Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido

Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido

(Parte 1 de 3)

Jair da Silva Dias Júnior Eliezer Gonçalves Peixoto

Salvador

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Julho/2010

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Jair da Silva Dias Júnior Eliezer Gonçalves Peixoto

Trabalho de Conclusão de Disciplina apresentado à disciplina Metodologia da Pesquisa como requisito parcial à obtenção de aprovação da disciplina do curso de Engenharia Industrial Mecânica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia.

Orientador: Prof. Mestre Luiz Carlos Pereira Vargas

Salvador Julho/2010

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Dias, Jair e Peixoto, Eliezer

Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido – Recuperação de Calor da Compressão. Salvador/Ba.

31 f.:il.

Trabalho de Conclusão da Disciplina Metodologia de Pesquisa – Curso de engenharia Industrial Mecânica, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia, 2010

1 - Compressor de Ar Comprimido. 2 - Eficiência Energética. 3 - Recuperação de Calor em Compressores.

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Jair da Silva Dias Júnior Eliezer Gonçalves Peixoto

Trabalho de Conclusão da Disciplina apresentado a disciplina Metodologia da Pesquisa do curso de Engenharia Industrial Mecânica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia.

Salvador

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Julho/2010

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O presente trabalho propõe o aproveitamento da energia térmica disponibilizada na geração do ar comprimido, para o aquecimento de água, em substituição dos chuveiros elétricos. Com esta substituição da energia elétrica (dos chuveiros), pela energia térmica do ar comprimido, constatou-se ser possível obter uma redução de até 73% no consumo de energia elétrica na geração de água quente. Comprovando-se, a partir de um estudo de caso, que o uso da energia térmica, por possuir maior eficiência energética, executa o mesmo trabalho com um menor custo e consumo. Inicialmente são resumidas as aplicações do ar comprimido, na seqüência apresentam-se os principais tipos e aspectos construtivos dos compressores. De forma sucinta, apresentam-se alguns conceitos teóricos básicos de Termodinâmica e são dadas sugestões para o projeto da rede de distribuição, operação e manutenção do sistema de ar comprimido e também serão ilustradas algumas recomendações que podem contribuir com o aumento da eficiência energética do sistema. Finalmente, será demonstrada a aplicação dos conceitos apresentados até agora, em um projeto de recuperação de calor rejeitado em compressores de um sistema de ar comprimido.

Palavras-chave: Compressor de Ar Comprimido, Eficiência Energética, Recuperação de Calor em Compressores.

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This paper proposes the use of thermal energy released in the generation of compressed air, to heat water instead of electric showers.With the replacement of electricity (showers), the thermal energy of compressed air, it was found possible to obtain a reduction of up to 73% in electricity consumption in the generation of hot water. Proving themselves from a case study, the use of thermal energy, because it has greater energy efficiency, performs the same job with a lower cost and consumption. Initially we summarized the applications of compressed air, the sequence shows the main types of compressors and constructive aspects. Briefly present some basic theoretical concepts of thermodynamics and are given suggestions for the design of the distribution network for operation and maintenance of compressed air system will also be illustrated and some recommendations that may contribute to increased efficiency of the system. Finally, it is demonstrated the application of the concepts presented so far in a project to recover waste heat from compressors in a compressed air system.

Key words: Compressor Compressed Air, Energy Efficiency, Heat Recovery in Compressors

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RESUMO
ABSTRACT
SUMÁRIO
ÍNDICE DE TABELAS
ÍNDICE DE FIGURAS
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
1. INTRODUÇÃO10
1.1 Objetivo1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA12
2.1. Compressão dos gases12
2.2. Determinação do Trabalho na Compressão15
2.3. Compressão em Vários Estágios17
2.4. Potência Real de Compressão19
3. AUMENTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA19
3.1. Temperatura de Admissão do Ar29
3.2. Relação de Pressão21
3.3 Compressão em Estágios2
3.4. Diminuição das Perdas de Carga23
3.5. Aproveitamento do calor rejeitado23
4. ESTUDO DE CASO24
4.1. Apresentação da Empresa24
4.2. Sistema Estudado e Caracterização do Problema25

Página.

