UNESP Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá Guaratinguetá 2014 JAIR EDUARDO ALVES MENDES EFICIÊNCIA ENERGÉTICA APLICADA NA INDÚSTRIA DE BEBIDAS EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO E AR COMPRIMIDO – ESTUDO DE CASOS Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para obtenção título de Mestre em Engenharia Mecânica na área de Transmissão e Conversão de Energia. Orientador: Prof. Dr. Pedro Magalhães Sobrinho Co-orientador: Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza Guaratinguetá 2014 M538e Mendes, Jair Eduardo Alves Eficiência energética aplicada na indústria de bebidas em sistemas de refrigeração e ar comprimido: estudo de casos / Jair Eduardo Alves Mendes – Guaratinguetá : [s.n], 2014. 141 f.: il. Bibliografia: f. 137-141 Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2014 Orientador: Prof. Dr. Pedro Magalhães Sobrinho Coorientador: Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza 1. Energia elétrica – Consumo 2. Refrigeração 3. Bebidas -- Indústria 4. Ar comprimido I. Título CDU621.3(043) DADOS CURRICULARES JAIR EDUARDO ALVES MENDES NASCIMENTO 28.09.1985 – APARECIDA/ SP FILIAÇÃO Jair Ribeiro Mendes Aparecida Cristina Alves 2005/2009 Curso de Graduação em Engenharia Elétrica na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 2012/2014 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado, na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. À minha avó Rhéa, pelo exemplo de vida, aos meus pais Cristina e Jair, que são minha base e sempre me direcionaram a educação, aos meus irmãos Josiane e Fábio, e à minha esposa Estefânia, pelo amor, paciência e companheirismo. AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus, fonte de todas as coisas, pela minha vida, saúde, família, amigos, inteligência e oportunidades. Agradeço aos meus pais Jair e Cristina, pelo amor incondicional, pelas dificuldades em prol das conquistas dos filhos, porque me direcionaram no caminho certo, por me proporcionarem uma boa educação, por confiarem no meu potencial e me permitirem fazer o que gosto. Aos meus irmãos Josiane e Fábio, que sempre torceram por mim, me apoiaram e me ouviram durante as dificuldades. Agradeço à minha Estefânia, pelo seu amor, companheirismo, dedicação, paciência, por estar ao meu lado ao longo de todos estes anos e por crescer comigo. Ao Gu, por tomar conta da minha obra e me deixar tranquilo e com tempo para estudar. À toda minha família pelos bons exemplos e pelos incentivos ao longo desta caminhada. À todos os professores pelos conhecimentos passados, em especial ao meu orientador e co-orientador, Prof. Dr. Pedro Magalhães Sobrinho e Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza que me deram oportunidade e me incentivaram durante o trabalho. Às pessoas que contribuíram para o meu crescimento profissional e pessoal, e que de alguma forma contribuíram para este trabalho, em especial ao Rafael Maianti, por me ensinar e treinar profissionalmente, aos amigos Rafael Pimenta, Jussara Tassini e Marcos Sardinha. Aos meus amigos, que sempre estão comigo e torcendo por mim, independente da distância e do rumo que a vida de cada um tomou. Aos funcionários do Campus de Guaratinguetá pelos serviços prestados. “Ser grande não consiste no fato de receber honras, mas de merecê-las.” Aristóteles “Evoluir significa tornar-se cada vez melhor em todos os aspectos da vida até se atingir o ponto máximo, que é ter prosperidade de tudo o que é bom.” Deepak Chopra “Eu sou o caminho, a verdade e a vida.” Jesus Cristo MENDES, J. E. A. Eficiência Energética aplicada na indústria de bebidas em sistemas de refrigeração e ar comprimido – Estudo de casos. 2014. 141 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2014. RESUMO A eficiência energética aos poucos vai ganhando espaço nas indústrias, em função da redução dos custos de produção, pela política de sustentabilidade e de preocupação ambiental empregada atualmente. As indústrias de bebidas, como a que o trabalho foi implantado, utilizam muito o sistema de refrigeração e o de ar comprimido. Praticamente 50% do consumo destas fábricas são em função destas utilidades. O objetivo desta dissertação foi desenvolver uma metodologia para ser usada como ferramenta na identificação de oportunidades de redução do consumo de energia em sistemas de refrigeração e ar comprimido. A metodologia desenvolvida foi baseada em conceitos de refrigeração e ar comprimido e, em alguns estudos de casos de eficiência energética implantados em algumas unidades fabris. Este trabalho mostra como esta metodologia foi criada para melhorar a eficiência energética de sistemas de refrigeração e de ar comprimido. Posteriormente esta metodologia foi utilizada em outras unidades desta mesma indústria para reduzir o consumo de energia elétrica. Inicialmente há uma breve descrição dos principais componentes destes sistemas e de conceitos que ajudam na melhoria da eficiência deles. Por fim, são apresentadas algumas boas práticas e projetos implementados que ajudaram na criação da ferramenta ou foram implementados a partir do uso dela. Os resultados do trabalho mostram a ferramenta pronta para ser usada e uma redução do consumo de energia elétrica de mais de 37 GWh/ano, que significam mais de R$ 6.000.000,00 por ano. A principal conclusão desta dissertação é que a metodologia foi criada e, independente do tipo de configuração destes dois sistemas, é possível utilizá-la para melhorá-los. PALAVRAS-CHAVE: Eficiência Energética. Refrigeração Industrial. Ar Comprimido. Indústria de Bebidas. MENDES, J. E. A. Energy Efficiency applied in beverage industry in cooling and air compressed systems – Cases study. 2014. 141 f. Dissertation (Master in Mechanical Engineering) - Engineering College, São Paulo State University - Guaratinguetá, 2014. ABSTRACT Energy efficiency is slowly gaining ground in the industry, especially due to the cost reduction in the production process its present, also to the sustainability policy and environmental concern employed nowadays. Beverage industries use cooling system and compressed air system a lot. Almost 50% of the electricity consumption in these plants refers to those utilities. The objective of this dissertation was to develop a methodology that can be used as a tool for identifying opportunities to reduce energy consumption in those cooling and compressed air systems. The methodology was based on concepts of cooling and compressed air, and also in some case studies in which energy efficiency was implemented in beverage plants. This dissertation shows how this methodology was created to improve the energy efficiency in cooling and air compressed systems. Later this methodology was used in other plants of the same company in which the case study was done to reduce electricity consumption. The study starts with a short description of the main components of these systems and concepts that help to improve their efficiency. And concludes with some good practices operation and projects implemented, which helped to develop the tool or have been implemented using it. The outcome shows that the tool is ready for use and that there is an important reduction in electricity consumption, amount to more than 37 GWh / year, which means more than R$ 6,000,000.00 a year. The main conclusion of this dissertation is that methodology was developed and it is possible to use the methodology to improve the cooling and air compressed systems, apart from the configuration and automation of the equipments in the plant. KEYWORDS: Energy Efficiency. Refrigeration Industry. Compressed Air. Beverage Industry. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – Ciclo teórico de compressão a vapor .......................................................... 23 FIGURA 2 – Influência da PS / TE no COP do sistema .................................................... 24 FIGURA 3 – Influência da PD / TC no COP do sistema .................................................. 24 FIGURA 4 – Compressor alternativo .............................................................................. 26 FIGURA 5 – Esquema de funcionamento de um compressor alternativo ................. 27 FIGURA 6 – Compressor parafuso ................................................................................. 27 FIGURA 7 – Geometria básica do compressor parafuso .................................................. 28 FIGURA 8 – Funcionamento de um compressor parafuso ............................................... 29 FIGURA 9 – Sistema de retorno automático de óleo em chillers ..................................... 30 FIGURA 10 – Funcionamento da slide valve .................................................................. 31 FIGURA 11 – Comparação da potência demandada no eixo do compressor em função da capacidade e do tipo de controle ...................................................................................... 34 FIGURA 12 – Comparação do COP em função da capacidade e do tipo de controle ....... 35 FIGURA 13 – Condensador de placas ............................................................................. 40 FIGURA 14 – Torres de resfriamento e condensadores evaporativos com ventiladores axiais ....................................................................................................................................... 42 FIGURA 15 – Torre de resfriamento com ventiladores centrífugos ................................. 43 FIGURA 16 – Eliminadores de gotas .............................................................................. 43 FIGURA 17 – Posicionamento recomendado dos eliminadores de gotas ......................... 44 FIGURA 18 – Esquema de um condensador evaporativo ................................................ 45 FIGURA 19 – Capacidade e potência absorvida de um compressor em função da variação da TC ................................................................................................................................... 48 FIGURA 20 – Curva característica de ventiladores, bombas e exaustores de vazão, pressão e potência elétrica em função da velocidade ....................................................................... 49 FIGURA 21 – Controle da PD em função da TBU ........................................................... 50 FIGURA 22 – Evaporador inundado ............................................................................... 54 FIGURA 23 – Evaporador casco e tubo .......................................................................... 55 FIGURA 24 – Evaporador de placas ............................................................................... 56 FIGURA 25 – Capacidade de um compressor em função da variação da TE .................... 57 FIGURA 26 – Potência absorvida de um compressor em função da variação da TE ......... 59 FIGURA 27 – Coloração da amônia em função da quantidade de água ........................... 62 FIGURA 28 – Potes de coleta de óleo e água com resistor elétrico .................................. 62 FIGURA 29 – Unidade Resfriadora de Líquido – Chiller ................................................ 63 FIGURA 30 – Sistema de retorno automático de óleo em chillers, através de boia .......... 67 FIGURA 31 – Drenagem de óleo acumulado nos evaporadores ...................................... 68 FIGURA 32 – Comparação do sistema de refrigeração antes e depois da manutenção no sistema automático de retorno de óleo ............................................................................. 69 FIGURA 33 – Entupimento dos filtros e dos bicos das torres de resfriamento, e incrustação do trocador de calor ............................................................................................................. 71 FIGURA 34 – Espalhamento dos bicos aspersores antes e depois da reforma .................. 