Sistemas de ar comprimido - MEDIDAS PARA AUMENTAR A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

O ar comprimido ocupa um lugar muito importante na Indústria Por­tuguesa, sendo responsável por aproximadamente 19% do consumo de energia eléctrica neste sector. Um estudo a nível europeu efectuado pela Comissão Europeia, correspondendo a um levantamento durante 5 anos de funcionamento de sistemas de ar comprimido (tipicamente com 6.000 horas por ano de operação), demonstra que 75% dos cus­tos de exploração desses sistemas resultam da parcela “Energia”.

Figura 1. Sistemas de ar comprimido (Adaptado da fonte: ADEME).

A optimização de uma central de ar comprimido passa pela análi­se de diversos parâmetros, tais como, tarifário de energia eléctrica, eficiência das redes de energia eléctrica, instalação de variadores de velocidade, fugas na rede de ar comprimido, temperatura do ar, manutenção, etc. A figura 2 ilustra um exemplo de sistema de ar comprimido.

1› Energia eléctrica
1.1› Gestão detarifário
O tarifário de energia eléctrica deve ser revisto periodicamente, po­dendo ocorrer por vezes ajustes trimestrais de energia. Deve-se ter em conta o tipo de tensão, opção tarifária e ciclo horário. O tarifário de energia eléctrica está normalmente disponível no site da ERSE – Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos. Algumas medidas que poderão optimizar a exploração do sistema:

› Estudar o melhor tarifário, simulando opção tarifária mais vanta­josa (curtas, médias ou longas utilizações);
› Estudar o melhor tarifário, simulando ciclo horário mais adequa­do ao funcionamento da empresa (diário, semanal ou semanal opcional);
› Gestão de consumo máximo de forma a minimizar a potência con­tratada;
› Gestão de consumos de forma a transferir os consumos nas horas de ponta para outras horas preferencialmente em vazio.

1.2› Perdas na redededistribuição eléctrica
A estrutura da rede de distribuição de energia eléctrica deverá ser optimizada de maneira a minimizar as perdas eléctricas em baixa, média e alta tensão, dependente do tipo de alimentação industrial. Em seguida é ilustrado um exemplo para determinar as perdas na rede de distribuição eléctrica, considerando que os consumos médios quadráticos.

Figura 2 . Exemplo de esquema tipo de uma central de ar comprimido (compressor de parafuso).

Figura 3 . Rede unifilar simplificada como exemplo cálculo das perdas na rede de distribuição de energia eléctrica.

Potência de perdas activas na rede de distribuição em baixa tensão:


Acréscimo de potência de perdas activas no transformador:

Total de perdas na rede de distribuição, por trabalho do sistema de ar comprimido: 8,4 + 6,5 = 14,9 kW.
De forma a minimizar as perdas eléctricas na rede de distribuição, poder-se-á:

› Reduzir os comprimentos dos cabos de alimentação eléctrica;
› Aumentar a secção das canalizações;
› Aumentar o nível da tensão de alimentação;
› Instalar transformador de distribuição mais eficiente;
› Neste exemplo em particular, instalar um transformador em para­lelo, ou aumentar a potência instalada, para 1.600 kVA (regime de carga de 53%).

2› Dimensionar Correctamenteos Compressores
› Funcionamento em carga / vazio - consumo em vazio representa 15% a 25% da potência nominal;
› Idealmente, regime médio de carga superior a 75%;
› Instalar unidade de baixa capacidade, para períodos de menor consumo de ar;
› Instalar compressores de velocidade variável.

Potência média consumida pelo compressor de 300 kW = (0,6 + 0,4 x 0,25) x 300 = 210 kW
Energia eléctrica consumida pelo compressor de 300 kW = 210 x 6.000 = 1.260.000 kW

Tabela 1 . Exemplo de consumo de energia de um compressor sobredimensiona­do quando comparado com um bem dimensionado.

3› Instalação deVariadores Electrónicos deVelocidade
Em perfis cujo consumo apresente alguma irregularidade e intermi­tência, a aplicação de compressores de velocidade variável tem gran­des vantagens. A quantidade de ar necessária que o compressor irá produzir é ajustada às necessidades da instalação fabril, garantindo estabilidade na pressão da rede.

