apostila ar comprimido - ELETROBRAS EXERCICIOS RESOLVIDOS.pdf

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras Praia do Flamengo, Flamengo, 66 – Bloco A – 14º andar - Flamengo CEP 22210-030 – Rio de Janeiro – RJ Tel.: (21) 2514-5151 2514-5151 – Fa Fax: x: (21) 2507-2474 2507-2474

PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Av.. Rio Branco, Av Branco, 53 – 20º andar - Centro CEP 20090-004 – Rio de Janeiro – RJ Tel.: (21) 2514-5197 2514-5197 – Fa Fax: x: (21) 2514-5155 2514-5155

FICHA CATALOGRÁFICA

CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS, FUP FUPAI/EFFICIENTIA AI/EFFICIENTIA Eficiência Energética Energética em Sistemas de de Ar Comprimido. Comprimido. Rio de Janeiro: Janeiro: Eletrobrás, Eletrobrás,2005. 2005. 208p.ilus 208p. ilust. t. (Cont (Contém ém CD) CD) 1.Conservação de Energia Elétrica.2.Racionalização no Uso da Energia Elétrica.3.Ar Comprimido.4.Compressor Comprimido. 4.Compressor de Ar.I.Título.II.Rocha, Ar.I.Título.II.Rocha,Newton Newton Ribeiro.III.Monteiro, Ribeiro.III.Monteiro, Marco Aurélio Guimarães.

CDU: 621.3. 621.3.004 004 621.3.004.14.004.1 621.54 621.51

Trabalho elaborado no âmbito do contrato realizado entre a ELETROBRÁS/PROCEL e o consórcio EFFICIENTIA/FUPAI MME - MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA Esplanada dos Ministérios Bloco "U" - CEP. CEP. 70.065-900 – Brasília – DF www.mme.gov.br Ministra Dilma Rousseff ELETROBRÁS/PROCEL Av. Rio Branco, 53 - 20º andar - Centro - CEP 20090Av. 004 - Rio de Janeiro – RJ www.eletrobras.com/proc www.eletro bras.com/procel el - procel@eletrobras [email protected] .com Presidente Silas Rondeau Cavalcante Silva Diretor de Projetos Especiais e Desenvolvimen Desenvolvimento to Tecnológico e Industrial e Secretário Executivo do PROCEL Aloísio Marcos Vasconcelos Novais Chefe de Departamento de Planejamento e Estudos de Conservação de Energia e Coordenador Geral do Projeto de Disseminação de Informações de Eficiência Energética Renato Pereira Mahler Chefe da Divisão de Suporte Técnico de Conservação de Energia e Coordenador Técnico do Projeto de Disseminação de Informações de Eficiência Energética Luiz Eduardo Menandro Vasconcellos Chefe da Divisão de Planejamento e Conservação de Energia Marcos de Queiroz Lima Chefe de Departamento de Projetos Especiais George Alves Soares Chefe da Divisão de Desenvolvi Desenvolvimento mento de Projetos Setoriais de Eficiência Energética Fernando Pinto Dias Perrone Chefe da Divisão de Desenvolvi Desenvolvimento mento de Projetos Especiais Solange Nogueira Puente Santos

C O N S Ó R C I O E F F I C I E N T I A / F U PA I EFFICIENTIA Av.. Afonso Pena, Av Pena, 1964 – 7º andar – Funcionários Funcionários – CEP 30130-005 – Belo Horizonte – MG www.efficientia.com.brr - [email protected] www.efficientia.com.b Diretor Presidente da Efficientia Elmar de Oliveira Santana Coordenador Geral do Projeto Jaime A. Burgoa/Tu Burgoa/Tulio lio Marcus Machado Alves Coordenador Operacional Operacional do Projeto Ricardo Cerqueira Moura Coordenador do Núcleo Gestor dos Guias Técnicos Marco Aurélio Guimarães Monteiro Coordenador do Núcleo Gestor Administra AdministrativotivoFinanceiro Cid dos Santos Scala FUPAI – Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria Rua Xavier Lisboa, Lisboa, 27 – Centro – CEP 37501-042 – Itajubá – MG www.fupai.com.br www.fupa i.com.br – [email protected] [email protected] Presidente da FUPAI Djalma Brighenti Coordenador Operacional Operacional do Projeto Jamil Haddad* Luiz Augusto Horta Nogueira* Coordenadora do Núcleo Gestor Administra Coordenadora AdministrativotivoFinanceiro Heloisa Sonja Nogueira EQUIPE TÉCNICA Apoio Técnico Adriano Jack Machado Miranda Maria Aparecida Morangon de Figueiredo Micael Duarte França Fotografia Eugênio Paccelli

EQUIPE TÉCNICA Coordenador Geral Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro Autor: Newton Ribeiro Rocha * Professores da Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

Co-autor: Marco Aurélio Guimarães Monteiro

SUMÁRIO Apresentação Considerações Iniciais Siglas e Abreviaturas

1 Introdução

15

2

Conceitos Básicos

17

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

18 18 19 22 25 31 35

Sistemas de unidades Temperatura (T) Pressão (P) Volumes e vazões volumétricas do ar O ar atmosférico Mudancas de estado do ar Ar comprimido

3 Sistemas de Geração de Ar Comprimido 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3

Compressores Compressor recíproco de pistão Compressores de parafuso Compressores dinâmicos

4 Armazenamento do Ar Comprimido - Reservátorios 4.1 4.2 4.3

Funções dos reservatórios de ar comprimido Instalação dos reservatórios Volume dos reservatórios

5 O Tratamento do Ar Comprimido 5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4

Benefícios obtidos com o tratamento do ar comprimido Conseqüências do tratamento ineficiente do ar comprimido Secagem do ar comprimido Filtragem do ar comprimido Filtros e terminologia dos filtros Perda de pressão ou perda de carga P Drenagem do condensado gerado nos sistemas de ar comprimido Classificação dos tipos de drenagem para condensado Drenagem por meio de válvulas manuais Drenagem com controle de nível Drenagem por meio de válvulas magnéticas de comando temporizado

38 40 41 45 47

50 51 52 55

62 62 63 64 71 72 74 74 75 76 76 77

5.5.5 Drenagem utilizando medição eletrônica de volume ocupado 5.5.6 Drenagem utilizando bóia para controle de nível 5.6 Separação do óleo contido na água

6 Aplicações 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

Puxar e grampear com ar comprimido Transporte por ar comprimido Sistemas de acionamento pneumático Jateamento com ar comprimido Operações com sopro de ar e jato de água Operações de inspeção e teste Controle de processos com ar comprimido Aplicações especializadas

7 Critérios de Seleção e Instalação Eficiente do Sistema 7.1 7.1.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.6.4 7.7 7.7.1 7.7.2

Escolha da pressão de trabalho Variação da pressão de trabalho Cálculo das necessidades de ar da instalação Centralizar ou não centralizar o fornecimento de ar comprimido Efeito da altitude no funcionamento dos compressores Observações sobre consumo variável Redes de distribuição do ar comprimido Perdas de carga e velocidades utilizadas nas tubulações Procedimento de cálculo de perda de pressão por fórmulas e gráficos Determinação do diâmetro do tubo conhecendo-se a perda de carga fixada Materiais e componentes mais utilizados nas redes Exemplos do dimensionamento de um sistema de ar comprimido Usando compressores alternativos de pistão Usando compressores tipo parafuso

8 Manutenção e Operação Eficiente do Sistema 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.1.7 8.2 8.2.1

Controle do sistema Controle por alívio de pressão Controle por desvio Controle por redução da entrada de ar no compressor Alívio de pressão e obstrução da aspiração do ar Partida e parada Controle pela velocidade de rotação Carga - Alívio - Parada Modernização dos sistemas de controle Sistemas mais simples

78 80 81

82 82 83 83 84 84 85 86 87

93 95 96 97 102 103 105 106 107 108 113 114 118 118 122

126 126 126 127 127 127 127 128 128 129 129

8.2.2 Sistemas mais avançados 8.2.3 Sistema centralizado 8.3 Manutenção

9 Medidas de Eficiência Energética 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.2 9.2.1 9.2.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.4

Potenciais de economia na geracão do ar comprimido Temperatura elevada no ar aspirado pelo compressor Sujeira no filtro de aspiração Pressão de desarme muito elevada Potenciais de economia de energia elétrica na rede de distribuição e consumo Vazamentos nas linhas de ar comprimido Linhas de distribuição de ar comprimido muito sinuosas Recuperação de energia térmica Cálculo do potencial de economia de energia Compressor resfriado a ar Compressor resfriado a água Cálculo da economia financeira e redução de demanda

129 130 130

132 133 133 135 136 139 139 143 143 145 147 147 148

10 Bibliografia

154

11 Links Úteis

156

Anexo A

A - Gestão Energética Anexo B

B - Viabilidade Econômica

157

157 176

176

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 desse 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 de vários setores,como o industrial,comercial, prédios públicos e saneamento, difundindo aspectos tecnológicos e operacionais que permitam reduzir o desperdício de energia elétrica.Esse projeto também engloba a elaboração de casos de sucesso e treinamentos específicos que retratem os conceitos do uso racional e eficiente da energia.

CONSIDERAÇÕES INICIAIS Em 2001, o Brasil vivenciou uma séria crise de abastecimento no setor elétrico. Duas constatações positivas, entretanto,sobressaíram-se desse episódio:a forte participação da sociedade na busca de soluções; e o papel importante da eficiência no uso de energia. Como conseqüência desse processo involuntário de aprendizagem, vem se formando uma consciência de que a eficiência energética não pode estar vinculada apenas a questões conjunturais, mas deve fazer parte, de forma definitiva,da política energética nacional, mediante a adoção de ações que visem, por exemplo, agregar valor às ações já em andamento no País, o desenvolvimento de produtos e processos mais eficientes e a intensificação de programas que levem à mudança de hábitos de consumo. A energia é um insumo fundamental para garantir o desenvolvimento econômico e social de um país. A racionalização de seu uso da energia apresenta-se como alternativa de baixo custo e de curto prazo de implantação,sendo que,em alguns casos,grande economia pode ser obtida apenas com mudanças de procedimentos e de hábitos, além do impacto positivo para o meio ambiente. Dentre os aspectos econômicos envolvidos na atividade de racionalização do uso da energia, deve-se destacar a importância de que a mesma se reveste quando analisada sob a ótica estratégica e da imagem da empresa, haja vista que o mercado está cada vez mais orientado a dar preferência a produtos de empresas comprometidas com ações de proteção ao meio ambiente. Uma empresa que deseja alcançar uma estrutura de custos racionalizada e tornar-se mais competitiva não pode admitir o desperdício ou usar a energia de forma ineficiente e irresponsável. É necessário, pois, o esforço de todos os empregados da empresa, visando obter como resultado o mesmo produto ou serviço com menor consumo de energia, eliminando desperdícios e assegurando a redução dos custos. Espera-se que as informações contidas neste Livro sejam úteis para os técnicos das empresas brasileiras, capacitando-os a implementar melhorias que resultem no uso responsável dos recursos naturais e energéticos e na melhoria da competitividade dos setores produtivos e de serviços do País.

A Eletrobrás / Procel e o Consórcio Efficientia / Fupai agradecem os esforços de todos aqueles que participaram dos vários estágios da elaboração deste documento, incluindo as fases de concepção inicial e de revisão final do texto. Registramos as contribuições, notadamente,de Evandro Sérgio Camêlo Cavalcanti e Osvaldo Luiz Cramer de Otero (Cepel); Andreas Hahn, Marcos Luiz Rodrigues Cordeiro e Rose Pires Ribeiro (Consultores).

SIGLAS E ABREV IATURAS DP ABNT ANEEL AT BT CD CICE DLE DLL DLP ETA ETE Fc FC FP FS Fu FU HFP HP ICMS MME MT NHFP NHP PGE PLC PO Procel PS PSI PU S TBS TBU Tc THS TIR U UA UR VPL VR

Perda de carga ou de pressão Associação Brasileira de Normas Técnicas Agência Nacional de Energia Elétrica Alta tensão Baixa tensão Compact disk – disco ótico Comissão Interna de Conservação de Energia Descarga efetiva Descarga de ar livre Descarga padrão normal Estação de tratamento de água Estação de tratamento de efluentes / esgoto Fator de coincidência Fator de carga Fator de potência Horário fora de ponta em período seco Fator de utilização Horário fora de ponta em período úmido Horário fora de ponta Horário de ponta Imposto sobre Circulação de Mercadorias Ministério de Minas e Energia Média tensão Número de horas fora de ponta Número de horas de ponta Programa de Gestão Energética Controlador lógico programável Ponto de orvalho Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Horário de ponta em período seco Libras por polegada ao quadrado (Pounds square inch) Horário de ponta em período úmido Seco Temperatura de bulbo seco Temperatura de bulbo úmido Taxa de ciclos do motor Tarifação horo-sazonal Taxa interna de retorno Úmido Umidade absoluta Umidade relativa Valor presente líquido Volume do reservatório de ar


15

1

Introdução

A energia elétrica, dentre as formas de energia secundárias existentes no planeta, é a mais flexível, a mais eficiente e a mais pura. Porém, como sua produção vai se tornando cada vez mais complexa e dispendiosa, é necessário que o usuário se conscientize da necessidade de utilizá-la da maneira mais eficiente possível, reduzindo ao máximo as perdas e os desperdícios. Essa atitude pode ser considerada como um exercício de cidadania. A utilização do ar comprimido como insumo e vetor energético é larga e intensamente difundida nas indústrias. Atualmente,a produção desta utilidade industrial é diretamente proporcional ao consumo de energia elétrica. Pode-se até dizer que o ar comprimido é o ar eletricamente capacitado a realizar trabalho. Ou seja, perda de ar comprimido significa perda de energia elétrica. Tendo em vista os aspectos citados, engenheiros, técnicos e usuários do ar comprimido devem procurar otimizar as suas instalações, objetivando a eficientização energética tanto na geração quanto no tratamento, distribuição e consumo do ar comprimido. Este documento propõe-se a orientar os usuários de ar comprimido sobre as muitas oportunidades de seu uso otimizado. Apesar de ser este um Livro prático, aspectos teóricos serão destacados para que esse conhecimento possa auxiliar os técnicos usuários de ar comprimido no entendimento de seu processo de produção e uso, bem como para capacitá-los a identificar outras oportunidades. A partir dos conceitos básicos, serão descritos os sistemas de geração de ar comprimido,seu tratamento posterior, o dimensionamento adequado das linhas de distribuição de ar comprimido e das necessidades de ar, e suas aplicações. Descritos esses sistemas, o Livro apresenta as medidas de eficiência energética.Os usuários poderão,então, identificar aquelas aplicáveis em suas instalações ou, a partir do conhecimento dessas alternativas e dos sistemas descritos anteriormente, novas oportunidades. Em todos os capítulos, exemplos práticos serão apresentados e as informações mais importantes, do ponto de vista do uso eficiente do ar comprimido e, conseqüentemente,

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da energia elétrica, serão ressaltadas. Além das orientações para o uso adequado do ar comprimido, é apresentada breve descrição das práticas de gerenciamento energético, necessárias para converter as economias obtidas em kW e kWh em reais (R$).No anexo A, constam essas orientações, bem como outras dicas para aqueles profissionais que não estão dedicados exclusivamente à área de ar comprimido. O anexo B, importante e, talvez,essencial,traz o resumo dos principais conceitos de Matemática Financeira e viabilidade econômica, a partir dos quais o profissional poderá justificar,financeiramente, a necessidade de implantação das medidas de eficientização energética. Finalmente, acompanha este Livro um CD, no qual são encontrados documentos, planilhas e programas mencionados ao longo do texto que auxiliarão e facilitarão a aplicação das orientações aqui contidas. São modelos propostos que podem e devem ser aperfeiçoados à condição específica de cada usuário. O consórcio Efficientia/Fupai, responsável pela elaboração deste documento e do CD que o acompanha, solicita que sugestões de melhorias ou eventuais ajustes no texto ou nos arquivos lhe sejam encaminhados. Um manual prático, do qual os conceitos aqui apresentados são extraídos e que valoriza mais os exemplos práticos e oferece dicas importantes, fórmulas, tabelas e gráficos úteis no dimensionamento de medidas de eficiência energética, também estará disponível.


2

17

Conceitos Básicos

Este capítulo visa sintetizar os princípios da Física que embasam o entendimento dos processos de obtenção, distribuição e uso do ar comprimido. A parte da Física que estuda as transformações e as trocas de energia nos processos com os gases – e o ar é um gás – é denominada Termodinâmica. O ar comprimido é um produto dotado de alta energia, resultado de uma transformação termodinâmica sofrida pelo ar atmosférico por meio do consumo de trabalho mecânico de compressão realizado por uma máquina térmica, denominada compressor. A realização de qualquer tipo de trabalho só é possível se o agente for dotado de capacidade; ou seja, tiver energia para tal fim. Portanto, o binômio trabalho-energia deverá ser entendido como se os dois elementos fossem sinônimos ou como se o significado de um estivesse intimamente ligado ao significado do outro. Em Termodinâmica, denomina-se sistema motriz (motor térmico, máquina térmica) um dispositivo que, funcionando segundo um ciclo, é capaz de receber energia e realizar trabalho. Assim, um sistema motriz termodinâmico para produzir o "ar comprimido" deverá consumir um tipo de energia. No caso mais comum, a energia elétrica é usada para produzir o ar comprimido,que é um produto dotado de alta energia;portanto,dotado da capacidade de produzir trabalho mecânico no sistema em que for utilizado. Como o consumo da energia elétrica é o principal insumo para obter-se o ar comprimido, qualquer uso indevido na produção e uso do ar comprimido representa perda de energia elétrica. Este documento objetiva identificar o melhor uso do ar comprimido no que refere ao uso eficiente da energia que foi consumida para sua obtenção.

18


2.1 Sistemas de unidades Apesar da recomendação para que sejam usadas as unidades do sistema métrico internacional, o texto mencionará outras unidades de medidas, considerando seu uso já consagrado entre os profissionais. A tabela 2.1 apresenta as unidades mais comuns utilizadas no Brasil TA B E L A 2 . 1 – U N I D A D E S M A I S C O M U N S DENOMINAÇÃO

SIMBOLOGIA

SISTEMA INTERNACIONAL

SISTEMA TÉCNICO

SISTEMA INGLÊS

Pressão

P

Pascal (Pa)

bar

psi

Volume

V

m3

m3

ft3

Temperatura

T

K

ºC

ºF

Tempo

t

s

h, min, s

h , min

DLP,DLE,Q

m3/s

m3/s

cfm

Peso específico

g

N/m3

kgf/m3

lbf/ft3

Massa específica

r

kg/m3

utm/m3

lb/ft3

E,W

J

cal; kgf.m

lbf.ft; Btu

Potência

N

W

kgf.m/s; cv

lbf.ft/h; hp

Velocidade

v

m/s

m/s

Vazão volumétrica

Energia e Trabalho

ft/h

2.2 Temperatura (T) A temperatura é uma grandeza termodinâmica que indica o efeito cinético do movimento das partículas interatômicas. A avaliação desta grandeza é realizada por instrumento de medição, denominado termômetro. Existem termômetros que utilizam várias escalas de medição. No Brasil, adota-se a escala Celsius, cujo símbolo é °C.


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Os valores em ºC poderão ser transformados para a escala absoluta (escala kelvin), cujo símbolo é K, pela relação aproximada: T(K ) = T(ºC) + 273

(2.1)

Exemplo: A quantos kelvins equivale a temperatura de 25ºC ? Utilizando a relação 2.1, T(k) = 25 + 273 = 298 K Os países de língua inglesa utilizam a escala Fahrenheit, cujo símbolo é ºF. A relação entre esta escala e a Celsius é a seguinte: T(ºF) = 1,8 x T(ºC) + 32

(2.2)

Exemplo: A quantos graus Fahrenheit correspondem 25ºC ? Utilizando a relação 2.2, T(°F) = 1,8 x 25 + 32 = 77ºF

2.3 Pressão (P) A grandeza da Física denominada Pressão é o resultado do efeito causado pela ação, no plano perpendicular, de uma força sobre uma determinada área superficial onde está aplicada a força. No caso do ar comprimido, é o resultado da força que ele exerce sobre a superfície onde está confinado. A equação que define o valor da pressão P é a que se segue: P (Pa) = F / A

(2.3)

F – valor da força, em N. A – área superficial onde está aplicada a força, em m2. A unidade de pressão no sistema internacional é o N/m2, ou Pa. Mas no campo industrial é comum a utilização da relação entre a unidade de força (kgf) pela unidade de área (cm2), isto é, kgf/cm2. Outra unidade bastante utilizada é o bar, que equivale a 100 kPa.

20


Para fins práticos, pode-se considerar que 1 bar = 1 kgf/cm2. (O valor exato é 0,986 kgf/cm2.) Nos países de língua inglesa é utilizada a unidade psi, que significa libras por polegada ao quadrado. 1 bar = 14,5 psi = 100.000 Pa = 760 mm Hg

Ou

1 psi = 0,069 bar = 6,9 kPa

Exemplo: Qual é o valor de 7 bar, expresso em psi e em Pa? 7 bar => 7 x 14,5 = 101,5 psi = 7 x 100.000 = 700 kPa Pressão atmosférica e pressão manométrica

A atmosfera que envolve o planeta Terra é composta pela mistura de vários gases, como oxigênio e nitrogênio, vapor de água,materiais sólidos particulados (poeiras) e aerossóis. Essa camada, que tem aproximadamente 40 km de altitude média, exerce um peso (força) sobre a superfície terrestre e tudo que se encontra nela. Pode-se perceber que a maiores atitudes da superfície terrestre menos material atmosférico age sobre ela. Ao contrário, quanto mais baixa a região terrestre, mais material atmosférico se acumula sobre ela. Este maior ou menor acúmulo de material na atmosfera exercerá maior ou menor peso sobre as superfícies em contato com ele; portanto, maior ou menor pressão. O instrumento indicado para medir esta pressão é denominado barômetro.Por isso,a pressão medida por ele é dita de pressão barométrica ou atmosférica local. Ao nível do mar, que é a referência para as medições, o valor medido pelo barômetro é de 1,013 bar. utilizaremos o símbolo Patm para designar a pressão atmosférica. A tabela 2.2 apresenta a variação da pressão atmosférica com a altitude referenciada ao nível do mar.


21

TA B E L A 2 . 2 – V A R I A Ç Ã O D A P R E S S Ã O A T M O S F É R I C A C O M A A LT I T U D E A C I M A D O N Í V E L D O M A R

ALTITUDE m

PRESSÃO ATMOSFÉRICA bar

0 (nível do mar)

1,013

100

1,010

200

0,989

300

0,978

400

0,966

500

0,955

600

0,943

800

0,921

1000

0,899

1400

0,856

1800

0,815

2000

0,795

2400

0,756

3000

0,683

Fonte: NASA Nota: Os serviços de meteorologia locais fornecem os valores corretos da pressão atmosférica. A denominação pressão manométrica, cujo símbolo é Pman,equivale à pressão de um sistema, ou instalação, medida por um instrumento de medição denominado manômetro.

22


Essa medição não leva em conta a ação da pressão atmosférica do local. O valor da pressão manométrica é escrito assim: 7 bar. Quando se deseja levar em conta a pressão atmosférica do local, deve-se usar a pressão absoluta, cujo símbolo é Pabs. Para obter-se a pressão absoluta de uma medição, basta adicionar ao valor medido o valor da pressão atmosférica local. Por exemplo, a pressão absoluta do valor manométrico citado acima em um local a 500 m acima do nível do mar será: 7 + 0,955 (valor da tabela 2.2) = 7,955 bar abs. O valor deve vir acompanhado do símbolo (abs),para indicar que se trata de pressão absoluta. A relação entre o valor da pressão absoluta e o valor da pressão manométrica pode ser escrita na forma: Pabs = Pman + Patm

(2.4)

Em certos sistemas ou instalações existem pressões cujos valores estão abaixo da pressão atmosférica do local. Neste caso, é dito que a pressão é negativa, e o seu valor deverá vir acompanhado do sinal (-). É também denominada pressão de vácuo. Estes valores são medidos por um instrumento denominado Vacuômetro.

2.4 Volumes e vazões volumétricas do ar ■

Volume de ar livre V [ m 3 ]

O volume do ar comprimido poderá ser medido como se estivesse na temperatura de 20ºC e na pressão manométrica de 0 bar, que equivale à pressão absoluta de 1 bar. O volume do ar comprimido, quando referido nessas condições, é denominado volume de ar livre. Vamos determinar pela geometria o volume ocupado por um cilindro, cujo valor será denominado Vcil. O volume do ar na condição livre é dado pelo volume do cilindro (figura 2.1) nas condições de pressão e temperatura citadas acima. Vcil = ( . d2 / 4) x h

(2.5)


23

em que: Vcil = volume do cilindro em m3 d = diâmetro em m h = altura em m

Figura 2.1 – Volume de um cilindro

É evidente que se estiver comprimido a 8 bar e com outra temperatura,o volume ocupado pelo ar será bem menor que o do cilindro V cil. ■

Volume normal [ Nm3 ]

As condições denominadas normais de medição de volume do ar são aquelas que referem o volume do ar nas seguintes condições: pressão absoluta e atmosférica de 1,013 bar e temperatura de 0ºC. O volume de ar é dito volume padrão de ar normal e o seu valor deve vir acompanhado da letra N, maiúscula. Por exemplo: 50 Nm3 de ar

■

Volume de ar efetivo

Representa o volume do ar comprimido nas condições de compressão reais. Ou seja, na pressão e na temperatura em que é realmente produzido. Nestes casos, é necessário sempre referenciar o ar nas condições em que ele realmente se encontra. Exemplo: 50 m3 de ar comprimido na pressão manométrica de 7 bar e temperatura de 40ºC.

24

■


Vazão ou descarga de ar comprimido

É o volume de ar comprimido produzido ao longo do tempo ou a quantidade de ar produzida em um intervalo de tempo. Conforme dito anteriormente, é preciso informar como este volume está sendo medido ou referido. Se a referência é como ar livre, denomina-se vazão ou descarga de ar livre (DLL). Se a referência é como ar efetivo, denomina-se vazão ou descarga efetiva (DLE). Se a referência é nas condições de padrão normal, denomina-se vazão ou descarga padrão normal (DLP). Por exemplo: DLP = 50 Nm3/h, DLE = 3000 m3/h, a 7 bar, 40°C DLL = 180 m3/s, na pressão atmosférica local e 20°C. Se for necessário converter, por exemplo, uma vazão efetiva (DLE) em m3/h, para as condições normais (DLP),ou seja, para Nm3/h que o compressor aspira, pode-se utilizar a relação abaixo (2.6): DLP [Nm3/h] = DLE [m3/h] x {273/(273+T1)} x [P1 -(UR x PV)]/1,013}

(2.6)

em que: T1 = temperatura de entrada do ar em ºC; P1 = pressão de entrada do ar na admissão do compressor em bar UR = umidade relativa do ar local em %; e PV = pressão parcial do vapor de água em bar abs.

abs.;

Para obter o valor da vazão efetiva comprimida (DLE) na descarga do compressor, sendo dada a vazão padrão normal (DLP), deve-se utilizar a relação simplificada abaixo: DLE = DLP / R

(2.7)


25

em que, R = a pressão manométrica do ar comprimido + 1, denominada taxa de compressão.

Exemplo: 64 Nm3/h de ar é aspirado a 1 bar abs e comprimido até 8 bar abs. Determinar a descarga efetiva deste ar. R=1+7=8 DLE = 64 / 8 = 8 m3 na pressão de 8 bar abs.

2.5 O ar atmosférico ■

Composição

A composição percentual de elementos que estão presentes no ar atmosférico seco varia de região para região.Os engenheiros e cientistas utilizam nos cálculos o que denominam ar seco padrão, que apresenta as composições mostradas na tabela 2.3. TA B E L A 2 . 3 – T A B E L A D O A R S E C O P A D R Ã O ELEMENTO

PERCENTUAL EM VOLUME

PERCENTUAL EM MASSA

Nitrogênio

78,0

75,5

Oxigênio

21,0

24,0

Outros

1,0

0,5

26


Figura 2.2 – Constituição do ar atmosférico padrão Na realidade, o ar atmosférico é composto por uma quantidade enorme de outros elementos gasosos, sendo os mais importantes a água, na forma de vapor, e as poeiras, em suspensão. A presença de poeira e de água na composição do ar exerce papel preponderante quando estamos tratando de ar comprimido. O ar atmosférico pode ser entendido como se fosse uma esponja úmida (figura 2.3). Ela pode conter certa quantidade de água quando estiver relaxada, em equilíbrio. Mas quando a esponja é comprimida, a água é precipitada. No final, alguma água ainda permanece na esponja quando a pressão terminar. O ar tem o comportamento muito similar ao da esponja quando é comprimido.

Figura 2.3 – Ar como esponja


27

A retirada da água do ar comprimido pode ser realizada por meio de resfriamento do ar, como ocorre nos aparelhos de ar condicionado. Para isso, é necessário entender os conceitos de pressão de saturação e vaporização, umidade absoluta e relativa, e temperaturas de bulbo úmido e seco. ■

Pressão de vaporização ou de vapor da água

Toda vez que um líquido se transforma em vapor, dizemos que ele atingiu a pressão de vaporização ou a de vapor naquelas condições de temperatura. A pressão de vaporização d’água somada à pressão parcial do ar seco totaliza a pressão atmosférica. A água presente na composição do ar atmosférico está sob a forma de vapor em equilíbrio de pressões com a pressão total do ar.Portanto,ela permanecerá em estado de vapor até que estas condições de pressão e temperatura mudem. Se a pressão aumenta ou a temperatura reduz, a água poderá mudar do estado de vapor para o de líquido e deixar a mistura, totalmente ou em parte. Assim, ao comprimirmos o ar e, em seguida, o resfriamos, propiciamos as condições para sua condensação. ■

Umidade do ar

O ar atmosférico contém água no estado de vapor, em equilíbrio com o ar atmosférico.Quando o ar não contiver água na sua composição, dizemos que o ar é seco. Se há presença de água na sua composição, diz-se que é ar úmido. Existem duas formas de apresentar a umidade do ar: umidade absoluta e umidade relativa. Denominando Gv o peso de vapor de água e Gar o peso do ar seco contido na mistura de peso total G, temos que: UA = Gv / Gar

(2.8)

UA é denominada umidade absoluta do ar, em kg de água / kg de ar seco. Porém,a quantidade de água que pode ser contida no ar não é ilimitada. Ela depende da pressão de saturação do vapor e da temperatura da mistura com o ar.