71 FIGURA 35 – Reforma das torres de resfriamento e a retrolavagem nos condensadores de placas .............................................................................................................................. 72 FIGURA 36 – Gestão da PD ótima ...................................................................................... 75 FIGURA 37 – Purgadores automático de gases incondensáveis ....................................... 77 FIGURA 38 – Posição do sensor de temperatura que controla os compressores .............. 81 FIGURA 39 – Modulação do chiller 8 antes da parametrização correta ........................... 82 FIGURA 40 – Modulação do chiller 9 antes da parametrização correta ........................... 82 FIGURA 41 – Modulação do chiller 10 antes e depois da parametrização correta ........... 83 FIGURA 42 – Tubulações do compressor coringa ........................................................... 86 FIGURA 43 – Evaporador com óleo ............................................................................... 87 FIGURA 44 – Drenagem manual de óleo em um evaporador .......................................... 88 FIGURA 45 – Reforma dos condensadores evaporativos ................................................ 89 FIGURA 46 – Melhorias em condensadores evaporativos ............................................... 90 FIGURA 47 – Exemplo de condensadores evaporativos operando em paralelo com diferentes perdas de carga ............................................................................................................... 91 FIGURA 48 – Gestão e controle da PD ótima ..................................................................... 92 FIGURA 49 – Válvulas de água dos condensadores de placas ......................................... 93 FIGURA 50 – Trabalho realizado nas boias e no ladrão para aumentar a eficiência das torres de resfriamento ............................................................................................................... 94 FIGURA 51 – Redução da pressão de descarga média por fábrica ................................... 95 FIGURA 52 – Esquema do sistema de ar comprimido ..................................................... 99 FIGURA 53 – Custo de uma instalação de ar comprimido .............................................. 101 FIGURA 54 – Soprador .................................................................................................. 102 FIGURA 55 – Princípio de funcionamento e o modelo de um compressor parafuso de ar ....................................................................................................................................... 104 FIGURA 56 – Modulação carga e alívio ......................................................................... 105 FIGURA 57 – Consumo específico de energia (kWh/m³) pela rotação para um compressor ZR 315 VSD a 6 bar ............................................................................................................. 106 FIGURA 58 – Turbocompressor radial e rotor ................................................................ 107 FIGURA 59 – Compressor centrífugo ............................................................................. 108 FIGURA 60 – Modulação dos compressores através do gerenciador ............................... 109 FIGURA 61 – Controle central de compressores de ar .................................................... 110 FIGURA 62 – Reservatório de ar comprimido e dreno de condensado utilizado na indústria ....................................................................................................................................... 111 FIGURA 63 – Relação entre o ponto de orvalho e a pressão ........................................... 112 FIGURA 64 – Modulação do compressor ZR 250 ........................................................... 116 FIGURA 65 – Modulação do compressor ZR 3B ............................................................ 117 FIGURA 66 – Modulação do compressor ZR 250 após as modificações dos parâmetros ....................................................................................................................................... 118 FIGURA 67 – Vazamentos de ar comprimido ................................................................. 119 FIGURA 68 – Refrigeração de painéis, antes com ar comprimido e depois com ar condicionado................................................................................................................... 120 FIGURA 69 – Secagem de produtos, antes com ar comprimido e depois com sopradores tipo faca ................................................................................................................................. 120 FIGURA 70 – Extremidade tipo faca .............................................................................. 121 FIGURA 71 – Secadores de ar antigo e novo .................................................................. 122 FIGURA 72 – Redução da pressão de distribuição de ar de sopro de duas unidades fabris ....................................................................................................................................... 123 FIGURA 73 – Modulação do compressor Atlas Copco ................................................... 126 FIGURA 74 – Modulação do compressor Kaeser ............................................................ 127 FIGURA 75 – Modulação do compressor Atlas Copco após a reconfiguração ................. 127 FIGURA 76 – Modulação do compressor Kaeser após a reconfiguração ......................... 128 FIGURA 77 – Modulação do compressor Samsung SM 2000 ......................................... 129 FIGURA 78 – Modulação do compressor Samsung SM 2000 após a alteração dos set points ....................................................................................................................................... 129 FIGURA 79 – Gerenciador dos compressores de ar ......................................................... 130 FIGURA 80 – Medição da potência e do fator de potência do compressor 2 de ar ........... 132 FIGURA 81 – Medição da potência e do fator de potência do compressor 3 de ar ........... 132 FIGURA 82 – Redução da pressão de distribuição de ar de quatro unidades fabris .......... 133 LISTA DE QUADROS QUADRO 1 – Perguntas para melhorar a modulação dos compressores .......................... 66 QUADRO 2 – Perguntas para aumentar a pressão de sucção do sistema .......................... 69 QUADRO 3 – Perguntas para reduzir a pressão de descarga do sistema .......................... 73 QUADRO 4 – Perguntas para aumentar a pressão de sucção do sistema .......................... 76 QUADRO 5 – Perguntas para aumentar a pressão de sucção do sistema .......................... 77 QUADRO 6 – Perguntas para melhorar a eficiência do sistema de refrigeração .............. 78 QUADRO 7 – Ferramenta desenvolvida para o sistema de refrigeração .......................... 79 QUADRO 8 – Perguntas para melhorar a modulação dos compressores de ar ................. 119 QUADRO 9 – Perguntas para reduzir vazamentos e má utilização de ar comprimido ...... 122 QUADRO 10 – Perguntas para reduzir as perda nos secadores de ar ............................... 123 QUADRO 11 – Perguntas para reduzir a pressão de ar .................................................... 124 QUADRO 12 – Perguntas para melhorar a eficiência do sistema de ar comprimido ........ 124 QUADRO 13 – Ferramenta desenvolvida para o sistema de ar comprimido .................... 125 LISTA DE TABELAS TABELA 1 – Dados do compressor MYCOM N250 VM-L; 3550 rpm; Regime -1,7 °C / 33,9 °C modulando pela slide valve ........................................................................................ 32 TABELA 2 – Dados reais do compressor MYCOM N250 VM-L; Regime -1,7 °C / 33,9 °C com inversor de frequência ............................................................................................. 33 TABELA 3 – Dados do controlador CP Optimizer for NH3 ............................................. 51 TABELA 4 – Condições do sistema em função do teor de água na amônia ..................... 61 TABELA 5 – Comparação dos dados do mesmo compressor operando com PS diferentes ....................................................................................................................................... 85 TABELA 6 – Resultados consolidado das ações nos sistemas de refrigeração ................. 97 TABELA 7 – Comparação do consumo e da potência para diferentes diâmetros de vazamentos com pressões de 6 bar e 7 bar ....................................................................... 100 TABELA 8 – Variação do consumo em relação à temperatura de aspiração .................... 103 TABELA 9 – Faixa de operação do compressor ZR 160 VSD ......................................... 117 TABELA 10 – Resultados consolidado das ações nos sistemas de ar comprimido ........... 134 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CLP - Controlador Lógico Programável COP - Coeficiente de Performance DBO - Demanda Biológica de Oxigênio IC - Item de Controle IV - Item de Verificação IHM - Interface Homem Máquina LP - Low Pressure MIT - Motor de Indução Trifásico PID - Proporcional Integral Derivativo PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica SV - Slide Valve TBU - Temperatura de Bulbo Úmido TR - Tonelada de Refrigeração URL - Unidade Resfriadora de Líquido USDOE - Departamento de Energia dos Estados Unidos LISTA DE SÍMBOLOS f - Frequência fmáx - Frequência máxima NH3 - Amônia anidra PAlívio - Pressão de Alívio PC - Pressão de Condensação PCarga - Pressão de Carga PD - Pressão de Descarga PD ótima - Pressão ótima de Descarga PE - Pressão de Evaporação PS - Pressão de Sucção ρ��� - Densidade da água ρ��� - Densidade da amônia Q� - Capacidade frigorífica Q� � - Capacidade frigorífica nominal VAE - Volume antes da evaporação VDE - Volume depois da evaporação TB ótima - Temperatura ótima da bacia TC - Temperatura de Condensação TE - Temperatura de Evaporação SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .......................................................................................... 18 2 REFRIGERAÇÃO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ............................... 22 2.1 CONCEITOS DE REFRIGERAÇÃO ........................................................... 22 2.2 COMPRESSORES ....................................................................................... 25 2.2.1 Compressores alternativos ou pistão .......................................................... 26 2.2.2 Compressores parafuso .............................................................................. 27 2.2.3 Controle de capacidade dos compressores ................................................. 30 2.2.4 Modulação dos compressores ..................................................................... 35 2.3 CONDENSADORES .................................................................................... 38 2.3.1 Condensadores de placas ............................................................................ 39 2.3.2 Torres de resfriamento ............................................................................... 41 2.3.3 Condensadores evaporativos ...................................................................... 44 2.3.4 Gases incondensáveis .................................................................................. 46 2.3.5 Otimização da pressão de descarga do sistema ......................................... 47 2.4 DISPOSITIVO DE EXPANSÃO .................................................................. 52 2.5 EVAPORADORES ...................................................................................... 52 2.5.1 Evaporadores casco e tubo ......................................................................... 54 2.5.2 Evaporadores de placas .............................................................................. 