Figura 4 . Comparação da estabilidade da rede (Fonte: Atlas Copco).

Para o mesmo perfil de consumos, quando comparado com um com­pressor de regulação carga / vazio, um compressor de velocidade variável poderá representar um redução até 35% dos consumos de energia. Esta redução é obtida através da anulação do tempo de fun­cionamento em vazio.
Quanto maior a gama de variação do compressor, maior a sua capa­cidade de se ajustar às flutuações de consumo. Os compressores de velocidade variável bem dimensionados, apresentam gamas de varia­ção máximas na ordem dos 70-80%.

Figura 5 . Comparação de métodos de controlo de compressores (Fonte: Schnei­der Electric, Cahier Technique 214).

Vantagens da instalação de variação de velocidade em sistemas de ar comprimido:

› O compressor fornece ar isento de pulsações;
› Optimização do consumo de energia eléctrica;
› Arranque suave;
› Reduz variações de pressão no funcionamento;
› A operação a baixa carga de um compressor com VEV não tem como resultado perdas de energia;
› As perdas de transição em carga / vazio são eliminadas;
› Sem picos de corrente: os compressores podem arrancar e parar um maior número de vezes;

4› Fugas deAr Comprimido
O ar comprimido é um fluído de elevado consumo energético Tipi­camente superior a 100 kWh por 1.000 Nm3. Numa rede de ar com­primido, as fugas são praticamente impossíveis de eliminar na sua totalidade. 10% é um valor aceitável.
Como exemplo, de avaliação da importância da reparação de fugas, um orifício de 1 mm de diâmetro numa rede a 7 bar, corresponde a 1,2 l/s de ar comprimido desperdiçado.

Estima-se que na indústria portuguesa 15 a 50% da produção de ar comprimido será para alimentar fugas.
Considerando, por exemplo, um consumo específico do compressor de 0,12 kWh/m3, uma fuga através de furo de 5 mm a 8 bar, ou seja, de 2 m3/min, equivale a requerer do compressor:

0,12 kWh/m3 x 2 m3/min x 60 min/h = 14,4 kW

Figura 6 . Comparação de fugas de ar comprimido, em função da pressão e do diâmetro do furo.

Medidas de Optimização para Eliminação de Fugas de Ar Com­primido:
› Seccionar (automaticamente ou manualmente), periodicamente, as tubagens que não estejam a abastecer consumidores de ar com­primido;

› Instituir um programa regular de verificação de fugas de ar com­primido;
› Reduzir fugas com: adaptadores de fugas reduzidas, uniões rápi­das de elevada qualidade, …
› Usar purgadores de condensados do tipo “sem perdas de ar”.

Existem alguns métodos empíricos para a quantificação de fugas de ar comprimido, desde que os dispositivos pneumáticos estejam fora de serviço:

Qf – caudal de fugas (m3/min)
Vr – volume do reservatório (m3)
Pa – Pressão máxima (bar)
Pe – Pressão mínima (bar)
t – tempo de queda diferencial (min)

Qf – caudal de fugas (m3/min)
Qc – capacidade do compressor (m3/min)
t – tempo em carga (min)
T – tempo total (carga+vazio) (min)

5› Ar de Admissão

A potência aumenta linearmente com a temperatura do ar a com­primir. 10 ºC, acima da temperatura ambiente provoca um aumento da potência em 3%. Ou seja, aproximadamente 1% de economia no consumo por cada decréscimo de 3 ºC na temperatura do ar de ad­missão.

Medidas de optimização:

› Cuidados a ter no dimensionamento do local dos compressores, de forma a minimizar a variação de temperatura;
› Sempre que possível minimizar ganhos solares;
› Isolar local dos compressores para minimizar ganhos térmicos de secções anexas (caldeiras, produção - ex.: tinturaria, ...);
› Baixar a temperatura do ar de admissão mudando a captação de ar (embora garantindo uma óptima filtragem na tomada de ar).