28


Quando o ar contém o máximo de umidade possível (Gs), dizemos que o ar está saturado. Isto significa que não existe possibilidade de se colocar mais água neste ar ou que, se houver mais água que a umidade máxima, ela estará na forma líquida, condensada. A relação entre o peso de vapor de água contida por kg de ar úmido e o peso de vapor de água que o mesmo conteria se estivesse saturado recebe o nome de umidade relativa , expressa em percentual: UR = (Gv / Gs) x 100%

(2.9)

Geralmente,a máxima umidade é expressa em g de água / m3 de ar.A tabela 2.4 apresenta as máximas umidades do ar para determinadas temperaturas e suas respectivas pressões de vaporização ou de saturação. TA B E L A 2 . 4 - M Á X I M A U M I D A D E D O A R TEMPERATURA (°C) PRESSÃO DE SATURAÇÃO (bar)

UMIDADE MAXIMA (g / m 3)

0

0,00623

4,8

5

0,00891

7,1

10

0,01251

9,4

15

0,01738

12,8

20

0,02383

17,3

25

0,03229

23,0

30

0,04325

30,4

35

0,05733

39,6

40

0,07520

50,7

45

0,09771

65,4

50

0,12578

82,3

Fonte:Wylen&Sontag e Atlas Copco (Adaptação)


■

29

Temperatura de bulbo seco ( TBS)

Quando se determina o valor da temperatura do ar utilizando um termômetro comum de bulbo,diz-se que este valor representa a temperatura de bulbo seco do ar. ■

Temperatura de bulbo úmido ( TBU)

Quando se utiliza para medição da temperatura do ar um termômetro cujo bulbo é envolto por uma gaze umedecida com água, denomina-se o valor obtido de temperatura de bulbo úmido do ar.A medição é realizada fazendo-se girar ou balançar este termômetro para provocar a evaporação da água contida na gaze. ■

Ponto de orvalho (PO)

Se o vapor d'água contido no ar a uma determinada pressão se liquefaz, ou seja, condensa, dizemos que o ar atingiu uma temperatura abaixo do ponto de orvalho para aquela pressão. Isto é, a temperatura na qual se inicia a condensação de um gás, em determinada pressão, é denominada ponto de orvalho. Essas propriedades, geralmente, são obtidas em cartas psicrométricas, fornecidas pelos serviços de meteorologia. Os textos que tratam da umidade do ar apresentam correlações aproximadas, que podem auxiliar o usuário na determinação das pressões de vapor e de saturação do a r, como também na determinação das umidades relativa e absoluta do ar, sendo conhecidas como temperatura local de bulbo seco (TBS) e temperatura local de bulbo úmido (TBU), facilmente obtidas nos serviços de meteorologia. A seguir, fornecemos algumas equações das propriedades aqui descritas. ■

Pressão de vapor na saturação do ar Pvs = 22.105.649,25 . eX

(2.10)

X = (-27.405,526 + 97,5413 .T – 0,146244 .T2 + 0,00012558 .T3 - 0,000000048502 .T4) / (4,34903 .T – 0,0039381 .T2) Pvs = pressão do vapor do ar saturado em Pa. T = temperatura do ar saturado (TBU) em Kelvin (K).

30

■


Pressão de vaporização da água contida no ar Pv = Pvs – (Patm / 755) . 0,5 . (TBS - TBU) Pv = pressão parcial do vapor no ar em Pa.

■

Umidade absoluta UA = 0,622 . Pv / (Patm - Pv) UA em kg de água / kg de ar. P em Pa

■

(2.12)

Umidade relativa UR = 100 . Pv / Pvs UR em %.

■

(2.11)

(2.13)

Volume específico do ar úmido u = (101.300 / Pabs) . (0,7734 + 1,224 . UA) . (TBS / 273) u em m3/kg ; P em Pa; TBS em K.

(2.14)

Exemplo Determinar Pvs, Pv, UR, UA e a massa específica do ar atmosférico que apresenta as seguintes propriedades:TBS = 30ºC, TBU = 20ºC, Patm = 101.300 Pa (1,013 bar). a) Pressão de saturação Pvs = 22.105.649,25 . eX X = (-27.405,526 + 97,5413 .T – 0,146244 .T4 + 0,00012558 .T4 - 0,000000048502 .T4) / (4,34903 .T – 0,0039381 .T4) T = TBU = 20 + 273 = 293 K X = -9,16 Pvs = 2.315 Pa b) Pressão de vaporização Pv = Pvs – (Patm / 755) . 0,5 . (TBS - TBU)


31

Pv = 2.315 – (101.300 / 755) . 0,5 . (30 - 20) Pv = 1.644 c) Umidade relativa UR = 100 . Pv / Pvs UR = 100 x 1.644 / 2.315 UR = 71,0% d) Umidade absoluta UA = 0,622 . Pv / (Patm - Pv) UA = 0,622 x 1.644 / (101.300 - 1.644) UA = 0,01026 kg de água / kg de ar seco e) Massa específica média do ar úmido em kg/m3  = 1/ u

TBS = 30 + 273 = 303 K u = (101.300 / Pabs) . (0,7734 + 1,224 . UA) . (TBS / 273) u = (101.300 / 101.300) x (0,7734 + 1,224 x 0,01026) . (303 / 273) u = 0,872  = 1/ u = 1 / 0,872  = 1,15 kg / m3

Para facilitar a sua manipulação, essas fórmulas foram colocadas no arquivo/planilha “formulascap2”do CD que acompanha esse livro.

2.6 Mudanças de estado do ar O ar é denominado comprimido quando a pressão a que estiver sujeito é maior que a pressão atmosférica local. Quando isso ocorre, dizemos que o ar sofreu uma transformação termodinâmica, denominada compressão.

32


Durante vários anos, estudiosos pesquisaram o comportamento dos gases quando estes passavam por transformações. Chegaram a uma relação geral entre pressões, temperaturas e volumes ocupados, a qual se denominou Equação geral dos gases. As transformações a que um gás estará sujeito nos processos industriais poderão ser entendidas pelas observações que se seguirão no texto abaixo. Representando para um gás o volume ocupado por V, a temperatura por T e a pressão por P, a equação geral dos gases é expressa por: (P x V ) / T = Constante

■

(2.15)

Transformação Isovolumétrica

Vamos observar o sistema abaixo, em que um gás está confinado dentro de um cilindro sob a ação de um pistão. Nessas condições, sejam P0 e T0 os valores de sua temperatura e pressão. Se, por um processo qualquer, for fornecido calor para o gás confinado dentro do cilindro, mantendo-se o pistão na mesma posição que estava anteriormente (V = constante), o gás atingirá uma temperatura T1 > T0 e a pressão passará para um valor P1 > P 0. Essa transformação termodinâmica por que passou o gás é denominada transformação isovolumétrica, transformação isócora ou, ainda, termocompressão.

Figura 2.4 – Transformação com volume constante


33

A relação 2.15 fica: (P0 V) / T0 = (P1 x V) / T1 P0 / T0 = P1 / T1 P1 / P0 = T1 / T0

(2.16)

Se a pressão aumentar e o volume ocupado pelo gás permanecer constante, a temperatura aumentará.

■

Transformação Isotérmica

Considere-se o mesmo sistema anterior, admintindo-se, porém, que o pistão será movimentado no sentido de reduzir o volume ocupado pelo gás, de V0 para o valor V1, em que V1 < V 0. Portanto, aumenta-se a pressão para P1 > P0. À medida que o processo de compressão for sendo realizado, retira-se calor, pois a temperatura tende a aumentar, mantendo a temperatura com o mesmo valor do início ao fim da transformação. Dizemos, então, que foi realizada uma transformação isotérmica.

Figura 2.5 - Transformação com temperatura constante Verificando a relação 2.15: (P0 x V0 ) / T = (P1 x V1) / T P0 x V0 = P1 x V1 P0 / P1 = V1 / V0

(2.17)

34

■


Transformação Isobárica

Figura 2.6 - Transformação a pressão constante Para obter-se essa transformação, basta, no mesmo sistema, fornecer calor para aumentar a temperatura T1>T0 e, ao mesmo tempo, liberar o pistão no sentido de aumentar o volume para V 1 >V0, para a pressão não aumentar. Da relação 2.15: P x V0 / T0 = P x V1 / T1 V0 / T0 = V1 / T1

(2.18)

Quando a temperatura aumenta e a pressão permanece constante, o volume deverá aumentar. Essa transformação é denominada isobárica. Obs.: Nessas relações, deve-se usar o sistema internacional de unidades. Exemplo de determinação da massa de água (m) que será precipitada: Seja considerado um volume de 8 m 3 de ar atmosférico com as seguintes propriedades fornecidas pelo serviço de meteorologia: P1 = 1 bar abs ,T1 = 25ºC, UR1 = 70%, Gs1 = 0,023 kg de água/m2. Após sofrer a compressão para P2 = 8 bar abs, é armazenado num reservatório a T2 = T1 = 25°C, Gs2 = Gs1 = 0,0023 kg de água/m2 e UR2 = 100%


35

A equação geral dos gases é: P2V2/T2 = P1V1/T1. Como T2 = T1, então vem de 2.12 que: P2 .V2 = P1.V1 V2 = P1.V1 / P2 V2 = 1 x 8 / 8 = 1 m 3 m = V1 x UA1 x UR1 - V2 x UA1 x UR2

(2.19)

Ma = 8 x 0,023 x 0,80 - 1 x 0,023 x 1 = 0,124 kg = 124 g de água No capítulo 5, sobre tratamento do ar comprimido, retornaremos a este tema.

2.7 Ar comprimido O ar atmosférico está no seu estado natural de equilíbrio (pressão atmosférica) e não dispõe de nenhuma energia que possa ser utilizada para realizar qualquer tipo de trabalho. Ou seja, é o mesmo que dizer que o ar está "desenergizado" para uso. Quando este ar estiver com uma pressão maior que a atmosférica, aí sim ele poderá realizar trabalho. Para tal, basta verificar os estragos realizados pelos ventos ou a energia obtida pelos geradores eólicos a partir dos ventos. Uma forma de obter-se um ar industrial dotado de muita energia consiste em comprimi-lo (isto é,aumentar sua pressão),pois assim ele ficará dotado de energia de pressão e, portanto, estará, qualificado para realizar trabalho. A área da engenharia que se ocupa do ar comprimido é denominada Pneumática,que tem a finalidade de estudar o controle e o uso da energia potencial de pressão de que está dotado o ar. Se o ar comprimido estiver armazenado dentro de um vaso de pressão, ele não está realizando nenhum trabalho, porém está dotado de muita energia potencial de pressão. Desde que ele possa fluir ao longo de uma tubulação,uma parte desta energia potencial se transforma em energia cinética (de velocidade), e o ar pode ser levado a outros locais, onde sua energia potencial poderá ser utilizada para a realização de algum trabalho. Porém, se toda sua energia potencial for consumida em energia cinética para o seu deslocamento,não restará ao ar nenhuma energia para produzir trabalho útil no local de uso.

36


A seleção adequada dos compressores para produzir ar com determinada pressão e vazão dos reservatórios de ar,das tubulações,dos filtros,dos reguladores,das válvulas de controle e de outros pertences da instalação é de extrema importância para que o sistema como um todo funcione adequadamente, principalmente no intuito de minimizar as perdas de pressão até que o ar comprimido atinja os pontos de consumo. ■

Hidrodinâmica do ar comprimido O escoamento do ar comprimido obedece também a várias leis físicas. - Vazão de ar escoando por um tubo circular A vazão (Q) é o produto da área de passagem (A) vezes a velocidade do ar (v) Q = A 1 x v1 = A2 x v2

(2.20)

A1 / A2 = v2 / v1 A1 e A2 = áreas da seção de passagem do tubo v1 e v2 = velocidades na seção de passagem

A1

V1

A2

V2

Figura 2.7 – Vazão de ar em tubos


37

Na hidrodinâmica, classificam-se os escoamentos em: laminar ou turbulento. É sempre ideal para a distribuição de qualquer fluido em escoamento por tubulações que o escoamento seja laminar, reduzindo-se ao máximo as perdas de pressão durante o escoamento. Se for turbulento, as perdas de pressão alcançarão valores extremamente altos. As velocidades recomendadas para o ar comprimido são de até 20 m/s.Valores maiores produzirão maiores perdas de carga na tubulação, que, como será visto adiante, são proporcionais ao quadrado da velocidade.

Figura 2.8 - Escoamentos do ar

38


3

Sistemas de Geração de Ar Comprimido

A figura 3.1 apresenta um esquema de um sistema de ar comprimido.

Figura 3.1 - Visão tridimensional de uma instalação de geração de ar comprimido 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). Após a compressão, pode ocorrer a contaminação do ar com o óleo lubrificante do compressor, e, devido ao processo de compressão, a temperatura do ar se eleva consideravelmente dentro do compressor. Com a finalidade de retirar o óleo absorvido pelo ar comprimido, recomenda-se passá-lo por um separador de óleo e, em seguida, dirigi-lo a um trocador de calor, que pode


39

ser resfriado por água ou ar sob ventilação, denominado aftercooler. Esse resfriamento reduz a temperatura do ar comprimido proveniente da descarga do compressor. Dependendo do tipo de compressor utilizado na geração do ar comprimido, a temperatura do ar na descarga pode variar de 85oC até 180oC. O uso deste resfriador de ar montado depois do compressor (daí o nome, em inglês, aftercooler) reduz a temperatura do ar comprimido para valores entre 10ºC até 15ºC acima da temperatura do ambiente.Este abaixamento de temperatura facilita a precipitação de condensado (umidade). Seguindo sua rota, o fluxo de ar vai para o reservatório (tanque),onde é armazenado.Aí se precipita grande parte da umidade contida no ar comprimido, que dele é drenado para o esgoto por dispositivos de drenagem adaptados ao reservatório. Para garantir a máxima retirada da umidade do ar, este passa por um secador, onde é precipitado o restante do condensado que se quer retirar. O condensado drenado vai para o esgoto, e o ar, agora industrialmente seco, vai passar pela filtragem final, para que sejam eliminadas as impurezas restantes antes que o ar seja fornecido à rede de distribuição. Esta conduzirá o ar até sua aplicação específica. Nela poderão estar instalados purgadores, válvulas, filtros e reguladores de pressão. A configuração do sistema dependerá de vários fatores. Citam-se:

■

número de pontos usuários;

■

consumo e pressões por aplicação;

■

distância entre pontos usuários;

■

custos de manutenção;

■

custos de paradas não programadas;

■

eficiência dos equipamentos;

■

disponibilidade de utilidades no leiaute da planta; e

■

perfil da carga a ser atendida.

40


A análise desses fatores pelo pessoal de fábrica ou especialistas indicará se o sistema deverá ser centralizado ou descentralizado, de múltiplas unidades ou de poucas e grandes máquinas. A experiência mostra que a centralização dos compressores necessários a um sistema é a preferida, pois, entre outras facilidades, permite: economia na operação do sistema, melhor projeto, proteção contra a entrada de pessoas não autorizadas no recinto, bom controle da poluição sonora e controle da ventilação local. ■

A sala dos compressores

A localização da sala no leiaute da fábrica é de extrema importância, pois uma má locação trará em futuro próximo problemas de solução complexa e dispendiosa. Os equipamentos que compõem o sistema de geração de ar comprimido devem estar em espaço amplo,para que possam ser vistoriados de qualquer posição, e afastados das paredes, para que os mecânicos de manutenção possam desenvolver seu trabalho. Os próprios fabricantes de compressores,reservatórios,filtros e secadores dispõem de catálogos e manuais que orientam o usuário a instalar adequadamente seus produtos. Entre as ações que afetam diretamente o consumo de energia, está a localização da tomada de ar de admissão dos compressores, como será visto adiante. DICA: As aberturas para a entrada do ar atmosférico devem ser bem planejadas. Quanto mais ventilado e fresco for o ambiente da sala de compressores, melhor será o rendimento do sistema.

3.1 Compressores A figura 3.2 apresenta uma classificação dos tipos de compressores existentes, segundo o princípio de operação. Apesar da diversidade apresentada para a maioria das aplicações usuais de ar comprimido, os compressores de deslocamento positivo ou volumétricos de pistão e os de parafuso são os mais utilizados. Os turbocompressores ou os dinâmicos, como os centrífugos e axiais, são mais utilizados em sistemas de pressões menores mas com vazões elevadas. Os demais compressores são usados para outros gases ou para aplicações especiais.


41

A figura 3.3 mostra, para os tipos apresentados, como são representados, em símbolos, seus diaframas, faixa de pressão e vazão usual que operam.

3.1.1 Compressor recíproco de pistão As vantagens principais desses compressores são: produzirem altas pressões e funcionam com excelente desempenho mecânico. ■

Compressores com lubrificação

Estes compressores foram os que primeiro chegaram ao mercado. Seu conceito de construção foi desenvolvido nos anos 20 e até hoje são os mais comuns em uso.Normalmente, são fabricados nos modelos ditos de: ação simples ou de dupla ação. Os compressores de pistão aspiram e comprimem o ar durante seu movimento entre o ponto morto inferior e o ponto morto superior, à medida que são acionadas automaticamente as válvulas de admissão e descarga do ar. Estes compressores podem possuir vários cilindros e, logo, vários pistãos. Pode-se com eles obter grande flexibilidade na produção de pressões e vazões.

42


Figura 3.2 - Tipos de compressores


Figura 3.3 - Simbologia dos tipos de compressores

43

44


Os compressores mais comuns são os do tipo V. Os de dupla ação são do tipo L, com um pistão na horizontal e outro na vertical. A lubrificação poderá ser realizada sob pressão ou por meio de banho de óleo, que é armazenado no cárter (pescador). Além de efetuar a lubrificação das partes móveis, o óleo lubrificante ajuda a resfriar a carcaça do compressor. A figura 3.4 exemplifica esses tipos de compressores.

Figura 3.4 - Compressores alternativos de pistão


45

Os arranjos de pistãos e cilindros de um compressor apresentam várias vantagens e desvantagens. Por exemplo: ■

Cilindros verticais

Como os pistãos funcionam em movimento vertical, o efeito motor é de baixo para cima, o que evita tensões mecânicas adicionais sobre as bases de montagem. ■

Cilindros horizontais

A força da gravidade não atua contra o pistão no movimento de compressão. Este benefício só é notado para grandes vazões. ■

Tipos:V,W ou L

Consegue-se uma melhor distribuição dos esforços mecânicos.Necessita de menor espaço físico de instalação para a mesma produção de ar comprimido, considerando outro tipos. ■

Compressores de pistão para a produção de ar isento de óleo

Estes compressores são projetados para que os anéis do pistão sejam de materiais que produzem pouco atrito (PTFE ou carbono).Como não existirá a ajuda de resfriamento do óleo lubrificante, uma ventilação de resfriamento entre os cilindros por meios externos (ventilador axial) não permitirá o superaquecimento das partes metálicas, fato que dificultará a redução da viscosidade do óleo, não permitindo que gotas de pequeno diâmetro passem para a câmara de compressão e se misturem com o ar comprimido. Existem compressores de pequeno tamanho deste tipo que utilizam rolamentos externos suportando o virabrequim, livrando-os do uso de óleo de lubrificação no cárter.

3.1.2 Compressores de parafuso Os compressores de parafuso são do tipo volumétrico rotativo. Foram desenvolvidos durante os anos 30, quando se necessitou de compressores que produzissem altas vazões e que mantivessem o comportamento estável quando houvesse variação de carga. Dois rotores montados em paralelo – o rotor dito "macho" e o rotor dito "fêmea" - giram em sentidos opostos dentro de uma carcaça. Um dos parafusos é o que recebe energia motriz e o outro é acionado pelo movimento transmitido por meio de engrenagens

46


acionadas pelo primeiro rotor.O ar é aprisionado nos espaços entre os rotores,os quais são diminuídos ao longo da trajetória do ar pelos rotores.Portanto, a pressão do ar vai aumentando até que o ar atinja o final da trajetória, onde a pressão final é alcançada e o ar é descarregado. Os volumes que o ar ocupa entre os rotores são formados pelos espaços existentes entre as hélices dos parafusos, e são sempre de valores decrescentes.As pressões a serem alcançadas no fim da compressão não dependem do comprimento dos rotores. A principal vantagem desses compressores é a de não possuir válvulas, reduzindo as possibilidades de falhas,muito comuns nessas peças. As forças axiais que aparecem devido aos esforços desenvolvidos em uma só direção são contrabalançadas pelos rolamentos autocompensatórios de fixação nas extremidades. Devido ao seu funcionamento,este tipo de compressor produz o ar comprimido em regime constante e sem pulsação – o inverso dos compressores de pistão, que produzem a vazão de ar comprimido em pulsos.

Figura 3.5 - Compressor parafuso ■

Compressores de parafuso isentos de óleo

Estes compressores são construídos de forma que os rotores e o ar não entrem em contato com o óleo lubrificante, pois nesses tipos dispensa-se a lubrificação.Os eixos dos rotores são sustentados por rolamentos montados externamente ao interior da carcaça. Nos anos 60, foram introduzidos os compressores de parafusos de roscas assimétricas, que aumentaram sobremaneira a eficiência de compressão, pois houve uma redução drástica nas perdas por vazamentos internos entre as roscas helicoidais simétricas.

■

Compressores de parafuso com injeção de óleo

Quando se exige que os compressores de parafusos produzam ar com pressões muito elevadas, é necessário que os parafusos sejam lubrificados, primeiro, para garantir o


47

funcionamento em regime de trabalho pesado e,principalmente,para ajudar a refrigeração da máquina. As características apresentadas pelos compressores de parafuso mais importantes são: ■

volume reduzido;

■

produção contínua de ar; e

■

temperatura mais baixa no fim da compressão.

3.1.3 Compressores dinâmicos Estes compressores são também denominados compressores de fluxo. ■

Compressor axial

Nos compressores axiais, o ar que será comprimido segue uma trajetória axial ao passar pelas pás fixadas em um rotor (pás móveis). Sua trajetória é orientada por pás fixas presas na carcaça. O ar é acelerado nas pás móveis e desacelerado nas pás fixas. Devido ao formato e disposição das pás, a energia cinética fornecida ao ar pelas pás móveis vai se transformando em energia de pressão ao longo da trajetória do ar pelo compressor nas pás fixas. A força de empuxo axial gerada é contraposta pelo uso de rolamentos de encosto axiais. A vazão de ar normal obtida nestes compressores é bastante alta em comparação com os compressores citados até aqui, porém as pressões efetivas obtidas são limitadas. As principais características desses compressores são: ■

produção uniforme do ar comprimido;

■

produzem o ar isento de óleo;

■

é sensível a variações de carga e tensões; e

■

atendem a vazões elevadas.

48


Figura 3.6 - Compressor axial

■

Compressores radiais centrífugos

Nestes compressores, o ar é admitido no sentido axial no interior do rotor, sendo depois dirigido,verticalmente, ao eixo por meio da força centrífuga gerada pela rotação do rotor e pela forma das pás, onde o ar é acelerado. Na saída do compressor existe uma roda de pás fixas, denominada difusor, onde a energia cedida ao ar, na forma de energia cinética, será transformada em energia de pressão. Se o compressor possuir mais de um rotor, ele é denominado multiestágio (ou turbo compressor ), podendo atingir a pressões acima de 25 bar. Operam com rotações entre 15000 a 100.000 rpm. Possuem resfriamento de ar entre os estágios, o que aumenta bastante o rendimento. O eixo que suporta os rotores é montado em rolamentos de esferas ou de cilindros.

Figura 3.7: Compressor radial centrífugo


As principais características desses compressores são: ■

produção de ar comprimido uniforme;

■

ar comprimido é produzido totalmente isento de óleo;

■

sensíveis a mudanças de carga e tensões; e

■

produzem altas vazões.

49

50


4

Armazenamento do Ar Comprimido Reservatórios

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. A tabela 4.1 mostra os volumes de reservatórios de ar comprimido normalmente usados nos Estados Unidos para as pressões de 3 a 8,5 bar e segundo a capacidade do compressor de trabalhar de forma contínua. Geralmente, é o caso de compressores de parafuso. No caso de se usar o reservatório para controle de partidas e paradas automáticas, sugere-se que o reservatório atenda à metade da capacidade, conforme indica a tabela. Adiante, ao estudarmos o cálculo do volume dos reservatórios, veremos que esses volumes indicados situam-se no limite inferior dos valores recomendados. T A B E L A 4 . 1 - V O L U M E S D E R E S E R V A T Ó R I O S E P R E S S Õ E S D IS P O N Í V E I S

(continua)

VOLUME (m3)

m3 / min REGIME CONTÍNUO

m3 / min PARTIDA - PARADA

0,13

1,1

0,6

0,31

3,1

1,6

0,53

5,4

2,7

0,95

9,6

4,8


51

T A B E L A 4 . 1 - V O L U M E S D E R E S E R V A T Ó R I O S E P R E S S Õ E S D IS P O N Í V E I S (conclusão)

VOLUME (m )

m / min REGIME CONTÍNUO

m / min PARTIDA - PARADA

1,60

16,2

8,1

2,69

27,2

13,6

4,23

60,0

30,0

6,24

88,3

44,2

8,79

125,0

62,5

11,98

170,0

85,0

3

3

3

Fonte: Rollins Quando for fazer a escolha de um reservatório mas o volume encontrado nos cálculos não se encontra dentro dos valores dos reservatórios disponíveis no mercado, utilize a regra de escolher aquele que tenha um volume mais próximo do necessário. O maior custo para fabricar um reservatório de volume não padronizado torna-se economicamente inviável.

4.1 Funções dos reservatórios de ar comprimido ■

Redução da condição de pulsação 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.

52

■


Coleta 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 retirado e cedido 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 condensado é coletado no fundo do reservatório e removido para o exterior por meio de um conjunto adequado de drenagem. Nos reservatórios cujas instalações 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. ■

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.

4.2 Instalação dos reservatórios 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, em 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.


■

53

Localização

O reservatório de ar comprimido deverá ser instalado em local fresco, de modo a permitir que mais condensado seja precipitado no reservatório, o que reduzirá os custos de instalação de dispositivos para a retirada de condensado ao longo da instalação pneumática. Os reservatórios de ar comprimido devem ser instalados de maneira que possam ser inspecionados e receber manutenção regular. Os reservatórios deverão ser montados sobre bases de fundação adequadas. Deve ser levado em conta que as tensões sobre as bases aumentam durante os testes hidrostáticos quando o reservatório é cheio com água. Os cuidados da localização e montagem devem levar em conta o perigo de acidente para as pessoas e proteção contra colisão ou choques com outros equipamentos mecânicos. ■

Instrumentação e segurança dos reservatórios de ar comprimido

Sendo vasos de pressão, os reservatórios são calculados, projetados e construídos seguindo normas especificas dos países onde são fabricados. No Brasil, existem normas de segurança (NR 13) e de cálculo que seguem de perto as normas de construção e projeto da ASME. Os operadores dos sistemas de ar comprimido devem ser treinados nas regras de segurança existentes para vasos de pressão (NR 13). Os reservatórios possuem vários orifícios, onde são fixadas várias conexões de tubulações. Servem, também, para a instalação dos instrumentos necessários ao controle do sistema. A figura 4.1 apresenta um exemplo de reservatório, contendo diversos acessórios.

54


Figura 4.1 - Reservatório de ar comprimido com as conexões 1) pressostato –usado para controlar o funcionamento do compressor; 2) válvula de retenção (não retorno) – deverá ser instalada na linha de alimentação que liga o compressor ao reservatório. (nos compressores a pistão, evita que o ar retorne ao compressor quando este para de funcionar; nos compressores de parafuso, faz parte integrante do compressor); 3) válvula de segurança – sua instalação nos reservatórios é exigência legal (se a pressão interna de operação do tanque alcançar valores acima de 10% da pressão máxima de operação no reservatório, ela se abre e descarrega o excesso de pressão); 4) flange de controle – usado como orifício para se instalar um manômetro calibrado para se fazer a inspeção no reservatório nos testes de pressão; 5) manômetro – mostra a pressão interna do reservatório;


55

6) válvula de bloqueio de esfera – usada para isolar o sistema de tubulações do reservatório ou o compressor; 7) dreno de condensado – o condensado precipitado no reservatório deverá ser drenado eficientemente para o coletor de condensado por meio deste dreno; 8) base para conexões – local para instalação de outros acessórios e válvulas; 9) abertura de inspeção – serve para verificar a limpeza e o interior do reservatório (seu diâmetro mínimo é de prescrição legal); e 10) mangueira flexível de alta pressão – conecta o compressor ao reservatório e elimina qualquer vibração no reservatório proveniente do compressor (com esta mangueira, todo o sistema, a partir do compressor, ficará livre do aparecimento de defeitos causados por vibrações). Nem todos os equipamentos indicados são obrigatórios, mas seu uso é recomendado. Válvula de segurança

A presença da válvula de segurança é exigência de lei.Se a pressão interna no reservatório PN (pressão do sistema) aumenta para valores superiores aos da pressão prescrita (por exemplo, a pressão máxima do compressor é 10 bar, e a pressão do tanque supera esse valor), a válvula de segurança abre-se lentamente. Se a pressão do sistema aumenta 10% acima da pressão nominal (por exemplo, pressão do tanque 11 bar, pressão na válvula de segurança 12,1 bar), a válvula de segurança abre-se totalmente e deixa o ar fluir para o ambiente, eliminando o excesso de pressão. A válvula de segurança deverá ter diâmetro de abertura suficiente para que não haja em momento algum restrição ao escape do excesso de pressão. A cada vez que a rede de distribuição de ar cresce ou o número de compressores aumenta, a válvula de segurança deverá ser atualizada, pois se, por acaso, ela não funcionar há perigo de explosão do reservatório.

