Manual ar comprimido, Teses (TCC) de Aprendizagem de Máquinas

Baixe Manual ar comprimido e outras Teses (TCC) em PDF para Aprendizagem de Máquinas, somente na Docsity! EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO MANUAL PRÁTICO Apresentação Criado em 1985, pelo Governo Federal, o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL) é coordenado pelo Ministério de Minas e Energia e implementado pela ELETROBRÁS. O objetivo principal do PROCEL é contribuir para a redução do consumo e da demanda de energia elétrica no país, por meio do combate ao desperdício deste valioso insumo. A ELETROBRÁS/PROCEL mantém estreito relacionamento com diversas organizações nacionais e internacionais cujos propósitos estejam alinhados com o citado objetivo. Dentre elas, cabe ressaltar o Banco Mundial (BIRD) e o Global Environment Facility (GEF), os quais têm se constituído em importantes agentes financiadores de projetos na área da eficiência energética. Nesse contexto, o GEF, que concede suporte financeiro a atividades relacionadas com a mitigação de impactos ambientais, como o uso racional e eficiente da energia, doou recursos à ELETROBRÁS/PROCEL, por intermédio do BIRD, para o desenvolvimento de vários projetos. Dentre eles, destaca-se o projeto “Disseminação de Informações em Eficiência Energética”, concebido e coordenado pela ELETROBRÁS/PROCEL e realizado pelo Consórcio Efficientia/ Fupai, com o apoio do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD), que objetiva divulgar informações sobre tecnologias de uso eficiente de energia para os profissionais dos setores industrial, comercial, prédios públicos e saneamento, difundindo aspectos tecnológicos e operacionais que permitam reduzir o desperdício de energia elétrica. O objetivo deste manual é instrumentalizar os interessados com informações úteis e práticas, capacitando-os para identificar oportunidades de redução de custos e de consumo de energia em seu sistema. Sumário INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 9 Parte I - PLANO DE AÇÃO ............................................................................................. 13 1 - CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA E DA INSTALAÇÃO ONDE ESTÁ INSERIDO ....... 13 1.1 - Conhecimento de um sistema de ar comprimido genérico .......................................... 13 1.2 - Conhecimento do sistema de ar comprimido específico de sua empresa .............. 15 2 - IDENTIFICAÇÃO E SELEÇÃO DAS OPORTUNIDADES DE MELHORIAS .................. 16 2.1 - Oportunidades de melhoria em um sistema de ar comprimido genérico .............. 16 2.2 - Oportunidades de melhoria no sistema de ar comprimido específico de sua empresa ............................................................................................................................................. 18 3 - IMPLEMENTAÇÃO DAS AÇÕES DEFINIDAS ............................................................ 19 3.1 - Implementação de melhorias em um sistema de ar comprimido genérico ........... 19 3.2 - Implementação de melhorias no sistema específico de sua empresa ...................... 19 4 - AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS E REINÍCIO DO PROCESSO PARA NOVAS AÇÕES ...................................................... 20 Parte II - OPORTUNIDADES PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA .................................... 25 1 - IDENTIFICAÇÃO DAS OPORTUNIDADES NA GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO ..... 25 1.1 - Identificação dos fatores que afetam a eficiência na geração de ar comprimido . 25 1.2 - Áreas de oportunidade de melhoria de eficiência na geração .................................... 28 1.2.1 - Redução de perdas devido à temperatura do ar aspirado pelo compressor ...... 28 1.2.2 - Redução de perda de carga por sujeira no filtro de aspiração .................................. 30 1.2.3 - Redução de perdas no sistema de compressão ............................................................. 30 1.2.4 - Redução de perdas com a pressão de trabalho muito elevada ............................... 33 1.2.5 - Recuperação de calor de compressão ............................................................................... 35 1.2.6 - Redução de perdas por manutenção preventiva inadequada ................................. 37 1.2.7 - Redução de perdas devida à melhoria no sistema de controles de compressores 39 1.2.8 - Redução de perdas usando reservatório e sistema de estabilização de pressão . 42 1.2.9 - Redução de perdas pelo tratamento do ar comprimido ............................................ 44 1.2.10 - Redução de perdas na drenagem do condensado ..................................................... 46 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO10 As oportunidades de eficientização energética apontadas neste Manual são um extrato dos conceitos e fundamentos apresentados na referida publicação. Assim, ao apresentar as informações neste Manual, procuraremos referenciar o texto original, caso o usuário queira mais informações sobre o assunto. Procurando oferecer uma ferramenta de uso prático e útil, incluímos um CD contendo uma versão eletrônica deste Manual. O CD contém, ainda, programas, textos, planilhas e tabelas de auxílio que servem para complementar as informações e auxiliar no desenvolvimento de um programa de eficientização. O Manual está dividido em três partes: 1. PLANO DE AÇÃO; 2. OPORTUNIDADES PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA; e 3. FONTES DE CONSULTA. Naturalmente, o foco do Manual será a parte 2: Oportunidades para melhorar a eficiência. Para facilitar e agilizar a consulta, no anexo constam grandezas, unidades de medida, fatores de conversão e fórmulas utilizadas neste Manual e no texto base (“EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO”). PARTE I PLANO DE AÇÃO MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO12 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 15 Figura I.2 - Diagrama de perdas características de sistemas de ar comprimido 1.2 - Conhecimento do sistema de ar comprimido específico de sua empresa Para caracterizar um sistema de ar comprimido específico, sugerem-se os seguintes passos: a) Elaborar um diagrama de blocos do processo produtivo e das instalações da planta, indicando onde o ar comprimido é utilizado. b)Baseado no leiaute da planta ou instalação industrial, indicar a localização dos componentes do sistema de ar comprimido e as condições operacionais nominais ou de projeto (pressões, vazões, temperaturas, etc). c) Criar um perfil dos “parâmetros operacionais” (demanda de ar comprimido, produção de ar comprimido, consumo de energia elétrica e pressão) do sistema ao longo do dia, semana, mês e ano, o que for necessário para entender o funcionamento do sistema e verificar a ocorrência ou não de sazonalidades. d) Levantar os dados reais (medições). A partir da instrumentação existente ou de medições instantâneas, verificar os valores reais dos parâmetros operacionais. Levantar o regime de funcionamento, picos de carga, consumo e capacidades totais e por período. Simultaneamente, deve-se contabilizar a produção e o consumo que ocorreu no período de medição. Meça seus índices de referência (consumo kW, perfil de pressão, perfil de demanda e carga de pico) e calcule a energia consumida e o seu respectivo custo. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO16 Os índices de referência (benchmarks) mais usuais nos sistemas de ar comprimido, normalmente, são os de custo específico de ar comprimido, eficiência do compressor e consumo específico: - O custo específico relaciona a quantidade de energia elétrica consumida e seu respectivo preço para produzir um metro cúbico de ar comprimido (custo unitário de produção ar comprimido – R$/m³). - A eficiência de compressão está relacionada à quantidade de energia elétrica (kWh) que o compressor consome para produzir 1 m³ de ar comprimido na pressão de operação do sistema (kWh/m³). - O consumo específico ou a necessidade de ar comprimido do produto final corresponde à quantidade de ar comprimido necessária para a produção de uma unidade ou um quilo de produto (m³/t). IDENTIFICAÇÃO E SELEÇÃO DAS OPORTUNIDADES DE MELHORIAS Quando se busca a melhoria da eficiência de um sistema de ar comprimido específico, a primeira etapa consiste em identificar as oportunidades e, em seguida, fazer a seleção das oportunidades mais promissoras. 2.1 - Oportunidades de melhoria em um sistema de ar comprimido genérico Muitas oportunidades de melhoria da eficiência em um sistema de ar comprimido são comuns em instalações industriais. Estas oportunidades podem ser classificadas de acordo com a parte do sistema na qual são implementadas. Oportunidades de melhoria da eficiência para as áreas de geração, distribuição e uso final de um sistema de ar comprimido estão listadas na tabela I.1. 