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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE AR COMPRIMIDO.

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA COMPRESSÃO

Jair da Silva Dias Júnior

Eliezer Gonçalves Peixoto

Salvador

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Julho/2010

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE AR COMPRIMIDO.

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA COMPRESSÃO

Jair da Silva Dias Júnior

Eliezer Gonçalves Peixoto

Trabalho de Conclusão de Disciplina

apresentado à disciplina Metodologia da

Pesquisa como requisito parcial à

obtenção de aprovação da disciplina do

curso de Engenharia Industrial Mecânica

do Instituto Federal de Educação, Ciência

e Tecnologia da Bahia.

Orientador: Prof. Mestre Luiz Carlos Pereira Vargas

Salvador

Julho/2010

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Dias, Jair e Peixoto, Eliezer

Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido – Recuperação de Calor da Compressão. Salvador/Ba. 31 f.:il. Trabalho de Conclusão da Disciplina Metodologia de Pesquisa – Curso de engenharia Industrial Mecânica, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia, 2010

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

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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE AR COMPRIMIDO.

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA COMPRESSÃO

Jair da Silva Dias Júnior

Eliezer Gonçalves Peixoto

Trabalho de Conclusão da Disciplina

apresentado a disciplina Metodologia da

Pesquisa do curso de Engenharia

Industrial Mecânica do Instituto Federal

de Educação, Ciência e Tecnologia da

Bahia.

BANCA EXAMINADORA:

_________________________________________________

LUIZ CARLOS PEREIRA VARGAS MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

Salvador

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Julho/2010

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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE AR COMPRIMIDO.

RECUPERAÇÃO DE CALOR DA COMPRESÃO

RESUMO

O presente trabalho propõe o aproveitamento da energia térmica

disponibilizada na geração do ar comprimido, para o aquecimento de água, em

substituição dos chuveiros elétricos. Com esta substituição da energia elétrica

(dos chuveiros), pela energia térmica do ar comprimido, constatou-se ser

possível obter uma redução de até 73% no consumo de energia elétrica na

geração de água quente. Comprovando-se, a partir de um estudo de caso, que

o uso da energia térmica, por possuir maior eficiência energética, executa o

mesmo trabalho com um menor custo e consumo. Inicialmente são resumidas

as aplicações do ar comprimido, na seqüência apresentam-se os principais

tipos e aspectos construtivos dos compressores. De forma sucinta,

apresentam-se alguns conceitos teóricos básicos de Termodinâmica e são

dadas sugestões para o projeto da rede de distribuição, operação e

manutenção do sistema de ar comprimido e também serão ilustradas algumas

recomendações que podem contribuir com o aumento da eficiência energética

do sistema. Finalmente, será demonstrada a aplicação dos conceitos

apresentados até agora, em um projeto de recuperação de calor rejeitado em

compressores de um sistema de ar comprimido.

Palavras-chave: Compressor de Ar Comprimido, Eficiência Energética,

Recuperação de Calor em Compressores.

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ENERGY EFFICIENCY IN COMPRESSED AIR SYSTEM.

HEAT RECOVERY COMPRESSION

ABSTRACT

This paper proposes the use of thermal energy released in the

generation of compressed air, to heat water instead of electric showers.With

the replacement of electricity (showers), the thermal energy of compressed air,

it was found possible to obtain a reduction of up to 73% in electricity

consumption in the generation of hot water. Proving themselves from a case

study, the use of thermal energy, because it has greater energy efficiency,

performs the same job with a lower cost and consumption. Initially we

summarized the applications of compressed air, the sequence shows the main

types of compressors and constructive aspects. Briefly present some basic

theoretical concepts of thermodynamics and are given suggestions for the

design of the distribution network for operation and maintenance of

compressed air system will also be illustrated and some recommendations that

may contribute to increased efficiency of the system. Finally, it is demonstrated

the application of the concepts presented so far in a project to recover waste

heat from compressors in a compressed air system.

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

Compressors

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SUMÁRIO

Página.

RESUMO ...................................................................................................

ABSTRACT ...............................................................................................

SUMÁRIO...................................................................................................

ÍNDICE DE TABELAS................................................................................

ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................

SÍMBOLOS E ABREVIATURAS................................................................