55 2.5.3 Otimização da pressão de sucção do sistema ............................................. 56 2.6 AMÔNIA (NH3) ........................................................................................... 60 2.7 UNIDADES RESFRIADORAS DE LÍQUIDO COMPACTAS (CHILLERS) 62 3 DESENVOLVIMENTO DA METODOLOGIA PARA IDENTIFICAÇÃO DE OPORTUNIDADES NO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO ............. 64 3.1 MELHORIA NA MODULAÇÃO DOS COMPRESSORES ......................... 64 3.2 MELHORIAS PARA ELEVAÇÃO DA PRESSÃO DE SUCÇÃO ............... 66 3.3 MELHORIAS PARA REDUÇÃO DA PRESSÃO DE DESCARGA ............ 70 3.4 MELHORIAS NA MODULAÇÃO DE CONDENSADORES EVAPORATIVOS E TORRES DE RESFRIAMENTO .............................................................. 73 3.5 MELHORIA COM A REDUÇÃO DOS GASES INCONDENSÁVEIS ....... 76 3.6 OUTRAS MELHORIAS NO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO .................. 78 4 AÇÕES DE MELHORIAS APLICADAS UTILIZANDO A FERRAMENTA DESENVOLVIDA EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO E RESULTADOS ........................................................................................... 80 4.1 MODULAÇÃO DOS COMPRESSORES ..................................................... 81 4.2 AUMENTO DA PRESSÃO DE SUCÇÃO ................................................... 84 4.3 REDUÇÃO DA PRESSÃO DE DESCARGA .............................................. 88 4.4 MODULAÇÃO DOS VENTILADORES DAS TORRES DE RESFRIAMENTO ..................................................................................................................... 91 4.5 RESULTADO DA REDUÇÃO DA PRESSÃO DE DESCARGA ................ 95 4.6 OUTRAS MELHORIAS NO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO E RESULTADOS ............................................................................................ 96 5 AR COMPRIMIDO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ............................. 97 5.1 CONCEITOS DE AR COMPRIMIDO ......................................................... 98 5.2 SISTEMA DE AR COMPRIMIDO .............................................................. 98 5.3 VAZAMENTOS E MÁ UTILIZAÇÃO DE AR COMPRIMIDO .................. 101 5.4 COMPRESSORES DE AR ........................................................................... 102 5.4.1 Compressores parafuso de ar ..................................................................... 103 5.4.2 Compressores centrífugos .......................................................................... 106 5.4.3 Controle centralizado de compressores ..................................................... 109 5.5 RESERVATÓRIOS ...................................................................................... 110 5.6 SECADORES ............................................................................................... 111 5.6.1 Secador por refrigeração ............................................................................ 113 5.6.2 Secador por adsorção ................................................................................. 114 6 DESENVOLVIMENTO DA METODOLOGIA PARA IDENTIFICAÇÃO DE OPORTUNIDADES NO SISTEMA DE AR COMPRIMIDO ........... 115 6.1 MELHORIAS NA MODULAÇÃO DOS COMPRESSORES DE AR .......... 115 6.2 VAZAMENTOS E MÁ UTILIZAÇÃO DE AR COMPRIMIDO .................. 119 6.3 REDUÇÃO DA PRESSÃO DE OPERAÇÃO DE AR .................................. 122 6.4 OUTRAS MELHORIAS NO SISTEMA DE AR COMPRIMIDO ................ 124 7 AÇÕES DE MELHORIAS APLICADAS UTILIZANDO A FERRAMENTA DESENVOLVIDA EM SISTEMAS DE AR COMPRIMIDO E RESULTADOS ........................................................................................... 126 7.1 MODULAÇÃO DOS COMPRESSORES DE AR ........................................ 126 7.2 UTILIZAÇÃO DE GERENCIADORES DE COMPRESSORES PARA MELHORAR A MODULAÇÃO .................................................................. 130 7.3 INSTALAÇÃO DE UM COMPRESSOR MAIS EFICIENTE E COM INVERSOR DE FREQUÊNCIA .................................................................. 131 7.4 REDUÇÃO DA PRESSÃO DE OPERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO ........ 132 7.5 OUTRAS MELHORIAS NO SISTEMA DE AR COMPRIMIDO E RESULTADOS ............................................................................................ 134 8 CONCLUSÃO............................................................................................. 135 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 137 18 1 INTRODUÇÃO A energia faz parte dos itens de custos gerenciáveis de uma empresa e seu grau de importância vem crescendo devido à busca de alternativas para a redução de custos de produção, à própria disponibilidade energética, que atualmente, enfrenta restrições ambientais, sendo que sua geração é cada vez mais cara e complexa, e ao mercado que exige produtos de empresas comprometidas com o meio ambiente e com a sociedade. Assim, o uso eficiente da energia virou uma jogada de marketing para as empresas, pois valoriza sua imagem e mostra que ela possui uma visão estratégica para o futuro, aumentando sua competitividade e resultados (MARQUES et al., 2007; MESQUITA, 2009). A energia está presente em nossas vidas e a afeta de outras maneiras além de seu uso direto. Atualmente, tanto as fontes como as tendências de seu uso irracional não são sustentáveis, pois causam danos ao meio ambiente e rápida degradação dos recursos naturais (GELLER, 2003). A gestão dos recursos naturais é um dos maiores desafios da sociedade e, nos dias atuais, se depende muito de combustíveis fósseis, que é um bem finito e seu impacto ambiental é bem significativo. Há a necessidade de mudanças e do combate ao desperdício de energia, pois, se não é possível evitar a degradação ambiental, ao menos se deve minimizá-la e se não pelo meio ambiente e pelo exercício de cidadania, de deixar um planeta melhor para as futuras gerações, ao menos pela redução de custos, com a redução do consumo de energia (VENTURINI; PIRANI, 2005a). O usuário é o ator principal neste cenário de mudanças. A energia elétrica é fundamental e deve ser utilizada com inteligência. A eficiência energética é o principal instrumento para o combate ao desperdício (MESQUITA, 2009). Eficiência energética significa reduzir o consumo e custos, sem perder, em nenhum momento, a qualidade e eficiência dos serviços (PROCEL, 2012). A eficiência energética, atualmente atrelada às questões ambientais e com a difusão de informações, do conhecimento aplicado e novas tecnologias é um tema que vem ganhando cada vez mais espaço (MESQUITA, 2009). Ainda há muitas barreiras que limitam o avanço da eficiência energética, mas é possível superá-las através de políticas públicas esclarecidas (GELLER, 2003,). O Brasil apostou nestas políticas para conservar energia. 19 O início foi com o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL) em 1985, criado pelo Governo Federal através do Ministério de Minas e Energia e da Eletrobrás, com a função de reduzir o consumo de energia e da demanda, com ações de combate ao desperdício (PROCEL, 2012). No ano de 1991, o PROCEL foi transformado em Programa do Governo, ampliando suas responsabilidades (MESQUITA, 2009). Em 2000 foi sancionada a Lei n° 9.991 que diz que “as concessionárias e permissionárias de serviços públicos de distribuição de energia elétrica ficam obrigadas a aplicar, anualmente, o montante de, no mínimo, setenta e cinco centésimos por cento de sua receita operacional líquida em pesquisa e desenvolvimento do setor elétrico e, no mínimo, vinte e cinco centésimos por cento em programas de eficiência energética no uso final” (Lei nº 9.991, de 24/07/2000). Em 2001 sancionaram a Lei n° 10.295, conhecida como a Lei da Eficiência Energética, que estabelece “níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e aparelhos consumidores de energia fabricados ou comercializados no país, com base em indicadores técnicos pertinentes” (Lei n° 10.295, de 17/10/2001). Já em 2002 sai o Decreto 4508, que dispõe sobre regulamentação a eficiência energética em motores de indução trifásica (MIT), que são os principais consumidores de energia da indústria (Decreto n° 4508, de 11/12/2002). O conceito de eficiência energética começou a ganhar força no Brasil a partir de 2001, com a crise no fornecimento do setor elétrico, que forçou a busca de soluções alternativas. A principal fonte de energia elétrica do Brasil provém de hidrelétricas, cujo tempo de construção demora anos. O crescimento do país é diretamente proporcional ao consumo de energia elétrica, além disso, a população também aumenta com os anos, então se apostou em eficiência energética e na mudança de hábitos dos consumidores para garantir o atendimento. O uso da eficiência energética e a redução da energia elétrica que sua implantação traz é como se construíssem usinas virtuais, adiando a necessidade de construção de novas usinas, da ampliação dos sistemas elétricos associados, o que disponibiliza recursos para outras áreas, além da minimização do impacto ambiental (VASCONCELLOS, 2007). A racionalização é uma alternativa de baixo custo e de curto prazo de implementação, pois se alcança bons resultados em economia de energia com ações simples de mudança de procedimento, utilização de aparelhos mais eficientes, utilização de inversores de frequência, dimensionamento correto de equipamentos. (FINEP, 1989; VASCONCELLOS, 2007). 20 O trabalho de eficiência energética de qualquer segmento inicia-se no projeto com a escolha de equipamentos mais eficientes, aproveitamento da iluminação natural, utilização de cogeração, porém, maior eficiência envolve maior investimento. Como, no mundo capitalista atual, o que se busca é o custo benefício, muitas vezes equipamentos menos eficientes são escolhidos e detalhes que poderiam favorecer a eficiência energética são deixadas de lado. O motivo pode ser porque não se pensou nisso, ou porque há subsídios na tarifa de energia elétrica. O conceito de eficiência energética é recente. Indústrias e fábricas antigas não se preocupavam com esta questão, pois a energia elétrica era muito barata e não havia a consciência que há nos dias atuais. Diante do cenário atual, cuja preocupação é com a redução de custos de produção, abre-se espaço para trabalhos voltados para redução no consumo de energia elétrica utilizando eficiência energética. Atualmente são restritas as ferramentas e metodologias que ajudem na identificação de oportunidade para reduzir o consumo de energia elétrica em um sistema de refrigeração. Para o sistema de ar comprimido estas ferramentas são um pouco mais acessíveis. O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para identificação de oportunidades de redução do consumo de energia elétrica tanto em sistemas de refrigeração como em sistemas de ar comprimido e, através de conceitos de eficiência energética, apresentar quais seriam as soluções para melhoria destes sistemas. A base para a criação da metodologia foram alguns estudos de casos e os conceitos de refrigeração e ar comprimido. A empresa buscava uma eficiência melhor nos sistemas de refrigeração e de ar comprimido e, consequentemente, um consumo menor de energia elétrica, pois estes sistemas são os principais consumidores desta indústria. Os estudos de casos, implantados para este fim no início do trabalho contribuíram para a formação da metodologia, que posteriormente foi usada nas demais fábricas de uma das maiores multinacionais de bebidas do mundo. Também faz parte da metodologia do trabalho a padronização e o acompanhamento dos principais itens de controle (IC) e verificação (IV). O sistema de refrigeração tem a finalidade de remover calor, a fim de esfriar, constantemente, ou manter frio um produto, material ou espaço. Normalmente ele é usado para climatização, conservação de produtos e viabilização de processos. Em uma fábrica de cerveja e refrigerantes, o sistema de frio é usado tanto no processo de fabricação como no de conservação dos produtos em adegas e tanque. 