UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA - ÊNFASE ELETROTÉCNICA
FRANKLIN AUGUSTO GONÇALVES
JONADAB RODRIGUES CARDOSO
ESTUDO PARA A IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO COM
ALTA EFICIÊNCIA NA ELECTROLUX DO BRASIL S.A. PLANTA
GUABIROTUBA
Curitiba
2007
FRANKLIN AUGUSTO GONÇALVES
JONADAB RODRIGUES CARDOSO
ESTUDO PARA A IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO COM
ALTA EFICIÊNCIA NA ELECTROLUX DO BRASIL S.A. PLANTA
GUABIROTUBA
Projeto final de Graduação do Curso de Engenharia
Industrial Elétrica – ênfase em Eletrotécnica, da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná –
campus Curitiba apresentada no Departamento de
Eletrotécnica.
Orientador: Professor Ayres Francisco da Silva
Soria. Msc.
Curitiba
2007
Franklin Augusto Gonçalves
Jonadab Rodrigues Cardoso
ESTUDO PARA A IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO COM
ALTA EFICIÊNCIA NA ELECTROLUX DO BRASIL S.A. PLANTA
GUABIROTUBA
Este Projeto Final de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para
obtenção de título de Engenheiro Eletricista pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Curitiba, 05 de Agosto de 2007
________ __
______________________
Prof. Paulo Sergio Walenia, Esp.
Coordenador do Curso
Engenharia Industrial Elétrica - Eletrotécnica
________________________________________
Prof. Ivan Eidt Colling, Dr.
Coordenador de Projeto Final de Graduação
Engenharia Industrial Elétrica - Eletrotécnica
________________________________________
Prof. Ayres Francisco da Silva Soria, Msc.
Orientador de Projeto Final de Graduação
Engenharia Industrial Elétrica - Eletrotécnica
________________________________
________________________________
Alexandre Ferreira Lobo, Msc.
Álvaro Peixoto de Alencar Neto, Msc.
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
________________________________
________________________________
Carlos Henrique Karam Salata, Esp.
Maria de Fátima R. R. Cabreira, Dr.
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
AGRADECIMENTOS
Agradecemos, primeiramente à Deus, todo
poderoso; aos nossos familiares que nos ajudaram em nossos
estudos e nos deram ânimo a continuar, fazendo com que este
projeto fosse possível; aos nossos amigos e entes queridos que
sempre estiveram presentes e compreenderam nos momentos de
ausência; a Cíntia amiga e esposa que sempre compreendeu os
momentos de ausência; a Electrolux do Brasil que através dos
funcionários Emerson Roberto Dlugosz e Marcelo Stankowicz
nos forneceram informações fundamentais a elaboração deste
trabalho; aos professores que contribuirão para a formação do
nosso conhecimento.
Á todos, o nosso muito obrigado!
EPÍGRAFE
“A grande debilidade de muitos "revolucionários"
consiste em sua absoluta incapacidade de entusiasmar-se, de
elevar-se sobre o nível rotineiro das trivialidades, de fazer surgir
um vínculo vital entre ele e os que o rodeiam. O que não pode
incendiar-se, não pode incendiar sua vida nem a dos demais. A
fria malevolência não é o bastante para apoderar-se da alma das
massas.
A proeza também é realizar um apaixonado esforço
por sacudir aqueles que estão entorpecidos pela rotina, obrigarlhes a abrir os olhos e fazer-lhes ver o que se aproxima.”
Leon Trotsky
RESUMO
O trabalho tem como objetivo o estudo e a realização da substituição do sistema de
geração de ar comprimido atual por outro mais eficiente, na fábrica da Electrolux do Brasil
planta Guabirotuba. O trabalho inicia-se com o estudo dos equipamentos instalados e suas
condições de operação.
A busca por uma maior eficácia, impulsionou a pesquisa por novas tecnologias e
produtos, substituindo os equipamentos atuais por novos compressores de velocidade fixa e
de velocidade variável, trazendo vantagens em eficiência energética.
Este novo modelo de sistema de geração de ar comprimido proporcionou uma redução
do consumo de energia elétrica, gerando uma economia de 56,65 MWh/mês e uma redução de
demanda 102 kW. Além da eficiência energética, houve um aumento na confiabilidade do
sistema, aumento da vida útil dos equipamentos e uma estabilidade da pressão do ar
comprimido fornecido à fábrica.
O investimento total para implantação do projeto tem um retorno previsto em 48
meses em um cenário conservador. Podendo atingir períodos menores em um cenário com
uma falta de energia e conseqüentemente aumentos das tarifas além do previsto. Não apenas
pelo motivo econômico, mas também por questões ambientais, onde estará sendo evitados o
desperdício de energia e ainda a conscientização do uso eficiente dos recursos naturais.
Palavras Chaves:
- compressor de ar comprimido;
- eficiência energética;
- compressor com velocidade variável;
- Electrolux do Brasil.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS............................................................................................................11
LISTA DE TABELAS...........................................................................................................13
LISTA DE APÊNDICES.......................................................................................................14
LISTA DE SIGLAS...............................................................................................................15
1.
INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16
1.1.
ELECTROLUX DO BRASIL S/A ...................................................................... 19
1.1.1.
Cenário Elétrico Geral ........................................................................................ 21
1.2.
PROBLEMA........................................................................................................ 21
1.3.
JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 22
1.4.
OBJETIVOS........................................................................................................ 23
1.4.1.
Objetivo Geral ..................................................................................................... 23
1.4.2.
Objetivos Específicos........................................................................................... 23
1.5.
MÉTODO DE PESQUISA.................................................................................. 23
1.6.
DELIMITAÇÕES DO TEMA ............................................................................ 24
1.7.
ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................ 24
2.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA....................................................................... 26
2.1.
FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA ..................................................... 26
2.1.1.
Energia Interna, Calor e Trabalho ..................................................................... 27
2.1.2.
Conservação da Energia na Compressão ........................................................... 27
2.1.3.
Rendimento Mecânico ......................................................................................... 29
2.1.4.
Potência de Compressão...................................................................................... 30
2.1.5.
Sistemas de Unidades .......................................................................................... 31
2.2.
COMPRESSORES .............................................................................................. 32
2.2.1.
Como Funcionam ................................................................................................ 32
2.2.2.
Elemento Compressor ......................................................................................... 32
2.2.3.
Separação de óleo ................................................................................................ 33
2.2.4.
Classificação Quanto ao Princípio de Concepção .............................................. 33
2.2.5.
Princípios de Funcionamento.............................................................................. 34
2.2.5.1. Compressores alternativos .................................................................................. 34
2.2.5.2. Compressores de parafusos................................................................................. 36
2.2.5.3. Compressores centrífugos ................................................................................... 37
2.3.
MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS ........................................................ 39
2.3.1.
Conceitos.............................................................................................................. 39
2.3.2.
Características de Torque-Velocidade: Torque de Partida e Máximo.............. 40
2.3.3.
Acionamento e Controle de Velocidade .............................................................. 43
2.3.3.1. Acionamento de compressor com vazão constante............................................. 43
2.3.3.1.a.Compressor em alívio.......................................................................................... 44
2.3.3.1.b.Compressor em carga.......................................................................................... 44
2.3.3.1.c. Parada automática............................................................................................... 44
2.3.3.2. Variação da vazão por VSD (VARIABLE SPEED DRIVE).............................. 44
2.3.3.3. Inversor de velocidade associado a motor híbrido de magneto permanente..... 46
2.4.
DISTRIBUIÇÃO DE AR COMPRIMIDO ........................................................ 47
2.4.1.
Reservatório......................................................................................................... 48
2.4.1.1. Atribuições dos reservatórios.............................................................................. 49
2.5.
APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DO AR COMPRIMIDO ................................. 49
2.5.1.
Puxar e Grampear com Ar Comprimido ........................................................... 50
2.5.2.
Transporte por Ar Comprimido ......................................................................... 50
2.5.3.
Sistemas de Acionamento Pneumático................................................................ 50
2.5.4.
Jateamento com Ar Comprimido ....................................................................... 51
2.5.5.
Operações com Sopro de Ar e Jato de Água ...................................................... 51
2.5.6.
Operações de Inspeção e Teste............................................................................ 51
2.5.7.
Controle de Processos com Ar Comprimido ...................................................... 51
2.5.8.
Aplicações Especializadas ................................................................................... 52
3.
ANÁLISE DE INVESTIMENTOS ..................................................................... 53
3.1.
O QUE SÃO INVESTIMENTOS ....................................................................... 53
3.2.
RAZÃO DA SUBSTITUIÇÃO DE ATIVOS ..................................................... 53
3.3.
PROCESSO DE TOMADA DE DECISÃO........................................................ 54
4.
DESCRIÇÃO E LEVANTAMENTO DE DADOS ............................................ 55
4.1.
CENTRAIS DE AR COMPRIMIDO ................................................................. 55
4.2.
REDES DE AR COMPRIMIDO ........................................................................ 60
4.3.
COLETA DE DADOS......................................................................................... 62
4.4.
CÁLCULOS ........................................................................................................ 69
4.4.1.
Cálculo do Custo da Energia............................................................................... 70
4.4.1.1. Tarifa de consumo equalizada na ponta. ............................................................ 70
4.4.1.2. Preço médio na ponta .......................................................................................... 71
4.4.1.3. Tarifa de consumo equalizada fora de ponta. .................................................... 71
4.4.1.4. Preço médio fora de ponta .................................................................................. 72
5.
SISTEMAS PROPOSTOS .................................................................................. 73
5.1.
CONFIGURAÇÃO MESTRE-ESCRAVO ........................................................ 73
5.1.1.
Cálculos da Economia Gerada no Sistema Mestre-Escravo .............................. 75
5.2.
AQUISIÇÃO DE UM COMPRESSOR COM VSD........................................... 77
5.2.1.
Cálculos da Economia Gerada com Aquisição de um Compressor com VSD .. 77
5.3.
TROCA DE TODO O SISTEMA DE GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO.... 79
5.3.1.
Cálculo da troca de todo sistema de geração de ar comprimido ....................... 80
6.
DETALHAMENTO DO SISTEMA A SER APLICADO.................................. 83
6.1.
LEVANTAMENTO DE CUSTOS...................................................................... 84
6.1.1.
Análise Técnica e Comercial ............................................................................... 84
6.2.
INVESTIMENTO ............................................................................................... 85
6.2.1.
Retorno do Investimento ..................................................................................... 86
6.3.
ETAPAS DE IMPLANTAÇÃO DO PROJETO ................................................ 87
7.
IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DEFINIDO ................................................... 88
7.1.
INSTALAÇÃO DOS COMPRESSORES .......................................................... 88
7.2.
MONTAGEM DA NOVA TUBULAÇÃO DE AR COMPRIMIDO................. 91
8.
CONCLUSÃO ..................................................................................................... 96
REFERÊNCIAS................................................................................................................. 98
APÊNDICES .................................................................................................................... 100
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Proporções do custo total ..................................................................................... 18
Figura 2 - Mapa de localização das unidades fabris .............................................................. 20
Figura 3 - Fábrica da Electrolux unidade Guabirotuba.......................................................... 20
Figura 4 - Transferência de energia durante a compressão.................................................... 27
Figura 5 - Esquema de transferência de energia ao gás ......................................................... 30
Figura 6 - Compressor alternativo ........................................................................................ 34
Figura 7 - Etapas no funcionamento do compressor alternativo ............................................ 35
Figura 8 - Compressor de parafuso....................................................................................... 36
Figura 9 - Elemento compressor fixado ao motor elétrico..................................................... 37
Figura 10 - Compressor centrífugo com detalhe do impelidor .............................................. 38
Figura 11 - Vista da secção transversal de um motor de indução trifásico de gaiola. ............ 42
Figura 12 - Representação da distribuição das ondas ............................................................ 42
Figura 13 - Curva típica torque-velocidade para um motor de indução trifásico.................... 43
Figura 14 - Diagrama de controle eletrônico de velocidade de um motor de gaiola............... 45
Figura 15 - Motor híbrido de magneto permanente............................................................... 47
Figura 16 - Desenho isométrico da central de ar comprimido da fábrica 1 ............................ 56
Figura 17 - Central de ar comprimido da fábrica 1 .............................................................. 57
Figura 18 - Desenho isométrico da central de ar comprimido da fábrica 2 ............................ 58
Figura 19 - Central de ar comprimido da fábrica 2 ............................................................... 59
Figura 20 - Rede de ar comprimido da fábrica 1................................................................... 60
Figura 21 - Rede de ar comprimido da fábrica 2................................................................... 61
Figura 22 – Exemplo de medição do equipamento intellisurvey ........................................... 63
Figura 23 – Relatório vazão x tempo.................................................................................... 64
Figura 24 - Resumo semanal da corrente consumida pelos compressores da fábrica 1 .......... 65
Figura 25 - Resumo semanal da vazão fornecida para a fábrica 1 ......................................... 66
Figura 26 - Resumo semanal da corrente consumida pelos compressores da fábrica 2 .......... 67
Figura 27 - Resumo semanal da vazão fornecida para a fábrica 2 ......................................... 68
Figura 28 - Sistema mestre-escravo...................................................................................... 73
Figura 29 - Regulagem dos compressores mestre-escravo ................................................... 74
Figura 30 - Tempo de amortização do investimento ............................................................. 87
Figura 31 - Cronograma de atividades de implantação ......................................................... 87
Figura 32 - Central de ar comprimido da fábrica 2 em 2006 ................................................. 88
Figura 33 - Central de ar comprimido da fábrica 2 em 2007 ................................................. 89
Figura 34 - Foto dos compressores reposicionados............................................................... 89
Figura 35 - Foto com os novos compressores ....................................................................... 90
Figura 36 – Sistema novo..................................................................................................... 90
Figura 37 - Saída da fábrica 2............................................................................................... 91
Figura 38 - Saída da fábrica 2 com a nova rede .................................................................... 92
Figura 39 - Trajeto entre a fábrica 2 e a fábrica 1 ................................................................. 93
Figura 40 - Trajeto entre a fábrica 2 e a fábrica 1 com a nova rede ....................................... 93
Figura 41 - Entrada na fábrica 1 ........................................................................................... 94
Figura 42 - Entrada na fábrica 1 com a nova rede................................................................. 94
Figura 43 - Desenhos esquemático da rede de ar comprimido............................................... 95
Figura 44 - Desenhos esquemático da nova rede de ar comprimido ...................................... 95
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Perfil do consumo de energia elétrica em 2005. ................................................... 17
Tabela 2 - Consumo industrial por níveis de tensão.............................................................. 17
Tabela 3 - Constituição da fábrica ........................................................................................ 22
Tabela 4 - Grandezas físicas................................................................................................. 31
Tabela 5 - Conversão de unidades ........................................................................................ 32
Tabela 6 - Tradução da tabela da Figura 24 ......................................................................... 65
Tabela 7 - Tradução da tabela da Figura 25 ......................................................................... 66
Tabela 8 - Tradução da tabela da Figura 26 ......................................................................... 67
Tabela 9 - Tradução da tabela da Figura 27 ......................................................................... 69
Tabela 10 - Conversão para o sistema métrico da Tabela 9.................................................. 69
Tabela 11 - Valores de vazão do sistema atual...................................................................... 69
Tabela 12 - Valores de demanda do sistema atual................................................................. 70
Tabela 13 - Valores de vazão: mestre - escravo .................................................................... 74
Tabela 14 - Valores de demanda: mestre - escravo ............................................................... 75
Tabela 15 - Valor economizado: mestre - escravo ................................................................ 76
Tabela 16 - Valores de vazão: com VSD .............................................................................. 77
Tabela 17 - Valores de demanda: com VSD ......................................................................... 77
Tabela 18 - Valor economizado: com VSD .......................................................................... 79
Tabela 19 - Valores de vazão: troca de todo o sistema de geração de ar comprimido ............ 79
Tabela 20 - Valores de demanda troca de todo o sistema de geração de ar comprimido ........ 80
Tabela 21 – Valor economizado na troca de todo o sistema de geração de ar comprimido .... 82
Tabela 22 – Quadro geral dos sistemas propostos................................................................. 82
Tabela 23 – Comparativo entre compressores de velocidade fixa ......................................... 84
Tabela 24 - Comparativo entre compressores de velocidade variável.................................... 85
Tabela 25 - Valores de orçamento e aquisição dos compressores.......................................... 85
Tabela 26 - Total de gastos .................................................................................................. 86
Tabela 27 - Recuperação do investimento ............................................................................ 86
APÊNDICES
Apêndice A
- Corrente do compressor GA807-A da fábrica 2......................................... 100
Apêndice B
- Corrente do compressor GA807-B da fábrica 2......................................... 101
Apêndice C
- Corrente do compressor GA1107 da fábrica 2........................................... 102
Apêndice D
- Corrente do compressor GA807-C da fábrica 2......................................... 103
Apêndice E
- Corrente do compressor GA1107 da fábrica 1........................................... 104
Apêndice F
- Corrente do compressor GA807 da fábrica ............................................... 105
Apêndice G
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 1......................... 106
Apêndice H
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 2......................... 107
Apêndice I
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 3......................... 108
Apêndice J
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 4......................... 109
Apêndice K
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 5......................... 110
Apêndice L
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 6......................... 111
Apêndice M
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 1......................... 112
Apêndice N
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 2......................... 113
Apêndice O
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 3......................... 114
Apêndice P
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 4......................... 115
Apêndice Q
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 5......................... 116
Apêndice R
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 6......................... 117
LISTA DE SIGLAS
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
AT
Alta Tensão
BT
Baixa Tensão
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
CCE
Custo do Consumo da Energia
CD
Custo da Demanda
CEE
Cálculo Energia Evitada
CTP
Custo Total da Produtividade
DLE
Descarga Efetiva
EPE
Empresa de Pesquisa Energética
EU
União Européia
EUA
Estados Unidos da América
FMM
Força Magneto Motriz
MHPM
Motor Híbrido de Magneto Permanente
MTE
Ministério do Trabalho e Emprego
NR13
Norma Regulamentadora 13
RCB
Relação Custo Benefício
R$
Real
S/A
Sociedade Anônima
VSD
Acionamento de Velocidade Variável
US$
Dólar
16
1. INTRODUÇÃO
A utilização de sistemas e produtos com alta eficiência energética têm sido uma meta
nos dias atuais, ficando em evidência após a crise energética de 2001, quer seja no ramo
comercial, industrial ou em nossos lares. A energia é um insumo essencial para o
desenvolvimento econômico e social de uma nação, sendo que seu uso racional é uma
alternativa de baixo custo e grande economia.