2 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 17 Tabela I.1 - Oportunidades de melhoria da eficiência aigreneedaimonoceedsadideM edadilibacilpA )1( sohnaG )2( edlaicnetoP oãçiubirtnoc )3( ametsisodoãçavoneruooãçalatsnI sotnemanoicasodairohleM )aicnêicifeatlaedserotom( %52 %2 %5,0 sotnemanoicasodairohleM )edadicolevedserodalugeR( %52 %51 %8,3 siamseõsrevropserosserpmocedacorT )otnemaoçiefrepa(sanredom %03 %7 %1,2 odacitsifoselortnocedametsisedosU %02 %21 %4,2 meosuarapodatiejerrolacedoãçarepuceR seõçnufsartuo %02 %02 %0,4 emegaces,otnemairfseronairohleM raodmegartlif %01 %5 %5,0 ametsisodniulcni,ametsisodlabolgotejorP seõsserpitlumed %05 %9 %5,4 oãsserpedadeuqropadrepanoãçudeR %05 %3 %5,1 ed)sotnemapiuqe(sovitisopsidedoãçazimitO lanifosu %5 %04 %0,2 ametsisodoãçarepoeoãçnetunaM raedsotnemazavedoãçudeR %08 %02 %61 etneüqerfsiamsortlifedoãçiutitsbuS %04 %2 %8,0 LATOT %9,23 levácilpaéadidematseednoseõçautisedlautnecreP)1( aigreneedlaunaomusnoconoãçuderedlautnecreP)2( ohnagxedadilibacilpa=oãçiubirtnocedlaicnetoP)3( Exemplo de economia de energia no Brasil - A avaliação das condições operacionais de um dos três sistemas de ar comprimido da fábrica da DAIMLER-CHRYSLER de São Bernardo do Campo (SP), por iniciativa da ELETROBRÁS/PROCEL, permitiu a identificação de oportunidades para a redução do consumo de energia elétrica. As soluções técnicas com maior potencial de economia de energia propostas possibilitarão redução da ordem de MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO20 AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS E REINÍCIO DO PROCESSO PARA NOVAS AÇÕES O resultado de qualquer ação implementada deve ser avaliado, e seu impacto no sistema deve ser analisado, para determinar se a ação já pode ser considerada concluída e reiniciar o ciclo do plano de ação para outras oportunidades identificadas. (Benchmarking deve ser parte de um grande planejamento.) Figura I.3 - Ciclo de implementação do plano de ação 4 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 21 Resumo do Plano de Ação de acordo com a abordagem sistêmica (“system approach”) A abordagem sistêmica analisa ambos os lados do sistema - da demanda e do fornecimento - e mostra como eles se interagem, essencialmente transferindo o foco dos componentes individuais para a atenção no desempenho global do sistema. Muitas vezes, os operadores estão tão focados nas demandas imediatas dos equipamentos que não têm conhecimento de como os parâmetros do sistema afetam o equipamento. Similarmente, a abordagem comum da engenharia consiste em explodir (subdividir) o sistema em seus componentes básicos ou módulos, otimizar a escolha (seleção) ou projeto destes componentes e, então, montar estes componentes para formar o sistema. Uma vantagem desta abordagem é que simplifica os problemas. Entretanto, uma desvantagem é que, freqüentemente negligencia a interação entre estes componentes. Por outro lado, a abordagem sistêmica avalia o sistema de forma global para determinar como as necessidades de uso final podem ser mais efetiva e eficientemente servidas. O aperfeiçoamento e a manutenção do sistema de ar comprimido no seu melhor desempenho requerem não somente a atenção nos componentes individuais, mas também a análise de ambos os lados do sistema, do suprimento e da demanda, e do modo como eles interagem. A aplicação da abordagem sistêmica usualmente envolve os tipos de ações relacionadas nesta parte do Manual. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO22 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 25 PARTE II - OPORTUNIDADES PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA Para a identificação de oportunidades de melhoraria na eficiência energética e no desempenho econômico de sistema de ar comprimido, sugere-se a seguinte metodologia de enfoque sistêmico. IDENTIFICAÇÃO DAS OPORTUNIDADES NA GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO A produção de ar comprimido é, basicamente, um processo de conversão de energia, no qual a energia elétrica é convertida pelo motor em energia mecânica, que aciona o com- pressor, e este converte em energia potencial em forma de pressão no ar comprimido, pela transformação termodinâmica no ar atmosférico produzida pela compressão. Os compressores são os componentes que realmente demandam energia no sistema de ar comprimido. Isto implica que o gerenciamento da energia deve manter especial atenção nos compressores e nas suas condições de operação. Muitos fatores são ingredientes chaves no desempenho dos compressores, como visto a seguir. 1.1 - Identificação dos fatores que afetam a eficiência na geração de ar comprimido A eficiência energética de um sistema, de maneira geral, indica o quanto um equipamento real aproxima-se de um comportamento ideal, no qual não existem perdas. Teoricamente, a eficiência energética na geração de ar comprimido η deveria ser determinada pela quantidade de energia útil contida no ar comprimido e pela quantidade de energia gasta para a sua produção. Na prática, a eficiência de um compressor é determinada a partir do rendimento termodinâmico η th e do rendimento mecânico η c . cth ηηη ⋅= Rendimento termodinâmico. É obtido pelo trabalho de compressão teórico (processo adiabático reversível) e pelo trabalho de compressão real (processo politrópico) de um gás perfeito. Rendimento termodinâmico ( thη ) associado a um processo real de compressão: W Wth th =η 1 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO26 em que: W th - trabalho ideal por unidade de massa, a ser calculado a partir de ∫ vdp ao longo de um processo ideal; e W - trabalho real por unidade de massa efetivamente empregado na compressão. Trabalho ideal de um compressor (processo adiabático reversível) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − ⋅⋅= ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − ⋅⋅= − 1 2 1 n 1n 1 2 11th T T 1n nTR1 P P 1n nvPW [kJ/kg] em que: P 1 - pressão do ar na admissão [bar] ou [102 kN/m2]; v 1 - volume específico do ar na admissão [m3/kg]; T 1 - temperatura do ar na admissão [ K ]; P 2 - pressão do ar na descarga [bar] ou [102 kN/m2]; T 2 - temperatura do ar na descarga [ K ]; R - 0,287 [kJ/kg.K]; e n = λ = 1,4 (ar em condições ambiente e processo adiabático). Trabalho real de um compressor (processo politrópico). O trabalho real é obtido a partir de medidas efetuadas durante o funcionamento da máquina. Os parâmetros a serem medidos são: P 1 , v 1 , T 1 , P 2 , v 2 , T 2 . Utilizando-se as equações: P 1 .v 1 n = P 2 . v 2 n; P 1 .v 1 = RT 1 ; P 2 .v 2 = RT 2 obtém-se: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = − 1 2 1 2 P Plog T Tlog n 1n Substituindo o valor n calculado (1 < n < 1,4) na equação de W th , obtém-se o valor de W. Rendimento mecânico. Durante a transmissão de energia do acionador para o compres- sor ocorrem inevitáveis dissipações, provocadas pelo atrito mecânico. Dessa forma, como MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 27 indica o esquema da Figura II.1, apenas uma parte do trabalho recebido pelo compressor é fornecida ao gás. Figura II.1 - Esquema de transferência de energia ao gás Para que esse efeito seja computado nos cálculos da compressão, utilizamos o rendimento mecânico mecη , com valores típicos entre 0,92 e 0,98, cuja definição é dada por: c mec W W =η sendo W o trabalho efetivamente fornecido ao gás para um suprimento CW de trabalho ao compressor. A mesma definição poderia ser apresentada em termos das potências consumidas. Potência de compressão. Compressores são equipamentos caracterizados termodinamicamente como volumes de controle, cujo desempenho deve ser analisado por meio da identificação de fluxos de energia. Por isso é que neste texto são feitas referências muito mais freqüentes à potência do que ao trabalho de compressão. Para o cálculo da potência, utiliza-se a seguinte fórmula: mecth th C wm W ηη • • = em que, • m = Vazão mássica do gás [kg/s]; thw = Trabalho ideal por unidade de massa [kJ/kg]; thη = Rendimento termodinâmico [ - ]; mecη = Rendimento mecânico [ - ]; e CW • = Potência requerida pelo compressor [kW]. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO30 1.2.2 - Redução de perda de carga por sujeira no filtro de aspiração O ar atmosférico admitido pelo compressor de ar, apesar de ser filtrado à entrada (filtro primário), contém várias impurezas, invisíveis a olho nu. Entre elas, podemos destacar duas principais: vapor de água (umidade) e particulados (poeiras). Toda instalação de ar comprimido possui (ou deveria possuir) um filtro de ar na aspiração (filtro primário) para evitar a entrada de grandes partículas e sujeiras carregadas pelo ar atmosférico. Não havendo uma manutenção programada nesse filtro, a sujeira se acumulará, fechando, parcial e até totalmente os poros do filtro, o que acarretará aumento da perda de carga no filtro, representando um aumento do consumo de energia do motor de acionamento do com- pressor para a realização do mesmo serviço que faria com o filtro limpo. 1.2.3 - Redução de perdas no sistema de compressão Compressores são utilizados para proporcionar a elevação da pressão de um gás ou escoamento gasoso. Nos processos industriais, a elevação de pressão requerida pode variar desde cerca de 1,0 atm até centenas de atmosferas. Há quem utilize a denominação “sopradores” para designar as máquinas que operam com elevação de pressão muito pequena, porém superior aos limites usuais dos ventiladores. Tais máquinas possuem características de funcionamento típicas dos compressores, mas incorporam simplificações de projeto compatíveis com a sua utilização. Escolha do compressor. A escolha do tipo de compressor a ser adotado precede a seleção propriamente dita da máquina e envolve aspectos diversos. Fazendo uma análise que leve em conta apenas as características previstas para o processo de compressão, é possível estabelecer faixas de operação para o processo de compressão para as quais cada tipo de compressor é mais adequado e pode, em conseqüência, ser encontrado nas linhas de produção dos fabricantes. Conforme ilustra a tabela II.2, a vazão volumétrica aspirada, a pressão de descarga e a relação de compressão são os parâmetros que traduzem as restrições impostas a cada tipo do compressor pelo seu próprio princípio construtivo. Esse quadro foi elaborado a partir de dados fornecidos por diversas fontes bem credenciadas, mas deve ser utilizado apenas com objetivos didáticos. Isso porque ele focaliza valores médios, não se enquadrando rigidamente nos padrões de nenhum fabricante. E também porque a busca de maiores espaços de mercado gera, ocasionalmente, modificações apreciáveis nesse panorama. