Aspecte energetice ale utilizarii aerului comprimat in industrie

Aspecte energetice ale utilizarii aerului comprimat in industrie

Consideratii generale

Economicitatea folosirii aerului comprimat in industrie depinde de rentabilitatea producerii si distributiei sale. Principalul dezavantaj al utilizarii aerului comprimat este faptul ca energie acumulata de el este de 5 ÷ 8 ori mai scumpa decat energia electrica, iar motoarele pneumatice au un randament relativ mic. Astfel, h unui motor cu destindere incompleta (cazul optim in exploatare), raportat la consumul de putere al compresorului este de circa 25 ÷ 30 %, iar raportat la energia primara introdusa, de circa 3,5 ÷5 %.

Cu toate acestea, aerul comprimat este folosit destul de mult in industrie, in special pt. mecanizarea si automatizarea proceselor de productie. La multe companii, consumul de energie pt. obtinerea aerului comprimat atinge 10 ÷20 % sau chiar mai mult din consumul total de energie, iar puterea instalata depaseste adesea 10 MW.

Principalele avantaje ale utilizarii aerului comprimat in procesele de productie sunt: nu condenseaza, nu arde, nu este exploziv, nu este toxic sau poluant, este disponibil in cantitati nelimitate.

Costul instalatiilor pneumatice este - in majoritatea cazurilor - mai mic decat al masinilor electrice. Motoarele pneumatice permit supraincarcarea fara pericol, rezista la conditii dificile de functionare, acolo unde masinile electrice nu pot fi utilizate:

mediu umed

sub apa;

la temperaturi inalte

Uneltele, dispozitivele si aparatele actionate cu aer comprimat au o constructie simpla, consum mic de materiale, prezinta posibilitatea standardizarii pe scara larga a pieselor si - mai ales - asigura un grad inalt de curatenie si siguranta in exploatare.

Eficienta instalatiilor pneumatice

Eficienta energetica a functionarii instalatiilor pneumatice este determinata de ansamblul sistemului de producere, distributie si utilizare, si poate fi exprimata prin "eficienta pneumatica" absoluta sau relativa:

unde: l_u - lucrul mecanic util pe unitatea de aer comprimat produs de compresor, la aparatul consumator

l_c, l_o - lucrul mecanic consumat de compresor, respectiv continut de unitatea de aer comprimat la iesirea din compresor.

Producerea de aer comprimat este legata de pierderi calitative si cantitative, care reduc eficienta pneumatica. In figura urmatoare se prezinta bilantul energetic pt. 1 m³ de aer comprimat.

Din fig. 1a) construita pt. conditiile practice cele mai frecvente, rezulta ca datorita pierderilor energetice mari, l.m. util reprezinta aprox. 10 % din cel total ( _a ) si aprox. 15 % din cel care poate fi obtinut din aerul comprimat ( _r ).

Sunt analizate in continuare principalele pierderi energetice puse in evidenta de bilantul energetic din fig. 1a), precum si caile principale de reducere a lor fig. 1b).

2.1 Pierderi in compresor ( l_pc)

Aceste pierderi apar la motorul de antrenare al compresorului si in compresorul propriu-zis. Dintre ele, ponderea cea mai mare o au pierderile in compresor, care sunt functie - in primul rand - de conditiile tehnice de desfasurare a ciclului de compresie.

Din acest punct de vedere, un rol foarte important pentru marirea randamentului ciclului il are utilizarea mai multor trepte de compresie si racirea intermediara. De asemenea, are o influenta sensibila o are gradul mediu de incarcare al compresorului (k_inc), fata de sarcina lui nominala functie de tipul de compresor utilizat, modul de antrenare si metoda de reglare adoptata.

2.2 Pierderi prin scapari ( l_s)

Pierderile prin scapari se datoreaza urmatoarelor cauze:

jocurilor la cilindri, sertare, supape si robineti

ne-etanseitatilor la imbinarile prin filet si flanse

defectiunilor racordurilor mobile ale conductelor

inchederii imperfecte si cu intarziere a organelor de inchidere

In cazul masinilor pneumatice, scaparile au loc atat in timpul lucrului, cat si la mers in gol (daca utilajul respectiv continua sa fie conectat la conducta principala de aer comprimat). De aceea, pierderile de aer comprimat prin scapari depasesc, adesea, ca valoare consumul util.