4.3 Volume dos reservatórios (VR) Diversas são as indicações para o cálculo do volume do reservatório. Como descrito no início do capítulo, o volume depende dos mecanismos de controle e automação, do tipo

56


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. A fórmula 4.2 representa uma regra prática recomendada por um fabricante de sistemas de ar comprimido. 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, VR = DLE / 3. Para sistemas com consumo intermitente, geralmente, compressores a pistão, VR = DLE. VR = Q .t /P

(4.1)

t é o tempo que o reservatório pode fornecer ar comprimido para não ocorrer queda excessiva de pressão ou para evitar partidas freqüentes do motor e, conseqüentemente, sobreaquecimento deste. P é a diferença de pressão inicial e final do reservatório ou de acionamento do com-

pressor. ■

VR = DLE .F / (TC . P)

(4.2)

F = 5 para compressores de parafuso; e F = 15 para compressores a pistão. ■

VR = DLE x 60 x [D/DLE - (D/ DLE) 2] / [Tc x (P máx - Pmin)] VR

= Volume do reservatório de ar comprimido, em m3;

DLE = Vazão do(s) compressor(es), em m3/min;

(4.3)


D

= Demanda necessária, em m3/min;

Tc

= Taxa de ciclos seguidos do motor, 1/h;

57

Pmáx = Pressão de desligamento do compressor, em bar; e Pmin = Pressão de religamento compressor, em bar. Sistemas funcionando com compressores a pistão requerem reservatórios maiores para permitir melhor equalização do fluxo de ar,evitando-se os pulsos de ar gerados nesse tipo de compressor. DICA: Quanto maior o diferencial de pressão permitido, menor será o reservatório ou menos tempo o compressor irá funcionar. Caso se queira reduzir o tempo em alívio dos compressores, isto é, economizar energia, deve-se aumentar o tamanho dos reservatórios e/ou aumentar o diferencial de pressão, reduzindo a pressão de entrada em operação, se for possível.

Exemplo 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.TC = 12, isto é, os motores de acionamento possuem ciclos mínimos de 5 minutos, 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.Verificar as opções de otimização atuando no tamanho do reservatório e/ou no diferencial de pressão.

58


Considerações iniciais:

Figura 4.2 - 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 (P1 = 8 bar;V1 = 3 m3; ρ1 = 10,47 kg / m3) para a situação de acionamento dos dois compressores (P2 = 7 bar ; V2 = 3 m 3; ρ2 = 9,31 kg / m 3). Da equação geral dos gases P. V = m . R . T

(4.4)

R = constante do ar m = ρ .V

(4.5)

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: P1 / m1 = P2 / m2 (4.6)

m2 = P2 . m1 / P1

59

m2 = P2abs . ρ1 . V1 / (P1abs . ρ2)

Utilizando os dados, temos que m1 = 31,42 kg e m2 = 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 iguais 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. t4 - haverá uma demanda excedente de 26,67 l/s (60 – 33,33),que “esvaziará”o reservatório até 7 bar. Os compressores 2 e 3 serão acionados - produção igual a 100l/s. Volta à situação t3. Esse ciclo (t3 - t4 - t3) permanece até completar 10 minutos, quando se reinicia o ciclo de t0 a t4. Devido à variação de massa específica durante os ciclos, usaremos valores médios. A tabela 4.2 resume a situação encontrada. TABELA 4.2 – SITUAÇÃO ENCONTRADA

(continua)

t0

t1

t2

t3

t4

0

3,3

20

25,4

33,6

Q (l/s)

100

100

100

60

60

P (bar)

8

7

7

8

7

DLE (l/s) - C1

33,33

33,33

33,33

33,33

33,33

DLE (l/s) - C2

0

33,33

33,33

33,33

0

DLE (l/s) - C3

0

33,34

33,34

33,34

0

sem carga

sem alívio

Total

ciclos

t (s)

C2 e C3 -

60


TABELA 4.2 – SITUAÇÃO ENCONTRADA após 20 s. em 10 min. Potência - kW Consumo* total

(conclusão)

t0

t1

t2

t3

5,4

8,2

13,6

42,7

248,8

351,2

600,0

41%

59%

100%

12

2,5

15804,1

2107,5

17912

t4

kWh

*inclui C1 Com a proposta de operar apenas dois compressores, mantendo um de reserva, conforme a tabela 4.3 apresenta. Nesse caso, propõe-se que t1 coincida com t2, para evitar que C3 opere. TA B E L A 4 . 3 - S I T U A Ç Ã O P R O P O S T A t0

t1

t2

t3

t4

0

20,0

20

120,1

145,1

Q (l/s)

100

100

100

60

60

P (bar)

8

?

?

8

?

DLE (l/s) - C1

33,33

33,33

33,33

33,33

33,33

DLE (l/s) - C2

33,33

33,33

33,33

33,33

0

DLE (l/s) - C3

0

t (s)

C1 e C2 -

0

s em carga

s em alívio

Total

ciclos

após 20 s.

100,1

25,0

125,1

4,6

em 10 min.

464,1

135,9

600,0

77%

23%

100%

12

2,5

15323,2

407,7

Potência - kW Consumo* total *inclui C1

15731

kWh


61

Para conseguirmos esse ciclo de operação, podemos reduzir a pressão mínima do sistema ou aumentar o volume do reservatório, ou ambos. As três soluções encontradas são apresentadas na tabela 4.4. Elas foram obtidas variando-se a pressão e/ou o volume do reservatório de modo a obter-se t1 = 20 s. Nesse tempo, haverá uma “fuga”de 666,67 l (20 x 33,334),que, multiplicada pela massa específica média (tabela 7.6), representa a massa que o reservatório poderá perder e manter a condição proposta. TA B E L A 4 . 4 – A LT E R N A T I VA S E N C O N T R A D A S ALTERNATIVA

VOLUME DO RESERVATÓRIO – m3

PRESSÃO MÍNIMA - bar

1 – redução da pressão

3,0

5

2 – aumento do reservatório

9,2

7

3 – ambas

4,6

6

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 documento, apresenta as planilhas usadas no cálculo.

62


5

O Tratamento do Ar Comprimido

Os equipamentos mais modernos que utilizam ar comprimido exigem que este esteja completamente livre de impurezas, seco (isento de água) e, em certas aplicações, até esterilizado.As impurezas contidas no ar atmosférico são normalmente invisíveis a olho nu. Elas podem danificar e reduzir a performance de funcionamento dos equipamentos pneumáticos, podendo até, em certos casos, provocar falhas nos produtos finais do usuário / industria. Em média,1 m3 de ar atmosférico contém mais de 180 milhões de partículas, de tamanhos que se distribuem entre 0,01 e 100 µm, e contém de 5 a 40 g/m3 de água.Também, é comum existir material oleoso na base de 0,01 a 0,03 mg/m 3 em suspensão na forma de aerossóis e de hidrocarbonetos gasosos. Em certos locais, também são encontrados traços de material pesado, tais como: chumbo, cádmio, mercúrio e ferro. Quando o ar é comprimido, o volume ocupado pelo ar é reduzido e a concentração dessas impurezas aumenta bruscamente. Por exemplo, na compressão de ar a 10 bar a concentração de impurezas aumenta 11 vezes. Assim, o volume de 1m3 de ar comprimido nesta pressão conterá cerca de 2 bilhões de partículas.

5.1 Benefícios obtidos com o tratamento do ar comprimido ■

aumento da vida útil dos equipamentos consumidores de ar comprimido;

■

melhoria na qualidade do produto final;

■

isenção de condensado e sujeiras nas tubulações pneumáticas;

■

redução de problemas mecânicos por mau funcionamento, causado por essas sujeiras;

■

■

redução de custos com a aquisição de dispositivos de coleta e a eliminação de condensado das linhas; redução dos tempos mortos, devido à manutenção corretiva;


■

■

63

redução de perdas de pressão na distribuição de ar, por eliminar as resistências ao escoamento do ar; e redução do consumo de energia, que é diretamente ligada à perda de pressão.

5.2 Conseqüências do tratamento ineficiente do ar comprimido A presença das impurezas e de água no ar atmosférico admitidas no sistema de compressão poderão causar problemas em diversas partes do sistema de ar comprimido. Por exemplo: aumentar o desgaste das tubulações e nos equipamentos consumidores e gerar a possibilidade de redução da qualidade dos produtos do processo fabril. Em algumas aplicações, o uso do ar comprimido sem o devido tratamento pode causar danos muito graves e até prejudiciais à saúde. Tendo em vista essas considerações, torna-se importante que o ar seja tratado,ou seja, retirado o máximo possível de particulados, óleo e água. a) Partículas sólidas ■

Sujeira e outras partículas causam arranhões nas superfícies metálicas, gerando desgaste nos sistemas pneumáticos, principalmente quando, além delas,existe uma combinação com óleos e graxas, formando uma pasta de consistência parecida com as pastas utilizadas nas operações de lixamento. b) A presença de óleo

■

■

A presença de depósito de óleo acumulado nos sistemas pneumáticos provoca a redução do diâmetro dos tubos e pode dificultar e até bloquear pequenos orifícios de passagem do ar. Em algumas aplicações nas indústrias de alimentos e produtos farmacêuticos, exigese que o ar comprimido esteja isento de óleo, por razões de segurança para a saúde. c) A água

■

■

A umidade presente nos sistemas pneumáticos pode provocar corrosão. A água causa oxidação em superfícies metálicas, propiciando a formação de crostas de oxidação nas tubulações, que podem deteriorar os equipamentos ou dispositivos e causarem vazamentos.

64

■


A mistura da água com o óleo provoca falhas nas camadas de lubrificação, que levam a defeitos mecânicos por desgaste.

5.3 Secagem do ar comprimido Uma parte importante no tratamento do ar comprimido é cumprida pela retirada da água do ar comprimido. Esta ação é denominada secagem do ar comprimido. A secagem 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 retirada da água contida no ar. Condensação. Consiste na precipitação da água quando o ar é resfriado do seu pon-

to de orvalho. Sorção. É a secagem por remoção química da umidade. Neste processo, o ar é obriga-

do a entrar em contato com um material higroscópico, que poderá ser líquido ou sólido (por 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. A figura 5.1 apresenta os diversos tipos de secagem existentes. Embora existam possibilidades de utilização de secadores de todos os tipos,a realidade


65

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°, enquanto os secadores por refrigeração,para as mesmas condições, atingem pontos de orvalho entre 2°C 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 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.

Figura 5.1:Tipos de secagem de ar

66


a) Secador instalado antes do reservatório de ar comprimido. A figura 5.2 mostra essa disposição.

Figura 5.2 - Secador antes do reservatório

Vantagens ■

■

O ar é completamente seco no interior do reservatório. Não haverá precipitação de condensado no reservatório. A qualidade do ar é consistente. A retirada rápida de uma grande quantidade de água do ar comprimido (demandas instantâneas) não altera o ponto de orvalho do ar comprimido. Isto é,reduções bruscas de pressão na rede de ar levam a uma redução da temperatura, o que pode provocar uma condensação da água contida no ar, a qual será arrastada pela tubulação até que seja drenada ou aplicada junto com o ar comprimido. Desvantagens

■

■

■

Os secadores são maiores. Deverão ser projetados para atender plenamente à produção do compressor. O secador para este caso fica superdimensionado quando o consumo no sistema ou a demanda por ar seco forem baixos. A secagem, quando o compressor produz ar de forma pulsante, também é pulsante, como no caso dos compressores de pistão.Esse fato cria tensões mecânicas no secador. A temperatura do ar comprimido é alta. O ar comprimido deve se dirigir ao secador logo após o resfriador posterior (aftercooler) do compressor, para que a temperatura


67

do ar comprimido seja menor. ■

■

Ocorre a incapacidade de se poder dividir o ar comprimido em vazão que deverá ser de ar seco, e a vazão de ar que não necessita ser de ar seco. seco. Há a grande quantidade de condensado. condensado.TTodo o condensado ira se precipitar no secador. Conclusão

A instalação do secador antes do reservatório de ar comprimido comprimido,, com certeza, conduzirá a resultados economicamente piores. piores. Porém, Porém,o o bom senso e a experiência devem oriorientar a análise. b) Secador instalado depois do reservatório A figura 5.3 mostra essa disposição. Vantagens

■

■

■

■

Os secadores são de menor porte. Poderão ser dimensionados para o consumo consumo real de ar comprimido ou para a vazão parcial de ar comprimido que tenha a necessidade de ser secado. A secagem com vazão não é turbulenta. Ocorre a admissão de ar comprimido com com temperatura mais baixa. O ar comprimido perde calor ao ser armazenado e estará mais frio quando chegar ao secador. A quantidade de água a ser condensada no secador é menor. Sempre há precipitação de água no reservatório, reservatório, devido ao aumento do volume de armazenamento, armazenamento, restando assim menor volume de água a ser retirada no secador.

68


Figura 5.3 - Secador depois do reservatório Desvantagens ■

■

Ocorre a presença de condensado no reservatório. O contato de água com as partes partes de aço do reservatório aumentam e muito, as possibilidades de corrosão. Verifica-se sobrecarga sobrecarga no secador. secador. O secador ficará sobrecarregado se houver qualquer mudança brusca na produção ou consumo de ar comprimido. comprimido. A temperatura do ponto de orvalho do ar comprimido aumenta. Conclusão

Na grande maioria dos casos, o argumento econômico econômico é favorável à instalação do secador após o reservatório. Secadores menores podem ser utilizados, utilizados, e a eficiência é melhor. c) Secadores de ar usando refrigeração Atualmente, é o tipo mais usado nos sistemas industriais de produção de ar comprimiAtualmente,é do.No do. No caso particular deste secador de ar, o ar comprimido “qu “quente” ente”ee úmido entra no secador,, passando por um trocador de calor ar/ar, cador ar/ar, sendo pré-resfriado pelo ar que foi foi resfriado no secador e que está saindo. saindo. Em seguida, passa por outro outro trocador de calor, calor, que é o evaporador de um sistema sistema de refrigeração, refrigeração, onde a sua temperatura é diminuída diminuída de até 3ºC a 4ºC, que é normalmente o ponto de orvalho do ar comprimido nas pressões usuais. Atingida esta temperatura, a umidade (vapor (vapor d'água) se condensa. A água, agora na fase


69

líquida, pode ser drenada do sistema. sistema. Após ter sido separada e retirada retirada a água, o ar comprimido, comprimido, que agora possui possui apenas uma umidade relativa no entorno de 20% (que é o usual para ar industrial seco), aumenta sua temperatura,passando pelo trocador ar/ar,já mencionado,resfriando o ar que está entrando no secador e se aquecendo a uma temperatura que o possibilite ser filtrado em um filtro coalescente. Vazão de condensado precipitado

O exemplo exemplo seguinte mostra como como determinar a vazão de condensado, condensado, Qc, que realmente irá se precipitar quando o ar é comprimido. comprimido.Esse Esse volume é o que deverá ser retirado do sistema. Exemplo: Ar atmosférico é aspirado a pressão de 1 bar abs, temperatura de bulbo seco seco de 35ºC, umidade relativa e a máxima fornecida pela meteorologia de 80% e 39,6 g/m 3, des descar carga ga livre (DLL) de 2000 m3/h na pressão final P2 = 7 bar (8 bar abs). A instalação instalação de comprescompressão compreende um compressor em série com um "aftercooler" (resfriador posterior de ar ), um reservatório de ar comprimido e um secador de ar comprimido comprimido por refrigeração e as condições conforme mostradas no esquema representado na figura 5.4.

Figura 5.4 – Condições do exemplo

70


O ar atmosférico contém uma quantidade de água.No caso acima,a vazão de água aspirada é dada por: Qágua = DLL x Gs x UR

(5.1)

Qágua = 2000 x 0,0396 x 0,80 = 63,4 kg/h ˜ 63,4 l/h No compressor, compressor, o ar é aquecido por compressão a P2. Imedi Imediatame atamente, nte, é resfriado resfriado pelo aftercooler,, que leva o ar atingir a temperatura de 40°C,alcançando aftercooler 40°C, alcançando 100% de umidade relativa, e aí o condensado se precipita (Qc1). Na prática, prática, não é possível possível coletar coletar todo o condensado, pois parcela é arrastada arrastada pelo fluxo de ar. ar. Assumindo uma eficiência () do aftercoolerr de 90%, temo coole temos: s: QRc = Qc . 

(5.2)

Qc1 = Qágua - (DLE2 x Gs2 x UR2) DLE2 = DLL / P2 = 2000 / 8 = 250 m3/h Gs2 = 50,7 g de água/ m3, da tabela tabela 2.4 2.4 Qc1 = 63,4 - ( 250 x 0,0507 x 1) = 50,7 kg/h ˜ 50,7 l/h QRc1 = 50,7 x 0,9 = 45,6 kg/h A vazão de água contida no ar que vai para o reservatório será: Q água2 = Qágua - QRc1 = 63,4 – 45,6 = 17,8 kg/h Logo após, após, ao entrar no reservatório, sofre ligeira expansão, e sua temperatura temperatura equaliza com a do ambiente,de 35°C (Gs3 = 39,6 g/m3),),UR UR de 100%.No 100%. No reservatório reservatório,, nova quanquantidade de condensado se precipita (QRc2). Mantendo a eficiência de drenagem drenagem em 90%, temos: QRc2 = Qc2 .  Qc2 = Qágua2 - (DLE3 x Gs3 x UR3) Qc2 = 17,8 - ( 250 x 0,0396 x 1) = 7,9 kg/h ˜ 7,9 l/h QRc2 = 7,9 x 0,9 = 7,1 kg/h


71

A vazão de água contida no ar que vai para o secador será: Qágua3 = Qágua2 - QRc2 = 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, (QRc3). Como há uma perda de carga (0,1 bar), o DLE terá que ajustado. QRc3 = Qágua3 – DLE4 x Gs4 x UR4 Gs4 = 7,1 g de água /m3, da tabela 2.4 QRc3 = 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: Qágua4 = Qágua3 - QRc3 = 10,7 – 8,9 = 1,8 kg/h Para a temperatura da rede de 35°C (Gs3 = 39,6 g/m3), a umidade contida será: UA = 1,8 / (250 x 8 / 7,9) = 0,0071 g/m 3 Logo, o ar sairá com uma umidade relativa de: UR = 0,0071 / 0,0396 = 0,18 ou 18% A vazão de água retirada do ar será a soma de todas as parcelas, QRc.Logo: QRc = 45,6 + 7,1 + 8,9 = 62,6 kg/h ˜ 61,6 l/h Em vinte quatro horas de funcionamento por dia, retiram-se do ar cerca 1500 litros de água, sendo que o secador é responsável por retirar cerca de 240 l.

5.4 Filtragem do ar comprimido Os filtros utilizados nas instalações têm a função de retirar partículas sólidas e óleo presentes no ar comprimido.

72


5.4.1 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/m 3 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 ou fumo tóxico. ■

Taxa de separação ou Taxa de eficiência (h%)

A taxa de separação  mede a concentração de impurezas antes e depois do filtro. É também denominada taxa de eficiência. A taxa de separação  é a medida da eficiência do filtro. O tamanho mínimo de partículas [ µm ] que podem ser separadas deve ser especificada.  = 100 - (C2/C1) x 100 (%)

C1 = Concentração de impurezas antes do filtro; C2 = Concentração de impurezas depois do filtro; e  = Taxa de separação do filtro [ % ].

(5.3)


73

Figura 5.5 - Filtro coalescente de ar 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. Exemplo de cálculo de  Um aparelho de ar comprimido tem a concentração de impurezas antes da filtragem C1 = 30 mg/m3. Após a filtragem, a concentração de impurezas é C2 = 0,003 mg/m3,composta por partículas de tamanho maiores que 3 µm.  = 100 - ( C2/C1 x 100 )  = 100 - [( 0,003/30) x 100] = 99,99

O filtro tem uma taxa de separação de 99,99% relativa a partículas maiores que 3 µm.

74


5.4.2 Perda de pressão ou perda de carga p A queda de pressão p é a diferença entre as pressões medidas no escoamento de ar antes e depois do filtro.A queda de pressão p nos filtros aumenta com o tempo de uso, pois as partículas de sujeira coletadas pelo elemento de filtro vão obstruindo a passagem do ar. O valor de p para elementos de filtros fica entre 0,02 e 0,2 bar, dependendo do tipo de filtro. Muitos filtros já vêm incorporados com instrumentos utilizados para avaliar as diferenças de pressão através dos filtros. Se a queda de pressão p exceder o limite citado acima, o filtro deverá ser limpo e o elemento de filtro, substituído.

Figura 5.6 - Esquemático de medição da perda de pressão no filtro A vazão volumétrica máxima através de um filtro é sempre relativa a uma pressão manométrica (por exemplo, Pman = 7bar). Se a pressão na linha onde o filtro vai operar mudar, muda também a capacidade de vazão do filtro. A mudança desta capacidade poderá ser obtida pelo uso do fator de correção f, fornecido pela tabela 5.1, que pode ser calculado pela relação de pressões absolutas (f = Pabs / Pref abs). T A B E L A 5 . 1 - D E T E R M I N A Ç Ã O D O F AT O R F Pressão [bar] Fator f

1

2

3

4

5

6

0,25 0,38 0,5 0,55 0,75 0,88

7 1

8

9

10

11

12

13

14 15

1,13 1,25 1,38 1,5 1,63 1,75 1,88 2

5.5 Drenagem do condensado gerado nos sistemas de ar comprimido Sempre e onde aparecer nos sistemas pneumáticos, o condensado deve ser drenado.


75

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.

5.5.1 Classificação dos tipos de drenagem para condensado

Figura 5.7 - Tipos de drenos de 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 utilizada.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

76

■


redes que operam com pressões muito altas ou super altas.

5.5.2 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).

5.5.3 Drenagem com controle de nível No interior do recipiente de condensado existe uma bóia que controla a abertura da válvula de saída no fundo do tanque por intermédio do acionamento de uma alavanca. Se o nível do tanque alcança determinada altura, a alavanca efetua a abertura da válvula. A pressão do sistema obriga o condensado a sair do recipiente.Quando o nível atinge certos valores, a alavanca funciona em sentido contrário, fechando a válvula de saída e evitando que ar comprimido da linha escape. Suas principais características são: ■

simples e barato;

■

não usa eletricidade, o que o torna utilizável em áreas com perigo de explosão;

■

não há perda de ar comprimido;

■

por ter partes móveis e entrar em contato direto com o condensado, o sistema necessita de manutenção mais regular;

■

não tem sinal de alarme; e

■

as válvulas de bóia devem ser escolhidas para cada tipo de condensado.


77

5.5.4 Drenagem por meio de válvulas magnéticas de comando temporizado O condensado é acumulado em um recipiente apropriado. A intervalos de tempo regulares e fixados (1 a 30 min), uma válvula magnética opera a abertura de uma saída de dreno de condensado no fundo do tanque. Depois de um tempo de operação (por exemplo de 0,5 a 10 s, a válvula fecha). O condensado é lançado para fora do recipiente pela pressão do sistema. Nota Para garantir a retirada total do condensado formado, deve-se otimizar o tempo de funcionamento, ou seja, o tempo de abertura e fechamento da válvula. Este ajuste deverá variar, pois no verão a quantidade de condensado é maior que no inverno, devido ao aumento da umidade no ar atmosférico. O ajuste deverá ser otimizado para que não se permita fuga de ar comprimido pelo dreno. Suas principais características são: ■

operação muito confiável (o sistema tem confiabilidade, por resolver o problema da eliminação do condensado);

■

são necessárias ligações elétricas;

■

nenhum sinal de mau funcionamento poderá ser visto externamente;

■

não possui nenhum sinal de alarme; e

■

a válvula magnética só opera quando o compressor é ligado.

78


Figura 5.8 - Válvula com dreno eletromagnético

5.5.5 Drenagem utilizando medição eletrônica de volume ocupado O condensado é recolhido em um recipiente adequado.Tão logo o nível máximo permitido no recipiente é alcançado pelo condensado armazenado, um sensor de nível (Ni2) habilita a válvula magnética, que abre uma linha de controle, liberando pressão da linha de ar, que age sobre um diafragma.A força sobre o diafragma cessa, e a válvula é relaxada, abrindo passagem para o tubo de saída. Tão logo o nível mais baixo é atingido, o sensor (Ni-1) habilita o fechamento eletrônico da válvula magnética. O diafragma da válvula se fecha antes que o ar comprimido escape.


79

1- Tubo de entrada 2 - Coletor 3 - Pré-controlador 4 - Válvula Magnética 5 - Válvula Diafragma 6 - Haste 7 - Assento de Válvula 8 - Tubo de Saída Figura 5.9 - Válvulas com medição de volume eletrônico Suas principais características são: ■

operação bastante confiável.;

■

o sistema funciona muito bem, mesmo com condensados problemáticos;

■

como a seção de passagem do condensado é bem grande, não existe a possibilidade de sujeiras e material coagulado ficarem retidos no recipiente, pois a descarga é realizada sem dificuldade;

■

não existe perda de pressão;

■

é necessária a ligação elétrica;

■

■

funcionamento flexível (o sistema se adapta automaticamente às mudanças das condições de operação: variação na viscosidade e flutuações de pressão do condensado); possui alarme (se acontecer um defeito na drenagem do condensado, o alarme é acionado em 60s – a válvula magnética opera automaticamente o diafragma em intervalos seguidos);

■

sinal externo (um LED fica piscando,chamando a atenção dos operadores); e

■

faixa de desempenho ótimo bem ampla.

80


5.5.6 Drenagem utilizando bóia para controle de nível O condensado recolhido segue diretamente para uma câmara de coleta da drenagem do condensado. Uma bóia aciona uma haste dentro de uma guia, acompanhando o aumento de nível do condensado na câmara. Esta guia tem três contatos elétricos, que registram o nível de condensado na câmara. Tão logo a bóia atinja o contato 2, o controlador eletrônico habilita a abertura da válvula magnética. A pressão sobre o diafragma da válvula é relaxada, via uma linha de controle, e o tubo de saída é aberto.A pressão do sistema força o condensado para fora, por um tubo vertical. O nível do condensado no tubo abaixa e um controlador fecha depois de um tempo ajustado para que o ar comprimido não escape. Caso o nível do condensado não alcance o contato 1 no intervalo de tempo, o dreno será automaticamente aberto em intervalos de tempos e novamente fechado depois de um período prefixado.Isto garante que a câmara de acumulação de condensado esteja sempre vazia.Se o nível de condensado alcança o 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- Coletor 2 - Flutuador 3 - Guia 4 - Tubo de Elevação 5 - Válvula Diafragma 6 - válvula Magnética 7 - Tubo de Controle Figura 5.10 - Dreno com controle de nível


81

5.6 Separação do óleo contido na água Depois de filtrar todo o ar e de drenar o condensado sujo de óleo, estes resíduos seriam lançados no esgoto industrial, posteriormente, poluindo os rios. Praticamente todo condensado de ar comprimido possui uma grande quantidade de óleo que contaminará o meio ambiente, comprometendo a obtenção da qualificação da ISO 14.000 ou outro certificado em relação ao controle e conservação do meio ambiente pela empresa. Nas empresas que possuem um tratamento químico/biológico (ETE), estes condensados de óleo comprometem o sistema aeróbico da estação. Portanto,não deverão ser depositados na estação. Devem-se usar equipamentos específicos para tratar essa mistura poluente. Estes equipamentos, após receberem todos os condensados, provenientes do compressor, dos filtros,do secador e do reservatório,possuem um sistema interno que separa o óleo da água, dentro do grau da legislação vigente, depositando o óleo em reservatório próprio e liberando a água tratada. Garante-se, desta forma, total segurança na geração de ar comprimido, sem agredir a natureza. Apesar de representar mais um custo, o tratamento adequado de efluentes pode ser usado na promoção da empresa à categoria de ambientalmente responsável.

82


6

Aplicações

O ar comprimido, ao longo tempo, tem sido usado para várias finalidades industriais, como no acionamento de ferramentas pneumáticas, no acionamento mecânico e no comando de válvulas em sistemas de controle. O ar comprimido é largamente usado em quase todos os setores industriais. Seu campo de aplicação é bastante grande e cresce dia a dia. Uma relação de aplicações será mostrada a seguir, com uma breve descrição do uso.

6.1 Puxar e grampear com ar comprimido

Figura 6.1 - Grampeamento pneumático mecânico A operação de repuxar e de grampear com o uso de mecanismos que utilizam ar comprimido como energia de acionamento é muito usada, principalmente nas situações em que são envolvidas ações de mecanização e automação. Os cilindros ou motores pneumáticos são usados para fixar as ferramentas para a realização do trabalho. O posicionamento poderá ser realizado por movimentos lineares, rotativos e oscilatórios. A energia contida no ar comprimido é convertida diretamente em força de ação por meio da pressão.


83

6.2 Transporte por ar comprimido O transporte realizado com o uso de ar comprimido é encontrado em aplicações em que a mecanização e a automação são indispensáveis. Nessas aplicações, os motores de ar comprimido podem proporcionar o transporte temporizado ou não temporizado, ou de acordo com as necessidades do processo. A armazenagem e a recepção de materiais automatizada se enquadra nesta categoria. Uma variação do transporte pneumático através de tubos é o uso do acionamento de correia transportadora de materiais particulados.

6.3

Sistemas de acionamento pneumático

Figura 6.2 - martelo pneumático Sistemas com acionamento pneumático são encontrados em várias áreas industriais. Podem executar movimentos rotativos ou lineares. O movimento linear é obtido com o uso de cilindros,e é visto na prática como meio altamente econômico e racional.O trabalho útil é realizado pela queda de pressão e pela mudança do volume do ar comprimido. Nesta categoria, encaixam-se as ferramentas e os equipamentos de percursão pneumática (por exemplo, martelo pneumático). A energia do ar comprimido é convertida em energia cinética para movimentar um pistão. Os vibradores e batedores se encaixam nessa categoria. A energia pneumática é também usada no acionamento de válvulas de controle, em sistemas de alimentação de materiais, nos veículos automotores, em posicionamento de ferramentas, etc

84


6.4 Jateamento com ar comprimido

Figura 6.3 - Sistema de aplicação atomizada de metais A energia do ar comprimido é usada para forçar materiais e líquidos através de bocais. Este processo é usado para obter substâncias atomizadas. Processos de tratamento superficial, como jateamento de areia, esferas e pintura que utilizam pistolas de ar comprimido, encaixam-se nestas aplicações. No caso de utilização a altas temperaturas, o ar comprimido é usado para aplicar metais líquidos. O sistema de jateamento com arco elétrico é um exemplo desta aplicação.