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 31 Tabela II.2 - Faixas de aplicação dos compressores ROSSERPMOC OÃZAV ADARIPSA )nim/³m( P2 )aPk(xam P2 P/ 1 xaM ovitanretlA 052étA siamuo000052 )ordnilicrop(0,4 satehlaP 08a2 009 )açacracrop(0,4 sosufaraP 007a01 0054 )açacracrop(0,4 sogufírtneC 0082a05 00007 açacracrop(0,01 solpitlúmed .)soigátse siaixA 00052a0051 0001 açacracrop(0,6 solpitlúmed )soigátse Os compressores alternativos foram as primeiras máquinas de compressão de gases a serem construídas, ainda no século passado. Mesmo proporcionando vazões muito baixas, esses compressores se mantiveram absolutos até o meio desse século, quando começaram a ser montadas plantas industriais de grande capacidade. A partir de então, passaram a sofrer a concorrência dos demais tipos de compressores em todas as faixas de aplicação, à exceção daquelas caracterizadas por baixas vazões e altas pressões de descarga. Quanto aos dados fornecidos pela Tabela II.2, convém destacar que vazões da ordem de 250 m³/min, mesmo sendo baixas em termos industriais, só podem ser conseguidas com compressores alternativos policilíndricos de grande porte. Pelo exame da Tabela II.2, pode-se perceber que os compressores do tipo centrífugos são mais versáteis que todos os demais. Podem operar com um amplo espectro de vazões e possuem um limite máximo de pressão de descarga relativamente alto. Essa versatilidade, aliada a um projeto que inclui poucos componentes sujeitos a quebra ou desgaste, faz com que esta máquina seja a preferida para uso em processamento industrial. É relativamente tolerante à presença de líquido e pode, muitas vezes, ultrapassar cinco anos em campanha. Apresenta, todavia, alguma dificuldade de operação pela sensibilidade às variações nos parâmetros do processo. Atualmente, começa a ser fabricada no Brasil. Os compressores axiais prestam-se a serviços que requeiram vazões extremamente elevadas e baixas pressões de descarga (a primeira condição está quase sempre aliada à segunda). Para tal fim, superam os compressores centrífugos, porque o fluxo está menos sujeito a MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO32 mudanças de direção, e isso lhes confere maior compacidade e eficiência aerodinâmica. Nessa faixa de aplicação, o fluido comprimido é quase sempre o ar, de modo que o projeto do compressor pode ser adaptado das turbinas a gás. Representa, no entanto, uma fração muito pequena no total das instalações industriais de compressão. É importante frisar que a escolha baseada no custo inicial pode, muitas vezes levar a decisões inadequadas. O custo inicial representa apenas 12% do custo total durante a vida útil de um compressor, mais 12% se devem a gastos com manutenção e os restantes 76% são relativos a custos com energia elétrica nesse caso, para o acionamento. Rendimento dos compressores. A avaliação e comparação das eficiências e capacidades de compressores não é uma tarefa fácil. Uma avaliação preliminar do rendimento dos compressores pode ser feita a partir dos catálogos dos fabricantes. Os catálogos costumam apresentar a potência dos motores instalados nos compressores e a vazão máxima do equipamento. A razão entre os dois valores nos fornece uma primeira idéia do consumo especifico: 33 m kWh h m kW V P == O gráfico da Figura II.2 apresenta os consumos específicos médios de diversos tipos e tamanhos de compressores. Figura II.2 - Consumo específico médio dos compressores MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 35 relação à pressão de trabalho, utilizando como exemplo ferramentas de um modo geral e martelete de impacto. Considerou-se que a pressão de operação especificada é de 6 bar. Tabela II.4 - Variação da performance com a pressão EDOÃSSERP OÃÇAREPO OHNEPMESED OVITALER OHNEPMESED OVITALER EDOMUSNOC OVITALERRA EDOMUSNOC OVITALERRA )rab( atnemarreF oletraM atnemarreF oletraM 7 021 031 511 021 6 001 001 001 001 5 77 77 38 77 4 55 35 46 65 Em certas aplicações, as pressões de trabalho necessárias para o acionamento de vários consumidores são bem diferentes. Uma situação como esta deve ser examinada com mais profundidade, para uma solução mais econômica. É o caso de alguns poucos equipamentos com consumo baixo de ar comprimido, mas que necessitam de pressões de trabalho bem maiores que os outros equipamentos que estão em maior quantidade. Nesse caso, um compressor pequeno secundário pode ser instalado para atender em rede separada, com pressão de desligamento P max mais alta. Normalmente, o aumento da pressão de trabalho para atender a todos os equipamentos é antieconômica. A melhor solução consiste em separar as redes e instalar compressores menores para atender os casos especiais. 1.2.5 - Recuperação de calor de compressão É conveniente ressaltar que 80% da energia gasta na compressão se transforma em calor e que parte do calor produzido pelo compressor e seu motor se transmitem para o ambiente. No caso dos compressores resfriados a ar, o calor dissipado pode superar em até 70% da energia elétrica consumida pelo motor e nos compressores resfriados a água o calor transmitido para a sala dos compressores pode atingir valores da ordem de 15% do seu consumo. Quando se produz o ar comprimido, ocorre o aquecimento do ar no final da compressão. Este calor é normalmente retirado do ar comprimido por resfriamento (usando um trocador de calor, “cooler”), utilizando-se água ou ar. A seguir, o ar ou a água aquecidos pelo calor do ar comprimido são lançados na atmosfera, no esgoto ou numa torre de refrigeração. Aí se encontra um foco bastante grande do mau uso da energia. Calcula-se que um sistema de ar comprimido que consome 500 kW durante 8000 horas de funcionando por ano MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO36 corresponde a uma perda de energia de 4 milhões de kWh/ano de energia térmica, que poderia ser recuperada. A figura II.3 mostra como a energia térmica gerada na compressão é distribuída. É fácil observar que é possível recuperar até 94% da energia consumida no eixo do com- pressor, na forma de calor. Figura II.3 - Energia recuperável A Figura II.4 mostra um esquemático de aquecimento de água para banho dos funcionários de uma fábrica. Figura II.4 - Esquema de recuperação possível de energia térmica MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 37 A tabela II.5 mostra a energia recuperada de acordo com a vazão efetiva de um compressor Tabela II.5 - Energia recuperada ELD ROLACEDAXAT 0002MEAHNAGEDADITNAUQ OÃÇAREPOEDSAROH OELÓ nim/³m Wk ona/hWk ona/³m 4,6 43 000.86 0,01 4,7 04 000.08 8,11 4,11 15 000.201 0,51 0,41 16 000.221 9,71 7,81 29 000.481 1,72 6,12 901 000.812 1,23 2,32 811 000.632 7,43 9,72 731 000.472 3,04 8,43 671 000.253 8,15 1,34 512 000.034 2,36 9,64 532 000.074 1,86 5,64 922 000.854 4,76 3,15 352 000.605 7,47 9,65 482 000.865 5,38 9,26 913 000836 8,39 7,96 663 000.237 801 4,57 953 000.817 601 2,38 293 000.487 511 6,301 094 000.089 441 5,421 206 000.002.1 771 1.2.6 - Redução de perdas por manutenção preventiva inadequada Tal como ocorre com os equipamentos eletromecânicos, os sistemas de ar comprimido industrial necessitam de manutenção periódica para operar com eficiência elevada e MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO40 Figura II.5 - Controle em cascata A queda de pressão em um sistema com quatro compressores pode chegar a 1,4 bar. Com a utilização de pressostatos eletrônicos, os limites de operação de cada compressor indi- vidual podem ser reduzidos para 0,2 bar, e a queda de pressão no sistema para 0,7 bar. Recomenda-se controlar, no máximo, quatro compressores por este método, pois as perdas no sistema decorrentes da largura da banda da pressão podem ser elevadas. Controles de carga/vazio. A maioria dos compressores utilizam motores assíncronos. O número de ciclos de liga/desliga permissível diminui com o aumento da potência destes motores, e este número não corresponde à quantidade de ciclos necessária para manter o nível de pressão do sistema em uma faixa estreita. Por este motivo, quando a pressão máxima é atingida, o compressor entra em alívio; ou seja, abre uma válvula interna, não realizando a compressão do ar. Porém, o motor continua em funcionamento por algum tempo, consumindo cerca de 20% da energia necessária para operar o compressor a plena carga. Inversores de freqüência. Compressores controlados por variadores de velocidades não apresentam rendimento constante na faixa de regulação. Em um motor de 120 hp o rendimento cai de 94% para 86%. A este fato somam-se as perdas do compressor e o comportamento não linear da potência dos compressores. Utilizados de forma errada, os variadores de freqüência podem aumentar o consumo de energia elétrica sem que seja notado pelo operador do sistema. A instalação de conversores de freqüência somente se justifica em compressores utilizados para atender a cargas variáveis, pois nos compressores para a carga básica não devem ser utilizados. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 41 Controle centralizado. Os controles centralizados são sistemas eletrônicos que coordenam o funcionamento de um conjunto de compressores. Os compressores devem permitir o seu gerenciamento, a transmissão e o recebimento de dados para o controlador central. Os compressores são agrupados de acordo com sua função (carga básica ou de pico), podendo ser de potências iguais ou diferentes. A coordenação dos compressores é uma atividade complexa, e o controle centralizado deve ser capaz não só de gerenciar o funcionamento dos compressores, como de permitir a utilização uniforme dos mesmos, garantindo uma utilização e a ocorrência de desgastes parecidos entre todos os compressores, reduzindo os custos de manutenção. Um pré-requisito para um controle eficiente (redução de custos com energia elétrica) é a graduação uniforme das capacidades dos compressores. A soma das capacidades dos compressores de carga de pico deve ser superior à capacidade do próximo compressor de carga básica. Da mesma forma, utilizando-se um compressor com inversor de freqüência, a faixa de capacidade do mesmo deverá ser superior à capacidade do próximo compressor de carga básica a ser acionado. De outra forma a operação econômica dos compressores fica comprometida. A comunicação entre os compressores e o comando central deve ser confiável, inclusive com a comunicação de perda de sinais devidos; por exemplo, a cabos partidos. Gerenciamento por faixa de controle. Utilizando-se de “faixa de pressão” de amplitude definida, diversos compressores são gerenciados de modo a manter a pressão do sistema entre os limites definidos. O gerenciamento vetorial determina a queda ou o aumento da pressão no sistema entre os limites estabelecidos e calcula o consumo de ar momentâneo. Os compressores reagem retroativamente à solicitação de ar do sistema. Em sistemas com consumo muito variável, este tipo de controle pode levar a vibrações na tubulação, exigindo medidas contra pulsações. A amplitude mínima de pressão a ser obtida por um controle deste tipo fica por volta de 0,5 bar. A análise de tendência, por sua vez, permite um controle mais eficiente, pois permite am- plitudes de 0,2 bar para a faixa de controle. Este tipo de controle analisa o padrão de consumo de ar e calcula a tendência de consumo, permitindo o acionamento dos compressores à frente da solicitação de ar comprimido pelo sistema. Sistemas de análise de tendência trabalham com uma precisão ente 0,01 e 0,03 bar, permitindo o gerenciamento de sistemas com variações bruscas de demanda de ar comprimido. É tecnicamente viável coordenar até 16 compressores simultaneamente com uma amplitude de 0,2 bar para a faixa de controle. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO42 Controladores de pressão/fluxo. Controladores de pressão/fluxo (P/FC) são sistemas de controle de pressão que podem ser usados em conjunto com controles de compressor individual ou de múltiplos compressores, como descrito acima. Um P/FC não controla diretamente um compressor e isso, geralmente, não é parte integrante do compressor. Um P/FC é um dispositivo que serve para separar (isolar) o lado do suprimento de um com- pressor do lado da demanda, necessitando de um reservatório para a armazenagem do ar comprimido. Uma das razões para o custo demasiadamente elevado do ar comprimido é o fato de os compressores nem sempre terem sido adequadamente dimensionados para as necessidades de variação de consumo da instalação. Não é raro encontrar compressores trabalhando com carregamento médio de 50%, fato que não é possível verificar pela instrumentação do compressor se o mesmo apresenta somente um horímetro com as horas totais trabalhadas, mas não com as horas trabalhadas em carga parcial ou em alívio. Em sistemas de controles bem ajustados, o carregamento dos compressores pode ser elevado a 90%, gerando uma economia de energia elétrica de 20% ou mais. 1.2.8 - Redução de perdas usando reservatório e sistema de estabilização de pressão O compressor, usualmente, funciona fornecendo ar para um reservatório. Considera-se que os resfriadores posteriores, ou aftercoolers, são parte integrante dos compressores. As necessidades instantâneas de ar comprimido da instalação são cobertas pelo reservatório, que, enquanto está cedendo ar para a instalação, permite que o compressor permaneça desligado ou funcione de modo contínuo, sem quedas bruscas de pressão. A armazenagem compensa as flutuações no consumo e atende aos picos de consumo. Como o motor elétrico é desligado poucas vezes, o seu desgaste é reduzido. Em algumas instalações, vários reservatórios podem ser necessários. Instalações de grande porte configuram casos em que se empregam vários reservatórios. O volume do reservatório é determinado pela DLE do compressor, pelo sistema de controle e pelo consumo de ar comprimido. Os reservatórios de ar comprimido desempenham tarefas importantes nos sistemas pneumáticos. Redução da oscilação do ar comprimido. Devido ao seu princípio de operação, os compressores de pistão fornecem uma vazão pulsante. As flutuações na pressão, às vezes, prejudicam o funcionamento dos equipamentos e dispositivos consumidores. Os instrumentos de controle de operação e medição reagem muito mal a estas flutuações e podem apresentar erros drásticos. Os reservatórios são usados para balancear tais flutuações de pressão. Nos compressores do tipo de parafusos, o aparecimento dos problemas citados acima é muito reduzido, devido ao seu princípio de funcionamento na produção do ar comprimido. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 45 Secagem do ar comprimido. Uma parte importante no tratamento do ar comprimido é cumprida pela retirada da água do ar comprimido. Esta ação, denominada secagem do ar comprimido, oferece inúmeras vantagens aos usuários de ar comprimido, em termos de qualidade, durabilidade e manutenbilidade. Aftercooler ou resfriador posterior de ar comprimido. O aftercooler é um trocador de calor, que resfria o ar comprimido, possibilitando a precipitação primária do condensado, evitando que a água fique nas tubulações. O resfriamento do ar comprimido pode ser realizado por água ou ar. A posição de instalação deverá ser logo após o compressor, antes do reservatório e do sistema de secagem do ar. Cerca de 80-90% do condensado deverão ser precipitados pela ação do aftercooler e do secador. De modo geral, o ar comprimido deixa o aftercooler com a temperatura 10ºC acima da do fluido de resfriamento usado: ar ou água. Atualmente, os resfriadores posteriores estão incorporados ao compressor em um único conjunto. Os métodos de secagem usam os princípios de: condensação, sorção e difusão para a retirada da água contida no ar. • Condensação. Consiste na precipitação da água quando o ar é resfriado do seu ponto de orvalho. • Sorção. É a secagem por remoção química da umidade. Neste processo, o ar é obrigado a entrar em contato com um material higroscópico, que poderá ser líquido ou sólido (exemplo: cloreto de sódio e ácido sulfúrico). • Difusão. É a secagem por transferência molecular em película. Com o tempo de uso, a película tem que ser regenerada. Existem dois tipos de regeneração: a frio e a quente. Embora exista a possibilidade de utilização de secadores de todos os tipos, a realidade mostra que para o uso normal de ar industrial os secadores que funcionam na base de condensação, denominados secadores de ar por refrigeração, são, de longe, os mais utilizados. O uso de secadores de sorção exige o consumo de material higroscópico, de parcela do ar produzido e de uma fonte de energia para regeneração do material secante. Deste modo, torna-se um processo menos eficiente e mais caro. Entretanto, este tipo de secador deve ser empregado quando se deseja um ar praticamente isento de água, pois ele pode levar o ponto de orvalho a -40°C, enquanto os secadores por refrigeração, para as mesmas condições, atingem pontos de orvalho entre 2 e 10°C. Como seu emprego para secagem completa é limitado a aplicações específicas, faremos considerações somente sobre o uso de secadores de ar por refrigeração. Primeiramente, verificaremos onde deve ser posicionado o secador num circuito de ar comprimido. Posicionamento dos secadores com relação ao reservatório de ar. Existem duas MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO46 possibilidades de arranjo de um sistema de secagem do ar comprimido por refrigeração em uma instalação. O sistema pode ser instalado antes ou depois do reservatório de ar comprimido. A decisão de se utilizar uma ou outra situação depende das considerações sobre as vantagens e desvantagens da escolha. Filtragem do ar comprimido. Os filtros utilizados nas instalações têm a função de retirar partículas sólidas e óleo presentes no ar comprimido. Filtros e terminologia dos filtros a) Filtros coalescentes • Filtros coalescentes grau AO Usados para a remoção de partículas de até 1 micron, inclusive água e óleo condensado. A remoção de óleo prescreve um residual máximo de óleo de 0,5 mg/m³ de ar a 21oC. • Filtros coalescentes grau AA Usados para a remoção de partículas de até 0,01 micron, inclusive água e óleo condensado. A remoção de óleo prescreve um residual máximo de óleo de 0,01 mg/ m³ de ar a 21oC. A instalação deste filtro deve ser precedida em série por um filtro coalescente do grau AO. • Filtros coalescentes grau ACS e AC (carvão ativo) Usados para a remoção de vapores de óleo, propiciando um conteúdo remanescente máximo de óleo menor que 0,003 mg/m³ de ar (0,003 ppm) a 21oC. A instalação deste filtro deve ser precedida em série por um filtro coalescente do grau AA. Os filtros ACS e AC não removem CO/ CO 2 ou qualquer outro gás tóxico. A concentração é usualmente medida pela proporção do peso das impurezas pelo volume [mg/m3 ] do ar comprimido. Para concentrações muito baixas, a medida de concentração é usualmente definida pelo número de partículas por unidade de volume [nº de partículas/ cm3]. A quantidade de partículas por unidade de volume como medida de concentração é utilizada para medir a eficiência de filtragem de filtros de alto desempenho. A medição precisa e acurada do peso e ou quantidade de partículas por unidade de volume envolve muito trabalho e instrumentos de medição delicados. 