Scaparile se pot determina periodic, in timpul exploatarii sau dupa reparatii, cu ajutorul unui contor sensibil. In lipsa acestuia sau la o sensibilitate insuficienta a acestora, scaparile se pot determina prin masurarea caderii de presiune a aerului in conducta principala, cu consumatorii deconectati.

Se obtine astfel curba de variatie in timp a presiunii aerului in interiorul retelei decuplate (fig. 2)

Deoarece viteza de scadere a presiunii se determina pe cale grafica, este nevoie de un numar cat mai mare de puncte experimentale. Pt. masurarea presiunii, pe langa manonetrul obisnuit cu scara normala, este necesar un micromanometru cu valoarea diviziunii de 0,02 bar sau un manometru cu mercur tub U, iar metoda in sine este laborioasa si necesita un consum relativ mare de timp.

De aceea, in practica se foloseste o metoda mai rapida pentru determinarea pierderilor de aer si a volumului retelei, masurandu-se:

timpul in care presiunea din retea scade de la o valoare la alta;

presiunea barometrica p_B;

temperatura aerului comprimat din retea t_r si a celui exterior aspirat de compresor.

Pt. efectuarea calculelor, insa, este necesara cunoasterea exacta a volumului interior V_r al retelei. Acesta este important nu numai ca element cantitativ al pierderilor, dar reprezinta un mijloc independent de control asupra starii in care se afla reteaua. De exemplu, micsorarea volumului retelei in timpul functionarii, constatata in timpul masuratorilor, poate constitui un indiciu asupra impurificarii conductelor, a acumularii uleiului si condensatului in portiunile de conducta situate la cote coborate sau cu privire la formarea in cursul iernii a unei pojghite de gheata pe suprafata interioara a conductei.

Numeroase masuri au aratat ca - in cazul unor instalatii uzate - valoarea pierderilor prin scapari poate ajunge pana la 30 ÷ 40 % din volumul total de aer, ceea ce duce la consumuri nejustificat de mari de energie electrica.

Pentru determinarea pierderilor prin scapari, un rol important il are starea dispozitivelor de inchidere si reglare. Prezenta sistemelor automate de inchidere elimina scaparile din timpul opririlor, cand aparatele consumatoare se afla conectate la conducta principala de aer comprimat.

Pierderile de presiune in conductele de distributie si in conductele de alimetare ale consumatorilor corect executate sunt - in general - neinsemnate dpdv energetic, in comoaratie cu pierderile prin scapari. Totusi, nerespectarea unor principii corecte, atat la constructia consumatorilor, cat si la proiectarea dispozitiei generale a distributiei si la alegerea dimensiunilor conductelor, are drept urmare functionarea nesatisfacatoare a consumatorilor, datorita scaderii mari a presiunii aburului.

2.3 Pierderi sub forma de caldura ( l_c)

In cazul unor instIn cazul unui consum volumetric constant al aerului in aparatele consumatoare, consumul lui gravimetric variaza invers proportional cu temperatura absoluta. Ca urmare, cresterea temperaturii aerului comprimat este una din metodele de reducere a consumului lui gravimetric, adica una din posibilitatile de economisire a cantitatii de aer comprimat. Deoarece in acest fel creste pierderea de caldura in mediul ambiant, este necesara o buna izolare termica a conductelor

2.4 Pierderi prin frecare ( l_fr)

Acestea sunt determinate de rezistentele intampinate la curgerea aerului, de la statia de compresoare pana la cei mai indepartati consumatori. Ele nu trebuie sa depaseasca 0,5 bar.

Pt. reducerea pierderilor de presiune este necesara asigurarea unor viteze reduse ale aerului (12 ÷ 15 m/s), iar in cazul conductelor principale foarte lungi, viteza trebuie redusa pana la 10 m/s. In cazul reparatiilor preventive planificate trebuie asigurat controlul periodic al caderii de presiune, al bunei functionari a sistemelor de inchidere, a garniturilor si a tuturor imbinarilor, precum si spalarea, curatarea si scurgerea conductelor. Trebuie avut in vedere ca aerului contine, intotdeauna, o anumita cantitate de umiditate, care condenseaza in conductele de distributie, putand produce depuneri sau coroziuni ale acestora sau chiar defectarea instalatiilor pneumatice ale consumatorilor.De aceea, aerul comprimat trebuie sa fie cat mai bine uscat.De asemenea, nu este suficienta o simpla separare a condensatului din rezervoarele de colectare, ci trebuie introduse filtre speciale inaintea instalatiilor consumatoare de aer comprimat. Aceste filtre pot fi ceramice, din policlorura de vinil sau poroase. Cea mai buna - dar si cea mai scumpa - metoda este uscarea cu silicagel, in statii automate.

