FAN-tástico: Cortando o custo de energia repentinamente

Por Tom Godbey, Especialista em aplicações do Donaldson Torit, e Dan Johnson, Engenheiro de aplicações do Donaldson Torit 

A indústria consome 27% da energia elétrica produzida no varejo nos EUA. Os ventiladores e bombas correspondem a 40% desses 27%, sendo os ventiladores a maioria dos 40% ^{(Ref 1, 2).} Ainda assim, quando foi a última vez que sua empresa realizou uma auditoria do ar para ver quanto ar você move por dia e a energia usada para mover esse ar? A maioria das fábricas movimenta mais peso de ar do que de produto produzido, e uma energia significativa é utilizada na movimentação desse ar. Como energia é dinheiro, se pudermos economizar a energia utilizada para mover ar, podemos economizar dinheiro e reduzir o custo do produto produzido.

O ar tem peso e, por isso, precisamos exercer bom senso de engenharia quando lidamos com sistemas de exaustão.  O ar padrão é definido como um gás que contém:

• 78,1% de nitrogênio;
• 21% de oxigênio;
• 0,9% de argônio; e
• nenhuma umidade, na altura do nível do mar, e a uma temperatura de 21 °C (70 °F).

Em condições padrão, o ar pesa 0,075 libras por pé cúbico.  Um sistema típico de exaustão de pó com um duto de entrada de 30 polegadas de diâmetro para ventilador trata cerca de 17.000 pés cúbicos de ar por minuto (pés³/min). Ou, expresso em termos de peso, o ventilador processa mais de 335.000 toneladas de ar por ano com base na operação 24 horas por dia. Muitas instalações têm vários sistemas como esse. 

Quanto gastamos em dinheiro para movimentar o ar em uma fábrica?  Energia é dinheiro, então implementar mudanças que economizam energia é como colocar dinheiro no banco.  Este documento se concentrará no custo para mover o ar através do sistema, que é, basicamente, o custo para operar o ventilador, ao invés do custo para aquecer, resfriar ou umidificar o ar no espaço de trabalho.

A potência necessária no eixo de um ventilador é comumente chamada de potência ao freio [Bhp] do ventilador. A Bhp pode ser calculada usando esta fórmula:^{(Ref. 3)} 

bhp = (Q x ∆P / 6356 x N_f) x df 

Onde           

bhp potência do eixo do ventilador
Q fluxo de ar em pés cúbicos por minuto (pés³/min)
∆P queda/elevação de pressão através do ventilador em polegadas de água (pol. H20)
6356 constante
N_f eficiência do ventilador expressa como valor decimal
df fator de densidade definido como a densidade real/densidade do ar padrão

Para os fins deste documento, o ar será assumido como estando em condições padrão, portanto o df = 1.

As eficiências típicas dos ventiladores são de 60 a 68% para ventiladores com lâminas radiais e 70 a 80% para projetos de ventiladores com inclinação para trás. O tipo de ventilador utilizado em um sistema de ventilação industrial deve ser determinado por seu uso e requisitos de desempenho. Os projetos de ventiladores com lâminas radiais são normalmente usados em fluxos de ar sujo. Já os projetos com inclinação para trás são usados em fluxos de ar relativamente limpo, como no lado limpo de um coletor de pó. Infelizmente, muitos ventiladores mais antigos possuem projeto de lâminas radiais ineficientes. Eles podem ostentar características robustas de desempenho, mas foram instalados com pouca ou nenhuma consideração pelo uso de energia, porque a energia era barata na época em que foram comprados.

Os custos de energia são baseados em kilowatts (kW) e não em Bhp. Portanto, o Bhp precisa ser convertido para kW.  Para converter Bhp para kW, basta multiplicar Bhp por 0,746.  Porém, para obter a energia total no motor, a energia deste eixo precisa ser dividida pela eficiência do motor, N_m.

A eficiência do motor depende do projeto do motor, mas normalmente é de cerca de 90% [0,9].  Muitas vezes, há perdas elétricas adicionais nas partidas e perdas de transmissão nas linhas entre o medidor elétrico e o motor. Estas perdas são pequenas e, para fins de análise da economia relativa, são insignificantes o suficiente para serem incluídas na eficiência do motor de 90%. Agora, multiplique o kW ajustado pelas horas de operação e o custo da eletricidade por kW hora.

