Eficiência energética em sistemas de ar comprimido

Eficiência energética em sistemas de ar comprimido

(Parte 5 de 7)

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 I.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 compressor, na forma de calor.

Figura I.3 - Energia recuperável

A Figura I.4 mostra um esquemático de aquecimento de água para banho dos funcionários de uma fábrica.

Figura I.4 - Esquema de recuperação possível de energia térmica

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A tabela I.5 mostra a energia recuperada de acordo com a vazão efetiva de um compressor Tabela I.5 - Energia recuperada

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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 COMPRIMIDO38 minimizar as paradas não programadas. A manutenção inadequada pode aumentar o consumo de redução de eficiência de compressão, vazamentos ou oscilações na pressão.

Também pode acarretar altas temperaturas de operação, deficiente controle de umidade, contaminação excessiva e um ambiente de trabalho inseguro. Muitos problemas são secundários e podem ser corrigidos com simples ajustes, limpeza, substituição de peças ou eliminação de condições adversas. A manutenção de um sistema de ar comprimido é similar à realizada em carros. Filtros e fluidos devem ser trocados, a água de refrigeração deve ser inspecionada, correias devem ser ajustadas e vazamentos devem ser identificados e consertados.

Um bom exemplo de custo excessivo devido a uma manutenção inadequada pode ser visto no uso de filtros, pois quando estão sujos aumentam a queda de pressão, o que reduz a eficiência do compressor. Por exemplo, um sistema de ar comprimido que possui um compressor de 100 cv operando continuamente a um custo de R$ 0,20/kWh tem um custo anual de energia de R$ 130.0. Com um filtro coalescente sujo (não substituído no intervalo regular), a queda de pressão através do filtro poderia aumentar para 0,4 bar, vs. 0,1 bar quando limpo, resultando em uma necessidade de aumento na pressão do sistema. A queda de pressão de 0,3 bar acima da queda normal de 0,1 bar eleva em cerca de 2% os custos anuais de energia do sistema ar comprimido, ou R$ 2.600 por ano. Um medidor de diferença de pressão é recomendado para monitorar as condições dos filtros de entrada do compressor.

Todos os componentes de sistema de ar comprimido devem sofrer manutenção de acordo com as especificações dos fabricantes. Os fabricantes fornecem programação de inspeção, manutenção e de serviços, que deveriam ser rigorosamente seguidos. Por isso, os intervalos especificados pelo fabricante têm como objetivo, primeiramente, proteger o equipamento, mais do que otimizar a eficiência do sistema. Em muitos casos, é conveniente realizar as manutenções nos equipamentos de ar comprimido com maior freqüência.

Uma forma de saber se um sistema de ar comprimido está em boas condições de manutenção e operando eficientemente consistem em, periodicamente comparar com a base de referência o consumo de potência, pressão, vazão de ar e temperatura. Se o consumo de potência para uma dada pressão e vazão aumenta, a eficiência do sistema está declinando. Referenciar o sistema também indicará se o compressor está operando à plena capacidade e se sua capacidade está diminuindo com o passar do tempo. Em um novo sistema, as especificações devem ser bem guardadas quando o sistema é instalado pela primeira vez e opera corretamente.

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Tipos de manutenção. A manutenção em um sistema de ar comprimido requer cuidado com os equipamentos, exigindo atenção às mudanças e tendências, e respondendo prontamente para manter as operações confiáveis e eficientes. Para assegurar o máximo de desempenho e tempo de serviço para os compressores, uma rotina programada de manutenção precisa ser elaborada e seguida. Uma correta manutenção requer procedimentos diário, semanal, mensal, quadrimestral, semestral e anual. A excelência na manutenção é fator chave para aumentar a disponibilidade e confiabilidade de um sistema de ar comprimido, reduzindo o consumo de energia, economizando tempo, cortando custos operacionais e melhorando a produtividade da fábrica e a qualidade dos produtos.

1.2.7 - Redução de perdas devida à melhoria no sistema de controles de compressores

A melhoria do desempenho de um sistema de ar comprimido requer não somente a atenção para os componentes individuais, mas também a análise de ambos os lados do suprimento e da demanda, e do modo como eles se interagem, especialmente durante o período de pico na demanda.

Ajustando o suprimento com a demanda. Em sistemas de ar comprimido, sistemas de controles capazes de compensar as constantes variações na demanda são especialmente importantes. O uso de sistemas de controle, de armazenagem e de gerenciamento da demanda que atendam aos picos de demanda, mas que também operem eficientemente com carga parcial é fator chave para se obter uma elevada eficiência do sistema de ar comprimido.

Controle por cascata. É a forma mais comum de controlar os compressores. Cada compressor é ajustado para um ponto mínimo e máximo de operação diferenciado, e os compressores são acionados em seqüência, de acordo com o nível de queda de pressão e conseqüente demanda de ar comprimido do sistema. Quando a demanda de ar comprimido é pequena, somente um compressor entra em operação. À medida que a demanda aumenta, outros compressores são acionados. Quando são utilizados pressostatos convencionais, é necessária uma diferença mínima de 0,5 bar entre a pressão mínima e máxima de acionamento de cada compressor individual. A diferença entre as pressões máximas e mínimas entre os compressores não poderá ser inferior a 0,3 bar (Figura I.5).

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Figura I.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 individual 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.

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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 amplitudes 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.

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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 compressor 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.

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Atender a picos de demanda. Para os sistemas usuários que apresentam ferramentas de uso esporádico, terminais usados para limpeza ou equipamentos pneumáticos com consumos elevados mas que funcionam por curto período, o volume de ar do reservatório é utilizado para minimizar ou eliminar a necessidade de compressores de maior capacidade apenas para atender a esses curtos períodos de demanda. Em alguns casos justifica-se a aquisição de um ou mais compressores para atender apenas a esse tipo de carga.

Os reservatórios de ar comprimido são absolutamente necessários em sistemas em que os compressores têm funcionamento intermitente e com muitos tempos mortos. A flutuação da pressão não deve exceder a 20% da pressão máxima de operação (por exemplo, para uma pressão máxima de 10 bar é permitida uma flutuação de até 2 bar). Caso ocorram flutuações maiores, poderão ocorrer problemas estruturais, principalmente nas partes soldadas do tanque, pelo aparecimento de tensões adicionais que levam a falhas por fadiga. Para sistemas assim, deverão ser usados reservatórios de construção especial.

Volume dos reservatórios (VR ). Diversas são as indicações para o cálculo do volume do reservatório. O volume depende dos mecanismos de controle e automação, do tipo de compressor empregado e do regime de funcionamento. O reservatório deve ter capacidade suficiente para atender a cargas instantâneas elevadas ou esporádicas. O tamanho do reservatório e o número de partidas por hora permitidas para motores de compressores

(TC ) são variáveis que se relacionam. Algumas regras práticas indicadas na literatura recomendam:

-Volume de 10 a 100% da vazão em m³/min que o sistema deve atender

(VR = 0,1 a 1 x Q), em que Q é a demanda do sistema.

-Para sistemas com consumo constante, geralmente, compressores a parafuso,

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