1.2.10 - Redução de perdas na drenagem do condensado A compressão produz a umidade em forma de gotas de água (condensado). Esta água é usualmente drenada de dentro do reservatório. Parte do calor gerado no ar devido à compressão é retirada e cedida ao meio que envolve o reservatório pelas superfícies externas do reservatório, e então o ar é resfriado. Esse resfriamento é que origina o fato de grande parte do condensado ser precipitado nas paredes internas do reservatório. O MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 47 condensado é coletado no fundo do reservatório e removido para o exterior por meio de um conjunto adequado de drenagem. Nos reservatórios em instalações onde na grande parte do tempo ficam sem funcionar, as paredes poderão ter corrosão pelo condensado. A galvanização das superfícies em contato com o condensado pode reduzir este problema. Porém, se o condensado é drenado constante e regularmente, não é absolutamente essencial a galvanização. Quando o condensado contém concentrações de agentes agressivos, a galvanização é absolutamente necessária. Sempre e onde aparecer nos sistemas pneumáticos, o condensado deve ser drenado. Caso contrário, ele tomará conta de toda a tubulação, e o ar o transportará para onde for. A coleta e a eliminação de condensado representa um custo operacional obrigatório. O condensado deve ser drenado também para que possam se manter as perdas de pressão do sistema sob controle. Deve-se levar em conta que a formação de condensado não ocorre em regime constante. A quantidade de condensado varia com a vazão, a temperatura e a umidade do ar que é aspirado pelo compressor. Classificação dos tipos de drenagem para condensado. Para selecionar o tipo de drenagem de condensado a ser usado, devem-se observar o tipo de condensado e as condições de formação do mesmo. A partir daí, deve-se escolher o tipo de drenagem a ser utilizado. Para cada local de aplicação do ar comprimido, o condensado gerado irá orientar o uso. Alguns fatores que devem ser levados em conta são: - condensados muito agressivos; - condensados pastosos; - áreas com perigo de explosão; - redes que operam com pressões muito baixas ou mesmo vácuo; e - redes que operam com pressões muito altas ou super altas. Drenagem por meio de válvulas manuais. O condensado deverá ser coletado em recipientes apropriados, onde poderá ser também armazenado por algum tempo. O pessoal de operação deverá verificar o nível deste recipiente em intervalos de tempo regulares. Se necessário, o condensado deverá ser drenado, por meio da abertura de uma válvula manual instalada no fundo do recipiente, e ser esgotado direto para o esgoto. Suas principais características são: - construção simples e barata; - não necessita do uso de eletricidade; e - não tem alarme ou aviso de que o reservatório esteja cheio (portanto, a verificação de nível de condensado deverá ser feita em intervalos de tempo regulares). MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO50 contato 3, o controle atua e liga um alarme. Suas principais características são: - exigência de limpeza periódica; - não causam perda de pressão; e - existência de contato elétrico. 1.3 - Exemplos Exemplo 1 - Compressor do tipo parafuso aspirando ar no interior da casa de máquinas. - Temperatura do ar aspirado dentro da casa de máquinas: 41ºC. - Temperatura do ar atmosférico: 32ºC. - Procedimento de melhoria: instalação de um duto de aspiração ligando o filtro primário ao exterior da casa de máquinas. - Resultado esperado: redução no consumo de energia elétrica. Procedimento: - Da Tabela II.1, o valor para 41ºC (obtido por interpolação entre os valores 38ºC e 43ºC) é igual a 6,8% (incremento) - Da Tabela II.1, para 32ºC = 3,8% - Diferença de incrementos: 6,8 - 3,8 = 3% - Percentual de 3,0% energia economizada sobre o que se estiver consumindo até então. Considerando tratar-se de um motor elétrico de 150 CV, cuja potência de trabalho média em regime de compressão é da ordem de 93 kW, e que o ciclo de trabalho opera 11 horas por dia e 26 dias por mês de compressão efetiva, tem-se: - Consumo médio mensal anterior: 26.598 kWh. - Economia mensal com a redução da temperatura do ar aspirado: 798 kWh. - Considerando-se um preço médio de 0,20 R$/kWh, economiza-se a importância de R$ 159,60/mês ou R$1.915,00/ano. Exemplo 2 – Compressor de pistão operando com a pressão de desarme de 8,5 bar. – Pressão de trabalho dos equipamentos pneumáticos = 6 bar. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 51 – Pressão ideal de desarme (considerando as perdas normais do sistema) = 6 + 0,8 = 6,8 bar. – Pressão de desarme excedente = 8,5 - 6,8 = 1,7 bar. – Potência correspondente à pressão de desarme = 7,14 cv/m3/min (valor obtido por interpolação na Tabela II.3). – Potência correspondente à pressão de desarme ideal = 6,43 cv/m3/min (valor obtido por interpolação na Tabela II.3). – Potência devida ao excedente de pressão = 7,14 - 6,43 = 0,71 cv/m3/min (que representa 11% de aumento sobre o consumo e sobre o valor da potência correspondente ao valor da pressão ideal). – Percentual de redução de potência e de energia elétrica consumida no motor de acionamento do compressor 11%. Considerando que se trata de um motor de 60 cv, cuja potência de trabalho média em regime de compressão é da ordem de 39 kW, e que o ciclo de trabalho opera 16 horas por dia durante 30 dias por mês em compressão efetiva, têm-se: – Consumo médio, considerando a pressão de desarme excedente: 18 720 kWh/mês. – Potencial de economia com a redução de 1,7 bar na pressão de desarme: 2059 kWh/mês. – Redução de custos com energia elétrica, considerando o preço médio de 0,20 R$/ kWh = R$ 411,00/mês ou R$ 4 941,00/ano. Exemplo 3 Uma instalação com três compressores trabalhando entre 8 e 7 bar (∆P = 1), cada um com DLE de 2 m³/min (33,33 l/s), a 8 bar, reservatório de 3.000 l e temperatura ambiente de 30°C. Os motores de acionamento possuem ciclos mínimos de 5 minutos, isto é, taxa de ciclos seguidos do motor -T C = 12, potência em carga de 12 kW e em alívio de 2,5 kW. O sistema demanda 3,6 m³/min (60 l/s) em média, mas apresenta uma demanda adicional de 2,4 m³/min (40 l/s) durante 20 segundos a cada 10 minutos. Dois compressores estão regulados para, ao atingir a pressão de 8 bar na rede de ar, entrarem em alívio, assim permanecendo até que a pressão reduza a 7 bar. Se após 5 minutos a pressão não atingir esse valor, eles são desligados. O outro compressor, que está regulado para uma faixa de pressão maior, trabalha continuamente, conforme verificado. O sistema funciona 24 h/dia, 720 h/mês. Devem-se verificar as opções de otimização atuando no tamanho do reservatório e/ou no diferencial de pressão. Considerações iniciais: MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO52 Figura II.6 - Croqui do exemplo O sistema demanda 100 l/s por 20 s a cada 10 minutos e 60 l/s no tempo restante. O reservatório abastece o sistema. Quando a pressão atinge 8 bar, os compressores 2 e 3 entram em alívio, até que a pressão atinja 7 bar. Verifiquemos o ciclo de funcionamento do sistema, partindo do reservatório cheio (P 1 = 8 bar ; V 1 = 3 m³; ρ1 = 10,47 kg / m³), para a situação de acionamento dos dois compressores (P 2 = 7 bar ; V 2 = 3 m³; ρ2 = 9,31 kg / m³). Da equação geral dos gases P. V = m . R . T R = constante do ar m = ρ . V O volume permanece o mesmo, mas a massa varia. Considerando que a temperatura será a restabelecida e constante, podemos escrever que: P / m = constante Logo: P 1 / m 1 = P 2 / m 2 m 2 = P 2 . m 1 / P 1 m 2 = P 2abs . ρ 1 . V 1 / (P 1abs . ρ 2 ) (4.6) Utilizando os dados, temos que m 1 = 31,42 kg e m 2 = 27,93 kg. Teremos as seguintes situações, num ciclo: t0 – reservatório a 8 bar, compressor 1 com vazão de 33,33 l/s e demanda do sistema de 100 l /s, reservatório perdendo massa. t1 - ao se perder 3,49 kg de ar, os compressores 2 e 3 serão acionados - demanda e produção igual a 100l/s. t2 - até os 20s, a pressão do reservatório ficará constante. t3 - Retornando a demanda para 60 l/s, os 40 l/s excedentes “encherão” o reservatório de novo até a pressão de 8 bar, entrando os dois compressores em alívio. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 55 Tabela II.8 - Alternativas encontradas AVITANRETLA OIRÓTAVRESERODEMULOV AMINÍMOÃSSERP oãsserpadoãçuder-1 ³m0,3 rab5 oirótavreserodotnemua-2 ³m2,9 rab7 sabma-3 ³m6,4 rab6 Caberá ao pessoal do processo verificar se é possível reduzir a pressão sem prejudicar a produção. Quaisquer das soluções promoverá uma economia de 12% do consumo de energia e poderá reduzir a demanda em até 12 kW. Existem outras soluções: utilizando ou não o terceiro compressor; atuando no tempo de alívio; e automatizando o funcionamento dos compressores com a demanda. Há outras, que não são o objetivo do tema estudado. O arquivo “exerciciocap4”, que consta no CD que acompanha este Manual, apresenta as planilhas usadas no cálculo. Exemplo 4 Este exemplo mostra como determinar a vazão de condensado, Qc, que realmente irá se precipitar quando o ar é comprimido. Este volume é o que deverá ser retirado do sistema. Ar atmosférico é aspirado a pressão de 1 bar abs , temperatura de bulbo seco de 35ºC, umidade relativa e a máxima fornecida pela meteorologia de 80% e 39,6 g/m³, descarga livre (DLL) de 2000 m³/h na pressão final P 2 = 7 bar (8 bar abs ). A instalação de compressão compreende um compressor em série com um “aftercooler” (resfriador posterior de ar), um reservatório de ar comprimido e um secador de ar comprimido por refrigeração e as condições conforme mostradas no esquema representado na Figura II.7. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO56 Figura II.7 – Condições do exemplo O ar atmosférico contém uma quantidade de água. No caso acima, a vazão de água aspirada é dada por: Q agua = DLL x G s x UR Q agua = 2000 x 0,0396 x 0,80 = 63,4 kg/h ≅ 63,4 l/h No compressor, o ar é aquecido por compressão a P 2 . Imediatamente, é resfriado pelo aftercooler, que leva o ar a atingir a temperatura de 40°C, alcançando 100% de umidade relativa, e aí o condensado se precipita (Q c1 ). Na prática, não é possível coletar todo o condensado, pois parcela é arrastada pelo fluxo de ar. Assumindo uma eficiência (ε) do aftercooler de 90%, temos: Q Rc = Q c . ε Q c1 = Q agua - (DLE 2 x G s2 x UR 2 ) DLE 2 = DLL / P 2 = 2000 / 8 = 250 m3/h G s2 = 50,7 g de água/ m³ , da Tabela II.9 Q c1 = 63,4 - ( 250 x 0,0507 x 1) = 50,7 kg/h ≅ 50,7 l/h Q Rc1 = 50,7 x 0,9 = 45,6 kg/h A vazão de água contida no ar que vai para o reservatório será: Q agua2 = Q agua - Q Rc1 = 63,4 – 45,6 = 17,8 kg/h MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 57 Logo após, ao entrar no reservatório, sofre ligeira expansão, e sua temperatura equaliza com a do ambiente, de 35°C (G s3 = 39,6 g/m³), UR de 100%. No reservatório, nova quantidade de condensado se precipita (Q Rc2 ). Mantendo a eficiência de drenagem em 90%, temos: Q Rc2 = Q c2 . ε Q c2 = Q agua2 - (DLE 3 x G s3 x UR 3 ) Q c2 = 17,8 - ( 250 x 0,0396 x 1) = 7,9 kg/h ≅ 7,9 l/h Q Rc2 = 7,9 x 0,9 = 7,1 kg/h Tabela II.9 - Máxima umidade do ar ARUTAREPMET OÃÇARUTASEDOÃSSERP AMIXÁMEDADIMU )C°( )rab( )³m/g( 0 32600,0 8,4 5 19800,0 1,7 01 15210,0 4,9 51 83710,0 8,21 02 38320,0 3,71 52 92230,0 0,32 03 52340,0 4,03 53 33750,0 6,93 04 02570,0 7,05 54 17790,0 4,56 05 87521,0 3,28 A vazão de água contida no ar que vai para o reservatório será: Q agua3 = Q agua2 - Q Rc2 = 17,8 – 7,1 = 10,7 kg/h Depois, o ar comprimido será resfriado no secador por refrigeração na temperatura de 5°C. O condensado do ar será todo precipitado e drenado do secador, (Q Rc3 ). Como há uma perda de carga (0,1 bar), o DLE terá que ajustado. Q Rc3 = Q agua3 – DLE 4 x G s4 x UR 4 G s4 = 7,1 g de água /m³, da Tabela II.9 Q Rc3 = 10,7 – 250 x (8 / 7,9) x 0,0071 = 8,9 kg/h ≅ 8,9 l/h A vazão de água contida no ar que vai para a rede será: Q agua4 = Q agua3 - Q Rc3 = 10,7 – 8,9 = 1,8 kg/h MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO60 já que o ar poderá chegar até o ponto de consumo por carrinhos diferentes. Com este traçado, as velocidades de escoamento são menores em qualquer ponto e, portanto, as perdas de carga também são menores. 2.2 - Áreas de oportunidade para melhorar a eficiência na distribuição do ar comprimido Considerando o enfoque nos parâmetros que atuam para a redução do consumo e potência, as oportunidades de eficientização nas instalações de distribuição de ar comprimido são relatadas a seguir. 2.2.1 - Redução de perdas devido à queda de pressão (perdas de carga na tubulação) A queda de pressão no sistema de distribuição implica pressões mais baixas nos pontos de consumo de ar do que na descarga do compressor e, conseqüentemente, também decréscimo na potência disponibilizada para as ferramentas, máquinas ou outros consumidores de ar comprimido. Se a queda de pressão, ou perda de carga, é tão alta que a pressão de trabalho é menor que a pressão prescrita, a perda de potência é proporcionalmente muito maior do que a queda de pressão. A potência desenvolvida por uma ferramenta a 5,0 bar, por exemplo, é de somente 45% a 50% da potência fornecida com a pressão de 7,0 bar. Por esse motivo, a rede de distribuição deve ser corretamente dimensionada, já considerando ampliações futuras, de modo que um posterior acréscimo no consumo não prejudique todo o sistema e torne necessária a substituição da rede inteira. Isso se aplica, acima de tudo, para o ramal principal. O custo inicial é largamente compensado pelos ganhos operacionais. Às vezes, uma grande queda de pressão na rede é compensada pelo aumento da pressão de trabalho do compressor; por exemplo, de 7,0 para 8,8 bar. No caso de diminuição do consumo, a pressão ficará acima do desejado, aumentando as perdas por vazamentos. Além disso, nem todas ferramentas são projetadas para resistir tais aumentos. Perda de pressões admissíveis (DP). Os seguintes valores são encontrados adotados na prática para não comprometer a eficiência do sistema: - perda máxima de pressão para o ponto mais afastado do compressor: 0,3 bar; - tubulações principais (mestras): 0,02 bar para cada 100 metros de tubo; - tubulações secundárias: 0,08 bar para cada 100 metros de tubo; - tubulações de acesso direto ao consumidor: 0,2 bar para cada 100 metros de tubo; e MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 61 - mangueiras de alimentação de marteletes, perfuratrizes etc: 0,4 bar para cada 100 metros de mangueira. Velocidades permitidas para o ar nas tubulações (v) - Tubulações principais: 6 a 8 m/s; - Tubulações secundárias: 8 a 10 m/s; - Mangueiras: 15 a 30 m/s Linhas com excesso de curvas e com mudanças de direção exageradas causam aumento das perdas de carga a serem vencidas pelo compressor e também levam a uma regulagem de pressão de desarme muito alta, causando maior tempo de funcionamento do compres- sor e levando ao consumo maior de potência e energia elétrica. As redes de distribuição de ar comprimido devem ser projetadas de modo que a queda de pressão total - do compressor até o ponto de consumo mais distante - não exceda 0,3 bar. Para o caso de instalações que cobrem grandes áreas, como minas e pedreiras, uma queda de pressão maior no sistema de tubos pode ser aceita, mas não maior que 0,5 bar. Esta já inclui a queda de pressão nas mangueiras de borracha, luvas de acoplamento, engates rápidos e conexões. Especial atenção deve ser dada à dimensão dessas peças, pois as perdas mais sérias geralmente ocorrem nessas conexões. Embora em certos casos se utilize o alimentador em anel, isto é, em circuito fechado, a linha aberta é quase sempre preferida. O dimensionamento pode ser feito por dois critérios: o da velocidade e o da perda de carga. O primeiro deles é usado apenas para trechos curtos usando-se as seguintes velocidades recomendadas: tubulações principais - 6 a 8 m/s; ramais secundários - 8 a 10 m/s; e mangueiras - 15 até 30 m/s. O procedimento é bastante simples. Consiste em determinar o diâmetro a partir da vazão e pressão requerida, considerando as velocidades recomendadas conforme o tipo de trecho. {Q = A . v e A = (¶ . D² / 4) è D = 1,13 . (Q / v)½ } Em um sistema de distribuição já em operação a perda de carga, ou queda de pressão, poder ser facilmente determinada pela colocação de manômetro junto ao pondo de consumo do ar comprimido (ponto de uso final). A partir da leitura da pressão no reservatório e no ponto de uso final, obtém-se a queda de pressão para aquele ponto de uso final. Cada ponto de uso final poderá ter uma queda de pressão ligeiramente diferente dos outros, dependendo da distância e do trajeto que o ar percorre até chegar aos pontos de uso final. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO62 Obs.: Para mais detalhes sobre o cálculo de perda de carga de uma linha de distribuição a ser projetada, consultar o livro texto “EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO”, item 7.6.1. Perdas de carga e velocidades utilizadas nas tubulações. 2.2.2 - Redução de perdas devido aos vazamentos na distribuição Os vazamentos de ar comprimido são freqüentes e de origens diversas. Representam de 10% a 40% da demanda máxima de ar comprimido de um sistema. Esta variação tão ampla depende da configuração de cada sistema e dos cuidados de manutenção. O desgaste dos equipamentos e acessórios e com o mau uso do ar comprimido constituem as principais causas de perdas. O desgaste de um sistema de distribuição e de seus equipamentos é inevitável. Pode-se analisar esse fenômeno por dois aspectos: sistema principal de distribuição de ar; e sistema secundário acoplado a diversos equipamentos. De maneira geral, os sistemas de distribuição de ar comprimido podem ser configurados de diversas formas. Normalmente, a tubulação é conectada por meio de conexões roscadas, flangeadas ou soldadas. As conexões roscadas e flangeadas dão origem a vazamentos ao longo dos anos, em decorrência da perda gradual de vedação. Estas perdas são menos relevantes do que aquelas que ocorrem nos acoplamentos finais. A corrosão pode, da mesma forma, dar origem a vazamentos, sendo, portanto, recomendável que os tubos corroídos sejam trocados por razões de segurança e eficiência energética. O uso de mangueiras de material e/ou montagem inadequados também é outro item gerador de vazamentos. A maioria das perdas ocorre no acoplamento de um equipamento à tubulação do sistema de distribuição de ar. Todos os acessórios ou dispositivos são acoplados por meio de conexões com juntas de vedação, as quais, com o uso, deixam escapar o ar comprimido. As mangueiras podem furar ou trincar, devido ao envelhecimento. Os