In scopul reducerii pierderilor prin frecare, pentru conductele de aer cu diametrul mai mare de 75 mm se recomanda folosirea vanelor in locul ventilelor.

2.5 Pierderi la evacuare ( l_ev) Pierderile la evacuare au loc la iesirea aerului comprimat din conductele de distributie si intrarea in instalatiile consumatoare.

Ele sunt determinate , in primul rand, de reglarea incorecta a organelor de admisie in aparatele consumatoare si, intr-o oarecare masura, de laminare.

Masuri practice de crestere a eficientei pneumatice

Din analiza tuturor pierderilor, in vederea cresterii eficientei pneumatice a sistemelor care utilizeaza ca agent energetic aerul comprimat, sunt necesare urmatoarele masuri practice:

1. Imbunatatirea modului de utilizare a aerului comprimat la consumatori, prin:

realizarea unor ajutaje economice, la curatarea pieselor turnate;

inchiderea automata - etansa a organelor de admisie in aparatele consumatoare;

utilizarea unor ajutaje interschimbabile, care sa permita alegerea sectiunii minime de trecere necesara.

2. Uscarea aerului, avandu-se in vedere ca prin racirea sa are loc condensarea vaporilor de apa pe care ii contine, reducand sectiunile de curgere si inrautatind functionarea (mai ales iarna, cand apa care rezulta prin condensare este supusa inghetului). In acelasi scop, toate conductele exterioare trebuie amplasate in "dinti de fierastrau", cu o panta de cel putin 1:200 in sensul de curgere a aeruli, iar in portiunile mai coborate trebuie instalate separatoare de apa izolate termic.
3. Marirea presiunii aerului aspirat, atunci cand este necesara cresterea debituui compresorului (prin ridicarea presiunii aerului la aspiratia compresorului de la 1,0 la 1,1 bar debitul acestuia creste cu 10 %).
4. Racirea aerului aspirat, in acelasi scop (de exemplu, prin racirea de la 25 C la 10 C, debitul compresorului creste cu 5%)
5. Incalzirea aerului inaintea dispozitivelor consumatoare (mai ales a marilor consumatori, cum sunt motoarele pneumatice), cand pentru acelasi consum volumetric de aer se pot reduce consumurile gravimetrice. O incalzire, chiar la temperaturi inalte (200 C) nu prezinta pericol de explozie a eventualului amestec de aer si ulei, daca in conducta nu sunt resturi cocsificate de ulei ars sau daca nu se foloseste un ulei prea vascos si daca concentratia gravimetrica a uleiului in aer nu este cuprinsa intre 2,5 ÷ 8%).
6. Masuri tehnico-organizatorice

normarea consumurilor de aer pe unitatea de produs si pe sectii de productie

controlul si respectarea masurilor de economisire a consumurilor de aer.

3 Utilizarea aerului comprimat ca agent de transport

Viteza optima in conductele de aer comprimat

Aerul comprimat este larg raspandit in industrie, deci volumul investitiilor pt. sistemele de aer comprimat trebuie sa fie cat mai mic si sa necesite un consum cat mai redus de materiale feroase. De asemenea, este necesar sa se reduca consumul de energie primara al acestor instalatii, consum ce reprezinta o pondere importanta din consumul total de energie al companiei.

Calculul instalatiilor de aer comprimat, pe baza valorilor recomandate in literatura de specialitate, fara calcule economice de optimizare, face ca valorile adoptate pentru vitezele de curgere sa fie intr-o gama relativ mare (4 ÷ 12 m/s).

Aceste valori sunt, de cele mai multe ori, departe de cele economice. De aceea, costul annual al aerului comprimat este de 2 ÷ 3 ori    mai mare decat valoarea optima.