6› Secadores de Ar

A humidade retida no ar comprimido logo após a saída do compres­sor, impossibilita a sua utilização na maioria dos processos indus­triais. É importante a secagem do ar, e a escolha do secador mais adequado ao sistema, tendo em conta o ponto de orvalho à pressão pretendida, os caudais e as pressões da central.
Perda de carga através do secador – Por cada bar que a pressão de trabalho aumente, a potência consumida pelos compressores au­menta 6%. Notar que, secar ou filtrar demais conduz a consumos energéticos desnecessários.

7› Rede de Ar Comprimido
A rede de distribuição deve ser a menos extensa possível. Quando estamos perante redes extensas o melhor é instalar dois ou mais compressores o mais próximo possível dos pontos de consumo, re­duzindo-se assim as perdas de carga.
A instalação de uma rede de distribuição em anel é aconselhável, ou seja, a divisão de caudais de ar comprimido por diversos ramais, origina uma redução das perdas de carga.
A perda de carga pode ser calculada segundo a seguinte fórmula:

DP – perda de carga (bar);
L – comprimento tubo de
distribuição (m);
QC – caudal (l/s);
d – diâmetro interno do tubo (mm);
P – pressão absoluta na saída do
compressor (bar).

Deste modo, um tubo de comprimento de 100 m, 80 mm de diâme­tro interno e com um caudal de 200 l/s a 10 bar, terá uma perda de carga de:

A tabela seguinte ilustra os comprimentos equivalentes para deter­minar a perda de carga provocada por acessórios da rede de distri­buição de ar comprimido.

Tabela 3 . Comprimentos equivalentes de acessórios de rede de ar comprimido para cálculo de perda de carga (fonte: Atlas Copco, 1998).

Medidas de Optimização nas Redes de Ar Comprimido:

› No dimensionamento não subdimensionar a rede, tendo em aten­ção maximizar a secção e minimizar comprimentos, curvas e tudo que possa provocar perda de carga desnecessária;
› Instituir um programa regular de verificação de fugas de ar com­primido;
› Dividir o sistema em zonas, com reguladores de pressão apropria­dos (sistemas multi-pressão – redutores ou boosters) ou válvulas de seccionamento apropriadas;
› Isolar os troços da rede que estão fora de serviço;
› Instalar reservatórios suplementares de ar comprimido próximo de cargas variáveis;
› Criar rede em anel;
› Aumentar diâmetro das tubagens – evitar velocidades maiores que 6 m/s.
› Limitar cotovelos e mudanças de direcção ou de secção. Deverão ser instalados troços rectos com inclinação apropriada para escoar condensados (igual ou superior a 0,5%) e prever purgadores;
› Evitar troços demasiado longos – optar pela produção descentra­lizada.
› Aumentar a capacidade do principal reservatório de ar comprimi­do. Dimensionar adequadamente as capacidades de armazenagem para permitir o funcionamento dos compressores com um rendi­mento optimizado e evitar arranques-paragens intempestivas.

8› Equipamentos Produtivos - Utilização
› Eliminar utilizações não apropriadas de ar comprimido. Por exem­plo, para limpeza, usar outros meios como aspiradores eléctricos;
› Verificar regularmente os equipamentos pneumáticos e cumprir prazos de manutenção;
› Regular a pressão de trabalho, em função da utilização (válvulas redutoras) e instalar electroválvulas nos principais consumidores;
› Reparar ou substituir equipamentos com fugas de ar comprimido;
› Desligar o ar comprimido quando a máquina não está em operação (refeições, período nocturno, fim-de-semana, férias, ...) através de válvulas (automáticas ou manuais) ou desligar o compressor;
› Em operações que exijam descargas instantâneas de grandes cau­dais de ar, instalar depósito de ar, com válvula de enchimento len­to;
› Substituir o ar comprimido por outra forma mais eficiente de ener­gia (por exemplo, em operações de sopragem – limpeza/secagem – substituir o ar comprimido por ventilador de alta pressão);
› Verificar a necessidade (e optimizar) dispositivos específicos de regulação de pressão, filtros, secadores, etc.;
› Optimizar a pressão do ar comprimido do sistema (quanto menor a pressão, menores as perdas). Em condições normais, produzir o ar a 0,5 a 1 bar, acima da pressão pretendida nos utilizadores.

