MAEI
ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA ECONÔMICA,
ESTRATÉGIA E PREVENÇÃO DE PERDAS NA INDUSTRIA - CEPI
ANDERSON DOURADO SALUM
EFICI€NCIA ENERG•TICA EM
SISTEMA DE COMBUST‚O DE
CALDEIRA
SALVADOR
2011
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial
Laboratório de Processos e Tecnologia
Eficiência energética em sistema de
combustão de caldeira
Autor: Anderson Dourado Salum
Salvador, Bahia, Brasil, 20 de julho de 2011.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
ii
ANDERSON DOURADO SALUM
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE
COMBUSTÃO DE CALDEIRA
Monografia apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Industrial,
Escola Politécnica, Universidade Federal
da Bahia, como requisito parcial para a
obtenção do grau de Especialista em
Engenharia
Econômica,
Estratégia
e
Prevenção de Perdas na Indústria – CEPI.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Bastos
SALVADOR
2011
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
iii
RESUMO
Este trabalho consiste de um estudo de caso em uma caldeira, na qual se
avalia a viabilidade econômica de soluções propostas para minimização das perdas
energéticas de natureza térmica e elétrica identificadas na caldeira. As soluções
propostas são formuladas a partir do conhecimento das deficiências encontradas no
processo – controle ineficiente da relação ar-combustível e estrangulamento da
vazão de ar do ventilador da caldeira – e da aplicabilidade de tecnologias
ecoeficientes disponíveis no mercado (variadores de velocidade, tais como
conversores de frequência). Com este trabalho espera-se comprovar a atratividade
econômica e ambiental que projetos baseados em ecoeficiência podem resultar para
a indústria.
Palavras-chave: Conversor de frequência; Caldeira; Ecoeficiência; Ventiladores
industriais; Relação ar-combustível; Consumo de energia.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
iv
ABSTRACT
The present work consists of a case study in a boiler in which to evaluate the
technical feasibility of proposed solutions for minimizing the energy losses of thermal
and electrical nature identified in the boiler. The proposed solutions are developed
from knowledge of the deficiencies identified in the process - inefficient control of the
air-fuel and choke the flow of air from the boiler fan - and the applicability of ecoefficient technologies available in the market (variable speed drives, such as
frequency converters). The expectation of this work is to prove economic
attractiveness and environmental projects based on eco-efficiency can result for the
industry.
Keywords: Frequecy converter; Boiler; Eco-efficiency; Industrial fans; Air-fuel ratio;
Power consumption.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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v
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
cAR
Calor específico do ar, [Gcal/t.ºC]
CM
Conjugado motor
EAR
Energia desperdiçada pelo aquecimento do excesso de ar
EGC
Energia do gás combustível não liberada na queima incompleta, [Gcal]
F
Frequência da corrente elétrica no motor
GC
Gás combustível
mAR
Massa do excesso de ar na combustão
mGC
Massa do gás combustível não queimada na queima incompleta, [t]
nC
Percentual, em massa, de carbono no gás combustível
nH
Percentual, em massa, de hidrogênio no gás combustível
nO
Percentual, em massa, de oxigênio no gás combustível
nS
Percentual, em massa, de enxofre no gás combustível
Pgc
Número de pólos do motor
PCIGC
Poder calorífico inferior do gás combustível, [Gcal/m 3]
PotM
Potência elétrica do motor, [kW]
RTEÓRICA
Relação estequiométrica ar-combustível [kg ar / kg GC]
S
Escorregamento do motor
TF
Temperatura de saída do ar aquecido, [oC]
THD
Total Harmonic Distortion
TI
Temperatura de entrada do ar no queimador, [oC]
velM
Velocidade de rotação do motor
VSD
Variable speed drives
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vi
Η
Rendimento do motor
ρGC
Densidade do gás combustível, [t/m3]
Ω
Velocidade angular do eixo
Δt
Intervalo de tempo entre cada valor de vazão medido, [s]
QAR_medida
Vazão de ar medida, [t/h]
QGC_medida
Vazão de gás combustível medida, [t/h]
EAR_atual
Energia atualmente desperdiçada pelo aquecimento do excesso de ar,
[Gcal]
EAR_proposta Energia a ser desperdiçada pelo aquecimento do excesso de ar no
sistema proposto, [Gcal]
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vii
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO .............................................................................................. 1
1.1
OBJETO DE ESTUDO .................................................................................... 2
1.2
OBJETIVO ...................................................................................................... 2
1.3
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................... 2
2
ESCOPO E HIPÓTESES .............................................................................. 3
3
REFERENCIAL TEÓRICO ........................................................................... 4
3.1
3.1.1
Definição ................................................................................................................4
3.1.2
Eficiência de caldeiras ...........................................................................................5
3.1.3
Combustão de gases .............................................................................................5
3.1.4
Perdas energéticas na combustão incompleta .....................................................6
3.1.5
Perdas energéticas por excesso de ar na combustão completa ..........................7
3.2
VENTILADORES ............................................................................................ 8
3.2.1
Definição ................................................................................................................8
3.2.2
Classificação..........................................................................................................9
3.2.3
Curvas características dos ventiladores ................................................................9
3.2.4
Modo de operação .............................................................................................. 10
3.2.5
Regulação de vazão em sistemas de ventilação ............................................... 11
3.2.6
Regulação de vazão por damper ....................................................................... 11
3.2.7
Regulação de vazão por variador de velocidade ............................................... 12
3.3
4
CALDEIRAS ................................................................................................... 4
CONVERSORES DE FREQUÊNCIA ............................................................ 13
3.3.1
Definição ............................................................................................................. 13
3.3.2
Princípio de funcionamento ................................................................................ 14
3.3.3
Eficiência dos conversores ................................................................................. 15
3.3.4
Comparação entre conversores e dampers ....................................................... 16
3.3.5
Cuidados com a instalação industrial no uso de conversores de frequência .... 16
METODOLOGIA ......................................................................................... 19
4.1
INFORMAÇÕES DO SISTEMA..................................................................... 20
4.1.1
Caldeira .............................................................................................................. 20
4.1.2
Ventilador ............................................................................................................ 20
4.1.3
Motor elétrico ...................................................................................................... 21
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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4.2
COLETA DE DADOS .................................................................................... 22
4.2.1
Relação estequiométrica da queima do gás combustível .................................. 22
4.2.1
Relação ar-combustível de operação ................................................................. 24
4.2.2
Temperatura de saída do ar pela chaminé ........................................................ 25
4.3
AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DO SISTEMA TÉRMICO .................................. 25
4.3.1
Quantificação das perdas termicas por falta de ar na combustão ..................... 25
4.3.2
Cálculo das perdas por excesso de ar ............................................................... 26
4.3.1
Perdas térmicas do sistema com controle automático de vazão ....................... 27
4.4
5
viii
AVALIAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO ........................................................ 27
4.4.1
Quantificação do consumo elétrico do motor sem conversor de frequência ..... 28
4.4.2
Identificação do consumo elétrico do motor com conversor de frequência ....... 30
RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................. 32
5.1
TRATAMENTO DOS DADOS COLETADOS................................................. 32
5.1.1
Levantamento da relação ar-combustível da caldeira........................................ 32
5.1.1
Levantamento da temperatura de saída do ar ................................................... 33
5.2
AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DO SISTEMA ................................................... 33
5.2.1
Avaliação energética das perdas térmicas do sistema atual ............................. 33
5.2.2
Avaliação energética das perdas térmicas do sistema proposto ....................... 35
5.2.3
Avaliação energética do consumo de energia elétrica do motor ....................... 36
5.2.4
Sumário dos ganhos energéticos a serem obtidos ............................................ 39
5.2.5
Análise da redução de emissão de CO2 equivalente ......................................... 39
5.2.6
Discussão dos resultados ................................................................................... 40
6
CONCLUSÕES ........................................................................................... 41
7
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................... 42
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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1
1 INTRODUÇÃO
“A década de 1970 é [...] o marco inicial nos estudos sobre eficiência
energética. Os choques do petróleo alertaram para uma possível escassez futura de
energia. Concomitantemente, cresceu a preocupação com o meio ambiente, que é
negativamente impactado pelo uso da energia, notadamente na emissão de gases
de efeito estufa” (GARCIA, 2003). Desde então, entende-se que “o uso eficiente da
energia demonstra-se atrativo nos aspectos ambientais, econômicos, sociais,
estratégicos e comerciais” (GARCIA, 2003). De fato, “eficiência energética e meio
ambiente são dois aspectos que estão totalmente associados” (PANESI, 2006).