6.5 Operações com sopro de ar e jato de água

Figura 6.4 - Pistola de ar com mangueira espiral


85

Nestas operações,o próprio ar comprimido é o meio e a ferramenta de trabalho.O fluxo de água é gerado pela queda de pressão e expansão do volume do ar comprimido. Exemplos destes tipos de trabalhos são os de sopro de ar para produção de garrafas, tanto de plástico como de vidro, e os de sopro e limpeza de moldes de fundição.

6.6 Operações de inspeção e teste O uso de ar comprimido em bancadas de inspeção e testes é muito comum.

Figura 6.5 - Bocal com emissor de impulso de reflexo A variação de pressão é utilizada para determinar a contagem de artigos, o posicionamento correto de produtos para verificação e as determinações de formas e os pesos.

86


6.7 Controle de processos com ar comprimido

Figura 6.6 - Diagrama de controle de um compressor tipo parafuso Toda aplicação pneumática deve ser controlada, de alguma forma, para que haja comando racional na tarefa. Isto é realizado por chaves de pressão e válvulas direcionais etc. Estes comandos atuam de várias maneiras; por exemplo, chaves mecânicas, cames ou meio manual. Chaves elétricas e magnéticas são também muito utilizadas. A pneumática tem enorme importância na verificação dos processos de fluxo de líquidos e gases. O ar comprimido é usado para controlar remotamente válvulas, deslizadores e flaps em grandes plantas industriais. A pneumática é,também,usada nos processos de informação e circuitos lógicos.Os circuitos lógicos a ar são comparáveis com os circuitos eletrônicos lógicos. Eles ocupam espaços maiores,mas são caracterizados por alta precisão de operação.Se o processo exigir muitos elementos lógicos, a pneumática pode ser uma alternativa.


87

6.8 Aplicações especializadas A lista que será apresentada a seguir dá uma idéia das diversas aplicações do ar comprimido na indústria, nas artes e na vida diária. Obviamente, não é possível descrever todas a aplicações da pneumática, pois novas áreas surgem todos os dias e as antigas são desprezadas no curso do processo de desenvolvimento. A lista de aplicações é maior, por sua própria natureza, no campo da engenharia mecânica. Porém, todos as áreas do conhecimento utilizam, de uma forma ou outra, o ar comprimido. Construção civil – furação e demolição; – compactdores de concreto; e – sistema de transporte de tijolos e indústrias de pedras artificiais.

Figura 6.7 - mineração

Mineração – martelo de furação de rochas e sistemas de carregamento; – maquinário de carga e descarga e veículos de demolição; e – sistemas de ventilação.

Indústria química – processo de limpeza de matérias-primas; – processos de controle; e – controle remoto de válvulas.

Figura 6.8 - indústria

Indústria da energia – inserção e retirada de hastes de combustível e controle em reatores nucleares; – controle remoto de válvulas em circuitos de refrigeração de reatores e de comando de controle de vapor; e – sistemas de ventilação nas casas de caldeiras.

88


Saúde – acionamento de brocas de dentistas; – sistemas de respiração artificiais; e – exaustão de gases anestésicos.

Figura 6.9 - saúde

Artes e ofícios – grampeadores e revólver de pregos; – pistola de pintura; – furadeiras e desparafusadeiras; e – desbaste angular.

Figura 6.10 - artes Indústria de processamento de madeira – ajustagem da estrutura de serras; – sistemas de furação; – prensas de colagem; – controle no sistema de translado de painéis de madeira; – remoção de restos particulados de madeira (serragem, tiras); e – pregação automática de peletts. Fundição e laminação de aço – redução de carbono na produção do aço; – rebarbadores; – maquinaria de embalagem de produtos semi-acabados; e


89

– refrigeração de sistemas de ferramentas á quente. Indústria de plásticos – transporte material granulado em tubos; – equipamento de solda e corte; – sopro de ar em produtos pelos moldes de produção; – mecanismo de travamento e desmoldagem para moldes de ferro fundido; e – setor de conformação e marcação. Indústria de processamento de papel – ajuste de rolos e maquinaria de alimentação de massa; – máquinas de corte, embosso e colagem; e – monitoração de tambores. Tecnologia do meio ambiente – formação de barreiras na água; – enriquecimento de água com oxigênio; – manutenção de travamento de portas de câmaras geladas; – raspadores em estação de tratamento de esgoto; e – aumento de pressão nos sistemas de alimentação de água potável.

Agricultura e florestal – proteção de plantas e separação de joio; – transporte de grãos para e da silagem; e – sistema de ventilação de estufas.

Figura 6.11 - agricultura

Industria de alimentos de alto nível – enchimento de equipamentos para bebidas; – dispostivos de fechamento de lacre; – patetadeiras; – rotuladeiras; e – balanças automáticas.

90


Indústria têxtil – detectores; – posicionadores nas máquinas de costura; – alimentação de agulhas e sistemas de resfriamento; – processo de exaustão; e – sopro de ar para limpeza de materiais residuais e sujeiras das máquinas de costura.

Figura 6.12 - têxtil Tráfego e comunicações – frenagem de trens; – sinaleiros de barreiras e paradas; – equipamentos de marcação de estradas; – partida de motores diesel; e – sopro para esvaziamento do tanque de lastro dos submarinos.

Figura 6.13 - transportes A utilização de ar comprimido nos diversos campos de aplicação deve ser cuidadosamente estudada, incluindo-se aí formas alternativas de obter o resultado desejado, pois o processo de produção, tratamento e uso de ar comprimido apresenta baixa eficiência quando comparado com um de força eletromotriz. Bombas acionadas por motores elétricos atingem eficiências de 80% a 90%, enquanto bombas a ar comprimido atingem eficiências inferiores a 20%. O uso do ar comprimido deve ser justificado por questões de segurança, produtividade, qualidade e/ou custos totais (incluindo custos operacionais e de capitais). A partir do consumo de eletricidade e de ar, da produtividade e dos custos dos equipamentos aptos para a mesma atividade, comparações e estudos de viabilidade podem ser realizados.


91

Uma vez decidido e adquirido um equipamento a ar comprimido, a empresa estará comprometendo-se nos próximos 10 a 20 anos com os custos de gerar, tratar e distribuir este ar. Em plantas mais antigas, o emprego do ar comprimido deve ser questionado em determinadas aplicações em que haja equipamentos eletroeletrônicos substitutos. As razões de seu emprego no passado podem não permanecer verdadeiras no presente. As tabelas 6.1 e 6.2 apresentam o consumo de diversos equipamentos. TA B E L A 6 . 1 - C O N S U M O D E A R C O M P R I M I D O A 6 , 5 B A R , A P L E N A C A R G A

(continua)

EQUIPAMENTO

CONSUMO (l/s)

Apertadeira de porcas de 10 mm, 3,5 kg de peso

9

Bomba de água – 550 l recalque a 15 m

32

Socador, cilindro 1” x 4”

12

Socador, cilindro 11/2” x 6”

18

Esmerilhadeira de ferramentaria

8

Esmerilhadeira, rebolos 2” e 2 1/2”

6a9

Furadeiras de alvenaria

18 a 23

Furadeiras para aço, motores rotativos até 6 mm

8 a 10

12 a 19 mm

32

30 mm

43

Furadeiras para aço, motores de pistão 12 a 19 mm

21

30 a 50 mm

37 a 40

Lixadeiras rotativas, 7”

14

Lixadeiras rotativas, 9”

24

Pistola de pintura

1a9

92


TA B E L A 6 . 1 - C O N S U M O D E A R CO M P R I M I D O A 6 , 5 B A R , A P L E N A C A R G A (conclusão)

EQUIPAMENTO

CONSUMO (l/s)

Rebarbador 4,5 a 6 kg

13 a 15

Rebarbador 1 a 2 kg

6

Rebitadeiras

6

Rebitadeiras maiores de 8 a 10 kg

16

Fonte: Rollins

TA B E L A 6 . 2 - C O N S U M O D E A R E M J AT E A M E N T O D E A R E I A – l / s DIÂMETRO DO BICO (mm)

PRESSÃO DO AR (bar) 4

5

6

7

1,6

2

2,3

2,5

3

2,3

4

5

5,5

7

3,0

8

9

10

12

6,0

30

35

38

47

8,0

47

54

60

68

12,0

120

137

153

185

Fonte: Rollins


7

93

Critérios de Seleção e Instalação Eficiente do Sistema

Várias decisões deverão ser tomadas quando da seleção de um sistema de ar comprimido,de modo a obter o melhor desempenho com a maior economia e se preparar para futuras ampliações. O espaço físico deverá ser estudado, não só quanto a localização, mas também quanto aos requisitos de um bom projeto. 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 qualidade do ar é outro fator importante, pois dele dependerá a manutenção preventiva e corretiva tanto das redes de ar como dos consumidores e dos demais acessórios de linha. Atualmente,é fator importante a possibilidade de recuperação da energia térmica gerada na compressão do ar, que pode levar a uma maior rapidez no retorno do investimento. Na fase de projeto ou ao estudar uma atualização do sistema de ar comprimido, sugere-se a adoção de alguns critérios para a seleção do novo sistema. Citam-se: ■

Utilizarar compressores com sistema de comando de carga múltiplo (100%, 75%, 50%), pois compressores assim equipados têm condições de se adaptarem à diferentes vazões de consumo da fábrica sem a necessidade de jogar ar comprimido para a atmosfera por excesso de pressão ou de aumentar a relação de compressão.

94

■

■

■

■

■


Adotar compressores com mais de um estágio (em média, um compressor de ar de dois estágios consome 8% menos energia elétrica do que um compressor de um estágio para a mesma produção). O rendimento é melhor, devido à existência de resfriamento intermediário (intercooler) do ar comprimido entre os dois estágios do compressor. Usar motores elétricos de alto rendimento para o acionamento dos compressores. Apesar do preço de aquisição mais alto, consomem menos energia elétrica, resultando num custo operacional e de ciclo de vida menor. Dar preferência para acoplamento direto por engrenagens entre a unidade compressora e o motor elétrico. A transmissão de energia mecânica por engrenagens é 3% mais eficiente que a transmissão por polias e correias. Além dos inconvenientes dos serviços de re-aperto e de troca de correias, o uso de correias diminui a vida útil dos rolamentos do motor. Adotar secadores de ar,principalmente aqueles que produzem baixa perda de pressão (máx. 0,14 bar) e que permitem dar uma qualidade inquestionável do ar comprimido, além de economia na manutenção.O uso de secadores elimina a necessidade da grande maioria de purgadores e, conseqüentemente, diminui o desperdício de ar comprimido por vazamentos nos mesmos. Utilizar filtros coalescentes com baixa perda de carga (máx. 0,25 bar). Para cada 0,25 bar de aumento na pressão do sistema para compensar as perdas de carga (filtros + secador + tubulação) consome-se 0,5% de potência a mais no compressor.

■

■

■

■

Usar compressores automatizados com microprocessador/controlador/seqüenciador incorporados, que eliminam perdas por falha humana e fornecem informações úteis para ações de eficientização (horas de operação em carga e em alívio, potência e consumo de energia elétrica, etc). Sempre que for possível, deve-se planejar e projetar a tubulação principal / mestra de distribuição de ar comprimido em forma de anel. Implantar um programa preventivo de troca dos elementos de filtros do compressor e dos filtros coalescentes, evitando o aumento da perda de carga entre a geração e o consumo. Projetar a sala do compressor de modo a permitir que a temperatura de admissão do


95

ar seja o mais fria possível, isenta de poeiras e outros produtos que possam contaminar o ar. De maneira geral, para cada 6°C de aumento na temperatura do ar de aspiração consome-se em torno de 7% a mais de energia elétrica na geração do ar comprimido.

7.1 Escolha da pressão de trabalho 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. Devem-se levar em conta o projeto e o traçado das tubulações da distribuição, os filtros usados, as válvulas, os secadores de ar, etc. As perdas de carga, como já comentado, vão tornar o sistema mais econômico ou não. Isto dependerá da escolha dos acessórios de rede (curvas, válvulas, filtros etc.) e do dimensionamento das tubulações. A pressão escolhida deverá ser a menor que possa vencer todos os obstáculos ao fluxo do ar pelas tubulações e que atenda os consumidores dentro das condições exigidas pelo seu fabricante. Se possível, planeje o leiaute de modo que os equipamentos usuários de ar comprimido fiquem com menores pressões nos pontos mais distantes da linha. Agrupe,se possível,equipamentos com mesmo nível de demanda de pressão na mesma região da linha de distribuição de ar. A pressão de ajuste dos compressores (P) deverá ser a máxima entre os somatórios da pressão de cada equipamento (Pi) mais as perdas de pressão entre este e o compressor, referentes ao secador, aos filtros, às válvulas, tubulação e aos outros acessórios (∆Pi).

(7.1)

96


7.1.1 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 7.1 mostra a dependência da eficiência de equipamentos e dispositivos pneumáticos em 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. T A B E L A 7 . 1 - VA R I A Ç Ã O D A P E R F O R M A N C E C O M A P R E S S Ã O PRESSÃO

PERFORMANCE

PERFORMANCE

CONSUMO DE AR

CONSUMO DE AR

DE OPERAÇÃO

RELATIVA

RELATIVA

RELATIVO

RELATIVO

(bar)

FERRAMENTA

MARTELO

FERRAMENTA

MARTELO

7

120

130

115

120

6

100

100

100

100

5

77

77

83

77

4

55

53

64

56

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, porém 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 compres-


97

sores menores para atender aos casos especiais.

7.2 Cálculo das necessidades de ar da instalação A vazão de ar comprimido a ser produzido em um sistema depende, primariamente, das necessidades dos consumidores, adicionando-se as perdas por vazamentos, os desgastes e as futuras necessidades que serão geradas pela expansão. Uma maneira de determinar a vazão necessária consiste em levar em conta o consumo nominal dos equipamentos usuários e os fatores de utilização. Para este tipo de cálculo, é necessário que se disponha da lista dos equipamentos consumidores, com seu consumo e os fatores de utilização esperados. Caso não se conheça o consumo dos equipamentos que serão instalados,pode-se lançar mão dos consumos padrões para aquele tipo de equipamento e,também,dos fatores de utilização, retirados da experiência em instalações semelhantes. Deve-se levar em conta também o funcionamento dos consumidores que trabalham simultaneamente, isto é, o fator de simultaneidade da instalação, ou do grupo de ferramentas. Desse modo, pode-se traçar um perfil de consumo e verificar quando esse será máximo. A produção máxima de ar do compressor é determinada, normalmente, pela capacidade máxima de consumo da planta mais previsões para expansões futuras e perdas. A necessidade de capacidade de geração reserva é definida pelo custo da perda de produção caso falte ar ou por causa de defeito no compressor. O número de compressores da instalação é definido, principalmente,pelo grau de flexibilidade ou perfil de consumo, pelo sistema de controle a ser utilizado e pela eficiência energética desejada. Quando um sistema utiliza só um compressor para atender à demanda, deve planejar a entrada de um compressor adicional móvel que possa ser facilmente conectado caso haja necessidade. É normal deixar um compressor mais antigo como stand-by no sistema. As necessidades de ar comprimido de uma planta industrial são definidas por processos e equipamentos. Deve-se sempre dimensionar o sistema para o consumo de vazão máxima e também respeitar os níveis de pressão requeridos.

98


Os fabricantes de equipamentos que operam usando ar comprimido fornecem os dados de consumo necessários, como também o critério de pressões. A parte mais difícil dos cálculos é a escolha ou determinação dos fatores de utilização de cada equipamento ou processo. A tabela 7.2 apresenta alguns dados.

TA B E L A 7 . 2 - E X E M P L O D E C O N S U M O S E F AT O R E S D E U T I L I Z A Ç Ã O EQUIPAMENTO CONSUMIDOR CONSUMO DLP - m 3/min Furadeiras

FATOR DE UTILIZAÇÃO

0,33 a 3,40

0,20 a 0,05

Rosqueadeiras

0,45

0,05

Aparafusdeiras

0,90

0,20

Esmerilhadeiras

1,50 a 2,50

0,30 a 0,20

0,50

0,30

Rebitadores

1,10 a 1,30

0,20 a 0,30

Rebarbadores

0,37 a 0,73

0,05 a 0,10

Unidade de jato de areia

1,55

0,20

Pistolas de pintura

0,25

0,50

Bicos de Limpeza

O fator de utilização indica quanto tempo o equipamento vai funcionar num período: um dia ou um mês (preferido). Com esta determinação, pode-se obter o perfil de consumo em determinado tempo de funcionamento da planta. Portanto, uma representação gráfica deste perfil, que vai orientar na determinação da capacidade dos compressores e do sistema. Um acompanhamento do consumo ao longo do tempo posteriormente poderá orientar o usuário do sistema sobre a correta adequação dos fatores de utilização. O profissional deve estar atento para usar o fator de utilização adequadamente quando a empresa não trabalha 24 h/dia ou tenha dias de parada (folgas e feriados).Para plantas em operação, sugere-se medir ou calcular esse fator. Deve-se instalar horímetros ou cronometrar os tempos de uso, entrevistar os usuários quanto aos hábitos de uso e veri-


99

ficar o regime de funcionamento da empresa ao longo de um mês. O fator de utilização (Fu) é dado por: Fu = tempo em carga ao longo do mês / horas por mês

(7.2)

Como a energia consumida é faturada em bases mensais, o fator de utilização calculado em bases mensais é preferível.No entanto,é mais fácil obter o fator de utilização numa base horária, isto é: Fuh = minutos em carga / 60 minutos

(7.3)

Nesse caso, a conversão de Fuh para Fu deverá considerar o número de horas reais em que o equipamento é utilizado ao longo do mês ou no período entre leituras. A análise da operação de um sistema fornece fatores chaves para a determinação correta das necessidades de ar comprimido e para a identificação da melhor vazão que deve ser produzida. Devido às variações na produção de uma empresa, as necessidades de ar comprimido vão se modificando ao longo do tempo, inclusive as causadas por uma expansão do parque industrial. A análise da operação de um sistema de ar comprimido envolve medições dos dados de operação e deve ser complementada por inspeções no sistema periodicamente. O período de uma semana de operação e as medições, que devem ser bem escolhidas, servem para representar o quadro real ou típico. Se a planta apresenta sazonalidades de produção, esse fato deve ser considerado nas análises. A coleta e o armazenamento de dados obtidos possibilitarão a simulação do funcionamento do sistema para outras condições, visando à economia de energia. Dados como tempo que o compressor ficou parado e o que ele realmente executou trabalho fornecem subsídios importantes para o planejamento da operação do compressor. O retrato da carga do compressor pode orientar o uso de compressores menores para atender a demandas menores, principalmente à noite ou em fins de semana, gerando economia de energia. A tabela 7.3 apresenta um modelo de levantamento da capacidade de produção de uma planta (é apenas orientativo, devendo cada empresa adaptá-lo às suas características). Deve-se atentar para os fatores de utilização e, principalmente, para o fator de coin-

100


cidência,ou fator de simultaneidade,pois a hora ou horário que apresentar maior consumo indicará a capacidade máxima do sistema. O fator de coincidência (Fc) mede quantos equipamentos do grupo em análise operam simultaneamente num mesmo período de tempo. Sugere-se que seja uma hora. O ideal seria que esse fator fosse obtido a cada 15 minutos e coincidente com o mesmo período de tempo que a concessionária usa para integralizar a demanda registrada (kW) da instalação. Mas esse é um preciosismo que pode ser relevado, principalmente em plantas com elevada capacidade de reserva de ar comprimido, quando a demanda (kW) dos compressores não é simultânea com a demanda (m 3) do sistema de ar comprimido. Calculada a demanda dos equipamentos, deve-se prever uma margem para os vazamentos (até 10% é aceitável em grandes plantas) e para as futuras expansões. O perfil da carga e suas variações ao longo do tempo indicarão a necessidade de compressores de portes diferentes,a quantidade deles,a correta localização e a adequada capacidade dos reservatórios. A localização das cargas e as respectivas pressões indicarão a melhor estratégia de localização dos compressores. Se o usuário espera flutuações no consumo de ar e planeja aumentos futuros do consumo,a instalação deverá ser planejada para compressores com funcionamento intermitente. Para este caso, a escolha ideal é um compressor de pistão. Se a DLE do compressor cobrir o consumo de modo que ele possa funcionar de maneira constante, a escolha do compressor de parafuso torna-se a mais correta. A escolha não deve limitar-se ao preço de compra do compressor, porque o sistema se paga rapidamente se os custos de operação forem bem planejados.Não se deve levar em conta só o custo da energia para produzir o ar, mas também o custo dos tempos de parada dos compressores (manutenção e perdas). Como os compressores de pistão funcionam de modo intermitente, não é necessária a consideração de tempos mortos. Os compressores de parafuso,pelo fato de apresentar pequenos diferenciais de ciclo e de possuir reservatórios relativamente pequenos, automaticamente funcionam em ciclos predeterminados para evitar muitos desligamentos do motor. Conseqüentemente, evitam-se muitos tempos mortos. Para converter m3/h em Nm3/h, deve-se usar a expressão: {273/(273+T1)} x P1/1,033}

[Nm3/h] = [m3/h] x

101


r e t r e v n o c

O M O h U I / S D 3 N É m O M C

O M O h U I / S D 3 N É m O M N C

4 2 / ) I I I x I I ( a m o s

o d s s a e õ a r i ç a d p n o c r h o 4 l a 2 v s a o d m o i x r á t n m e d

r o s s e r p m o c

o m i x á m

Q

4 2 3 2 2 2 . . . .

A T N A L P A D E D A D I C A P A C A D O T N E M A T N A V E L 3 . 7 A L E B A T

c F x a m o s

I I I x I I

3 2 1

E O Ã D Ç u R A F Z O I T L A I F T U

I I I

A D h / N 3 A m M N E D

I I

A D h N / 3 A M m E D

I

a m o s

c F a i c n ê d i c n i o c e d r o t a F

O Ã r S a S b E R P O Ã Ç A Z I L A C O L O T N E M A P I U Q E

a m i x á m

l a t o T a

b

c

d

. ..

. . .

102


em que o índice 1 indica as condições especificadas para o ar do equipamento. Qsistema = Qmáximo . margem p/ vazamentos .margem p/ expansões

(7.4)

7.3 Centralizar ou não centralizar o fornecimento de ar comprimido Muitos fatores influem na escolha de compressores de menor ou maior potência para atender às necessidades de um sistema. Podem-se citar o custo de produção do ar comprimido e o custo de não funcionamento, a disponibilidade de eletricidade, as variações do carregamento, os custos de todo o sistema de ar comprimido e a disponibilidade de espaço. Instalações centralizadas

Esta escolha, às vezes, é mais barata do que a de usar compressores instalados localmente. Os compressores podem ser facilmente interconectados, resultando em baixo consumo de energia. Uma instalação centralizada envolve menos instrumentos de monitoração, apresenta custos de manutenção mais baixos e oferece melhores condições para a recuperação de energia.A área física necessária à instalação é menor. O dimensionamento de filtros, resfriadores e outros acessórios poderá ser otimizado, e a instalação deles será mais racional. O controle da poluição sonora será sempre mais bem resolvido. Como o sistema centralizado pode possuir compressores de várias capacidades, é possível promover uma melhor otimização da operação. Instalações descentralizadas

Um sistema descentralizado normalmente envolve compressores de pequeno porte, que suprem, em conjunto, a necessidade de parte dos consumidores. Sua principal desvantagem é a dificuldade de regular o suprimento de ar do compressor com os procedimentos de manutenção e de manter as reservas necessárias. A descentralização pode suprir sistemas com alta perda de carga (distantes da geração) e também atender a casos de consumidores esporádicos de grande consumo de ar. A maior aplicação de um sistema descentralizado consiste em utilizar um sistema centralizado para atender os consumidores regulares e instalar compressores menores para


103

atender consumidores esporádicos de grande consumo, evitando que a linha deste consumidor esteja sempre pressurizada e sujeita a maiores possibilidades de vazamentos no consumidor desligado. Também, evita operar a geração com baixo fator de carga.

7.4 Efeito da altitude no funcionamento dos compressores Quanto maior a altitude com relação ao nível do mar, menor a pressão do ar atmosférico,assim como a massa específica (que é a relação entre massa e volume ocupado pelo ar) e a temperatura. Esses fatores podem causar efeitos indesejáveis na performance do compressor e aumentar o consumo de energia para se produzir a mesma vazão em massa de ar comprimido. A escolha correta do compressor para funcionar em locais onde as condições ambientais diferem muito daquelas para as quais o compressor foi projetado depende de levar em consideração os seguintes fatores: altitude acima do nível do mar; pressão e temperatura do ar ambiente; umidade; temperatura do fluido a ser usado nos resfriadores de ar; tipo do compressor; e fonte de energia. É importante notar que são afetados a pressão de trabalho, a capacidade de produção, o consumo de energia e as necessidades de resfriamento. Porém, o fator que mais afeta o funcionamento é a condição do ar na entrada do compressor. Por exemplo, um compressor que possui uma taxa de compressão 8 ao nível do mar aumentará a taxa para 11 quando funcionar na altitude de 3000 m. Isto afeta a eficiência do compressor e, como conseqüência, o consumo de energia. A tabela 7.4 mostra a redução do fluxo produzido e da vazão de massa para cada 1000 metros acima do nível do mar.

104


T A B E L A 7 . 4 : R E D U Ç Ã O D A V A Z Ã O P E L A A LT I T U D E REDUÇÃO PARA CADA 1000 METROS ACIMA DO NÍVEL DO MAR

TIPO DO COMPRESSOR

% da vazão livre de saída

Vazão de ar em massa ou vazão normal (%)

Compressor de parafuso livre de óleo, de um estágio

0,3

11

Compressor de parafuso livre de óleo, de dois estágio

0,2

11

Compressor de parafuso, óleo injetado, simples estágio

0,5

12

Compressor de pistão de um estágio

5

17

Compressor de pistão de dois estágio

2

13

Compressor centrífugo multiestágios

0,4

12

A tabela 7.5 mostra a variação média da pressão atmosférica e da temperatura do ar (considerando-a a 15°C, no nível do mar) de acordo com a altitude.

TABELA 7.5:VARIAÇÃO DA PRESSÃO ATMOSFÉRICA E TEMPERATURA COM A ALTITUDE (continua) ALTITUDE ABAIXO OU ACIMA DO NÍVEL DO MAR

PRESSÃO (bar)

TEMPERATURA (ºC)

0

1.013

15.0

200

0.989

13.7

400

0.966

12.4

600

0.943

11.1

105


(conclusão) ALTITUDE ABAIXO OU ACIMA DO NÍVEL DO MAR

PRESSÃO (bar)

TEMPERATURA (ºC)

800

0.921

9.8

1000

0.899

8.5

1200

0.877

7.2

1400

0.856

5.9

1600

0.835

4.6

1800

0.815

3.3

2000

0.795

2.0

2200

0.775

0.7

2400

0.756

-0.6

2600

0.737

-1.9

2800

0.719

-3.2

3000

0.701

-4.5

7.5 Observações sobre consumo variável Para atender consumidores de consumo alto e flutuante, a instalação de um só compressor de grande porte pode não ser a melhor solução. A alternativa mais razoável consiste em ter um sistema combinado, ou seja, composto de vários compressores. Um sistema assim poderá dar maior confiabilidade operacional e maior economia. O sistema assim configurado poderá modular a produção entrando e saindo do ciclo de produção para atender a cargas variáveis,picos de consumo e consumo básico, economizando o insumo básico que é a eletricidade. Vantagens

■

Confiabilidade operacional. O funcionamento de sistema em que se exige alta confiabilidade pode ser garantido com fornecimento de ar comprimido a todo o tempo por

106


um conjunto combinado de compressores. Se houver uma falha que não possibilite a entrada de um compressor, os outros cobrem aquele fornecimento. ■

Economia. Vários compressores de pequeno porte são mais fáceis de serem organizados de forma a ajustar o fornecimento de ar necessário, se comparados com o uso de um só compressor de grande porte.Se o sistema solicita só metade do potencial de fornecimento de ar do sistema, o compressor de grande porte trabalhará sobredimensionado por muito tempo e com baixa eficiência,aumentando os custos operacionais,enquanto que o sistema combinado poderá suprir com um ou mais compressor de pequeno porte em serviço continuo e em plena carga.

7.6 Redes de distribuição do ar comprimido Para planejar e instalar uma rede de distribuição de ar comprimido, devem-se observar alguns pontos importantes: ■

■

Identificar e localizar os principais pontos de consumo na fábrica. Este trabalho também servirá como base para determinar o local ideal para a localização da casa de máquinas (compressores e o tratamento de ar). Calcular o diâmetro das tubulações mestras e secundárias para abastecer a fábrica. Para este cálculo, deve-se estabelecer se a rede mestra vai ser em forma de anel fechado ou em linha reta, ou mista.Para todos os casos,o diferencial de pressão máximo admissível entre a geração e o ponto de uso não deve ser superior a 10% da pressão de geração.

Preferencialmente,devem-se utilizar tubulações de aço (galvanizado, inox ou preto) ou então alumínio. As válvulas devem ter passagem plena e as curvas a serem usadas devem ser de raio longo, daquelas que causam perdas de carga menores. Caso haja necessidade de pressões muito diferentes e/ou a situação local exija redes descentralizadas ou distâncias muito longas entre geração e consumo,recomenda-se instalar mais de uma central de compressores. Porém, se a situação permitir interligar os pontos da fábrica com uma única rede, esta é a melhor opção. As redes de alimentação devem ser aéreas ou, no caso de impossibilidade, devem ser colocadas em valetas no chão, com tampas de metal ou concreto (nunca enterradas ou embutidas nas paredes).Em ambos os casos,deve-se observar uma inclinação no sentido


107

do fluxo de 0,5 até 1,0%. Todas as tomadas das redes secundárias e de alimentação das máquinas devem ser executadas na parte superior da tubulação. Pode-se optar por tratar todo o ar na geração ou, na existência da necessidade de se ter ar de qualidades diferentes em determinados pontos da fábrica, realizar o tratamento localizado, de acordo com a necessidade. Caso seja instalado um sistema de tratamento do ar comprimido adequado, será eliminada a necessidade de uso de purgadores ou separadores de água na rede de distribuição, o que vai representar uma economia no investimento na manutenção e, principalmente,no consumo energético,devido à possibilidade de evitar-se a perda de ar comprimido nas purgas. Caso contrário, os locais para a instalação dos purgadores devem situar-se em final de linha, nos pontos de subida da rede ou nos pontos mais baixos da rede, como também em reservatórios e separadores de condensados. Purgadores de bóia sem perda de ar devem ser os preferidos.