Valorile optime ale vitezei aerului comprimat, rezultate din calculele tehnico - economice, vor sta la baza calculului preliminar al retelei, putandu-se, astfel, alege compresorul adecvat, in functie de care se vor stabili apoi vitezele definitorii ale aerului. Aceste viteze vor determina pierderile de presiune din retea, care corespund cu presiunea furnizata de instalatia de compresoare, la randamentul optim.

3.2 Centralizarea sistemelor de alimetare cu aer comprimat a intreprinderilor industriale

In industrie, de regula, se folosesc sistemele industriale (descentralizate) de alimentare cu aer comprimat, fiecare intreprindere organizandu-si independent alimentarea cu aer comprimat a halelor sale de producti. Aceasta duce la folosirea nerationala a instalatiilor, contribuie la o dispersie mare a instalatiilor de compresie, care, adesea, sunt de mica putre, ceea ce in final determina micsorarea indicatorilor tehnico - economici ai gospodariei de aer comprimat a intreprinderilor.In functie de schema folosita pentru sistemul de alimentare centralizata cu aer comprimat (radiala sau radial-combinata), se stabilesc criteriile si zonele de centralizare justificate tehnico-economic.

Pentru schemele radiale, se considera drept criteriu raza optima de alimetare, in expresia careia intra si valoarea diametrului optim economic (d₀) stabilit pe baza vitezei optime. Calculele tehnico-economice efectuate pentru stabilirea zonelor optime de alimetare centralizata cu aer comprimat au aratat ca valoarea razei optime se reduce pe masura ce creste sarcina nominala a consumatorilor de aer si costul energiei electrice.

Raza optima creste o data cu cresterea puterii unitare a agregatelor si a puterii totale a statiei centrale de compresoare si cu reducerea duratei anuale de utilizare a sarcinii nominale (t_u

In cazul schemelor radiale combinate, drept criteriu pentru justificarea tehnico-economica a centralizarii sistemelor de alimentare cu aer comprimat se pot considera cheltuielile specifice medii pentru 1 m de conducta principala (c_i) care revin fiecarui consumator racordat la sistem si cheltuielile specifice medii ale grupului de firme (companii industriale) care functioneaza in cooperare (c_m). Alimentarea centralizata a unui astfel de grup este justificata dpdv economic, in cazul schemeiradiale combinate de alimentare, atunci cand c_i < c_m.

Schemele radiale combinate sunt deosebit de eficiente in cazul sarcinilor nominale de pana la 2.400 m³/h, carora le corespund conducte magistrale de aer cu diametre de pana la 460 mm.

In functie de conditiile locale, de amplasarea relativa pe teren a companiilor si de sarcinile consumatorilor, economia de investitii realizate prin adoptarea schemelor centralizate de alimentare cu aer comprimat, fata de sistemele de alimentare individuala, poate fi de 5 ÷ 28 %. Ponderea investitiilor pentru conductele magistrale de aer in totalul investitiilor necesare pentru realizarea sistemelor centralizate sunt de circa 12 ÷ 25 %.

Investitiile pentru realizarea sistemelor centralizate pot fi reduse considerabil, cu conditia montarii la CET industriale a unor compresoare de mare putere. In aceste cazuri, pentru actionare compresoarelor se recomanda turbinele cu abur sau cu gaze.

Montarea conductelor principale de aer comprimat este rational sa se faca in comun cu retelele de termoficare.

Centralizarea sistemelor de alimentare cu aer comprimat, desi impune realizarea unei retele de conducte magistrale, nu conduce, totusi, la o crestere insemnata a consumului de metal, deoarece se folosesc turbo compresoare, care au un consum de metal mai mic decat al celor cu piston, utilizate in statiile individuale (aproximativ de 6 ori).

Comparatia intre consumul total de metal pt. constructia unui sistem centralizat de alimentare si a unuia descentralizat, cu luarea in consideratie a consumului suplimentar de metal pt. conductele magistrale, in limitele razei optime de alimentare, arata ca intr-o serie de cazuri (mai ales la diametre ≤ 400 mm), economiile de metal pt. instalatiile de baza ale statiei centrale de compresoare acopera consumul suplimentar pt. conductele de transport.

Realizarea sistemelor centralizate de alimentare cu aer comprimat, pe langa micsorarea investitiilor, conduce si la economii de cheltuieli anuale de exploatare (pana la 15 ÷ 20 %) datorateamortizarilor, reparatiilor curente, plata salariilor, lubrefianti si apa de racire etc.