O conceito de eficiência energética em sistemas de combustão já foi abordado
por (PINHEIRO & VALLE, 1995). Portanto, não é algo novo na indústria. Entretanto,
a confiabilidade da instrumentação, principalmente dos dampers, indicados por
BEGA (2003), são empecilhos para automatização plena e confiável do sistema de
combustão da caldeira. Neste contexto surgem os conversores de frequência,
intensamente discutidos por JUNIOR (2005) e SPITZER (2004).
No início os conversores de frequência não eram confiáveis (principalmente os
de média tensão), apresentando inúmeras limitações, conforme exposto por
WULFINGHOFF (1999). Entretanto, a necessidade expoente de tecnologias capazes
de fornecer confiabilidade ao processo visando a maior eficiência do sistema
estimulou o desenvolvimento destes equipamentos, de tal modo que hoje os
conversores de frequência estão consolidados no mercado.
Embora o uso de conversores de frequência esteja amplamente associado a
sistemas de bombeamento (DUTRA, 2005) e (MONACHESI & MONTEIRO, 2005),
seu uso também é possível em outros equipamentos rotativos, como por exemplo
ventiladores, tema discutido por SANTOS (2006) e TASKINEN (2008).
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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1.1 OBJETO DE ESTUDO
O interesse crescente das indústrias em ampliar suas margens de lucro
investindo em projetos ecoeficientes, porém tecnicamente confiáveis e consolidados,
motiva o estudo da aplicabilidade das tecnologias disponíveis no mercado e o
retorno financeiro que as mesmas podem proporcionar. Desta forma, é cada vez
mais importante o desenvolvimento de metodologias de identificação de perdas e
proposição de soluções ecoeficientes para redução de perdas energéticas.
O objeto de estudo deste trabalho é uma caldeira industrial cuja vazão de ar
para a câmara de combustão tem problemas de regulação, impactando na variação
da relação ar-combustível na queima.
1.2 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é obter soluções tecnicamente consolidadas,
economicamente viáveis e ambientalmente atrativas para os problemas energéticos
identificados no sistema de combustão da caldeira.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos deste trabalho são:
 Identificar o potencial de ganho energético decorrente da operação de
caldeiras com malhas de controle em modo “Manual”.
 Propor uma estratégia de controle confiável com variador de velocidade
que substitua estratégias de controle clássicas baseadas em atuadores
mecânicos.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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3
2 ESCOPO E HIPÓTESES
Este trabalho se propõe a calcular as perdas energéticas no sistema de
combustão de uma caldeira industrial, decorrentes da operação não automática de
dampers na regulação da vazão de ar para a câmara de combustão.
É escopo dete trabalho:
 Estudar
e
quantificar
as
perdas
térmicas
decorrentes
do
desbalanceamento na relação ar-combustível na câmara de combustão;
 Estudar e quantificar as perdas elétricas no motor do ventilador da
caldeira, decorrentes da operação do mesmo com restrição por damper
na descarga.
 Buscar o controle da combustão de gás combustível em caldeiras a partir
de variadores de velocidade em substituição a atuadores mecânicos.
Não faz parte do escopo deste trabalho:
 Analisar o balanço energético da caldeira, devendo a análise se restringir
ao sistema de combustão;
 Analisar o desempenho dos queimadores ou de qualquer outro
componente do sistema de combustão;
 Analisar economicamente a solução proposta. Assim, este trabalho não se
propõe a:
o Quantificar monetariamente os ganhos energéticos calculados;
o Levantar os custos de instalação, operação e manutenção da
solução proposta;
o Levantar os custos de operação e manutenção do sistema atual.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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4
3 REFERENCIAL TEÓRICO
Esta revisão bibliográfica tem como objetivo apresentar fundamentos teóricos
relacionados a sistemas de combustão de caldeiras, considerando especificamente
os aspectos que levam a perda de energia elétrica e sob a forma de calor.
Não tem a pretensão de esgotar o assunto, mas de apresentar trabalhos e
conceitos relevantes sobre o tema, de modo a fornecer suporte teórico ao
desenvolvimento deste trabalho.
3.1 CALDEIRAS
3.1.1 Definição
Caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos destinados a produção de
vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia,
excetuando-se os refervedores (SANTOS et al, 2006). O vapor produzido pelas
caldeiras é usado geralmente na indústria para movimentar máquinas térmicas ou
como fonte de calor para processos. Deste modo, as caldeiras são equipamentos
capazes de transferir a energia armazenada nas fontes combustíveis para a água e,
então, para a aplicação final. A Figura 3.1 apresenta o princípio de funcionamento de
uma caldeira.
Figura 3.1 – Esquema de funcionamento de uma caldeira.
[Fonte: Department of Mechanical Engineering, Middle East Technical University]
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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5
3.1.2 Eficiência de caldeiras
Durante a operação de um caldeira, é indispensável monitorar constantemente
a eficiência deste equipamento, devendo-se recorrer inevitavelmente aos balanços
de massa e energia para obtenção dos índices que traduzem o rendimento da
caldeira. O cálculo da eficiência global da caldeira pode ser realizado por duas
maneiras:
 Método direto: consiste na contabilização dos fluxos energéticos de
entrada e saída. Embora seja um método simples, ele não fornece
informações sobre as principais perdas do sistema.
 Método indireto: consiste no cálculo da eficiência a partir da contabilização
das principais perdas existentes em uma caldeira, conforme abaixo.
o Perdas associadas ao combustível nas cinzas de fundo
o Perdas por radiação e convecção
o Perdas por purga
o Perdas associadas à combustão ineficiente.
3.1.3 Combustão de gases
O processo de combustão pode ser classificado como:
 Combustão completa;
 Combustão incompleta.
Quando
todo
o
combustível
disponibilizado
nos
queimadores
reage
completamente com o oxigênio (comburente), diz-se que há uma combustão
completa. Em uma combustão completa, ocorre a produção de um número limitado
de produtos.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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6
A combustão completa de combustíveis compostos exclusivamente por
hidrocarbonetos gera apenas dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Entretanto, os
hidrocarbonetos normalmente estão misturados a outros elementos como nitrogênio,
enxofre e ferro. Estes elementos também são queimados, tendo como resultado a
formação de outros óxidos dos quais se destacam os mais comuns: dióxido de
nitrogênio (NO2), dióxido de enxofre (SO2) e óxido de ferro III (FeO3).
Conhecendo-se a composição do combustivel e com base na estequiometria da
reação, consegue-se calcular o ar necessário para a queima eficiente do
combustível. A quantidade de ar que fornece o oxigênio teoricamente suficiente para
a combustão completa do combustível é denominada de “ar teórico” ou “ar
estequiométrico”. Na prática, é muito difícil obter uma boa combustão apenas com o
ar estequiométrico, sendo necessário recorrer a um percentual seguro de excesso
de ar para evitar a combustão incompleta.
A combustão incompleta é altamente indesejável do ponto de vista energético,
ambiental e de segurança, pois além de não queimar o combustível, o qual é
liberado pela chaminé (combustível gasoso), a combustão incompleta produz
inúmeros produtos nocivos ao meio-ambiente, tais como monóxido de carbono (CO),
que é letal. Também há liberação de átomos de carbono sob a forma de fuligem.
Além do suprimento ineficiente de oxigênio, outros fatores podem causar uma
combustão incompleta: baixa turbulência, baixo tempo de residência, nebulização
deficiente do combustível (no caso de liquidos).