Discussão

4.3. Resultados e 28

5. CONCLUSÕES29
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS31

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Figura 1.1 - Proporções do Custo Total. 1 Figura 2.1 - Gráfico P x V para compressão Isotérmica. 13 Figura 2.2 - Gráfico P x V para compressão adiabática. 14 Figura 2.3 - Gráfico P x V para compressão politrópica. 15 Figura 2.4 - Gráfico P x V para trabalho especifico no processo Isotérmico. 16 Figura 2.5 - Gráfico P x V para compressão em múltiplos estágios 18 Figura 4.1 - Curva de carga elétrica para os chuveiros numa quarta-feira 25 Figura 4.2 - Curva de carga elétrica para os chuveiros numa quinta-feira 26 Figura 4.3 - Medições elétricas e dutos de ar do resfriamento dos compressores 26 Figura 4.4 - Dimensionamento do trocador de calor 27 Figura 4.5 - Diagrama da proposta apresentada 27 Figura 4.6 - Montagem dos trocadores de calor 28 Figura 4.7 - Instalação dos trocadores de calor 28 Figura 4.8 - Tempo de amortização do investimento 29

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Página

Tabela 1.1 - Perfil do consumo de energia elétrica em 2005 10 Tabela 3.1 - Variação do consumo com a temperatura de aspiração 21 Tabela 3.2 - Energia recuperada 24

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[/] - Adimensional DLE - Descarga Efetiva GWh – GigaWatt hora K - Kelvin kg / s – Quilo por Segundo kJ / kg – Quilo Joule por Quilograma kJ/(kg.K) - Quilo Joule por Quilograma Kelvin kW – Quilolo Watt kWh - Quilolo Watt Hora m3 – Metro Cúbico m3/kg - Metro Cúbico por Quilo PA - Pascal Pay-back – Retorno de Investimento

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1. INTRODUÇÃO

Após a crise energética de 2001, ficou mais evidente o uso de sistemas e produtos com alta eficiência, tanto no setor comercial, industrial ou mesmo em nossos lares. A energia é algo essencial para o crescimento econômico e social de um país, sendo que o uso racional desta energia é uma opção de baixo custo e de grande economia. Uma corporação que deseja torna-se competitiva no mercado, não pode ignorar os projetos e os programas que lhe proporcione diminuição no custo com energia, sendo que na atividade, sendo que na atividade industrial este ganho poderá ser um diferencial na conquista de novos mercados e clientes. No ano de 2005, a energia elétrica consumida pelas indústrias representou 45% de todo o mercado nacional (EPE, 2006). Conforme a Tabela 1.1, 50% da energia consumida pelas indústrias foram destinadas ao acionamento de motores elétricos (FILIPO FILHO, 2006),

Tabela 1.1 - Perfil do consumo de energia elétrica em 2005.

Setor Consumo [GWh] %

Residencial 82.693 24,6 Comercial 53.239 15,87

Total 335.410 10,0 Fonte: Gonçalves, F., Cardoso, J. (2007).

Um dos principais equipamentos dentro de uma empresa é o compressor de ar comprimido, que representa um consumo estimado entre 13 e 15% da energia elétrica utilizada pela indústria (KEULENAER, 2004). A eficiência de um sistema de ar comprimido é moldada a partir das exigências das industriais, sendo possível atingir um melhor desempenho com motor de alto rendimento, controle de velocidade e melhoria na operação e manutenção, podendo chegar a uma economia de 28% no sistema de geração de ar comprimido.

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Diversos estudos apontam os sistemas de ar comprimido como sendo um dos pontos onde ocorrem perdas significativas de energia. Ou seja, existem bons potenciais para a economia de energia. Por isso, a utilização correta do ar comprimido, a operação eficiente e econômica dos compressores, que é o coração desses sistemas, é de extrema importância. A Figura 1.1 mostra o custo total da propriedade de um sistema de ar comprimido em um período de 10 anos.

Figura 1.1 - Proporções do Custo Total. Fonte: Gonçalves, F., Cardoso, J. (2007).

1.1. Objetivo.

Este trabalho tem por objetivo disponibilizar informações técnicas e práticas, para a identificação de oportunidades para a busca de melhoria da eficiência energética de um sistema de ar comprimido, usando a energia térmica, disponibilizada na geração do ar comprimido, para a obtenção de água aquecida. Buscando alternativas de economia de energia elétrica em banhos diários de funcionários da empresa Belgo Bekaert.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Compressão dos Gases

Uma das experiências físicas que pode ser comprovada com muita precisão é a que foi realizada por Clapeyron, demonstrando a Equação dos Gases Perfeitos. De fato, quando trabalha-se em baixas pressões e em temperaturas distantes do ponto de liquefação, o comportamento dos gases reais se aproxima muito da equação teórica (que engloba todas as variáveis de estado,ou seja, pressão, volume e temperatura), se apresenta a seguir.

P. ν = R . T(2.1)

Onde: P = pressão [Pa] ν = volume específico [m3/kg] R = constante particular do gás [kJ/(kg.K)] T = temperatura [K]

Quando se comprime um gás perfeito com sua temperatura constante, tem-se uma compressão isotérmica. Para esse tipo de compressão, podem ser comprovado que:

p1 . ν1 = p2 . ν2 = R . T(2.2)

Sendo: p1 = pressão inicial [Pa] ν1 = volume inicial [m3 ] p2 = pressão final [Pa] ν2 = volume final [m3 ]

R = constante do gás [kJ / (kg . K)] T = temperatura [K]

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Colocando-se essa relação sobre um diagrama P x V resulta uma família de hipérboles eqüiláteras, denominadas isotermas. Como pode ser visto na figura que segue.

