PROCEDIMENTOS DE ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM
SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO INDUSTRIAIS
Alin do A. Martins, Antonio C. Delaiba, Décio Bispo, Ranulfo G. Júnior, Sérgio F. P. Silva
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia-MG.
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo - Os sistemas de ar comprimido representam
parcela expressiva do consumo energético de uma
instalação industrial. Porém, o uso e manutenção
inadequada provocam redução no desempenho global
caracterizando uma fonte constante de desperdícios. Dessa
forma, este trabalho se encontra direcionado para o
desenvolvimento e comprovação de técnicas para análise da
eficiência energética de sistemas de ar comprimido. A
análise será realizada no compressor instalado no
laboratório de sistemas motrizes da Faculdade de
Engenharia Elétrica da UFU. Dentro deste foco principal,
as atividades desenvolvidas e apresentadas neste
documento contemplam questões associadas com a
conservação de energia, apresentação do protótipo,
metodologia de diagnóstico energético, e por fim, um
estudo de caso obtido do protótipo com respectiva análise
econômica de investimentos.
Palavras-chave – Análise Econômica, Compressores,
Eficiência Energética.
ENERGY EFFICIENCY ANALYSIS OF
COMPRESSED AIR SYSTEMS
Abstract - The compressed air systems represent plot
expressive of energy consumption of an industrial plant.
However, the use and inadequate maintenance cause
reduction in the overall performance featuring a constant
source of waste. Thus, this work is directed to the
development and proof of techniques to analyze the energy
efficiency of compressed air systems. The analysis will be
conducted in the compressor installed in the motors
systems laboratory of the Faculty of Electrical Engineering
at UFU.
Within this main focus, the activities developed and
presented herein contemplate issues related to the
conservation of energy, presentation of the prototype,
methods of diagnosis energy, and finally, a case study
obtained from the prototype with its economic analysis of
investments.
Keywords – Economic analysis, Compressors, Energy
Efficiency.
I. INTRODUÇÃO
Os problemas enfrentados pelo Brasil nos últimos anos no
setor energético demonstraram que a energia elétrica é matériaprima imprescindível para o país e, como tal, deve ser
gerenciada de maneira racional. A necessidade de estudos,
metodologias e aplicações que busquem a eficiência no uso da
energia foi evidenciada pela crise de abastecimento que se
instaurou no país no ano de 2001 [1].
Devido a esses aspectos foram criados no Brasil alguns
programas que apóiam a eficiência energética, entre eles,
PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia
Elétrica) da Eletrobrás, que em 22 anos de existência ajudou a
economizar 28,5 milhões de Mwh, Estudos e regulação para
eficiência energética da ANEEL (Agência Nacional de Energia
Elétrica) [2], entre outros.
A energia economizada com a ajuda destes programas
permite adiar o investimento em novas unidades geradoras e
aplicar recursos em outras áreas.
Dentro deste contexto, a Universidade Federal de
Uberlândia, em parceria com a Eletrobrás/Procel, idealizou
uma estrutura de laboratório que, de forma prática e funcional,
permite o estudo dos principais elementos motrizes utilizados
no setor industrial.
Através dos estudos realizados no laboratório, os métodos
desenvolvidos já puderam ser aplicados em algumas indústrias
no intuito da otimização de seu consumo energético [3].
II.
DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE E
ACIONAMENTO
A descrição envolve o detalhamento da plataforma de ensaio
do compressor. Esta carga foi instalada em bancada
independente, contendo um sistema de comando composto por:
sistemas de automação, controle e medições integrados. Um
acionamento composto por dois motores (standard e autorendimento) e dois modos de partida (direta e soft-start) que
acoplados à carga, permitem a visualização das formas de
controle e operação dos equipamentos, sobre o enfoque da
eficiência industrial.
A. Compressor de ar
Da mesma forma, o presente item retrata as características
e/ou funcionalidades mínimas específicas para o compressor de
ar. O módulo de carga é composto por um compressor com um
reservatório de ar comprimido, regulado por uma válvula
elétrica de saída de ar (alívio de pressão), permitindo o controle
da pressão do reservatório via supervisório.
A tubulação permite a simulação de perda de carga através
de furos de diferentes diâmetros (6 furos). A localização destes
furos possibilita a medição das perdas [l].