7.6.1 Perdas de carga e velocidades utilizadas nas tubulações Como orientação básica para se tomar a decisão de qual será o diâmetro mínimo interno do tubo a ser utilizado, recomendações de engenheiros projetistas devem ser seguidas: a) Perda de pressões admissíveis (P) Os seguintes valores devem ser adotados na boa prática: ■

Perda máxima de pressão para o ponto mais afastado do compressor a ser alimentado: 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.

■

Mangueiras de alimentação de marteletes,perfuratrizes etc:0,4 bar para cada 100 metros de mangueira.

108


■

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

7.6.2 Procedimento de cálculo de perda de pressão por fórmulas e gráficos A fórmula 7.5 poderá ser utilizada para o cálculo da perda de pressão, na tubulação: P [kgf/m2] = 3,25 x Q 2 x L x  x  / d5

(7.5)

É necessário conhecer: Q = DLE - vazão que realmente passa pelo tubo nas condições de produção ( m3/s). L - comprimento real da tubulação, que é o comprimento da tubulação mais o comprimento equivalente das conexões e válvulas (a figura 7.2 apresenta alguns valores de comprimentos equivalentes);  - peso específico do ar de acordo com a temperatura, kgf/m3 (a tabela 7.6 apresen-

ta esses valores); d - diâmetro interno do tubo, m;  - coeficiente dado pela expressão;  = 0,000507 + 0,00001294 / d;

(7.6)


109

Exemplo comprimento total da linha = 90 m; perdas de pressão devido às conexões e válvulas = 10 m; vazão de ar livre padrão, DLP = 3,5 Nm3/min; pressão final do ar comprimido, P2 = 7 bar; diâmetro interno do tubo = 0,038 m; temperatura do ar - 20°C; R = P 2 + 1 = 8. Cálculo:  = 0,000507 + 0,00001294 / d = 0,000507 + 0,00001294 / 0,038 = 0,000847

vazão efetiva, DLE = DLP / R = 3,5 / 8 = 0,437 m3/min = 0,00728 m3/s peso específico do ar a 20ºC, 7 kgf/cm2 , 9,63 kgf/m2, obtido da Tabela 7.6 P = 3,25 x 0,000847 x (0,00728)2 x100x9,63 / (0,038)5 = 1773 kgf/m2 = 0,177 kgf/cm2 =

0,177 bar

Resolvendo o mesmo exemplo, porém utilizando a figura 7.1: DLP = Q = 3,5 Nm3/min; d = 0,038 m = 38 mm; L = 100 m; pressão final efetiva = 7 kgf/cm2. Da figura 7.1: 0,0014 kgf/cm2 por metro de tubo. Para 100 m, obtém-se 0,14 bar, valor aproximado do obtido pela fórmula.

110


0 1

3 2 2 , 4 1

7 6 9 , 3 1

1 1 7 , 3 1

9 6 4 , 3 1

2 4 2 , 3 1

8 2 0 , 3 1

1 0 8 , 2 1

2 0 6 , 2 1

2 0 4 , 2 1

3 0 2 , 2 1

8 1 0 , 2 1

5 , 9

7 7 5 , 3 1

3 3 3 , 3 1

8 8 0 , 3 1

7 5 8 , 2 1

0 4 6 , 2 1

7 3 4 , 2 1

9 1 2 , 2 1

9 2 0 , 2 1

9 3 8 , 1 1

9 4 6 , 1 1

3 7 4 , 1 1

9

0 3 9 , 2 1

7 9 6 , 2 1

5 6 4 , 2 1

5 4 2 , 2 1

8 3 0 , 2 1

4 4 8 , 1 1

7 3 6 , 1 1

6 5 4 , 1 1

5 7 2 , 1 1

4 9 0 , 1 1

6 2 9 , 0 1

5 , 8

4 8 2 , 2 1

3 6 0 , 2 1

2 4 8 , 1 1

2 3 6 , 1 1

6 3 4 , 1 1

2 5 2 , 1 1

6 5 0 , 1 1

4 8 8 , 0 1

2 1 7 , 0 1

0 4 5 , 0 1

0 8 3 , 0 1

8

7 3 6 , 1 1

8 2 4 , 1 1

8 1 2 , 1 1

0 2 0 , 1 1

4 8 8 , 0 1

9 5 6 , 0 1

3 7 4 , 0 1

0 1 3 , 0 1

7 4 1 , 0 1

5 8 9 , 9

3 3 8 , 9

5 , 7

1 9 9 , 0 1

3 9 7 , 0 1

5 9 5 , 0 1

8 0 4 , 0 1

3 3 2 , 0 1

8 6 0 , 0 1

2 9 8 , 9

8 3 7 , 9

4 8 5 , 9

0 3 4 , 9

7 8 2 , 9

7

4 3 3 , 0 1

8 5 1 , 0 1

2 7 9 , 9

6 9 7 , 9

0 3 6 , 9

5 7 4 , 9

0 1 3 , 9

5 6 1 , 9

0 2 0 , 9

5 7 8 , 8

1 4 7 , 8

5 , 6

8 9 6 , 9

3 2 5 , 9

9 4 3 , 9

3 8 1 , 9

9 2 0 , 9

3 8 8 , 8

8 2 7 , 8

2 9 5 , 8

7 5 4 , 8

1 2 3 , 8

5 9 1 , 8

6

1 5 0 , 9

8 8 8 , 8

5 2 7 , 8

1 7 5 , 8

6 2 4 , 8

1 9 2 , 8

6 4 1 , 8

9 1 0 , 8

2 9 8 , 7

6 6 7 , 7

8 4 6 , 7

5 , 5

5 0 4 , 8

4 5 2 , 8

2 0 1 , 8

0 6 9 , 7

5 2 8 , 7

9 9 6 , 7

5 6 5 , 7

7 4 4 , 7

9 2 3 , 7

1 1 2 , 7

2 0 1 , 7

5

8 5 7 , 7

8 1 6 , 7

9 7 4 , 7

9 5 3 , 7

3 2 2 , 7

6 0 1 , 7

2 8 9 , 6

4 7 8 , 6

5 6 7 , 6

6 5 6 , 6

6 5 5 , 6

5 , 4

2 1 1 , 7

4 8 9 , 6

6 5 8 , 6

5 3 7 , 6

1 2 6 , 6

5 1 5 , 6

1 0 4 , 6

1 0 3 , 6

2 0 2 , 6

2 0 1 , 6

0 1 0 , 6

4

6 5 4 , 6

9 4 3 , 6

2 3 2 , 6

2 2 1 , 6

9 1 0 , 6

2 2 9 , 5

9 1 8 , 5

8 2 7 , 5

7 3 6 , 5

7 4 5 , 5

3 6 4 , 5

5 , 3

9 1 8 , 5

4 1 7 , 5

0 1 6 , 5

1 1 5 , 5

7 1 4 , 5

9 2 3 , 5

7 3 2 , 5

6 5 1 , 5

4 7 0 , 5

3 9 9 , 4

7 1 9 , 4

O D

3

2 7 1 , 5

9 7 0 , 5

6 8 9 , 4

8 9 8 , 4

5 1 8 , 4

8 3 7 , 4

5 5 6 , 4

2 8 5 , 4

0 1 5 , 4

8 3 4 , 4

0 7 3 , 4

O C I F Í C E P S E

5 , 2

6 2 5 , 4

5 4 4 , 4

3 6 3 , 4

6 8 2 , 4

4 1 2 , 4

6 4 1 , 4

3 7 0 , 4

0 1 0 , 4

7 4 9 , 3

3 8 8 , 3

4 2 8 , 3

2

9 7 8 , 3

9 0 8 , 3

9 3 7 , 3

3 7 6 , 3

1 1 6 , 3

3 5 5 , 3

1 9 4 , 3

7 3 4 , 3

2 8 3 , 3

8 2 3 , 3

8 7 2 , 3

5 , 1

3 3 2 , 3

5 7 1 , 3

7 1 1 , 3

2 6 0 , 3

0 1 0 , 3

1 6 9 , 2

0 1 9 , 2

4 6 8 , 2

9 1 8 , 2

4 7 7 , 2

2 3 7 , 2

1

6 8 5 , 2

9 3 5 , 2

3 9 4 , 2

9 4 4 , 2

8 0 4 , 2

9 6 3 , 2

7 2 3 , 2

1 9 2 , 2

5 5 2 , 2

9 1 2 , 2

5 8 1 , 2

5 , 0

0 4 9 , 1

5 0 9 , 1

0 7 8 , 1

9 3 8 , 1

6 0 8 , 1

7 7 7 , 1

6 4 7 , 1

9 1 7 , 1

3 9 6 , 1

5 6 6 , 1

9 3 6 , 1

0

3 9 2 , 1

0 7 2 , 1

7 4 2 , 1

4 2 2 , 1

4 0 2 , 1

4 8 1 , 1

4 6 1 , 1

6 4 1 , 1

7 2 1 , 1

9 0 1 , 1

3 9 0 , 1

º 0

º 5

º 0 1

º 5 1

º 0 2

º 5 2

º 0 3

º 5 3

º 0 4

º 5 4

º 0 5

m c . f g k M E S E Õ S S 3 E m R P 2

/ f g k

M E ) 

( R A

O S E P 6 . 7 A L E B A T

. P M E T

S A V I T E F E


Figura 7.1 - Gráfico para determinação de Dp

111

112


Figura 7.2 - Comprimentos equivalentes em metros de tubos retos


113

Exemplo Determinar o comprimento equivalente a ser somado a uma tubulação de 120m retos de 100 mm de diâmetro, que possua: - 3 curvas 90° de raio longo

= 3 x 1,2 (da figura 7.2)

- 1 válvula de retenção de portinhola

=1x 8

"

- 1 válvula diafragma

=1x6

"

- 2 Válvulas esfera

= 2 x 20

"

Total:

= 57,6 m

Logo, o comprimento tubulação para cálculo da perda de carga será = 120 + 57,6 = 177,6 m

7.6.3 Determinação do diâmetro do tubo conhecendo-se a perda de carga fixada A fórmula a ser usada no caso é: d = [ 0,842 x L x Q 2 / (R x P) ](1 / 5) ;

(7.7)

d - diâmetro interno em cm; L - comprimento real = comprimento reto + perdas, em m; Q - vazão de ar livre padrão (DLP), em m3/min; R - pressão do ar final + 1; e P - perda de carga permitida, em bar.

114


Exemplo - Comprimento total da tubulação = 150 m; - Ar comprimido na pressão de 6 kgf/cm 2; - Consumo de ar livre padrão = 25,3 m3/min; - R = 6 +1 = 7; e - P = 0,12 kgf/cm2 Cálculo: d = [0,842 x L x Q 2 / (R x P)]1/5 = [0,842 x 150 x 25,32 / (7 x 0,12)] 1/5 = 9,92 cm ˜ 4"

7.6.4 Materiais e componentes mais utilizados nas redes a) Tubos Ns instalações industriais de ar comprimido, as tubulações são geralmente em aço carbono. Porém, em aplicações especiais é necessário utilizar tubulações em aço inox e, às vezes, tubos de cobre e alumínio. Para operar com pressões acima de 7 bar, é recomendável, no caso de tubos de aço carbono sem costura, seguir a especificação ASTM - A - 53 ou a API 5L, apropriadas para solda, com dimensões de acordo com a norma ANSI - B- 36.10. Para pressões até 7 bar e tubos de até 4" de diâmetro nominal, recomendam-se os tubos com especificação ASTM - A - 120 ou ASTM - A - 134, usando ligações rosqueadas. b) Conexões ■

■

Conexões de ferro maleável com extremidades rosqueadas, classe 150 ou 300, dimensões segundo a norma ANSI -B-16.3. Conexões de aço forjado, com extremidades rosqueadas ou em soquete para soldagem. Usar sempre soquetes para tubos com diâmetro nominal de até 2" e pressões al-


115

tas, que devem ser fabricadas segundo as normas ASTM - A - 105 e 181. ■

■

Conexões de aço carbono para solda de topo que possuem a mesma espessura que a dos tubos em que irão ser soldadas. Obedecem à norma ASTM - A - 234. Conexões flangeadas devem usadas em locais onde são necessárias montagens e desmontagens freqüentes.Os flanges podem ser de aço carbono forjado com face de ressalto, dimensões segundo norma ANSI B 16.5 nas classes 150,300,400 e 600. Podem também ser usados flanges de ferro fundido para classes 150 e 300.

As juntas para flanges,para temperaturas de até 60°C e para pressões de até 10 bar, devem ser de borracha e amianto grafitado para temperaturas e pressões superiores. c) Válvulas ■

Válvulas de esfera - para função de bloqueio até o diâmetro de 2".

Figura 7.3 - Válvulas de esfera

116

■


Válvulass de gaveta – para função Válvula fu nção de bloqueio bloq ueio para diâmetros diâ metros acima aci ma de 2”.

Figura 7.4 - Válvulas de gaveta gaveta As pressões em que vão operar e os diâmetros usados vão influenciar na escolha dos materiais que comporão as válvulas de gaveta: 1) Pressões até 7 bar Diâmetros de até 4" - corpo corpo e internos em bronze, extremidades rosqueadas. rosqueadas. Ou, ainda, corpo em ferro ferro fundido e internos em bronze, bronze, flanges de face plana. plana. 2) Pressões maiores que 7 bar • Diâmetros até 2" - corpo em aço carbono carbono forjado, forjado, internos em aço inoxidável, inoxidável, extremidades para solda de encaixe. • Diâmetros acima de 2" - corpo em aço fundido, internos em aço inox, inox, extremidades com flange em ressalto. ■

Válvulas globo e de agulha - para regulagem de vazão. Produzem muita perda perda de carga.


117

Figura 7.5 - Válvulas globo ■

Válvulas de diafragma - por terem baixa perda de carga, devem ser preferidas para regulagem de vazão.

Figura 7.6 - Válvulas de diafragma ■

Válvulas de redução de pressão - são as mesmas utilizadas para as instalações de vapor.

Figura 7.7:Válvula de redução de pressão

118

■


Válvulas segurança - montadas nos reservatórios de ar comprimido, comprimido, são as mesmas para vapor.

Figura 7.8 - Válvulas de segurança

7.7 Ex Exemp emplos los do do dimens dimension ionam ament ento o de um sist sistem emaa de ar com compri primid mido o 7.7.1 7.7 .1 Us Usand ando o compr compress essore oress alte alterna rnativ tivos os de de pistã pistão o Os compressores de pistão são projetados com reservas de aproximadamente 40%. Essas reservas provêm da experiência com a resolução de problemas de contingenciamento, de aumento da da rede e do número de consumidores. consumidores. Visam a uma operação operação de menor desgaste, desgaste, quando o funcionamento funcionamento é muito intermitente. intermitente. A tabela 7.7 apresenta as opções de um fabricante e a tabela tabela 7.8 apresenta, por faixa de potência de motores motores elétricos, o número de ciclos por hora recomendado para que não haja dano a esses.


119

TABELA 7.7 - SELEÇÃO DE COMPRESSORES EXISTENTES NO MERCADO PRESSÃO (Bar)

10

15 22 25 e 30

DLE RPM l/min 33 6 0 36 2 0 5 0 30 62 0 0 25 0 0 29 5 0 3 3 40 36 0 0 2 4 00 28 3 0 24 0 0 28 3 0

cfm 120 130 180 220 90 1 00 120 1 30 90 1 00 90 1 00

13 0 0 14 0 0 13 0 0 16 0 0 95 0 11 5 0 13 0 0 14 0 0 93 0 11 0 0 93 0 11 0 0

Nº. DE CILINDROS 3 3 4 4 3 3 3 3 4 4 4 4

MOTOR kW 18,5 22 30 37 15 18,5 22 30 18,5 22 18,5 22

HP 25 30 40 50 20 25 30 40 25 30 25 40

TABELA 7.8 - CICLOS DO MOTOR ELÉTRICO SEM QUE HAJA DANOS. POTÊNCIA DO MOTOR [kW ]

CICLOS / h [1/h]

4 - 7,5

30

11 – 2 2

25

30 – 5 5

20

65 – 9 0

15

110 – 160

10

200 - 250

5

120


Exemplo: O compressor de pistão deve a atender uma demanda de 2.035 v/min de ar na pressão máxima de 10 bar ■

Escolha do compressor

Para o caso de escolher um compressor de pistão, significa que o DLE para o dimensionamento do compressor deve ser a necessidade de ar dividida por 0,6. Ou seja, DLE = 2035/0,6 = 3392 v/min. Essa é a vazão do compressor de pistão (vazão efetiva mínima). Então, a escolha será por um compressor mais próximo do fabricante. No caso da tabela 7.7, é o de 3360 v/min, pressão máxima de 10 bar, motor de 18,5 kW. Com a potência elétrica de 18,5 kW, na tabela7.7, tira-se o valor de ciclos = 25 (que significa que são permitidos para esse motor 25 ciclos seguidos de liga-desliga por hora).

Figura 7.8 - Compressor de pistão ■

Escolha do volume do reservatório

O volume do reservatório deverá ser definido usando a recomendação: volume do reservatório de ar comprimido VR = DLE do compressor. Se optar por reservatórios existentes padronizados, os resultados apontam para o reservatório: DLE = 3360 v/min => VR = 3000 l


■

121

Verificação dos tempos de funcionamento e de ciclos

Com o volume do reservatório VR definido,parte-se para definir o tempo de operação (To), o tempo morto (T m) do compressor e, finalmente, a taxa de ciclos do motor Tc. A formula a seguir é usada para encontrar o tempo morto do compressor,T m: Tm = VR x (Pmáx - Pmin) / DLE

(7.8)

O desligamento do compressor se dará quando o sistema atingir a pressão de 10 bar e o religamento se dará quando o sistema atingir 8 bar. Sejam: VR = 3000 l; Pmax = 10 bar; Pmin = 8 bar; DLE = 3360 v/min. Da equação 7.5 Tm = 3000 x (10-8) / 3360 = 1,8 min. A equação abaixo: To = VR (Pmáx - Pmin)/ (DLE - D)

(7.9)

D = vazão requerida pelo sistema no regime de carga atual (no caso, igual a 2350 v/min). To = 3000 x (2) / (3360-2350) = 5,9 min ■

Taxa de ciclos do motor (Tc) do compressor

A taxa de ciclo (T c) do motor é calculada levando-se em conta o tempo de funcionamento e o tempo morto comparado com o número de ciclos. Tm = 1,8 min To = 5,9 min

122


Tc = 60 / (Tm + To)

(7.10)

= 60 / (1,8 + 5,9) = 7,8 ˜ 8 ciclos por hora O valor de 8 ciclos por hora determinado para o motor do compressor está bem abaixo do número de ciclos permitidos para o motor de 18,5 kW (= 25 ciclos). O reservatório de ar é de bom tamanho, podendo, no caso, ser até de menor volume, uma vez que existe folga no número de ciclos do motor. Nota: Se o consumo de ar comprimido não estiver definido,deve-se ter como regra o seguinte: supõe-se que 50% da DLE do compressor será destinado ao consumo, quando da determinação da taxa de ciclos do motor.Neste caso,os tempos de funcionamento de parada do compressor serão os mesmos. Isto vai dar condições para se determinar número máximo admitido de ciclos.

7.7.2 Usando compressores tipo parafuso Dimensionar o sistema que atenda a demanda de 2,04 m 3/min, sendo 6 bar a pressão máxima de consumo. ■

Critério para determinação da pressão máxima do sistema (P máx)

Como não se conhece a pressão máxima P máx de desligamento do compressor, que é a maior a ser atingida no sistema pneumático, ela deverá ser determinada. Assim, partese da pressão necessária aos equipamentos consumidores e somam-se todas as perdas de carga dos componentes do sistema pneumático. Por exemplo: - pressão máxima de consumo

6,0 bar;

- perda de carga na rede

0,1 bar;

- perda de carga nos filtros

0,6 bar;

- perda de carga nos secadores de ar por refrigeração

0,2 bar; e

- pressão mínima no reservatório

6,9 bar.


123

A pressão de desligamento Pmin deverá estar acima desta pressão. Sugere-se que a diferença de pressão para o ciclo em compressores de parafusos, que operam continuamente e em sistemas estáveis, seja de 1 bar. Daí, a pressão de desligamento Pmax deve ser pelo menos = 7,9 bar A pressão selecionada para desligamento do compressor será de 8 bar

Figura 7.9 - Compressor de parafuso: instalação de compressor de parafuso, reservatório de ar comprimido, secador de ar por refrigeração e filtros O sistema requer uma demanda de 2,04 m3/min. Ao escolher no mercado um compressor de parafuso, o mais aproximado é de DLE = 2,42 m3/min,na pressão de 8 bar, que apresenta uma potência de 15 kW. Da tabela 7.8, o número de ciclos é igual a 25. ■

Dimensionamento do reservatório

O volume do reservatório de ar comprimido para compressores de parafuso é calculado com a ajuda da equação 4.3. A padronização dos reservatórios deve ser levada em conta. VR = DLE x 60 x [D/DLE - (D/ DLE) 2] / [Tc x (Pmáx - Pmin)]

124

VR


= volume do reservatório de ar comprimido, em m3;

DLE = vazão do compressor(es), em m3/min; D

= demanda necessária, em m3/min;

Tc

= taxa de ciclo seguidos do motor, 1/h;

Pmáx = pressão de desligamento do compressor, em bar; e Pmin = pressão de religamento compressor, em bar.

No caso em questão:

DLE = 2,42 m3/min; D

= 2,04 m3/min;

D /DLE = 0,843; Tc

= 25 /h;

Pmáx = 8 bar; e Pmin = 7 bar.

Substituindo em 7.9 os valores acima:

VR = 0,77 m3 = 770 litros Usando a outra recomendação de que o reservatório para a instalação com compressores de parafuso, pode ser: VR = DLE / 3 VR = DLE / 3 = 2,42 /3 = 0,81 m 3

(7.11)


125

O reservatório mais próximo encontrado no mercado é o de V R = 800 litros. ■

Intervalo do ciclo do compressor Tm = VR x (Pmáx - Pmin) / DLE = 0,8 x 1 / 2,42 = 0,33 min To = VR (Pmáx - Pmin)/ (DLE - D) = 0,8 x 1 / (2,42 – 2,04) = 2,11 min Tc = 60 / (Tm + To) = 60 / (0,33 + 2,11) = 24,6

O reservatório está adequado. No entanto, o intervalo do ciclo e a taxa máxima de ciclos seguidos do motor não precisam ser verificados, porque a maioria deles já vem dotadas de controladores que não permitem ser excedidos o número máximo de ciclos. Nesse caso, o compressor permanece em alívio.

Figura 7.10 - Compressor e reservatório de ar comprimido

126


8

Manutenção e Operação Eficiente do Sistema

8.1 Controle do sistema Normalmente, é requisito de uma instalação de ar comprimido o fornecimento do ar a pressão constante e que haja pleno atendimento do fornecimento da vazão necessária aos consumidores. Para tal,é necessário que existam condições para exercer este controle,principalmente quando as demandas de vazão e pressão de ar comprimido variam. O consumo de energia representa aproximadamente 80% do custo total do ar comprimido. Portanto, deve-se ser rigoroso ao se escolher o sistema de controle.Primeiramente, deve-se analisar o tipo de compressor a ser utilizado, como também os fabricantes. O ideal é que o compressor supra as necessidades dos consumidores e que as pressões sejam autocontroladas. Existem dois tipos de orientações para que sejam obtidos estes controles:

■

■

Um que permita o controle contínuo do motor que aciona o compressor, acompanhando as variações da pressão. O outro que é o sistema mais comum, em que, basicamente, o compressor é desligado automaticamente quando a pressão da linha alcança valores acima do permitido e é religado quando a pressão cai a valores mais baixos que o permitido. Para os compressores maiores e mais modernos não existe a fase de desligamento. O sistema de controle mantém o compressor funcionando,porém sem executar o trabalho de compressão (em vazio) e consumindo muito menos energia.

8.1.1 Controle por alivio de pressão O método original consiste em utilizar uma válvula de alívio de pressão, que desvia o excesso de pressão para a atmosfera. Esta válvula é bastante simples: uma mola regulada para a pressão limite fecha a abertura de saída da válvula, Quando a pressão limite é


127

superada, a mola permite que a válvula se abra e deixe o excesso de pressão sair para atmosfera. Uma desvantagem deste sistema é o alto consumo de energia ao aliviar na atmosfera muito ar comprimido. Às vezes, é utilizada para este tipo de controle uma servo válvula comandada por um regulador de pressão.

8.1.2 Controle por desvio Normalmente, usa-se este controle quando são comprimidos gases que não podem ser lançados na atmosfera ou por razões econômicas ou de poluição do meio ambiente. O princípio é o mesmo, porém o gás aliviado é resfriado por outro equipamento e retorna na admissão do compressor.

8.1.3 Controle por redução da entrada de ar no compressor Efetua-se uma restrição à entrada do ar a ser aspirado pelo compressor por fechamento parcial de uma válvula ou damper, situados na aspiração do compressor, reduzindo a capacidade de produção de ar.

8.1.4 Alívio de pressão e obstrução da aspiração do ar É o método de controle mais comum e que propicia um controle total, atendendo à faixa de 0 a 100%. Tem um baixo consumo de energia. Quando a válvula de bloqueio fecha a aspiração, deixando uma pequena passagem, uma outra válvula de alívio, ao mesmo tempo, alivia o ar para fora do compressor, e o compressor fica fora de trabalho de compressão. É importante que o alívio seja feito rapidamente e que o volume aliviado seja pequeno para evitar perdas desnecessárias de ar durante a transição do tempo "com carga e sem carga". Um sistema para utilizar este método deverá ter um reservatório que alimente os consumidores durante tempo suficiente até que o compressor retorne à carga.

8.1.5 Partida e Parada Compressores de potência entre 5kW -10kW são controlados de forma que parem de funcionar completamente quando a pressão limite superior for alcançada e retornem ao funcionamento quando a pressão limite inferior for alcançada. Este método de controle exige reservatório de grande volume e grande faixa de pressão entre o desligamento e o religamento, para minimizar as cargas no motor elétrico. Este sistema de controle é bom quando o número de paradas e partidas dos compressores é pequeno.

128


8.1.6 Controle pela velocidade de rotação Variando a rotação dos motores, pode-se controlar a vazão produzida pelo compressor mantendo a pressão do sistema e economizando energia. Normalmente, utiliza-se este método combinado com o de alívio de pressão e com o de redução de entrada de ar no compressor.

8.1.7 Carga - Alívio - Parada Atualmente, o método mais usado para os compressores com potência maior que 5 kW é o que combina grande faixa de regulagem com baixas perdas de potência no eixo. Quando o sistema consumidor demanda ar comprimido, um sinal é enviado a uma válvula solenóide,que, por sua vez, aciona o damper de entrada do compressor para a posição plenamente aberta. Nessa posição, o compressor está em carga (produzindo ar comprimido). Quando o damper é fechado, o compressor não está comprimindo ar (funcionamento em vazio).Não existe posição intermediária do damper.Os controles usuais nos pequenos compressores são desse tipo,e os compressores funcionam dentro de uma faixa de pressões de liga-desliga, normalmente, 0,5 bar. Se durante um certo tempo – por exemplo, 10 minutos – não ocorrer solicitação, o compressor é desligado automaticamente e só religa quando a pressão atingir o limite inferior de controle.

Figura 8.1 - Faixa de operação do compressor Embora funcione muito bem, este sistema fornece um controle lento. O desenvolvimento mais recente de controle substitui o comando de pressão por um transdutor de pressão, que pode sentir mais rapidamente a mudança de pressão do sistema.Então,ele poderá comandar a abertura ou o fechamento do damper na entrada do compressor em ciclos mais rápidos de faixa de pressão – por exemplo, 0,2 bar – com redução bastante significativa dos ciclos de liga-desliga do motor.


129

Figura 8.2 - Faixa de operação do compressor, sistema avançado O controle acima conduz o sistema a uma redução no consumo de energia.

8.2 Modernização dos sistemas de controle Com o advento dos PLCs e o direcionamento dos estudos e análises para os projetos de sistemas que tenham operação otimizada e que permitam a melhora da eficiência no consumo de energia e nos custos, foram desenvolvidos controles e monitoração visando obter estes resultados para a maioria dos compressores industriais. Os sistemas de controle modernos podem dividir os tempos de funcionamento dos compressores da instalação, colocando-os para funcionar em tempos alternados, reduzindo assim o risco de paradas inesperadas.

8.2.1 Sistemas mais simples O seletor de seqüência de partida é a viga mestra do sistema. Sua tarefa é dividir igualmente os tempos de funcionamento dos compressores, enquanto liga os compressores componentes do sistema. A partida poderá ser feita manual ou automaticamente. O seletor usa um transdutor para o comando liga-desliga e prevê um transdutor para cada compressor. A principal desvantagem deste controle é que é necessária uma grande diferença entre os tempos de colocação dos compressores em funcionamento ou sem carga. Um sistema desse poderá controlar até três compressores.

8.2.2 Sistemas mais avançados Um tipo mais avançado combina o mesmo tipo de seqüenciador de partida, porém

130


com somente um transdutor centralizado para todos os compressores, podendo gerenciar um conjunto de até 7 compressores.

8.2.3 Sistema centralizado A associação desses controles a uma central supervisória torna o controle mais inteligente. A variável de controle principal é o fornecimento da vazão necessária à instalação dentro de limites de controle de pressão bastante pequenos. Isto levará a um funcionamento otimizado com relação ao consumo de energia. É possível controlar e monitorar ao mesmo tempo qualquer mudança de pressão e de carga nos compressores. A faixa de controle de pressão cai para + 0,2 bar. A figura 8.3 ilustra esse tipo de controle.

Figura 8.3 - Instalação com controle central

8.3 Manutenção Os custos de manutenção (5-10% dos custos dos investimentos em máquinas) são bastante reduzidos em relação a outros custos. Podem, ainda, ser mais reduzidos se a manutenção for planejada. A escolha de uma manutenção eficiente vai definir a confiabilidade e a performance do sistema. A escolha qualitativa dos equipamentos que constituirão o sistema é fator importante.