Uma empresa que deseja tornar-se competitiva não pode ignorar os projetos e os
programas que lhe proporcione redução no custo com energia, sendo que na atividade
industrial este ganho poderá ser um diferencial na conquista de novos mercados e clientes.
Em poucos anos, as preocupações com produtividade e qualidade expandiram-se para
a racionalização do consumo de energia e atingiram o estágio em que se encontram muitas
empresas, focadas na busca pelo menor custo total da produtividade. No entanto esta proposta
tem o objetivo de avançar um passo nessa trajetória e considerar, além do CTP1, outros dois
aspectos freqüentemente ignorados nos projetos e novos desenvolvimentos industriais: a
integridade física de pessoas e de ativos (equipamentos) e o respeito ao meio ambiente, pois a
sociedade está mais atenta às questões ambientais, cobrando ações efetivas das instituições em
relação ao meio-ambiente.
O consumo industrial de energia elétrica representou 45% de todo o mercado nacional
no ano de 2005, (EPE, 2006). A Tabela 1 sintetiza o perfil de consumo de energia elétrica.
Atualmente cerca de 96% da energia consumida pelo setor industrial esta concentrada em
unidades consumidoras ligadas em alta tensão (grupo A) (FILIPO FILHO, 2006), conforme
mostra a Tabela 2. Dentro do setor industrial brasileiro 50% da energia consumida destina-se
à alimentação de motores elétricos (FILIPO FILHO, 2006), bem abaixo dos 60% utilizados
nos EUA (US DEPARTMENT OF ENERGY, 2002) e na EU (EUROPEAN COMMISSION,
2001). Essa diferença é explicada pela maior participação relativa aos segmentos
eletrointensivos, ou seja, empresas dos setores industriais que usam muita energia elétrica, tais
como empresas de alumínio, aço, petroquímica, papel e celulose. Embora o Brasil já tenha
uma crescente indústria manufatureira, o percentual de empresas ainda é menor comparado
em relação às de outros países mais industrializados que têm característica manufatureira
(Computação, Automobilística, Química).
1CTP – Custo Total da Produtividade
17
Tabela 1 - Perfil do consumo de energia elétrica em 2005.
Setor
Consumo (GWh)
Residencial
Comercial
Outros
Industrial
Total
Fonte: EPE, 2006.
82.693
53.239
49.936
149.542
335.410
%
24,66
15,87
14,89
44,58
100,00
Tabela 2 - Consumo industrial por níveis de tensão
Categorias
Níveis de tensão (kV)
Percetual (%)
A1
> 230
23
A2
88 a 138
34
Alta tensão
A3
A3a
69
30 a 44
7
2
A4
2.3 a 25
30
Total
Grupo A
96
Baixa tensão
Grupo B
4
Fonte: Revista Eletricidade Moderna, 2006.
Dentro da força eletromotriz das empresas, um dos principais equipamentos é
o compressor de ar comprimido, que representa um consumo estimado entre 13 e 15% da
energia elétrica utilizada pela indústria (KEULENAER, 2004). Conforme as exigências dos
usuários evoluem, altera-se o conceito de eficiência de um sistema de ar comprimido, sendo
possível atingir uma melhor performance 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.
O ar comprimido é uma importante forma de energia, insubstituível em diversas
aplicações e resultado da compressão do ar ambiente (atmosférico), cuja composição é uma
mistura de oxigênio (+/-20%), nitrogênio (+/- 79%) e outros gases (+/-1%) (ROBERTSON,
1998).
Atualmente cerca de 5 bilhões de toneladas de ar são comprimidas por ano em todo o
planeta gerando um consumo de 400 bilhões de kWh a um custo de 20 bilhões de dólares. São
números elevados, que provocam um grande impacto no meio ambiente, mas que poderiam
ser substancialmente reduzidos com medidas racionais. Na indústria o metro cúbico de ar a
pressão de 7 bar2 custa em torno de meio centavo de dólar (1,0 m3 ar +/- US$ 0,005) apenas
em energia (METALPLAN, 2006).
2
Bar é uma unidade de pressão equivalente a 1,013x105 Pa. É frequente medir a pressão atmosférica em
milésimos de bar (mbar).
18
Em função das perdas decorrentes da transformação da energia, o ar comprimido
(energia pneumática) pode custar de sete a dez vezes mais do que a energia elétrica para uma
aplicação similar, embora isto seja normalmente compensado pelas vantagens da
flexibilidade,
conveniência
e
segurança
representada
pela
energia
pneumática
(METALPLAN, 2006). Entretanto, o ideal é verificar se o ar comprimido é realmente
necessário para a tarefa que esta sendo proposto, ou se pode ser substituído pela eletricidade.
Num período de trabalho de cerca de dez anos, o custo total da propriedade de um
sistema de ar comprimido terá aproximadamente as seguintes proporções mostradas na
Figura 1.
Energia
73%
Implantação
19%
Manutenção
7%
Refrigeração
1%
Figura 1 - Proporções do custo total
Fonte: Robertson, R, 1998.
Neste período, esse sistema poderá ter operado continuamente por até 80 mil horas. A
título de comparação, um automóvel, nestes mesmos dez anos, não terá rodado mais do que
10 mil horas, em média.
Quando se destaca a questão de segurança e da integridade física das pessoas e do
patrimônio que interagem direta ou indiretamente num sistema de geração de ar comprimido,
esta reforçando o princípio de que o usuário deverá estar atento para que todas as exigências
legais, bem como aquelas ditadas pelo bom senso, sejam cumpridas. Nas normas de projeto,
de fabricação, de testes de equipamentos e instalações as questões de segurança devem ser
respeitadas. Nos casos onde a legislação for omissa, as melhores práticas devem ser aplicadas.
Com relação ao meio ambiente, um sistema de geração de ar comprimido além de
eficiente, deverá ser projetado visando estar de acordo com as questões ambientais, reduzindo
o nível de descartes e com o menor nível de poluição capaz de afetar a natureza.
A combinação equilibrada de todos esses parâmetros é um dos objetos do trabalho,
fornecendo subsídios atualizados para a tomada das decisões corretas por parte dos leitores.
19
1.1. ELECTROLUX DO BRASIL S/A
O Grupo Electrolux é um grupo sueco formado por mais de 500 empresas, localizadas
em 60 diferentes países. Seus produtos são comercializados através de 300 diferentes marcas,
em mais de 100 países. Possui cerca de 120 mil empregados no mundo e no Brasil esta
presente desde 1926, atualmente com aproximadamente 5 mil funcionários distribuídos em
quatro unidades de negócio. Nos Estados Unidos e no Canadá, por exemplo, seus
refrigeradores e freezers são comercializados com as marcas Frigidaire e White
Westinghouse. Na Europa, a Electrolux é uma das três marcas da Pan-Europeans, as outras
são a alemã AEG e a italiana Zanussi.
A empresa, de propriedade particular, faz parte do grupo Investor AB Wallemberg,
maior grupo empresarial do mundo, o qual é dono das seguintes empresas:
Astra Zeneca
medicamentos;
Scania
automobilístico;
Ericsson
tecnologia;
Atlas Copco
equipamentos industriais;
ABB
serviços eletricidade;
Grippen
aeronáutica;
Além de atuar nas áreas de hotelaria, informática, comunicação e finanças.
Mostrando que é uma empresa de vanguarda tecnológica a Electrolux sempre trouxe
novidades para o Brasil, como o tribolite, o primeiro robô aspirador de pó do mundo, também
o primeiro refrigerador computadorizado, o qual estando conectado a Internet pode realizar
compras (Fonte Electrolux).
20
Figura 2 - Mapa de localização das unidades fabris
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
Figura 3 - Fábrica da Electrolux unidade Guabirotuba
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
21
A Fábrica de Curitiba, unidade Guabirotuba, Figura 3, tem 60.000 m2 construídos com
capacidade anual de produção 1.800.000 produtos.
1.1.1. Cenário Elétrico Geral
A Electrolux é alimentada pela Companhia Paranaense de Energia – COPEL, não
tendo geração própria de energia elétrica. A tensão de alimentação é de 69kV, que é atendida
pelas subestações do Uberaba e Parolim e por isso está classificada como horo-sazonal azul,
consumidor A3, de acordo com a resolução 456/2000 da ANEEL.
A subestação principal da Electrolux é composta por dois transformadores de
12,5MVA, 69kV/13,8kV. Está distribuído para as outras seis subestações com total de 24
transformadores de 13,8kV para B.T.
A demanda contratada junto à concessionária de energia para o horário de ponta é de
6,5MW e 7,1MW para o horário fora de ponta.
1.2. PROBLEMA
Conforme Keulenaer (2004) o uso de ar comprimido corresponde à cerca de 15% do
consumo de energia elétrica nas indústrias. Em equipamentos obsoletos com baixa eficiência
energética ou vida útil ultrapassada podem atingir valores mais elevados gerando um aumento
nos gastos financeiros da empresa.
Considerando que o sistema de ar comprimido foi corretamente operado e que os
procedimentos de manutenção tenham sido executados de forma adequada, estima-se uma
vida útil econômica até 20 anos (CERNE, 2001). O sistema da Electrolux esta operando desde
1986, portanto esta no final de sua vida útil.
Como possível solução para redução do consumo de energia elétrica, pode-se citar a
implantação de sistemas de geração de ar comprimido inteligente em substituição aos
equipamentos tradicionais. Pergunta-se então: será possível propor um modelo que atenda a
Electrolux?
22
1.3. JUSTIFICATIVA
O sistema atual de geração de ar comprimido da Electrolux do Brasil S.A. é composto
por seis compressores, instalados em duas salas, conforme a Tabela 3 (apenas ilustrativa). Os
equipamentos estão em operação a mais de vinte anos, sendo que já foram recondicionados
diversas vezes, tanto mecânica quanto eletricamente, perdendo rendimento e ocasionando alto
custo de manutenção e operação como, por exemplo, constantes trocas de óleo e filtro.
Tabela 3 - Constituição da fábrica
Compressor
GA 807
GA 807
GA 807
GA 1107
Central de utilidades fábrica 2
Potência (kW)
Rendimento
92
0,84
92
0,84
92
0,84
128,8
0,84
GA 807
GA 1107
Potência total
Central de utilidades fábrica 1
Potência (kW)
Rendimento
Marca
92
0,84 Atlas Copco
128,8
0,84 Atlas Copco
625,6
Marca
Atlas Copco
Atlas Copco
Atlas Copco
Atlas Copco
Fonte: Electrolux do Brasil
A forma como os equipamentos estão operando provoca competição entre máquinas,
ou seja, não existe seletividade para a entrada e saída dos compressores em operação, além de
ser de um sistema carga e alívio, sendo que carga é o motor trabalhando em sua capacidade
máxima e alívio é o motor consumindo energia e não realizando trabalho (desacoplado do
conjunto mecânico).
A pressão de ar fornecida à fábrica possui uma flutuação muita elevada que aumenta o
desgaste da máquina, além de gerar um alto consumo de energia e uma elevada demanda
contratada.
A necessidade do aumento da confiabilidade do sistema, proporcionando pouco tempo
de parada, redução dos custos de manutenção e aumento da vida útil dos equipamentos,
otimização do ciclo de funcionamento das máquinas, mantendo a pressão estável nas diversas
estações de trabalho, evitando desperdício de energia com possibilidade da redução da
demanda, pois os compressores de ar comprimido são grandes consumidores de energia
elétrica.
23
1.4. OBJETIVOS
1.4.1. Objetivo Geral
Este trabalho tem como principal objetivo estudar o sistema de geração de ar
comprimido com alta eficiência energética a partir da avaliação das condições das máquinas
atuais, com análise do retorno financeiro.
1.4.2. Objetivos Específicos
Os objetivos específicos deste trabalho final de graduação estão listados a seguir:
− estudar o funcionamento do compressor de ar comprimido e as tecnologias
disponíveis no mercado;
− estudar a possibilidade de redução do consumo e a demanda de energia
elétrica;
− estudar a possibilidade de melhoria da estabilidade e disponibilidade do ar
oferecido à fábrica;
− averiguar a possibilidade de eliminação da competição entre máquinas,
mantendo-as em sua máxima eficiência;
− procurar a melhor solução em termos de eficiência energética, caso haja, para o
sistema de geração de ar comprimido.
1.5. MÉTODO DE PESQUISA
O trabalho terá como ênfase nos seguintes aspectos:
- estudo do sistema de geração de ar comprimido atual;
- levantamento de dados através de equipamentos para leitura de grandezas;
- estudo de equipamentos disponíveis no mercado analisando qual a tecnologia que
mais se aplica ao caso estudado;
- análise do investimento e do retorno financeiro.
Inicialmente tem uma introdução quanto aos fundamentos da termodinâmica, para
uma melhor compreensão da geração, distribuição e armazenamento do ar comprimido,
24
abordando os compressores e os motores trifásicos e seu funcionamento, que inclui o estudo
de equipamento disponíveis no mercado.
O trabalho incluirá um estudo do sistema de geração de ar comprimido que é utilizado
atualmente pela Electrolux do Brasil S.A., verificando a possibilidade da redução do consumo
e da demanda.
Será realizado um levantamento de dados através de equipamentos para leitura de
grandezas elétricas e mecânicas nas máquinas e nos equipamentos, para buscar a melhor
solução em termos de eficiência energética com o sistema de geração de ar comprimido. E
ainda, verificar a possibilidade de melhoria da estabilidade e disponibilidade do ar oferecido à
fábrica.
Também há abordagem quanto à competição entre máquinas, verificando a otimização
do sistema através de tecnologias de controle, mas sem perder a eficiência.
1.6. DELIMITAÇÕES DO TEMA
Embora possam ser obtidos grandes ganhos com a eliminação de vazamentos não será
feita esta abordagem, devido a ser um tema basicamente mecânico e ir além do proposto no
trabalho.
O estudo da rede de distribuição de ar comprimido restringe-se ao conhecimento da
planta fabril.
Visto que a proposta do projeto baseia-se na melhoria do sistema de geração de ar
comprimido, não será analisado o processo de consumo do ar comprimido.