Em se tratando do controle por inversores de freqüência, a
justificativa de sua ausência como dispositivo de partida na
bancada estudada é pelo fato do compressor não apresentar
rendimento constante na faixa de regulação. A este fato
somam-se as perdas do compressor e o comportamento nãolinear da potência dos compressores. Assim, os inversores de
freqüência utilizados de maneira incorreta podem aumentar o
consumo de energia elétrica.
B. Descrição geral do sistema supervisório
O sistema supervisório do laboratório é o InduSoft Web
Studio 6.1. Ele foi configurado para realizar o controle de todo
o processo apresentando uma capacidade de monitoramento em
tempo real através da rede de dados Modbus Ethernet.
A Figura 1 representa a tela principal da bancada do
compressor fornecendo informações específicas da bancada
como, velocidade, pressão, vazão, etc.
os pontos de consumo. O enfoque principal, deste estudo será
dado à distribuição de ar comprimido.
A seguir serão apresentados modelos de ensaios para a
determinação da eficiência de um sistema de compressão de ar
no que tange à escolha do motor que acionará o compressor
(Linha Standard ou Alto Rendimento), aos vazamentos devido
à precariedade da manutenção da instalação, à regulagem do
compressor no que tange a temperatura e pressão de trabalho.
A. Perdas por vazamento
Os vazamentos merecem uma atenção especial, pois
desperdiçam grande quantidade de energia. Na prática é
impossível eliminar totalmente os vazamentos de um sistema,
no entanto ele não deve exceder a 5% da capacidade instalada
[6].
O método empregado foi o da medição do tempo em carga
[4].
O caudal de vazamento é dado por:
(1)
Onde:
- Caudal do Vazamento;
- Vazão do compressor na pressão de trabalho;
- Tempo de funcionamento em carga;
- Tempo de medição total.
O custo anual da perda por vazamento é calculado
utilizando-se a expressão apresentada adiante:
(2)
Onde:
- Custo da perda por vazamento;
- Custo anual de geração de ar comprimido;
- Percentual de perdas por vazamento.
Fig. 1. Tela principal da bancada do compressor
é dado por:
(3)
Além das informações apresentadas diretamente na tela
(medições), o sistema também oferece dados numéricos via
banco de dados. Complementando ainda, é possível a
construção de gráficos de parâmetros do sistema em função do
tempo.
III. DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO
O ar comprimido é a forma de energia mais consumida na
indústria de transformação, depois da energia elétrica. É
também a forma de energia mais onerosa e, paradoxalmente,
negligenciada [4], [5]. Por isso um estudo no sentido de
diminuir desperdícios em sua utilização é de suma importância.
Um sistema de compressão de ar compreende três
componentes principais: o compressor, a rede de distribuição e
Onde:
- Custo anual de geração de ar comprimido;
- Potência média;
- Tempo de operação do compressor em carga;
- Custo da perda por vazamento.
B. Perdas por aumento de temperatura
A temperatura de sucção do ar que será aspirado pelo
compressor é um aspecto muito importante, pois quanto mais
quente o ar, menor o rendimento da instalação. Para cada 4ºC
de acréscimo na temperatura do ar aspirado, o compressor
consumirá 1% a mais de potência para entregar o ar nas
mesmas condições [6].
Isso ocorre porque o aumento de temperatura diminui a
massa específica do ar em cerca de 1%, resultando também 1%
a mais no volume [6].
O percentual de perdas por temperaturas elevadas na
captação do ar é dado pela equação 4 [4].
Patm [bar] - Pressão atmosférica em bar.
(8)
(4)
Onde:
- Percentual de perdas por temperaturas elevadas na
sucção;
- Temperatura inicial do ar;
- Temperatura inicial do ar pós-otimização.
Onde:
r’p [-] - Relação de compressão para pressão otimizada;
P’1 [bar] - Pressão otimizada.
O custo anual devido à pressão elevada no sistema de ar
comprimido é obtido pela equação 9 [4].
O custo anual devido a temperaturas elevadas na captação
de ar é obtido pela equação 5 [4].
(5)
Onde:
- Custo devido a temperaturas elevadas na
captação de ar;
- Custo anual de geração de ar comprimido;
- Percentual de perdas por temperaturas elevadas na
sucção.
C. Perdas por aumento de pressão
Uma pressão inadequada resulta em maior perda de
rendimento. Quanto maior a pressão no sistema, maior será a
perda por vazamento.
