Por Scott Galloway, Gerente Global de Vendas da Donaldson Company, Inc.
O ar comprimido é uma fonte de energia essencial em instalações industriais. Muitas vezes chamado de “quarto recurso de abastecimento”, além da água, da eletricidade e do gás, o comprimido opera máquinas, transporta material, pressuriza sistemas hidráulicos e realiza diversas outras funções.
Tudo isso requer energia. Em média, a geração de ar comprimido representa de 10 a 30% dos custos de eletricidade de uma planta, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA¹. Com esse impacto considerável nos custos, os gerentes de instalações têm um grande interesse em reduzir as demandas de energia de seus compressores, e os fabricantes de compressores estão respondendo com esforços para projetar equipamentos que ofereçam a máxima eficiência. Além disso, os governos de todo o mundo estão legislando requisitos de maior eficiência para equipamentos de ar comprimido (ver barra lateral).
O sistema de filtragem de um compressor pode ter um impacto significativo na eficiência do sistema. Produzir ar comprimido a baixo custo requer que três filtros distintos trabalhem em harmonia, filtrando partículas e separando a névoa de óleo da corrente de ar sem muitas restrições para que o ar circule pelo sistema. A eficiência de um filtro em um local afeta diretamente o desempenho dos outros dois. Ao aplicar a principal tecnologia de filtragem em todo o sistema, os fabricantes de compressores podem permitir a conservação de energia e também ajudar a conservar os lubrificantes exigidos por seus equipamentos.
Veja abaixo uma introdução sobre a função de cada filtro do compressor e as tecnologias que podem ajudar a otimizar o desempenho do sistema.
O ecossistema de filtros: Uma visão geral
Os compressores de ar rotativos imerso em óleo, a tecnologia mais comumente utilizada na indústria, têm três componentes de filtragem primária: um filtro de entrada de ar, um filtro de óleo ou “lubrificante” e um separador ar e óleo, como mostrado na Figura 1.
Figura 1: Esquema de um compressor de ar rotativo imerso em óleo
O filtro de entrada de ar foi projetado para filtrar partículas com a máxima eficiência. O filtro de óleo foi projetado para capturar o máximo possível de material particulado no óleo. O separador de ar e óleo foi projetado para separar a névoa de óleo restante antes que o ar comprimido seja liberado para o sistema. Juntos, esses três componentes compreendem o ecossistema da filtragem, como mostrado na Figura 2.
O que constitui um filtro de entrada de ar de alta qualidade?
Como a primeira linha de defesa da filtragem na manutenção de ar limpo em um sistema de compressor, o papel do filtro de ar é evitar que partículas transportadas pelo ar entrem no compressor com eficiência ideal e restrição mínima. Isso é normalmente obtido por algum tipo de elemento filtrante à base de fibras alojado em um cartucho, como mostrado na Figura 3.
Os elementos filtrantes de entrada de ar têm sido tradicionalmente feitos de fibras de celulose ou de uma mistura sintética com celulose. A tecnologia mais recente, como o Ultra-Web® da Donaldson, utiliza um elemento de fibra fina feito com um processo de eletrofiação, que produz uma fibra sintética contínua e resiliente com diâmetro de 0,2 a 0,3 mícrons. O Ultra-Web forma uma fina camada de fibra com espaços muito pequenos entre fibras que prendem o pó na superfície do elemento, como mostrado na Figura 4.
Enquanto os filtros de celulose tradicionais proporcionam eficiências de aproximadamente 99%, a tecnologia de fibra fina pode proporcionar eficiências de 99,99%, como mostrado na Figura 5.
Embora os filtros de celulose possam produzir eficiências superiores a 99%, eles também podem se tornar inaceitavelmente restritivos para aplicações em compressores devido à sua construção de fibra compacta.
Especificamente, os filtros de fibra fina proporcionam alta “eficiência inicial”, ou seja, a eficiência do elemento filtrante do filtro de ar quando este é usado pela primeira vez. Isso mantém as partículas fora da corrente de ar e prolonga a vida útil do filtro ao capturar a poeira na superfície do elemento, e não na profundidade do elemento. Essa tecnologia de carregamento de superfície comprovadamente fornece baixa queda de pressão operacional durante um período de tempo prolongado, o que contribui para um filtro de maior duração que requer menos energia.
Como mostrado na Figura 6, em fluxos de ar de 200 pés cúbicos por minuto (CFM), os filtros Ultra-Web produziram restrições equivalentes a menos de 7 polegadas de água, em comparação com as 10 polegadas de um filtro concorrente.