1. INTRODUÇÃO....................................................................................... 10

1.1 Objetivo........................................................................................ 11

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................. 12

2.1. Compressão dos gases.............................................................. 12

2.2. Determinação do Trabalho na Compressão............................... 15

2.3. Compressão em Vários Estágios................................................ 17

2.4. Potência Real de Compressão................................................... 19

3. AUMENTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA.......................................... 19

3.1. Temperatura de Admissão do Ar................................................ 29

3.2. Relação de Pressão.................................................................... 21

3.3 Compressão em Estágios............................................................ 22

3.4. Diminuição das Perdas de Carga............................................... 23

3.5. Aproveitamento do calor rejeitado.............................................. 23

4. ESTUDO DE CASO............................................................................... 24

4.1. Apresentação da Empresa.......................................................... 24

4.2. Sistema Estudado e Caracterização do Problema..................... 25

4.3. Resultados e Discussão..............................................................

28

5. CONCLUSÕES...................................................................................... 29

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................... 31

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ÍNDICE DE FIGURAS

Página.

Figura 1.1 - Proporções do Custo Total. 11

Figura 2.1 - Gráfico P x V para compressão Isotérmica. 13

Figura 2.2 - Gráfico P x V para compressão adiabática. 14

Figura 2.3 - Gráfico P x V para compressão politrópica. 15

Figura 2.4 - Gráfico P x V para trabalho especifico no processo

Isotérmico. 16

Figura 2.5 - Gráfico P x V para compressão em múltiplos estágios 18

Figura 4.1 - Curva de carga elétrica para os chuveiros numa quarta-feira 25

Figura 4.2 - Curva de carga elétrica para os chuveiros numa quinta-feira 26

Figura 4.3 - Medições elétricas e dutos de ar do resfriamento dos

compressores 26

Figura 4.4 - Dimensionamento do trocador de calor 27

Figura 4.5 - Diagrama da proposta apresentada 27

Figura 4.6 - Montagem dos trocadores de calor 28

Figura 4.7 - Instalação dos trocadores de calor 28

Figura 4.8 - Tempo de amortização do investimento 29

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ÍNDICE DE TABELAS

Página

Tabela 1.1 - Perfil do consumo de energia elétrica em 2005 10

Tabela 3.1 - Variação do consumo com a temperatura de aspiração 21

Tabela 3.2 - Energia recuperada 24

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SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES

[/] - Adimensional

DLE - Descarga Efetiva

GWh – GigaWatt hora

K - Kelvin

kg / s – Quilo por Segundo

kJ / kg – Quilo Joule por Quilograma

kJ/(kg.K) - Quilo Joule por Quilograma Kelvin

kW – Quilolo Watt

kWh - Quilolo Watt Hora

m3 – Metro Cúbico

m3/kg - Metro Cúbico por Quilo

PA - Pascal

Pay-back – Retorno de Investimento

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1. INTRODUÇÃO

Após a crise energética de 2001, ficou mais evidente o uso de sistemas

e produtos com alta eficiência, tanto no setor comercial, industrial ou mesmo

em nossos lares. A energia é algo essencial para o crescimento econômico e

social de um país, sendo que o uso racional desta energia é uma opção de

baixo custo e de grande economia. Uma corporação que deseja torna-se

competitiva no mercado, não pode ignorar os projetos e os programas que lhe

proporcione diminuição no custo com energia, sendo que na atividade, sendo

que na atividade industrial este ganho poderá ser um diferencial na conquista

de novos mercados e clientes. No ano de 2005, a energia elétrica consumida

pelas indústrias representou 45% de todo o mercado nacional (EPE, 2006).

Conforme a Tabela 1.1, 50% da energia consumida pelas indústrias foram

destinadas ao acionamento de motores elétricos (FILIPO FILHO, 2006),

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

Setor Consumo [GWh] %

Residencial 82.693 24,66

Comercial 53.239 15,87

Outros 49.936 14,89

Industrial 149.542 44,58

Total 335.410 100,00

Fonte: Gonçalves, F., Cardoso, J. (2007).

Um dos principais equipamentos dentro de uma empresa é o

compressor de ar comprimido, que representa um consumo estimado entre 13

e 15% da energia elétrica utilizada pela indústria (KEULENAER, 2004). A

eficiência de um sistema de ar comprimido é moldada a partir das exigências

das industriais, sendo possível atingir um melhor desempenho com motor de

alto rendimento, controle de velocidade e melhoria na operação e manutenção,

podendo chegar a uma economia de 28% no sistema de geração de ar

comprimido.