3.1.4 Perdas energéticas na combustão incompleta
Além da emissão de poluentes na atmosfera há também prejuízos energéticos
associados à combustão incompleta, conforme pode ser observado na equação (31).
EGC  mGC  PCI GC
Sendo:
EGC: Energia devido à queima incompleta;
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(3-1)
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7
mGC: Massa de gás combustível não queimada na queima incompleta;
PCIGC: Poder calorífico inferior do gás combustível;
3.1.5 Perdas energéticas por excesso de ar na combustão completa
Conforme visto, a combustão incompleta representa um grande desperdício de
combustível, além de emitir vários poluentes na atmosfera, devendo-se recorrer a
percentual seguro de excesso de ar na combustão para garantir a reação completa
do combustível.
A introdução do excesso de ar na reação de combustão, contudo, implica em
perdas energéticas no processo, pois parte da quantidade de calor liberada na
queima é utilizado para aquecer o ar em excesso e é liberado pela chaminé. A
quantidade de calor desperdiçada neste caso é dada pela equação (3-2).
E AR  mAR  c AR  TF  TI 
(3-2)
Sendo:
EAR: Energia desperdiçada pelo aquecimento do excesso de ar;
mAR: Massa do excesso de ar na combustão;
cAR: Calor específico do ar;
TF: Temperatura de saída do ar aquecido;
TI: Temperatura de entrada do ar no queimador.
O excesso de ar é fator determinante da eficiência da combustão, pois controla
o volume, temperatura e entalpia dos produtos da combustão. Um grande excesso
de ar é indesejável, pois diminui a temperatura da chama e aumenta as perdas de
calor devido à entalpia dos gases efluentes, reduzindo a eficiência térmica, além de
diminuir o comprimento da chama. Por outro lado, um baixo excesso de ar pode
resultar numa combustão incompleta e na formação de CO, fuligem e fumaça, além
de possibilitar a acumulação de combustível não queimado, causando risco de
explosão.
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8
O valor ótimo do excesso de ar é aquele que garante a combustão completa
sem, contudo, gerar elevadas perdas de calor pela chaminé. Não existe consenso
na literatura a respeito do excesso de ar a ser utilizado. Para a queima de gás
natural, os valores típicos para o excesso de ar situam-se entre 7% e 15%
(DUKELOW, 1991).
A Figura 3.2 relaciona as perdas por excesso de ar com a concentração dos
produtos tóxicos liberados na reação de combustão incompleta.
Figura 3.2 – Perdas em relação ao excesso de ar.
3.2 VENTILADORES
3.2.1 Definição
Ventiladores são máquinas de fluxo geradoras que trabalham com fluido no
estado gasoso provocando uma diferença de pressão inferior a 0,20kgf/cm2 (VIANA,
2002).
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9
3.2.2 Classificação
Os ventiladores podem ser classificados de diversas formas:
 De acordo com a forma do rotor
o Centrífugos os radiais: operam com pequenas vazões e grandes
pressões;
o Fluxo misto: operam com médias vazões e médias pressões;
o Axiais: Operam com grandes vazões e pequenas pressões.
 De acordo com a posição das pás do rotor
o Pás curvadas para trás: Maior estabilidade, bom rendimento e
silencioso;
o Pás retas: possui construção simples e baixo rendimento;
o Pás curvadas para frente: Baixo rendimento e baixo ruído.
3.2.3 Curvas características dos ventiladores
Os diferentes parâmetros construtivos citados no item anterior (e outros não
citados
neste
trabalho)
são
importantes
para
determinação
das
curvas
características (pressão, rendimento e potência) de operação de um ventilador.
As curvas características dos ventiladores tem um comportamento diferente
para cada tipo (VIANA, 2002), conforme Figura 3.3.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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10
Figura 3.3 – Curvas características de ventiladores.
3.2.4 Modo de operação
Os ventiladores não possuem mecanismos próprios para regulação de vazão.
Deste modo, o ponto de operação de um ventilador é dado pela interseção entre a
curva de operação do ventilador (pressão x vazão) e a curva da instalação
(determinada a partir do somatório das perdas de carga da tubulação), conforme
Figura 3.4.
Figura 3.4 – Determinação do ponto de operação.
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11
A alteração do ponto de operação dado só é possível mediante algum
dispositivo com capacidade de regular da vazão.
3.2.5 Regulação de vazão em sistemas de ventilação
Uma vez que os ventiladores sozinhos não são capazes de regular a vazão do
sistema, é necessário utilizar equipamentos auxiliares para este fim, dos quais se
destacam:
 Dampers;
 Variadores de velocidade.
3.2.6 Regulação de vazão por damper
Os dampers são dispositivos mecânicos de restrição utilizados para controle da
vazão de ar em sistemas de ventilação. Esses dispositivos são instalados na
descarga dos ventiladores.
A operação dos dampers restringe a quantidade de ar à medida que o damper
vai restringido a passagem do fluido. Conseqüentemente, observa-se um aumento
da pressão na descarga, reduzindo a vazão de saída do ventilador e, portanto,
modificando o ponto de operação do sistema.
Em relação à movimentação do ponto de operação, a variação do percentual
de abertura dos dampers significa um acréscimo (ou decréscimo) da perda de carga
no sistema. Portanto, tal modificação representa uma alteração na curva do sistema,
conforme pode ser visto na Figura 3.5.
Uma vez que as curvas do ventilador não se alteram, a modificação do ponto
de operação incorre em variações no consumo de potência e no rendimento da
máquina, conforme Figura 3.3.
Em geral, os ventiladores são especificados para operar numa região próxima
ao ponto de máxima eficiência, garantindo a operação econômica do conjunto.
Assim, quando há variação do ponto de operação por influência do damper, há por
consequência uma redução da eficiência do ventilador.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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12
Figura 3.5 – Efeito do estrangulamento na modificação da curva do sistema.
[Fonte: Catalogo GREENHECK]
3.2.7 Regulação de vazão por variador de velocidade
Os variadores de velocidade são dispositivos capazes de modificar a
velocidade de operação de máquinas rotativas (ventiladores, por exemplo). Assim,
esses dispositivos atuam na modificação da rotação dos ventiladores sem modificar
o sistema. A Figura 3.4 indica como o ponto de operação é modificado pela atuação
dos conversores de freqüência.
Segundo VIANA (2002), a variação de rotação em um ventilador leva o mesmo
para outro ponto de operação que é homólogo ao anterior, isto é, de rendimento
semelhante. Assim, dentro de certos limites, a variação na rotação do ventilador (por
um variador de velocidade) não incorre em perda de rendimento deste equipamento.
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13
Figura 3.6 – Efeito da variação da rotação na curva do ventilador.
[Fonte: Catálogo GREENHECK]
Os variadores de velocidade mais comuns utilizados na indústria são:
 Conversor de frequência (para conjunto motor+ventilador);
 Governador eletrônico (para conjunto turbina+ventilador).
3.3
CONVERSORES DE FREQUÊNCIA
3.3.1 Definição
Conversores de freqûencia são “dispositivos eletrônicos, que atuam sobre a
frequência da corrente dos motores, variando a sua rotação. Considerando que
ventiladores, bombas e outras máquinas rotativas nem sempre operam em plena
carga e que as vazões estão linearmente relacionadas com a rotação da máquina, a
utilização de variadores de frequência possibilita o ajuste de vazão sem introduzir
perdas, alterando a rotação da máquina” (PANESI, 2006).
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14
3.3.2 Princípio de funcionamento
O princípio de funcionamento dos conversores de frequência é baseado na
modificação da freqüência da tensão elétrica de alimentação do motor do ventilador,
permitindo a variação da sua velocidade de rotação. Conforme a equação (3-3), a
velocidade de rotação de um motor é proporcional à freqüência da corrente elétrica
que o alimenta.
velM 
120  f
 (1  s)
p
(3-3)
Onde:
velM: Velocidade de rotação do motor
p: Número de pólos do motor
f: Freqüência da corrente elétrica
s: Escorregamento do motor
Como a potência elétrica fornecida aos motores é proporcional à velocidade de
rotação do eixo do motor, conforme equação (3-4), então, por conseqüência, a
variação da freqüência da corrente elétrica implica na variação da potência fornecida
ao ventilador pelo eixo do motor.