21 A produção de ar comprimido é diretamente proporcional ao consumo de energia elétrica e é aplicado nas indústrias em sistemas pneumáticos. Este bem pode ser definido como o ar capacitado a realizar trabalho (ROCHA; MONTEIRO, 2005a). De acordo com Salvador (1999) e Tassini (2012) os sistemas de refrigeração são projetados para atender picos de consumo, ou seja, todas as cargas simultaneamente, sendo assim, operam em grande parte do tempo com carga parcial. Definir condições e parâmetros corretamente é fundamental para otimizar o uso da energia elétrica durante os períodos de oscilação. Este mesmo conceito vale para os sistemas de ar comprimido. O segundo capítulo apresenta os conceitos básicos de refrigeração e seus principais componentes, com base na bibliografia e alguns pontos onde a eficiência energética pode ser aplicada neste sistema. O terceiro capítulo apresenta como a metodologia para a identificação de oportunidades foi desenvolvida para o sistema de refrigeração. O quarto capítulo mostra os principais casos com as ações de melhorias realizadas durante o trabalho em sistemas de refrigeração e os principais resultados, obtidos a partir da metodologia implementada. O quinto capítulo trata de alguns conceitos de ar comprimido e seus principais componentes, de acordo com a bibliografia e como a eficiência energética pode ser aplicada neste sistema. O sexto capítulo apresenta como a metodologia para a identificação de oportunidades foi desenvolvida para o sistema de ar comprimido. No sétimo capítulo o assunto são as principais ações que alavancaram o aumento de eficiência dos sistemas ar comprimido e os respectivos resultados, obtidos a partir do uso da ferramenta desenvolvida. Por fim, no oitavo capítulo, são mostradas as conclusões do trabalho. 22 2 REFRIGERAÇÃO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Jannuzzi et al. (2000) incentiva maiores esforços do setor energético para reduzir o consumo de energia elétrica e chama a atenção para que tais esforços sejam realizados e assim a eficiência energética se torne mais atraente quando comparada com as alternativas normalmente utilizadas. Sola e Kovaleski (2004) fazem a análise da eficiência energética dentro da indústria e afirmam que a cultura pela eficiência energética é gerada com política e trabalho permanente. Salvador (1999) estuda um sistema de refrigeração de compressão a vapor com set point de temperatura de evaporação (TE) variável, visando à redução do consumo de energia elétrica. Magalhães Sobrinho (2011) discute sobre a influência da umidade relativa do ar no coeficienete de performance (COP) de um sistema de refrigeração de um ar condicionado. De acordo com Tassini (2012), ações de melhorias em sistemas de refrigeração devem avaliar desde a geração até o consumidor final e, segundo Venturini e Pirani (2005b), antes de buscar oportunidades na geração de frio, deve-se olhar a distribuição e o uso final dele. Mendes e Sobrinho (2010) apresentam algumas melhorias implantadas em sistemas de refrigeração visando o aumento da pressão de sucção (PS) e redução da pressão de descarga (PD). Tassini (2012) apresenta um estudo de caso onde houve a modificação de alguns parâmetros operativos e a implementação de algumas ações com investimento em um sistema de refrigeração industrial de grande porte. Os ganhos foram obtidos principalmente em momentos de baixa demanda. Em indústrias de bebidas, o sistema de refrigeração é o principal consumidor de energia elétrica, pois além da importância deste sistema na conservação do produto, ele também faz parte do processo, neste caso específico, de cerveja e refrigerantes, para que se atinjam as temperaturas desejadas, conforme a necessidade de cada etapa do processo. 2.1 CONCEITOS DE REFRIGERAÇÃO Evaporar o fluido refrigerante para retirar calor de um produto ou ambiente é o objetivo de um sistema de refrigeração. 23 Um ciclo de refrigeração por compressão a vapor inicia-se no evaporador, onde o fluido refrigerante, inicialmente líquido saturado na entrada, retira calor do produto ou ambiente e evapora. Conforme o líquido vai evaporando, a pressão na saída do evaporador tende a aumentar e para o efeito de resfriamento não parar, existe o compressor succionando parte do vapor. O papel do compressor é elevar a pressão e temperatura do vapor. Para tornar o processo cíclico é necessário que o vapor se torne líquido novamente, sendo o condensador o equipamento responsável por resfriar e condensar o fluido, usando normalmente água. O condensador recebe o fluido do compressor por diferença de pressão. O ciclo é completado com uma válvula de expansão ou outro equipamento regulador para injetar o fluido no evaporador. O esquema básico de um sistema por compressão a vapor é apresentado na figura 1, assim como o ciclo teórico em um diagrama de Mollier, no plano pressão - entalpia (P-h). Figura 1 - Ciclo teórico de compressão a vapor Fonte: (VENTURINI; PIRANI, 2005a). O COP do ciclo é usado para análise das instalações frigoríficas e através dele é possível verificar quais parâmetros influenciam no desempenho do sistema. O COP é definido conforme equação (1): COP = ������� ú��� ������� ����� (1) A PS / TE tem uma influência direta no COP do sistema. Quanto menor a PS / TE, menor será o COP do sistema, ou seja, menos eficiente ele será. Como se pode observar na figura 2, se mantiver todos os parâmetros e diminuir somente a PS / TE, a área, que representa o trabalho realizado pelo sistema aumenta. 24 Figura 2 - Influência da PS / TE no COP do sistema Fonte: (VENTURINI; PIRANI, 2005a). A mesma análise pode ser feita para a temperatura de condensação (TC) / PD, que também tem influência direta no COP do sistema. Se todos os parâmetros forem mantidos e apenas a PD / TC for reduzida, a área em amarelo, que é trabalho realizado pelo sistema também será reduzida e, portanto, o COP será maior, conforme a figura 3. Figura 3 - Influência da PD / TC no COP do sistema Fonte: (VENTURINI; PIRANI, 2005a). A utilização do sub-resfriamento do líquido na saída do condensador aumenta muito pouco o COP do sistema, mas este sub-resfriamento é usado para garantir que haja apenas líquido na entrada do dispositivo de expansão. Já o superaquecimento do refrigerante, retirando calor do meio ou produto que se quer resfriar, no caso da amônia anidra R-717 (NH3) diminui o COP e diminui a capacidade frigorífica do sistema. A justificativa para ele é apenas por segurança do equipamento, evitando que entre líquido no compressor (VENTURINI; PIRANI, 2005a). 25 Venturini e Pirani (2005a) definem o sistema de multipressão como o sistema de compressão a vapor que possui no mínimo dois níveis de baixa pressão, ou seja, pressão entre o dispositivo de expansão e a sucção do sistema de compressão. Este tipo de sistema é frequentemente encontrado em indústrias de bebidas, em especial em cervejarias, mas não é um sistema em cascata, mas sim dois coletores independentes de amônia e compressores independentes dedicados a cada sistema, os quais operam com PS diferentes. A finalidade de se utilizar sistemas de multipressão é de chegar a uma melhor eficiência energética do sistema, porque apenas parte do processo de cerveja necessita utilizar o fluido secundário com temperaturas negativas e o trabalho realizado pelo compressor pode ser calculado em função da área do gráfico entre a PS e a PD. Quando é utilizado apenas um sistema, os compressores devem operar em um regime para atender todas as partes do processo, no pior cenário. Assim, o controle de temperatura e pressão de cada evaporador deve ser feito pela válvula de expansão e o consumo de energia do sistema de refrigeração será maior. 2.2 COMPRESSORES Através do compressor que se fornece energia para que o ciclo de refrigeração seja completado. Esta energia é recebida através do motor elétrico acoplado a este componente mecânico e transferida para o fluido, transformando-a em energia térmica (PILLIS, 2005). Os compressores representam cerca de 70% do consumo de energia elétrica em um sistema de refrigeração (VENTURINI; PIRANI, 2005b). No sistema de refrigeração uma de suas funções é remover o vapor do fluido refrigerante do evaporador, através de sucção, para manter a pressão compatível com a TE necessária. A outra função é comprimir este gás, elevando a pressão do vapor, para fazer com que o fluido circule ao longo do sistema. A pressão é elevada até o ponto onde a quantidade de calor retirada no condensador leve o fluido ao estado líquido (PILLIS, 2005). Segundo Venturini e Pirani (2005a), a capacidade da instalação, função do fluido refrigerante escolhido e da temperatura de vaporização, é que definirá o tipo de compressor a ser utilizado. Em indústrias que utilizam sistema de frio, os tipos de compressores mais encontrados são o alternativo e o parafuso. 26 A forma como o fluido refrigerante é comprimido caracteriza estes dois tipos de compressores como de deslocamento positivo, ou seja, aumenta a pressão, diminuindo o volume interno através de uma força mecânica aplicada (VENTURINI; PIRANI, 2005a). 2.2.1 Compressores alternativos ou pistão O compressor pistão ou alternativo é o tipo mais comum e antigo utilizado em refrigeração industrial em sistemas de pequenas e médias capacidades. Um compressor alternativo pode ser visualizado na figura 4. Figura 4 - Compressor alternativo Fonte: (Autor). A figura 5 mostra um compressor alternativo aberto e demonstra seu esquema de funcionamento básico. O fluido refrigerante evaporado é succionado através da válvula de admissão do compressor e fica armazenado na câmara de sucção do carter. As impurezas são retidas no filtro. Quando o compressor inicia a sucção, o êmbolo ou pistão se desloca para baixo, ocorrendo uma expansão e a pressão dentro das camisas diminui, assim o gás existente na câmara de sucção é succionado através da válvula de sucção, localizada no próprio êmbolo ou no cabeçote, que se abre. Quando inicia a compressão, o pistão começa a se deslocar para cima, a válvula de sucção se fecha e o fluido refrigerante é comprimido. Quando a pressão do gás no cilindro é maior que o da câmara de descarga o gás é empurrado para fora, em direção ao condensador, através da válvula de descarga, localizada, na maioria das vezes, no cabeçote do cilindro (ATLAS COPCO, 2010a; MAYEKAWA, 2008a). 27 Figura 5 - Esquema de funcionamento de um compressor alternativo Fonte: (VENTURINI; PIRANI, 2005a). 2.2.2 Compressores parafuso Os compressores parafuso são amplamente utilizados em sistema de refrigeração que requerem uma grande carga térmica, pois combinam dimensões externas reduzidas com alta capacidade, isto porque operam em alta rotação, em função de não apresentarem válvula de admissão nem de descarga (TASSINI, 2012). Um compressor parafuso pode ser visto na figura 6. Figura 6 - Compressor parafuso Fonte: (Autor). As principais partes do compressor de parafuso são os dois rotores em roscas, um chamado de macho e outro de fêmea, com diferentes números de lóbulos, onde na configuração mais usual, o rotor macho apresenta quatro e o fêmea seis. Estes rotores são montados sobre mancais a fim de fixar as respectivas posições na câmara de operação. O rotor macho é o convexo, enquanto o fêmea é o côncavo (PILLIS, 2005). 