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Diversos estudos apontam os sistemas de ar comprimido como sendo

um dos pontos onde ocorrem perdas significativas de energia. Ou seja,

existem bons potenciais para a economia de energia. Por isso, a utilização

correta do ar comprimido, a operação eficiente e econômica dos

compressores, que é o coração desses sistemas, é de extrema importância. A

Figura 1.1 mostra o custo total da propriedade de um sistema de ar

comprimido em um período de 10 anos.

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

1.1. Objetivo.

Este trabalho tem por objetivo disponibilizar informações técnicas e

práticas, para a identificação de oportunidades para a busca de melhoria da

eficiência energética de um sistema de ar comprimido, usando a energia

térmica, disponibilizada na geração do ar comprimido, para a obtenção de

água aquecida. Buscando alternativas de economia de energia elétrica em

banhos diários de funcionários da empresa Belgo Bekaert.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Compressão dos Gases

Uma das experiências físicas que pode ser comprovada com muita

precisão é a que foi realizada por Clapeyron, demonstrando a Equação dos

Gases Perfeitos. De fato, quando trabalha-se em baixas pressões e em

temperaturas distantes do ponto de liquefação, o comportamento dos gases

reais se aproxima muito da equação teórica (que engloba todas as variáveis de

estado,ou seja, pressão, volume e temperatura), se apresenta a seguir.

P. ν = R . T (2.1)

Onde: P = pressão [Pa]

ν = volume específico [m3/kg]

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

T = temperatura [K]

Quando se comprime um gás perfeito com sua temperatura constante,

tem-se uma compressão isotérmica. Para esse tipo de compressão, podem ser

comprovado que:

p1 . ν1 = p2 . ν2 = R . T (2.2)

Sendo: p1 = pressão inicial [Pa]

ν1 = volume inicial [m3]

p2 = pressão final [Pa]

ν2 = volume final [m3]

R = constante do gás [kJ / (kg . K)]

T = temperatura [K]

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Colocando-se essa relação sobre um diagrama P x V resulta uma

família de hipérboles eqüiláteras, denominadas isotermas. Como pode ser

visto na figura que segue.

Figura 2.1 - Gráfico P x V para compressão Isotérmica.

Fonte: Haddad et al (2006).

Outra maneira de comprimir um gás é na transformação adiabática, que

é realizada sem trocas de calor entre o processo e as suas vizinhanças, ou

seja, só estão envolvidas transferências de trabalho para o sistema. As

relações que representam a compressão adiabática são:

p1 . ν1k = p2 . ν2

k = const. (2.3)

Onde: p1 = pressão inicial [Pa]

ν1 = volume específico inicial [m3/kg]

p2 = pressão final [Pa]

ν2 = volume específico final [m3/kg]

k = relação entre os calores específicos [/]

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Figura 2.2 - Gráfico P x V para compressão adiabática.

Fonte: Haddad et al (2007).

Na pratica esses dois processos de compressão são impossíveis. No

entanto, há a compressão politrópica. Admitindo-se que exista uma

proporcionalidade entre o calor e o trabalho que foram trocados ao longo de

uma transformação em um gás, é possível demonstrar que o processo assim

efetuado obedecerá a uma equação do tipo:

pvn = constante

Para essa situação o expoente que aparece sobre o volume recebe o

nome de expoente da politrópica. Este assume valores maiores que a unidade

e menores que a relação C P / C V. Essa forma de compressão é governada

pela seguinte equação:

p1 . ν1 n = p2 . ν2

n = const. (2.4)

Onde: p1 = pressão inicial [Pa]

ν1 = volume específico inicial [m3/kg]

p2 = pressão final [Pa]

ν2 = volume específico final [m3/kg]

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n = expoente da politrópica [/]

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Figura 2.3 - Gráfico P x V para compressão politrópica.

Fonte: Haddad et al (2007).

Observa-se que as curvas que representam a compressão politrópica e

a adiabática são mais inclinadas, pois o expoente da politrópica e o valor da

relação C P / C V é sempre maior que a unidade. Tratando-se de um processo

de compressão com resfriamento, n < k; para um caso de compressão com

aquecimento n > k: para o caso da compressão adiabática, n = k e quando a

transformação é isotérmica n = 1.