1.7. ESTRUTURA DO TRABALHO
Capítulo 1 – Introdução
•
Elaboração da proposta de projeto final
•
Exposição do tema do trabalho
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica
•
Fundamentos da termodinâmica
25
•
Tecnologias disponíveis de compressores
Capítulo 3 – Descrição e Levantamento de Dados
•
Detalhamento do sistema atual
•
Leituras de grandezas elétricas e mecânicas
Capítulo 4 – Sistema Proposto
•
Propostas de sistemas
Capítulo 5 – Detalhamento do Sistema a ser Aplicado
•
Levantamento do investimento
•
Análise do retorno do investimento
Capítulo 6 – Implantação do Sistema
•
Instalação dos compressores
•
Montagem da Tubulação
Capítulo 7 – Conclusão
•
Relatos dos resultados obtidos
•
Sugestão para futuros trabalhos
26
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA
A termodinâmica é uma ferramenta básica para o estudo dos compressores. É ela que
nos permite a análise dos efeitos sofridos pelo gás durante a compressão e também na
identificação das necessidades energéticas deste processo. Daí o interesse de incluir este
assunto como introdução ao texto dedicado ao estudo dos compressores. Enfatiza-se que o
domínio dos conceitos, a serem aqui apresentados, é essencial para a compreensão de muitos
aspectos relacionados com a operação desta máquina. Pode-se afirmar, a propósito, que
inúmeras foram as situações vivenciadas na vida profissional, onde engenheiros foram
induzidos a conclusões errôneas devido à falta de conhecimentos elementares no âmbito da
termodinâmica.
A Termodinâmica é a parte da Termologia (Física) que estuda os fenômenos
relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de
conversão de energia.
A pedra fundamental dessa ciência é a noção de energia, que pode ser associada a todo
e qualquer evento observável. Em função disso, a Termodinâmica estende quase infinitamente
suas fronteiras.
No estudo da física relativo ao movimento é freqüentemente empregado o conceito de
partícula, no sentido de designar uma porção indivisível da matéria. Uma partícula teria
associada a si duas formas elementares de energia: cinética e potencial. A energia cinética é
função da velocidade do deslocamento, enquanto a energia potencial depende da posição da
partícula com relação aos campos de força que atuam sobre ela.
A termodinâmica clássica esta mais propriamente interessada no conceito de sistema,
que seria constituído por um número fixo de partículas, encerrado em um contorno
fisicamente definido. Sendo empregadas como coordenadas na caracterização global de um
sistema de propriedades relacionadas com a estrutura íntima da matéria, tais como, pressão
(p), temperatura (T), volume (V). Essas propriedades têm caráter essencialmente
macroscópico, ou seja, estão relacionadas com o comportamento médio molecular do gás.
27
2.1.1. Energia Interna, Calor e Trabalho
O princípio da conservação da energia3 nos leva a concluir que a soma das energias
cinéticas e potenciais de todas as moléculas que constituem um sistema em equilíbrio é
constante. Essa soma, que denominamos energia interna (U) vem a ser uma propriedade
termodinâmica extensiva (isto é, que depende da massa). Dividindo-a pela massa do sistema
teremos a energia interna específica (u).
Calor (Q) e Trabalho (W), são formas pelas quais a energia interna de um sistema
pode se transferir para suas vizinhanças.
A transferência de calor se origina na diferença de potencial térmico, isto é, de
temperaturas, enquanto o trabalho decorre de diferenças de potencial de qualquer outra
natureza, no entanto, para o estudo da compressão, o interesse se concentra nos processos de
natureza mecânica (Rodrigues, 1991).
2.1.2. Conservação da Energia na Compressão
Em função do dispositivo empregado, existem duas situações distintas em que pode
ocorrer o processo de compressão de um gás, ou em um volume de controle. A compressão
em um sistema tem natureza puramente dinâmica e envolve apenas transferência de energia
para a estrutura molecular do gás. A idéia de volume de controle pressupõe a movimentação
de um fluxo de gás simultaneamente à compressão.
Figura 4 - Transferência de energia durante a compressão
Fonte: Rodrigues, Paulo Sérgio Barbosa, 1991
Considera-se de início a redução do volume ocupado pelo gás no interior do cilindro
dotado de um êmbolo móvel. Neste caso, o gás se comporta como um sistema, e tem sua
3
princípio físico em que qualquer processo, a energia nunca é criada ou destruída, apenas transformada
.
28
energia interna variada em função do calor e do trabalho trocados durante o processo. O
princípio da conservação da energia nos leva a escrever:
Q − W = U 2 − U1
onde:
U1 –
U2 –
W–
Q–
(2. 1)
energia interna inicial do gás
energia interna final do gás
trabalho
calor
A formulação é conhecida como “1ª Lei da Termodinâmica” aplicada a sistemas.
Para calor e trabalho essa expressão exige que seja observada a seguinte convenção de
sinais:
Qrecebido +
Wrecebido +
Qfornecido Wfornecido -
Referindo todas as grandezas envolvidas na equação 1 à unidade de massa (utilizando
a representação através de letras minúsculas) vem:
q − w = u 2 − u1
(2. 2)
Outra situação a ser considerada é aquela em que uma máquina é usada para forçar o
escoamento do gás desde um nível inferior até um nível superior de pressão. Para fins de
análise termodinâmica, essa máquina é interpretada como um volume de controle dotado de
uma entrada e uma saída de massa, que designaremos respectivamente pelos índices 1 e 2.
Estudando as condições de regime permanente de operação de um volume de controle.
Desta forma fica implícita a conservação de energia contida no volume de controle, o que
eqüivale supor que seja nulo o fluxo líquido de energia para seu interior (Rodrigues, 1991).
Pode-se escrever:
Q − W + m(e1 − e2 ) = 0
(2. 3)
Além do fluxo térmico e da potência, foi considerada a contribuição energética
relativa a cada fluxo de massa, que corresponde ao produto da vazão mássica pela energia
específica do escoamento (e).
29
Desde que a unidade de massa do fluído seja entendida como um sistema em
movimento, a energia específica do escoamento deve incluir tanto a energia interna como as
parcelas referentes à energia cinética e potencial, isto é:
e = u + pv + (C 2 ÷ 2) + gZ
(2. 4)
onde:
u - energia interna,
pv - energia potencial de fluxo associada ao campo de forças do escoamento,
C2/2 - energia cinética,
gZ - energia potencial gravitacional.
Todas referidas à unidade de massa. Para um compressor, as duas últimas parcelas
costumam ser negligíveis em presença das demais, de modo que a equação 3 pode ser
reescrita na forma:
Q − W = m × [(u 2 − u1 ) + ( p1v1 − p 2 v 2 )]
(2. 5)
Dividindo a equação (2.5) pela vazão mássica e denominada entalpia específica ou
simplesmente entalpia (h) à soma (u + pv):
q - w = h 2 − h1
(2. 6)
Compressores industriais realizam um procedimento combinado de compressão e
movimentação do gás, sendo caracterizados como volumes de controle. Em vista disso, a
equação 6 representa a forma adequada de aplicação da “1ª lei da Termodinâmica” a esse tipo
de equipamento.
2.1.3. Rendimento Mecânico
Durante a transmissão de energia do motor para o compressor, ocorrem inevitáveis
dissipações provocadas pelo atrito mecânico, como indica o esquema da Figura 5.
30
Figura 5 - Esquema de transferência de energia ao gás
Fonte: Rodrigues, Paulo Sérgio Barbosa, 1991
Para que esse efeito seja computado nos cálculos da compressão, utiliza-se o
rendimento mecânico(ηmec), cuja definição é dada por:
η mec = W / Wc
(2. 7)
onde:
W - trabalho efetivamente fornecido ao gás
Wc - trabalho ao compressor
η mec - rendimento mecânico
A mesma definição poderia ser apresentada em termos das potências consumidas.
2.1.4. Potência de Compressão
Compressores são equipamentos caracterizados termodinamicamente como volumes
de controle, cujo desempenho deve ser analisado através da identificação de fluxos de energia.
Por isso é que neste trabalho serão colocadas referências muito mais freqüentes à potência do
que ao trabalho de compressão:
Para o cálculo da potência têm a seguinte equação:
•
•
Wc =
m wth
η thη mec
onde:
•
m - vazão mássica do gás
wth - trabalho ideal por unidade de massa
η th - rendimento termodinâmico
(2. 8)
31
η mec - rendimento mecânico
•
Wc - potência requerida pelo compressor
2.1.5. Sistemas de Unidades
Na prática e na literatura de engenharia recomenda-se há utilização de pelo menos três
sistemas de unidades para o cálculo de processos de compressão, o Sistema Inglês, o Sistema
Métrico e o Sistema Internacional. Apesar da tendência que se verifica atualmente em todo
mundo pelo uso do Sistema Internacional, não se pode deixar de mencionar os outros dois.
Em muitos livros e documentos cuja emissão não seja muito recente. Para a elaboração deste
trabalho estará sendo utilizando os três sistemas, pois alguns equipamentos e softwares vêm
com o sistema de unidade adotado em seu país de origem.
A Tabela 4 indica como expressar diversas grandezas físicas em cada um dos três
sistemas mencionados, enquanto a tabela 5 fornece as equações de conversão de unidades
entre os sistemas.
Tabela 4 - Grandezas físicas
Grandezas
Sistema Inglês
Sistema Métrico
Sistema Internacional
Massa
lb
kg
kg
Comprimento
ft
m
m
Tempo
s
s
s
Força
1lb = 32,2 (lb . Ft)/S²
kgf = 9,81 (kg . m)/S²
psi = 144 lbf/ft²
kgf/cm² = 10 kgf/m²
Pa = 1 N/m²
ft³/lb
m³/Kg
m³/Kg
Pressão
Volume específico
0
Temperatura relativa
Temperatura absoluta
Trabalho
Calor
Vazão volumétrica
Vazão mássica
4
0
F
0
N = 1 (kg . M)/S²
0
C
0
C
0
R = F + 460
K = C + 273
K = C + 273
lbf . Ft
kgf.m
J = 1 N.m
Btu
kcal
J
cfs ou ft³/s
m³/s
m³/s
lb/s
kg/s
kg/s
Fonte: Rodrigues, Paulo Sérgio Barbosa, 1991.
32
Tabela 5 - Conversão de unidades
massa
1Ib = 0,454 kg
comprimento
1 ft = 12 in
1 ft = 0,3048 m
1 Ibf = 0,454 kgf
força
1 Ibf = 4,45 N
1 kgf = 9,81 N
1 Ibf/ft² = 144 psia
1 psia =0,07031 kgf/cm²
pressão
1 kgf/cm² =98,0665 kPa
1 bar = 100,00 kPa
1 atm = 101,325 kPa
volume espexífico 1 ft³/Ib = 0,06243 m³ /kg
1 Ibf.ft = 0,1383 kgf.m
trabalho
1 Ibf.ft = 1,3558 J
1 kgf.m = 9,81 J
1 Btu = 0,252 kcal
calor
1 Btu = 1,055 kJ
1 kcal = 4,186 kJ
vazão
1 cfm = 0,0283 m³/min
1HP = 1,268 kgm/min
potência
1HP = 0,746 kW
1HP = 1,014 CV
1 Btu/(1b.°F) = 1,0 kcal/(kg.K)
calor específico
1 Btu/(1b.°F) = 4,186 kJ/(kg.K)
1 kcal/(kg.K) = 4,186 kJ/( kg.K)
Fonte: Rodrigues, Paulo Sérgio Barbosa, 1991.
2.2. COMPRESSORES
2.2.1. Como Funcionam
Compressores constituem a família das máquinas operatrizes de fluxo compressível.
Compressores são utilizados para proporcionar a elevação da pressão de um gás ou
escoamento gasoso. Nos processos industriais, a elevação de pressão requerida pode variar
desde cerca de 1,0 atm até centenas ou milhares de atmosferas.
2.2.2. Elemento Compressor
A carcaça do compressor aloja dois rotores (tipo macho e tipo fêmea) helicoidais de
precisão, montados em rolamentos esféricos e rolamentos de roletes cilíndricos. O rotor fêmea
é acionado pelo rotor macho, que por sua vez é acionado pelo motor elétrico. O rotor macho
33
tem quatro lóbulos helicoidais com intervalo de 90o. O rotor fêmea tem seis reentrâncias
correspondentes, com intervalos de 60o para engrenamento com lóbulos do rotor macho. A
rotação do motor macho é 1,5 vez a do rotor fêmea. Quando os quatros lóbulos do rotor
macho giram nas seis reentrâncias do rotor fêmea, o ar admitido é aprisionado nos espaços
interlobulares e suavemente comprimido, até os lóbulos-reentrâncias passarem pela saída de
ar. É realizada uma compressão contínua em todos os lóbulos-reentrâncias, assegurando
fornecimento de ar livre de pulsações. O óleo injetado, misturando-se com ar que está sendo
comprimido, lubrifica os rotores para impedir contato intermetálico e vedar o espaço entre as
extremidades do rotor e carcaça. Isto aumenta a eficiência além de absorver grande parte do
calor de compressão (Rollins, 2004).
2.2.3. Separação de óleo
O óleo para o resfriamento e lubrificação é lançado através do sistema por diferencial
de pressão. Assim sendo, o sistema não tem bomba de óleo. O óleo é separado do ar de forma
eficiente. Primeiro centrifugamente no tanque de óleo, a seguir centrifugamente no tanque de
separação de óleo e, finalmente, por meio do elemento de filtro instalado no tanque separador.
O tanque de separação de óleo atua como reservatório de ar, sendo equipado com um
indicador de nível de óleo; o separador com válvula de segurança e uma válvula de pressão
mínima.
2.2.4. Classificação Quanto ao Princípio de Concepção
Dois são os princípios conceptivos no qual se fundamentam todas as espécies de
compressores de uso industrial: volumétrico e dinâmico.
Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, a elevação de pressão é
conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás. Na operação dessas máquinas
podem ser identificadas diversas fases, que constituem o ciclo de funcionamento:
inicialmente, uma certa quantidade de gás é admitida no interior de uma câmara de
compressão, que então é cerrada e sofre redução de volume. Finalmente, a câmara é aberta e o
gás liberado para consumo. Trata-se, pois, de um processo intermitente, no qual a compressão
propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção e
a descarga. Conforme será constatado logo adiante, pode haver algumas diferenças entre os
34
ciclos de funcionamento das máquinas dessa espécie, em função das características
específicas de cada uma.
Os compressores dinâmicos ou turbocompressores possuem dois órgãos principais:
impelidor e difusor. O impelidor é um órgão rotativo munido de pás que transfere ao gás a
energia recebida de um acionador. Essa transferência de energia se faz em parte na forma
cinética e em outra parte na forma de entalpia. Posteriormente, o escoamento estabelecido no
impelidor é recebido por um órgão fixo denominado difusor, cuja função é promover a
transformação da energia cinética do gás em entalpia, com conseqüente ganho de pressão. Os
compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua, e, portanto
corresponde exatamente ao que se denomina, em termodinâmica, um volume de controle
(Rollins, 2004).
2.2.5. Princípios de Funcionamento
Os compressores de maior uso na indústria são os alternativos que serão estudados no
item 2.2.5.1, os de parafuso no item 2.2.5.2 e os centrífugos no item 2.2.5.3. Todos eles terão
uma explanação no decorrer do trabalho.
2.2.5.1.
Compressores alternativos
Este tipo de máquina utiliza um sistema biela-manivela para converter o movimento
rotativo de um eixo no movimento translacional de um pistão ou êmbolo, como mostra a
Figura 6. Dessa maneira, a cada rotação do acionador, o pistão efetua um percurso de avanço
e outro de recuo na direção do cabeçote, estabelecendo um ciclo de operação, um ciclo de
operação.
Figura 6 - Compressor alternativo
35
Fonte: Rodrigues, Paulo Sérgio Barbosa, 1991.
O funcionamento de um compressor alternativo está intimamente associado ao
comportamento das válvulas (sucção e descarga). Elas possuem em elemento móvel
denominado obturador, que funciona como um diagrama, comparando as pressões interna e
externa ao cilindro. O obturador da válvula de sucção se abre para dentro do cilindro quando a
pressão na tubulação de sucção supera a pressão interna do cilindro, e se mantém fechado em
caso contrário. O obturador da válvula de descarga se abre para fora do cilindro quando a
pressão interna supera a pressão da tubulação de descarga, e se mantém fechado na situação
inversa. Com isso, temos as etapas do ciclo de funcionamento do compressor mostradas na
Figura 7.
Figura 7 - Etapas no funcionamento do compressor alternativo
Fonte: Rodrigues, Paulo Sérgio Barbosa, 1991.