Pot M 
CM  

Onde:
P: Potência elétrica do motor
C: Conjugado motor
ω: Velocidade angular do eixo
η: Rendimento do motor
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
(3-4)
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15
3.3.3 Eficiência dos conversores
Uma grande vantagem do uso dos variadores de velocidade em relação ao uso
de dampers é o aumento da eficiência energética do sistema de ventilação.
Conforme pode ser visto na Figura 3.5, ventiladores controlados por variadores de
velocidade apresentam uma considerável redução no consumo do sistema em
relação ao controle com dampers (na sucção ou na descarga), principalmente para
vazões inferiores a 80% da vazão nominal.
Figura 3.7 – Consumo de energia do ventilador para as configurações apresentadas.
[Fonte: US Department of Energy, 1989]
A utilização de variadores de velocidade em ventiladores também permite uma
melhor regulagem da vazão de ar em relação ao uso de dampers, permitindo um
melhor e mais eficiente controle da combustão. Isso é possível porque os dampers
estão mais sujeitos a travamentos, além de não serem muito precisos na regulação
da vazão de ar.
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16
3.3.4 Comparação entre conversores e dampers
A Tabela 3.1 apresenta um comparativo entre os mecanismos de regulação de
vazão apresentados.
Tabela 3.1 – Comparação dos mecanismos de controle de vazão.
TIPO DE CONTROLE
Dampers na descarga
VANTAGENS
 Baixo Custo de implantação
 Facilidade de Instalação
DESVANTAGENS
 Limitação de ajuste
 Baixa eficiência energética
 Sujeito a emperramento
 Não sujeito a emperramento por
Variador de velocidade
sujeira
 Excelente eficiência para grande
 Alto custo de implantação
faixa de vazão
3.3.5 Cuidados com a instalação industrial no uso de conversores de
frequência
Embora o uso de variadores de velocidade represente uma boa eficiência
energética, o uso inadvertido dos mesmos numa instalação pode gerar alguns
problemas: introdução de componentes harmônicas na corrente elétrica, danos na
isolação dos motores devido a picos de tensão, entre outros. Assim, alguns cuidados
devem ser tomados para evitar efeitos indesejáveis decorrentes da instalação destes
equipamentos. Os principais são apresentados abaixo.
a. Introdução de componentes harmônicas na corrente elétrica
O processo de conversão de freqüência adiciona componentes harmônicas
prejudiciais ao funcionamento de outros equipamentos da rede elétrica. A norma
IEEE N-519 recomenda que a distorção harmônica total (THD) na rede, para
aplicações normais, não deve exceder 5%. Deste modo, deve ser considerada na
especificação de inversores uma solução que atenda às recomendações desta
norma. No Brasil, o PRODIST (Procedimentos de distribuição de Energia Elétrica do
sistema elétrico nacional) estabelece 8% como limite superior para um nível de
tensão de 1kV a 13,8kV.
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17
Conforme Figura 3.6, o conjugado disponível do motor decresce com o
aumento de harmônicos na rede elétrica. Conforme pode ser observado, a partir de
cerca de 3% de THD o motor não consegue mais disponibilizar todo o conjugado
nominal. Assim, inversores de freqüência de maior quantidade de pulsos são mais
recomendados para minimizar a perda de potência do motor.
Figura 3.8 – Redução do Conjugado x Harmônicos de Tensão.
[Fonte: Catálogo SIEMENS, 2007]
Algumas soluções existentes têm obtido êxito no tratamento das harmônicas,
como o uso de transformadores de isolação e filtros de tratamento de harmônicas.
Os transformadores de isolação possuem duas finalidades principais: isolar a
rede das harmônicas geradas pelo conversor de freqüência e evitar que um possível
curto-circuito gerado no conversor se propague pelo barramento. Os filtros de
tratamento de harmônicas atenuam estas componentes, diminuindo sensivelmente a
THD total injetada na rede. A Figura 3.7 apresenta uma comparação entre as
componentes harmônicas geradas por diferentes tipos de solução.
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18
Figura 3.9 - Comparação entre soluções para o tratamento de harmônicas
[Fonte: Catálogo SIEMENS, 2007]
b. Danos na isolação dos motores devido a picos de tensão
Devido à natureza pulsante da excitação elétrica fornecida pelo inversor, ocorre
no motor um fenômeno indesejado, a reflexão das ondas de tensão. Essa reflexão
provoca sobreposição de ondas, ocasionando picos de tensão / corrente nas
bobinas do motor. O excesso de tensão provocado pode danificar a isolação das
bobinas devido ao aquecimento, principalmente em motores antigos, os quais não
foram construtivamente preparados para serem operados por variador de
velocidade, estando mais sensíveis a este tipo de dano. Em motores com
alimentação maior que 500 V deve ser previsto um filtro dV/dt na saída do inversor
para minimizar a sobreposição dessas ondas nos terminais do motor.
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19
4 METODOLOGIA
Visando reduzir as perdas energéticas inerentes ao modo operacional atual,
este trabalho busca uma solução ecoeficiente que minimize o desperdício de energia
resultante da combustão incompleta e do excesso de ar além dos limites aceitáveis.
Para isso, propõe-se a instalação de variador de velocidade (conversor de
frequência) no motor do ventiador da caldeira para controle da rotação deste
acionamento e, consequentemente, da vazão de ar.
O desenvolvimento deste trabalho compreendeu as seguintes etapas:
 Coleta de dados: O objetivo desta etapa é obter informações temporais, no
sistema de armazenamento de dados históricos da caldeira,
das
grandezas definidas como importantes para avaliação energética do
sistema.
 Avaliação energética do sistema de combustão da caldeira: Quantificação
das perdas decorrentes da operação da caldeira utilizando dampers na
saída do ventilador.
 Análise da redução das perdas energéticas decorrentes da instalação de
conversor de frequência: Quantificação do aumento da eficiência
energetica no sistema.
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20
4.1 INFORMAÇÕES DO SISTEMA
4.1.1 Caldeira
A caldeira estudada apresenta problemas no balanceamento da relação arcombustível na câmara de combustão. Esta caldeira opera com a malha de controle
de vazão de ar em modo manual, com a abertura do damper sendo controlada
diretamente pelo operador de painel (controle manual). Isto se deve ao fato de que o
damper não funciona adequadamente quando comandado de forma automática pela
malha de controle, com frequentes problemas operacionais devido a emperramento.
Este funcionamento em modo manual traz grandes problemas sob o ponto de vista
de eficiência, pois a carga da caldeira e, conseqüentemente, a quantidade de gás
combustível injetado na câmara de combustão, variam ao longo do tempo, não
sendo viável para a Operação da unidade a correção manual na abertura do atuador
a cada variação na demanda de ar.
A caldeira possui as seguintes características:
 Caldeira de recuperação;
 Capacidade de produção de vapor: 350t/h;
 Pressão de saída do vapor: 42kgf/cm2..
Sendo uma caldeira de recuperação, a produção de vapor aproveita a energia
de gases aquecidos oriundos do processo industrial e utiliza gás combustível na
queima complementar.Os gases de recuperação, todavia, não participam da queima
complementar, sendo todo o ar participante da combustão oriundo do meio externo.
Assim, a temperatura do ar de entrada é de ambiente (27ºC).
4.1.2 Ventilador
O ar utilizado na câmara de combustão da queima complementar é fornecido
por um ventlador com as seguintes características:
 Centrífugo (ou radial);
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21
 Simples sucção;
 Pás voltadas para trás;
 Velocidade nominal: 1200rpm;
 Vazão nominal: 72Nm3/s;
 Pressão nominal: 68,4mbarg;
 Rendimento nominal: 80,4%.