conjuntos de filtro-regulador-lubrificador ou separador de líquido podem apresentar vazamentos em vários locais, seja nos acoplamentos rosqueados de entrada e saída, no manômetro, no copo (que pode rachar) ou no dreno, que pode estar gasto ou mau fechado. Quanto aos engates rápidos, tanto no macho como na fêmea, podem apresentar perdas. As juntas de vedação dos cilindros pneumáticos podem apresentar vazamentos, sendo que o risco de vazamento será tanto maior quanto mais freqüente for o uso do cilindro. As válvulas de drenagem elétricas ou os purgadores mecânicos de condensado podem apresentar vazamento tanto nas conexões de acoplamento corno no próprio corpo, devido à presença de sujeira na sede da válvula de fechamento. Vazamentos de ar comprimido podem contribuir para problemas com as operações do sistema, incluindo: MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 65 Método prático para quantificar os vazamentos de uma instalação Será descrito a seguir um procedimento que revelará o quanto está se perdendo de ar por vazamento. • Pré-requisitos - A instalação consumidora de ar comprimido deverá estar fora de operação (os equipamentos consumidores devem estar ligados normalmente à rede, porém inoperantes). - Caso na instalação exista mais de um compressor para alimentar a rede, dá-se preferência ao de menor porte. Todas as características do compressor devem ser conhecidas, principalmente a vazão que pode produzir. - O manômetro instalado na rede ou no reservatório deverá estar funcionando perfeitamente e, se possível, calibrado. - São necessários dois cronômetros. - Utilizar os mesmos níveis de pressão que estiverem ajustados no pressostato de controle e certificar-se de que esteja funcionando perfeitamente. • Procedimento de teste - Ligar, manualmente, o compressor que será usado no teste, colocando-o em carga até que a pressão da rede atinja o valor de desarme. - Quando ocorrer o desarme (alívio), acionar o primeiro cronômetro, deixando-o funcionar durante todo o teste. - Assim que a pressão da linha cair e o compressor religar e entrar em regime de compressão, acionar o outro cronômetro, o qual deverá ser parado logo que novamente for atingida a pressão de desligamento. - Esta rotina deverá ser repetida pelo menos 5 vezes, para se obter maior precisão dos resultados. - Ao final da última repetição do teste, ambos os cronômetros devem ser desligados. Durante o teste, o volume de ar deslocado ao longo do tempo de compressão efetiva é aproximadamente equivalente ao ar que atravessa os orifícios de vazamento durante a somatória dos tempos de compressão e alívio do compressor (é como se os vazamentos fossem um consumidor virtual). Portanto, o volume de ar vazado multiplicado pela soma do tempo de alívio e o de compressão deve ser igual ao volume de ar comprimido durante os tempos de compressão. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO66 Q vaz x T = Q comp x t Q vaz = ( Q comp x t ) / T Em que: Q comp = capacidade nominal de produção do compressor usado no teste (m3/min); T = tempo total (alivio + compressão) registrado no primeiro cronômetro (min); Q vaz = vazão atribuída aos vazamentos (m3/min); e t = tempos do compressor em carga (compressão) registrado pelo segundo cronômetro. O valor obtido para Q vaz é a vazão atribuída aos vazamentos existentes, que poderá ser comparada com a capacidade de todos os compressores do sistema que operem em simultaneidade alimentando a mesma rede de ar sob análise, de forma que se possa quantificar o percentual global das perdas por vazamento (% perdas = Q vaz /Q global x 100), Q global é a vazão produzida por todos os compressores que funcionam com simultaneidade no sistema. Esse mesmo percentual poderá ser aplicado para o cálculo da energia elétrica perdida em kWh pelos motores elétricos. Calculados os consumos dos motores por medições reais e aplicando-se esse percentual à energia consumida, tem-se o valor da energia perdida pelos vazamentos. 2.3 - Exemplos Exemplo 1 Uma indústria química iniciou a implementação de um programa de prevenção de vazamentos, seguindo recomendações de uma auditoria em suas instalações de ar comprimido. O primeiro passo foi identificar os vazamentos. Os vazamentos encontrados foram agrupados de acordo com os tamanhos equivalentes aproximados dos furos: 100 vazamentos de 0,8 mm (1/32“) a 6,2 bar, 50 vazamentos de 1,6 mm (1/16”) a 6,2 bar e 10 vazamentos de 6,4 mm (1/4”) a 6,9 bar. Calcule a economia anual quando estes vazamentos forem eliminados. Assumindo que a indústria opera 7.000 horas por ano, que o custo da energia elétrica seja de R$0,15 por kWh e que a geração de ar comprimido consuma aproximadamente 6,36 kW / m3. Economia = nº de vazamentos x vazão de ar (m3) x kW/m3 x nº de horas x R$/kWh MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 67 Usando os valores da vazão de escape de ar dados na Tabela II.10 pode-se determinar: Economia dos vazamentos de 0,8 mm = 100 x 0,041 x 6,36 x 7.000 x 0,15 = R$ 27.380,00 Economia dos vazamentos de 1,6 mm = 50 x 0,162 x 6,36 x 7.000 x 0,15 = R$ 54.092,00 Economia dos vazamentos de 6,4 mm = 10 x 2,857x 6,36 x 7.000 x 0,15 = R$ 190.790,00 Total de economia anual com a eliminação dos vazamentos = R$ 272.262,00 Verifica-se que a economia com a eliminação dos 10 vazamentos de 6,4 mm foi responsável por mais de 70% do total da economia alcançada. Quando as perdas são identificadas, é importante priorizar e consertar as maiores primeiro. Exemplo 2 - Casa de máquinas: dois compressores tipo parafuso atendendo, em paralelo, à mesma rede de ar comprimido (um de 75 cv e outro de 125 cv). - Vazão de ar proporcionada pelo compressor de maior porte: 13,4 m3/min. - Vazão de ar proporcionada pelo compressor de menor porte: 7,5 m3/min. - Vazão máxima requerida pela instalação nos momentos de pico: 16 m3/min. - Pressão de desarme dos compressores: 7,1 bar. - Pressão de re-ligamento dos compressores: 6,3 bar. - Idade da instalação: 8 anos. - Estado de conservação: regular. - Vazamentos audíveis em alguns pontos. Teste realizado: - Equipamentos consumidores: desligados. - Compressor utilizado no teste: o de menor porte 75 cv, Q = 7,5 m3/min. - Pressões de tese: as mesmas de re-ligamento e desligamento. - Tempo de compressão em 6 ciclos de teste (t): 148 s = 9,9 min. - Tempo total de alivio e compressão (T): 594 s = 9,9 min. Q vaz = (Q comp x t) / T = ( 7,5 x 2,46) / 9,9 = 1,86 m3/min % perdas = 1,86 / (13,4 + 7,5) = 8,9 % Considerando que os motores elétricos que acionam os compressores operam por 480 horas/mês e que apresentam um consumo médio global de 70 560 kWh (compressão + MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO70 comprimido em diferentes pontos no sistema e permite a identificação dos componentes que estão causando excessiva queda de pressão. Requisitos da demanda de carga - Outro fator chave para o projeto e operação adequados de um sistema de ar comprimido é a análise do perfil da carga demandada. A variação da demanda é uma das principais considerações no projeto do sistema. Instalações com grandes variações na demanda de ar necessitam de um sistema que opere eficientemente sob carga parcial. Neste caso, múltiplos compressores com controles seqüenciais fornecem uma operação mais econômica. Instalações com perfil contínuo de carga podem usar estratégias de controle simples. 3.2.1 - Redução de perdas pela eliminação de usos inapropriados do ar comprimido A geração de ar comprimido é uma das operações mais caras em uma instalação industrial. Quando usado com sabedoria, o ar comprimido pode fornecer uma fonte segura e confiável de potência para os processos industriais. Usuários devem sempre considerar o custo efetivo do ar comprimido para as tarefas requeridas e eliminar demandas improdutivas. Usos inapropriados de ar comprimido incluem qualquer aplicação que possa ser executada por outro método mais eficiente energeticamente que por ar comprimido. A tabela II.12 fornece alguns usos de ar comprimido que podem ser inapropriados e sugestões de formas alternativas de realizar estas tarefas. MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 71 Tabela II.12 - Resumo de usos de ar comprimido que podem ser inapropriados ETNEMLAICNETOPSOSU SODAIRPORPANI SEÕÇA/SAVITANRETLAEDSEÕTSEGUS edossecorp,megaces,azepmiL otnemairfser serodalitnev,oãsserpaxiabedserodarpoS siacob,savocse/saruossav,socirtéle otnemahlivlop/otnemahlapsE eoãsserpaxiabedserodarpoS serodarutsim oãçazimota,oãçaripsA oãsserpaxiabedserodarpoS otnemacolseD oãsserpaidémarapaxiabedserodarpoS oucávedoãçareG ametsisuoadacidedoucávedabmoB oucávedlartnec laossepoãçazitamilC socirtélEserodalitneV xetrovropotnemairfser,sotrebasobuT mesodimirpmocraropodarepo otatsomret rauora/rarolacedrodacorT arapotatsomretmocodanoicidnoc otnemairfser raropodanoicarodarutsiM ocirtélerotomropodanoicarodarutsiM raasadarepoamgarfaidedsabmoB edadicolevedrodalortnocmocrodalugeR acirtéleabmob,odauqeda *sosoicosotnemapiuqE eraedadartneanaluvlávamueuqoloC etnemacitamotuaadalortnocajeseuq **sodanodnabasotnemapiuqE odraedotnemirpusoratcenocseD otnemapiuqe * Equipamentos que, temporariamente, não estão sendo usado durante o ciclo de produção. ** Equipamentos que não estão mais em uso ou devido a alterações de processo ou porque estão defeituosos. 