Figura 2.1 - Gráfico P x V para compressão Isotérmica. Fonte: Haddad et al (2006).

Outra maneira de comprimir um gás é na transformação adiabática, que é realizada sem trocas de calor entre o processo e as suas vizinhanças, ou seja, só estão envolvidas transferências de trabalho para o sistema. As relações que representam a compressão adiabática são:

= const(2.3)

Onde: p1 = pressão inicial [Pa] ν1 = volume específico inicial [m3 /kg] p2 = pressão final [Pa] ν2 = volume específico final [m3 /kg] k = relação entre os calores específicos [/]

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Figura 2.2 - Gráfico P x V para compressão adiabática. Fonte: Haddad et al (2007).

Na pratica esses dois processos de compressão são impossíveis. No entanto, há a compressão politrópica. Admitindo-se que exista uma proporcionalidade entre o calor e o trabalho que foram trocados ao longo de uma transformação em um gás, é possível demonstrar que o processo assim efetuado obedecerá a uma equação do tipo:

pvn = constante

Para essa situação o expoente que aparece sobre o volume recebe o nome de expoente da politrópica. Este assume valores maiores que a unidade e menores que a relação C P / C V. Essa forma de compressão é governada pela seguinte equação:

p1 . ν1 n = p2 . ν2 n = const(2.4)

Onde: p1 = pressão inicial [Pa] ν1 = volume específico inicial [m3 /kg] p2 = pressão final [Pa] ν2 = volume específico final [m3 /kg]

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n = expoente da politrópica [/]

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Figura 2.3 - Gráfico P x V para compressão politrópica. Fonte: Haddad et al (2007).

Observa-se que as curvas que representam a compressão politrópica e a adiabática são mais inclinadas, pois o expoente da politrópica e o valor da relação C P / C V é sempre maior que a unidade. Tratando-se de um processo de compressão com resfriamento, n < k; para um caso de compressão com aquecimento n > k: para o caso da compressão adiabática, n = k e quando a transformação é isotérmica n = 1.

2.2. Determinação do Trabalho na Compressão

Para o cálculo do trabalho de compressão considera-se um gás ideal no interior de um cilindro. Sabe-se que o trabalho específico teórico efetuado ao se comprimir um fluxo de gás é dado pela integral mostrada adiante:

(2.5

Onde: w = trabalho específico teórico [kJ / kg] ν = volume específico do gás [m3 / kg] p = pressão do gás [Pa]

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No diagrama P x V esse trabalho efetuado sobre o gás durante a compressão é numericamente igual à área delimitada pelas duas retas de pressão constante paralelas ao eixo horizontal, pelo eixo vertical e pela curva que representa o processo de compressão.

Figura 2.4 - Gráfico P x V para trabalho especifico no processo isotérmico Fonte: Haddad et al (2007).

No diagrama P x V a Área 1 , representa o trabalho especifico de compressão do processo isotérmico. O processo politrópico é representado pela soma da Área 1 e Área 2 e o processo adiabático pela soma das Áreas 1, 2 e 3.

Para uma compressão isotérmica a resolução da integral resulta:

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E resolvendo-se a compressão politrópica vem que:

Sendo: w = trabalho específico teórico [KJ / kg] n = expoente da politrópica [/] R = constante do gás [kJ / (kg . K)]

T1 = temperatura inicial [K] p1 = pressão inicial [Pa] p2 = pressão final [Pa]

Pode-se notar que o trabalho específico de compressão aumenta na medida em que aumenta o valor do expoente da politrópica.

2.3. Compressão em Vários Estágios

Normalmente usam-se os compressores de um estágio, quando se deseja uma pressão de descarga não muito grande. Mas quando o resultado final pretendido é uma pressão de descarga mais elevada, o compressor de um estágio não tem um bom rendimento e suas temperaturas de descargas são muito elevadas. A saída geralmente usada para sanar esses problemas é a utilização da compressão em estágios, que resulta na economia de uma parcela de energia e em temperaturas menores de descarga (Entre dois estágios de compressão esfria-se o gás que está sendo comprimido). É muito importante o resfriamento do fluido durante a compressão, isto faz com que trabalhemos o mais próximo de uma compressão isotérmica. No limite, quando o número de estágios for muito grande, o trabalho de compressão tende ao valor mínimo, que é o trabalho da compressão isotérmica.

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