As curvas de pressão e potência do ventilador são apresentadas na Figura 4.1.
Figura 4.1 – Curvas de operação do ventilador.
4.1.3 Motor elétrico
O ventilador é acionado por um motor elétrico de indução, cujas características
são apresentadas abaixo:
 Potência nominal: 650kW;
 Corrente nominal: 120A;
 Tensão nominal: 2.300V;
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22
 Rendimento a 50% da carga: 95,4%;
 Rendimento a 75% da carga: 96,3%;
 Rendimento a 100% da carga: 96,6%;
 Rotação: 1.194rpm;
 Grau IP-55.
4.2 COLETA DE DADOS
Conforme proposta definida no capítulo 2, este trabalho se propõe a avaliar o
consumo elétrico do motor e o consumo térmico do sistema de combustão da
caldeira.
para avaliação dos consumos citados, as seguintes infomações devem ser
obtidas a partir dos dados históricos para análise do sistema:
 Relação estequiométrica da queima do gás combustível
 Relação ar-combustível real de operação
 Temperatura de saída do ar pela chaminé
4.2.1 Relação estequiométrica da queima do gás combustível
o gás combustível uilizado na queima é oriundo de outros processos, embora
tenha poder calorífico inferior (PCI) e densidade (ρ) semelhante ao do gás natural
padrão, conforme Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Propriedades utilizadas para o gás combustível.
CARACTERÍSTICA
PCI
Densidade
VALOR
0,0085 Gcal/m³
0,78 Kg/m³
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23
Conforme PINHEIRO & VALLE (1995), determinar a composição molecular do
gás combustível é importante para determinar a relação estequiométrica teórica que
resulta em uma combustão completa. Os dados históricos foram levantados, sendo
apresentada na Figura 4.1 os valores médios, em massa, dos componentes do gás.
Os dados foram obtidos do Processo por meio de um analisador industrial. As
amostras coletadas tiveram periodicidade e 1h e foram obtidas durante três meses
de coleta.
Figura 4.2 – Composição média em massa do gás combustível no período analisado.
A Tabela 4.2 apresenta as reações básicas de oxigênio necessário para
combustão completa dos componentes do gás combustível. O nitrogênio é um gás
inerte e, por isso, nao reage com o oxigênio numa reação de combustão.
Tabela 4.2 – Reações básicas de combustão.
REAGENTES
PRODUTOS
C + O2
CO2
2H2 + O2
2H2O
S + O2
SO2
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24
Considerando os pesos molares dos elementos participantes da reação:
carbono (12), hidrogênio (1), oxigênio (16) e enxofre (32), e os dados apresentados
na Figura 4.1, é possível determinar a relação (Ro) entre a quantidade de oxigênio e
quantidade de gás combustível para alcance da combustão estequiométrica,
conforme equação 4-1.
 12 n  16 2 n  32 32 n
RO  nC  32
H
S
O
(4-1)
Sendo:
nc: Percentual, em massa, de carbono no gás combustível;
nH: Percentual, em massa, de hidrogênio no gás combustível;
nS: Percentual, em massa, de enxofre no gás combustível.
nO: Percentual, em massa, de oxigênio no gás combustível.
Uma vez que o percentual por peso atômico do oxigênio na composição
mássica do ar atmosférico é de aproximadamente 23%, a relação estequiométrica ar
/ gás combustível (Rteórica) em massa é dada pela equação 4-2.
Rteórica 
RO
23%
(4-2)
Desta forma, a relação estequiométrica ar / gás combustível (Rteórica) calculada
é de 15,84 kg ar / kg GC.
4.2.1 Relação ar-combustível de operação
Conforme TASKINEN (2008), o levantamento das vazões de ar e de
combustível no sistema de combustão da caldeira é fundamental para avaliar a
condição de queima do gás na câmara. Para tanto, foram levantados dados
históricos de vazão referentes a três meses de operação da caldeira (coletados a
cada 1min) e calculada relação ar-combustível real de operação praticada ao longo
do período analisado.
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25
4.2.2 Temperatura de saída do ar pela chaminé
A determinação da temperatura de saída do ar pela chaminé é fundamental
para o calcular a quantidade de calor desperdiçada para aquecimento do ar em
excesso na câmara de combustão. Esta temperatura foi obtida a partir dos dados de
operação do equipamento, medidas através de um termoelemento localizado na
chaminé. As amostras foram coletadas a cada 1h durante três meses.
4.3 AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DO SISTEMA TÉRMICO
As perdas energéticas do sistema térmico decorrem do desbalanceamento na
relação ar-combustível na queima do gás. Podem ser decorrentes da falta ou do
excesso de ar na câmara de combustão.
4.3.1 Quantificação das perdas termicas por falta de ar na combustão
As perdas energéticas devido à combustão incompleta do gás combustível
foram calculadas conforme as seguintes etapas:
 Cálculo da deficiência de ar nos queimadores para a vazão de combustível
medida, conforme equação 4-3.
QAR  QAR _ teórica  QAR _ medida
(4-3)
Sendo:
ΔQAR: Deficiência de ar nos queimadores, em t/h;
QAR_teórica: Vazão de ar estequiométrica, em t/h;
QAR_medida: Vazão de ar medida no processo, em t/h.
 Cálculo da vazão mássica do gás combustível não queimado devido à
combustão incompleta, conforme equação 4-4.
QGC 
QAR
Rteórica
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
(4-4)
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26
Sendo:
ΔQGC: Excesso de gás combustível nos queimadores, em t/h;
Rteórica: Relação ar / combustível estequiométrica;
 Cálculo da perda energética provocada pela queima incompleta da
quantidade de gás combustível calculada, conforme equação 4-5.
EGC 
PCI GC
GC
n
  QGC (i)  t (i)
(4-5)
i 1
Sendo:
EGC: Perda energética provocada pela queima incompleta, em Gcal;
PCIGC: Poder calorífico Inferior do gás combustível, em Gcal/m³;
ρGC: Densidade do gás combustível, em t/m³;
Δt: Intervalo de tempo para cada valor calculado de excesso de gás
combustível, em horas.
Associando as equações 4-3, 4-4 e 4-5, obtem-se a equação 4-6.
EGC 

n
PCI GC
  (QGC _ medida (i)  Rteórica  QAR _ medida (i))  t (i)
 GC  Rteórica i 1

(4-6)
4.3.2 Cálculo das perdas por excesso de ar
Para o cálculo das perdas por excesso de ar, deve-se partir da equação 3-2 e
usar raciocínio análogo ao desenvolvido no item 4.3.1. Assim, as perdas pelo
aquecimento do excesso de ar no sistema atual podem ser calculadas pela equação
4-7.

E AR _ atual  c AR   QAR _ medido (i)  QGC _ medida (i)  Rteórica  TF (i)  TI   t (i)
n

i 1
Sendo:
EAR_atual: Energia atualmente desperdiçada pelo excesso de, em Gcal;
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(4-7)
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27
cAR: calor específico do ar, em Gcal/t.ºC;
TF: Temperatura de saída do ar na chaminé, em ºC;
TI: Temperatura de entrada do ar nos queimadores, em ºC (temperatura
ambiente).
4.3.1 Perdas térmicas do sistema com controle automático de vazão
O controle automático da vazão de ar para a câmara de combustão oferece a
possibilidade de redução das perdas decorrentes do desbalanceamento da relação
ar-combustível na queima.
Conforme PINHEIRO & VALLE (1995), é necessário considerar um pequeno
excesso de ar na queima para garantir a combustão completa do gás combustível.
Neste estudofoi adotado um valor conservador de 20% de excesso de ar.
Assim, o sistema com controle automático também não está imune de perdas
térmicas decorrentes do excesso de ar na queima. A diferença é que a relação arcombustível estará sob constante monitoração e regulação pelo sistema de controle,
impondo que a mesma não oscile devido a variações na carga da caldeira.