As pistolas de ar e bicos de segurança permitem uma utilização mais eficaz do ar comprimido, o que por sua vez permitirá reduzir a pres­são nas estações de trabalho e ainda assim executar correctamente o mesmo trabalho. A pressão mais baixa implica um nível sonoro também mais reduzido, além de um menor consumo de energia. Deve-se ter a pressão certa no lugar certo – nem muito alta, nem muito baixa. A pressão de trabalho influencia directamente o débi­to de potência. Uma pressão mais alta implica necessariamente um consumo mais elevado de energia. O aumento da pressão de trabalho para compensar quedas de pressão, implica sempre custos de ope­ração mais elevados. Uma redução equivalente tem como resultado um aumento correspondente de lucros. Um aumento de pressão de 1 bar tem como resultado um acréscimo de consumo de energia de cerca de 8%.

Figura 7 . Exemplo de comparação do consumo específico em função da pressão do ar.

Recomenda-se, em aplicações de limpeza com ar comprimido, a ins­talação correcta de um bico de sopro, que representa um investi­mento na redução de custos.

Figura 8 . Tubo aberto Vs Bico de sopro (fonte: ADENE, 2006).

Sendo assim, a utilização de bicos de sopro permite:
› Reduzir o consumo de energia em cerca de 25%;
› Reduzir o nível de ruído em cerca de 50%;
› Aumentar a segurança dos operadores.

9› Monitorização
› Instalar equipamentos de controlo tais como caudalímetros e con­tadores de electricidade, manómetros, etc.
› Efectuar registos regulares com o devido acompanhamento e con­trolo, com por exemplo, indicadores.
› Instalar um sistema de regulação da produção de ar comprimido através de um compressor de velocidade variável ou de um con­trolo automático de todos os compressores em função das neces­sidades. Estima-se que o controlo automático poderá representar uma economia típica entre 5 e 35%.
› Temporizar funcionamento em vazio – desligar totalmente o com­pressor ao fim de um determinado tempo.

10› Manutenção
A manutenção dos equipamentos é extremamente importante. É ne­cessário sensibilizar para a importância da manutenção preventiva.

Devem ser criadas metodologias / planeamentos de modo a que a secção de manutenção não actue só em situações de avaria.

Medidas de utilização racional de energia na manutenção:
› Optimizar e verificar as válvulas reguladoras de pressão, os filtros, os lubrificadores, os secadores e os purgadores de condensados;
› Elaborar plano de manutenção (acção, responsável, periodicidade, data de execução, etc.);
› Verificar a qualidade do óleo de lubrificação, se está de acordo com as especificações do fabricante;
› Verificar o estado de limpeza do separador de óleo;
› Verificar os filtros de admissão de ar;
› Verificar os filtros de óleo;
› Verificar o estado dos purgadores;
› Criar metodologia de verificação do estado das fugas;
› Optimizar a jusante do compressor as mudanças de filtros (em função da queda de pressão, etc.);
› Substituir partes de equipamento geradoras de fugas (por exemplo mangueiras);
› Cortar a alimentação de máquinas fora de serviço (por exemplo, válvula solenóide automática, ou manual);
› Reparar fugas periodicamente.

A figura seguinte ilustra um exemplo de como um compressor lu­brificado a óleo tem consumos maiores à medida que aumenta a perda de carga nos filtros, em função do tempo de operação. Os compressores isentos de óleo não necessitam de separadores de óleo ou outros equipamentos de depuração, pelo que a perda de carga é inferior, e o rendimento ao longo do tempo de operação não vai diminuindo.

Figura 9 . Exemplo de comparação de custos de energia em função do tipo de compressor, devido à necessidade de operar com filtros (fonte: Atlas Copco, 1998).

A figura seguinte ilustra como existe um papel importante da manu­tenção na eficiência energética. À medida que a manutenção investe mais no sistema de ar comprimido, mais aumenta a eficiência ener­gética. O desafio está em encontrar o ponto óptimo entre os custos de manutenção e os custos de energia.