Na etapa de admissão o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote,
fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro que proporciona a
abertura da válvula de sucção. O gás é então aspirado. Ao inverter-se o sentido de
movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que a pressão
interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga. Isso
caracteriza a etapa de compressão. Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do
pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro.
Essa situação corresponde à etapa de descarga e dura até que o pistão encerre o seu
movimento no sentido do cabeçote. Ocorre, porém, que nem todo o gás anteriormente
comprimido é expulso do cilindro. A existência de um espaço morto ou volume morto,
36
compreendido entre o cabeçote e o pistão no ponto final do deslocamento desse, faz com que
a pressão no interior do cilindro não caia instantaneamente quando se inicia o curso de
retorno. Nesse momento, a válvula de descarga se fecha, mas a de admissão só se abrirá
quando a pressão interna cair o suficiente para o permitir. Essa etapa, em que as duas válvulas
estão bloqueadas e o pistão se movimenta em sentido inverso ao do cabeçote, se denomina
etapa de expansão, e precede a etapa de admissão de um novo ciclo.
Pode-se concluir então que, devido ao funcionamento automático das válvulas, o
compressor alternativo aspira e descarrega o gás respectivamente nas pressões
instantaneamente reinantes na tubulação de sucção e na tubulação de descarga. Em termos
reais, há naturalmente uma certa diferença entre as pressões interna e externa ao cilindro
durante a aspiração e a descarga, em função de perda de carga no escoamento (Rodrigues,
1991).
2.2.5.2.
Compressores de parafusos
Esse tipo de compressor possui dois rotores em forma de parafusos que giram em
sentido contrário, mantendo entre si uma condição de engrenamento, conforme mostra a
Figura 8.
Figura 8 - Compressor de parafuso
Fonte: Robertson, R, 1998.
37
A conexão do compressor com o motor elétrico se faz através de parafusos fixados
diretamente na flange da carcaça do motor conforme indica a Figura 9.
Figura 9 - Elemento compressor fixado ao motor elétrico
Fonte: Robertson, R, 1998.
O gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os intervalos entre os filetes dos rotores.
A partir do momento em que há o engrenamento de um determinado filete, o gás nele contido
fica encerrado entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz então com que o ponto de
engrenamento vá se deslocando para frente, reduzindo o espaço disponível para o gás e
provocando sua compressão. Finalmente, é alcançada a abertura de descarga, e o gás é
liberado.
A relação de compressão interna do compressor de parafusos depende da geometria da
máquina e da natureza do gás, podendo ser diferente da relação entre as pressões do sistema.
2.2.5.3.
Compressores centrífugos
A Figura 10 procura ilustrar as características fundamentais de um compressor
centrífugo de um único estágio.
38
Figura 10 - Compressor centrífugo com detalhe do impelidor
Fonte: Rodrigues, Paulo Sérgio Barbosa, 1991.
O gás é aspirado continuamente pela abertura central do impelidor e descarregado pela
periferia do mesmo, num movimento provocado pela força centrífuga que surge devido à
rotação, daí a denominação do compressor. O fluído descarregado passa, então, a descrever
uma trajetória em forma espiral através do espaço anular que envolve o impelidor e que
recebe o nome de difusor radial ou difusor em anel. Esse movimento leva à desaceleração do
fluido e conseqüente elevação de pressão.
Prosseguindo em seu deslocamento, o gás é recolhido em uma caixa espiral
denominada voluta e conduzida à descarga do compressor. Nessa peça, as propriedades do
escoamento se mantêm invariáveis, ou pelo menos é o que se pretende em termos de projeto.
Antes de ser descarregado, o escoamento passa por um bocal divergente, o difusor da voluta,
onde ocorre um suplementar processo de difusão.
Operando em fluxo contínuo, os compressores centrífugos aspiram e descarregam o
gás exatamente nas pressões externas, ou seja, há uma permanente coincidência entre a
relação de compressão interna e a relação de compressão externa.
O interior da máquina que descrevemos aqui é incapaz de proporcionar grandes
elevações de pressão, de modo que os compressores dessa espécie normalmente utilizados em
processos industriais são múltiplos estágios. Julga-se, entretanto. Para ilustrar o princípio de
39
funcionamento, a apresentação de um compressor de um único estágio é suficiente
(Rodrigues, 1991).
2.3. MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
2.3.1. Conceitos
Uma característica que distingue os motores de indução é que eles são máquinas com
excitação única. Embora tais máquinas sejam equipadas tanto com enrolamento de campo
como com um enrolamento de armadura, em condições normais de utilização a fonte de
energia é conectada a um único enrolamento, o enrolamento de campo.
As correntes circulam no enrolamento de armadura por indução, o que cria uma
distribuição ampère-condutor que interage com a distribuição de campo para produzir um
torque líquido unidirecional. A freqüência da corrente induzida no condutor é ditada pela
velocidade do rotor na qual está colocada; contudo, a relação entre velocidade do rotor e a
freqüência da corrente de armadura gera uma distribuição ampère-condutor resultante
estacionária em relação à distribuição do campo. Como resultado, a máquina de indução, com
excitação única, é capaz de produzir torque a qualquer velocidade abaixo da velocidade
síncrona4. Por essa razão, a máquina de indução é classificada como uma máquina assíncrona.
Em contraste, máquinas síncronas são dispositivos eletromecânicos de conversão de energia
nos quais o torque líquido pode ser produzido em apenas uma5 velocidade do rotor. A
característica que distingue a máquina síncrona é que ela é um dispositivo com excitação
dupla, exceto quando está sendo usada como um motor de relutância.
Sendo o motor de indução uma máquina com excitação única, é necessário que tanto a
corrente de magnetização como a componente de potência da corrente circulem na mesma
rede. Além disso, devido à presença de um entreferro no circuito magnético da máquina de
indução, um valor apreciável de corrente de magnetização é necessário para estabelecer o
fluxo por pólo solicitado pela tensão aplicada. Normalmente, o valor da corrente de
magnetização para os motores de indução trifásicos fica entre 25% e 40% da corrente
nominal. Conseqüentemente, o motor de indução opera com baixo fator de potência para
cargas leves e com fator de potência menor que a unidade, na vizinha da potência nominal
(Toro, 1999).
4
A velocidade síncrona é determinada pela freqüência da fonte aplicada ao enrolamento de campo e pelo
número de pólos para qual a máquina é projetada.
5
Teoricamente, existem duas velocidades do rotor nas quais um torque líquido diferente de zero pode existir,
mas na segunda velocidade uma corrente enorme circula, o que torna a operação inviável.
40
2.3.2. Características de Torque-Velocidade: Torque de Partida e Máximo
As características de torque-velocidade do motor de indução podem ser explicadas
podem ser explicadas pelas Equações 9 e 10.
T = 0,177 pΦ ( Z 2 K w 2 I 2 ) cos Ψ
T=
π
8
p 2 ΦJ m cos Ψ
N −m
(2. 9)
N −m
(2. 10)
onde:
T p -
o número de pólos
Φ -
o fluxo por pólos, em Wb
Jm
a lâmina de corrente equivalente que representa uma distribuição ideal de
-
torque eletromagnético
ampère-condutor, expressa em A/rad.
Ψ-
o ângulo de deslocamento de fase entre o início da lâmina de corrente ( isto é,
da distribuição ampère-condutor) e o início da onda de densidade de fluxo debaixo de um
pólo.
q -
número de fases do enrolamento de armadura
N 2 - número de espiras por fase do enrolamento de armadura
K w 2 - fator do enrolamento de armadura de armadura
I2 -
corrente do enrolamento de armadura por fases
À medida que o escorregamento6 aumenta de aproximadamente zero para cerca de
10% a Equação 2.11 mostra que a corrente do rotor aumenta quase que linearmente. Além
disso, para esta mesma faixa de valores do escorregamento, Ψ varia numa faixa de
aproximadamente zero a 15 graus. Isso significa que cosΨ permanece praticamente sem
6
Escorregamento é a diferença de velocidade, utiliza-se este termo porque descreve o que um observador
acavalado no campo do estator vê olhando para o rotor – ele parece ter escorregado para trás.
41
variação ao longo da faixa especifica de escorregamento e assim, o torque aumenta quase que
linearmente nesta região.
I2 =
sE 2
r2 + jsx 2
(2. 11)
onde:
I2
– corrente
sE2 – tensão
sx2 – impedância do rotor
Quando o escorregamento eleva-se ainda mais, a corrente do rotor contínua a crescer,
mas muito mais lentamente que no início. A razão está na crescente importância do termo sx 2
da impedância do rotor. Adicionalmente, o ângulo de espaço Ψ diminuía mais rapidamente
que o aumento de corrente. Visto que a equação do torque agora envolve dois fatores em
oposição, é perfeitamente razoável se esperar que um ponto seja atingido, e que além dele um
crescimento adicional do escorregamento culmine por reduzir o torque. Em outras palavras, o
decréscimo rápido do fator cos Ψ predomina sobre o lento crescimento do fator I 2 na
Equação 2.11. Á medida que Ψ , o padrão do campo produção do torque se torna debaixo de
um dado fluxo do pólo (Toro, 1999). Conseqüentemente, a curva composta torque-velocidade
toma uma forma similar à indicada na Figura 13.
42
Figura 11 - Vista da secção transversal de um motor de indução trifásico de gaiola.
Fonte: TORO, Vincent del, 1999.
Figura 12 - Representação da distribuição das ondas
Fonte: TORO, Vincent del, 1999
Torque de partida é o torque desenvolvido quando s é unitário, isto é, a velocidade
n é zero. A Figura 13 indica que o torque de partida é um pouco superior ao torque nominal o
que é característico dos motores assíncronos.
43
Figura 13 - Curva típica torque-velocidade para um motor de indução trifásico
Fonte: TORO, Vincent del, 1999
Outro valor importante de torque do motor de indução trifásico é torque máximo
desenvolvido. Esta grandeza é tão importante que freqüentemente é o ponto de partida do
projeto de um motor de indução. O torque máximo é uma medida da capacidade de reserva da
máquina. Tem freqüentemente um valor entre 200 e 300% do torque nominal. Permite ao
motor operar quando sob picos de carga temporários. Contudo, o torque máximo não pode ser
entregue continuamente porque as correntes excessivas que circulam iriam destruir a isolação.
2.3.3. Acionamento e Controle de Velocidade
Os motores standards estão limitados a uma velocidade máxima de 3600 rpm e, por
esta razão, normalmente necessitam uma engrenagem para aumentar a velocidade entre o
motor e o compressor. Os compressores de ar centrífugo são fabricados com engrenagens
integradas que aumentam a velocidade, o que permite a conexão direta ao motor elétrico
padrão. Para o controle e acionamento de compressores existem três tipos de acionamentos
disponíveis, os quais serão analisados e estudados abaixo, (ATLAS COPCO, 1987).
2.3.3.1.
Acionamento de compressor com vazão constante
Este sistema é o mais utilizado em todo o mundo, devido ao baixo custo de instalação
e ser o mais apropriado para plantas industriais de médio porte. Podendo ser acionado por
partida direta e na maioria das vezes por partida estrela – triângulo, utilizando motores
assíncronos. Possui o sistema de controle da vazão por carga e alívio.
44
2.3.3.1.a.
Compressor em alívio
Quando a pressão de descarga aumenta atingindo a pressão pré-estabelecida, o
pressostato7 desliga o circuito das válvulas solenóides e o ar retido na câmara é descarregado
para a atmosfera, juntamente com a pressão do reservatório interno e a válvula de admissão é
fechada por uma mola, no entanto o motor consome cerca de 20% da energia necessária para
operar a plena carga.
2.3.3.1.b.
Compressor em carga
Quando a pressão da linha de descarga diminui até um valor pré-determinado, pelo
qual o pressostato fecha o circuito elétrico das válvulas solenóides e alivia a pressão da
câmera. A válvula de admissão é aberta reiniciando a plena carga a compressão, aumentando
a pressão do reservatório e a descarga de ar recomeça.
2.3.3.1.c.
Parada automática
É realizada pela ação de um relê temporizador, quando o sistema mantém a pressão
em alívio não ocorrendo carga durante um tempo ajustado, o motor é desligado, voltando a
partir quando houver uma redução da pressão de linha. Por medida segurança do motor, pois o
mesmo não pode ser ligado mais que três vezes por hora, o relê de tempo vem ajustado de
fábrica em vinte minutos.
2.3.3.2.
Variação da vazão por VSD (VARIABLE SPEED DRIVE)
Funciona pelo princípio de alteração da freqüência da rede, à medida que a freqüência
da rede é elevada ou reduzida, a velocidade síncrona também aumenta ou diminui, o que
proporciona um controle satisfatório. Outrossim, se uma densidade máxima do fluxo no ferro
não deve ser excedida à medida que a freqüência se reduz, uma redução correspondente na
tensão aplicada deve ser efetuada. Em termos práticos quem executa a função da rede é o
inversor de freqüência, usado para transformar uma fonte cc em uma fonte de freqüência
variável. Como a potência cc não esta normalmente disponível, é necessário gerá-la através do
7
Pressostato é um instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de
equipamento ou processos industriais
45
uso de circuitos eletrônicos apropriados. Um diagrama de blocos deste esquema eletrônico de
controle de velocidade de um motor de indução de rotor de gaiola esta indicado na Figura 14.
Figura 14 - Diagrama de controle eletrônico de velocidade de um motor de gaiola
Fonte: TORO, Vincent del, 1999
A principal vantagem deste tipo de acionamento constate-se nas flutuações que se
verificam a cada instante do dia, os sistemas tradicionais de regulação dos compressores não
podem acompanhar com precisão as variações de ar requeridas. Na verdade, eles podem por si
próprios adicionar algumas flutuações na procura constante da pressão correta. Além disso,
com carga parcial, é desperdiçada energia, pois terá consumo sem realização de trabalho.
A utilização dos compressores com VSD8 oferece ao consumidor de ar a quantidade
exata de ar, nem mais, nem menos, tornando o sistema de geração de ar comprimido
simplesmente, mais econômico, mais eficiente e ecologicamente correto, pois menos energia
consumida significa que menos poluição será gerada.
No Custo do Ciclo de Vida total de um compressor padrão, o consumo de energia
representa muito mais do que o seu investimento inicial e os custos de manutenção global,
conforme descrito no capítulo 1.
Ajustando continuamente a velocidade do motor com a variação das suas necessidades
de ar, o compressor minimiza o consumo de energia, sendo possível economia de energia até
35%, dependendo das flutuações e das necessidades de ar. A saída de pressão é virtualmente
constante numa vasta capacidade, até 35% abaixo da plena carga. Isto permite uma definição
de pressão nominal inferior, o que significa simplesmente maior economia de energia. A
ausência total de excessos ou quedas de pressão beneficia a estabilidade dos processos a
jusante e a qualidade do produto final, ou seja, o ar comprimido entregue no ponto de
consumo.
Outro benefício é o arranque do compressor que se torna suave elevando a vida útil do
conjunto motor-compressor e tornando a instalação elétrica muito mais simples e mais barata.
8
VSD - Acionamento de Velocidade Variável
46
Devido à ausência total de picos de corrente, um fator de potência elevado e ausência de
perturbações na rede elétrica quando instalado corretamente.
É importante observar-se que este é um dos poucos métodos que estão disponíveis
para se obter o controle da velocidade para motor de indução assíncrono altamente robusto,
como é o caso dos motores utilizados em compressores. Torna-se então a função do inversor
de gerar uma nova fonte de tensão trifásica que, em geral, possuía propriedades de freqüência
variável, tensão ajustável e, mesmo de fase ajustável. O ajuste simultâneo da tensão de saída
do inversor com a freqüência é necessário para prevenir operação em valores de fluxo por
pólo que desviam abruptamente do valor nominal do motor controlado. Isto pode ser obtido
projetando-se o sistema de controle da velocidade de forma que ele mantenha a relação da
tensão de saída do inversor para a freqüência controlada como uma constante. Por meio desta
técnica o fluxo por pólo pode ser mantido ao longo da faixa de operação. Se esta precaução
não for observada, então, a baixa freqüência, poderia facilmente ocasionar uma grande
saturação do circuito magnético, ao passo que, para altas freqüências, haveria uma redução da
capacidade de reserva do motor e perda de torque, (Toro, 1999).