131

A manutenção é afetada por tipo de compressor, equipamentos auxiliares (filtro, secadores etc.), situação da operação, condições da instalação, qualidade do meio, planejamento da manutenção,escolha do nível de segurança,sistema de resfriamento e recuperação de energia térmica e grau de utilização. Uma manutenção planejada torna os custos previsíveis e aumenta a vida útil dos equipamentos. Os custos de reparos ficam mais baratos e os tempos de máquina parada são mínimos. Com o uso dos instrumentos de eletrônica avançada nos equipamentos ficou fácil fazer um diagnóstico durante a operação do sistema, e isto vai otimizar a intervenção da manutenção. A necessidade do recondicionamento de qualquer unidade poderá ser detectada muito antes de acontecer, podendo ser programada, reduzindo o tempo de parada. Contar para a realização da manutenção com técnicos treinados pelos fornecedores e com o uso de peças genuínas vai tornar o sistema mais eficiente e mais confiável.

132


9

Medidas de Eficiência Energética

Apresenta-se aqui um plano de oito passos para melhorar a performance de sistemas de ar comprimido, utilizado por empresas especializadas em redução de consumo energético no ar comprimido:

1º Desenvolver um diagrama de blocos do sistema. 2º Criar um perfil de pressões para o sistema. ■

Pontos importantes no uso a. determinar as necessidades reais da qualidade do ar e o tratamento apropriado;

b. verificar se existe a possibilidade de reduzir a pressão nos pontos de consumo que necessitam de pressões mais altas; c. verificar se existe a possibilidade de reduzir o consumo nos pontos de maior consumo; e d. verificar se o uso do ar nos pontos de consumo está correto e se as aplicações são adequadas.

3º Desenvolver um plano de manutenção para todo o sistema de ar comprimido. 4º Analisar o sistema de controle existente e verificar se é possível efetuar melhorias na estratégia de controle. 5º Balancear a produção do ar com o consumo. 6º Implementar estratégias para manter este balanço. 7º Procurar a ajuda da gerência de produção da planta de produção: a) criar metas para a tomada de decisão;


133

b) desenvolver um plano de custo benefício dirigido à redução de custos de operação e beneficiar a produção (para alvos de aumento de confiabilidade produtividade) e o retorno de investimentos; c) relatar as ocorrências à gerência de forma eficiente; e d) efetuar uma medição anterior e outra posterior às melhorias, para documentar a economia nos custos obtidas pelas ações tomadas e informar à gerência.

8º medições de parâmetros necessários. Os sistemas de ar comprimido não podem ser gerenciados se não ocorrem medições de: – vazão; – pressão; – temperatura; – potência; – energia consumida; e – custos reais.

9.1 Potenciais de economia na geração do ar comprimido Os potenciais de economia de energia elétrica serão divididos em duas partes: a primeira, na geração do ar comprimido, envolvendo a casa de máquinas; e a segunda, na distribuição.

9.1.1 Temperatura elevada no ar aspirado pelo compressor Quanto mais baixa for a temperatura do ar aspirado, maior quantidade de massa de ar poderá ser aspirada pelo compressor pela mesma vazão volumétrica aspirada pela mesma potência consumida neste trabalho. Isto porque o ar mais frio é mais denso. Então, uma maior massa de ar poderá ocupar um mesmo volume quando ele está mais aquecido. Portanto, é importante evitar que os compressores aspirem ar no interior do recinto onde estão instalados, cuja temperatura é sempre mais alta que a do ar atmosférico externo.Nesse sentido,pode-se providenciar tubulações ligando a aspiração de ar do com-

134


pressor a uma tomada de ar do exterior da sala de máquinas. Nas instalações onde o compressor é resfriado a ar também é usual lançar para o exterior o ar aquecido do resfriamento.Tomar cuidado para que este ar não aqueça o ar de aspiração do compressor. A tabela 9.1 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, outros podem ser interpolados. TA B E L A 9 . 1 - VA R I A Ç Ã O D O C O N S U M O C O M A T E M P E R A T U R A DE ASPIRAÇÃO TEMPERATURA DO AR DE ASPIRAÇÃO (ºC)

PERCENTUAL DE POTÊNCIA ECONOMIZADA, OU INCREMENTADA, COM REFERÊNCIA À TEMPERATURA DE 21ºC

-1,0

7,5 (economizado)

4,0

5,7 (economizado)

10,0

3,8 (economizado)

16,0

1,9 (economizado)

21,0

0,0

27,0

1,9 (incrementado)

32,0

3,8 (incrementado)

38,0

5,7 (incrementado)

43,0

7,6 (incrementado)

49,0

9,5 (incrementado)


135

Caso 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 9.1, o valor para 41ºC (obtido por interpolação entre os valores 38ºC e 43ºC) é igual a 6,8% (incremento) – Da tabela, para 32ºC = 3,8% – Diferença de incrementos: 6,8 - 3,8 = 3% – Percentual de 3,0% de energia economizada sobre o que se estiver consumindo até então. Considerando que no motor elétrico de 150 cv, a 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, têm-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.

9.1.2 Sujeira no filtro de aspiração 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

136


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.

9.1.3 Pressão de desarme muito elevada A pressão de desarme ajustada no pressostato de controle de ciclo 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 desenvolvidos pelos engenheiros 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 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% na potência consumida pelos motores dos compressores, para pressões em torno de 6 a 7 bar. A tabela 9.2 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).


137

TA B E L A 9 . 2 - VA R I A Ç Ã O D E C O N S U M O C O M A P R E S S Ã O D E DESARME PRESSÃO DE DESARME IDEAL OU AJUSTADA (bar)

POTÊNCIA REQUERIDA PARA COMPRIMIR CONTINUAMENTE 1 m 3 DE AR POR MINUTO (cv/m3/ min)

0,70

1,29

1,75

2,65

3,50

4,25

5,60

5,70

7,00

6,49

10,50

8,02

14,00

9,28

A utilização da tabela 9.2 é bastante simples,bastando seguir os passos indicados a seguir:

■

■

■

■

■

Primeiro, define-se a pressão máxima de desarme considerada como ideal para o sistema analisado: (P ideal de desarme = P trabalho + 0,8). Calculado o valor da P ideal de desarme e tendo o valor da pressão de desarme ajustada no sistema P desarme ajustada, efetua-se a diferença P desarme ajustada - P ideal de desarme = P desarme excedente. Determinam-se agora na tabela os valores das potências correspondentes às pressões: ajustada e ideal para desarme: Pot. pressão ajustada e Pot.pressão ideal. Efetua-se a diferença entre os valores de Pot. Pot. excedente .

pressão ajustada

- Pot.pressão ideal =

O valor da potência excedente (Pot. excedente ) deve então ser comparado percentualmente com a potência ideal de desarme (P ideal de desarme = P trabalho + 0,8), estabelecendo-se assim o percentual de redução: % = (Pot. excedente / Pot. pressão ideal ) x 100

138

■

■


Este percentual pode ser utilizado para a estimativa do consumo excedente de energia elétrica no compressor em decorrência do ajuste da pressão de desarme superior ao considerado adequado. Para se chegar ao resultado final, deve-se levantar o consumo médio mensal e aplicar sobre ele o percentual obtido acima,obtendo-se o consumo excedente de energia elétrica. Caso 2 – Compressor de pistão operando com a pressão de desarme de 8,5 bar. – Pressão de trabalho dos equipamentos pneumáticos = 6 bar.

– 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). – Potência correspondente à pressão de desarme ideal = 6,43 cv/m3/min (valor obtido por interpolação na tabela). – Potência devida ao excedente de pressão = 7,14 - 6,43 = 0,71 cv/m 3/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 no 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.


139

– 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.

9.2 Potenciais de economia de energia elétrica na rede de distribuição e consumo 9.2.1 Vazamentos nas linhas de ar comprimido É bastante comum nas instalações de ar comprimido nas indústrias não haver verificação e manutenção periódica das linhas de distribuição, por considerar perda de tempo parar a instalação para fazer a manutenção.Os vazamentos existentes (geralmente do conhecimento de todos) são negligenciados. Porém, estes podem assumir proporções muito significativas relativamente ao consumo de energia elétrica e, conseqüentemente, no custo final do ar comprimido. A título de informação, a tabela 9.3 indica a correlação entre a potência perdida em vazamentos e a vazão, considerando um sistema operacional a 6 bar. TA B E L A 9 . 3 - P E R D A S D E VA Z Ã O E P O T Ê N C I A C O M VA Z A M E N T O S DIÂMETRO DO FURO DE VAZAMENTO

ESCAPE DE AR EM m3/min Á PRESSÃO DE 6 BAR

POTÊNCIA EM KW PARA SUPRIR A COMPRESSÃO PERDIDA

1 mm

0,006

0,3

3 mm

0,6

3,1

5 mm

1,6

8,3

10 mm

6,3

33,0

15 mm

25,2

132,0

De maneira geral, os manuais de fabricantes informam que, de acordo com a idade e a conservação das linhas, pode-se ter uma orientação quanto ao percentual de vazamentos existentes de todo o ar produzido:

■

Instalações com até 7 anos de idade e em bom estado de conservação:não superior a 5%;

140


■

Instalações com até 7 anos de idade e em estado precário: de 5 a 10%;

■

Instalações com idade entre 7 e 15 anos e em estado regular: de 10% a 15%;

■

Instalações com idade entre 7 e 15 anos e em estado precário: de 15% a 20%; e

■

Instalações com idade superior a 15 anos e em estado precário: superior 20%.

Vazamentos de até 5% podem ser tolerados. Existem atualmente muitos recursos para detectar vazamentos com aparelhagens específicas, que utilizam os princípios do ultrasom. Uma prática bem comum nas tubulações aparentes e de fácil acesso consiste em borrifar uma substância tenso-ativa, como a espuma de sabão, e esperar a formação de bolhas pelo ar que vaza. 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.


141

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. Q vaz x T = Q comp x t

(9.1)

Q vaz = ( Q comp x t ) / T em que: Q comp = capacidade nominal de produção do compressor usado no teste (m 3/min); T = tempo total (alivio + compressão) registrado no primeiro cronômetro (min); Q vaz = vazão atribuída aos vazamentos (m3/min); e t = tempo do compressor em carga (compressão) registrado pelo segundo cronômetro.

142


O valor obtido para Qvaz 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. Caso 3: - 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 religamento 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 religamento 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.


143

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 + alívio), tem-se que o potencial de economia de energia, se sanados os vazamentos, é de 6 280 kWh/mês. Considerando o preço da energia elétrica em 0,20 $R/kWh, equivaleria a R$1.256,00/mês, ou R$15.072,00/ano.

9.2.2 Linhas de distribuição de ar comprimido muito sinuosas 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 compressor e levando ao consumo maior de potência e energia elétrica.

9.3 Recuperação de energia térmica 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 corresponde a uma perda de energia de 4 milhões de kWh/ano de energia térmica, que poderia ser recuperada.

144


A figura 9.1 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 9.1 - Energia recuperável A figura 9.2 mostra um esquemático de aquecimento de água para banho dos funcionários de uma fábrica.


145

Figura 9.2 - Esquema de recuperação possível de energia térmica

9.3.1 Cálculo do potencial de economia de energia A fórmula 9.2 fornece a quantidade de energia (E) em kWh/ano que poderá ser recuperada em um sistema de ar comprimido: E = [ (K 1 x E1 ) + (K 2 x E2)] x TR x 

(9.2)

em que: E - energia recuperada em kWh/ano; TR - tempo por ano que se quer recuperar a energia; K 1 - parte do TR em que o compressor está em compressão; K 2 - parte do TR em que o compressor está fora de compressão; E1 - energia em kWh disponível no aquecimento do fluido de resfriamento, compressor em carga; E2 - energia em kWh disponível no aquecimento do fluido de resfriamento, compressor fora de carga; e - eficiência do equipamento de troca de calor.

146


Em termos financeiros, pode-se multiplicar o valor de (E) pelo preço da energia: Economia = E x eP

(9.3)

em que: eP - preço da energia. A tabela 9.4 mostra a energia recuperada de acordo com a vazão efetiva de um compressor TA B E L A 9 . 4 - E N E R G I A R E C U P E R A D A DLE m3/min

TAXA DE CALOR kW

(continua)

QUANTIDADE GANHA EM 2000 HORAS DE OPERAÇÃO kWh/ano

ÓLEO m3/ano

6.4

34

68 000

10.0

7.4

40

80 000

11.8

11.4

51

102 000

15.0

14.0

61

122 000

17.9

18.7

92

184 000

27.1

21.6

109

218 000

32.1

23.2

118

236 000

34.7

27.9

137

274 000

40.3

34.8

176

352 000

51.8

43.1

215

430 000

63.2

46.9

235

470 000

68.1

46.5

229

458 000

67.4

51.3

253

506 000

74.7

56.9

284

568 000

83.5

62.9

319

638 000

93.8

69.7

366

732 000

108


147

(conclusão)

DLE m3/min

TAXA DE CALOR kW

QUANTIDADE GANHA EM 2000 HORAS DE OPERAÇÃO kWh/ano

ÓLEO m3/ano

75.4

359

718 000

106

83.2

392

784 000

115

103.6

490

980 000

144

124.5

602

1 200 000

177

9.3.2 Compressor resfriado a ar Conforme se pode observar na figura 9.3, encapsula-se o compressor de forma que um exaustor-ventilador recolha todo a ar quente gerado, enviando-o por tubulação para outro local onde o calor poderá ser trocado com outro fluido a ser aquecido ou então ser usado diretamente em processos de secagem.

9.3.3 Compressor resfriado a água Um sistema de bombas de água supre os equipamentos nos locais de resfriamento do compressor com água a,por exemplo,25°C.A água é aquecida até 90°C, e daí segue para trocadores de calor, onde aquecerão outros fluidos, como água, ar e óleo, para uso final.

Figura 9.3 - Recuperação de calor em compressores resfriados a ar

148


Figura 9.4 - Recuperação de energia em compressor de parafuso

9.4 Cálculo da economia financeira e redução de demanda A energia elétrica é a modalidade dominante no campo industrial para o acionamento dos sistemas de ar comprimido. Vimos que existem oportunidades de economia de energia na recuperação da energia térmica gerada, no abaixamento de pressão na rede, na redução e eliminação de vazamentos e na operação eficiente comandada por um sistema de controle e regulagem eficiente. É indispensável observar o quadro futuro, quando novas situações e demandas poderão influenciar nas instalações, principalmente quando se for fazer um novo investimento. Exemplos típicos dessas influências são os requerimentos do meio ambiente, da economia financeira em termos de energia, da necessidade de aumento da qualidade de produção e do futuro da produção. No que se refere aos compressores, uma operação eficiente e um dimensionamento que atenda ao atual consumo e ao do futuro planejado geram bastante economia. A experiência tem mostrado que a análise constante da ope-


149

ração do sistema dirige para ótimas oportunidades de economia. Os custos da energia são os principais fatores de economia. Deve-se ter sempre em mente que a otimização do consumo da energia é o que de melhor se pode obter da redução dos custos, uma vez que, na maioria das vezes, os preços da energia elétrica são fixados por concessionárias. Então,as medidas que se podem tomar se restringem ao interior das instalações da fábrica. Um estudo profundo dos custos da instalação deverá mostrar os caminhos da otimização. A figura 9.5 mostra os percentuais dos custos envolvidos na produção do ar comprimido.

Figura 9.5 - Esquema com as despesas financeiras de um sistema Portanto,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. O ideal é que o compressor atenda plenamente ao consumo com um mínimo de folga. Os compressores já vêm com o sistema de regulagem e controle instalados, porém um estudo poderá melhorar muito o sistema, com a adição de outros dispositivos. O controle de vazão pelo uso de inversores de freqüência que variam a rotação do motor elétrico de acionamento é, hoje em dia, bastante comum.Vai reduzir bastante os custos do consumo de energia elétrica. Quando o consumo nos fins de semana,feriados ou certos períodos do dia cai para va-

150


lores muito baixos, torna-se econômico prover o sistema de geração de ar comprimido com um compressor de baixa capacidade para o atendimento. A divisão da rede de distribuição para atender a equipamentos que operam com pressões bem diferentes também produz economia de consumo. Os custos de investimento distribuem-se entre: aquisição de equipamentos, construção civil e metálica, instalação e segurança. Os custos dos investimentos são parte dos custos globais e estão ligados parcialmente à seleção dos compressores, à qualidade do ar, ao período de amortização e às taxas de juros. Os custos energéticos estão ligados diretamente ao tempo de operação durante o ano, ao grau de utilização e ao preço da energia. Alguns custos de aquisição – por exemplo, de equipamentos de recuperação de energia térmica – tem influência muito reduzida nos custos de manutenção e operação. Quando efetuar os custos de consumo de energia, deve-se verificar o consumo de energia de todos os equipamentos consumidores da instalação, como filtros, ventiladores e bombas. A figura 9.6 mostra um esquema simples,mas bastante eficiente, no levantamento deste consumo. A pressão de trabalho afeta diretamente os custos de consumo de energia.Altas pressões representam altos consumos. O aumento das pressões de trabalho com o objetivo de compensar as perdas de pressão nos sistemas traz resultados nefastos para o consumo de energia.


151

Figura 9.6 - Esquema de uma forma de modelar o gasto de energia em um sistema O dimensionamento de tubulações com diâmetros menores para atender à economia financeira de instalação leva a custos maiores, pois, aumentando-se a velocidade de escoamento do ar, aumentam-se as perdas de carga de tal maneira a atingir níveis de escoamento supercrítico, o que é grave. Igualmente, uma manutenção deficiente nos filtros causa bloqueio do ar, aumentando as perdas de pressão. A figura 9.7 mostra esses efeitos. A adoção de sistemas de controle e regulagem que permitam a redução da diferença entre o limite da pressão de desarme e o da pressão de ligamento reduz o consumo de energia.

152


Figura 9.7 - Relação entre pressão e consumo de energia elétrica A escolha do método de secagem também altera os custos de operação. A figura 9.8 mostra a diferença entre eles.

Figura 9.8 - Custo do ar comprimido de acordo com o sistema de secagem utilizado A redução dos vazamentos traz muita economia no consumo de energia na operação do sistema. A qualidade do ar comprimido reduz os tempos de manutenção, aumenta a vida dos


153

consumidores e melhora o tempo de utilização em plena carga do sistema, reduzindo os consumos específicos. Os compressores que não utilizam lubrificação dispensam vários custos, como aqueles associados a lubrificante, separadores de óleo, tratamento do condensado e troca de elementos de filtro, e reduzem o preço de aquisição dos filtros secundários. A figura 9.9 mostra a redução de consumo entre compressores lubrificados e os isentos de óleo.

Figura 9.9 - Consumo de energia entre compressores lubrificados e livres de óleo

154


10

Bibliografia

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156


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Links Úteis

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157

ANEXO A

A

GESTÃO ENERGÉTICA

A implantação de um programa de Gestão Energética é a primeira iniciativa ou ação visando à redução de custos com energia em uma empresa. A importância da implantação de uma Gestão Energética se deve ao fato de que ações isoladas, por melhores resultados que apresentem, tendem a perder o seu efeito ao longo do tempo. A Gestão Energética visa otimizar a utilização de energia elétrica por meio de orientações, ações e controles sobre os recursos humanos, materiais e econômicos,reduzindo os índices globais e específicos da quantidade de energia elétrica necessária à obtenção do mesmo resultado ou produto. Na maioria das empresas, a preocupação com a Gestão de Energia Elétrica, geralmente, é de caráter pontual e eventual, não tendo continuidade,e é delegada a escalões inferiores da organização. Não quer dizer que a Gestão da Energia Elétrica seja negligenciada. Na verdade, muito esforço nesse sentido já foi realizado e muitos resultados relevantes foram colhidos. Entretanto, existe a consciência de que, cada vez mais, o tema “Gestão Energética” passará a merecer atenção e empenho da direção das empresas. Atualmente, estamos assistindo a importantes transformações em nosso País e no mundo com respeito à preocupação com a preservação do meio ambiente. É crucial que as empresas procurem se antecipar às mudanças que ocorrerão quanto às exigências de um novo mercado consumidor, que dará preferência e reconhecerá produtos de empresas que possuam o compromisso com a preservação do meio ambiente e com a conservação dos recursos naturais. A Gestão Energética é uma das alternativas para a empresa ser reconhecida pelo mercado como comprometida com esses valores. Inclusive, para reivindicar a ISO 14000, é exigida a implantação de um programa de conservação de energia. Para demonstrar a importância que esse Programa passa a ter na política administrativa interna, ele deve ser lançado como um marco na existência da Empresa, e isso deverá ocorrer por meio de um documento ou evento formal e da participação efetiva da direção da mesma.

158

A.1


Aspectos administrativos

É possível afirmar que a Gestão Energética, sendo delegada a níveis mais baixos ou com pouca participação nas decisões da empresa, acarreta duas conseqüências negativas: a imagem de que o assunto é de pouca importância; e, no caso em que as providências envolvam decisão superior, a demora na tomada de decisões que concretizem as soluções encontradas. A implantação da Gestão Energética exige iniciativa e criatividade, e, acima de tudo, necessita do respaldo da Direção, pois diversas ações demandam recursos, decisões e mudanças de hábitos. Para contornar os problemas de implantação, a Direção deve mostrar claramente que o Programa está inserido na política administrativa e no plane jamento estratégico da empresa.Sua elaboração deve ser resultado do esforço e da participação de todos empregados dos diversos setores da empresa. A direção deverá estabelecer objetivos claros e apoiar a implantação da Gestão Energética, enfatizando a sua necessidade e importância, aprovando e estabelecendo metas a serem atingidas ano a ano, efetuando um acompanhamento rigoroso, confrontando os resultados obtidos com as metas previstas, analisando os desvios e propondo medidas corretivas em caso de distorções, além de providenciar revisões periódicas e oportunas nas previsões estabelecidas. Tal posicionamento acarretará o aumento de produtividade que as empresas tanto necessitam e buscam.

A.2 Gerenciamento da Energia O gerenciamento energético de qualquer instalação requer o pleno conhecimento dos sistemas energéticos existentes, dos hábitos de utilização da instalação e da experiência dos usuários e técnicos da edificação. O primeiro passo consiste em conhecer como a energia elétrica é consumida na sua instalação e acompanhar o custo e o consumo de energia elétrica por produto/serviço produzido, mantendo um registro cuidadoso. Os dados mensais e históricos são de grande importância para a execução do diagnóstico, podendo ser extraídos da conta de energia elétrica. Esses dados poderão fornecer informações preciosas sobre a contratação correta da energia e seu uso adequado, bem como permitir a análise do seu desempenho, subsidi-


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ando tomadas de decisões visando à redução dos custos operacionais.

A.2.1 Conceitos Antes de aprofundar-se na gestão da energia, é necessário conhecer os conceitos empregados pelas empresas de energia. São eles: ■

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Energia ativa - É a energia capaz de produzir trabalho. A unidade de medida usada é o quilowatt-hora (kWh). Energia reativa - É a energia solicitada por alguns equipamentos elétricos,necessária à manutenção dos fluxos magnéticos e que não produz trabalho. A unidade de medida usada é o quilovar-hora (kvarh). Potência - É a quantidade de energia solicitada na unidade de tempo. A unidade usada é o watt (W) e seus múltiplos: quilowatt (kW – 1.000 W) e megawatt (MW – 1.000.000 W). Demanda - É a potência média, medida por aparelho integrador, durante qualquer intervalo de tempo: minuto, hora,mês e ano. Demanda contratada - Demanda a ser obrigatória e continuamente colocada à disposição do cliente, por parte da concessionária, no ponto de entrega, a preço e pelo período de vigência fixado em contrato. Carga instalada - Soma da potência de todos os aparelhos instalados nas dependências da unidade consumidora, que, em qualquer momento, podem utilizar energia elétrica da concessionária. Fator de carga (FC) - Relação entre a demanda média e a demanda máxima ocorrida no período de tempo definido. Fator de potência (FP) - Obtido da relação entre energia ativa e reativa horária, a partir da leitura dos respectivos aparelhos de medição. FP = energia ativa (kW) / energia aparente (kVA). Tarifa de demanda - Valor em reais do kW de demanda em um determinado segmento horo-sazonal. Tarifa de consumo - Valor em reais do kWh ou MWh de energia utilizada em um determinado segmento horo-sazonal.

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Tarifa de ultrapassagem - Tarifa a ser aplicada ao valor de demanda registrada que superar o valor da demanda contratada, respeitada a tolerância. Horário de ponta (HP ou P) - Período definido pela concessionária e composto por três horas consecutivas, compreendidas entre 17:00 e 22:00, exceção feita aos sábados e domingos, terça-feira de Carnaval, sexta-feira da Paixão, Corpus Christi, Finados e os demais feriados definidos por lei federal (01/01, 21/04, 01/05, 07/09, 12/10, 15/11 e 25/12). Nesse horário, a energia elétrica é mais cara. Horário fora de ponta (HFP ou F) - São as horas complementares às três horas consecutivas que compõem o horário de ponta, acrescidas da totalidade das horas dos sábados e domingos e dos 11 (onze) feriados indicados acima. Nesse horário, a energia elétrica é mais barata. Período seco (S) - É o período de 7 (sete) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de maio a novembro de cada ano. Período úmido (U) - É o período de 5 (cinco) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de dezembro de um ano a abril do ano seguinte. Segmentos horários e sazonais - Identificados também como "segmentos horo-sazonais", são formados pela composição dos períodos úmido e seco com os horários de ponta e fora de ponta e determinados conforme abaixo: (PS) - Horário de ponta em período seco (PU) - Horário de ponta em período úmido (FS) - Horário fora de ponta em período seco (FU) - Horário fora de ponta em período úmido

Esses períodos foram criados para compatibilizar a demanda com a oferta de energia. Isto é, pela sinalização tarifária (preços mais elevados e mais baixos nos períodos seco e úmido, respectivamente) mostra-se o custo da energia, conforme a lei de oferta e procura. - THS – Tarifação horo-sazonal – tarifas baseadas no horário e período de consumo.


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A.2.2 Como a energia elétrica é medida Todos os equipamentos elétricos possuem uma potência que pode estar identificada em watts (W),em horse power (hp) ou em cavalo vapor (cv).Caso a potência esteja identificada em hp ou cv, basta transformar em watts usando as seguintes conversões: 1 cv = 735 W e 1 hp = 746 watts O consumo de energia elétrica é igual à potência em watts (W) vezes o tempo em horas (h), expressa em watthora (Wh). Portanto, depende das potências (em watts) dos equipamentos e do tempo de funcionamento (em horas) desses. Nas contas de energia elétrica, as grandezas envolvidas são elevadas (milhares de Wh). Padronizou-se o uso do kWh, que representa 1.000 Wh. Um kWh representa a energia gasta num banho de 15 minutos (0,25 h) usando um chuveiro de 4.000 W, ou o consumo de um motor de 20 hp (15 kW) por 4 minutos (0,067 h).

A.2.3 O preço da energia elétrica Preços da Baixa Tensão (BT)

Na baixa tensão (BT), o preço médio da energia é igual às próprias tarifas, acrescidos do imposto ICMS - Imposto Sobre Circulação de Mercadorias,pois só é cobrado o consumo.Os clientes atendidos na BT estão sujeitos às tarifas do Grupo B. Nele existem subgrupos de acordo com as classes (ex.: Residencial,subgrupo B1; Rural, B2; Comercial e Industrial, B3). Observa-se que, apesar de o produto (energia) ser o mesmo, na BT o preço da energia varia por tipo de classe (residencial, industrial / comercial e rural). Preços da Média Tensão (MT)

Na Média Tensão (MT) a tarifa aplicada não é monômia como na Baixa Tensão (BT), e sim binômia.Ou seja, cobra-se além do consumo (kWh) registrado, a demanda (kW) contratada ou a medida (a que for maior) acrescida do ICMS. Os clientes atendidos na alta (AT) e na média tensão (MT) estão sujeitos às tarifas do Grupo A. Nele os subgrupos não dependem das classes, e sim do nível de tensão (subgrupo A1 – 230 kV ou mais, A2 – 88 kV a 138 kV, A3 – 69 kV, A4 – 2,3 kV a 25 kV e o AS – subterrâneo).

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No caso do atendimento em MT, o preço médio da energia elétrica não será igual às tarifas; ele irá variar conforme o fator de carga. São oferecidas nesse tipo de atendimento duas modalidades tarifárias: a Convencional e a Horo-sazonal. Na Convencional, as tarifas independem dos horários Ponta e Fora de Ponta e dos períodos Seco e Úmido. Na modalidade Horo-sazonal, existem dois tipos: Azul e Verde. As tarifas de demanda são diferenciadas conforme os horários, no caso da Azul; e as de consumo são diferenciadas conforme os horários e períodos. Tarifas de Ultrapassagem

Tarifa aplicável sobre a diferença entre a demanda medida e a contratada, quando a demanda medida exceder em 10% a demanda contratada,no caso do subgrupo A4 e AS; e 5%, nas demais subclasses. Saliente-se que a demanda de ultrapassagem será toda parcela de demanda medida que superar a contratada, e não apenas o que exceder a tolerância.

A.2.4

Estrutura tarifária

As regras para o enquadramento tarifário estão apresentadas na tabela A.1. As orientações para a escolha da melhor opção tarifária serão detalhadas no final deste capítulo. T A B E L A A . 1 : R E G R A S P A R A E N Q U A D R A M E N T O TA R I F Á R I O

(continua)

TIPO DE TARIFA

CONVENCIONAL Aplicada como opção para consumidores com demanda menor que 300kW. A demanda contratada mínima é de 30kW. Ver observação 1

VALORES A SEREM FATURADOS ULTRAPASSAGEM CONSUMO (kWh) DEMANDA (kW) DA DEMANDA

Total registrado x Preço único

Maior valor entre: - a medida ou - a contratada x Preço único Exceção Ver observação 2

Aplicável quando a demanda medida superar a contratada em 10%.


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(conclusão) TIPO DE TARIFA

VALORES A SEREM FATURADOS ULTRAPASSAGEM CONSUMO (kWh) DEMANDA (kW) DA DEMANDA

VERDE Aplicada como opção para consumidores da MT. Ver observação 3

Total registrado no HFP x Preços HFP para períodos seco e úmido. + Total Registrado n o HP x Preços HP para períodos seco e úmido.

AZUL Aplicada de forma compulsória para clientes com demanda maior ou igual a 300 kW e opcional para aqueles com demanda entre 30 a 299 kW. Ver observação 3

Total registrado no HFP x Preços HFP para períodos seco e úmido. + Total Registrado n o HP x Preços HP para pe períodos seco e úmido

Maior valor entre: - a medida ou - a contratada x Preço único Exceção Ver observação 2

Aplicável quando a demanda medida superar a contratada em 10%.