28 A sucção ocorre quando, durante a rotação dos rotores o espaço se abre entre os lóbulos e aumentam de volume, succionado o gás pela parte superior, fazendo com que o volume máximo seja preenchido e a entrada seja fechada. Logo após a sucção, começa a compressão, quando os rotores macho e fêmea começam a encaixar suas ranhuras, reduzindo o volume de gás e o deslocando axialmente, em função da rotação dos dois parafusos. Por não apresentar válvula de descarga, a localização da câmara de descarga é que faz esta função. A finalização da descarga se dá quando o rotor macho ocupa o volume antes ocupado pelo gás, assim não há gás remanescente na câmara de compressão, por isso compressores parafuso conseguem operar com razões de compressão superiores aos alternativos (PILLIS, 2005). A figura 7 apresenta a geometria do parafuso duplo. Figura 7 - Geometria básica do compressor parafuso Fonte: (PILLIS, 2005). O funcionamento de um compressor parafuso está dividido em sucção, compressão e descarga. Espaços entre os rotores e entre eles e a carcaça são preenchidos com óleo, através de injeção, a fim de lubrificar, evitar desgastes, resfriar e vedar. O compressor parafuso selado com óleo aumenta o rendimento volumétrico, pois, utilizando a quantidade adequada de óleo, permite que este retire parte do calor ganho na compressão, diminuindo a temperatura de descarga. Por outro lado, para sistemas de refrigeração com compressores parafuso é necessário um separador de óleo. (MARTINELLI JÚNIOR, 2003; MAYEKAWA, 2008a). 29 A figura 8 apresenta o ciclo de operação do compressor parafuso. Figura 8 - Funcionamento de um compressor parafuso Fonte: (PILLIS, 2005). Segundo a Mayekawa (2011) em um sistema compacto (chiller), a recuperação do óleo retirado do separador de óleo ocorre de maneira automática, conforme a figura 9. Quando se atinge o tempo de purga inicia-se a operação abrindo as válvulas SV-5, que liga a coluna de líquido do evaporador ao coletor de óleo, e a SV-4, que liga o coletor de óleo ao separador de líquido. Ambas ficarão abertas até completar o período de recolhimento. Após atingir este tempo somente a válvula SV-5 se fecha. Então será acionado o resistor elétrico para aquecer a mistura, e, consequentemente, evaporar a amônia, até a temperatura da mistura ser maior ou igual à de set point, o que fará a válvula SV-4 se fechar e a válvula SV-7, que liga a descarga do compressor ao coletor de óleo, se abrir, até o momento em que a pressão no recuperador atingir o valor de set point. Quando este valor for atingido SV-7 se fechará e SV-3, que conecta o coletor de óleo à sucção do compressor, se abrirá até equalizar a pressão do recuperador com a de sucção, encerrando o ciclo. A mistura densa (óleo e amônia), mesmo após a equalização de pressão, leva alguns segundos para ser arrastada até a sucção de compressor, sendo que uma parte vai por diferença de pressão e outra parte pelo efeito Venturi. 30 Figura 9 - Sistema de retorno automático de óleo em chillers Fonte: (Autor). 2.2.3 Controle de capacidade dos compressores Geralmente, há uma variação de carga térmica considerável em indústrias de bebida, em função, principalmente, do processo. O controle de capacidade dos compressores é que mantém estável o parâmetro de controle do sistema de refrigeração, que normalmente é a PS ou a temperatura do fluido secundário na entrada do tanque logo após passar pelos evaporadores. Caso o compressor se mantivesse operando de maneira constante, ou seja, gerando a mesma capacidade frigorífica, e houvesse o aumento de carga térmica, a TE e a PS aumentariam. 31 Em contra partida, se a carga térmica diminuísse e o compressor não reduzisse sua capacidade frigorífica ocorreria ao contrário, diminuiria a TE, podendo ocorrer o congelamento dos trocadores de calor ou desarme dos compressores. Em ambos os casos a qualidade do produto poderia ser comprometida. Por isso, é fundamental o controle de capacidade dos compressores (MENDES; SOBRINHO, 2012). Há várias maneiras de se fazer o controle de capacidade dos compressores, algumas mais eficazes e outros menos, como o liga / desliga do compressor, o estrangulamento do gás de aspiração entre o evaporador e o compressor, o desvio do gás na descarga do compressor para a linha de sucção ou para o evaporador e a utilização de inversores de frequência. (VENTURINI; PIRANI, 2005a). Nos compressores parafuso os controles de capacidade mais usuais são através da slide valve (SV) e através do inversor de frequência. Os compressores parafusos com inversor de frequência modulam suas cargas tanto através da slide valve como do inversor. A slide valve ou válvula interna deslizante fica dentro do invólucro do rotor, se move paralelamente aos rotores e é responsável pelo controle da quantidade de gás que entra na câmara, em função da demanda de carga térmica, pois ela define o tamanho da região de compressão. Com sua abertura, cria-se uma recirculação, na região de alta pressão, e parte do gás retorna à sucção antes de ser comprimido, evitando uma perda de trabalho no compressor. Seu comando se faz através de um dispositivo, cujo controle é eletrônico e o acionamento é hidráulico, através do diferencial de PS e PD. A figura 10 mostra o funcionamento da slide valve. Figura 10 - Funcionamento da slide valve Fonte: (YORK TRAINING AND DEVELOPMENT DK, 2011b) 32 Neste tipo de controle se consegue boas eficiências, para uma determinada faixa de carga (85% a 100%), porém a potência não reduz de maneira significativa para cargas abaixo de 50% da máxima e a eficiência do compressor é baixa neste caso, embora este tipo de controle permita um controle contínuo de capacidade até próximo de zero (FACULDADE UNICEN, 2012; MARTINELLI JÚNIOR, 2003; SALVADOR, 1999). A tabela 1 apresenta os dados de um compressor parafuso modulando pela slide valve. Tabela 1 - Dados do compressor MYCOM N250 VM-L; 3550 rpm; Regime -1,7 °C / 33,9 °C modulando pela slide valve Fonte: (MAYEKAWA, 2008b). Para abertura da slide valve de 70% a 100% a porcentagem da capacidade do compressor é próxima, em percentual, da abertura da slide valve, já para valores inferiores a 70% começa haver diferença grandes entre os dois parâmetros. Isso significa que a slide valve não é a melhor opção para a modulação dos compressores. Atualmente, o inversor de frequência é a melhor alternativa do ponto de vista energético para o controle de capacidade, pois não desvia gás da descarga para a sucção, não altera a geometria inicial do equipamento, sendo assim mais eficiente. 33 A redução de velocidade faz com que haja redução grande também da potência e da razão de compressão, embora estas não sejam lineares (VENTURINI; PIRANI, 2005b). O cálculo aproximado da capacidade de um compressor parafuso que opera com inversor de frequência é dado pela equação (2), segundo a Mycom (2011): Q� = % �� ����� !� � "##% × % [�'] %)á+ [�'] × Q� � (2) Onde: Q� : capacidade frigorífica; f: frequência; f-á.: frequência máxima; Q� �: capacidade frigorífica nominal; A tabela 2 apresenta os dados de um compressor parafuso modulando e priorizando o inversor de frequência a slide valve. Tabela 2 - Dados reais do compressor MYCOM N250 VM-L; Regime -1,7 °C / 33,9 °C com inversor de frequência Fonte: (MAYEKAWA, 2011). 34 Comparando o controle por inversor de frequência com o realizado pela slide valve, para cargas parciais e baixas razões de compressão a eficiência do compressor é apenas um pouco melhor e as vezes não justifica o investimento, já para cargas parciais e altas razões de compressão a eficiência é bem melhor e o investimento pode ser justificado. As perdas em função da variação de velocidade devem ser levadas em conta neste caso, assim como a razão de compressão e o número de horas de operação em cargas parciais durante o ano (FACULDADE UNICEN, 2012). Estima-se que as perdas em função da variação de velocidade sejam de 5,5% em relação à carga total, sendo que 3% é consequência da rotação inferior a nominal e 2,5% da diminuição da eficiência do motor (PILLIS, 2005; FACULDADE UNICEN, 2012). Nos casos que justificam a aplicação de inversores de frequência, alguns detalhes precisam ser atentados e o fabricante consultado, em relação às frequências críticas de vibração e os limites de velocidade, que não comprometam a lubrificação dos mancais (FACULDADE UNICEN, 2012). As figuras 11 e 12 comparam os dados das tabelas 1 e 2 em relação à potência consumida e ao COP do equipamento em função da variação de capacidade. Figura 11 - Comparação da potência demandada no eixo do compressor em função da capacidade e do tipo de controle Fonte: (MAYEKAWA, 2008b, 2011). 35 Figura 12 - Comparação do COP em função da capacidade e do tipo de controle Fonte: (MAYEKAWA, 2008b, 2011). Outra vantagem da utilização de inversores de frequência é que permite que os compressores, se devidamente resfriados, possam atingir maiores rotações e consequentemente, maiores capacidades, usando o mesmo motor. As instalações em indústrias de bebidas possuem vários compressores, muitas vezes de diferentes tamanhos e alguns com inversores de frequência, para a modulação. Os compressores que não possuem inversor devem ser utilizados na base do sistema. O ideal nestes casos, de vários compressores para o mesmo regime de operação, é o controle de capacidade do grupo, buscando operar na faixa de maior eficiência de cada equipamento e consequentemente, menor consumo de energia elétrica. Este tipo de controle determinaria a sequência de partida, parada e capacidade, buscando o melhor rendimento do conjunto. A escolha dos equipamentos de uma instalação de refrigeração depende de outros fatores como crescimento da planta, disposição de equipamentos reservas, compressores capazes de operar em regimes diferentes, etc. (SALVADOR, 1999). 2.2.4 Modulação dos compressores A mais eficiente modulação dos compressores de amônia, vista durante o trabalho foi o sistema mestre-escravo. 36 Neste tipo de controle os compressores se comunicam e operam com a mesma capacidade até que uma máquina em espera possa ser ligada ou uma das máquinas que estão operando possa ser desligada de acordo com os parâmetros pré-estabelecidos. O sistema mestre-escravo permite que o compressor opere de três diferentes maneiras, manual, automático ou mestre-escravo. Operando em manual é possível aumentar e diminuir a carga do compressor através de botões da IHM (Interface Homem Máquina), normalmente para manobras ou emergência. O set point é o valor definido como alvo que o sistema de controle irá buscar até alcançá-lo e, uma vez alcançado, o sistema de controle tenta mantê-lo. Na operação em automático, o compressor utiliza apenas sua própria configuração e buscará o set point do parâmetro de controle escolhido, que geralmente será ou a PS, ou a temperatura de saída do fluido secundário (produto a ser refrigerado) no evaporador do chiller (sistema de refrigeração compacto) ou um sinal de uma entrada externa, que pode ser um sensor de temperatura na entrada de um tanque, por exemplo. Quando a operação está como mestre-escravo, todos os compressores operam em função de um único controle e o compressor definido como mestre é quem controlará todos eles, mandando o sinal para entrada, saída e modulação dos demais. Para isso todos os compressores devem estar configurados corretamente para o mesmo sistema, o set point deve ser o mesmo em todos eles e cada um deve ser configurado com um número diferente, porém em sequência, para formar a fila de partida. O objetivo no sistema de refrigeração, neste caso, é resfriar o fluido secundário e mantê- lo em uma faixa de temperatura. Este fluido secundário após ser resfriado é que atenderá as cargas nas áreas produtivas. Então, o melhor parâmetro de controle para os compressores ou chillers, do ponto de vista energético, é o sinal de temperatura do sensor localizado na tubulação de entrada do tanque de acumulação do fluido secundário, após tem sido resfriado nos evaporadores. Este parâmetro usará a entrada externa disponível para mandar seu sinal. Assim, se garante que o fluido entre no tanque com a temperatura desejada e os compressores operem para manter esta temperatura constante. Há dois sistemas mestre-escravo analisados durante o estudo, o UNISAB da empresa Johnson Controls e o Auto Stage da Mayekawa, ambos desenvolvidos visando eficiência energética, para otimizar o uso da energia elétrica em função do capacidade frigorífica dos compressores. O princípio de funcionamento é, basicamente, o mesmo para os dois sistemas, mas há algumas diferenças. 