Assim, a equação 4-7 continua válida para quantificação das perdas térmicas
devido ao excesso de ar na queima. É necessário apenas particularizá-la,
considerando a vazão de ar medida 20% maior que a vazão de ar teórica, obtendose a equação 4-8.
n

E AR _ proposta  c AR   0,2  Rteórica  QGC _ medida (i)  TF (i)  TI   t (i)

(4-8)
i 1
4.4 AVALIAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO
A metodologia utilizada para avaliar a eficiência energética do sistema elétrico
compreende a análise do consumo elétrico do motor no modo de operação atual
(com damper) e com um conversor de frequência regulando a vazão.
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28
4.4.1 Quantificação do consumo elétrico do motor sem conversor de
frequência
O consumo elétrico do motor sem conversor de frequência pode ser obtido
conforme metodologia a seguir.
 Determinação da potência hidráulica fornecida pelo ventilador ao fluido, a
partir da equação 4-9:
Ph  Pt  Q
(4-9)
Sendo:
Ph – Potência hidráulica fornecida pelo ventilador, em W;
Pt – Pressão total, em Pa;
Q – Vazão do fluido, em Nm³/s.
 Cálculo da potência elétrica no conjunto conversor-motor a partir da
potência hidráulica Ph obtida pela equação 4-9, conforme equação 4-10.
Pel 
Ph
P
 m
 v  m  m
(4-10)
Sendo:
Pel – Potência elétrica fornecida ao motor, em W;
Pm – Potência mecânica no eixo do motor, em W;
ηV – Rendimento do ventilador;
ηm – Rendimento do motor.
 A partir dos valores calculados de potência elétrica, é calculada a energia
consumida pelo motor utilizando a equação 4-11.
n
E   Pel (i)  t (i)
i 1
Sendo:
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(4-11)
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29
E – Energia fornecida ao motor, em kWh;
Δt – Intervalo de tempo em que foi fornecida a potência P el, em horas.
n – Total de faixas de operação de vazão.
A partir das equações 4-9, 4-10 e 4-11, obtem-se a equação 4-12.
n
Eatual  
i 1
t (i)  Q(i)  Pt (i)
v (i)  m (i)
(4-12)
Sendo:
Para determinar as grandezas componentes da equação 4-12 adota-se a
metodologia a seguir.
a. Pressão Total (Pt)
A
pressão
total
do
sistema
é
calculada
pela
soma
das
parcelas
correspondentes à pressão estática e à pressão dinâmica no sistema. Como o fluido
em questão é o ar, que possui um baixo peso específico, foi considerado, para este
caso, que a pressão estática é nula (Pe=0).
Para o cálculo da pressão dinâmica em cada faixa Q de vazão foram utilizadas
as leis de semelhança, tomando como referência o ponto nominal, conforme
equação 4-13.
Pd 
( Pn  Pe ) 2
.Q
Qn2
(4-13)
Sendo:
Pn: Pressão total do sistema no ponto nominal de operação, em Pa;
Qn: Vazão nominal do sistema, em Nm³/h.
b. Rendimento do Ventilador (ηv)
O rendimento do ventilador é obtido diretamente das curvas fornecidas pelo
fabricante
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30
c. Rendimento do motor (ηm)
O rendimento do motor é função do carregamento do mesmo. Este
carregamento é calculado conforme equação 4-14.
 
Pm
Pnom
(4-14)
Sendo:
 – Carregamento do motor, em %;
Pm – Potência mecânica no eixo do motor, em W;
Pnom – Potência nominal do motor, em W;
Segundo GARCIA (2003), a dependência do rendimento com o carregamento
do motor pode ser aproximada por uma curva do tipo exponencial, sendo esta uma
excelente aproximação. Assim, o rendimento é calculado a partir da equação 4-15.
 m  A  (1  e  a )
(4-15)
Sendo:
A
2
 50
2  50  100
  
a   ln 1  100 
A 

Onde:
η50 – Rendimento do motor a 50% da carga;
η100 – Rendimento do motor a 100% da carga (nominal).
4.4.2 Identificação do consumo elétrico do motor com conversor de
frequência
O consumo de energia elétrica no motor operando com conversor de frquência
pode ser calculado conforme equação 4-16.
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31
t (i)  Q(i)  Pt (i)
i 1  b (i )   m (i )   inv
n
Enovo  
(4-16)
Sendo:
ηinv – Rendimento do variador de velocidade.
Conforme pode ser observado, a equação 4-16 é bastante semelhante à
equação 4-12. A única diferença entre elas é que o sistema com conversor de
frequência deve considerar o rendimento do variador de velocidade. Entretanto, a
metodologia de cálculo de algumas grandezas presentes nas duas equações é
diferente.
a. Rendimento do Ventilador (ηv)
Para o sistema com conversor de frequência, o rendimento do ventilador deve
ser
calculado a partir da aplicação das Leis de Semelhança para (pontos
homólogos). Desta forma, como a curva do sistema utilizada possui pressão estática
igual a zero, a mesma sobrepõe-se a uma curva de isorendimento, o que implica no
fato de que o rendimento do ventilador nos diferentes pontos de operação seja
constante. Assim, para todos os pontos foi adotado o rendimento do ventilador igual
ao rendimento no ponto de operação nominal, que é igual a 81,9%.
b. Rendimento do variador de velocidade (ηinv)
O rendimento do variador de velocidade utilizado nos cálculos considerou a
média de valores típicos dos principais fabricantes do mercado (SIEMENS,
ROCKWELL, ABB): 97%.
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32
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A partir da aplicação da metodologia apresentada no capítulo 4, foram
encontrados os resultados descritos a seguir.
5.1 TRATAMENTO DOS DADOS COLETADOS
5.1.1 Levantamento da relação ar-combustível da caldeira
Utilizando a relação estequiométrica como referência, obteve-se o perfil
apresentado na Figura 5.1 para a relação ar-combustível real de operação da
caldeira no período analisado.
Figura 5.1 – Variação da relação ar-combustível no período analisado.
Este resultado indica que a caldeira opera sem controle rígido da relação arcombustível, levando a queima a ocorrer em alguns momentos com excesso de ar
na câmara de combustão, e em outros com falta de ar.
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33
5.1.1 Levantamento da temperatura de saída do ar
A temperatura de saída do ar na chaminé foi obtida por levantamento do
histórico de medições, utilizando valores médios horários de temperatura, em ºC.
Para efeito de simplificação dos cálculos, foi tomado o valor médio de
temperatura de saída, Ts = 250,3 ºC. A Figura 5.3 apresenta a representatividade do
valor utilizado nos cálculos.
Figura 5.2 – Perfil de temperatura na saída do ar.
5.2 AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DO SISTEMA
5.2.1 Avaliação energética das perdas térmicas do sistema atual
Para determinação das perdas térmicas atuais, é necessário analisar
separadamente os períodos de operação em que a caldeira operou com excesso e
ar dos períodos em que a mesma operou com excesso de gás na câmara.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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34
a. Análise do período de operação com excesso de ar
Os dados de vazão de ar coletados referentes ao período observado foram
organizados em faixas de vazão, conforme Tabela 5.1. Para cada faixa de vazão, foi
considerada a média do intervalo o para cálculo da perda energética do sistema em
cada faixa de operação no período indicado.
A perda energética anual foi calculada a partir de uma extrapolação linear das
perdas trimestrais calculadas.
Tabela 5.1 – Perda energética anual devido ao aquecimento do excesso de ar.
EXCESSO DE AR
% DO TEMPO
PERDA ENERGÉTICA
(T/H)
(%)
(GCAL/ANO)
0 ~ 10
8,6%
201
10 ~ 20
3,8%
177
20 ~ 30
4,6%
430
30 ~ 40
4,5%
631
40 ~ 50
8,6%
1.620
50 ~ 60
6,7%
1.578
60 ~ 70
5,7%
1.611
70 ~ 80
6,0%
1.974
80 ~ 90
2,9%
1.092
90 ~ 100
3,6%
1.531
Acima de 100
10,0%
4.700
TOTAL
65,0%
15.545
É importante ressaltar que não há uma correlação entre o percentual de
excesso de ar na combustão com o valor absoluto do excesso de ar (em t/h), pois o
excesso de ar pode ser de 30t/h, e isso representar apenas 2% de excesso de ar.