2.3.3.3. Inversor de velocidade associado a motor híbrido de magneto
permanente
Este método de controle consiste em mudar o número de pólos. Lembrando que o
número de pólos é determinado pelo arranjo físico do enrolamento. É possível agrupar o
enrolamento em seções emparelhadas apropriadas a cada fase. Quando as duas seções, por
exemplo, estão conectadas de forma a assegurar orientações simétricas da circulação de
corrente, resulta uma máquina de quatro pólos. Contudo, se a corrente da segunda seção for
colocada circulando na direção oposta por meio de uma chave, o resultado é uma máquina de
dois pólos. Conseqüentemente, a velocidade síncrona pode ser alterada por fator 2. Tal
máquina é chamada de “motor híbrido de magneto permanente” sendo patenteado pelo
fabricante de compressores Ingersoll-Rand.
Acoplado diretamente a unidade compressora, o conjunto tem um reduzido número de
peças rotativas e não existem rolamentos no motor, não existindo risco de desalinhamento do
motor, esta característica torna o compressor mais confiável e de manutenção fácil e rápida.
O MHPM9 tem como características principais à eficiência mínima de 95%, ilimitado
número de partidas, não possui rolamento baixíssima manutenção. O estator tem bobinas
montadas separadamente em cada um dos pólos salientes. Os pólos salientes maximizam o
9
MHMP - Motor Híbrido de Magneto Permanente
47
fluxo magnético produzido pelas bobinas permitindo que o estator tenha dimensões menores
(INGERSOLL-RAND, 2006).
Quando esta a 100% da vazão nominal, o compressor tem o maior volume de ar com o
menor consumo de energia, sendo que a eficiência será a mesma também a 25% da vazão
(INGERSOLL-RAND, 2006).
Um compressor de velocidade fixa é controlado por uma válvula de admissão que
módula entre as posições de aberto e fechado, tendo como resultado flutuações extremas de
pressão, desperdiçando energia. Desta maneira, a eficiência é reduzida toda vez que o
compressor está operando fora de seu padrão máximo de desempenho.
Utilizando o motor Híbrido de Magneto Permanente e o inversor de freqüência, o
compressor fornece ar a uma pressão constante independente da demanda, e com um máximo
de eficiência. Este compressor chamado pelo fabricante de Nirvana consegue atingir um
desempenho constante em toda faixa de operação.
Figura 15 - Motor híbrido de magneto permanente
Fonte: Catalogo Fabricante INGERSOLL-RAND, 2006
2.4. DISTRIBUIÇÃO DE AR COMPRIMIDO
Em uma rede de distribuição de ar comprimido, devem-se observar alguns pontos
importantes:
- identificar e localizar os principais pontos de consumo na fábrica (este trabalho
também servirá como base para determinar o local ideal para a localização da casa de
máquinas);
48
- deve-se estabelecer se a rede mestra vai ser em forma de anel fechado, em linha reta,
ou mista. Para todos os casos, o diferencial de pressão máximo admissível entre a geração e o
ponto de uso não deve ser superior a 10% da pressão de geração;
- as válvulas devem ter passagem plena e as curvas a serem usadas devem ser de raio
longo, daquelas que causam perdas de carga menores;
- caso haja necessidade de pressões muito diferentes ou que a situação local exija redes
descentralizadas ou distâncias muito longas entre geração e consumo, recomenda-se instalar
mais de uma central de compressores. Porém, se a situação permitir interligar os pontos da
fábrica com uma única rede, esta é a melhor opção;
- as redes de alimentação devem ser aéreas ou, no caso de impossibilidade, devem ser
colocadas em valetas no chão, com tampas de metal ou concreto (nunca enterradas ou
embutidas nas paredes). Em ambos os casos, devem-se observar uma inclinação no sentido do
fluxo de 0,5 até 1,0%;
- todas as tomadas das redes secundárias e de alimentação das máquinas devem ser
executadas na parte superior da tubulação.
2.4.1. Reservatório
Normalmente em sistemas industriais utiliza-se um reservatório, o qual é abastecido
por um ou mais compressores. As necessidades instantâneas de ar comprimido da instalação
são supridas pelo reservatório, que enquanto está cedendo ar para a instalação, permite que o
compressor permaneça desligado ou funcione de modo contínuo, sem quedas bruscas de
pressão além de reduzir o número de partidas e paradas, (ROLLINS, 2004).
A armazenagem compensa as flutuações e atende aos picos de consumo, evitando que
o motor elétrico seja desligado várias vezes, reduzindo assim o seu desgaste. Em instalações
de grande porte, vários reservatórios podem ser necessários.
O volume do reservatório é determinado pela descarga efetiva (DLE) do compressor,
pelo sistema de controle e pelo consumo de ar comprimido. Os reservatórios de ar
comprimido desempenham tarefas importantes nos sistemas pneumáticos.
49
A escolha de um reservatório deve se optar pelos volumes disponíveis no mercado
utilize a regra de escolher aquele que tenha um volume mais próximo do necessário, maior
custo para fabricar um reservatório não padronizado, torna-se economicamente inviável.
No Brasil a fabricação e instalação devem obedecer à Norma Regulamentadora 13
(NR13) do Ministério do Trabalho e do Emprego (MTE).
2.4.1.1.
Atribuições dos reservatórios
A compressão produz a umidade em forma de gotas de água (condensado). Esta água é
usualmente drenada de dentro do reservatório. Parte do calor gerado no ar, devido à
compressão é retirado e cedido ao meio que envolve o reservatório, pelas suas superfícies
externas, e então o ar é resfriado. Esse resfriamento é que origina o fato de grande parte do
condensado ser precipitado nas paredes internas do reservatório. O condensado é coletado no
fundo do reservatório e removido para o exterior por meio de um conjunto adequado de
drenagem.
Nos reservatórios cujas instalações na grande parte do tempo ficam sem funcionar, as
paredes poderão ter corrosão pelo condensado. A galvanização das superfícies em contato
com o condensado pode reduzir este problema. Porém, se o condensado é drenado constante e
regularmente, não é absolutamente essencial à galvanização. Quando o condensado contém
concentrações de agentes agressivos, a galvanização é absolutamente necessária.
Para os sistemas usuários que apresentam ferramentas de uso esporádico, terminais
usados para limpeza ou equipamentos pneumáticos com consumos elevados, mas, que
funcionam por curto período, o volume de ar do reservatório é utilizado para minimizar ou
eliminar a necessidade de compressores de maior capacidade apenas para atender a esses
curtos períodos de demanda (ROLLINS, 2004).
Em alguns casos justifica-se a aquisição de um ou mais compressores para atender
apenas a esse tipo de carga.
2.5. APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DO AR COMPRIMIDO
O ar comprimido, ao longo tempo, tem sido usado para várias finalidades industriais,
como no acionamento de ferramentas pneumáticas, no acionamento mecânico e no comando
de válvulas em sistemas de controle.
50
O ar comprimido é largamente usado em quase todos os setores industriais. Seu campo
de aplicação é bastante grande e cresce dia a dia. Abaixo segue a relação de possíveis
aplicações (ROLLINS, 2004).
2.5.1. Puxar e Grampear com Ar Comprimido
A operação de repuxar e de grampear com o uso de mecanismos que utilizam ar
comprimido como energia de acionamento é muito usada principalmente nas situações em
que são envolvidas ações de mecanização e automação. Os cilindros ou motores pneumáticos
são usados para fixar as ferramentas para a realização do trabalho.
O posicionamento poderá ser realizado por movimentos lineares, rotativos e
oscilatórios.
A energia contida no ar comprimido é convertida diretamente em força de ação por
meio da pressão.
2.5.2. Transporte por Ar Comprimido
O transporte realizado com o uso de ar comprimido é encontrado em aplicações em
que a mecanização e a automação são indispensáveis. Nessas aplicações, os motores de ar
comprimido podem proporcionar o transporte temporizado ou não temporizado, ou de acordo
com as necessidades do processo.
A armazenagem e a recepção de materiais automatizada se enquadra nesta categoria.
Uma variação do transporte pneumático através de tubos é o uso do acionamento de
correia transportadora de materiais particulados.
2.5.3. Sistemas de Acionamento Pneumático
Sistemas com acionamento pneumático são encontrados em várias áreas industriais.
Podem executar movimentos rotativos ou lineares. O movimento linear é obtido com o
uso de cilindros, e é visto na prática como meio altamente econômico e racional. O trabalho
útil é realizado pela queda de pressão e pela mudança do volume do ar comprimido.
Nesta categoria, encaixam-se as ferramentas e os equipamentos de percursão
pneumática.
A energia do ar comprimido é convertida em energia cinética para movimentar um
pistão. Os vibradores e batedores se encaixam nessa categoria.
51
A energia pneumática é também usada no acionamento de válvulas de controle, em
sistemas de alimentação de materiais, nos veículos automotores, em posicionamento de
ferramentas.
2.5.4. Jateamento com Ar Comprimido
A energia do ar comprimido é usada para forçar materiais e líquidos através de bocais.
Este processo é usado para obter substâncias atomizadas.
Processos de tratamento superficial, como jateamento de areia, esferas e pintura que
utilizam pistolas de ar comprimido, encaixam-se nestas aplicações.
No caso de utilização a altas temperaturas, o ar comprimido é usado para aplicar
metais líquidos. O sistema de jateamento com arco elétrico é um exemplo desta aplicação.
2.5.5. Operações com Sopro de Ar e Jato de Água
Nestas operações, o próprio ar comprimido é o meio e a ferramenta de trabalho. O
fluxo de água é gerado pela queda de pressão e expansão do volume do ar comprimido.
Exemplos destes tipos de trabalhos são os de sopro de ar para produção de garrafas,
tanto de plástico como de vidro, e os de sopro e limpeza de moldes de fundição.
2.5.6. Operações de Inspeção e Teste
O uso de ar comprimido em bancadas de inspeção e testes é muito comum.
A variação de pressão é utilizada para determinar a contagem de artigos, os
posicionamentos corrigem de produtos para verificação e as determinações de formas e os
pesos.
2.5.7. Controle de Processos com Ar Comprimido
Toda aplicação pneumática deve ser controlada, de alguma forma, para que haja
comando racional na tarefa. Isto é realizado por chaves de pressão e válvulas direcionais.
Estes comandos atuam de várias maneiras; por exemplo, chaves mecânicas, cames10
ou meio manual. Chaves elétricas e magnéticas são também muito utilizadas.
A pneumática tem enorme importância na verificação dos processos de fluxo de
líquidos e gases. O ar comprimido é usado para controlar remotamente válvulas, deslizadores
e flaps em grandes plantas industriais.
10
Suporte fixado que é utilizado para acionamento elétrico (sensor, fim de curso, chave).
52
A pneumática é também, usada nos processos de informação e circuitos lógicos. Os
circuitos lógicos a ar são comparáveis com os circuitos eletrônicos lógicos. Eles ocupam
espaços maiores, mas são caracterizados por alta precisão de operação. Se o processo exigir
muitos elementos lógicos, a pneumática pode ser uma alternativa.
2.5.8. Aplicações Especializadas
Obviamente, não é possível descrever todas a aplicações da pneumática, pois novas
áreas surgem todos os dias.
A lista de aplicações é maior, por sua própria natureza, no campo da engenharia
mecânica. Porém, todos as áreas do conhecimento utilizam, de uma forma ou outra, o ar
comprimido.
53
3. ANÁLISE DE INVESTIMENTOS
3.1. O QUE SÃO INVESTIMENTOS
Um investimento pode ser conceituado como um sacrifício hoje em prol da aquisição
de uma série de benefícios futuros. Em finanças, os termos sacrifício e benefício futuros, estão
vinculados aos fluxos de caixa necessários e gerados pelo investimento. Assim, a análise de
investimentos consiste, fundamentalmente, em um diagnóstico da projeção de fluxos de caixa.
No conjunto de investimentos empresariais de capital estão os gastos corporativos
mais consideráveis, como a aquisição de novos equipamentos, a reforma de uma unidade,
abertura de um depósito de produtos ou até mesmo a construção de uma nova planta fabril. A
perspectiva de investimento de capital habitua-se a ser designado projeto de investimento.
A análise da viabilidade de investimentos deve preocupar-se em verificar se os
benefícios gerados com o investimento compensam os gastos realizados. Para isso, é preciso
construir estimativas futuras de fluxos de caixa. A construção de previsões a cerca de fluxos
de caixas gerados pelo investimento deve-se definir qual o horizonte de análise será utilizado,
na maior parte das vezes corresponde à vida útil do equipamento (Cassaroto Filho,2000).
3.2. RAZÃO DA SUBSTITUIÇÃO DE ATIVOS
A Substituição de maquinário é um conceito amplo que abrange desde a seleção de
ativos similares para trocar os existentes até a avaliação de ativos que atuam de modo
diferentes, mas realizam a mesma função.
As decisões de substituição são de uma importância crítica para a empresa, pois uma
decisão apressada de livrar-se de um equipamento obsoleto ou a intenção de possuir sempre o
top de linha pode causar problemas de capital de giro (Ehrlich, 2005).
Entre as várias razões a deterioração é uma das causas e se manifesta por custos
operacionais elevados, altos custo de manutenção, baixa eficiência entre outras. As despesas
de manutenção em geral superam em muito o valor dos investimentos, pois existe o costume
de manter os equipamentos velhos em funcionamento mesmo quando sua operação já esta
comprometida, não sendo viável, perdendo a capacidade de operar eficientemente, ou seja,
tornando-se obsoleto.
54
Substituição de equipamentos é um assunto que pode ser apresentado avaliando as
necessidades de dar baixa ou adquirir novos equipamentos. Entre os exemplos de substituição
que são apresentados na literatura de análise de investimento, o mais usual é o modelo de
permuta com progresso tecnológico. Este modelo é o mais adequado quando a evolução é
contínua e se reflete por economias periódicas.
3.3. PROCESSO DE TOMADA DE DECISÃO
Existe um grande número de variáveis sendo impossível colocá-las em um modelo
matemático. Por outro lado, as repercussões de cada alternativa de investimento sobre os
diversos objetivos de uma empresa devem ser adequadamente ponderadas, para escolher a
melhor opção.
Deve-se ter em mente que para a análise das alternativas de investimento é necessário
conhecer o problema. Uma etapa deste processo é fazer um exame detalhado das
características incluindo as restrições e as definições dos critérios e sua ponderação.
Após identificado as alternativas confronta-se as vantagens e desvantagens procurando
resultados quantitativos e qualitativos, analisando igualmente o grau de adequação elegendo a
melhor solução.
Existem situações que, embora suficientemente importantes são tão óbvias que não é
necessário muito esforço decidir, por exemplo, um equipamento no final de sua vida útil o
qual apresenta reparos e manutenções constantes (Bruni, 2003).
55
4. DESCRIÇÃO E LEVANTAMENTO DE DADOS
O sistema de geração de ar comprimido da Electrolux do Brasil planta Guabirotuba é
composto por seis compressores, sendo dois instalados na fábrica 1 e os outros quatro na
fábrica 2 todos são da marca Atlas Copco. A rede de distribuição é dividido também em
fábrica 1 e 2, sendo interligadas entre si.
4.1. CENTRAIS DE AR COMPRIMIDO
Conforme é observado na Figura 16 a casa de máquinas da fábrica 1 é composta por
seis equipamentos sendo:
- um reservatório que tem por função acumular ar comprimido para suprir aumentos
repentinos do consumo.
- um filtro coalescente que tem por finalidade reter as partículas sólidas que possam
ser remetidas para a rede de distribuição afetando as ferramentas pneumáticas.
- um secador de ar comprimido, que tem por finalidade a retirada da umidade (água e
óleo) do ar comprimido antes de enviar para a fábrica a fim de proteger os equipamentos dos
setores de produção.
- um separador que tem como função separar água do óleo enviando a água para o
esgoto pluvial e o óleo para descarte apropriado.
- dois compressores dos modelos GA807 e GA 1107, ambos são compressores de
velocidade fixa não possuindo nenhum tipo de controle inteligente.
56
Reservatório
Filtro
Figura 16 - Desenho isométrico da central de ar comprimido da fábrica 1
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
57
A sala onde está instalado os compressores da fábrica 1 é mostrada na Figura 17, tendo
o espaço interno reduzido, mas atendendo as condições básicas de operação dos
equipamentos, sendo que o ar necessário para o funcionamento das máquinas é retirado do
ambiente externo por meio de dutos. Também existe uma isolação acústica devido estar
próximo ao ambiente de trabalho de funcionários de setores produtivos da empresa.
Figura 17 - Central de ar comprimido da fábrica 1
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
A casa de máquinas da fábrica 2, conforme Figura 18, é composta por cinco
equipamentos: um secador de ar, três compressores GA807 e um compressor GA1107, não
possuindo nenhum tipo de controle automatizado.
