Reaproveitamento de ar comprimido em sistemas discretos de atuação pneumática empregando reservatório intermediário

Abstract

Em sistemas de atuação pneumáticos com atuação discreta, o ar pressurizado é geralmente eliminado para o ambiente após a realização de trabalho mecânico. No cenário atual, onde as exigências por redução de consumo de energia representam grande impacto na escolha de uma solução tecnológica, é de fundamental importância o desenvolvimento de técnicas que possam, de forma parcial, reaproveitar essa energia potencial que é descartada. Esse reaproveitamento é um tema bastante amplo e diferentes soluções podem ser aplicadas. No entanto, este trabalho trata apenas do armazenamento da energia pneumática das câmaras de cilindros empregando reservatórios intermediários para posterior reutilização em outros sistemas de atuação que exijam baixos níveis de pressão. Para isso, primeiro, é proposta uma configuração de circuito a partir da identificação dos critérios já adotados nos exemplos da literatura científica. Segundo, apresenta-se um estudo analítico sobre recuperação e reutilização de ar comprimido para o sistema proposto, que emprega uma válvula direcional 3/2 vias e um reservatório intermediário entre o atuador e a válvula principal em sistemas convencionais de atuação (conjunto válvulaatuador). O ponto de partida desse estudo concentra-se na determinação do tempo de equalização de pressões entre o reservatório e a câmara do atuador (implementado no controle discreto da válvula auxiliar) por meio de modelos obtidos da equação da continuidade sob certas hipóteses simplificadoras. É avaliada também uma forma de dimensionar o reservatório intermediário a partir dos parâmetros do sistema de atuação, empregando a equação de estado dos gases, da qual estima-se as pressões de equilíbrio durante o processo de reaproveitamento. Além disso, um modelo matemático do sistema estudado foi desenvolvido em ambiente MATLAB®/Simulink® para realizar simulações e compará-las com a resposta dos modelos simplificados. Por fim, aplicou-se a proposta de reaproveitamento de energia em um estudo de caso (sistema de elevação de embalagens), verificando-se, através de simulação computacional, os efeitos na dinâmica do sistema e a eficiência energética. Os resultados das simulações mostraram que, com essa configuração, até 34% de ar comprimido pode ser economizado.

Abstract: In pneumatic actuation systems with on/off control action, pressurized air is generally eliminated into the environment after mechanical work has been performed. Nowadays, where the demands for energy consumption reduction have a great impact on the choice of a technological solution, it is of fundamental importance the development of techniques that can partially reuse this potential energy that is lost. This reuse is a very broad topic and different solutions can be applied. However, this work deals only with the storage of pneumatic energy from cylinder chambers using intermediate reservoirs for later reuse in other actuation systems that require low pressure levels. For that purpose, first, a circuit configuration is proposed based on identification of the criteria already adopted in examples from scientific literature. Second, an analytical study on recovery and reuse of compressed air is presented taking the proposed system that employs a 3/2 way directional valve and an auxiliary reservoir between the actuator and the main valve in conventional actuation systems (valve-actuator system). The starting point of this study focuses on determining the pressure equalization time between the reservoir and the actuator chamber (implemented on discrete valve control) through an analysis of the continuity equation under certain simplifying assumptions. A way to perform the auxiliary reservoir sizing from the parameters of the actuation system is also evaluated, using the gas state equation, from which the equilibrium pressures are estimated during the reuse process. Furthermore, a mathematical model of the system under study was developed in MATLAB®/Simulink® software to perform simulations and compare them to the response from the simplified models. Then the proposal for reusing energy was applied for a case study (packaging lifting system), verifying, through computer simulation, the effects on the dynamics of the system and energy efficiency. The simulation results showed that, around 34% of compressed air can be saved.