De igual modo, é possível que a caldeira opere com 2t/h de excesso de ar, mas esse
valor represente 30% de excesso de ar. Assim, da Tabela 5.1 não é posível concluir
qual a perda energética incorrida pela operação do sistema em um certo percentual
de excesso de ar.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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35
b. Análise do período de operação com excesso de gás combustível
Assim como no caso anterior, os dados coletados referentes a este período
também foram organizados em faixas de vazão de ar, conforme Tabela 5.2. Para
cada faixa de valores, foi considerado o extremo inferior do mesmo para cálculo da
perda energética do sistema em cada faixa de operação no período indicado.
A perda energética anual foi calculada a partir de uma extrapolação linear das
perdas trimestrais calculadas.
Tabela 5.2 – Perda energética anual devido a queima incompleta do gás combustível.
FALTA DE AR
% DO TEMPO
PERDA ENERGÉTICA
(T/H)
(%)
(GCAL/ANO)
0 ~ 10
2,9%
2.053
10 ~ 20
8,7%
4.853
20 ~ 30
8,5%
10.224
30 ~ 40
8,1%
15.766
Acima de 40
6,8%
7.007
TOTAL
35,0%
39.903
5.2.2 Avaliação energética das perdas térmicas do sistema proposto
Com a utilização do variador de velocidade na regulação da vazão de ar, é
possível estabelecer um controle automático confiável, regulando, assim, a relação
ar-combustível na queima. Considerando o exposto no item 4.3, (excesso de ar
percentual constante e igual a 20%), foi obtida a perda térmica apresentada na
Tabela 5.3.
Tabela 5.3 – Perdas térmicas com variador de velocidade.
EXCESSO DE AR
% DO TEMPO
PERDA ENERGÉTICA
(T/H)
(%)
(GCAL)
0 ~ 10
0,00%
0,00
10 ~ 15
21,0%
1.492
15 ~ 20
20,5%
1.949
20 ~ 25
31,5%
3.728
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
36
25 ~ 30
27,0%
3.830
TOTAL
100%
10.999
5.2.3 Avaliação energética do consumo de energia elétrica do motor
A análise energética a partir do consumo elétrico do motor foi efetuada a partir
dos dados de vazão de ar fornecida pelo ventilador, conforme metodologia exposta
no capítulo 4.
A Figura 5.1 apresenta os dados de vazão coletados para o sistema atual,
agrupados por faixas de valores.
Figure 5.1 – Perfil de vazão do sistema atual.
O consumo elétrico do motor no sistema atual calculado pela metodologia
descrita no capítulo 4 está apresentado na Tabela 5.4.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
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37
Tabela 5.4 – Consumo elétrico do motor no sistema atual.
Q
(%)
Q
(Nm³/s)
Tempo
(%)
Tempo
(h/ano)
Pt
Pot. H
(kW)
Pot. V
(kW)
Pot. M
(kW)
Consumo
(kWh)
0%
0
0,00%
0
10.400,0
0,0
88,00
131,2
0
5%
3,6
0,00%
0
10.595,9
38,1
143,04
173,3
0
10%
7,2
0,00%
0
10.752,3
77,4
195,18
217,7
0
15%
20%
10,8
14,4
0,00%
0,29%
0
25
10.869,4
10.947,1
117,4
157,6
244,40
290,71
262,7
307,0
0
7.688
25%
30%
18
21,6
3,43%
15,48%
300
1.356
10.985,4
10.984,2
197,7
237,3
334,11
374,60
349,7
390,2
105.081
529.301
35%
40%
25,2
28,8
18,15%
11,72%
1.590
1.027
10.943,7
10.863,8
275,8
312,9
412,17
446,84
428,3
463,6
680.995
475.986
45%
50%
32,4
36
16,67%
16,67%
1.461
1.461
10.744,5
10.585,8
348,1
381,1
478,60
507,44
496,2
525,8
724.729
768.015
55%
60%
39,6
43,2
9,86%
4,34%
864
380
10.387,6
10.150,1
411,4
438,5
533,38
556,40
552,5
576,2
477.289
218.836
65%
70%
46,8
50,4
1,14%
1,00%
100
88
9.873,2
9.556,9
462,1
481,7
576,52
593,72
597,0
614,7
59.793
53.876
75%
54
0,71%
63
9.201,2
496,9
608,01
629,5
39.407
80%
57,6
0,14%
13
8.806,1
507,2
619,39
641,2
8.029
85%
61,2
0,10%
8
8.371,6
512,3
627,86
650,0
5.425
90%
64,8
0,19%
17
7.897,7
511,8
633,42
655,7
10.947
95%
68,4
0,10%
8
7.384,4
505,1
636,07
658,5
5.496
0
6.831,7
491,9
635,80
100%
TOTAL
72
-
0,00%
100%
8.760
-
-
-
658,2
-
0
4.170.892
O perfil de vazão para o sistema novo proposto é diferente do perfil do sistema
atual, pois com a possibilidade de regulação da vazão de ar a partir do
monitoramento da relação ar-combustível modifica o comportamento de tal vazão. O
novo perfil é apresentado na Figura 5.4 e o resultado calculado indicado na Tabela
5.5.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
38
Figura 5.3 – Perfil de vazão do sistema novo.
Tabela 5.5 – Consumo elétrico do motor no sistema novo.
Q
(%)
Q
(Nm³/s)
Tempo
(%)
Tempo
(h/ano)
Pot. H
(kW)
Pt
Pot. V
(kW)
Pot. M
(kW)
Consumo
(kWh)
0%
0
0,00%
0
0,0
0,0
0,00
0,0
0
5%
3,6
0,00%
0
17,1
0,1
0,08
76,9
0
10%
7,2
0,00%
0
68,4
0,5
0,61
77,2
0
15%
20%
10,8
14,4
0,00%
0,29%
0
25
153,9
273,6
1,7
3,9
2,07
4,90
77,9
79,4
0
2.051
25%
30%
18
21,6
3,43%
15,48%
300
1.356
427,5
615,6
7,7
13,3
9,57
16,54
81,9
85,8
25.382
119.907
35%
40%
25,2
28,8
18,15%
11,72%
1.590
1.027
837,9
1.094,4
21,1
31,5
26,26
39,20
91,3
98,9
149.607
104.719
45%
50%
32,4
36
16,67%
16,67%
1.461
1.461
1.385,1
1.710,0
44,9
61,6
55,82
76,57
109,3
123,2
164.661
185.509
55%
60%
39,6
43,2
9,86%
4,34%
864
380
2.069,1
2.462,4
81,9
106,4
101,91
132,31
141,3
164,7
125.857
64.475
65%
70%
46,8
50,4
1,14%
1,00%
100
88
2.889,9
3.351,6
135,2
168,9
168,22
210,10
194,3
231,1
20.062
20.882
75%
54
0,71%
63
3.847,5
207,8
258,41
276,0
17.811
80%
57,6
0,14%
13
4.377,6
252,1
313,62
329,4
4.252
85%
61,2
0,10%
8
4.941,9
302,4
376,17
391,8
3.372
90%
64,8
0,19%
17
5.540,4
359,0
446,54
463,3
7.974
95%
68,4
0,10%
8
6.173,1
422,2
525,17
544,0
4.681
100%
72
0,00%
0
6.840,0
492,5
612,54
634,2
0
TOTAL
-
100%
8.760
-
-
-
-
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
1.021.199
CEPI – PEI – UFBA
39
5.2.4 Sumário dos ganhos energéticos a serem obtidos
A Tabela 5.6 apresenta um sumário dos ganhos energéticos esperados com a
utilização de conversor de frequência no sistema de combustão da caldeira
estudada.