58
Reservatório
Figura 18 - Desenho isométrico da central de ar comprimido da fábrica 2
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
59
O local onde esta instalado os quatros compressores da fábrica 2, ao contrário da
fábrica 1, não possui nenhum isolamento acústico especial devido estar distante da circulação
de funcionários. Em virtude de possuir mais equipamentos á área é mais ampla, por ter este
espaço maior, possibilita a instalação de novos equipamentos em seu interior. Assim como na
fábrica 1 existe sob os equipamentos uma bacia de contenção com o intuito de impedir que
ocorra vazamento de óleo para o solo, contaminando o lençol freático.
No momento que foi tirada a foto que esta representada na Figura 19 uma das
máquinas estava em manutenção preventiva programada.
Figura 19 - Central de ar comprimido da fábrica 2
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
60
4.2. REDES DE AR COMPRIMIDO
A Figura 20 representa a rede de ar comprimido da fábrica 1 constituindo a rede mais
antiga de toda a planta, sendo ampliada conforme o crescimento da indústria não havendo um
planejamento adequado. Conforme se observa a rede foi construída no formato radial devido
não possuir uma filosofia que propusesse uma melhor distribuição de pressão entre os pontos
de operação.
Figura 20 - Rede de ar comprimido da fábrica 1
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
61
Na fábrica 2 a rede de ar comprimido conforme representação da Figura 21 constitui
um sistema em anel pelo fato da fábrica ser mais recente e a empresa possui um setor de
engenharia responsável pela infra-estrutura da indústria, foi realizado um planejamento com
intuito de absorver futuras ampliações além de uma melhor distribuição da pressão.
Figura 21 - Rede de ar comprimido da fábrica 2
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
As figuras 20 e 21 apresentadas neste capítulo foram disponibilizadas pelo setor de
Engenharia de Fábrica da Electrolux, sendo convertidos do Autocad para figura em formato
“JPG” perdendo um pouco da qualidade inicial.
62
4.3. COLETA DE DADOS
Para um estudo mais aprofundado visando apresentar uma proposta ao nível de
engenharia é necessária aquisição de dados mais precisos e de melhor qualidade.
A partir de uma visão que quanto maior a qualidade de um serviço prestado ao cliente,
maior será seu grau de satisfação pelo produto entregue a ele. O contato com uma empresa
que possua equipamentos de medição mais sofisticados justifica-se para atingir um bom nível
de trabalho.
Para haver credibilidade nos dados obtidos torna-se necessária diferente tecnologia e
metodologia de leitura, preferencialmente de marcas concorrentes.
Através de pesquisas no mercado conclui-se que a empresa Atlas Copco e a empresa
“Pneumax” (representante do fabricante de compressores Ingersoll-Rand) poderiam nos
atender de forma satisfatória. Por questões de ética foi realizado leituras em semanas distintas.
Ambas empresas são lideres e concorrentes em termos mundiais.
A empresa Atlas Copco possui software próprio para a aquisição de dados. O mesmo
consiste em medições com amperímetros e medidores de vazão com gravação dos valores em
memória. O relatório cedido pela empresa Atlas Copco contempla a leitura de
aproximadamente dois dias.
A empresa Pneumax possui o equipamento “Intellisurvey” de aquisição de dados, o
qual é composto por transdutores de pressão e vazão, e possibilidade de conexão de quatro
alicates amperímetros.
Os dados do Intellisurvey estão distribuídos em leituras diárias através de gráficos
acompanhados de um resumo semanal. Este contempla dois gráficos acompanhados de tabela
de leituras. A primeira possui valores de correntes consumidas pelos compressores e a
segunda vazão produzida pelos mesmos.
63
Figura 22 – Exemplo de medição do equipamento Intellisurvey
A Figura 22 mostra a forma que foi efetuada a medição na sala dos compressores da
fábrica 2. Da mesma maneira foi efetuada as medições na fábrica 1 tendo apenas dois
compressores. A indicação “CT” é uma simplificação de corrente e tensão e “PT” é a
indicação da pressão de trabalho do sistema que serão os dados de entrada do software
“Intellisurvey”.
64
Arquivo da demanda semanal
VIBRAÇÃO DA PLANTA
21 m3 / min
Figura 23 – Relatório vazão x tempo
Fonte: Atlas Copco, 2006.
O Relatório cedido pela empresa Atlas Copco apresenta um resumo de dois dias de
trabalho. Neste relatório esta sendo apresentadas duas seqüências sendo que cada uma delas
representa um dia.
Na Figura 23 existem três faixas de trabalho que serão descritas na seqüência:
- vibração da planta é o período que existe a maior oscilação de consumo ocorrendo a
entrada e saída de compressores de maneira mais constante;
- constância é a faixa onde existe um consumo médio pela indústria;
- perdas representam o período sem consumo, mas com geração de ar comprimido o
que se caracteriza como vazamento na rede de distribuição ou no consumo.
65
Figura 24 - Resumo semanal da corrente consumida pelos compressores da fábrica 1
Fonte: - Intellisurvey, 2006.
Tabela 6 - Tradução da tabela da Figura 24
Corrente
Mínimo Medido
Máximo Medido
Média
Desvio Padrão
Corrente em Plena Carga
Porcentagem do motor a plena carga
Fonte: - Intellisurvey, 2006.
11
N/A – Não aplicável
GA 807 [A]
58,30
150,80
142,60
3,20
150,00
95,00
GA 1107 [A]
4,20
249,20
176,40
62,20
238,00
74,10
Pressão do Sistema
[psi]
[kgf/cm²]
86,00
6,05
96,50
6,78
91,40
6,43
2,00
0,14
N/A
N/A
N/A
N/A 11
66
Figura 25 - Resumo semanal da vazão fornecida para a fábrica 1
Fonte: - Intellisurvey, 2006.
Tabela 7 - Tradução da tabela da Figura 25
Análise da Vazão
Mínima
Máxima
Média
GA 807 GA 807 GA 1107 GA 1107 Pressão do Sistema
[pcm]
[m³/min]
[pcm]
[m³/min]
[psi]
[kgf/cm²]
1,50
0,04
0,00
0,00
86,00
6,05
460,00
13,03
648,00
18,35
96,50
6,78
419,40
11,88
378,60
10,72
91,40
6,43
Fonte: - Intellisurvey, 2006.
67
Figura 26 - Resumo semanal da corrente consumida pelos compressores da fábrica 2
Fonte: Intellisurvey, 2006.
Tabela 8 - Tradução da tabela da Figura 26
GA 1107
Mínimo Medido
[A]
Máximo Medido
[A]
Média
[A]
Desvio Padrão
[A]
Plena Carga
[A]
Motor a plena carga [%]
Fonte: Intellisurvey, 2006.
78,90
241,20
188,50
57,70
237,00
79,50
GA 807-A GA 807-B GA 807-C
101,20
163,10
148,00
15,90
161,00
86,50
5,60
161,80
136,60
36,40
160,00
81,80
3,00
169,60
137,60
39,70
167,00
78,60
Pressão do Sistema
[psi]
[kgf/cm²]
84,70
95,10
90,70
1,40
N/A
N/A
5,95
6,69
6,69
0,10
N/A
N/A
68
Figura 27 - Resumo semanal da vazão fornecida para a fábrica 2
Fonte: Intellisurvey, 2006.
69
Tabela 9 - Tradução da tabela da Figura 27
GA 1107 GA 807-A GA 807-B GA 807-C
Análise da Vazão
[pcm]
[pcm]
[pcm]
[pcm]
Mínima
0,00
131,20
0,00
0,00
Máxima
668,00
422,10
435,90
436,10
Média
541,40
349,00
335,40
336,50
Fonte: Intellisurvey, 2006.
Pressão do
Sistema [psi]
84,70
95,10
90,70
Tabela 10 - Conversão para o sistema métrico da Tabela 9
GA 1107 GA 807-A GA 807-B GA 807-C
Pressão do
Análise da Vazão
[m³/min] [m³/min]
[m³/min]
[m³/min] Sistema [kgf/cm²]
Mínima
0,00
3,72
0,00
0,00
5,95
Máxima
18,92
11,95
12,34
12,35
6,69
Média
15,33
9,88
9,50
9,53
6,38
Fonte: Intellisurvey, 2006.
4.4. CÁLCULOS
Para a realização dos cálculos foi analisado o relatório dos fabricantes Atlas Copco e
Ingersoll-Rand na procura de obter dados mais confiáveis e que proporcionassem melhor
entendimento. Na Figura 23 o valor de vazão fornecido foi de 72 m3/min, comparando com
os relatórios do outro fabricante, conforme
Tabela 11. Ambos os relatórios tiveram leituras de vazão aproximadas, dando
credibilidade ao estudo deste trabalho. A escolha pelos dados do software Intellisurvey devese a fato de o mesmo possuir leitura de pressão.
A partir dos dados obtidos com as medições foram criadas as tabelas 11 e 12 para
ilustrar o sistema como se constitui atualmente. A primeira com os valores de vazão
produzidos pelo sistema. A segunda com os dados de potência visando obter consumo e
demanda.
Tabela 11 - Valores de vazão do sistema atual
Fábrica 1
Grandezas
Unidades
GA 807
Fábrica 2
GA 1107
GA 1107
GA 807-A
GA 807-B
GA 807-C Total [m³/min]
tempo em carga
[%]
95,00%
74,10%
79,50%
86,50%
81,80%
78,60%
tempo em alívio
[%]
5,00%
25,90%
20,50%
13,50%
18,20%
21,40%
vazão em carga
[m³/min]
13,03
18,35
18,92
11,95
12,34
12,35
86,94
vazão total consumida
[m³/min]
12,38
13,60
15,04
10,34
10,10
9,71
71,16
Capacidade ociosa
[m³/min]
15,78
70
Através da
Tabela 11 percebe-se uma capacidade ociosa de 15,78 m³/min o que equivale a um
compressor GA 807.
Tabela 12 - Valores de demanda do sistema atual
Fábrica 1
Grandezas
Unidades
GA 807
Fábrica 2
GA 1107
GA 1107
GA 807-A
GA 807-B
GA 807-C
tensão alimentação
[V]
380,00
380,00
380,00
380,00
380,00
380,00
corrente em carga
[A]
150,00
238,00
237,00
161,00
160,00
167,00
corrente média
[A]
142,60
176,40
188,50
148,00
136,60
137,60
corrente em alívio
[A]
58,30
87,40
101,20
78,90
78,60
83,00
[kW]
92,00
128,80
128,80
92,00
92,00
92,00
potência nominal motor
tempo em carga
[%]
95,00%
74,10%
79,50%
86,50%
81,80%
78,60%
tempo em alívio
[%]
5,00%
25,90%
20,50%
13,50%
18,20%
21,40%
fator de potência
demanda em carga
-
0,83
0,78
0,77
0,81
0,79
0,78
[kW]
81,94
122,18
120,11
85,83
83,19
85,73
Total [kW]
578,98
demanda em alívio
[kW]
31,85
44,87
51,29
42,06
40,87
42,61
253,54
demanda média
[kW]
77,90
90,56
95,53
78,90
71,02
70,64
484,55
Demanda em carga
Dc arg a =
V 3 ⋅ I c arg a ⋅ cosø
1000
(3.1)
Obs: foi divido por 1000 para obter o valor em kW.
4.4.1. Cálculo do Custo da Energia
O custo da energia foi calculado utilizando valores da resolução 345/2006 juntamente
com a metodologia de cálculo da resolução 456/2000 ambas da ANEEL. O sistema de
atendimento esta em tarifa horo-sazonal azul sub-grupo A3. Para poder calcular o valor total
gasto com energia foi determinado à média ponderada, devido o sistema A3 possuir diferentes
valores para horário de ponta e horário fora de ponta além de tarifas diferenciadas para
período seco e úmido.
4.4.1.1.
TCEQ P =
Tarifa de consumo equalizada na ponta.
(custo do kWPS ⋅ n º de meses PS ) + (custo do kWPU ⋅ n º de meses PU )
12 meses
(3.2)
TCEQ P =
(185,78 ⋅ 7) + (167,84 ⋅ 5)
12
71
TCEQ P = 178,31
R$ / MWh
onde:
TCEQP –
Tarifa Consumo Equalizada na Ponta
4.4.1.2.
Preço médio na ponta
O valor calculado de 178,31 refere-se ao preço do R$/MWh, para determinar o preço
médio na ponta (PMp) foi dividido por mil devido o valor de 18,89 ser relacionado a R$/kW.
PM P = TCEQ P +
TD P
65.FC P
(3.3)
18,89
PM P = 0,17831 +
65 × 0,81
PM P = 0,5371
PM P = 537 ,1
R $ / kWh
R $ / MWh
Onde:
PMP - preço médio na ponta
TDp – tarifa demanda na ponta
FCp – Fator de Carga na ponta
Obs: O valor de fator de carga é uma média dos últimos doze meses e foi retirado da
fatura de energia elétrica da empresa.
4.4.1.3.
TCEQ FP =
Tarifa de consumo equalizada fora de ponta.
(custo do kWFPS ⋅ n º de meses FPS ) + (custo do kWFPU ⋅ n º de meses FPU )
12 meses
(3.4)
TCEQ FP =
(116,40 ⋅ 7) + (105,74 ⋅ 5)
12
TCEQ FP = 111,96
Onde:
R$ / MWh
72
TCEQ FP – Tarifa Consumo Equalizada Fora de Ponta
4.4.1.4.
Preço médio fora de ponta
O valor calculado de 111,96 refere-se ao preço do R$/MWh, para determinar o preço
médio na ponta (PMp) foi dividido por mil devido o valor de 5,37 ser relacionado a R$/kW.
PM FP = TCEQ FP +
TDFP
665.FC FP
(3.5)
PM FP = 0,11196 +
5,37
665 × 0,7561
PM FP = 0,12264
R$ / kWh
PM FP = 122,64
R$ / MWh
Onde:
PMFP - preço médio fora de ponta
TDFP – tarifa demanda fora de ponta
FCFP – Fator de Carga fora ponta
73
5. SISTEMAS PROPOSTOS
Através de um estudo a partir dos valores medidos, foi identificado um funcionamento
abaixo do esperado no sistema. Após uma análise detalhada foi possível um novo
planejamento para o sistema, conforme proposições a seguir.
5.1. CONFIGURAÇÃO MESTRE-ESCRAVO
Uma primeira proposta sugere-se a retirada de um compressor de 92 kW, e o ajuste
dos pressostatos dos compressores. O ajuste de cada compressor deve ser diferente dos
demais, proporcionando entradas e saídas de operação, evitando a competição entre máquinas.
Este ajuste é conhecido como lógica de funcionamento “Mestre-escravo”.
Figura 28 - Sistema mestre-escravo
O ajuste do pressostato de cada compressor segue os valores indicados na Tabela 13.
A seqüência dos valores escolhidos mostra uma lógica que permite a entrada ou saída dos
compressores a fim de manter a pressão do sistema. Nos compressores existem duas
regulagens, a primeira é o valor setado12 e a segunda é o intervalo de carga e alívio. O
compressor GA 1107 da fábrica 1 pode ser setado em 6,6 kgf/cm² e intervalo de carga e alívio
em 0,4 kgf/cm². Desta forma ao atingir o valor de 6,8 kgf/cm² o compressor irá entrar em
alívio, voltando a operar em regime de carga quando a pressão atingir 6,4 kgf/cm².
12
- Setado – valor de trabalho do compressor
74
6,70
6,50
6,30
6,10
[kgf/cm²] 5,90
5,70
5,50
5,30
5,10
GA 1107
GA 807
GA 1107
GA 807- B
GA 807 - C
Compressores
Figura 29 - Regulagem dos compressores mestre-escravo
A Figura 29 apresenta um gráfico onde pode-se perceber a diferença de ajustes de
pressão dos compressores a serem utilizados.
Tabela 13 - Valores de vazão: mestre - escravo
Fábrica 1
Grandezas
ajuste de Pressão
Unidades
Fábrica 2
GA 807
GA 1107
GA 807-A
GA 807-B
GA 807-C
Total [m³/min]
6,60
6,40
6,30
-
6,50
6,70
[h]
100,00%
100,00%
82,00%
-
100,00%
100,00%
tempo em alívio
[h]
0,00%
0,00%
18,00%
-
0,00%
0,00%
vazão em carga
[m³/min]
18,35
13,03
18,92
-
12,34
12,35
74,99
vazão total consumida
[m³/min]
18,35
13,03
15,51
-
12,34
12,35
71,58
Capacidade ociosa
[m³/min]
tempo em carga
[kgf/cm²]
GA 1107
3,40
Na Tabela 13 estão apresentadas grandezas mecânicas de vazão, pressão e o
percentual de trabalho de cada compressor. Nesta forma de trabalho mantêm-se as vazões
mínimas exigida pela fábrica possibilitando a retirada de um compressor de operação, sendo
que este equipamento ficará como reserva. Neste novo ajuste ainda tem-se uma pequena
capacidade ociosa, pois estas máquinas são de velocidade fixa não podendo ser moduladas.