2.2. Determinação do Trabalho na Compressão

Para o cálculo do trabalho de compressão considera-se um gás ideal no

interior de um cilindro. Sabe-se que o trabalho específico teórico efetuado ao

se comprimir um fluxo de gás é dado pela integral mostrada adiante:

(2.5

Onde: w = trabalho específico teórico [kJ / kg]

ν = volume específico do gás [m3 / kg]

p = pressão do gás [Pa]

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No diagrama P x V esse trabalho efetuado sobre o gás durante a

compressão é numericamente igual à área delimitada pelas duas retas de

pressão constante paralelas ao eixo horizontal, pelo eixo vertical e pela curva

que representa o processo de compressão.

Figura 2.4 - Gráfico P x V para trabalho especifico no processo isotérmico

Fonte: Haddad et al (2007).

No diagrama P x V a Área 1 , representa o trabalho especifico de

compressão do processo isotérmico. O processo politrópico é representado

pela soma da Área 1 e Área 2 e o processo adiabático pela soma das Áreas 1,

2 e 3.

Para uma compressão isotérmica a resolução da integral resulta:

(2.6)

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E resolvendo-se a compressão politrópica vem que:

(2.7)

Sendo: w = trabalho específico teórico [KJ / kg]

n = expoente da politrópica [/]

R = constante do gás [kJ / (kg . K)]

T1 = temperatura inicial [K]

p1 = pressão inicial [Pa]

p2 = pressão final [Pa]

Pode-se notar que o trabalho específico de compressão aumenta na

medida em que aumenta o valor do expoente da politrópica.

2.3. Compressão em Vários Estágios

Normalmente usam-se os compressores de um estágio, quando se

deseja uma pressão de descarga não muito grande. Mas quando o resultado

final pretendido é uma pressão de descarga mais elevada, o compressor de

um estágio não tem um bom rendimento e suas temperaturas de descargas

são muito elevadas. A saída geralmente usada para sanar esses problemas é

a utilização da compressão em estágios, que resulta na economia de uma

parcela de energia e em temperaturas menores de descarga (Entre dois

estágios de compressão esfria-se o gás que está sendo comprimido). É muito

importante o resfriamento do fluido durante a compressão, isto faz com que

trabalhemos o mais próximo de uma compressão isotérmica. No limite, quando

o número de estágios for muito grande, o trabalho de compressão tende ao

valor mínimo, que é o trabalho da compressão isotérmica.

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Na figura seguinte a região hachurada mostra a economia alcançada

com este tipo de compressão, num exemplo com três estágios.

Figura 2.5 - Gráfico P x V para compressão em múltiplos estágios

Fonte: Haddad et al (2007).

O trabalho específico teórico para mais de um estágio é calculado com

a equação que segue. Para compressores com apenas um estágio, fazer e=1.

(2.8)

Sendo: W = trabalho específico teórico [KJ / kg]

n = expoente da politrópica [/]

R = constante do gás [kJ / (kg . K)]

T1 = temperatura inicial [K]

e = número de estágios [/]

p1 = pressão inicial [Pa]

p2 = pressão final [Pa]

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2.4. Potência Real de Compressão

Com o trabalho específico teórico, a vazão mássica e os rendimentos

apropriados, determina-se a potência elétrica exigida pelo acionamento de um

compressor, usando a equação mostrada a seguir.

(2.9)

Onde: = potência real de compressão [kW]

= vazão mássica do gás [kg / s]

w = trabalho específico teórico [kJ / kg]

ηt = rendimento termodinâmico [/]

ηmec = rendimento mecânico [/]

ηele = rendimento elétrico [/]

3. AUMENTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Ao iniciar-se um projeto de um sistema de ar comprimido, já na planta

devem-se adotar medidas para alcançar uma eficiência energética satisfatória.

Assim poderemos garantir que os rendimentos elétricos, mecânicos,

volumétricos e termodinâmicos sejam os mais elevados, pois são parâmetros

que dependem das características construtivas e do esmero usado na

fabricação de cada equipamento.

Para que um plano de melhoria de eficiência energética possa ser

implantada é importante quantificar os benefícios que cada melhoria possa

trazer e comparar com os investimentos que são necessários para a sua

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implementação. Sendo essa relação custo-benefício economicamente atrativa,

as medidas de melhoria deverão ser implementadas.