Uma melhor filtragem da entrada de ar também prolonga a vida útil dos componentes do filtro a jusante, como o filtro de lubrificante e o separador de ar e óleo. A contaminação por pó e outras partículas é o principal fator que limita a vida útil do filtro de lubrificante e do separador de ar e óleo. Ao manter as partículas fora da corrente de ar, esses outros filtros podem funcionar por mais tempo e com mais eficiência. Ao reduzir a contaminação a jusante e o consequente aumento da restrição por meio do AOS e do filtro de lubrificante, o compressor exigirá menos eletricidade para fornecer um determinado volume de ar comprimido, ajudando a sustentar o custo total da operação.
Um exemplo de elemento AOS obstruída é mostrado nas imagens ampliadas da Figura 7. Com o elemento AOS limpo, 100% da área da superfície está disponível para coalescência. Com o elemento filtrante carregado com partículas, há menos superfície disponível para coalescência e o AOS torna-se menos eficaz.
Os filtros de lubrificante mantêm o óleo limpo
O próximo item na linha do ecossistema de filtragem é o filtro de óleo, ou filtro de “lubrificante”. Como o óleo se mistura com o ar enquanto o ar está sendo comprimido, novos contaminantes são introduzidos, portanto, a missão do filtro de óleo é filtrar essas partículas do óleo. Isso ajuda a proteger os rolamentos na unidade compressora, assim como a evita a migração de partículas para jusante, onde elas podem obstruir o separador de ar e óleo.
Os filtros de óleo devem ser projetados com ampla capacidade e eficiência para pó. Normalmente, ficam alojados em recipientes com aparência um pouco semelhante aos filtros de óleo automotivos, como mostrado na Figura 8.
A capacidade do filtro de lubrificante pode ser expandida aumentando o tamanho ou aprimorando o elemento filtrante. Como aumentar o tamanho do filtro muitas vezes consome espaço valioso e resulta em custos adicionais, aprimorar o elemento filtrante proporciona uma abordagem mais eficiente.
O elemento filtrante Donaldson Synteq™ XP provou-se altamente eficaz em filtros de lubrificante para compressores. Fornece um elemento filtrante uniforme, com mais aberturas de poros do que a celulose, o que aumenta a eficiência e a capacidade. Suas fibras bicomponentes patenteadas proporcionam uma forte adesão, como mostrado na Figura 9.
O Synteq é um elemento filtrante sem resina, que fornece restrições de fluxo menores do que os elementos de celulose padrão, como mostrado na Figura 10. Também proporciona uma vida útil mais longa do que os elementos filtrantes tradicionais de celulose colada com resina e, ao mesmo tempo, maximiza a capacidade de carga e retenção de sujeira.
Separador de ar e óleo: Última parada
Última etapa antes do ar sair do compressor, o separador de ar e óleo é muitas vezes a primeira consideração em um ecossistema de compressores otimizado. Embora o mau funcionamento dos filtros de ar ou de óleo possa não ser percebido imediatamente, quando o desempenho do separador de ar e óleo é comprometido, os efeitos são mais óbvios. O ar que sai do compressor pode conter excesso de névoa de óleo.
Como o separador de ar e óleo é projetado para separar a névoa de óleo remanescente da mistura de ar e óleo antes que o ar saia do compressor, seu desempenho é essencial para o ecossistema do compressor. Assim como os outros componentes do filtro, a eficácia do elemento filtrante é essencial para o desempenho adequado. Os separadores de ar e óleo embalados da Donaldson, como mostrado na Figura 11, são ideais para a maioria dos tipos de compressores e acompanham o elemento filtrante Synteq™ patenteado da Donaldson. Separadores de ar e óleo plissados também estão disponíveis na Donaldson, oferecendo flexibilidade adicional de projeto por meio do aumento da área de superfície, permitindo maior fluxo de ar.
Os separadores premium de ar e óleo da Donaldson usam o elemento filtrante patenteado Synteq XP™ para proporcionar uma vida útil mais longa do que elementos tradicionais, maximizando o desempenho. O elemento filtrante Synteq ajuda a atender aos requisitos de arraste de óleo, mantendo a menor queda de pressão possível, como mostrado na Figura 12. Esse elemento “sem resina” proporciona drenagem eficiente e fluxo de ar livre, resultando em menor restrição e, por extensão, economia de energia. Além de economizar energia, a entrega de baixo arraste de óleo mantém o lubrificante caro e de alta engenharia no compressor, onde pertence. Isso reduz o volume de óleo de reposição necessário e reduz ainda mais a quantidade de óleo a jusante no sistema de ar comprimido, sendo que o óleo pode levar a problemas de processo e reclamações do cliente.