75
Tabela 14 - Valores de demanda: mestre - escravo
Fábrica 1
Grandezas
Unidades
GA 1107
Fábrica 2
GA 807
GA 1107
GA 807-A
GA 807-B
GA 807-C
tensão alimentação
[V]
380,00
380,00
380,00
-
380,00
380,00
corrente em carga
[A]
238,00
150,00
237,00
-
160,00
167,00
corrente média
[A]
176,40
142,60
188,50
-
136,60
137,60
corrente em alívio
[A]
87,40
58,30
101,20
-
78,60
83,00
[kW]
128,80
92,00
128,80
-
92,00
92,00
potência nominal motor
tempo em carga
[%]
100,00%
100,00%
82,00%
-
100,00%
100,00%
tempo em alívio
[%]
0,00%
0,00%
18,00%
-
0,00%
0,00%
fator de potência
-
0,83
0,78
0,77
0,79
0,78
Total [kW]
demanda em carga
[kW]
130,01
77,00
120,11
-
83,19
85,73
496,05
demanda em alívio
[kW]
47,74
29,93
51,29
-
40,87
42,61
212,44
demanda média
[kW]
96,36
73,21
95,53
-
71,02
70,64
406,76
Com os dados obtidos na Tabela 14 pode conseguir equacionar o ganho em reais. A
maneira de como foi calculado esse ganho é apresentado na seqüência.
5.1.1. Cálculos da Economia Gerada no Sistema Mestre-Escravo
Verifica-se que no sistema mestre-escravo atinge-se um valor de demanda de
496,06 kW e comparando com o sistema atual que possui uma de demanda de 578,98 kW
gerou-se uma economia de 82,93 kW. Através da diferença economizada pode-se calcular o
montante em reais.
Valor economizado com energia
CEE = kW [diferença ]
CEE = 82,93
Agora distinguindo esse valor em ponta e fora de ponta, conforme metodologia de
cálculo na resolução 456/2000 da ANEEL.
CEE p = kW [diferença ] ⋅ 65 ⋅ FC p
CEE p = 82,93 ⋅ 65 ⋅ 0,81 = 4.366,26
kWh p
CEE FP = kW [diferença] ⋅ 665 ⋅ FC FP
CEE FP = 82,93 ⋅ 665 ⋅ 0,756 = 41.692,22
kWhFP
76
onde:
CEE – consumo evitado de energia
CEEP - consumo evitado de energia na ponta
CEEFP - consumo evitado de energia fora da ponta
Com a definição dos valores economizados em kWh, pode-se mensurar a economia do
novo sistema para a produção de ar comprimido através dos valores de preço médio na ponta
e preço médio fora de ponta calculados no item 4.4.1.4.
VE P = CEE P ⋅ PM P
VE P = 4.366,26 ⋅ 0,5371
VE P = R$2.345,12
VE FP = CEE FP ⋅ PM FP
VE P = 41.692,22 ⋅ 0,12264
VE P = R$5.113,13
VET = VE P + VE FP
VET = 2.345,12 + 5.113,13
VET = R$7.458,25
onde:
VEP – Valor Economizado na ponta
VE FP - Valor Economizado fora de ponta
VET - Valor Total Economizado
Tabela 15 - Valor economizado: mestre - escravo
Economia mensal [R$]
Economia anual [R$]
7.458,25
89.499,00
77
5.2. AQUISIÇÃO DE UM COMPRESSOR COM VSD
A segunda proposta sugere-se a retirada de dois compressores de 92 kW, um
compressor de 128,8 kW totalizando 312,8 kW e a aquisição de um novo compressor com
velocidade variável com uma potência de 180 kW. O ajuste dos pressostatos do compressores
será mantido na lógica de cascata devido aos benefícios mostrados na proposta anterior.
Tabela 16 - Valores de vazão: com VSD
Fábrica 1
Grandezas
ajuste de Pressão
Unidades GA 1107
GA 1107
GA 807-A GA 807-B GA 807-C
VSD 180
Total [m³/min]
6,70
6,50
-
-
6,60
-
6,40
[h]
100,00%
100,00%
-
-
100,00%
-
95,00%
tempo em alívio
[h]
0,00%
0,00%
-
-
0,00%
-
5,00%
vazão em carga
[m³/min]
18,35
13,03
-
-
12,34
-
29,00
72,72
vazão total consumida
[m³/min]
18,35
13,03
-
-
12,34
-
27,55
71,27
capacidade ociosa
[m³/min]
tempo em carga
[kgf/cm²]
Fábrica 2
GA 807
1,45
O valor de 29 m³/min do compressor VSD 180 refere-se a um dado de placa garantido
pelo fabricante. A partir dos dados de placa deste compressor pode-se propor a retirada de três
compressores deixando o compressor GA 1107 e um GA 807 como equipamento reserva.
Tabela 17 - Valores de demanda: com VSD
Fábrica 1
Grandezas
Unidades GA 1107
Fábrica 2
GA 807
GA 1107
GA 807-A GA 807-B GA 807-C
VSD 180
tensão alimentação
[V]
380,00
380,00
-
-
380,00
-
380,00
corrente em carga
[A]
238,00
150,00
-
-
160,00
-
273,49
corrente média
[A]
176,40
142,60
-
-
136,60
-
259,82
corrente em alívio
[A]
87,40
58,30
-
-
78,60
-
0,00
[kW]
128,80
92,00
-
-
92,00
-
180,00
potência nominal motor
tempo em carga
[%]
100,00%
100,00%
-
-
100,00%
-
95,00%
tempo em alívio
[%]
0,00%
0,00%
-
-
0,00%
-
5,00%
fator de potência
-
0,83
0,78
-
-
0,79
-
0,86
Total [kW]
demanda em carga
[kW]
130,01
77,00
-
-
83,19
-
154,80
demanda em alívio
[kW]
47,74
29,93
-
-
40,87
-
0,00
445,01
118,54
demanda média
[kW]
96,36
73,21
-
-
71,02
-
147,06
387,65
5.2.1. Cálculos da Economia Gerada com Aquisição de um Compressor com VSD
Verifica-se que no sistema com a inserção do compressor VSD atinge-se um valor de
demanda de 445,01 kW e comparando com o sistema atual que possui uma de demanda de
578,98 kW gerou-se uma economia de 133,97 kW. Através da demanda evitada pode-se
calcular o montante em reais, da mesma maneira conforme fora calculado no item 5.1.1.
78
Valor economizado com energia
CEE = kW [diferença ]
CEE = 133,97
Agora distinguindo esse valor em ponta e fora de ponta, conforme metodologia de
cálculo na resolução 456/2000 da ANEEL.
CEE p = kW [diferença ] ⋅ 65 ⋅ FC p
CEE p = 133,97 ⋅ 65 ⋅ 0,81 = 7.053,52
kWh p
CEE FP = kW [ diferença ] ⋅ 665 ⋅ FC FP
CEE FP = 133,97 ⋅ 665 ⋅ 0,756 = 67.352,08
kWhFP
onde:
CEE – consumo evitado de energia
CEEP - consumo evitado de energia na ponta
CEEFP - consumo evitado de energia fora da ponta
Com a definição dos valores economizados em kWh, pode-se mensurar a economia do
novo sistema para a produção de ar comprimido através dos valores de preço médio na ponta
e preço médio fora de ponta calculados no item 4.4.1.
VE P = CEE P ⋅ PM P
VE P = 7.053,52 ⋅ 0,5371
VE P = R$3.788,45
VE FP = CEE FP ⋅ PM FP
VE P = 67.352,08 ⋅ 0,12264
VE P = R$8.260,06
VET = VE P + VE FP
VET = 3.788,45 + 8.260,06
VET = R$12.048,51
79
onde:
VEP – Valor Economizado na ponta
VE FP - Valor Economizado fora de ponta
VET - Valor Total Economizado
Tabela 18 - Valor economizado: com VSD
Economia mensal [R$]
Economia anual [R$]
12.048,51
144.582,12
Para a implantação desta proposta é necessário um investimento R$ 200.000,00 para a
aquisição do compressor VSD 180, mais um valor estimando de R$ 20.000,00 para a
instalação elétrica e pneumática.
5.3. TROCA DE TODO O SISTEMA DE GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO
A terceira proposta contempla a retirada dos seis compressores atuais, totalizando
578,98 kW e a aquisição de três novos compressores de 149,2kW cada, sendo um deles com
velocidade variável e os outros com velocidade fixa. O ajuste dos pressostatos dos
compressores será mantido na lógica de mestre-escravo devido aos benefícios mostrados na
proposta 1.
Tabela 19 - Valores de vazão: troca de todo o sistema de geração de ar comprimido
Grandezas
Unidades
ajuste de Pressão
[kgf/cm²]
Compressor
Fixo 1
Fábrica 2
Compressor
Fixo 2
Compressor
Total [m³/min]
VSD
7,50
7,30
7,10
tempo em carga
[h]
100,00%
100,00%
55,00%
tempo em alívio
[h]
0,00%
0,00%
45,00%
vazão em carga
[m³/min]
28,12
28,12
28,43
84,67
vazão total consumida
[m³/min]
28,12
28,12
15,64
71,88
capacidade ociosa
[m³/min]
0,00
0,00
12,79
12,79
80
Tabela 20 - Valores de demanda troca de todo o sistema de geração de ar comprimido
Grandezas
Unidades
Compressor
Fixo 1
Fábrica 2
Compressor
Fixo 2
Compressor
VSD
tensão alimentação
[V]
380,00
380,00
380,00
corrente em carga
[A]
284,00
284,00
265,00
corrente média
[A]
284,00
284,00
145,75
corrente em alívio
[A]
0,00
0,00
0,00
149,20
149,20
149,20
potência nominal motor
[kW]
tempo em carga
[%]
100,00%
100,00%
55,00%
tempo em alívio
[%]
0,00%
0,00%
45,00%
fator de potência
-
0,87
0,87
0,87
Total [kW]
demanda em carga
[kW]
162,62
162,62
151,74
476,98
demanda em alívio
[kW]
0,00
0,00
0,00
0,00
demanda média
[kW]
162,62
162,62
83,46
408,69
Os valores mencionados na Tabela 19 e na Tabela 20 referem-se a dados de placa,
garantido pelo fabricante. A partir destes dados podem-se determinar os possíveis ganhos,
conforme cálculos a seguir descritos neste trabalho. Para manter a confiabilidade do sistema
serão mantidos um compressor GA 1107 e um GA 807 instalados na fábrica 1 como
equipamentos reserva visando manutenções preventivas e corretivas.
5.3.1. Cálculo da troca de todo sistema de geração de ar comprimido
Verifica-se que com a troca de todo o sistema atinge-se um valor de demanda de
476,98 kW e comparando com o sistema atual que possui uma de demanda de 578,98 kW
gerou-se uma economia de 102 kW. Através deste demanda evitada pode-se calcular o
montante em reais, da mesma maneira conforme fora calculado no item 4.1.1.
Valor economizado com energia
CEE = kW [diferença ]
CEE = 102
Agora distinguindo esse valor em ponta e fora de ponta, conforme metodologia de
cálculo na resolução 456/2000 da ANEEL.
81
CEE p = kW [diferença ] ⋅ 65 ⋅ FC p
CEE p = 102 ⋅ 65 ⋅ 0,81 = 5.370,30
kWh p
CEE FP = kW [ diferença ] ⋅ 665 ⋅ FC FP
CEE FP = 102 ⋅ 665 ⋅ 0,756 = 51.279,48
kWhFP
onde:
CEE – consumo evitado de energia
CEEP - consumo evitado de energia na ponta
CEEFP - consumo evitado de energia fora da ponta
Com a definição dos valores economizados em kWh, pode-se mensurar a economia do
novo sistema para a produção de ar comprimido através dos valores de preço médio na ponta
e preço médio fora de ponta calculados no item 3.4.1.
VE P = CEE P ⋅ PM P
VE P = 5.370,3 ⋅ 0,5371
VE P = R$2.884,39
VE FP = CEE FP ⋅ PM FP
VE P = 51.279,48 ⋅ 0,12264
VE P = R$6.288,92
VET = VE P + VE FP
VET = 2.884,39 + 6.288,92
VET = R$9.173,3
onde:
VEP – Valor Economizado na ponta
VE FP - Valor Economizado fora de ponta
VET - Valor Total Economizado
82
Tabela 21 – Valor economizado na troca de todo o sistema de geração de ar comprimido
Economia mensal [R$]
Economia anual [R$]
9.173,30
110.079,60
Para uma melhor análise foi descritas as 7vantagens e desvantagens de cada sistema
conforme Tabela 22.
Tabela 22 – Quadro geral dos sistemas propostos
Sistemas Propostos
Vantagens
Configuração mestre- - menor custo
escravo
- facilidade na implantação
- curto prazo de implantação
- custo médio de implantação
Aquisição de um
compressor com vsd - grande economia
- pouca dificuldade de
implantação
- médio prazo para implantação
- média economia de energia
Troca de todo o
sistema de geração de
ar comprimido
- aumento da confiabilidade do
sistema
- redução de gastos com
manutenção
- modernização do parque fabril
- apenas uma central de
compressores
Desvantagens
- baixa economia
- continuidade de parque fabril
obsoleto
- continuidade de gastos
excessivos com manutenção
- continuidade de três
equipamentos obsoletos
- maior custo para a
implantação
- dificuldade para a
implantação
- longo prazo de implantação
83
6. DETALHAMENTO DO SISTEMA A SER APLICADO
A empresa Electrolux na pessoa de seus diretores optou pela troca de todo o sistema
de geração de ar comprimido, embora tenha custos mais elevados para a implementação.
Tendo como justificativa a necessidade de redução de paradas para manutenção dos
compressores, uma maior confiabilidade no sistema devido os equipamentos instalados já
estarem obsoletos, além de reduzir espaço com a eliminação de uma central de compressores,
(fábrica 1) apresentam-se como motivos que justificam validar este sistema como viável para
sua realização.
A partir das justificativas do parágrafo anterior soma-se a economia de energia
constatada nos cálculos anteriores referente a troca de todo o sistema, item 5.3, que se
mostram muito atraentes, pode-se obter ganhos ainda melhores, devido não possuir dados que
comprovem o novo consumo de energia e os cálculos e premissas terem sido bastante
conservadores. Os cálculos apresentados anteriormente baseiam-se nas informações obtidas
em catálogos fornecidos pelos fabricantes.
Dando seqüência a opção escolhida, a instalação dos compressores deve vir
acompanhada de mudança na distribuição do ar comprimido. Esta mudança refere-se ao item
2.4 (Distribuição de ar comprimido), onde define que a melhor interligação entre os pontos de
consumo da fábrica deve ser em uma única rede, formando um sistema em anel com apenas
uma central de geração de ar comprimido.
Em comum acordo com o setor de engenharia da empresa, foi definido uma rede de 6”
interligando a fábrica 1 e 2, para fechar o anel, totalizando 500 metros de extensão. Com a
implantação, haverá um pressão equalizada em todo o sistema pois teremos um reservatório
de 9,12 m3 , conforme cálculo a seguir.
V= S x H
(5.1)
Onde:
V= volume total
S= área da base
H= altura
84
V = S×H
V =
π × D2
×H
4
3,1416 × (152,4 × 10 −3 ) 2
V =
× 500
4
V = 9,12m 3
6.1. LEVANTAMENTO DE CUSTOS
Para a aquisição dos compressores foram definidos os fabricantes Atlas Copco e
Ingersoll-Rand por serem marcas que possuem equipamentos instalados na Electrolux,
possuindo bom histórico de assistência técnica.
Ambas as empresas além de serem homologadas pela Electrolux, já haviam realizado
um trabalho de campo, onde compreendeu a instalação de equipamentos para leitura de
grandezas elétricas e mecânicas, conforme consta no capítulo 3.