A pressão máxima (PMS) e mínima (PMI), de operação do
sistema, deve ser estabelecida de forma a se obter o ponto ideal
de eficiência, sendo necessário, para isso, conhecer os dados
técnicos dos equipamentos que compõem a instalação e ajustar
tais limites de forma prática durante a implementação do
sistema de ar comprimido [7].
O percentual de perdas por pressão elevadas na
regulagem do sistema é dado pela equação 6 [4].
(6)
Onde:
P% [%] - Percentual de perdas devido à pressão elevada;
rp [-] - Relação de compressão original;
r’p [-] - Relação de compressão pós-otimização;
n [-] - Número de estágios de compressão;
k [-] - Coeficiente adiabático (isentrópico).
Para o ar, o coeficiente k varia pouco em condições
normais de temperatura de trabalho e pode ser assumido como
sendo igual a 1,41[1].
A relação de compressão é dada pela equação 7 [4].
(9)
Onde:
Cp [R$/a] - Custo devido a pressão elevada;
Cac [R$/a] - Custo anual de geração de ar comprimido;
P% [%] - Percentual de perdas por pressão elevada.
D. Consumo motor standard x motor de alto rendimento
Motores de alto rendimento são aqueles projetados para,
fornecendo a mesma potência útil (na ponta do eixo) que um
motor da linha padrão, consumir menos energia elétrica da rede
(maior rendimento). Eles são oferecidos pela grande maioria
dos fabricantes e custam em geral mais caro que os motores
standard, mas por outro lado, devido às suas características
especiais, especialmente aquelas relacionadas ao rendimento, a
sua utilização pode conduzir a vantagens econômicas
importantes que serão auferidas ao longo da sua vida útil (em
geral superior ao do motor standard) [8].
A decisão de qual motor deverá ser adquirido, além de uma
decisão técnica, é também uma decisão econômica, a qual
poderá ocorrer em instalações novas ou quando da substituição
de um motor avariado [8].
As vantagens do uso de motores de alto rendimento são,
portanto a racionalização do uso de energia elétrica e combate
aos desperdícios, visto que realizam o mesmo trabalho que os
da linha padrão, consumindo menos potência e em razão disso
redução dos gastos com fatura de energia elétrica.
Considerando que as potências médias dos motores são
conhecidas, encontra-se a economia de energia pela equação
10.
(10)
Onde,
E.E [KWh] – Economia de energia;
Pst [-] – Potência média do motor standard;
PAR [-] – Potência média do motor de alto rendimento;
tc [-] – Tempo de operação em carga do compressor.
A economia mensal de energia em R$/mês é dada pela
equação 11.
(11)
(7)
Onde:
rp [-] - Relação de compressão;
P1 [bar] - Pressão máxima;
Onde,
Venergia [R$/KWh] – Valor específico da energia elétrica;
R$/ano – Reais por mês.
IV. ANÁLISE ECONÔMICA
Segue uma análise dos principais aspectos relacionados com
a análise econômica da aplicação de motores de alto
rendimento.
Existem vários tipos de análise econômica que podem ser
feitas, as quais envolvem diferentes pontos de vista e com
diferentes objetivos. As conclusões e decisões que serão
tomadas serão também baseadas em um determinado tipo de
análise. Cada tipo de análise objetiva determinar certo
parâmetro que será usado para a tomada de decisão. O tipo de
análise a ser utilizado para a decisão também depende do ponto
de vista adotado (consumidor, concessionária, terceiro, etc.).
As análises visam determinar os seguintes fatores: tempo de
retorno (simples e capitalizado), economia mensal gerada pela
aquisição de um motor de alto rendimento, custo da energia
consumida ao longo da vida útil, custo da energia
economizada.
A. Tempo de retorno simples
É o tempo necessário para que a diferença de capital
investido na aquisição do motor de alto rendimento seja
retornada na forma de parcelas mensais que deixarão de ser
pagos na conta de energia (economia mensal).
O tempo de retorno simples não considera a capitalização
do valor da economia mensal (taxa de juros zero) e é dado pela
seguinte fórmula:
(12)
Onde,
Trs [meses] – tempo de retorno simples;
– custo de aquisição do motor de alto rendimento;
– Custo de aquisição do motor standard.
B. Tempo de retorno capitalizado
O tempo de retorno também pode considerar uma
determinada taxa de juros e considerar o fato de que a
economia será auferida em parcelas mensais, sendo dado pela
equação 13.
(13)
Onde,
Crs [R$] – Valor retornado líquido simples;
Venergia [R$] – Custo da energia elétrica.