37 Como já mencionado anteriormente, o compressor parafuso com inversor de frequência modula sua carga de duas maneiras: pela slide valve e pela frequência. A modulação pela slide valve ocorrerá quando o compressor inicia seu funcionamento com uma frequência mínima de operação, por exemplo, de 24 Hz a 30 Hz, para garantir a ventilação do motor. Neste momento a slide valve estará fechada (0%), pois o motor do compressor tem que vencer a inércia inicial. Uma vez estabilizado, a slide valve varia sua capacidade até 100%. Após a slide valve atingir 100% começará a modulação pela frequência, cujo responsável é o inversor, que varia da frequência mínima, exemplo 24 Hz, até a frequência máxima, por exemplo, 67 Hz (MAYEKAWA, 2011). Independente do modo de operação, o ponto ótimo de operação dos compressores pode ser atingido, desde que ele esteja operando com a carga mais elevada na região onde a curva de desempenho do consumo de energia elétrica x capacidade frigorífica é linear (MAYEKAWA, 2011). Há dois modos de operação para o sistema Auto Stage: “Local”, onde a operação será feita pela IHM do chiller; “Remoto”, onde a operação será realizada via supervisório, recebendo comandos externos. Este sistema pode funcionar de três diferentes modos de controle: manual ou auto local ou ainda auto remoto (MAYEKAWA, 2011). O sistema UNISAB também pode operar de três modos de controle diferentes: manual ou automático ou remoto. No modo manual o compressor será ligado através de botão, sem nenhuma condição de falha, e o controle de carga do compressor também será através de botões. Este tipo de controle é usado apenas em casos de emergência. Se o sistema for definido para operar em automático, ele precisará da definição de Local ou Remoto e da referência de controle, PS ou temperatura de saída do etanol do evaporador ou temperatura de entrada do tanque. Assim, os set points e parâmetros de liga e desliga das máquinas, pré-definidos na referência de controle escolhida é que controlarão a partida, parada e o controle de capacidade do compressor. A diferença da operação Auto Remoto para Auto Local, no sistema Auto Stage, é que a primeira aguarda um sinal externo para a partida (MAYEKAWA, 2011). Para o sistema Auto Stage, quando o modo de controle é o Stage, obrigatoriamente, o parâmetro de controle será a temperatura de entrada do fluido secundário no tanque, cujo sinal chega a cada máquina através de uma rede de comunicação, e cada máquina executa seu próprio controle no inversor de frequência, através do PID (MAYEKAWA, 2011). 38 Para o funcionamento do Stage, os parâmetros devem estar configurados corretamente. Para o sistema UNISAB operando em remoto, o parâmetro de controle, PS ou temperatura de saída do evaporador ou entrada externa, pode ser escolhido e o controle de todas as máquinas é feito pelo compressor mestre do sistema. Se todos os compressores possuírem inversor de frequência, todos eles modularão na mesma capacidade, mas se nem todos possuírem inversor de frequência, os que não possuem operarão a 100% de capacidade enquanto os que possuem, modularão na mesma capacidade. Neste caso, é recomendado que o mestre do sistema seja um compressor com inversor de frequência. Para o funcionamento do modo remoto, os parâmetros devem estar configurados corretamente. Visando o melhor rendimento energético é definido o ponto mínimo de operação de cada máquina, que no sistema Auto Stage, o usuário pode escolher este ponto. Elas operação apenas acima deste ponto pré-definido em testes de performance, por exemplo, 60%. Além do ponto mínimo de operação, deve ser definido um parâmetro, que quando atingido, conta-se um tempo e liga a próxima máquina, por exemplo, 100% e um parâmetro de rotação mínima, para a partida da máquina (MAYEKAWA, 2011). Para o UNISAB, todos estes parâmetros são definidos internamente. 2.3 CONDENSADORES De acordo com López (2005), o condensador, no sistema de refrigeração, recupera o refrigerante, deixando-o em condições de repetir o ciclo. O vapor do fluido entra superaquecido no condensador e varia a mistura de líquido mais vapor ao longo do equipamento, até sair completamente líquido. Toda a energia absorvida pelo sistema (evaporador) mais a energia mecânica necessária para o funcionamento do mesmo (compressor) deve ser rejeitada no condensador. Por esta razão a capacidade de condensação deve ser maior que a capacidade de refrigeração ou de compressão. Este percentual extra é de 25% a 30% (MARTINELLI JÚNIOR, 2003). Os condensadores possuem três funções, sendo a primeira remover e transferir o calor do sistema de refrigeração para algum outro ambiente, calor este proveniente do evaporador e do trabalho do compressor, a segunda, resfriar e condensar o fluido refrigerante, ou seja, transformar o vapor quente vindo do compressor em líquido, e a terceira, controlar a PD dos compressores. 39 A seleção de qual condensador ou torre de resfriamento (tamanho e tipo) escolher depende de diversos fatores, como por exemplo, o clima, principalmente a temperatura de bulbo úmido (TBU), a instalação, o fluido refrigerante, o dimensionamento da carga térmica, localização, calor rejeitado, consumo de energia elétrica, nível de ruído, etc. (LÓPEZ, 2005; MARTINELLI JÚNIOR, 2003). A TBU é a temperatura mais baixa que pode ser alcançada apenas com a evaporação da água. É uma relação entre a temperatura ambiente e a umidade relativa do ar, que pode ser obtida através de uma carta psicrométrica. Segundo Martinelli Júnior (2003), os parâmetros que devem ser considerados na seleção são a superfície suficiente para a condensação, volume suficiente para armazenar o vapor do fluido, espaço suficiente para que o vapor e o líquido se separem. Na implantação de um projeto para instalação de condensadores ou torres de resfriamento deve-se atentar com fontes de calor próximas à instalação, recirculações e interferência dos demais condensadores (ou torres de resfriamento), o que é chamado de curto-circuito e são bastante comuns (CORTINOVIS; SONG, 2012). Os condensadores resfriados a água possuem uma eficiência muito maior, quando comparados com os resfriados a ar, principalmente em climas com elevadas temperaturas ambiente. De acordo com Venturini e Pirani (2005a), a Tc deve operar de 5 °C a 8 °C a mais que a temperatura de entrada de água. O condensador de placas com torres de resfriamento e o condensador evaporativo são os predominantes em indústrias. 2.3.1 Condensadores de placas Os condensadores de placas são resfriados através de torres de resfriamento e bombas que fazem a água circular entre o condensador e a torre. Este tipo de condensador líquido / líquido são os mais novos no mercado e sua principal vantagem é o fato de ser compacto e não necessitar de muito espaço para a instalação. As placas verticais corrugadas, que facilitam a circulação em regime turbulento, são montadas paralelamente umas das outras, com um pequeno espaçamento. A circulação dos fluidos é em contracorrente entre os espaços alternados, formados pelas placas e em função da forma de distribuição das juntas, que além de evitar a mistura dos fluidos, faz com que em cada conjunto de placas circule um fluido distinto. 40 Nos condensadores de placas, o refrigerante flui no sentido descendente e a água no ascendente. (LÓPEZ, 2005). Além de serem compactos, os condensadores de placas possuem outras vantagens, em comparação com os demais tipos, que fazem com que seu uso seja cada vez mais frequente, por exemplo, o fato de poder ser ampliado com a inclusão de placas, por ter elevado coeficiente global de transferência de calor, por ser mais leve, pelo sistema operar com baixo volume de fluido refrigerante, por ser mais barato e por precisar de menor tempo para ser aberto, cerca de 15 minutos, contra de 60 a 90 minutos os tubulares (LÓPEZ, 2005). Os condensadores de placas também possuem desvantagens em relação aos demais, como por exemplo, é um equipamento sensível às incrustações por sujeira, perdendo muita eficiência e, pelo fato de possuir pequeno volume, se há presença de incondensáveis a PD aumenta rapidamente (LÓPEZ, 2005). A figura 13 apresenta um condensador de placas. Figura 13 - Condensador de placas Fonte: (VENTURINI; PIRANI, 2005a). 41 2.3.2 Torres de resfriamento As torres de resfriamento são instaladas para resfriamento de água por contato com o ar atmosférico que utilizam a evaporação de uma parte pequena do total de água dela para transmitir calor ao ar que passa em contracorrente, geralmente de maneira forçada, contribuindo para a evaporação, pois a água e o ar tendem a entrar em equilíbrio. A função do ar é aumentar a taxa de evaporação. A evaporação utiliza calor para ocorrer, e por isso, representa cerca de 80% do resfriamento do restante da água, que não é evaporada, em uma torre de resfriamento ou em um condensador evaporativo, porque como as moléculas com maior energia evaporam, as que ficam tem menor energia cinética média, diminuindo a temperatura. Os outros 20% são em função da diferença de temperatura entre o ar e a água, porque quando a TBU do ar é menor que a temperatura da água, a água fornece energia para o ar, aumentando a entalpia dele, através de calor sensível, como consequência, a temperatura de saída da água tende ao valor da TBU, assim a água da bacia pode ser reutilizada para o resfriamento, recirculada através bombas. A água evaporada deve ser reposta ao sistema através de uma tubulação de reposição, controlada por nível, com uma boia (CORTINOVIS; SONG, 2012; LÓPEZ, 2005). As torres de tiragem mecânica utilizam os ventiladores para controlar a entrada de ar, por isso, são mais compactas, o que diminui a altura e potência para bombeamento, precisam de pouca superfície, não depende do vento, o controle da temperatura de água fria é mais fino e se atinge temperaturas de aproximação de 1 °C a 2 °C. Por outro lado, é mais susceptível a falhas, o custo de operação e manutenção é maior (energia nos ventiladores), assim como os ruídos e vibrações. As torres de tiragem mecânica podem ser forçadas ou induzidas. As torres de tiragem mecânica forçada possuem os ventiladores posicionados na entrada de ar. Este tipo de equipamento é mais eficiente que o de tiragem mecânica induzida, pois faz a movimentação de ar frio, que é mais denso e por isso desloca maior volume, além disso, a manutenção é mais fácil porque os ventiladores ficam no nível do solo. Porém o tamanho dos ventiladores é limitado e para aumento de capacidade é necessário vários deles com alta rotação, consequentemente, maior ruído (VENTURINI; PIRANI, 2005a). 42 As torres de tiragem mecânica induzida utilizam os ventiladores na saída de ar, ou parte superior do equipamento e funcionam como exaustores. Estes ventiladores podem ser grandes. Apresentam como vantagens baixo nível de ruído e recirculação de ar reduzida, pois o ar sai em alta velocidade, porém apresenta como desvantagem a tendência a vibrações e a difícil manutenção nos ventiladores (VENTURINI; PIRANI, 2005a). Além disso, se forem utilizados vários ventiladores e operar sem um ou mais deles, resulta em prejuízo de eficiência, pois ocorre a recirculação de ar quente pelos ventiladores danificados (curto-circuito). Neste caso, os ventiladores em operação realizarão trabalho tanto para remover o ar quente, resultante da troca térmica com o fluido refrigerante como também o ar quente que já foi removido anteriormente que entra pelos ventiladores danificados. Este curto-circuito limita o fluxo de ar na zona de evaporação onde se encontram as serpentinas, baixando, drasticamente, a capacidade. Os ventiladores usados em torres de resfriamento de tiragem forçada são axiais ou centrífugos. Os axiais, acoplados diretamente ao motor, deslocam grandes volumes de ar na mesma direção do eixo e o custo de operação é baixo comparado com os centrífugos. Os centrífugos são acoplados através de correias e geralmente operam com pás curvadas para frente, porque, desta maneira, pode operar com rotações mais baixas. Consequentemente, o nível de ruído também é menor. Este tipo de ventilador possui menores dimensões comparando com os axiais e deslocam o ar na direção normal à entrada (LÓPEZ, 2005). As figuras 14 e 15 apresentam torres de resfriamentos com ventiladores axiais e centrífugos, respectivamente. Figura 14 - Torres de resfriamento e condensadores evaporativos com ventiladores axiais Fonte: (Autor). 