Eficiência energética em sistemas de ar comprimido

Eficiência energética em sistemas de ar comprimido

(Parte 4 de 7)

v - volume específico normalizado do gás[Nm3/kg]

Para converter m³/h em Nm³/h: [Nm³/h] = [m³/h] x {273/(273+T1)} x P1/1,033} Em que o índice 1 indica as condições especificadas para o ar do equipamento.

Se a referência é nas condições de padrão normal, denomina-se vazão, ou descarga padrão normal (Nm3/h)

1.2 - Áreas de oportunidade de melhoria de eficiência na geração

1.2.1 - Redução de perdas devido à temperatura do ar aspirado pelo compressor

Quanto mais baixa for a temperatura de aspiração de um compressor, menor será a energia necessária para sua compressão. Como indicação, pode-se dizer, aproximadamente, que: para cada 4°C de aumento na temperatura do ar de aspiração, o consumo de energia aumenta em 1% para obter o mesmo volume gerado; e para cada 3°C de redução da temperatura do ar aspirado, verifica-se aumento de 1% da capacidade do compressor para o mesmo consumo.

Quanto mais baixa for a temperatura do ar aspirado, maior será a quantidade de massa de ar que poderá ser aspirada pelo compressor com a mesma vazão volumétrica aspirada e mesma potência consumida neste trabalho, isto porque o ar mais frio é mais denso. Então, maior massa de ar poderá ocupar o mesmo volume do que quando ele está mais aquecido. Portanto, é importante evitar que os compressores aspirem ar no interior do recinto onde

MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO29 estão instalados, cuja temperatura é sempre mais alta que a do ar atmosférico externo. Nesse sentido, podem-se providenciar tubulações ligando a aspiração de ar do compressor a uma tomada de ar do exterior da sala de máquinas.

Assim sendo, recomenda-se que a tomada da aspiração de ar seja feita do exterior da sala de compressores. Caso seja necessário canalizar a tomada de ar, esta deve ser curta, reta e de grande diâmetro, e o filtro deverá ser mantido sempre limpo, para que a perda de carga na aspiração seja a menor possível. Para cada 25 mbar de queda de pressão na aspiração, o rendimento global do compressor é reduzido em 2%.

Nas instalações onde o compressor é resfriado a ar, também é usual lançar para o exterior o ar aquecido do resfriamento. Deve-se tomar cuidado para que este ar não aqueça o ar de aspiração do compressor. A Tabela I.1 correlaciona as temperaturas do ar aspirado e os percentuais de potência economizados ou incrementados tomando-se como base a temperatura de 21ºC. Para valores diferentes dos citados na tabela, os valores podem ser interpolados.

Tabela I.1 - Variação do consumo com a temperatura de aspiração

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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 compressor 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 I.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.

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Tabela I.2 - Faixas de aplicação dos compressores

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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 I.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 I.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:

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O gráfico da Figura I.2 apresenta os consumos específicos médios de diversos tipos e tamanhos de compressores.

Figura I.2 - Consumo específico médio dos compressores

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A compressão em duplo estágio é sempre mais eficiente e, portanto, consome menos energia. Este fato deve ser levado em conta, em particular, para instalações de pequena capacidade volumétrica, pois existe a tendência de selecionar compressores de estágio simples.

O uso de óleo sintético em compressores reduz o consumo de energia de 2% a 5%, além de oferecer outros benefícios em relação ao óleo mineral, tais como: vida útil do óleo de até 8000 horas (equivalente a 7 trocas do óleo mineral), diminuição de depósitos de carbono e vernizes, temperatura do óleo mais baixa, temperatura de descarga do ar comprimido mais baixa, menor consumo de óleo, menor arraste de óleo na descarga; e menor ruído e vibrações. Recomenda-se que esta medida seja analisada em conjunto com o fabricante do compressor, para que se possa verificar sua aplicabilidade, bem como sua compatibilidade com os materiais do compressor e o fator econômico.

1.2.4 - Redução de perdas com a pressão de trabalho muito elevada

A pressão de trabalho é um fator crítico, pois afetará significativamente o consumo de energia, que aumenta com o aumento da pressão de trabalho. Equipamentos que operam com diferentes pressões em uma mesma instalação podem ser atendidos mediante a redução da pressão nos pontos de consumo, por meio de válvulas redutoras. Algumas vezes, torna-se econômico o uso de compressores de diferentes vazões e pressões para atender a diferentes solicitações de operação, em um mesmo sistema.

A pressão de trabalho da instalação é definida pela pressão que atenda aos requisitos dos equipamentos consumidores mais as perdas da rede entre a geração e o consumo. Devemse levar em conta o projeto e o traçado das tubulações da distribuição, os filtros usados, as válvulas, os secadores de ar, etc. A pressão escolhida deverá ser a menor que possa vencer todos os obstáculos ao fluxo do ar pelas tubulações e que atenda os consumidores segundo as condições exigidas pelo seu fabricante.

A pressão de trabalho é regulada pelo ajuste de desarme do pressostato de controle liga/ desliga do compressor. Deverá estar próxima da pressão média de operação da linha. Um ajuste de pressão mais elevada leva o compressor a funcionar mais tempo que o necessário (e dependendo do valor deste ajuste, não entrar em alívio em nenhum momento), fato que poderá incorrer em elevações substanciais no consumo de energia elétrica.

De modo geral, os projetos consideram uma diferença de no máximo 0,8 bar entre a pressão média de trabalho no ponto mais distante do sistema e a pressão que se ajusta no pressostato de controle para fins efetivos de desarme. Essa diferença corresponde às perdas de carga máximas normalmente adotadas em projetos de sistemas de ar comprimido para

MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO34 os pontos de alimentação mais distantes, levando-se em conta situações críticas (fatores de segurança).

O aumento de 1 bar no ajuste da pressão de desarme leva a um aumento de 6% a 10% na potência consumida pelos motores dos compressores, para pressões em torno de 6 a 7 bar.

A tabela I.3 mostra as relações entre a potência requerida para comprimir o ar em um estágio de compressão e a pressão de desarme. A partir destes dados, é possível estimar o percentual de potência adicional para atender ao trabalho de compressão, consideradas as pressões de desarme superiores às pressões reconhecidas como ideais (que levam em conta ser de 0,8 bar o diferencial máximo acima da pressão média de trabalho).

Tabela I.3 - Variação de consumo com a pressão de desarme

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As perdas de carga tornam o sistema mais econômico ou não. Isto dependerá da escolha dos acessórios de rede (curvas, válvulas, filtros etc.) e do dimensionamento das tubulações.

Para cada 0,25 bar de aumento na pressão do sistema para compensar as perdas de carga (filtros + secador + tubulação), consome-se 1,5% de potência a mais no compressor.

Variação da pressão de trabalho. A pressão de trabalho dos equipamentos e dispositivos consumidores de ar comprimido especificada pelo fabricante deve ser respeitada. A eficiência de um equipamento ou dispositivo pneumático cai bruscamente se a pressão de fornecimento do sistema cai abaixo de suas pressões de trabalho especificadas. A Tabela I.4 mostra a dependência da eficiência de equipamentos e dispositivos pneumáticos em

MANUAL PRÁTICO - EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO35 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 I.4 - Variação da performance com a pressão

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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 Pmax 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.

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