Figura 10 . Exemplo de comparação da eficiência energética com os custos de manutenção.

11› Sistemas deControlo
Em centrais com mais do que um compressor, torna-se importante a utilização de sistemas de controlo e optimização de centrais de ar comprimido.

Com base no perfil de consumos da fábrica, estes sistemas possibili­tam a optimização da exploração da central de compressores, através da selecção óptima dos equipamentos disponíveis na central, coloca­ção dos compressores em operação na sua zona de máxima eficiên­cia, e redução da banda de pressão de regulação dos equipamentos.

Figura 11 . Uma central de ar comprimido centralmente controlada (fonte: Atlas Copco, 1998).

O tipo de controlo pode também condicionar o tipo de controlo a op­tar, dependendo do tipo de compressor e do tipo de funcionamento.

De seguida estão ilustrados vários tipos de funcionamento, relacio­nando a potência consumida e o caudal, para vários tipos de com­pressores.

Figura 12 . Relação entre a potência consumida e o caudal para compressores volumétricos lubrificados com diferentes sistemas de regulação e combinações de sistemas de regulação (fonte: Atlas Copco, 1998).

Figura 13 . Relação entre a potência consumida e o caudal para compressores dinâmicos com diferentes sistemas de regulação e combinações de sistemas de regulação (fonte: Atlas Copco, 1998).

Figura 14 . Relação entre a potência consumida e o caudal para compressores vo­lumétricos isentos de óleo com diferentes sistemas de regulação e combinações de sistemas de regulação (fonte: Atlas Copco, 1998).

12› Recuperação deEnergia Térmica
A energia mecânica utilizada no ciclo de compressão é transformada em calor, e apenas 4% dessa energia permanece no ar comprimido. As perdas por radiação representam 2% e os restantes 94%, são dissipados nos sistemas de refrigeração, que podem ser teoricamente recuperados. Logo, encontramos duas economias de energia: a recu­peração de energia térmica e a energia dissipada na refrigeração do ar (ventilador).

Figura 15 . Exemplo de energia recuperável em compressores (fonte: Atlas Copco, 1998).

Na prática é possível recuperar até 60% da energia consumida pelo compressor, sob a forma de água quente a 50-80ºC ou ar quente a 50-60ºC, permitindo a sua aplicação em águas quentes sanitárias, aquecimento ambiente, pré-aquecimento de água de processo, pré-aquecimento do ar (combustão, secagem, etc.).

Figura 16 . Algumas aplicações típicas de recuperação de energia da água de arrefecimento de compressores (fonte: Atlas Copco, 1998).

Recuperação de energia estimada:

Onde:
E é a recuperação de energia, em kWh/ano;
TR é o tempo anual de utilização de energia recuperada, em h/ano;
K1 é a parte de TR com compressor em carga;
K2 é a parte de TR com compressor em vazio;
Q1 é a potência disponível na água de arrefecimento com o compres­sor em carga, em kW;
Q2 é a potência disponível na água de arrefecimento com o compres­sor em vazio, em kW;
Ce é o custo unitário médio de energia;
h é a rendimento típico da central convencional geradora de calor;
A potência disponível da água de arrefecimento poderá ser deter­minada pela expressão:

Onde:
m é o caudal, em kg/s;
cp é o calor específico, em kJ/kg.ºC (água  4,18);
DT é o diferencial de temperatura, em ºC.

13› Substituição deCompressores
Sempre que se justifique, substituir compressores por novas e me­lhores máquinas, com menor consumo específico de energia (por exemplo, com mais andares de compressão) e melhor adapatadas às necessidades do sistema.

14› Conclusão
O correcto dimensionamento de um sistema de ar comprimido é de extrema importância. Os seus custos distribuem-se em três grupos, investimento, manutenção e energia eléctrica.
A análise integral do sistema, incluindo LCC, “Life Cycle Cost”, é de extrema importância na gestão e exploração destes sistemas. Um sistema de ar comprimido bem explorado poderá economizar muita energia.

Figura 17 . Exemplo de recuperação de energia térmica num compressor (fonte: Atlas Copco, 1998).

AUTOR: André Fernando Ribeiro de Sá