43 Figura 15 - Torre de resfriamento com ventiladores centrífugos Fonte: (Autor). As torres de resfriamento não precisam, necessariamente, de um enchimento, porém ele é importante porque aumenta a eficiência do equipamento, pois acelera a dissipação de calor, em função da superfície úmida que se forma com sua presença, aumentando o tempo de contato entre a água e o ar (VENTURINI; PIRANI, 2005a). Quando é utilizado o enchimento de respingo, também é necessária a utilização de eliminadores de gotas, para reter as que são arrastadas pelo ar, através das bruscas mudanças na direção do ar. Os eliminadores de gotas devem ser de algum material resistente à corrosão e erosão, geralmente os materiais usados são plásticos e metais. Eles são fundamentais para diminuir as perdas de água, além de diminuir a formação de névoa e direcionar o ar (LÓPEZ, 2005). A figura 16 apresenta os eliminadores de gotas. Figura 16 - Eliminadores de gotas Fonte: (Autor). 44 Os eliminadores de gotas devem ser posicionados de maneira que evite a recirculação do ar quente, assim devem direcionar o ar quente para o lado contrário à captação de ar fresco. Caso a torre capte ar fresco por ambos os lados, os eliminadores de gotas devem ser posicionados para concentrar o ar quente no meio, para que ele suba, em função da baixa densidade. A figura 17 apresenta o posicionamento recomendado. Figura 17 - Posicionamento recomendado dos eliminadores de gotas Fonte: (Autor). 2.3.3 Condensadores evaporativos Os condensadores evaporativos (figura 18) são basicamente formados por uma torre de resfriamento com uma serpentina instalada em seu interior, composta por tubos em espiral projetados para ter um rápido escoamento, por onde passa o fluido refrigerante. Os bicos aspersores, que fazem parte do sistema de distribuição de água, estão localizados na parte superior e possuem diâmetro suficiente para evitar fácil entupimento por sujeira, pulverizam água sobre toda a serpentina. A água escoa em contracorrente com o ar forçado até a bacia dos equipamentos. O contato da água com a serpentina é que faz com que o fluido refrigerante condense, pois parte da água evapora e retira calor da serpentina, resfriando-a, além de resfriar o restante da água também. O fluido entra superaquecido na serpentina, por causa da descarga dos compressores, é retirado calor sensível, depois o fluido é condensado e, por fim, ocorre um pequeno sub- resfriamento (VENTURINI; PIRANI, 2005a). 45 Figura 18 - Esquema de um condensador evaporativo Fonte: (SEMCO EQUIPAMENTOS, 2007). Os condensadores evaporativos são os mais utilizados nas indústrias e o calor rejeitado neles é transferido à água e ao ar ambiente sucessivamente. Estes equipamentos permitem operar com baixas TC, além disso, comparando com as torres de resfriamento e condensadores de placas, as bombas dos condensadores evaporativos requerem menor potência, porém os condensadores devem ser instalados próximos aos compressores. (LÓPEZ, 2005). O tratamento de água serve para evitar, ou pelo menos, minimizar a corrosão e incrustações nos equipamentos e tubulações (LÓPEZ, 2005). Além disso, o tratamento de água é importante em condensadores evaporativos, torres de resfriamento e trocadores de calor para manter o melhor desempenho e aumentar a vida útil, pois os sais dissolvidos, matéria orgânica em suspensão dissolvida na água, e sólidos contribuem para formação de fungos, bactérias e algas, que provocam queda da eficiência (CORTINOVIS; SONG, 2012; VENTURINI; PIRANI, 2005b). Os parâmetros de controle são a dureza, pH, condutividade e a demanda biológica de oxigênio (DBO) (CORTINOVIS; SONG, 2012). A purga de fundo da bacia faz parte do tratamento de água, pois serve para eliminar grandes concentrações de sais e é recomendado que seja feita de maneira automática e temporizada, para evitar o desperdício de água e produtos químicos (LÓPEZ, 2005). 46 2.3.4 Gases incondensáveis A presença de gases incondensáveis no sistema de refrigeração é um problema, pois o ar é um isolante térmico muito eficaz que ocupa uma área nos condensadores, reduzindo a área de troca e, consequentemente, a troca térmica, aumentando a pressão no condensador e dificultando a condensação. Além disso, aumenta o trabalho a ser realizado no compressor, porque, além do fluido, ele terá que comprimir o ar. Com isso, o sistema passa a operar com uma PD maior ou a utilizar mais condensadores do que se usaria se não houvesse a presença de gases incondensáveis para realizar o mesmo trabalho (FRIO PLUS REFRIGERAÇÃO LTDA, 2012a; MARTINELLI JÚNIOR, 2003). É difícil evitar que ar, que é composto por gases incondensáveis, seja incorporado no sistema de refrigeração. O ar tende a ficar acumulado em regiões de alta pressão, como é o caso da serpentina e do reservatório de líquido (FRIO PLUS REFRIGERAÇÃO LTDA, 2012a; LÓPEZ, 2005). Nem sempre o ar é o responsável pelo aumento da PD, embora seja a causa mais comum. Condensadores subdimensionados ou com incrustações também podem ser responsáveis por isso. A maneira mais rápida e simples de se detectar a presença de gases incondensáveis em sistemas com condensadores evaporativos é medir a temperatura, utilizando um termômetro de contato ou infravermelho, na saída de líquido dos condensadores evaporativos ou no reservatório de líquido, anotar a PD dos compressores e comparar o valor lido de temperatura do líquido com o valor referente de pressão na tabela do vapor saturado do respectivo fluido. Se a pressão referente à temperatura medida for menor que a PD dos compressores é um sinal de que existem gases incondensáveis no sistema e deve-se fazer a purga manual para redução desta diferença. Recomenda-se a purga manual, quando o valor é maior que 0,5 bar. A purga manual apresenta algumas considerações: precisa de certo tempo para ser realizada, não elimina completamente o ar, ocorre fuga de amônia, o que pode ser perigoso, pois a amônia é toxica, e precisa ser realizada por uma pessoa, assim há risco de ocorrer negligência (FRIO PLUS REFRIGERAÇÃO LTDA, 2012a). 47 A recomendação em sistemas com condensadores evaporativos, com amônia é a instalação de purgadores automáticos de gases incondensáveis, cujo objetivo é condensar o fluido refrigerante e remover o ar do sistema. Este equipamento seria instalado em vários pontos do sistema, na saída de cada condensador evaporativo e na garrafa, e cada um destes pontos seriam acionados por eletroválvulas (LÓPEZ, 2005). A instalação de purgadores automáticos de gases incondensáveis não significa que não seja mais necessário fazer a purga manual, mas reduzirá a frequência com que ela é realizada. 2.3.5 Otimização da pressão de descarga do sistema A PD é determinada pela capacidade dos compressores, a capacidade dos condensadores, ambos em função da vazão do fluido, e da TBU. Segundo López (2005) e Venturini e Pirani (2005b) a capacidade frigorífica reduz de 0,6% a 1% e o consumo elétrico aumenta de 2% a 3% para cada 1 °C de aumento na TC. A redução da TC durante épocas de baixa pode reduzir o consumo de 3% a 10%. Para comprovar foram simuladas duas situações no software da Mycom. A figura 19 apresenta os dados do compressor Mycom N320VMD-L obtidos a partir deste software. Todos os parâmetros são mantidos iguais e apenas a TC varia (destaque em vermelho) de um caso para o outro. No primeiro ela está 35 °C e no segundo caso 34 °C. Com a redução de 1°C na TC a capacidade do compressor aumenta de 3620,4 kWR para 3646,5 kWR (destaque em azul), ou 0,72%. Já a potência absorvida reduziu (destaque em verde) de 825,7 kW para 807,2 kW, ou 2,24%. O COP dos dois casos pode ser calculado a partir da equação (1). COP" = Energia útil Energia gasta = 3620,4 825,7 = 4,38 COPB = Energia útil Energia gasta = 3646,5 807,2 = 4,52 Portanto a eficiência deste compressor aumentou 3,14% com a redução de 1°C na TC. A recomendação é que o sistema opere com a PD flutuante, em função da TBU, buscando o menor consumo de energia, salvo em sistemas que utilizam a válvula de expansão termostática, que requer uma PD mais ou menos constante e um pouco elevada. 48 Figura 19 – Capacidade e potência absorvida de um compressor em função da variação da TC Fonte: (MAYEKAWA, 2008b). Quanto mais condensadores ligados há no sistema, menor será a TC, porém maior o custo de operação. Mesmo que existam restrições, deve-se operar com a chamada pressão ótima de descarga (PD ótima), que, em alguns casos, pode ser a menor PD possível (LÓPEZ, 2005; SABROE REFRIGERATION SA, 2004). 49 A PD ótima, segundo Tassini (2012) é a menor PD, no qual o ganho de energia em compressão é maior que a energia a mais gasta em condensação. Operar com pressões e temperaturas de descarga elevadas consome mais energia, exige mais esforço dos equipamentos, reduzindo a vida útil de correias, motores e mancais, além do maior desgaste das válvulas dos compressores e do fato do óleo lubrificante se deteriorar rapidamente (FRIO PLUS REFRIGERAÇÃO LTDA, 2012a). Operar com a PD ótima flutuante significa controlar a PD do sistema através do controle dos ventiladores dos condensadores evaporativos, utilizando o liga e desliga dos motores, variação das velocidades deles, utilizando motores de duas velocidades distintas ou inversores de frequência. No caso de condensadores de placas com torres de resfriamento, o controle dos ventiladores controlaria a temperatura da água da bacia (VENTURINI; PIRANI, 2005a). As partidas e a paradas suaves para os motores e rolamentos, a eficiência do controle de velocidade e do torque faz com que o inversor de frequência seja a melhor das opções. A curva de potência de ventiladores, assim como as bombas centrífugas e exaustores, varia, em relação à velocidade (rpm) ao cubo, conforme figura 20, ou seja, conforme se diminui a rotação do motor, a potência elétrica é reduzida ao cubo (FRIO PLUS REFRIGERAÇÃO LTDA, 2012b). Existe um limite mínimo de rotação, que normalmente é metade da nominal, para não comprometer a ventilação mínima nos motores recomendada pelos fabricantes. Figura 20 – Curva característica de ventiladores, bombas e exaustores de vazão, pressão e potência elétrica em função da velocidade Fonte: (FRIO PLUS REFRIGERAÇÃO LTDA, 2012b). 50 Recomenda-se que, no mínimo, 30% dos ventiladores dos condensadores possuam inversores de frequência, para evitar que os equipamentos fiquem ligando e desligando constantemente, e que a rotação dos ventiladores varie por igual em todos eles, mantendo uma uniformidade térmica (FRIO PLUS REFRIGERAÇÃO LTDA, 2012b; TASSINI, 2012). Existe no mercado um equipamento da Sabroe, específico para amônia, que controla a PD do sistema através da TBU, cujo esquema é apresentado na figura 21. Figura 21 - Controle da PD em função da TBU Fonte: (SABROE REFRIGERATION SA, 2004). Os dados de entrada são o da temperatura ambiente e da umidade relativa do ar. Com estes dados o equipamento calcula a TBU e define o set point da PD ótima em bar ou bar convertido para a temperatura de saturação em °C/R, através de uma equação interna, cujos dados estão na tabela 3. Seu controlador mede a PD real do sistema on line, compara e envia um sinal para os inversores de frequência dos condensadores evaporativos ou torres de resfriamento aumentar ou diminuir a rotação dos motores dos ventiladores. De acordo com Sabroe Refrigeration SA (2004) deve haver um limite mínimo e máximo para o controle. Este mesmo tipo de controle pode ser realizado com uma automação parecida, usando uma estação meteorológica, porém a equação da PD ótima em função da TBU deve ser encontrada através de dados dos equipamentos do sistema de frio em questão e de algumas medições das PS e PD, além da potência elétrica destes equipamentos. 