Considerando uma taxa de juros i para cada uma das
parcelas mensais que retornarão obtém-se um valor presente de
retorno capitalizado dado pela expressão 15.
(15)
O valor retornado capitalizado é menor que o valor sem
capitalização.
V. ESTUDO DE CASO
O estudo de caso foi realizado no sistema de ar comprimido
instalado no laboratório de sistemas motrizes da Faculdade de
Engenharia Elétrica da UFU [7], através das metodologias
apresentadas, no intuito de comprovar numericamente as
grandezas relacionadas ao tema Eficiência Energética.
As análises foram realizadas adotando-se os seguintes
valores:
 Tempo de funcionamento do compressor: 21 horas
por dia durante 270 dias no ano, tfunc = 5670 horas;
 Tempo de funcionamento em carga do compressor:
tcarga = 3800 horas;
 Custo da energia elétrica: Venergia = 0,33 R$/KWh;
 Ponto morto inferior: PMI = 2,8 bar;
 Ponto morto superior: PMS = 3,3 bar;
 Descarga livre efetiva do compressor:
DLE = 281,47 l/min ou DLE = 16,888 m3/h;
 Temperatura de admissão do ar: T0 = 30°C;
 Temperatura de admissão do ar pós-otimização:
T’0 = 25°C;
 Pressão atmosférica do local: Patm = 0.9745 atm;


;
PAR 1,21 KW .


Custo aquisição motor standard: R$ 390,00;
Custo aquisição motor de alto rendimento: R$ 450,00.
Pst  1,35 KW
A. Consumo motor standard x motor de alto rendimento
Pela equação 10 tem-se:
Onde,
i [%] – taxa de juros em valor percentual.
E.E  (1,35 1,21 ) 3800
E.E  532 KWh
C. Valor retornado ao longo da vida útil
Mesmo depois de transcorrido o tempo de retorno, o motor
continuará proporcionando um retorno financeiro mensal até o
final da sua vida útil. Este valor poderá ser determinado
considerando ou não a capitalização das parcelas mensais. O
valor sem considerar a capitalização será dado pela
expressão14.
(14)
E pela equação 11 tem-se:
E.ER$ / ano  532 0,33
E.ER$/ano  175,56 R$/ano
De posse do valor anual economizado é possível calcular
os tempos de retorno (simples e composto) pelas equações 12 e
13, como segue:

Tempo de retorno simples:
E.E R$/mês  14,63 R$/mês
Trs  4 meses e 3 dias
Trc  4 meses e 7 dias
De acordo com os cálculos feitos acima se pode concluir
que a substituição é viável, já que o tempo de retorno é, em
todos os casos considerados, menor que 5 meses, tempo
relativamente baixo. Lembrando que em geral se considera
tempos de retorno em torno de até 2 anos como viáveis.

Valor retornado ao longo da vida útil:
Pela equação 14 tem-se:
Crs = R$ 710,53
Pode-se observar que o valor retornado ao longo da vida
útil, é quase três vezes o valor da aquisição do motor de alto
rendimento, o que mostra que a utilização deste implicará em
grande economia, e conclui-se que a substituição é viável.
B. Perdas por vazamentos
Serão feitas seis análises de vazamento, a primeira com
relação ao vazamento intrínseco ao sistema e posteriormente
para cada perfuração (cinco) individualmente.

Vazamento intrínseco:
Vint  4,25  105 m3 / s

Vazamento solenóide XV- 02:
Ao realizar os ensaios com as perfurações XV-02 à XV-06,
o vazamento intrínseco do sistema foi contabilizado junto,
sendo necessário subtrair o valor do vazamento intrínseco dos
outros, para que os resultados representem valores confiáveis.
Através das equações 1, 2 e 3 tem-se:
VV  2,95  10 4 m 3 /s
VV %  6,29%
C ac  1517,34 R$/ano
CV  95,44 R$/ano
O método foi empregado para os demais solenóides,
sendo os resultados mostrados na tabela 1.
Tabela 1
Perdas por vazamentos
Solenóide
Vv(m³/s)
Cv (R$/ano)
XV – 03
5,71x10
XV – 04
10,07x10-4
325,77
XV – 05
15,25x10
-4
493,28
XV – 06
25,16x10-4
813,90
-4
Fig. 2. Composição percentual dos custos das perdas
C. Perdas por aumento de temperatura
184,81
Pela equação 4 tem-se:
T % 1,65 %
Pela equação 5 tem-se:
Cac  1693 R$/ano
CT  27,9345 R$/ano
D. Perdas por aumento de pressão
Utilizando as equações de 6 a 9 tem-se:
rp  4,34
r' p  4,14
P %  3,92 %
3 ,92
100
Cp  66,37 R$/ano
C p 1693 
A figura 2 mostra a composição das perdas percentuais para
cada solenóide (vazamento) estudado.