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Após uma rápida inspeção da equação 2.7, que nos dá o trabalho

específico de compressão, observa-se que o valor desse trabalho é função dos

seguintes parâmetros:

3.1. Temperatura de Admissão do Ar

Pode-se quantificar o benefício que a redução da temperatura de

admissão, trará ao consumo de energia em um sistema de ar comprimido,

contudo neste cálculo todas as outras variáveis devem permanecer inalteradas

e as temperaturas devem ser expressas em Kelvin.

(3.1)

Onde: B1 - benefício pela redução da temperatura de admissão [%]

T0 - temperatura de entrada do ar antes da redução [K]

T’0 - temperatura de entrada do ar depois da redução [K]

Temperatura baixa, na aspiração de um compressor, refletirá em um

menor consumo de energia necessária para sua compressão. Como o ar a

temperaturas baixas é mais denso, maior será a quantidade de massa de ar

que poderá ser aspirada pelo compressor com a mesma vazão volumétrica

aspirada e mesma potência consumida neste trabalho, fazendo com que uma

maior massa de ar ocupar o mesmo volume do que quando ele está mais

aquecido.

A Tabela 3.1 correlaciona às temperaturas do ar aspirado e os

percentuais de potência economizados ou incrementados tomando-se como

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base a temperatura de 21ºC. Para valores diferentes dos citados na tabela, os

valores podem ser interpolados.

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Tabela 3.1 - Variação do consumo com a temperatura de aspiração

Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

3.2. Relação de Pressão

A partir da equação 2.8, pode-se deduzir uma fórmula para encontrar o

valor do benefício da redução da pressão e o para a variação da relação de

pressão. Essa expressão também considera que todas as demais variáveis

foram mantidas constantes.

(3.2)

Sendo: B2 - benefício da redução da relação de pressão [%]

Patm - pressão atmosférica no local da instalação [Bar]

P1 - pressão na entrada do compressor antes das melhorias [Bar]

P2 - pressão na saída do compressor antes das melhorias [Bar]

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P’1 - pressão na entrada do compressor depois das melhorias [Bar]

P’2 - pressão na saída do compressor depois das melhorias [Bar]

E - número de estágios do compressor [/]

n - expoente politrópico da compressão [/]

Outra forma de reduzir a relação de pressão do sistema de compressão

de ar é manter os filtros de admissão sempre em bom estado. Não havendo

uma manutenção programada nesse filtro, haverá um acumulo de particulados

que se acumularam, fechando, parcial e até totalmente os poros do filtro,

acarretando em um aumento da perda de carga no filtro e resultando em um

aumento de consumo de energia do motor de acionamento do compressor.

3.3 Compressão em Estágios

O uso de equipamentos com mais estágios é alternativa para a redução

do trabalho de compressão. O benefício dessa medida também pode ser

quantificado. Conforme mostra a expressão que segue. Os demais parâmetros

são mantidos constantes.

(3.3)

Onde: B3 - benefício pelo uso de equipamentos com mais estágios [ % ]

Patm - pressão atmosférica no local da instalação [Bar]

P1 - pressão na entrada do compressor [Bar]

P2 - pressão na saída do compressor [Bar]

E0 - número de estágios do compressor antes das melhorias [ / ]

E’ - número de estágios do compressor depois das melhorias / ]

n - expoente politrópico da compressão [ / ]

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3.4. Diminuição das Perdas de Carga

As perdas de carga obrigam que o sistema de ar comprimido trabalhe

em uma pressão superior ao que deveria, ocorrendo um aumento do consumo

de energia. São oriundas do atrito do ar em movimento com as rugosidades da

tubulação e conexões. Com o aumento da vazão a perda de carga também

aumenta. Convém ressaltar que a perda de carga é uma função inversa do

diâmetro da tubulação elevado à quinta potência, então um aumento no

diâmetro resulta em diminuição drástica das perdas de carga. Outros pontos

onde podem surgir perdas de carga são os elementos filtrantes, os trocadores

de calor e secadores.