Maior valor entre: Aplicável quando a - a medida demanda medida ou superar a contratada - a contratada em 10%, na na MT x e 5%, na AT, Preços diferenciados nos respectivos x horários. para HFP e HP Exceção Ver ob observação 2

Observações: 1 - Caso uma unidade consumidora enquadrada na THS apresente 9 (nove) registros de demanda medida menor que 300 kW nos últimos 11 (onze) ciclos de faturamento, poderá optar por retornar para a Convencional. 2 - Quando a unidade consumidora for classificada como rural ou reconhecida como sazonal, a demanda a ser faturada será: Tarifa Convencional - a demanda medida no ciclo de faturamento ou 10% da maior demanda medida em qualquer dos 11 (onze) ciclos completos de faturamento anteriores;

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Tarifa Horo-sazonal - a demanda medida no ciclo de faturamento ou 10% da demanda contratada. contratada. A cada 12 (doze) (doze) meses, meses, a partir da data da assinatur assinaturaa do contrato contrato de fornecimento,deverá ser verificada,por segmento horário,demanda medida não inferior à contratada em pelo menos 3 (três) ciclos completos de faturamento. Caso contrário, contrário, a concessionária poderá cobrar cobrar,, complementarmente complementarmente,, na fatura referente referente ao 12º (décimo segundo) ciclo, as diferenças positivas entre as 3 (três) maiores demandas contratadas contratadas e as respectivas demandas medidas. 3 - Se nos últimos 11 meses de faturamento o consumidor apresentar três registros consecutivos ou seis alternados de demandas medidas medidas maiores ou iguais a 300 kW, kW, será enquadrado compulsoriamente compulsoriamente na tarifa Horo-sazonal Azul, mas poderá fazer opção pela Verde.

A.2.5 Fator de de ca carga O fator de carga, carga, em linhas gerais, gerais, const constitui-s itui-see em um indicador indicador que informa informa se a empresa utiliza racionalmente a energia elétrica que consome. O fator de carga é um índice cujo valor varia entre 0 e 1 e aponta a relação entre o consumo de energia elétrica e a demanda de potência máxima, máxima, em um determinado espaço de tempo. Esse tempo pode ser convencionado em 730 horas por mês, que representa o número de horas médio em um mês genérico genérico do ano [(365 dias/12 meses) x 24 horas]. Na prática, o número de horas dependerá dependerá do intervalo de leitura. Pode ser expresso pela seguinte equação: FCmédio =

Consumo Total (kWh)

(A.1)

Demanda (kW) x 730 (h) No caso de consumidores enquadrados no Sistema Tarifário Horo-Sazonal, Modalidade Azul, o fator de carga é definido por segmento horo-sazonal horo-sazonal (ponta e fora de ponta), conforme as seguintes expressões: expressões: FChp =

Consumo no HP (kWh) Demanda do HP(kW) x nhp

(A.2)


165

O número de horas de ponta (nhp) irá depender do número de dias úteis no período de medição. (nhp = Nº de dias úteis x 3) FCHFP =

Consumo no HFP (kWh)

(A.3)

Demanda no HFP(kW) x nhfp O número de horas fora de ponta (nhfp) irá depender do período de medição e das horas de ponta. (nhfp = Nº de dias de medição x 24 – nhp) nhp) A melhoria (aumento) do fator de carga, além de diminuir o preço médio médio pago pela energia elétrica consumida, conduz a um melhor aproveitamento aproveitamento da instalação elétrica, inclusive de motores e equipamentos, equipamentos, e a uma otimização dos investimentos nas instalações. Medidas para aumentar o fator de carga: ■

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Programar o uso dos equipamentos. Diminuir, sempre que possível, Diminuir, possível, os períodos ociosos ociosos de cada equipamento e operá-los de forma não simultânea. Não acionar simultaneamente motores que iniciem operação com carga. Verificar as condições técnicas de suas instalações e dar a seus equipamentos manutenção periódica. Medidas para evitar desperdícios de energia elétrica:

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Não manter equipamentos funcionando simultaneamente quando poderiam operar em horários distintos.

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Não manter equipamentos funcionando sem produzir em determinados períodos.

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Não permitir a falta de programação para a utilização de energia elétrica.

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Não permitir curtos-circuitos e fugas de energia elétrica.

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Analise seus equipamentos: Faça o levantamento de utilização e verifique como a produção pode ser otimizada. Depois disso, existem dois caminhos para elevar o fator de carga: ■

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Manter o atual consumo de energia elétrica e reduzir a parcela correspondente à demanda. Isso se consegue diversificando o funcionamento das máquinas e realizando cronogramas de modulação. Manter a demanda e aumentar o consumo de energia elétrica. Para tanto, deve-se aumentar a produção, sem o acréscimo de novos equipamentos, equipamentos, mas ampliando o período de operação.

Escolha um desses Escolha desses dois dois caminhos caminhos,, ou, se possível, possível, os dois, dois, e eleve o fator fator de carga, carga, o que, conseqüentemente conseqüentemente,, reduzirá o preço médio pago pela energia elétrica.

A.2.6 Preço mé médio Como mencionado, mencionado, o preço médio no fornecimento de energia em alta e média tensão é diferente da tarifa. Apesar de todos os consumidores consumidores de uma mesma modalidade tarifária estarem sujeitos às mesmas tarifas, tarifas, eles podem ter preços médios diferentes, diferentes, devido ao fator de carga. PM =

Fatura (R$)

(A.4)

Consumo Total (kWh) PM =

Fatura (R$) Demanda (kW) x Tempo (h) x FC

FC =

Consumo Total (kWh)

(A.5)

Demanda (kW) (kW ) x Tempo Tempo (h)

Observa-se que o preço médio é inversamente proporcional proporcional ao fator de carga: quanto maior maior o FC, meno menorr será o PM, e vice-versa. vice-versa. Note-se que na tarifa azul e na verde no horário de ponta a energia elétrica é mais cara e que na tarifa azul, conforme o FC, o preço varia na ponta e fora da ponta. Na tari-

(A.6)


167

fa convencional, para o mesmo fator de carga, o valor é o mesmo, independente do horário (ponta ou fora de ponta). Na baixa tensão,para indústrias e comércio,o preço médio é igual à tarifa do subgrupo B3.

A.2.7 Conta de energia elétrica A nota fiscal/conta de energia elétrica é um importante documento para o gerenciamento energético. Por isso, é necessário conhecê-la e interpretá-la. Identifique na sua concessionária o significado de cada campo de sua conta de energia. Segue abaixo uma descrição de alguns dos campos da conta. Leitura Anterior e Leitura Atual: Através dos dados desses itens, define-se o intervalo de leitura, isto é, o número de dias e o período. Deve ser desprezado o dia da leitura anterior e considerado o dia da leitura atual.Observe que,apesar de a conta ser de um mês, o período de consumo inclui ou refere-se ao mês anterior. Consumo em kWh: Indica o total de energia elétrica (kWh) consumida no HFP e no HP. É o resultado das diferenças de leituras (atual - anterior) vezes a constante de faturamento, mais a perda de transformação. Observação: Para identificar o consumo específico, basta dividir o consumo pelo número de dias trabalhados ou pela produção no período de faturamento. Tem-se o kWh/dia trabalhado ou kWh/ unidade de produção no HFP e no HP. Demanda em kW: Indica os valores de demanda registrados (kW) no HFP e no HP. Demanda Contratada em kW: Indica os valores de demanda (kW) contratados no HFP e no HP. Demanda de Ultrapassagem em kW: Indica os valores de demanda (kW) que ultrapassaram os limites preestabelecidos das demandas contratadas no HFP e no HP. Energia Reativa – FER/kvaArh: Refere-se à energia elétrica reativa (UFER) no HFP e no HP. Esse valor aparece quando o fator de potência horário for menor que 0,92. Constante de Faturamento: É a constante de faturamento utilizada para o cálculo das demandas registradas, dos consumos registrados e das energias reativas nos respectivos

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horários. Fator de Potência: Indica o fator de potência. Esse valor não deve ser menor que 0,92. Caso isso ocorra, sua fatura será onerada com o pagamento de reativos excedentes. Fator de Carga: Indica os fatores de carga nos HFP e HP, respectivamente. Percentual de Perdas: Quando a medição é realizada na média tensão, esse valor é 0 (como neste exemplo). Caso seja realizada na baixa tensão, esse valor será 2,5, considerando que o transformador possui uma perda de transformação de 2,5% de todas as grandezas envolvidas. Valores de Demanda Faturados: Indicam valores de demanda (kW) que deverão ser faturados no HFP e no HP. Esses valores obedecem a regras que foram apresentadas no item Tarifas.

A.2.8

Consumo específico

A importância da identificação do consumo específico, ou dos consumos específicos, prende-se ao fato de que ele é um índice que facilita a apuração das economias e resultados. O consumo específico é um índice que indica o total de energia consumida para o processamento completo de um determinado produto ou para a prestação de um serviço.É um dos parâmetros de maior importância em estudos que envolvem o uso racional de energia nas empresas. A busca por um menor consumo específico, por meio da implementação de ações voltadas para o uso racional de energia, deve ser uma preocupação permanente. Para explicar a necessidade da identificação do consumo específico, vamos usar a analogia com o consumo de combustível por um veículo. O proprietário de um veículo, quando deseja controlar o consumo de combustível do seu carro,não deve verificar qual o consumo total de litros por mês,mas sim quantos km/l (quilômetros por litro) o veículo está desenvolvendo. Muitas variáveis influenciam o consumo:quantos km foram percorridos na estrada e dentro da cidade, se o ar condicionado foi ou não utilizado, quantos passageiros o carro transportou,etc.É importante que o proprietário esteja atento a todas essas variações.


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De maneira análoga, deve ser feito o acompanhamento do consumo de energia elétrica (kWh). Muitas variáveis influenciam o consumo de energia elétrica:o intervalo de leituras do medidor de energia elétrica pode variar, o clima,as férias,novos equipamentos que são ligados, paradas programadas ou não,variação de produção,etc. Portanto, da mesma maneira que não faz sentido acompanhar o consumo de combustível de um veículo simplesmente pelos litros que ele consumiu, também não fará sentido acompanhar o consumo de energia elétrica (kWh) pelo consumo mensal registrado (informado em sua fatura). Aproveitando a analogia com o consumo de combustível,o correto será identificar qual é o seu consumo de energia elétrica para o processamento completo de um determinado produto ou para a prestação de um serviço. O consumo específico da maioria das unidades consumidoras do setor comercial /serviços é o consumo (kWh) dividido pelo número de dias realmente trabalhados no intervalo de leitura (kWh/dias trabalhados).Nesse caso, ele serve para demonstrar quanto de energia elétrica é realmente utilizado para proporcionar um dia de trabalho da instalação. Alguns segmentos deste setor (comercial) possuem outros tipos de consumo específicos, como hotéis (kWh/diárias ou kWh/nº de hóspedes, que dependerá da taxa de ocupação) e hospitais (kWh/ nº de leitos ocupados). No setor industrial, geralmente, será em relação ao que está sendo produzido. Para exemplificar, uma indústria consumiu 10.000 kWh para produzir 8 toneladas de um produto A e 3 toneladas de um produto B. O importante é descobrir quanto de energia elétrica foi utilizado para produzir A e B. Vamos supor que, após realizado o rateio de energia elétrica,chegou-se a 70% da energia elétrica utilizada para produzir A. Então: - O consumo específico de A é igual a 7.000 kWh/ 8t = 875 kWh/t. - O consumo específico de B é igual a 3.000 kWh/ 3t = 1.000 kWh/t. A partir do exemplo anterior,conclui-se que uma empresa pode ter mais de um consumo específico. Identificar o consumo específico vai depender do bom senso. O importante é descobrir o que realmente faz alterar o consumo de energia elétrica. Acompanhar simplesmen-

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te a variação do consumo (kWh) mensal não é o suficiente, pois, após implementar medidas de economia de energia elétrica, o consumo pode aumentar, devido a um aumento de produção. Ao contrário do que possa parecer, a implantação da Gestão Energética não implica necessariamente redução de consumo de energia elétrica (kWh), e sim redução do consumo específico.

A.2.9 Custo específico O outro índice que deverá ser identificado e gerenciado é o Custo Específico, que é o produto do preço médio da energia elétrica (R$/kWh) da sua empresa pelo consumo específico (kWh/unidade ou serviço produzido), ou, simplesmente, o custo de energia por unidade ou serviço produzido. Para consumidores atendidos em Baixa Tensão, a única maneira de reduzir o custo específico será atuando no consumo específico, pois, como já foi visto, o preço médio é a própria tarifa acrescida do ICMS. Para consumidores atendidos em Média Tensão, existem duas possibilidades para reduzir o custo específico: atuar na redução do consumo específico ou atuar na redução do preço médio. A redução do consumo específico será detalhada no próximo item. Para a redução do preço médio, existem três caminhos: ■

Contratar demandas próximas às atuais necessidades da instalação.

■

Modular a carga o máximo possível para o horário fora de ponta.

■

Enquadrar-se na melhor modalidade tarifária possível (dependendo do fator de carga e do funcionamento da instalação, a opção por uma das três modalidades existentes poderá possibilitar um menor preço médio). A tarifa azul é a que possibilita o menor preço, mas é necessário um alto fator de carga (maior que 0,7) no horário de ponta.

A.2.10 Como reduzir o consumo específico de energia elétrica? Essa é a questão fundamental.A princípio,a resposta parece complexa, mas,na verdade, é muito simples. Considerando que a produção será determinada pela demanda de mercado ou por estratégias empresariais, deve-se atuar apenas no numerador dessa relação: o consumo de energia.


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Como visto, o consumo de energia elétrica é igual à Potência x Tempo (Wh). Portanto, existem apenas duas opções: diminuir a potência ou diminuir o tempo de funcionamento. Para diminuir a potência, é preciso usar equipamentos mais eficientes e elaborar estudo visando verificar a possibilidade de reduzir a simultaneidade da operação das diversas cargas que compõem a instalação (modulação). Para diminuir o tempo de funcionamento, deve-se atuar na mudança de hábitos/processos. Outra alternativa consiste em utilizar-se do recurso da automação.

A.2.11 Como dimensionar a economia em kWh e em R$ Os resultados esperados de um programa de Gestão Energética,basicamente,são verificados mediante apenas duas constatações: a redução em kWh e a redução em reais (R$). A redução do consumo de energia elétrica em kWh é obtida a partir da diferença do consumo específico antes e após a implementação das medidas, multiplicada pela produção atual. Deve-se atentar para o aumento de carga (kW), ainda que isso seja natural. É preciso realizar o levantamento dessas novas cargas e calcular o aumento do consumo específico que elas provocam. Esse consumo específico estimado deve ser acrescido ao consumo específico anterior às medidas. Caso isso não seja feito, os resultados poderão ser pre judicados. Assim, ao realizar ações de eficiência energética, é necessário estabelecer as condições iniciais de referência: cargas e produção envolvidas, tempos de uso e outras condições que possam afetar o consumo específico, como condições climáticas, operadores diferentes e qualidade do produto, etc. A redução do consumo de energia elétrica em R$ é obtida mediante a diferença do custo específico antes e após a implementação das medidas, multiplicada pela produção atual, ou, simplesmente, a economia total em kWh vezes o preço médio. Observe que o preço médio pode ter seu valor reduzido, devido a ações de eficientização. Da mesma forma que a entrada em operação de novas cargas pode prejudicar os resultados, o mesmo acontece quando os reajustes tarifários não são considerados. Então, sempre que ocorrer um reajuste tarifário os preços médios anteriores à implementação das medidas deverão ser recalculados utilizando as tarifas reajustadas.

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A.2.12 Orientações para realizar o rateio de energia elétrica Para que o gerenciamento da energia elétrica possa ser feito de forma adequada, é necessário que se conheça o uso de energia da edificação de forma detalhada e setorial. Para isso,é preciso realizar o levantamento das cargas da instalação e seu regime de funcionamento. De posse desses dados, deve-se proceder ao rateio de energia elétrica na edificação. Um recurso para realizar o rateio consiste na criação de centros de custos. Os centros de custos podem ser setores (administrativo, etapas do processo, oficinas, utilidades, etc.), usos finais (iluminação, refrigeração, etc) ou os dois (criar centros de custos que sejam etapas dos processos,sem considerar a carga da iluminação e climatização, e considerar essas como outros centros de custo). O rateio tem por objetivo identificar o consumo de energia elétrica e a demanda por esses centros;isto é,conhecer a contribuição de cada área na conta de energia ou,em outros termos, estabelecer contas de energia por centro de custo. O rateio de energia elétrica visa identificar qual centro de custo (setor ou uso final) possui maior participação percentual no consumo e na demanda da instalação, possibilitando a priorização de onde atuar, de tal forma que as ações tragam melhores resultados, possam envolver todos os usuários dos centros e dêem origem a uma gestão mais efetiva e participativa. Primeiro, é preciso fazer um levantamento de todas as cargas por centro de custo.Para facilitar a setorização ou a criação dos centros de custo, sugere-se desenhar um fluxograma da produção ou dos processos da empresa e identificar os setores de produção (equipamentos ou operações onde o produto da empresa é processado), de apoio (caldeiras, ar comprimido, refrigeração, ETA, ETE, oficinas, laboratórios, etc.) e os administrativos (escritórios, recepção, cantinas, vestiários, posto bancário, etc). Segundo,para cada centro de custo,levantar as cargas. Caso tenham o mesmo regime de funcionamento e potência, as cargas poderão ser agrupadas. É preciso ficar atento ao uso de unidades de potência diferentes (cv, hp,W). Terceiro,apurar o horário de funcionamento das cargas.Depois, identificar o horário de ponta e calcular o número de horas de funcionamento das cargas no mês, para o horário de fora de ponta e de ponta.


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Quarto, calcular o consumo potencial de energia, multiplicar a potência da carga pelo número de horas de funcionamento para o período de fora de ponta e de ponta, respectivamente, de cada carga, e agregar as cargas e os consumos por centro de custo. Por último, utilizando-se dos dados obtidos e das tarifas de energia da concessionária ou dos custos médios (R$/kW e R$/kWh) verificados da fatura de energia, pode-se realizar o rateio da conta de energia por centro de custo. Esse rateio permitirá acompanhar e gerar valores de referência, incluir dados de produção para verificar consumos e preços específicos, priorizar setores a serem trabalhados e estudar a relocação de cargas ou de regime de funcionamento. Enfim, será um instrumento muito útil na gestão da energia da empresa.

A.2.13 Orientações para gerenciar a demanda A análise da demanda tem por objetivo identificar a sua adequação às reais necessidades da unidade consumidora. Devem ser analisadas as demandas de potência contratadas, medidas (ou registradas) e as efetivamente faturadas. A demanda é medida em intervalos de quinze em quinze minutos. O medidor integraliza as potências instantâneas, registrando a potência média de cada intervalo, e registra a potência média ocorrida em todos os intervalos durante o período de faturamento.A maior dessas potências registradas será a demanda medida,expressa em quilowatts (kW). As concessionárias disponibilizam um relatório em que é possível verificar todos os registros de demanda em cada intervalo. Caso a indústria não possua um controlador de demanda, é interessante solicitar este serviço (memória de massa). Quando for solicitar esse serviço, deve-se aproveitar para fazer o controle das condições da planta, anotando a hora de entrada das diversas cargas e seu período de funcionamento,de forma a poder verificar no relatório qual a demanda medida para a carga que entrou em operação. Exemplo:às 8 horas do dia x foi ligada apenas parte de iluminação; às 9, horas entrou em operação o sistema de ar-condicionado central. As medições dessas cargas poderão ser identificadas ou mensuradas com o relatório de memória de massa e confrontados com as demandas levantadas na metodologia do rateio. Outra alternativa é adquirir um controlador de demanda.Esses equipamentos,além de outras funções, controlam as demandas solicitadas do sistema da concessionária, visando impedir a ultrapassagem da demanda contratada. Cargas predefinidas são retiradas, evitando que ocorra a ultrapassagem. Esses equipamentos podem ser adquiridos com

174


um sistema de supervisão em que é possível verificar on-line a entrada em operação de diversos centros de custos. Na análise,devem ser considerados os faturamentos com a tarifa convencional,se aplicável, e horo-sazonal.O período de observação deve ser, em princípio, igual ou superior a 12 meses. Deve-se adotar um período de 12 meses, pelo fato de ser mais representativo e para evitar distorções decorrentes de sazonalidades. Uma primeira ação consiste em levantar as cargas com funcionamento no HP e verificar a possibilidade de transferência para o HFP, visando tirar maior proveito da tarifa horo-sazonal. É preciso desligar as cargas no horário de ponta, que não comprometam o serviço ou a produção.

A.3 Controles dos índices “O que não é medido não é controlado”. Na Gestão Energética esse dito se aplica inteiramente. A verificação, análise e acompanhamento dos resultados constituem uma premissa básica nas atividades a serem desenvolvidas. Visando facilitar o controle dos resultados, a evolução do consumo e custo específicos deve ser acompanhada mensalmente,se possível,por centro de custos e por horário. Será necessário acompanhar os dados de consumo,demanda,fatura,produção e tarifas,a partir dos seguintes passos: Primeiro, calcular os consumos e custos específicos. Segundo, analisar os motivos das variações. Ex.: maior número de feriados, adoção de medidas de economia,maior número de horas trabalhadas,produtos com características diferentes, mudança de processo, etc. Terceiro, gerar gráficos e tabelas que sejam divulgados para toda a empresa. Por último,estabelecer metas de redução do consumo específico de energia elétrica.Ex.: 90% do consumo específico do respectivo mês do ano anterior ou 90% da média dos consumos específicos do ano anterior. Não deixar de identificar as ações para atingir a meta. Os controles podem ser realizados considerando-se os horários de ponta e de fora de ponta, bem como os centros de custo. Também, devem-se compensar as sazonalidades, tais como os custos do período seco e úmido e outras particularidades que houver no


175

processo da empresa.

A.4 Exercícios 1. Em média, quantos kWh sua empresa consome (total, fora da ponta e na ponta) por mês? E quantos MWh por ano? 2. Em qual subgrupo tarifário está sua empresa? Quais são as tarifas praticadas? Qual é o preço médio de energia (total, fora da ponta e na ponta)? 3. Qual é o fator de carga médio na ponta e fora de ponta? 4. Identifique a unidade de produção ou serviço de sua empresa para ser usada no cálculo e acompanhamento do consumo específico. 5. Calcule o custo específico de sua empresa. Se possível, separe-o nos preços de ponta e fora de ponta. Qual é a melhor modalidade tarifária para sua empresa? Baseado no preço final do produto ou serviço, qual é a participação da energia elétrica no custo de seu produto ou serviço? 6. Identifique em sua empresa duas medidas de redução de potência e duas de redução de tempo. 7. Desenhe um fluxograma da produção ou dos usos finais da empresa e identifique os setores de produção, apoio e administrativo. 8. Identifique em sua empresa quem e/ou que setor poderá informar os dados necessários para exercitar o controle. Estabeleça os procedimentos para sua obtenção de forma regular e no formato desejado. PRATIQUE No CD que acompanha este Guia estão disponíveis as planilhas que auxiliarão no gerenciamento energético da empresa.

176


ANEXO B

B Viabilidade econômica O assunto “viabilidade econômica”é vasto.De modo geral,é tratado na bibliografia em termos de viabilidade econômica de um empreendimento, uma empresa, etc. Neste Guia, tendo em vista o objetivo de tratar as ações capazes de atribuir melhor eficiência energética aos sistemas de refrigeração, o assunto está limitado a esse contexto, no qual, de modo geral,interessa fazer o estudo da viabilidade econômica de uma determinada modificação que possa ser traduzida em alguma economia de energia ou, até mesmo, economia de custo, na hipótese de transferência de consumo de horários de ponta para outras horas do ciclo diário. Conceitos básicos de Matemática Financeira

Considerações iniciais sobre o dinheiro que, de modo simplificado, é o objeto da Matemática Financeira. Trata-se de uma variável para a qual devem ser consideradas duas dimensões: o valor e o tempo. Um determinado investimento de uma quantia, por exemplo, destinada à substituição de um motor elétrico por um outro de melhor rendimento,deve ser abordada sob dois aspectos. Primeiro: Qual é o valor do investimento e em que época ele será feito? Segundo: Quando se darão os benefícios dessa operação e em que valores? Daí decorrem praticamente todos os conceitos comparativos utilizados para avaliar a pertinência ou não de determinada ação para se obter certo resultado quando esse processo envolve dinheiro. Assim, a definição de capital no âmbito da Matemática Financeira pode ser dada por: qualquer valor expresso em moeda e disponível em determinada época. Se este capital é utilizado para gerar riqueza, é justo que parte dessa riqueza seja “repartida”com o dono do capital. A isso dá-se o nome de “Teoria da produtividade do capital”, sendo esse conceito a base do sistema capitalista no qual nossa sociedade se insere.


177

B.1 Juro Pode ser entendido como a “remuneração do capital aplicado”, considerando que o possuidor desse capital poderia fazer outros usos dele, que lhe trariam outros benefícios. Então, o juro seria um dos tipos de benefícios que o capital poderia proporcionar ao seu “dono”. A comparação entre esses benefícios é também um modo de analisar a viabilidade do uso deste capital ou a viabilidade de um determinado investimento, na linguagem comum no âmbito da engenharia econômica.

B.1.1 Taxa de juro É a “razão entre o valor recebido (ou pago) ao final de um determinado tempo, e o capital inicialmente aplicado (ou emprestado)”. Normalmente,é expressa em porcentagem e está sempre associada a uma unidade de tempo. Exemplo:a taxa de juros para o financiamento de um automóvel é de X% ao ano, e escreve-se X% a.a.

B.1.2 Juro simples Refere-se ao modo de aplicação da taxa, em que esta incide somente sobre o capital inicial. Isto é, para se calcular o valor do juro, multiplica-se a taxa sempre pelo capital e pelo número de períodos conforme estiver pactuado entre as partes interessadas no negócio. Sendo “M” o montante (ou valor futuro),“C” o capital,“n” o número de períodos considerado para os quais se cobrará a taxa de juros “i” e “J” o valor do juro, as expressões a seguir resumem o texto: J = C .i .n M=C+J Finalmente: M = C x (1 + i . n)

(B.1) M = C + C .i .n (B.2)

É comum representar o fluxo de caixa por meio de setas para cima (entradas de dinheiro) e para baixo (saídas de dinheiro), tal como mostrado na Figura B.1, relativa ao exemplo considerado.

178


B.1.3 Juro composto Quando é acertado entre as partes que o juro será cobrado somente ao final do prazo (igual à soma dos “n” períodos), então a cada período o juro que deveria ser pago transforma-se em capital.Assim,no próximo período o capital a se considerar para a aplicação da taxa não será mais o inicial, mas este acrescido do juro relativo ao primeiro período, e assim por diante.

Figura B.1 - Exemplo de fluxo de caixa A tabela B.1 ilustra os eventos: TA B E L A B . 1 - E X E M P L O D E C Á L C U L O D O J U R O C O M P O S T O DATA

CAPITAL

TAXA (%)

JURO

CAPITAL + JURO

0

R$ 20.000,00

1

R$ 22.000,00

10

R$ 2.000,00

R$ 22.000,00

2

R$ 24.200,00

10

R$ 2.200,00

R$ 24.200,00

3

R$ 26.620,00

10

R$ 2.420,00

R$ 26.620,00

4

R$ 29.282,00

10

R$ 2.662,00

R$ 29.282,00

5

R$ 32.210,20

10

R$ 2.928,20

R$ 32.210,20

10

R$ 3.221,02

R$ 35.431,22

6


179

Assim, a fórmula básica do sistema de capitalização composta, adotando-se a mesma simbologia do exemplo anterior, pode ser escrita como: M = Cx (1 + i) n

(B.3)

Exemplo numérico: Aplicando-se a fórmula aos dados do exemplo anterior, tem-se: M = 20.000,00x1,771561 = 35.431,22 Desse conceito decorrem dois outros, chamados fator de acumulação de capital e fator de valor atual,que interessam neste capítulo,particularmente quando se estuda a viabilidade de um determinado investimento que produzirá resultados financeiros ao longo de um período, segundo um determinado fluxo de caixa. Fator de acumulação de capital: FAC(i,n) = (1 + i)n

(B.4)

Então, pode-se escrever que M = C . FAC (i,n) Fator de valor atual:

FVA(i,n) =

1

(B.5)

(1 + i)n Então, pode-se também escrever que C = M . FVA (i,n) Fica claro que FVA(i,n) . FAC (i,n) = 1

B.2 Séries uniformes Uma seqüência de pagamentos (ou recebimentos) que ocorre em períodos sucessivos e em igual valor recebe o nome de “Série uniforme”. Na bibliografia a respeito, é normalmente representada pela letra “R”. Por pagamentos ou recebimentos pode-se entender também a parcela positiva do fluxo de caixa quando se considera um determinado capital aplicado que gera um determinado benefício. Se este for constante ao longo dos períodos, este fluxo formará também uma série uniforme. Podem-se considerar dois tipos:

180


No primeiro, o pagamento (ou recebimento) se dá ao final do período,chamadas “Prestações vencidas”. No segundo,os pagamentos se dão no início do período e denominamse “Prestações antecipadas”. Os fluxos B.2 e B.3 ilustram o texto.

Figura B.2 - Fluxo de prestações vencidas

Figura B.3 - Fluxo para prestações antecipadas Relação entre Capital e as séries uniformes

Considere-se o fluxo mostrado na figura B.4, com “prestações” uniformes “vencidas”. Para que elas (as prestações ou parcelas pagas em datas sucessivas) sejam capazes de igualar o capital empregado numa determinada data, basta calcular o valor presente de cada uma delas e somá-las. O equacionamento está mostrado a seguir: C = R . FVA (i,1) + R . FVA (i,2) + ... + R . FVA (i,n) Ou:

(B.6)


181

Figura B.4 Sendo a série uniforme, R é constante e pode ser colocado em evidência. Daí,

Da álgebra elementar, identifica-se o segundo fator como a soma dos termos de uma progressão geométrica, com o primeiro termo igual a 1/(1 + i) e razão também igual a 1/(1 + i). Sendo esta soma conhecida, chega-se à expressão:

(B.7)

É com esta expressão que se calcula o valor presente de um fluxo de caixa para uma série uniforme. Ao segundo fator desta expressão, , dá-se o nome de Fator de valor atual de uma série FVAS (i,n).É comum encontrar a expressão que calcula o valor presente de uma série uniforme como: C = R . FVAS(i,n)

182


Exemplo numérico: Calcular o valor presente do fluxo de caixa representado no diagrama a seguir, considerando a taxa de juro de 10% ao mês.

