Livro Ar comprimido Procel, Manuais, Projetos, Pesquisas de Mecânica dos fluidos

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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO

ELETROBRÁS Centrais Elétricas Brasileiras

Praia do Flamengo, 66 – Bloco A – 14º andar - Flamengo

CEP 22210-030 – Rio de Janeiro – RJ

Tel.: (21) 2514-5151 – Fax: (21) 2507-

PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

Av. Rio Branco, 53 – 20º andar - Centro

CEP 20090-004 – Rio de Janeiro – RJ

Tel.: (21) 2514-5197 – Fax: (21) 2514-

F I C H A C A T A L O G R Á F I C A

CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS, FUPAI/EFFICIENTIA

Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2005.

208p. ilust. (Contém CD)

1.Conservação de Energia Elétrica.2.Racionalização no Uso da Energia Elétrica.3.Ar

Comprimido.4.Compressor de Ar.I.Título.II.Rocha, Newton Ribeiro.III.Monteiro, Marco Aurélio

Guimarães.

CDU: 621.3. 621.3.004.14.004.

Apresentação

Considerações Iniciais

• 1 Introdução Siglas e Abreviaturas
• 2 Conceitos Básicos
  • 2.1 Sistemas de unidades
  • 2.2 Temperatura (T)
  • 2.3 Pressão (P)
  • 2.4 Volumes e vazões volumétricas do ar
  • 2.5 O ar atmosférico
  • 2.6 Mudancas de estado do ar
  • 2.7 Ar comprimido
• 3 Sistemas de Geração de Ar Comprimido
  • 3.1 Compressores
  • 3.1.1 Compressor recíproco de pistão
  • 3.1.2 Compressores de parafuso
  • 3.1.3 Compressores dinâmicos
• 4 Armazenamento do Ar Comprimido - Reservátorios
  • 4.1 Funções dos reservatórios de ar comprimido
  • 4.2 Instalação dos reservatórios
  • 4.3 Volume dos reservatórios
• 5 O Tratamento do Ar Comprimido
  • 5.1 Benefícios obtidos com o tratamento do ar comprimido
  • 5.2 Conseqüências do tratamento ineficiente do ar comprimido
  • 5.3 Secagem do ar comprimido
  • 5.4 Filtragem do ar comprimido
  • 5.4.1 Filtros e terminologia dos filtros
  • 5.4.2 Perda de pressão ou perda de carga
    P
  • 5.5 Drenagem do condensado gerado nos sistemas de ar comprimido
  • 5.5.1 Classificação dos tipos de drenagem para condensado
  • 5.5.2 Drenagem por meio de válvulas manuais
  • 5.5.3 Drenagem com controle de nível
    • de comando temporizado 5.5.4 Drenagem por meio de válvulas magnéticas
  • 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 Puxar e grampear com ar comprimido
  • 6.2 Transporte por ar comprimido
  • 6.3 Sistemas de acionamento pneumático
  • 6.4 Jateamento com ar comprimido
  • 6.5 Operações com sopro de ar e jato de água
  • 6.6 Operações de inspeção e teste
  • 6.7 Controle de processos com ar comprimido
  • 6.8 Aplicações especializadas
• 7 Critérios de Seleção e Instalação Eficiente do Sistema
  • 7.1 Escolha da pressão de trabalho
  • 7.1.1 Variação da pressão de trabalho
  • 7.2 Cálculo das necessidades de ar da instalação
  • 7.3 Centralizar ou não centralizar o fornecimento de ar comprimido
  • 7.4 Efeito da altitude no funcionamento dos compressores
  • 7.5 Observações sobre consumo variável
  • 7.6 Redes de distribuição do ar comprimido
  • 7.6.1 Perdas de carga e velocidades utilizadas nas tubulações
    • por fórmulas e gráficos 7.6.2 Procedimento de cálculo de perda de pressão
    • a perda de carga fixada 7.6.3 Determinação do diâmetro do tubo conhecendo-se
  • 7.6.4 Materiais e componentes mais utilizados nas redes
  • 7.7 Exemplos do dimensionamento de um sistema de ar comprimido
  • 7.7.1 Usando compressores alternativos de pistão
  • 7.7.2 Usando compressores tipo parafuso
• 8 Manutenção e Operação Eficiente do Sistema
  • 8.1 Controle do sistema
  • 8.1.1 Controle por alívio de pressão
  • 8.1.2 Controle por desvio
  • 8.1.3 Controle por redução da entrada de ar no compressor
  • 8.1.4 Alívio de pressão e obstrução da aspiração do ar
  • 8.1.5 Partida e parada
  • 8.1.6 Controle pela velocidade de rotação
  • 8.1.7 Carga - Alívio - Parada
  • 8.2 Modernização dos sistemas de controle
  • 8.2.1 Sistemas mais simples
  • 8.2.2 Sistemas mais avançados
  • 8.2.3 Sistema centralizado
  • 8.3 Manutenção
• 9 Medidas de Eficiência Energética
  • 9.1 Potenciais de economia na geracão do ar comprimido
  • 9.1.1 Temperatura elevada no ar aspirado pelo compressor
  • 9.1.2 Sujeira no filtro de aspiração
  • 9.1.3 Pressão de desarme muito elevada
    • de distribuição e consumo 9.2 Potenciais de economia de energia elétrica na rede
  • 9.2.1 Vazamentos nas linhas de ar comprimido
  • 9.2.2 Linhas de distribuição de ar comprimido muito sinuosas
  • 9.3 Recuperação de energia térmica
  • 9.3.1 Cálculo do potencial de economia de energia
  • 9.3.2 Compressor resfriado a ar
  • 9.3.3 Compressor resfriado a água
  • 9.4 Cálculo da economia financeira e redução de demanda
• 10 Bibliografia
• 11 Links Úteis
  • Anexo A
  • A - Gestão Energética
  • Anexo B
  • B - Viabilidade Econômica