3.3 Eficienta comparativa a transportului aerului comprimat sau a aburului

Antrenarea cu turbine a compresoarelor care necesita puteri mari este - in multe cazuri - mult mai avantajoasa decat antrenarea electrica. Turbinele utilizate sunt - in majoritatea cazurilor - cu abur, ceea ce permite o reglare economica intr-o gama larga de sarcini, spre deosebire de antrenarea electrica. Avantajele actionarii cu turbina cu abur cresc considerabil atunci cand este disponibil abur ieftin, provenit de la instalatii recuperatoare. Acelasi lucru se poate spune si despre turbinele cu gaze, care folosesc resurse energetice secundare.

Pt. intreprinderile mari (combinate si platforme industriale) consumatorii de aer comprimat se afla, adesea, la distante mari (de ordinul km) de CET industriale. Construierea unor instalatii speciale de cazane mici, care sa produca aburului necesar turbinelor de actionare a compresoarelor, nu se justifica de regula, dpdv economic si nici conditiile locale nu permit aceasta.

Apare, astfel, problema limitelor de eficacitate a amplasarii turbocompresoarelor: la sursa de abur (CET) sau la consumatorii de aer comprimat. In primul caz, va fi necesar transportul la distanta al aerului comprimat, iar in al doilea caz cel al aburului.

Se analizeaza in continuare, eficacitatea comparativa a transportului aerului comprimat sau a aburului, pt. cazul unui mare consumator de aer comprimat, cum sunt fabricile de oxigen.

La proiectarea noilor fabrici de oxigen, solutia cea mai economica se obtine atunci cand fabrica respectiva s-ar amplasa in imediata apropiere a CET industriala.

In acest caz nu este necesar transportul nici al aerului, nici al aburului. Solutia nu este intotdeauna realizabila, mai ales daca apar si conditii suplimentare impuse de securitatea functionarii fabricii de oxigen si a eventualelor servituti pe care aceasta le poate crea asupra instalatiilor din apropiere. Din aceste motive, comparatia se face intre doua variante de amplasare a turbo-compresoarelor in care distanta consumatorului fata de CET este de 1 ÷ 3 km.

Comparatia intre transportul aerului comprimat sau al aburului tine seama de urmatorii indicatori tehnico - economici:

pierderile de energie la transport, care se exprima prin pierderea de presiune a aerului comprimat sau a aburului si prin scaderea temperaturii, in cazul aburului;

costul constructiei si a exploatarii conductelor de aer comprimat, in comparatie cu cele pentru abur si condensat;

consumul de energie pentru pomparea condensatului la CET, in cazul transportului aburului.

Pt. actionarea turbo-compresoarelor, in ambele cazuri, se utilizeaza turbine cu abur cu o putere pana la 15 MW, cu parametrii initiali ai aburului 35 bar si 435 C. In cazul utilizarii transportului aburului, amplasarea la distanta a turbinelor de antrenare va conduce la functionarea lor cu parametri initiali mai coborati. Tinand seama de functionarea sigura a turbinelor, limita minima admisibila a parametrilor initiali s-a considerat 30 bar si 400 °C, cu cresterea corespunzatoare a consumului specific de abur, respectiv de combustibil, in CET.

In cazul transportului aburului, returnarea condensatului cald ca CET, dupa preincalzirea regenerativa in turbinele de antrenare, este legata de o serie de dificultati si de cheltuieli suplimentare. De aceea, este recomandabila preincalzirea regenerativa a condensatului la CET, cu ajutorul aburului uzat. In aceste conditii, returnarea    condensatului rece nu provoaca scaderea randamentului turbinelor de actionare.

Pierderile energetice la transportul aerului comprimat sunt determinate de necesitatea cresterii presiunii aerului la refularea compresorului cu valoarea corespunzatoare pierderilor de presiune in conducta de aer. De aceea, pt. determinarea indicilor economici ai transportului aerului este necesara, in prealabil, determinarea vitezei optime a acestuia, tinand seama de costul combustibilului folosit la CET. De asemenea, trebuie tinut seama de efectul asupra dimensionarii retelei de aer comprimat si asupra pierderilor de presiune la transport.