Energy efficiency of high pressure pneumatic systems

Abstract

The energy efficiency assessment of high-pressure pneumatic circuits is the aim of this dissertation. From a historical perspective the past and cur- rent activities with regards to the energy saving conservation in pneumatic technology were examined, and it could be concluded that high pressure pneumatic circuits have been repeatedly used for years in several industrial applications but to date no studies on that specific field are known. After a systematic review of studies concerning energy saving in pneumatic applications, a complete dynamic model for a high-pressure air blowing machine, employed in the production of plastic bottles, was developed. A synthetic version of the real pneumatic system was considered and consisted of a valve manifold, two tanks, one that simulated the mould cavity where the plastic preform is commonly blown and the other, was intended to recycle air. The one-dimensional models were derived for the pneumatic valve, pipes and vessels. The dynamic modelling of the valve took into account the flow non-linearities through the various geometrical restrictions as well as the pressure and temperature evolution at the inner chambers. Because of the existence of flow discontinuities in the pipes, different solving methods were applied, taking as starting point the Method of Characteristics and continued delving into finite volume methods such as Riemann-solver-based schemes. On the experimental phase a single blowing station unit was designed and built up. The pressure and temperature characteristics at different positions of the pneumatic circuit were measured in detail. In addition, the fluid flow through the valve manifold could be characterised by the sonic conductance and critical pressure ratio, which were determined by the isothermal discharge method. Effort was also expended to study the behaviour of the pressure waves generated along the tubes. The pressure wave propagation was computationally charted, with the intention of assessing how this parameter affected the recycling process. The examination of the experimental results proved the efficiency of the re- cycling process and demonstrated to be in close agreement with the mathematical model. The parameters governing the maximum amount of air to be recycled at each working cycle were identified, and the influence of the pipe geometry was discussed. Finally the author provides recommendations for future research and makes suggestions regarding the valve design to enhance the efficiency of the system.

El objetivo de esta investigación es evaluar la eficiencia energética de los circuitos neumáticos que trabajan con presiones muy superiores a las que habitualmente se emplean en la mayoría de aplicaciones industriales. Un análisis exhaustivo de como el ahorro energético se ha tratado a lo largo de las últimas décadas permite concluir que a pesar de que existen numerosos estudios que revisan las diferentes metodologías empleadas tanto en el reciclaje como en la reducción del consumo de aire comprimido, ninguno presta atención a las aplicaciones que representan el objeto de este estudio. La revisión de las patentes publicadas en las últimas décadas pone de manifiesto la actividad creciente en el desarrollo de máquinas de soplado para botellas de plástico (PET). Las diferentes técnicas empleadas con la intención de reciclar el aire empleado en una de las fases de soplado indican la necesidad de un ahorro de energía. En base a este escenario, se desarrolló un modelo matemático que permite determinar la variación transitoria de los principales parámetros físicos que gobiernan el flujo de aire a través del circuito neumático utilizado en una máquina de soplado de aire a alta presión. El modelo reducido de dicho circuito consiste de un bloque de válvulas, dos tanques, uno que simula la cavidad del molde, donde la preforma de plástico se moldea mediante inyección por soplado y el otro, en el que se recicla el aire empleado en el soplado. Debido a la existencia de discontinuidades de flujo en las tuberías, se aplicaron diferentes métodos de resolución para las ecuaciones de Euler, tomando como punto de partida el Método de las Características y finalizando con métodos numéricos basados en esquemas del tipo Riemann-solver. Por otro lado el modelado matemático de la válvula tiene en cuenta las no linealidades del flujo a través de las diversas restricciones geométricas, así como la evolución de presión y temperatura en los volúmenes interiores de la misma. En la fase experimental, se diseñó y construyó una estación de soplado que permitía determinar las características de presión y temperatura en diferentes posiciones del circuito neumático. Esto permitió determinar el comportamiento de las ondas de presión generadas a lo largo de los tubos y su influencia el proceso de reciclaje. A sí mismo, se emplearon métodos alternativos (simple discharge method and isothermal discharge method) para caracterizar el flujo a través del bloque de válvulas. El examen de los resultados experimentales demostró la eficiencia del proceso de reciclaje y demostró estar en estrecho acuerdo con el modelo matemático. Se identificaron los parámetros que rigen la máxima cantidad de aire que puede reciclarse en cada ciclo de trabajo, y se examinó la influencia de la geometría de la tubería. Por último, el autor aporta recomendaciones para futuras investigaciones y hace sugerencias sobre el diseño de la válvula neumática para mejorar la eficiencia del sistema.