Em 2001, o Brasil vivenciou uma séria crise de abastecimento no setor elétrico. Duas cons- tatações positivas, entretanto, sobressaíram-se desse episódio: a forte participação da so- ciedade 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 ques- tões conjunturais, mas deve fazer parte, de forma definitiva, da política energética nacio- nal, 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 in- tensificação de programas que levem à mudança de hábitos de consumo.

A energia é um insumo fundamental para garantir o desenvolvimento econômico e soci- al 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 econo- mia pode ser obtida apenas com mudanças de procedimentos e de hábitos, além do im- pacto 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 ir- responsável. 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, eli- minando desperdícios e assegurando a redução dos custos.

Espera-se que as informações contidas neste Livro sejam úteis para os técnicos das em- presas brasileiras, capacitando-os a implementar melhorias que resultem no uso respon- sável dos recursos naturais e energéticos e na melhoria da competitividade dos setores produtivos e de serviços do País.

C O N S I D E R A Ç Õ E S I N I C I A I S

S I G L A S E A B R E V I A T U R A S

DP Perda de carga ou de pressão ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica AT Alta tensão BT Baixa tensão CD Compact disk – disco ótico CICE Comissão Interna de Conservação de Energia DLE Descarga efetiva DLL Descarga de ar livre DLP Descarga padrão normal ETA Estação de tratamento de água ETE Estação de tratamento de efluentes / esgoto Fc Fator de coincidência FC Fator de carga FP Fator de potência FS Horário fora de ponta em período seco Fu Fator de utilização FU Horário fora de ponta em período úmido HFP Horário fora de ponta HP Horário de ponta ICMS Imposto sobre Circulação de Mercadorias MME Ministério de Minas e Energia MT Média tensão NHFP Número de horas fora de ponta NHP Número de horas de ponta PGE Programa de Gestão Energética PLC Controlador lógico programável PO Ponto de orvalho Procel Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PS Horário de ponta em período seco PSI Libras por polegada ao quadrado (Pounds square inch) PU Horário de ponta em período úmido S Seco TBS Temperatura de bulbo seco TBU Temperatura de bulbo úmido Tc Taxa de ciclos do motor THS Tarifação horo-sazonal TIR Taxa interna de retorno U Úmido UA Umidade absoluta UR Umidade relativa VPL Valor presente líquido VR Volume do reservatório de ar

16 E F I C I Ê N C I A^ E N E R G É T I C A^ E M^ S I S T E M A S^ D E^ A R^ C O M P R I M I D O

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 eco- nomias 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 Ma- temática Financeira e viabilidade econômica, a partir dos quais o profissional poderá jus- tificar, financeiramente, a necessidade de implantação das medidas de eficientização ener- gética.

Finalmente, acompanha este Livro um CD, no qual são encontrados documentos, pla- nilhas e programas mencionados ao longo do texto que auxiliarão e facilitarão a aplica- ção das orientações aqui contidas. São modelos propostos que podem e devem ser aper- feiçoados 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 va- loriza mais os exemplos práticos e oferece dicas importantes, fórmulas, tabelas e gráfi- cos úteis no dimensionamento de medidas de eficiência energética, também estará disponível.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A E M S I S T E M A S D E A R C O M P R I M I D O (^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 transforma- ção termodinâmica sofrida pelo ar atmosférico por meio do consumo de trabalho mecâ- nico 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 ca- pacidade; ou seja, tiver energia para tal fim.

Portanto, o binômio trabalho-energia deverá ser entendido como se os dois elemen- tos 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 pro- duzir o ar comprimido, que é um produto dotado de alta energia; portanto, dotado da ca- pacidade 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 compri- mido, 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.

E F I C I Ê N C I A E N E R G É T I C A E M S I S T E M A S D E A R C O M P R I M I D O (^19)

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 en- tre 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 m^2.

A unidade de pressão no sistema internacional é o N/m 2 , ou Pa. Mas no campo indus- trial é comum a utilização da relação entre a unidade de força (kgf ) pela unidade de área (cm 2 ), isto é, kgf/cm 2. Outra unidade bastante utilizada é o bar, que equivale a 100 kPa.

20 E F I C I Ê N C I A^ E N E R G É T I C A^ E M^ S I S T E M A S^ D E^ A R^ C O M P R I M I D O

Para fins práticos, pode-se considerar que 1 bar = 1 kgf/cm 2. (O valor exato é 0, kgf/cm 2 .)

Nos países de língua inglesa é utilizada a unidade psi, que significa libras por polega- da 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 ae- rossóis.

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 so- bre 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.