implementing energy-saving investments in hydraulic systems. Two hydraulic units that are representative for the hydraulics at Sandvik Materials Technology were chosen. One unit controls a hydraulic system that moves steel bars through an oven, and the other unit drives machines that straighten crooked tubes. Pressure-measurements and calculated flow demands showed that both systems had potential for energy efficiency work. By the use of accumulators four different concepts have been developed. With an investment analysis as a basis, one concept per system has been considered profitable. For the system referred to as the tube-straightener a concept that uses two pumps and motors of two different sizes has been considered profitable. The thought is to let the smaller pump and motor take the base-load of 2 kW that is used when the motor is idle-running. A timer shuts the machine after 25 seconds, which is where the profitability of the concept is found. Hence, large energy consumption savings can be achieved just by changing the time set on the timer. With the modifications that are represented in this thesis, the energy consumption is decreased by 45 %.The potential for energy efficiency work is thereby confirmed. However, the analyzed systems are too small to generate a short pay-back time. If similar modifications are performed on larger units, the pay-back time will drop dramatically. In the most economic viable concept for the hydraulic system referred to as the oven, one of the existing three pumps is removed. The two remaining pumps control two different flow different demands. One pump manages the flow demand of one cylinder with a high demand. The other pump manages the remaining flow demand with the help of installed accumulators. The motors are replaced since the current motors are oversized. This investment has a payback period of 2.7 years and will reduce the energy consumption by 25% which corresponds to approximately SEK 25 000. Furthermore, the eyes are lifted from the specific systems that have been subjected to this analysis and underlying factors of over dimensioned hydraulic systems in today´s industries are brought up. Incentives that affect the constructor’s decisions play an important part in the underlying factors that is presented. As long as the constructor is punished to a greater extent for undersized systems than he or she is rewarded for designing smaller, more energy efficient systems, this problem will remain. Another aspect that is brought up is the time limit, when the time limit is set very short the risk of losing precision in estimation of needed system capacity increases.En undersökning av den globala energidebatten bekräftar den komplexitet som kännetecknar de globala miljöproblem och den ansträngning en förändring av dagens energianvändning skulle kräva. Elproduktion är den störst växande källan till koldioxidutsläpp, i huvudsak som en följd av expansion av kolkraftverk i Kina och Indien. Därav är det enkelt att argumentera för vikten av att utveckla nya tekniker för att på ett mer miljövänligt sätt kunna använda kol, då det är ytterst otroligt att Kina och Indien kommer att låta bli att använda dessa resurser med hänsyn till annalkande miljöhot. Det billigaste medlet för att minska all typ av koldioxidutsläpp är dock inte att utveckla nya tekniker för att kunna öka elproduktionen utan att använda redan producerad el på ett smartare sätt, oavsett vilken typ av energikälla som avses användas. I detta examensarbete i maskinteknik undersöks möjligheterna för att modifiera två hydraulsystem ur ett energieffektivt perspektiv. Dessa undersökningar ska visa om det finns besparingspotential i energieffektivisering av de undersökta hydraulsystemen. Två system som är representativa för hydralsystemen på Sandvik Material and Technology valdes. Ett system driver en maskin som riktar krokiga rör och det andra systemet förflyttar stålämnen genom en ugn. Tryckmätningar och beräknade flödesbehov visade att båda systemen kunde energieffektiviseras. Genom att använda ackumulatorer utvecklades två olika koncept per system. En investeringsanalys avgjorde vilket av koncepten som är mest lönsamt. För rikten fås ett koncept med två motorer och pumpar av två olika storlekar som den mest lönsamma lösningen. Grundidén är att låta den mindre pumpen och motorn ta baslasten på 2 kW som behövs då maskinen körs på tomgång. Idag sitter det en timer inställd på femton minuter på dessa maskiner, i konceptet har denna tid kortats till 25 sekunder. Det är också här som lönsamheten i detta koncept kan hittas. Därmed skulle besparingar i elkonsumtion kunna göras genom att bara ändra tiden som timern är inställd på. Med de förändringar som har presenterats här så minskas energiförbrukningen med 45 %, att besparingspotential finns har därmed bekräftats. Det undersökta systemet är dock för litet för att visa en kort pay-back tid, men om modifikationerna appliceras på större system så kommer återbetalningstiden att kortas drastiskt. I det mest lönsamma konceptet för stegbalksugnen tas en av de nuvarande tre pumparna bort. För att jämna ut flödesbehovet används en pump endast till en cylinder med högt flödesbehov. Den kvarvarande pump klara av det resterade flödesbehovet med hjälp av ackumulatorer. Även motorerna ersätts då de nuvarande är överdimensionerade för pumparna. Denna investering har en pay-back tid på 2,7 år. Denna investering minskar energiförbrukningen med 25 % vilket motsvarar ca 25 000 kr. Vidare höjs blicken från de specifika system som är föremål för denna analys och frågan om bakomliggande faktorer till de överdimensionerade system som finns att hitta inom industrin idag tas upp. De incitament som påverkar konstruktörens beslut spelar en viktig roll i de bakomliggande faktorer som läggs fram i den här rapporten. Så länge som konstruktören straffas mycket hårdare för att underdimensionera än att överdimensionera system så kommer problemen att bestå. En annan aspekt som tas upp är tidsaspekten, när tiden för projektering sätts tajt finns risk att noggrannhet i uppskattning av vilken kapacitet som krävs av aggregatet försvinner