3.2.2 - Substituição de ar comprimido nas aplicações de uso final de baixa pressão O ar comprimido é muito caro para ser produzido, pois deve ser limpo, prontamente disponível, e simples de usar. É freqüentemente escolhido para aplicações nas quais outros métodos ou fontes de ar podem ser mais econômicas. Para reduzir o custo de energia com ar comprimido, métodos alternativos de suprimento de baixa pressão para uso final devem ser considerados antes de utilizar ar comprimido em tais aplicações. Muitos métodos alternativos de suprimento para usos finais de baixa pressão podem permitir que a indústria alcance maior eficiência e produtividade em seus processos produtivos (Tabela II.13). MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO72 Tabela II.13 - Alternativas para aplicações de uso final de baixa pressão OSUEDSEÕÇACILPA AXIABMELANIF SETNETSIXEOÃSSERP SAVITANRETLA LAICNETOPME SEÕÇAREDISNOC ,atrebaadíasmocorpoS )oãçatiga(arutsim ,serodalitneV ,serodarpos siacob.serodarutsim -sedotrebaorposedseõçacilpA araP.odimirpmocramaçidrep atlaedsiacob,seõçacilpasatse ,uosodazilituresmedopaicnêicife ,oãsserpatlaoirássecenéoãnes .rodalitnevedosuoraredisnoc rarutsimedsocinâcemsodotéM aigrenesonemmasuetnemacipit .odimirpmocraoeuq saossepedotnemairfseR raeserodalitneV odanoicidnoc arapodimirpmocraedosuO -osoãnsaossepedotnemairfser mébmatsam,oracéetnem es-meved,osacetseN.osogirep -nocrauo/eserodalitnevrazilitu .odanoicid setrapedazepmiL ,saruossav,savocsE edabmob sahniotnevoucáv ,oãsserpaxiabedserodarpoS saruossav,socirtéleserodalitnev aicnêicifeatlaedsiacobesavocse siamoãssetrapedazepmilarap odimirpmocraoeuqsetneicife .saferatsiatrautefearap sabmobeserotoM raropsodanoica ,socirtéleserotoM sacinâcemsabmob rotommuropadazilaeraferatA -lamronedopodimirpmocraed -nêiciferoiammocatiefresetnem -élerotommuropacitégreneaic -irepsetneibmameotecxe,ocirt sabmobsA.)sovisolpxe(sosog euqsetneicifesiamoãssacinâcem amgarfaidolpudedsabmobsa amume,otnatertnE.raasadarepo meuo/eavisolpxearefsomta sabmobovisarbaotnemaebmob oãsserpedmegalugermoc ”ffotuhs“edelortnoceadauqeda -mocraedosuo)otnemagilsed( .odairporpasiamresedopodimirp MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 75 Tabela II.15 - Passos e ações para melhora eficiência SOSSAP SEÕÇA 1 euqlanifosuedseõçacilpasalepsodireuqeroãsserpedsievínsorasiveR edotafoleP.ametsisodoãsserpedlevínoranimretedmeved eraedomusnoconaçnerefidlaicnatsbusamuritsixeetnemetneüqerf setnerefidedseralimissatnemarrefropsodireuqeroãsserpedsievínson oãçacilpaaarapetnacirbafadacedserolavsoetnavel,setnacirbaf oãsserpmocaditimrepamixámoãsserpridnufnocoãN.acifícepse .adireuqer 2 -nemanoisnemidO.satnemarrefsadadartneanraodoãsserpararotinoM sodipársetagneeserodatpada,sarieugnamsadodauqedaniot adizuderoãsserpA.oãsserpedadeuqednargmeatluseretnemetneüqerf snuglame,eohnepmeseduesozuderatnemarrefamuedadartnean euqroteedadicolevaarapseroiamsatnemarrefrereuqeredop,sosac .ocifícepse 3 .agracmes”erviledadicolev“mocatnemarrefreuqlauqedoãçareporativE rerrocomesraraçidrepsedáriamrofatsedatnemarrefamuedoãçarepoA .litúohlabart 4 adatsagsedatnemarrefamU.lanifosuadacedoãçautisaenoicepsnI odimirpmocraedovissecxeomusnoc,oãsserpatlareuqeretnemlamron .sedadimixorpsanseõçareposartuoratefaedope 5 olepodacificepseomocsadacifirbulresmevedraasatnemarreF edervilratseevedlanifosuodotarapodicenrofraO.etnacirbaf .aicácifeausesatnemarrefsadadivarazimixamarap,odasnednoc 6 eoãsserpedseralimisedsotnemireuqermoclanifosuedseõçacilpA -ubutsaraziminimodnitimrep,sadapurgaresmevedraededadilauq .selortnoceraedotnematart,seõçal 7 sonseõsserpsatlaedsotnemireuqersorizuder,levíssopes,erailavA .ametsisodoãsserparatsujaadiugesmE.lanifosuedsotnop 8 edsaomocsetneicifenilanifosuedseõçacilpariutitsbuseragitsevnI .xetrovlacoboomocsiatsetneicifesiamseleuqaropotrebaotnemarpos MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO76 ASPECTOS ECONÔMICOS 4.1- Benchmarking para o custo de ar comprimido Benchmarking é a prática de determinar parâmetros chaves de operação de um sistema para fornecer pontos de comparação, constituindo-se em uma valiosa ferramenta de rastreamento do desempenho do sistema, de identificação de problemas e de determinação da eficácia de alterações implementadas no sistema. Alguns índices de referência práticos são: consumo específico do compressor, custo unitário do ar comprimido e necessidade de ar comprimido do produto final. Os índices de referência podem ser usados para comparar uma instalação com um sistema teórico para determinar o desempenho máximo atingível (eficiência clássica). Os índices de referência também são usados para comparar a operação atual com o histórico das operações passadas. Isto pode identificar as falhas potenciais dentro do sistema, bem como identificar oportunidades de melhorias da eficiência. Outro uso comum dos índices de referência é na comparação de instalações similares. 4.2 - Determinação do custo do ar comprimido para suas instalações Muitas instalações industriais necessitam, de alguma forma, de ar comprimido, seja para acionar uma simples ferramenta a ar ou para a realização de tarefas mais complicadas, como a operação e controle pneumático. Uma pesquisa recente do Departamento de Energia dos EUA mostrou que em uma instalação industrial típica aproximadamente 10% da energia elétrica consumida é para a geração de ar comprido. Para algumas instalações a geração de ar comprimido pode atingir 30% ou mais da eletricidade consumida. Ar comprimido é uma utilidade industrial gerada na própria indústria. Muito freqüentemente o custo de geração não é conhecido. Algumas companhias nos EUA usam valores de 6,40 a 10,60 dólares por 1000 m3 de ar. Ar comprimido é uma das formas de energia mais caras em uma planta industrial. A eficiência global de um sistema típico de ar comprimido pode ser tão baixa quanto 10% a 15%. Por exemplo, um compressor consome aproximadamente 7 a 8 kW para produzir 1 kW de ar comprimido. Para calcular o custo do comprimido produzido, usa-se a fórmula: 4 Custo ($) = (pcv)x(0,735)x(no de horas)x($/kWh)x(%tempo)x(%pcv - carga plena) Eficiência do Motor MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 77 em que: pcv - potencia (cv) do motor com carga plena (normalmente maior que a potência indicada na placa do motor); 0,735 - conversão entre cv e kW; % tempo – percentual do tempo trabalhando neste nível de operação; % pcv - plena carga - percentual do tempo a plena carga neste nível de operação; e Eficiência do Motor - Eficiência do Motor neste nível de operação. Exemplo Uma instalação típica de uma fábrica tem um compressor de 200 cv (o qual requer 215 pcv) operando 6800 horas por ano. O compressor opera a plena carga 85% do tempo (eficiência do motor = 95%) e opera em vazio o restante do tempo (25% pcv - carga plena e eficiência do motor = 90%). O custo da energia elétrica é de R$0,15/kWh. Custos quando totalmente operando carregado Custos quando operando vazio Custo anual = R$ 144 217,00 + R$ 6 716,00 = R$ 150 933,00 Perspectiva de custos durante a vida útil de 10 anos para um sistema de ar comprimido Os custos da energia são os principais fatores de economia. Um estudo profundo dos cus- tos da instalação deverá mostrar os caminhos da otimização. A figura II.8 mostra os percentuais dos custos envolvidos num sistema de ar comprimido. As maiores despesas recaem no consumo da energia. A escolha de um sistema de regulagem e controle de operação eficiente, do tipo do compressor, e do dimensionamento para atender à demanda vai influenciar bastante nos custos finais dos produtos. Custo ($) = = R$144217,00 (215cv)x(0,735)x(6800h)x(R$0,15/kWh)x(0,85)x(1,0) 0,95 Custo ($) = = R$6716,00 (215cv)x(0,735)x(6800h)x(R$0,15/kWh)x(0,15)x(0,25) 0,90 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO80 Custo específico do ar comprimido Com o custo anual de geração de ar comprimido, calcula-se o custo específico do mesmo: ∑ = = c i cccc aa ar ii tV C C 1 ) . ( . 60 em que: arC custo específico do ar comprimido R$ / m³ aaC custo anual de geração do ar comprimido R$ / ano ccV vazão do compressor m³/min cct tempo de funcionamento do compressor, em carga h / ano c número de compressores no sistema / PARTE III FONTES DE CONSULTA MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO82 MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO 85 2 STREETER, V.L, WYLIE, E.B, Mecânica dos fluídos. 7a Edição. São Paulo: Editora McGraw-Hill do Brasil Ltda., 1988. 1 volume, 583 páginas. TALBOT, E-M- Compressed Air Systems: a Guidebook on Energy and Cost Savings, Ed. Prentice Hall, Nova Yorque, 260 p., 1992. US-DEPARTMENT OF ENERGY. Industrial Compressed Air System Energy Efficiency Guide- book. Carroll, Hatch and Associates, Inc., Portland, EUA. 1993. 98p. Sponsored by USDOE, Washington, DC (United States). DOE Contract AC79-908P03940. VAN WYLEN, J.G., SONNTAG, R.E. Fundamentos da termodiâmica clássica. 2a Edição. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1991 . 1 volume, 565 páginas. WILSON, R-E- Data Logging a Plant Coinpressed Air Systein, Energy Matters, (5),:5- 9, 1999. LINKS ÚTEIS http://www.atlascopco.com.br http://www.barionkar.com.br http://www.chicagopneumatic.com.br http://www.drucklufttechnik.de http://www.eere.energy.gov http://www.eniplan.com.br http://www.festo.com.br http://www.gardnerdenver.com http://www.hitachi.com.br http://www.ingersoll-rand.com.br http://www.knowpressure.org http://www.leybold.com http://www.nash.com.br http://www.oit.doe.gov/bestpractices/ http://www.omel.com.br http://www.pactapplied.com http://www.schulz.com.br/compressores MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO86 3 http://www.spiraxsarco.com.br http://www.sulzer.com.br ÓRGÃOS E INSTITUIÇÕES Eletrobrás / Procel Universidades Instituto Nacional de Eficiência Energética - INEE Associação Brasileira de Empresas de Conservação de Energia - ABESCO SENAI