Na prática, isso pode significar calcular o valor presente de um determinado benefício (retorno) conseguido com um determinado investimento realizado “hoje”. Este benefício começa a acontecer somente a partir do 3 mês contado a partir da data do investimento: ∞

Pode-se utilizar a expressão mostrada acima considerando a subtração de duas séries uniformes, uma de 7 meses e outra de 2 meses.

Daí,VPL = VPL (2) – VPL (1) ou VPL = 243,42 – 86,78 = 156,64 Pode-se também calcular o valor presente de cada período da série e somá-los, como mostrado na tabela B.2. Este é o método mais usual, pois nem sempre as séries serão uniformes nos problemas práticos.


183

TA B E L A B . 2 - E X E M P L O D E C Á L C U L O D O V P L D E U M A S É R I E PERÍODO

VALOR DA SÉRIE

VALOR PRESENTE M = C /(1+i)n

1

0

0

2

0

0

3

50

37,57

4

50

34,15

5

50

31,04

6

50

28,22

7

50

25,66

Soma

156,64

É claro que devem-se utilizar planilhas para o cálculo do valor presente. O Excel tem nas suas fórmulas a expressão do valor presente, seja a série uniforme ou não. O mesmo exercício feito na planilha Excel está mostrado a seguir: MÊS

SÉRIE

1

0

2

0

3

50

4

50

5

50

6

50

7

50

VPL

R$ 156,64

A fórmula inserida na última célula da direita está mostrada na Figura B.5:

184


Figura B.5 Com o auxilio da expressão do juro composto, M = C? (1 + i)n , associada à expressão que relaciona o capital com a prestação de uma série uniforme, chega-se às demais expressões mais usuais na Matemática Financeira, que normalmente aparecem nas calculadoras financeiras, com as fórmulas já inseridas: Fator de recuperação de capital: (B.8)

Fator de acumulação de uma série: (B.9)

Fator de formação de capital: (B.10)

Os símbolos significam o seguinte:


185

M – Montante ou valor futuro; R – Prestação; C – capital ou valor presente; i – taxa de juros; e n – número de períodos no qual acontece o fluxo.

B.3 Tipos de taxas de juros: Taxa Efetiva:Tem essa denominação a taxa de juro utilizada no conceito de capitaliza-

ção composta.É a taxa calculada por meio da fórmula básica do Sistema de Capitalização Composta definida anteriormente (B.3): M = C x (1 + i) n Taxa Real e Taxa Aparente: Quando não se considera o efeito da inflação, está se falan-

do de taxa real. Ao contrário, quando esse efeito é considerado, a taxa assim utilizada isto é, acrescida de um indexador – tem o nome de taxa aparente. Um exemplo clássico é a caderneta de poupança. Seja a remuneração de 0,5% (Taxa Real) a.m. acrescida da TR (indexador). Supondo uma variação mensal do indexador de 0,4%, tem-se a taxa aparente de 0,5 “+” 0,4 = 1,005 x 1,004 = 1,00902. Ou seja, a taxa aparente é de 0,902%, enquanto a taxa real é de 0,5%. Equivalência de taxas

No sistema de capitalização composta (taxa efetiva), diz-se que duas taxas são equivalentes quando aplicadas ao mesmo capital durante o mesmo período produzem o mesmo montante (ou valor futuro).Esse conceito é particularmente útil quando se faz necessário calcular uma taxa mensal a partir de uma taxa anual, ou vice versa. Exemplo: Considere a taxa anual de 12% e verifiquemos qual é o valor da taxa mensal equivalente. Sendo o montante e o capital os mesmos, pela definição de taxas equivalentes, podese escrever:

186


(1 - i)12 = (1 + j)1 Chamando de “i”a taxa mensal e de “j”a taxa anual, e resolvendo essa equação, chegase a: i = (1 + j)1/12 - 1

ou

i = (1 + 0,12)1/12 - 1 i = 0,000949, o que corresponde em percentual a 0,949%. É sempre possível conferir o resultado fazendo a equivalência inversa: (1 + j)1/12 = 1 + j ,

isto é: (1 + 0,00949)12 = 1 + j

Ou

j = 0,1200

Isso corresponde a 12% na representação percentual.

B.4 Amortização de empréstimos Normalmente, consideram-se três tipos básicos de amortização: ■

Sistema “Price” (ou francês)

O financiamento é quitado em parcelas iguais, constituindo uma série uniforme. A prestação é calculada pela fórmula B.11, já mostrada nos conceitos iniciais.

(B.11)

Este sistema caracteriza-se por prestações fixas,implicando amortização variável e juro sobre o saldo devedor,também variável . Exemplo:seja um empréstimo de R$ 100.000,00,que deve ser quitado em 4 anos pelo sistema “price”a uma taxa de juro de 10% a.a.


A prestação “R” será igual a

187

= 31.547,08

TA B E L A B . 3 - E X E M P L O S I S T E M A P R I C E TAXA AO ANO

10,00%

Ano

Saldo Devedor

Juros sobre saldo devedor

Amortização

Prestação

0

R$ 100.000,00

1

R$ 78.452,92

R$ 10.000,00

R$ 21.547,08

R$ 31.547,08

2

R$ 54.751,13

R$ 7.845,29

R$ 23.701,79

R$ 31.547,08

3

R$ 28.679,17

R$ 5.475,11

R$ 26.071,97

R$ 31.547,08

4

R$ 0,00

R$ 2.867,92

R$ 28.679,16

R$ 31.547,08

-

R$ 26.188,32

R$ 100.000,00 R$ 126.188,32

Totais

■

Sistema de amortização constante (SAC)

Neste sistema o saldo devedor é amortizado em parcelas constantes, acrescidas de juros. Parte-se de uma amortização constante e aplica-se a taxa de juro sobre o saldo devedor. Assim, a característica deste sistema é, como o nome indica, a amortização constante, o juro variável e a prestação variável (decrescente). Utilizando o mesmo exemplo, a tabela B.3 mostra o plano de amortização constante. Amortização igual a R 1000.000,00 / 4 = R$ 25.000,00.

188


TA B E L A B . 4 - E X E M P L O S A C

■

TAXA AO ANO

10,00%

Ano

Saldo Devedor


Amortização

Prestação

0

R$ 100.000,00

1

R$ 75.000,00

R$ 10.000,00

R$ 25.000,00

R$ 35.000,00

2

R$ 50.000,00

R$ 7.500,00

R$ 25.000,00

R$ 32.500,00

3

R$ 25.000,00

R$ 5.000,00

R$ 25.000,00

R$ 30.000,00

4

R$ 0,00

R$ 2.500,00

R$ 25.000,00

R$ 27.500,00

Totais

-

R$ 25.000,00

R$ 100.000,00 R$ 125.000,00

Sistema de Amortização Misto (SAM)

É, como o nome indica, uma mistura dos dois sistemas anteriores. A prestação é definida pela média aritmética da prestação calculada por meio do conceito “price”e da prestação calculada por meio do conceito “SAC”. Prestação SAM =

(Prestação Price + Prestação SAC)

(B.12)

2 Ainda, utilizando os dados do exemplo numérico anterior, o Plano de Amortização deste financiamento pelo sistema “SAM” está mostrado na tabela B.5: TA B E L A B . 5 : E X E M P LO S A M TAXA AO ANO

10,00%

Ano

Saldo Devedor


Amortização

Prestação

0

R$ 100.000,00

1

R$ 76.726,46

R$ 10.000,00

R$ 23.273,54

R$ 33.273,54

2

R$ 52.375,57

R$ 7.672,65

R$ 24.350,89

R$ 32.023,54

3

R$ 26.839,58

R$ 5.237,56

R$ 25.535,98

R$ 30.773,54

4

R$ 0,00

R$ 2.683,96

R$ 26.839,58

R$ 29.523,54

Totais

-

R$ 25.594,16

R$ 100.000,00 R$ 125.594,16


189

Pode-se fazer uma série de comparações entre os sistemas de amortização mostrados anteriormente.Uma delas refere-se ao valor das prestações.A figura B.6 mostra esse comparativo.

Figura B.6 - Comparativo de valor de prestações Assim, ao optar-se por determinado financiamento, é preciso estar atento ao seu tipo. Enquanto no sistema “price”as prestações são constantes,nos dois outros sistemas seu valor começa mais alto e termina mais baixo. Dependendo do fluxo de caixa do projeto (entendido no sentido amplo), um determinado sistema pode vir a ser mais interessante do que o outro.

B.5 Avaliação de investimentos O tema “avaliação de investimento” é vasto. Os conceitos e exemplos que estão abordados neste tópico estão restritos ao escopo deste Livro. Em qualquer dos métodos empregados, o objetivo será sempre o de comparar projetos de investimento dentre vários mutuamente exclusivos ou de selecionar aquele que deve ser selecionado para implementação.

190


B.5.1 Tempo de retorno Nesse método, procura-se saber quanto tempo a empresa ou investidor levará para recuperar seu capital. Em geral, são considerados dois tipos de tempo de retorno:o simples (também conhecido como pay-back simples); e o fluxo de caixa descontado. No primeiro pay-back simples, calcula-se o valor total dos benefícios no período de vida útil da alternativa de projeto selecionada pelo valor do investimento. Em geral, é aplicado para pequenos valores de investimento, para projetos cujo benefício se dá em um curto período (em geral, menos de 4 anos). Exemplo: seja o fluxo de caixa dos projetos A, B e C mostrados na tabela B.6: TA B E L A B .6 - E X E M P L O : F L UX O D E C A I XA PERÍODO (ANO)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

0

-2.000,00

-2.000,00

-3.000,00

1

400,00

900,00

800,00

2

600,00

300,00

1.200,00

3

1.000,00

300,00

1.000,00

4

1.200,00

300,00

1.000,00

5

500,00

300,00

1.000,00

Para calcular o tempo de retorno pelo método do pay-back simples, basta acumular os “benefícios”, conforme a tabela B.7: TA B E L A B .7 - E X E M P LO : B E N E F ÍC I O S PERÍODO (ANO)

BENEFÍCIOS ACUMULADOS

1

400,00

900,00

800,00

2

1.000,00

1.200,00

2.000,00

3

2.000,00

1.500,00

3.000,00

4

3.200,00

1.800,00

4.000,00

5

3.700,00

2.100,00

5.000,00


191

E, por fim, verificar o tempo (no caso em anos) gasto para que os benefícios acumulados superem o investimento inicial. A tabela B.8 mostra o tempo de retorno para as alternativas (ou projetos) A, B e C. TA B E L A B . 8 - E X E M PL O : T E M P O D E R E TO R N O

Retorno (anos)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

3,00

4,67

3,00

Por este método, a conclusão seria que os projetos “A” e “C” têm o mesmo tempo de retorno.Portanto,são equivalentes segundo o critério de decisão quanto ao mais “vantajoso”. Caso a intenção fosse selecionar quais projetos (ou alternativas) têm tempo de retorno inferior a 4 anos, por exemplo,“A” e “C” também atenderiam. No segundo método, chamado “Fluxo de Caixa descontado”(FDC,n),considera-se o valor do dinheiro no tempo. Assim, é necessário considerar uma Taxa de desconto,também chamada de Custo de oportunidade,Custo de capital ou Taxa mínima de atratividade.Em linhas gerais, esta taxa pode ser entendida como a taxa paga por outra opção de aplicação com igual nível de risco. Corresponde ao valor presente daquele fluxo no período considerado e na taxa acertada. Por exemplo, o fluxo de caixa de R$ 2.000,00, ocorrido no oitavo período (8 mês por suposição) usando uma taxa de 10% de desconto será igual a: ∞

FDC =

2.000,00

18

= 933,02

(1 + 0,10)8 Isto é, R$ 2.000,00 daqui a 8 meses correspondem a apenas R$ 933,02 hoje. Utilizando os dados do exemplo anterior, vemos que as opções “A” e “C”, continuam sendo as selecionadas pelo critério de tempo de retorno inferior a 4 anos se utilizado o método do fluxo de caixa descontado. Porém, a alternativa “A” mostra-se mais vantajosa por apresentar tempo de retorno menor quando se considera o valor do dinheiro no tempo (ou o custo do capital). A tabela B.9, ilustra com os dados:

192


Na primeira parte da tabela, em cada linha está o valor do “benefício” descontado a uma taxa de 12%. Por exemplo, na linha correspondente ao ano 2 o valor 478,32 da primeira coluna é o resultado da operação 600,00

= 478,32

(1 + 0,12)2 TA B E L A B . 9 - E X E M P L O : F L U X O D E S C O N TA D O C O M TA X A A N U A L D E 1 2 % : PERÍODO (ANO)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

0

-2.000,00

-2.000,00

-3.000,00

1

357,14

803,57

714,29

2

478,32

239,16

956,63

3

711,78

213,53

711,78

4

762,62

190,66

635,52

5

283,71

170,23

567,43

Retorno (anos)

3,59

PERÍODO (ANO)

3,97

BENEFÍCIOS ACUMULADOS

1

357,14

803,57

714,29

2

835,46

1.042,73

1.670,92

3

1.547,24

1.256,26

2.382,70

4

2.309,86

1.446,92

3.018,22

5

2.593,57

1.617,15

3.585,64

É importante observar que a alternativa “B”, sem considerar o fator tempo, mostrava-se também aceitável; isto é, apresentava retorno, embora em período superior ao arbitrado inicialmente. Quando entra o fator tempo, verifica-se que esta alternativa (ou esse projeto) sequer dá retorno (considerada a taxa de 12% a.a.).


193

B.5.2 Valor Presente Líquido (VPL) Neste método,o critério de decisão quanto à aceitação ou não da alternativa consiste em verificar se o VPL é maior que zero. Como o Valor presente líquido é definido como a soma algébrica do valor presente das entradas de caixa e dos investimentos ao longo da vida útil do projeto, seu significado, caso este projeto seja implementado, é: em quanto ele será capaz de aumentar o patrimônio líquido da empresa. Também é intuitivo o entendimento de que, no caso de alternativas excludentes mutuamente, aquela que apresenta o maior VPL deve ser priorizada, considerando apenas a análise econômica. O “valor da empresa”ficará acrescido do VPL após o período considerado nesta análise econômica. No exemplo anterior, cujo fluxo de caixa está apresentado na tabela B.10. TA B E L A B . 1 0 - F L U X O D E C A I X A PERÍODO (ANO)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

0

-2.000,00

-2.000,00

-3.000,00

1

400,00

900,00

800,00

2

600,00

300,00

1.200,00

3

1.000,00

300,00

1.000,00

4

1.200,00

300,00

1.000,00

5

500,00

300,00

1.000,00

o VPL dos projetos “A”,“B” e “C” estão mostrados na Tabela B.11:

194


TA B E L A B . 1 1 - F L U X O D E S C O N TA D O C O M TA X A A N U A L D E 1 2 % PERÍODO (ANO)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

0

R$ (2.000,00)

R$ (2.000,00)

R$ (3.000,00)

1

357,14

803,57

714,29

2

478,32

239,16

956,63

3

711,78

213,53

711,78

4

762,62

190,66

635,52

5

283,71

170,23

567,43

VPL

R$ 593,57

R$ (382,85)

R$ 585,64

Da mesma forma quando se analisou o tempo de retorno pelo método do fluxo de caixa descontado, observa-se que a alternativa “A” é “superior” à alternativa “C”, pois apresenta um VPL maior. O método do VPL representa integralmente o conceito de fluxo de caixa descontado. Daí chegar-se às mesmas conclusões na análise seletiva de alternativas de projeto. A planilha eletrônica Excel apresenta nas suas funções matemáticas, especialmente nas financeiras, o cálculo automático do VPL, bastando selecionar a coluna onde estão os valores do fluxo de caixa. Uma observação importante é que na planilha Excel, como “default”, considera-se investimento como se feito ao final do primeiro período. Isto é, aplica-se a taxa de desconto já a partir do primeiro fluxo de caixa, o que não é usual entre nós (Tab. B.12)


195

T A B E L A B . 1 2 - F L U X O D E S C O N T A D O C O M TA X A A N U A L D E 1 2 % PERÍODO (ANO)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

1

-1.785,71

-1.785,71

-2.678,57

2

318,88

717,47

637,76

3

427,07

213,53

854,14

4

635,52

190,66

635,52

5

680,91

170,23

567,43

6

253,32

151,99

506,63

VPL

R$ 529,98

(R$ 341,83)

R$ 522,90

Assim, para se aplicar a função automática do Excel no exemplo dado, em que o investimento está considerado no início do período (índice “zero”),e obter-se o mesmo resultado, deve-se fazer um ajuste. Calcular o valor presente líquido com a função VPL do Excel apenas dos benefícios e subtrair o investimento.

Figura B.7 - Fluxo no Excel

196


B.5.3 Taxa Interna de Retorno (TIR) A definição da Taxa interna de retorno é:

A taxa de desconto que anula o VPL. Sendo o VPL o resultado da fórmula: (B.13)

Σ

FC é o fluxo de caixa no período “j” e “i” é a taxa de desconto, sendo “n” o número de períodos considerado. Encontrar a Taxa interna de retorno de um fluxo de caixa é resolver a equação em “i” :

Σ

Em bom português, significa encontrar o valor da incógnita “i” capaz de tornar essa igualdade verdadeira. É claro que, sendo o fluxo de caixa irregular (não sendo uma série uniforme) na esmagadora maioria dos casos práticos a solução desta equação é numérica; isto é, deve ser feita por aproximações sucessivas. As calculadoras financeiras, bem como as planilhas eletrônicas, como a mais utilizada delas,o Excel,já trazem o “solver” para essa equação, facilitando o trabalho do profissional que efetua esse tipo de análise de viabilidade. Quanto ao critério de decisão, se A TIR for igual ou superior à taxa mínima de atratividade, aceita-se o projeto; caso contrário, ele deve ser rejeitado. A comparação entre duas soluções mutuamente excludentes é feita escolhendo-se aquela com o maior valor para a TIR.


197

Exemplo numérico: Ainda com os dados do exemplo anterior, o cálculo da TIR para cada uma das alternativas de projeto “A”, “B” e “C” está apresentado na Tabela B.13, utilizando a função TIR da planilha Excel, considerando o investimento ao final do ano 1, de modo a poder utilizar as funções do Excel sem a necessidade da correção mostrada anteriormente. Observe que o índice dos fluxos inicia-se no valor 1 e vai até o valor 6, ao invés do exemplo da VPL, utilizado para mostrar essa diferença, em que o investimento se dava no ano “zero”. Nesta tabela, pode-se observar que quando o VPL é maior que zero, a TIR é superior à taxa de desconto, sendo o inverso também verdadeiro: T A B E L A B . 1 3 - F L U X O D E S C O N T A D O C O M TA X A A N U A L D E 1 2 % PERÍODO (ANO)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

1

-1.785,71

-1.785,71

-2.678,57

2

318,88

717,47

637,76

3

427,07

213,53

854,14

4

635,52

190,66

635,52

5

680,91

170,23

567,43

6

253,32

151,99

506,63

VPL

R$ 529,98

(R$ 341,83)

R$ 522,90

TIR

22,17%

2,05%

19,45%

Pela definição,se procurássemos uma taxa de desconto que anulasse o valor presente líquido, essa seria igual à TIR. A título de ilustração, a Figura B.8 apresenta o cálculo da taxa de desconto que anula o VPL da alternativa “A”. Isso pode ser feito com o auxílio da função “Ferramentas / Atingir Meta”:

198


Figura B.8 - Cálculo da taxa de desconto que anula o VPL da alternativa “A” Ao aceitar os valores na caixa de diálogo por meio da tecla “OK”, o Excel calcula a taxa que anula o valor presente líquido, como mostrado na Figura B.9:

Figura B.9 - Cálculo da taxa que anula o VPL


199

Como não poderia deixar de ser, o valor encontrado para a taxa capaz de anular o VPL foi exatamente a TIR calculada anteriormente. Comentários sobre a TIR

Quando um fluxo de caixa apresenta valores alternadamente positivos e negativos (embora não muito comum nos exemplos restritos ao objetivo deste Livro, vale o comentário), é possível existir mais de um valor real para a TIR (tantas quantas forem as inversões de sinal do fluxo de caixa). A planilha Excel apresenta sempre a solução mais próxima da estimativa inserida pelo operador. Quando essa estimativa não é inserida, o seu valor de “default” é 10%. Outra consideração, e esta de ordem mais prática, é que este método assume que todos os fluxos de caixa serão reinvestidos (se positivos) ou descontados (se negativos) à mesma taxa. Isto é aceitável desde que os valores encontrados para a TIR estejam próximos dos valores de mercado (entre 5% e 25% por exemplo). Para um projeto em que a TIR seja igual a 3,0%, é no mínimo estranho admitir que as receitas líquidas de caixa se jam reinvestidas a essa taxa.De outro lado,quando a TIR encontrada é muito grande,é difícil crer que seja possível encontrar um investimento que remunere o capital nesse valor (por exemplo, superior a 30% ao ano). Para resolver esse problema, pode-se contar com o método da Taxa interna de retorno modificada (MTIR), no qual se utiliza uma taxa para o reinvestimento dos fluxos positivos e outra para os descontos dos fluxos negativos. Isso dá uma dose de maior realidade às previsões quando da elaboração da análise de retorno do investimento. No exemplo utilizado até aqui, se utilizarmos a taxa de 15% para os fluxos positivos e a taxa de 10% para os negativos, na alternativa “A” os valores seriam (Tabela B.14):

200


TA B E L A B . 1 4 - F L U X O D E S C O N TA D O C O M TA X A A N U A L D E 1 2 % PERÍODO (ANO)

PROJETO A

PROJETO B

PROJETO C

1

-1.785,71

-1.785,71

-2.678,57

2

318,88

717,47

637,76

3

427,07

213,53

854,14

4

635,52

190,66

635,52

5

680,91

170,23

567,43

6

253,32

151,99

506,63

VPL

R$ 529,98

(R$ 341,83)

R$ 522,90

TIR

19,21%

8,96%

17,42%

B.6 Análise de Investimentos Finalizando o capítulo, vale a pena tecer alguns comentários de ordem geral com relação à análise de investimentos, embora as considerações sobre a empresa como um todo extrapolem o escopo deste Livro.Todavia, ao procurar uma maior eficiência energética no uso de Sistemas de Refrigeração Industrial e Comercial, o que se está fazendo é procurar investimentos no ramo que maximizem o lucro, seja este entendido com reinvestimento, no caso das empresas de economia mista,ou como dividendos aos acionistas, no caso das empresas privadas. ■

Economia gerada pelo Investimento

De modo geral, deve ser sempre possível identificar os benefícios gerados com um determinado investimento. Na busca da maior eficiência energética no uso de Sistemas de Refrigeração Industrial e Comercial,os projetos,normalmente,não apresentam aumento de receita,mas redução de custo, e este é o benefício a considerar na montagem do fluxo de caixa.


■

201

Custos que devem ser considerados

Custos operacionais: são os desembolsos inerentes ao processo produtivo (pessoal, energia elétrica, lubrificantes, matéria-prima, etc., tomando como exemplo uma indústria). Estes ainda podem ser subdivididos em custos fixos – que não dependem do volume produzido – e custos variáveis que são proporcionais à produção. Numa central de refrigeração de grande porte, por exemplo, os custos com pessoal podem ser considerados fixos, pois, independentemente do período em que os compressores permanecerão ligados, haverá sempre alguém de plantão, ou operando os demais equipamentos, dependendo do grau de automação do processo. Já os custos com lubrificantes, fluidos e com energia elétrica estão diretamente relacionados com o volume de frio produzido. ■

Depreciação

Nos balanços das empresas, a depreciação deve aparecer como a perda de valor dos bens físicos sujeitos a desgastes ou perda de utilidade por uso, ação da natureza ou obsolescência. A depreciação é calculada usando o método linear, que consiste na relação entre a diferença de valor inicial e o residual dividida pela vida útil do bem. ■

Vida Útil

A Secretaria da Receita Federal é que determina as taxas máximas e os períodos de depreciação. Para cada tipo de bem atribui-se um período de vida útil, como 25 anos para prédios e construções e 10 anos para máquinas e equipamentos, embora possam ser adotados valores superiores. ■

Despesas financeiras

Podem ser operacionais, que são aquelas decorrentes de operações necessárias para cobrir pequenas faltas de caixa (empréstimos de curto prazo, etc.) ou de capital, que são aquelas decorrentes de operações financeiras para financiar a aquisição de equipamentos, relativos aos investimentos. ■

Impostos

Também este conceito deve ser levado em conta quando se analisa a empresa a partir do seu balanço patrimonial e dos investimentos capazes de alterar significativamente sua relação de lucro ou prejuízo, Isto porque no caso de a empresa apresentar lucro num determinado exercício será necessário descontar a parcela relativa ao imposto de renda e à

202


contribuição social. Estes impostos são calculados como um percentual do resultado do exercício, conforme o fluxo de caixa operacional esquemático mostrado na Figura B.10: Receita

A

+

Despesa

B

-

Custo Operacional fixo Custo Operacional variável

Lucro Operacional Depreciação Lucro tributável

C=A-B

Receita - despesa

D

-

E=C-D

Lucro Operacional - Depreciação

Imposto de Renda Lucro Líquido

F

-

G=E-F

Lucro Tributável – Imposto de Renda

Depreciação Fluxo de Caixa Operacional

D

+

H=G+D

Lucro Líquido + depreciação

Figura B.10 - Fluxo de Caixa Operacional - modelo

B.7 Influência do financiamento no fluxo de caixa do projeto Até aqui foi dito apenas sobre a viabilidade intrínseca de um projeto, isto é, a análise comparativa entre a sua rentabilidade e a taxa mínima de atratividade. Isto é denominado “estudo de viabilidade econômica do projeto”. Se, todavia, for levado em conta o fluxo de caixa dos financiamentos, então o estudo da viabilidade desse projeto passa a ser denominado “estudo de viabilidade financeira”. O exemplo a seguir ilustra a viabilidade financeira e econômica de um projeto com 6 anos de vida útil, cujo fluxo de caixa econômico já está calculado na Tabela B.15. O financiamento de R$ 1.000.000,00 para este projeto tem a seguinte composição: 20% com capital próprio e 80% financiado a uma taxa de 12% ao ano. Considerando que os recursos próprios para a empresa custam 15%, a taxa mínima de atratividade (TMA) é


203

dada por: TMA =

0,20x1.000.000,00x0,15 + 0,80x1.000.000,00x0,12

= 12,60%

1.000.000,00 TA B E L A B . 1 5 - V I A B I L I D A D E E C O N Ô M I C O - F I N A N C E I R A D E U M PROJETO DE 6 ANOS DE VIDA ÚTIL ANO

FLUXO

1

-800000

2

-200000

3

2 0 0 00 0

4

2 5 0 00 0

5

3 0 0 00 0

6

3 5 0 00 0

7

3 5 0 00 0

8

3 5 00 0 00

TIR

14 , 1 6 %

Investimento

Vida útil

Considerando que o financiamento tem prazo de carência de 2 anos, com pagamento de juros (taxa de 12% a.a.) e que o sistema de amortização acordado foi o SAC, com quatro parcelas, o fluxo financeiro desse projeto pode ser visualizado na Tabela Tabela B.16.

204


TA B E L A B . 1 6 - V I A B I L I D A D E E C O N Ô M I C O - F I N A N C E I R A D E U M P R O JE T O CO M 2 A N OS E C A R ÊN C I A , J U R OS A 1 2 % A .A . N O S AC LIBERAÇÃO SALDO DE DEVEDOR 800.000,00

JUROS 12,00%

AMORTIZAÇÃO

FLUXO FI FINANCEIRO

8 00 . 00 0 , 00

800.000,00

8 00 . 0 0 0, 0 0

96.000,00

-96.000,00

8 00 . 0 0 0, 0 0

96.000,00

-96.000,00

6 00 . 0 0 0, 0 0

96.000,00

200.000,00

-296.000,00

4 00 . 0 0 0, 0 0

72.000,00

200.000,00

-248.000,00

0,00

2 4 . 0 0 0, 0 0

200.000,00

-224.000,00

Neste exemplo, exemplo, foi desconsiderada a dedução no imposto de renda relativo às despesas financeiras (juros do financiamento).Assim,o fluxo financeiro deste projeto fica sendo como o mostrado na Tabela B.17. TABELA B.17 - FLUXO FINANCEIRO DO PROJETO ANO

FLUXO “ECONÔMICO”

FINANCIAMENTO

FLUXO DE CAIXA CAPITAL PRÓPRIO

1

-800000

800.000,00

0,00

2

-200000

-96.000,00

-296.000,00

3

2 00 0 0 0

-96.000,00

104.000,00

4

2 50 0 0 0

-296.000,00

-46.000,00

5

3 00 0 0 0

-272.000,00

28.000,00

6

3 50 0 0 0

-248.000,00

102.000,00

7

3 50 0 0 0

-224.000,00

126.000,00

8

3 50 0 0 0

TIR

350.000,00 19,23%


■

205

Análise

A rentabilidade do investimento, investimento, avaliada pela TIR (Taxa interna de retorno) por meio do fluxo fluxo de caixa econômico econômico,, foi de 14,16%, 14,16%, super superior ior à Taxa Taxa mínima mínima de atratividade atratividade ( TMA). Este projeto pode, portanto, ser considerado viável do ponto de vista econômico. econômico. Comparando a Taxa de retorno do capital próprio, próprio, igual a 19,23%, com o custo do capital próprio, próprio, de 16%, pode-se concluir que este projeto projeto também é viável financeiramenfinanceiramente, de acordo com as condições consideradas para este financiamento. financiamento. Como o efeito das deduções de imposto de renda relativas aos juros do financiamento não foi considerado, tendo-se optado por trabalhar a favor da segurança neste exemplo, é de se esperar uma TIR para o fluxo fluxo financeiro um pouco maior. maior. A conclusão será a mesma.

206



207

apostila ar comprimido - ELETROBRAS EXERCICIOS RESOLVIDOS.pdf

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