3.5. Aproveitamento do Calor Rejeitado

Sabe-se que 80% da energia gasta na compressão se transforma em

calor e que parte do calor produzido pelo compressor e seu motor se

transmitem para o ambiente. Nos compressores resfriados a ar, o calor

dissipado pode superar em até 70% da energia elétrica consumida pelo motor

e nos compressores resfriados a água o calor transmitido para a sala dos

compressores pode atingir valores da ordem de 15% do seu consumo.

Na produção do ar comprimido, há o aquecimento do ar no final da

compressão. Esta energia é normalmente retirada do ar comprimido por

resfriamento (usando um trocador de calor, “cooler”), usando-se água ou ar e

este ar ou a água aquecidos pelo calor do ar comprimido são lançados na

atmosfera, no esgoto ou numa torre de refrigeração. Toda essa energia é

descartada, sem um uso apropriado. Avalia-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. A tabela 3.2 mostra a energia recuperada

de acordo com a vazão efetiva de um compressor

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Tabela 3.2 - Energia recuperada

*DLE = descarga Efetiva

Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

4. ESTUDO DE CASO

4.1. Apresentação da Empresa.

A Belgo Bekaert Ltda., uma empresa do ramo metalúrgico de trefilaria

para fabricação de arames, localizada em Contagem / MG. Tem uma

capacidade de produção de 810 mil toneladas anuais de arames e é líder no

mercado brasileiro. Esta empresa é resultado da associação entre a Belgo,

uma empresa Arcelor Brasil, que integra um dos maiores grupos de produção

de aço do mundo, e a Bekaert, da Bélgica, líder mundial em arames e

recobrimentos metálicos.

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4.2. Sistema Estudado e Caracterização do Problema.

Na Belgo Bekaert existia uma central de ar comprimido com três

compressores de 200 HP, totalizando uma potência instalada de 450 kW.

Estes compressores eram dos modelos refrigerados a ar, o que indicou que o

trocador de calor necessário era do tipo ar-água, ou seja, do ar de refrigeração

do compressor para a água dos chuveiros dos vestiários.

A eficiência de um compressor varia em torno de 30%, com isso grande

parte da energia é perdida na forma de calor, pois este é transferido para o

ambiente externo e para o corpo do compressor.

Após a realização das visitas, foram feitas medições elétricas no quadro

de distribuição geral dos chuveiros elétricos, medições estas, que obtiveram as

curvas de carga elétrica de dois dias típicos de funcionamento da empresa.

Figura 4.1 - Curva de carga elétrica para os chuveiros numa quarta-feira

Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

A medição da quarta-feira apresentou uma potência máxima próxima de

220 kW, resultando num consumo de energia de 2.065 kWh/dia para o

aquecimento elétrico da água.

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A medição da quinta-feira mostrou um comportamento semelhante, com

uma potência máxima de 230 kW e um consumo de energia diário de 1.947

kWh.

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Figura 4.2 - Curva de carga elétrica para os chuveiros numa quinta-feira Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

Durante um dia (24 horas), cerca de 780 trabalhadores tomavam banho

nos vestiários usando boilers elétricos. Em medições realizadas nos meses de

julho e agosto de 2001, nas duas baterias existentes para o aquecimento de

água, levantaram-se os seguintes dados:

Bateria 1: Maior consumo no dia 03/08/2001 = 1141 kWh

Bateria 2: Maior consumo no dia 01/08/2001 = 855 kWh

Figura 4.3 - Medições elétricas e dutos de ar do resfriamento dos compressores

Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

Com estas medições, foi calculada a quantidade de energia necessária

para fazer o aquecimento da água. Conhecendo as temperaturas e vazões da

água e do ar, foi possível dimensionar o trocador de calor e os reservatórios de

água quente nos vestiários.

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Figura 4.4 - Dimensionamento do trocador de calor Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

A água aquecida foi transportada para os vestiários localizados a 200

metros da sala dos compressores. O armazenamento da água foi feito em nove

tanques disponibilizados para uso diário e os trocadores de calor ar-água

foram dimensionados para funcionarem em série conforme o diagrama

esquemático mostrado abaixo.

Figura 4.5 - Diagrama da proposta apresentada Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

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Figura 4.6 - Montagem dos trocadores de calor

Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

Figura 4.7 - Instalação dos trocadores de calor

Fonte: Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006).