Após apontado a necessidade de construção, o projeto e execução da rede de ar
comprimido foi desenvolvido pelo setor de engenharia da empresa, devido ser trabalho de
exclusividade mecânica, estando fora da área de atuação de engenharia elétrica.
6.1.1. Análise Técnica e Comercial
A decisão na escolha dos equipamentos são de uma importância crítica para a
empresa, pois envolve grandes quantias de dinheiro além de contratos de compra e venda,
tornando-se irreversíveis. Uma decisão apressada na escolha do equipamento pode causar
sérios problemas de fluxo de caixa.
Nesse processo, a partir de obter os orçamentos dos representantes, foi realizado um
levantamento técnico sobre os dados mais relevantes para a aplicação requerida, que são
indicados nas tabelas Tabela 23 e Tabela 24.
Tabela 23 – Comparativo entre compressores de velocidade fixa
Compressor de Velocidade Fixa
3
2
Marcas
Potência [kW] Capacidade [m /min] Pressão [kgf/cm ] Custo [R$]
Empresa 1
147,00
28,00
7,55 94.500,00
Empresa 2
149,00
28,43
7,14 93.000,00
85
Os compressores de velocidade fixa das marcas Atlas Copco e Ingersoll-Rand
apresentaram pequenas diferenças na Tabela 23 que são consideradas irrelevantes, de forma
que ambas atendem as faixas de trabalho.
Tabela 24 - Comparativo entre compressores de velocidade variável
Compressor de Velocidade Variável
3
2
Marcas
Potência [kW] Capacidade [m /min] Pressão [kgf/cm ] Custo [R$]
Empresa 1
184,00
3,9 - 28,9
4,08 - 14,07 194.000,00
Empresa 2
164,12
8,86 - 28,11
4,56 - 10,19 180.000,00
Os compressores de velocidade variável também das marcas Atlas Copco e IngersollRand têm suas características apresentadas na Tabela 24 , observando que as diferenças nas
faixas de trabalho dos itens referentes a capacidade e pressão estão dentro do permitido, pois
o equipamento será setado com 13 m3/min e 7 kgf/cm2, respectivamente.
A análise técnica destes dois fabricantes confirmou que a marca Ingersoll-Rand possui
uma pequena vantagem devido o menor consumo de energia elétrica, embora ambos atendam
de forma satisfatória as necessidades de trabalho. Conforme política da Electrolux os
orçamentos de cada marca foram encaminhados para o departamento comercial da empresa,
onde se firmou acordo comercial com a marca Ingersoll-Rand, conforme Tabela 25.
Tabela 25 - Valores de orçamento e aquisição dos compressores
Compressor
Orçamento inicial [R$] Valor de aquisição [R$] Diferença [R$]
Velocidade Fixa
93.000,00
79.000,00
14.000,00
Velocidade Variável
180.000,00
144.000,00
36.000,00
A área comercial da empresa conseguiu uma redução considerável que ajudou a
viabilizar a aquisição de duas unidades do compressor de velocidade fixa para atender as
necessidades do projeto. A economia gerada com a aquisição das três máquinas foi de
R$ 64.000,00.
6.2. INVESTIMENTO
A compra de equipamentos não foi o único investimento da empresa, houve a
necessidade da aquisição de rede de ar comprimido, painel de distribuição elétrica, gastos com
custo de instalação junto com a mão de obra de engenharia disponibilizada pelos autores do
projeto.
86
Tabela 26 - Total de gastos
Tipo de Custo
R$
%
Equipamentos
Compressor velocidade fixa
79.000,00
Compressor velocidade fixa
79.000,00
Compressor velocidade variável
144.000,00
Rede de Ar Comprimido
Tubulação de 6"
13.158,80
Acessórios para tubulação
5.574,77
Mão-de-obra para montagem
56.309,20
Instalação
Painel elétrico
22.000,00
Mão de obra de instalação mecânica
13.400,00
Mão de obra de instalação elétrica
21.530,00
Custos extras
Hora de Engenharia com impostos
9.320,27
total
443.293,04
17,82
17,82
32,48
2,97
1,26
12,70
4,96
3,02
4,86
2,10
100,00
A Tabela 26 representa de forma mais simplificada os valores do investimento. A
continuidade do trabalho já se torna possível com os dados apresentados nesta forma.
6.2.1. Retorno do Investimento
O cenário montado a partir da escolha do sistema proposto 3 foi comprovado com a
elaboração plano do retorno do investimento. Numa análise mais simples somente com a
economia de energia elétrica, desprezando os ganhos com reduções de parada de equipamento
e ganhos ambientais e apresentado um pay-back13 simples.
Este trabalho de pay-back simples têm seus resultados expressos na Tabela 27. Dados
de economia mensal de energia colocados contra o custo total do trabalho apresentam um
tempo de retorno de 48 meses aproximadamente.
Em acordo com a empresa Electrolux, a forma de apresentar o retorno do investimento
foi de pay-back simples, pois esta metodologia não implicaria em detalhar o plano de
negócios já que a empresa trabalha com contratos sigilosos.
Tabela 27 - Recuperação do investimento
Economia mensal [R$]
9.173,30
Custo total [R$]
Tempo de Retorno [meses]
443.293,04
48
Uma comprovação do retorno do investimento pode-se melhor visualizada através da Figura
30.
13
Pay-back – Retorno de Investimento
87
Custo (mil R$)
50
-50
-150
-250
-350
-450
1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Meses
Economia mensal [R$]
Custo total [R$]
Figura 30 - Tempo de amortização do investimento
6.3. ETAPAS DE IMPLANTAÇÃO DO PROJETO
Como em qualquer projeto de Engenharia, a necessidade de separar o projeto em
etapas justifica-se por conseguir-se uma melhor visualização do projeto como um todo e as
atividades que podem comprometer o seu andamento. Algumas etapas principais são
representadas como a instalação dos equipamentos e para isto esta prevista algumas
melhorias:
- troca da instalação elétrica;
- troca de dutos de saída de ar quente;
- alteração do leiaute.
Para melhor acompanhamento das atividades de implantação, a utilização de
ferramentas como o MS Project, auxiliaram na execução do trabalho. Assim foi desenvolvido
um cronograma em software MS Project, listando as principais tarefas necessárias para a
realização do trabalho, conforme Figura 31.
Fev 07
Mar 07
Abr 07
Maio 07
Jun 07
Jul 07
14 21 28 4 11 18 25 4 11 18 25 1 8 15 22 29 6 13 20 27 3 10 17 24 1 8
100%
Id Nome da tarefa
1 Aquisição de compressores
Ago 07
15 22 29
100%
2
Aquisição do painel elétrico
3
Compra de material para rede de ar
4
Execução da tubulação de ar comprimido
5
Instalação mecânica dos compressores
100%
6
Instalação elétrica dos compressores
100%
7
Levantamentos de dados
100%
100%
0%
Figura 31 - Cronograma de atividades de implantação
88
7. IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DEFINIDO
Para um melhor entendimento foi realizado um relatório fotográfico mostrando as
principais etapas de implantação do novo sistema. As etapas escolhidas a serem apresentadas
do relatório fotográfico restringem-se as máquinas da fábrica 2 e a rede de interligação entre
as fábricas 1 e 2.
7.1. INSTALAÇÃO DOS COMPRESSORES
Devido a não poder retirar todos os compressores simultaneamente do local, os
equipamentos foram alocados para disponibilizar espaço para a entrada das novas máquinas.
Figura 32 - Central de ar comprimido da fábrica 2 em 2006
Fonte: Electrolux do Brasil, 2006.
Leiaute da sala dos compressores da fábrica 2 antes da instalação dos novos
equipamentos do sistema adotado. Neste novo sistema a sala de máquinas da fábrica 1 será
desativada, ficando os três novos compressores juntamente com os dois reserva na sala da
fábrica 2, conforme será mostrado na seqüência.
89
Figura 33 - Central de ar comprimido da fábrica 2 em 2007
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Os dois compressores que estavam neste local foram reposicionados, conforme Figura
34, tal mudança foi necessária para a pintura do piso e deixar espaço disponível para a
instalação dos novos compressores.
Figura 34 - Foto dos compressores reposicionados
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Dentro da impossibilidade de aumentar a casa de máquinas foi definido que os
compressores antigos seriam instalados provisoriamente na posição enfileirada, para que os
novos compressores pudessem ser instalados no local dos antigos, conforme se visualiza na
foto da Figura 35.
90
Figura 35 - Foto com os novos compressores
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Leiaute da posição definitiva mostrando os dois compressores de velocidade fixa a
esquerda e o de velocidade variável na extremidade direita da foto. A Figura 36 mostra um
desenho ilustrativo da nova configuração sem os equipamentos reserva.
Figura 36 – Sistema novo
91
7.2. MONTAGEM DA NOVA TUBULAÇÃO DE AR COMPRIMIDO
Para melhor ilustrar o processo, foram tiradas fotos antes e depois da ampliação da
rede de ar comprimido procurando mostrar detalhes importantes e setores contemplando o
novo trajeto.
Figura 37 - Saída da fábrica 2
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
A Figura 37 mostra a canaleta que será utilizada para fazer a interligação entre as
fábricas em um trecho de passagem de veículos. As tubulações que aparecem na foto são da
rede de Splinklers14 e alimentação elétrica do painel das bombas hidráulicas do sistema de
combate a incêndio.
14
Rede de combate a incêndio por chuveiros automáticos.
92
Figura 38 - Saída da fábrica 2 com a nova rede
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Após concluída a instalação da nova rede de ar comprimido foi tirada uma nova foto
do mesmo local da Figura 37. A Figura 38 mostra a tubulação da rede de ar comprimido com
duas curvas e a tubulação da rede de hidrante que utilizou a mesma canaleta para fazer a
interligação entre a fábrica 2 e uma edificação administrativa em fase de construção.
93
Figura 39 - Trajeto entre a fábrica 2 e a fábrica 1
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Foto com a tubulação de Splinklers de 14 polegadas localizada entre um muro de
arrimo e a estação de tratamento de efluentes. A fábrica 2 fica localizada ao fundo desta foto.
Este local é destinado a passagens de tubulações de utilidades como, por exemplo, gases
industriais, água industrial, elétrica e rede de dados.
Figura 40 - Trajeto entre a fábrica 2 e a fábrica 1 com a nova rede
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Com o intuito de otimizar a instalação, foi aproveitado o mesmo suporte da rede
hidráulica existente, tendo o devido cuidado de não danificar a flora existente no local.
94
Figura 41 - Entrada na fábrica 1
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Trecho que compreendido entre uma de central de moagem de plásticos e a fábrica 1,
entre estas duas edificações existe circulação de veículos.
Figura 42 - Entrada na fábrica 1 com a nova rede
Fonte: Electrolux do Brasil, 2007.
Devido não existir canaleta para passagem subterrânea foi utilizada via área onde o
custo é menor e existe uma maior facilidade de instalação e manutenção, além da rapidez da
execução.
95
Figura 43 - Desenhos esquemático da rede de ar comprimido
Figura 44 - Desenhos esquemático da nova rede de ar comprimido
Conforme mencionado no item 2.4 deste trabalho, a melhor configuração para uma
rede de distribuição de ar comprimido é no formato de anel. A Figura 44 apresenta o novo
formato da rede, onde pode-se observar a constituição de dois novos anéis sendo que o
primeiro está entre as duas fábricas e o segundo anel na fábrica 1. Conforme já explicado na
fundamentação teórica esta formato de rede proporciona uma maior estabilidade ao sistema
mantendo a pressão constante, pois contempla a formação de um pulmão15. Com esta nova
configuração a casa de máquinas da fábrica 1 será desativada, liberando espaço físico para
ampliação de outros setores da empresa.
15
Pulmão – Reservatório de ar comprimido formado a partir da rede
96
8. CONCLUSÃO
Segundo Casarotto Filho (2000), a maioria das empresas brasileiras tem o costume de
manter os equipamentos velhos em funcionamento mesmo quando sua operação não é mais
economicamente viável. As despesas de manutenção em geral e custo com matrizes
energéticas em geral superam em muito o valor dos investimentos. Existe atualmente no
Brasil um potencial enorme de redução de custo simplesmente desfazendo-se de
equipamentos obsoletos com custo de operação muito elevado ou produzindo fora das
especificações. Geralmente as empresas não fazem as substituições que deveriam fazer por
causa de um acomodamento administrativo. As decisões de substituição não chegam a serem
cogitadas, pois o estilo administrativo dominante ainda é o de resolver os problemas só em
último caso e não se antecipar a eles.
No cenário atual de escassez de recursos naturais, a pesquisa e a execução de projeto
visando um melhor uso da energia elétrico, comprova que com o uso racional da energia
elétrica pode cooperar com a preservação. A má utilização dos recursos existentes pode levar
a um futuro caótico, para que possa pelo menos amenizar esse problema estudos como estes
se justificam.
A redução no consumo de energia já é um fator que além de benéfico ao meioambiente, também se apresenta com bons olhos à saúde financeira da empresa. Além destas
benfeitorias está a circulação de dinheiro no mercado, seguido de execução de processos que
geram desenvolvimento e emprego.
A compra dos novos compressores e dos componentes necessários para montagem da
rede de ar comprimido, mostrou-se como um voto de confiança da Electrolux no
desenvolvimento deste trabalho, devido ao aporte financeiro envolvido. Sendo que a empresa
tem como hábito apresentar os resultados das ações e seus benefícios junto aos seus
funcionários. Metas alcançadas neste projeto como a redução de 102 kW da demanda, esta
que irá proporcionar uma economia mensal de energia 56.649,78 kWh em função da redução
de consumo. Com essa redução foi possível obter um abatimento de R$ 110.079,60 anual,
somente na fatura de energia elétrica.
A realização de novas medições de grandezas como as apresentadas no capitulo 3, só
seriam disponibilizadas num prazo que não coincidira com a entrega deste projeto. Algumas
das dificuldades para a realização deste projeto foram quanto às datas da Electrolux, pois nem
sempre estavam de acordo com as datas de projeto final. A empresa dentro do possível
97
sempre procurou auxiliar neste ponto, mas sempre que não comprometesse as suas estratégias
gerenciais.
Como sugestão para projetos futuros, propõe-se um trabalho conjunto com o
Departamento de Engenharia Mecânica em projeto de final de curso, um estudo de vazamento
para quantificar a perda de ar comprimido com o objetivo de reduzir o desperdício na
instalação.
Outra sugestão para projetos futuros seria a realização conjunta de um trabalho de
eficiência energética aliado ao estudo de manutenção procurando quantificar os ganhos
obtidos com a redução dos gastos de manutenção e redução de tempo de parada de
equipamentos.
98
REFERÊNCIAS
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução no 456, de 29 de novembro
de 2000. Estabelece, de forma atualizada e consolidada, as condições gerais de fornecimento
de energia elétrica. Diário Oficial da República Federativa do Brasil, Brasília, v. 138, n.
230-E, 30 nov. 2000. Seção 1, p. 35. Disponível em <http://www.aneel.gov.br>. Acesso em:
14 nov. 2006.
____, 2001, Estudo de Vida Útil Econômica e Taxa de Depreciação
<ttp://www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/2006/012/documento/efei__consideracoes_finais_sobre_as_alteracoes_propostas-_volume_3.pdf> Acesso em: 10 mar.
2007.
ALENCAR NETO; Álvaro Peixoto de; STRAUHS, Faimara do Rocio; WALENIA, Paulo
Sérgio: Normas de Formatação e Apresentação de Trabalhos Técnicos Acadêmicos.
Centro Federal de Educação Tecnológica. Curitiba, 2004.
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100
APÊNDICES
Apêndice A
- Corrente do compressor GA807-A da fábrica 2
101
Apêndice B
- Corrente do compressor GA807-B da fábrica 2
102
Apêndice C
- Corrente do compressor GA1107 da fábrica 2
103
Apêndice D
- Corrente do compressor GA807-C da fábrica 2
104
Apêndice E
- Corrente do compressor GA1107 da fábrica 1
105
Apêndice F
- Corrente do compressor GA807 da fábrica 1
106
Apêndice G
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 1
107
Apêndice H
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 2
108
Apêndice I
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 3
109
Apêndice J
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 4
110
Apêndice K
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 5
111
Apêndice L
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 1 – Dia 6
112
Apêndice M - Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 1
113
Apêndice N
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 2
114
Apêndice O
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 3
115
Apêndice P
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 4
116
Apêndice Q
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 5
117
Apêndice R
- Corrente e pressão dos compressores da fábrica 2 – Dia 6
118
Apêndice S
- Leitura do controlador de demanda