51 Tabela 3 - Dados do controlador CP Optimizer for NH3 Fonte: (SABROE REFRIGERATION SA, 2004). 52 2.4 DISPOSITIVO DE EXPANSÃO O dispositivo de expansão tem a função de regular a vazão do fluido que chega ao evaporador e reduzir a pressão deste fluido, desde a pressão de condensação (PC) até a pressão de evaporação (PE). Quando instalado na linha de líquido de alta pressão, o objetivo é permitir que o fluido abaixe sua temperatura de saturação, que corresponde à PS na entrada do evaporador. Uma parte do fluido acaba se evaporando, o que faz extrair calor da parte líquida restante. Em instalações que utilizam amônia, o fluido vai de amônia alta pressão líquida a amônia baixa pressão líquida. O vapor gerado é conhecido como gás de amônia ou gás flash e está em estado saturado. (LÓPEZ, 2005). Quando instalado na linha de líquido de baixa pressão, como na entrada dos evaporadores, o objetivo é regular a vazão, controlando a TE (YORK REFRIGERATION, 2008). De acordo com López (2005) os dispositivos de expansão podem ser com ajustes manual ou automático. O dispositivo mais comum usado em sistemas de frio de grande porte é a válvula de expansão, que controla de maneira precisa a quantidade de fluido refrigerante que entra no evaporador (MARTINELLI JÚNIOR, 2003). 2.5 EVAPORADORES O evaporador é a parte mais importante de um sistema de refrigeração. Embora seja simples, eles recebem este nome porque é onde se evapora o fluido refrigerante, mas também podem ser denominados resfriadores de algo (nome do produto a ser resfriado), que na verdade é seu objetivo, pois todos os sistemas de frio tem a finalidade de retirar calor de alguma substância ou meio (LÓPEZ, 2005; MARTINELLI JÚNIOR, 2003). York Refrigeration (2008) afirma que os evaporadores são a interface entre o sistema de refrigeração e o processo, ou seja, é nos evaporadores que a troca térmica entre o fluido refrigerante e o produto a ser resfriado ocorre, fazendo com que a carga de calor do segundo seja transferida e absorvida pelo primeiro, principalmente como calor latente, e este se evapore. 53 O fluido refrigerante sofre uma mudança de estado no evaporador, saindo de líquido e se transformando em vapor (MARTINELLI JÚNIOR, 2003). O líquido vem do reservatório com alta pressão, passa pela válvula de expansão e entra no evaporador. Há um sistema de controle na válvula de expansão, que tem a função de manter, entre o reservatório e o evaporador, um diferencial de pressão para que, dentro do evaporador, se inicie a ebulição a uma temperatura menor que a da substância que está sendo resfriada. Como a pressão dentro do evaporador é baixa, a TE também é. No lado externo do evaporador passa a substância a ser resfriada com uma temperatura maior que a do fluido refrigerante. Este último se evapora e recebe um acréscimo de temperatura, também chamado de superaquecimento. Em sistemas de refrigeração com amônia, é no evaporador que a amônia com baixa pressão líquida se transforma em amônia com baixa pressão vapor (MARTINELLI JÚNIOR, 2003; YORK REFRIGERATION, 2008). Em alguns casos a troca térmica é feita diretamente entre o fluido refrigerante e o produto, em outros se utiliza um fluido secundário ou intermediário, como a solução de etanol ou glicol, que posteriormente troca calor com o produto final, ou seja, há troca entre o fluido refrigerante (primário) e o intermediário (secundário) e depois troca do intermediário com o produto. Embora haja perdas térmicas em função de haver uma troca a mais, o uso do fluido secundário se torna cada vez mais comum por causa de segurança, principalmente em instalações que utilizam amônia como fluido primário. A solução de etanol ou glicol é bastante utilizada porque podem chegar, sem risco de se congelar, a temperaturas abaixo de 0°C (YORK REFRIGERATION, 2008). Em função do evaporador absorver o calor de um processo ou substância, a eficiência de um sistema de refrigeração depende do projeto, da operação adequada e do desempenho dos evaporadores. Este desempenho depende, principalmente, de três requisitos: da superfície de troca térmica para absorver a carga térmica necessária, sem que haja uma diferença grande entre a temperatura do fluido refrigerante e do produto a ser resfriado; de haver espaço suficiente para o líquido e para que o vapor se separe do líquido; e do espaço suficiente para a circulação do fluido refrigerante, sem que haja perda de carga alta entre a entrada e a saída. As vazões e o material construtivo também influenciam na eficiência do evaporador (MARTINELLI JÚNIOR, 2003). 54 O evaporador inundado (figura 22) utiliza um separador de líquido, localizado acima dele, de maneira que o evaporador esteja inundado de líquido sempre. Após ser admitido através de uma válvula de expansão, o líquido escoa ao longo do evaporador para remover calor da substância ou meio a ser resfriada, assim, parte do fluido refrigerante se evapora e a mistura de vapor e líquido retorna ao separador de líquido, cuja função é separar os dois, sendo o primeiro aspirado pelo compressor e o segundo retornado ao evaporador conforme necessário. Figura 22 - Evaporador inundado Fonte: (MARTINELLI JÚNIOR, 2003). A principal vantagem do sistema inundado é que ocupa toda a superfície de transferência de calor, o que aumenta o coeficiente global de transferência de calor. Como desvantagens estão: a necessidade de grandes quantidades de refrigerante e sua aplicação que é restrita a amônia, pois para fluidos halogenados é difícil retornar óleo ao carter do compressor (VENTURINI; PIRANI, 2005a). Há vários tipos de evaporadores para líquidos, mas em instalações industriais de grande porte prevalecem os evaporadores de placas ou ainda casco e tubo, sendo este último encontrado em instalações antigas. 2.5.1 Evaporadores casco e tubo Nos evaporadores casco e tubo ou multitubulares (figura 23), normalmente o refrigerante passa pelo casco e o líquido a ser resfriado pelos tubos. 55 Podem ser usados com alimentação de qualquer tipo (expansão termostática, regime inundado ou por bombas de recirculação), sendo esta uma vantagem deste tipo de evaporador, além disso, é comumente usado, pois pode ser de várias capacidades (LÓPEZ, 2005; VENTURINI; PIRANI, 2005a). Figura 23 - Evaporador casco e tubo Fonte: (VENTURINI; PIRANI, 2005a). 2.5.2 Evaporadores de placas Os evaporadores de placas apresentam características muito próximas dos condensadores do mesmo tipo e são os mais usados porque possuem uma área maior de superfície, possuem elevado coeficiente global de transferência de calor, ocupam pouco espaço e tem preços competitivos, comparados com os demais tipos. Além disso, possui maior elasticidade no caso de congelamento, pois as placas semissoldadas deformadas podem voltar para suas devidas posições, podem ser usados com a alimentação de qualquer tipo, podem operar com maior TE, ao ser possível uma aproximação menor entre a TE e a saída do líquido. Se conseguir aumentar 2 °C na TE a redução no consumo de energia será de aproximadamente 6% (LÓPEZ, 2005; MARTINELLI JÚNIOR, 2003; VENTURINI; PIRANI, 2005a). Evaporadores de placas (figura 24) são construídos com placas rebaixadas ou ranhuras soldadas entre si, de maneira que formem uma trajetória determinada ao fluxo do fluido refrigerante. Os evaporadores de placas que já possuem um separador de líquido exclusivo e o dispositivo de expansão com os controles de pressão e temperatura são denominados Unidades Resfriadoras de Líquido (URL). 56 Figura 24 - Evaporador de placas Fonte: (MARTINELLI JÚNIOR, 2003). 2.5.3 Otimização da pressão de sucção do sistema Segundo Venturini e Pirani (2005a) a capacidade frigorífica reduz de 4% a 6% para cada 1°C de diminuição na TE. O consumo elétrico aumenta de 1% a 4% também para cada 1°C de redução na TE, desde que a capacidade do compressor seja mantida constante. Assim como para TC, para a TE também foram simuladas duas situações no software da Mycom. A figura 25 apresenta os dados do compressor Mycom N320VMD-L obtidos a partir deste software. Todos os parâmetros são mantidos iguais e apenas a TE varia (destaque em vermelho) de um caso para o outro. No primeiro ela está -7,68°C e no segundo caso -6,68°C. Com a elevação de 1°C na TE a capacidade do compressor aumenta de 3620,4 kWR para 3769,9 kWR (destaque em azul), ou 4,13%. Já a potência absorvida aumentou (destaque em verde) de 825,7 kW para 828,5 kW, ou 0,34%, o que é justificado pelo aumento do deslocamento de gás dentro do compressor. 57 Figura 25 – Capacidade de um compressor em função da variação da TE Fonte: (MAYEKAWA, 2008b). O COP dos dois casos pode ser calculado a partir da equação (1). COP" = Energia útil Energia gasta = 3620,4 825,7 = 4,38 COPB = Energia útil Energia gasta = 3769,9 828,5 = 4,55 58 Portanto a eficiência deste compressor aumentou 3,89% com a elevação de 1°C na TE. A análise para a potência absorvida deve ser feita mantendo constante a capacidade e modulando o compressor, conforme a figura 26. Neste caso, com a elevação de 1°C na TE e a capacidade do compressor mantida praticamente constante (destaque em azul) a potência absorvida reduz (destaque em verde) de 825,7 kW para 804,1 kW, ou 2,62%. A recomendação é que o sistema opere com a maior PS possível, objetivando o menor consumo de energia. A PS não se controla facilmente, como no caso da PD, através da retirada de gases incondensáveis e controle da capacidade dos condensadores evaporativos. Como mencionado anteriormente, a superfície de troca térmica entre o fluido refrigerante e o produto a ser resfriado é um dos principais fatores que influencia na capacidade e eficiência dos evaporadores. Portanto a limpeza periódica dos trocadores de calor dos evaporadores e a drenagem do óleo arrastado pelos compressores são fundamentais para que se consiga operar com a maior PS possível. Outro fator que influencia é a incorporação de umidade no fluido refrigerante, o que muda as características do fluido e ele passa a não atender o sistema conforme previsto, acarretando em uma redução da PS. A PS também diminuirá caso a quantidade do fluido refrigerante não seja suficiente no sistema. Se isso ocorrer, o compressor quando for operar com maior capacidade, não conseguirá succionar gás suficiente e precisará de maior esforço para isso. Este esforço adicional se dá pela diminuição da PS. Em URL’s e separadores de líquido é fundamental manter um nível adequado de fluido. 59 Figura 26 – Potência absorvida de um compressor em função da variação da TE Fonte: (MAYEKAWA, 2008b). 60 2.6 AMÔNIA (NH3) Há vários fluidos refrigerantes utilizados em sistemas de refrigeração, como o freon, a amônia, dentre outros. A amônia, também conhecida como o fluido refrigerante R-717, apresenta várias vantagens como excelentes propriedades termodinâmicas, porque tem um alto calor latente de evaporação, os vapores refrigerantes tem grande densidade, o que torna possível a utilização de pequenos compressores, apresenta o efeito de refrigeração mais elevado por kg e não se mistura com o óleo lubrificante. Além disso, em temperatura ambiente, a água absorve cerca de novecentas vezes o seu próprio volume em gás de amônia, e também nesta temperatura, a amônia é volátil, sendo simples a análise de pureza, possui um preço bastante reduzido, é de fácil detecção e não é acumulativa no corpo humano. Tudo isso faz da amônia o principal fluido utilizado em refrigeração (JOHNSON CONTROLS, 2010). A amônia pura não ataca os metais, porém, se houver água na amônia, formará hidróxido de amônia, que possui uma ação corrosiva, principalmente sobre o cobre. Portanto é essencial que a amônia utilizada em sistemas frigoríficos seja pura. A água é facilmente absorvida pela amônia e é difícil a separação. Sua presença é prejudicial para o sistema, porque altera a TE, pois a água evapora a 100 °