4.3. Resultados e Discussão

Considerando o custo da energia de 160 R$/MWh, a economia anual

obtida com este projeto foi de aproximadamente R$ 116 mil por ano, tendo um

investimento em equipamentos da ordem de R$ 317 mil. Em uma análise mais

simples somente com a economia de energia elétrica, pode-se efetuar um

plano de retorno do investimento apresentando um pay-back2 simples. Este

trabalho de pay-back simples tem seus resultados expressos na Figura 4.8.

Dados de economia mensal de energia posta contra o custo total do trabalho

apresentam um tempo de retorno de 6 semestres aproximadamente.

2 Pay-back – Retorno de Investimento

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-300000

-250000

-200000

-150000

-100000

-50000

0

50000

100000

1 2 3 4 5 6

Semestres

Cu

sto

(Mil

R$)

Econômia Mensal(R$) Custo Total(R$)

Figura 4.8 - Tempo de amortização do investimento

5. CONCLUSÕES

No mundo moderno, são motivos de preocupação o aquecimento global

e as mudanças climáticas e a melhoria da eficiência energética, se apresenta

como uma solução mais econômica, eficaz e rápida para minimizar impactos

ambientais acarretados pela utilização da energia e reduzir emissões de

dióxido de carbono (CO2). Sendo que, no cenário atual de escassez de

recursos naturais, a pesquisa e a execução de projeto visando um melhor uso

da energia elétrica, comprovam que com o uso racional dela pode cooperar

com a preservação. A má utilização dos recursos existentes pode levar a um

futuro caótico, para que seja possível amenizar esse problema estudos como

estes se justificam. A melhoria da eficiência energética traz, ainda, outras

vantagens. Reduz custos de produção, permiti a produção de bens cada vez

mais baratos e competitivos, melhora o desempenho econômico de empresas,

diminui a necessidade de se investir em infra-estrutura e energia, pois é mais

barato conservar do que gerar energia. Neste trabalho é demonstrado que há

um grande potencial de ganhos energéticos na recuperação do calor dissipado

na produção dentro de um sistema de ar comprimido, pois 100% da energia

que alimenta o compressor são convertidas em calor e até 94% da energia

usada para produzir ar comprimido pode ser reutilizada.

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E como foi visto anteriormente, é assegurado o retorno do investimento

realizado, já que o montante é recuperado ao longo da vida útil de

equipamentos, por conta da economia de energia ocorrida. Um dos fatores

importante sobre este projeto é que, o próprio, é de fácil adaptação, podendo

ser usado em outros sistemas como em caldeiras e em sistemas de

condicionamento de ar de refrigeração, pois esses sistemas geram energia

térmica, que geralmente são dissipadas para a atmosfera. Diversos estudos

apontam os sistemas de ar comprimido como sendo um dos pontos onde

ocorrem perdas significativas de energia, ou seja, existem bons potenciais

para a economia de energia. Por isso, a utilização correta do ar comprimido, a

operação eficiente e econômica dos compressores, que é o coração desses

sistemas, é de extrema importância. E devemos estar sempre atento na

identificação das oportunidades de melhorias de eficiência energética tanto na

geração como na distribuição de ar comprimido, pois isto acarretara em uma

redução no consumo de energia que além de benéfico ao meio-ambiente

também se apresenta com bons olhos à saúde financeira da empresa.

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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Haddad et al (2006). Conservação de Energia - Eficiência Energética de Equipamentos e Instalações. Eletrobrás/Procel, Minas Gerais. Kaeser Brasil. Disponível em http: //www.kaeser.com.br / Products_and_Solutions / Rotary-screw-compressors / def ault.asp> Acesso em 03/05/2010. Haddad et al (2007). Livro Técnico – Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido, Eletrobrás/Procel, Minas Gerais. Rocha, C., Monteiro, M.A.G. (2006). Manual Prático - Eficiência Energética em Sistemas de Ar Comprimido. Eletrobrás/Procel, Minas Gerais.

Gonçalves, F., Cardoso, J. (2007). Estudo Para a Implantação de Geração

de Ar Comprimido com Alta Eficiência na Electrolux Do Brasil S.A. Planta

Guabirotuba. 118 fl. Monografia (Titulo Engenheiro Eletricista) – UTFPR,

Paraná, 2007.

Filipo Filho, G. (2006). Conservação de Energia Elétrica em Sistemas Fluidomecânicos. Revista Eletricidade Moderna, São Paulo, nº 387, p 68-83, jun/2006.

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