Tabela 5.6 – Sumário dos ganhos energéticos.
GANHO ENERGÉTICO
GANHO ENERGÉTICO
(MWH)
(%)
Térmico
51.695
80%
Elétrico
3.150
75%
TOTAL
54.845
79,8%
SISTEMA
5.2.5 Análise da redução de emissão de CO2 equivalente
O ganho energético a ser obtido pela implantação da solução proposta está
diretamente atrelado à redução na emissão de CO2 equivalente para a atmosfera.
Existem várias tabelas de conversão que associam as diversas fontes de
energia a quantidade de CO2 equivalente. Este trabalho utiliza os valores abaixo:
 1 kWh de eletricidade = 0,54522 kg CO2 equivalente
 1 kWh de gás natural = 0,18523 kg CO2 equivalente
Para os valores considerados, obtém-se a expectativa de redução de emissão
de CO2 equivalente apresentada na Tabela 5.7.
Tabela 5.7 – Redução de CO2 equivalente.
GANHO ENERGÉTICO
REDUÇÃO DE CO2
(MWH)
(TON)
Térmico
51.695
9.575
Elétrico
3.150
1.717
TOTAL
54.845
11.293
SISTEMA
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
40
5.2.6 Discussão dos resultados
Os resultados apresentados no item anterior são muito significativos do ponto
de vista energético. Porém, conforme apresentado no capítulo 3, alguns cuidados
devem ser tomados para instalação de conversores, principalmente quando os
mesmos tem grandes potências.
Conforme resutados da Tabela 5.5, é necessário um conversor de 700 kVA
para implantação da solução apresentada. Para conversores deste porte deve ser
requerido, no mínimo, uma THD (Total harmonic distortion) de 5%, conforme
recomendado na IEEE-519. Isto significa que seria necessário um conversor de
frequência de pelo menos 18 pulsos.
Além disso, é necessário avaliar o motor existente quanto à capacidade do
mesmo suportar os estresses mecânicos e elétricos impostos pela operação com
conversor de frequência, conforme item 3.4.1. De igual forma, devem ser avaliados
os cabos que alimentam eletricamente o motor para se certificar de que os mesmos
são adequados para suportar esforços elétricos adicionais durante a operação.
Conforme Figura 5.4, a vazão do sistema apresenta grandes variações,
podendo chegar a 20% do valor nominal de operação. Conforme leis de
semelhança, a rotação varia linearmente com a vazão. Isto indica que para 20% de
vazão, a rotação também chegaria a 20% da rotação nominal. Entretanto, o
funcionamento de motores em rotações muito baixas pode ocasionar problemas de
aquecimento dos mesmos, causando elevação de temperatura e podendo
comprometer o isolamento dos seus enrolamentos internos. Deste modo, o
funcionamento do sistema em rotações muito baixas deve ser avaliado e deve estar
correlacionado com o tipo de motor a ser utilizado.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
41
6 CONCLUSÕES
Este trabalho evidenciou que sistemas de combustão de caldeiras operados
com regulação manual são ineficientes, principalmente quando a carga da caldeira
possui um perfil temporal altamente variável, como a caldeira estudada.
Além de ineficiente, a falta de cotrole adequado sobre a relação ar-combustível
na câmara de combustão deve ser observada do ponto de vista de segurança (das
pessoas e das instalações industriais). Conforme observado no item 5.1.1, a caldeira
operou durante uma parte do período avaliado com excesso de gás combustível na
câmara de combustão, o que indica que houve liberação deste excesso de gás não
queimado pela chaminé.
Neste trabalho foi apresentado que o aumento da eficiência do sistema
estudado pode ser obtido pelo método de atuação na regulação de vazão,
substituindo dampers (que introduzem perda de carga no sistema) por conversores
de frequência, conforme metodologia apresentada no capítulo 4. Conforme
resultados explicitados no capítulo 5, a implantação de conversor de frequência no
ventilador poderá representar uma redução de cerca de 55.000 MWh no consumo
energético atual da caldeira, o que representaria uma redução de 80% do consumo
atual. Este valor pode ser apresentado em termos de redução de emissões, sendo
11.300 toneladas de CO2 a quantidade equivalente de energia economizada.
Embora a implantação de conversor de frequência seja altamente desejável do
ponto de vista energético, uma vez que é uma solução ecoeficiente, é necessário
avaliar economicamente a implantação, pois o custo do conversor de frequência é
bastante variável a depender dos recursos desejados para o mesmo.Conforme
apresentado no capítulo 3, alguns cuidados devem ser tomados na instalação do
mesmo, devendo ser ralizada uma análise do impacto que o mesmo pode ter na
rede elétrica industrial.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
42
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Visando o aprofundamento da análise iniciada neste trabalho, propõe-se a
realização dos seguintes estudos futuros:
 Estudo de viabilidade econômica da solução apresentada a partir dos
ganhos
energéticos
obtidos
e
dos
investimentos
necessários
preliminarmente apontados no item 5.2.6;
 Analisar as restrições de operação relatadas no item 5.2.6, focando no
problema da limitação da rotação do ventilador e do motor;
 Estudar os impactos, do ponto de vista de segurança, da operação da
caldeira com excesso de gás combustível na câmara de combustão e
consequente liberação deste para a atmosfera;
 Estudar os incentivos decorrentes da redução de emissão de CO 2
mediante observância da Lei do Bem.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
43
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AQUINO, R. R. B. et al. Eficientização Energética em Métodos de Controle de
Vazão. 2008.
BEGA, Egídio Alberto. Instrumentação aplicada ao controle de caldeiras. Editora
Interciência. 3ª edição.
CARBON TRUST. Conversion Factors – Energy and carbon conversions. 2010.
Disponível em
http://www.carbontrust.co.uk/publications/pages/publicationdetail.aspx?id=CTL113.
Acessado em 22 de maio de 2011.
DUKELOW, Sam G. The Control of Boilers. 2a Ed. 1991.
DUTRA, João B. de A. Eficiência energética no controle da vazão em sistemas
de bombeamento de água: uso de válvula e controle de velocidade. Paraíba do
Sul: 2005.
GARCIA, Agenor Gomes Pinto. Impacto da Lei de Eficiência Energética para
Motores elétricos no potencial de Conservação de Energia na Indústria. Rio de
Janeiro, 2003.
GUIMARÃES, Felipe de Azevedo et al. Controle PID Auto-Ajustável em
ventiladores industriais visando a eficiência energética. Vitória: 2007.
JUNIOR, Percy E. G. Estudo das tecnologias e aplicações dos inversores de
frequência de média tensão. Vitória: 2005.
MONACHESI, M. G.; MONTEIRO, M. A. G. Eficiência energética em sistemas de
bombeamento: manual prático. Rio de Janeiro: 2005.
PANESI, André R. Quinteros. Fundamentos de Eficiência Energética Industrial,
Comercial e Residencial. São Paulo: 2006.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
CEPI – PEI – UFBA
44
PINHEIRO, Paulo César C.; VALLE, Ramon Molina. Controle de Combustão:
Otimização do Excesso de ar. Belo Horizonte: 1995.
SANTOS, A. H. M. et al. Conservação de Energia: Eficiência Energética de
Instalações e Equipamentos. 3ª. Ed. Itajubá: FUPAI, 2006.
SPITZER, David William. Variable Speed Drives – Priciples and Applications for
Energy Cost Savings. ISA, 2004.
TASKINEN, Teemu. Calculation Analysis of Energy Saving Tools for Fan and
Pump Applications. Lappeenranta: 2008.
UNEP. Energy Efficiency Guide for Industry in Asia. 2006. Disponível em
http://www.energyefficiencyasia.org/energyequipment/ee_es_fansblowers.html.
Acesso em 22 de maio de 2011.
WULFINGHOFF, Donald. Energy Efficiency Manual. 1999.
Eficiência energética em sistema de combustão de caldeira – Anderson Salum
UFBA
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL - PEI
Rua Aristides Novis, 02, 6º andar, Federação, Salvador BA
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