VI. CONCLUSÃO
Pelos resultados obtidos é possível afirmar que se o motor
standard for substituído por outro de alto rendimento, a
economia de energia será significativa e o tempo de retorno do
investimento será muito reduzido. Ainda, é possível concluir
que com o valor economizado ao longo da vida útil do motor
de alto rendimento seria possível a aquisição de quase três
motores do mesmo porte, valor altamente significativo.
A economia de energia ao longo da vida útil estimada do
motor será de cerca de 2335 kWh, para o sistema estudado
onde o motor é de apenas 1,5 cv. Isto mostra que a utilização
deste tipo de motor pode reduzir muito o consumo energético,
principalmente em sistemas de maior porte, onde os valores
serão mais significativos otimizando os gastos energéticos.
A outra conclusão pode ser feita com relação às perdas por
vazamentos. O protótipo utilizado possui seis solenóides (ver
item II-A), que permitem simular diferentes tipos de
vazamentos. Foi analisada a perda de energia para cada um dos
seis vazamentos e a perda intrínseca ao sistema, que seria
aquela que ocorre naturalmente, mesmo quando o sistema não
possui vazamento algum.
Pelos resultados obtidos vê-se que as perdas por vazamentos
também são muito significativas, sendo que do solenóide XV –
02 até o XV – 06 a perfuração aumenta, aumentando o
vazamento e consequentemente as perdas. Analisando a figura
2 percebe-se que quanto maior o solenóide simulado, maiores
serão as perdas de energia por vazamento em relação às demais
perdas, visto que estas são as mesmas para os cinco casos. Para
o pior caso, ou seja, maior vazamento (solenóide XV-06), as
perdas representarão 75% das perdas totais no sistema,
chegando a um desperdício aproximadamente 5 vezes maior
que as perdas pela utilização do motor standard.
Esse valor alarmante mostra a importância de uma
manutenção ativa e correta em sistemas de ar comprimido, a
fim de se evitar, ou pelo menos diminuir as perdas por
vazamentos. Infelizmente isso às vezes não é comum dentro da
indústria, onde se vê uma manutenção precária ainda ser o
principal cenário.
A terceira análise foi com relação às perdas por
temperaturas elevadas na captação do ar. No caso do protótipo
analisado a temperatura do ar na captação era de 30º C (ver
item 5-C). Neste caso, as perdas observadas não foram muito
significativas, mas cabe ressaltar que muitas vezes o que ocorre
dentro da indústria são situações bem mais criticas. Existem
exemplos de compressores instalados ao lado de caldeiras, ou
outros sistemas muito quentes, e neste tipo de situação as
perdas serão bem significativas.
É importante, portanto observar o local de instalação e
elaborar bem o projeto de instalação do sistema de ar
comprimido. Para sistemas já instalados cabe uma análise da
realocação do mesmo em locais mais frios, ou o resfriamento
do local da instalação. Muitas vezes essas podem ser medidas
simples, e significar grande economia de energia.
A quarta e última análise é com relação às perdas por
pressões elevadas. Essas perdas ocorrem devido ao fato de que
uma pressão inadequada (elevada) aumenta os vazamentos do
sistema resultando em maior perda de rendimento. Pelos
resultados apresentados podemos concluir que se o sistema
trabalhasse em uma pressão abaixo do PMS, 3,3 bar haveria
menos perdas de energia.
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2009, Belém-PA. Anais do CBEE 2009 - 3º Edição, 2009.
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técnicos
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Disponível
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<http://www.fiepr.org.br/fiepr/energia/artigostecnicos/arCompr
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[7] MARTINS, Alin A., Análise econômica em sistemas de ar
comprimido: Otimização do uso de energia elétrica. 2009.
Trabalho de conclusão de curso - Faculdade de Engenharia
Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia.
2009.
[8] Nadel, S; Shepard, M.; Greenberg, S.; Katz, G.; Almeida,
A. T. Energy-Efficient Motor Systems: a Handbook on
Technology, Program, and Policy Opportunities, ACE3,1992.