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16/04/2012
Algumas medidas para aumentar a eficiência energética em sistemas de ar comprimido
Por André F. R. Sá, especialista em Gestão de Energia
Os sistemas de ar comprimido são dos principais consumidores de energia eléctrica numa instalação fabril e são utilizados na grande maioria dos processos industriais, como tal, torna-se importante a optimização da sua exploração. A diminuição dos custos energéticos reflecte-se directamente na diminuição do custo de produção fabril aumentando a competitividade das empresas no mercado.
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Sistemas de ar comprimido

Os sistemas de ar comprimido são dos principais consumidores de energia eléctrica numa instalação fabril e são utilizados na grande maioria dos processos industriais, como tal, torna-se importante a optimização da sua exploração. A diminuição dos custos energéticos reflecte-se directamente na diminuição do custo de produção fabril aumentando a competitividade das empresas no mercado.
O ar comprimido ocupa um lugar muito importante na Indústria Portuguesa, sendo responsável por aproximadamente 19% do consumo de energia eléctrica neste sector. Um estudo a nível europeu efectuado pela Comissão Europeia, correspondendo a um levantamento durante 5 anos de funcionamento de sistemas de ar comprimido (tipicamente com 6.000 horas por ano de operação), demonstra que 75% dos custos de exploração desses sistemas resultam da parcela “Energia”.


Correcto dimensionamento dos compressores

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


6.000 h/ano

Compressor 300 kWe

Compressor 200 kWe

Funcionamento em carga

60%

90%

Potência média consumida

210 kW

185 kW

Energia eléctrica consumida

1,26 GWh/ano

1,11 GWh/ano

Exemplo: Economia = 0,15 GWh/ano   ->   15.000 EUR/ano


Averiguar possibilidade de instalação de variadores de velocidade

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

Fig. 1 – Comparação da estabilidade da rede (Fonte: Atlas Copco)

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

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


Diminuir as fugas de ar comprimido

O ar comprimido é um fluído de elevado consumo energético Tipicamente superior a 100 kWh por 1.000 Nm3. Numa rede de ar comprimido, as fugas são praticamente impossíveis de eliminar na sua totalidade. 10% é um valor aceitável. Como exemplo, de avaliação da importância da reparação de fugas, um orifício de 1 mm de diâmetro numa rede a 7 bar, corresponde a 1,2 l/s de ar comprimido desperdiçado. Estima-se que na indústria portuguesa 15 a 50% da produção de ar comprimido será para alimentar fugas. Considerando, por exemplo, um consumo específico do compressor de 0,12 kWh/m3, uma fuga através de furo de 5 mm a 8 bar, ou seja, de 2 m3/min, equivale a requerer a mais do compressor: 0,12 kWh/m3 x 2 m3/min x 60 min/h = 14,4 kW

Fig. 2 – Comparação de fugas de ar comprimido, em função da pressão e do diâmetro do furo

  • Seccionar (automaticamente ou manualmente), periodicamente, as tubagens que não estejam a abastecer consumidores de ar comprimido;
  • Instituir um programa regular de verificação de fugas de ar comprimido;
  • Reduzir fugas com: adaptadores de fugas reduzidas, uniões rápidas de elevada qualidade, …
  • Usar purgadores de condensados do tipo "sem perdas de ar".


Controlar o ar de admissão

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

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


Correcto dimensionamento da rede

A rede de distribuição deve ser a menos extensa possível. Quando estamos perante redes extensas o melhor é instalar dois ou mais compressores o mais próximo possível dos pontos de consumo, reduzindo-se assim as perdas de carga. A instalação de uma rede de distribuição em anel é aconselhável, ou seja, a divisão de caudais de ar comprimido por diversos ramais, origina uma redução das perdas de carga. A tabela seguinte ilustra os comprimentos equivalentes para determinar a perda de carga provocada por acessórios da rede de distribuição de ar comprimido.

Fig. 3 – Comprimentos equivalentes de perda de carga de acessórios (Fonte: Atlas Copco)

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


Correcta utilização dos equipamentos

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

Fig. 4 –Componentes Exemplo de comparação do consumo específico em função da pressão do ar


Monitorização

  • Instalar equipamentos de controlo tais como caudalímetros e contadores de electricidade, manómetros, etc.
  • Efectuar registos regulares com o devido acompanhamento e controlo, com por exemplo, indicadores.
  • Temporizar funcionamento em vazio – desligar totalmente o compressor ao fim de um determinado tempo.


Manutenção

A manutenção dos equipamentos é extremamente importante. É necessário sensibilizar para a importância da manutenção preventiva. Devem ser criadas metodologias / planeamentos de modo a que a secção de manutenção não actue só em situações de avaria.

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

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

Fig. 5 – Exemplo de comparação da eficiência energética com os custos de manutenção

Sistemas de controlo

Em centrais com mais do que um compressor, torna-se importante a utilização de sistemas de controlo e optimização de centrais de ar comprimido. Com base no perfil de consumos da fábrica, estes sistemas possibilitam a optimização da exploração da central de compressores, através da selecção óptima dos equipamentos disponíveis na central, colocação dos compressores em operação na sua zona de máxima eficiência, e redução da banda de pressão de regulação dos equipamentos.

Fig. 6 – Uma central de ar comprimido centralmente controlada (fonte: Atlas Copco, 1998)


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


Recuperação de energia térmica

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

Fig. 7 – Exemplo de energia recuperável em compressores (fonte: Atlas Copco, 1998)

Conclusão

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


Breve reflexão

Um sistema de ar comprimido, bem explorado e optimizado, é um sistema mais sustentável: Ambientalmente mais limpo, com menores emissões de gases e consumos de combustíveis; Economicamente mais eficiente, com menores custos de combustível e manutenção; e Socialmente mais equilibrado, pela promoção da descentralização da produção, fomentando o emprego, a partilha de informação e a segurança de aprovisionamento.

Fig. 8 – Triângulo da Sustentabilidade


CURRICULUM
André Fernando Ribeiro de Sá, é Engenheiro Electrotécnico e de Computadores, ramo de sistemas de energia, pela FEUP. Nascido em Espinho em 1977, é especialista em gestão de energia e exploração de instalações eléctricas. Técnico reconhecido SGCIE. Docente da ESTGA da Universidade de Aveiro no curso de Engenharia Electrotécnica. Técnico responsável de várias instalações eléctricas. Autor do livro “Guia de aplicações de gestão de energia e eficiência energética” (2010, 2.ª ed.) e de vários artigos em diversas revistas na vertente Energia e Electricidade. Tem realizado várias formações na vertente de gestão de energia e de electricidade. Colaborou, entre outros, com o Grupo Têxtil Riopele, INESC Porto, Edifícios Saudáveis Consultores, Schneider Electric Portugal, DAPE, GPS e Smartwatt.

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