Como os componentes do ecossistema trabalham juntos
Os impactos que os componentes de filtragem têm uns sobre os outros podem ser vistos observando-se o efeito que os filtros de ar têm sobre a vida útil do separador de ar e óleo. Como mostrado na Figura 13, os filtros de ar Ultra-Web produziram um aumento mais lento na restrição entre separadores de ar e óleo em comparação com os filtros de ar com elemento filtrante de celulose, mais do que duplicando a vida útil do separador de ar e óleo em um caso e aumentando em aproximadamente 65% em outro caso. Esses resultados são de dois compressores de 600 HP separados em uma fábrica têxtil da Carolina do Norte. A Donaldson realizou testes de referência com equipamentos recém-abastecidos usando os elementos de celulose do equipamento original (linhas vermelhas), e, em seguida, realizou o mesmo serviço nos compressores com óleo fresco e AOS, substituiu os elementos de ar por versões Ultra-Web e testou novamente. O resultado foi uma maior vida útil dos AOS nesses compressores (linhas azuis).
Em última análise, a queda de pressão rouba a eficiência dos compressores. A mesma quantidade de eletricidade produz menos ar comprimido quando as quedas de pressão são introduzidas. A regra básica é que uma queda de pressão de 1 psi rouba essencialmente 0,5% da potência de freio do compressor, como mostrado na Figura 14. Por exemplo, um aumento na queda de pressão de apenas 3 psi em um separador de ar e óleo de uma unidade de 200 HP pode aumentar os custos em até US$ 1.460 por ano, em alguns casos.
Separação de ar e óleo
Regra de ouro:
1 PSI ΔP = 0,5% HP
| US$/Ano = Custo por ano | US$ 97.329 |
| BHP = Potência de freio | 200 |
| US$/kwh = Custo de eletricidade por quilowatt hora | 0,07 |
| m.e. = Eficiência do motor | 0,94 |
| h/ano = Horas de operação do compressor | 8760 |
3 PSI de queda de pressão adicional no AOS – US$ 1.460/ano
Conclusão
Aplicando a abordagem do ecossistema aos compressores, fica claro que o sistema só é tão bom quanto seu “elo mais fraco”. Se houver comprometimentos em um componente de filtragem, podem afetar negativamente os outros componentes e, em última instância, todo o sistema. Como os óleos de compressor são óleos de alta engenharia e mais caros que os lubrificantes padrão, os proprietários de sistemas de compressores têm razões convincentes para minimizar as perdas e maximizar a eficiência. O aumento da eficiência permite economia de custos e menos problemas para os operadores/proprietários da planta. Com a tecnologia e o suporte de engenharia da Donaldson, os proprietários de compressores podem encontrar uma solução de produto baseada em ecossistema que combine adequadamente os componentes de filtragem para ajudá-los a otimizar a eficiência.
Regulamentações de eficiência de compressores
As melhorias na eficiência dos compressores estão se tornando mais cruciais para os proprietários de plantas devido às recentes mudanças nas regulamentações. Em dezembro de 2016, o Departamento de Energia dos EUA (DOE) divulgou as normas de eficiência energética para compressores de ar rotativos. O DOE estima que os compressores que atendem às novas normas economizarão 0,16 quatrilhão de BTUs por compressor vendido em 30 anos, ou cerca de 15,6 bilhões de quilowatts-hora, resultando em uma economia líquida de US$ 200 a US$ 400 milhões para os compressores adquiridos durante esse período. Essa redução no consumo de energia também evitará a emissão estimada de 8,2 milhões de toneladas métricas de CO2 no mesmo período.
A Associação de Normas Canadense também publicou um documento voltado para a melhoria da medição do desempenho de compressores (C837-16 “Monitoring and Energy Performance of Compressed Air Systems”). A norma especifica as informações a serem coletadas e como os parâmetros do sistema como potência, energia, fluxo, pressão e produção devem ser medidos ou calculados usando métodos de medição uniformes, validados e repetíveis. Ela fornece orientação para a definição de metodologias para o estabelecimento de indicadores de desempenho energético e referências de energia a serem utilizadas como parte de um sistema geral de gestão de energia. Para sistemas de ar comprimido, são fornecidos requisitos específicos que definem uma metodologia consistente para medir, estimar e relatar o desempenho energético.
A União Europeia publicou diretrizes de projeto ecológico, com requisitos pendentes. A diretriz afirma o seguinte: “As ações devem ser tomadas durante a fase de projeto de produtos relacionados à energia, já que parece que a poluição causada durante o ciclo de vida de um produto é determinada nessa fase, e a maioria dos custos envolvidos são então comprometidos... A mitigação dos gases de efeito estufa por meio do aumento da eficiência energética deve ser considerada uma meta ambiental prioritária até a adoção de um plano de trabalho.” – Política integrada de produtos: Desenvolvimento de uma reflexão ambiental centrada no ciclo de vida (Diário Oficial da União Europeia).