Custo anual = (Q x ∆P x 0,746 x H x 52 x C) / (6356 x Nf x Nm)

Onde

52         semanas de operação por ano
H horas de operação por semana
C custo por kW hora

Sim, os 6356 e 0,746 podem ser combinados em uma única constante, mas então a sequência lógica é quebrada. Isso responde à pergunta: O que constitui o custo da energia do ar?

Que partes da fórmula de custo de energia podemos controlar?

De todos os itens desta fórmula, os únicos dois que podem ser influenciados pelos projetistas e operadores de sistemas de ventilação industrial são o fluxo de ar e a queda de pressão.

Como controlamos essas variáveis?

Se o objetivo é minimizar a energia, então o fluxo total de ar no sistema deve ser minimizado e o projeto deve reduzir a queda de pressão (ou resistência ao fluxo) o máximo possível pelo maior tempo possível.

Exemplos de como realizar esses controles e economizar energia

Boas práticas de projeto

Uma maneira de minimizar o volume de ar e reduzir as perdas de pressão em um sistema de filtragem é usar boas práticas de projeto desde o início.  O projeto é um assunto muito amplo e extenso para ser totalmente coberto neste documento, mas há muitos bons recursos para práticas de projeto como as Conferências de Ventilação Industrial (http///www.michiganivc.org) e outros. Essas conferências fornecem treinamento sobre como projetar sistemas de exaustão que funcionem com a menor quantidade possível de volume total de ar, com o mínimo de perda/resistência estática do sistema e com o máximo desempenho do ventilador.

Muitas fábricas têm instalações similares à ilustrada na Figura 1.

Sistemas centrais

Os sistemas convencionais de controle de pó consistem de coifas, dutos, um coletor de pó com tremonha, um dispositivo de eliminação de pó e um ventilador.

Leis de ventiladores ou Leis de sistema

Sempre há pressão sobre a instalação por mais toneladas de produção e, com o tempo, as velocidades das correias são aumentadas, as transmissões dos elevadores de canecas são atualizadas, etc. Logo o sistema de exaustão não é mais adequado porque os fluxos de ar nunca foram aumentados para acomodar o aumento da produção. Qual é a resposta? A resposta clássica é acelerar o ventilador, e isso melhorará o fluxo. Mas, você paga o preço, um preço significativo. As leis das ciências físicas regem o que acontece. Tais leis são chamadas de Leis de ventiladores ou Leis de sistema e são mostradas nestas equações: ^{(Ref. 3)}

pés³/min _(novo) = pés³/min _(antigo) x [rpm _(novo) / rpm _(antigo) ]

A mudança no fluxo é diretamente proporcional à mudança na velocidade.  Se for desejado um aumento de 20% no fluxo, a velocidade do ventilador deve ser aumentada em 20%.

SP _(novo) = SP _(antigo) x [rpm _(novo) / rpm _(antigo) ]²

Um aumento de 20% na velocidade do ventilador resulta em um aumento de 40% na Pressão estática (SP).  Isso se deve a que um aumento de 20% no fluxo de ar através de um sistema de dutos fixos resulta em um aumento de 40% na resistência do sistema.

HP _(novo) = HP _(antigo) x [rpm _(novo) / rpm _(antigo) ]³

A necessidade de potência, e portanto a necessidade de energia, é uma função cúbica da mudança na velocidade do ventilador de modo que 20% de aumento no fluxo (logo, na velocidade) aumenta a necessidade de energia em cerca de 73%, o que é muito dinheiro por apenas 20% a mais de fluxo.

Sem retirar e substituir todo o sistema por um custo elevado, o que um engenheiro de fábrica deve fazer? 

Considere tirar um ou mais pontos de coleta do sistema de duto central e equipá-los com coletores de pó individuais dedicados. O ar se redistribuirá através das coletas restantes, aumentando o fluxo através das coifas restantes. Este novo coletor dedicado será uma versão menor do coletor central independente com ventilador e dispositivo de descarga de pó menores. Se a aplicação permitir, o coletor dedicado pode ser pequeno o suficiente para se integrar à caixa da coifa, como mostrado nas Figuras 3 e 4, eliminando o duto e reduzindo ainda mais as perdas estáticas.

Estes pequenos coletores de pó dedicados ou integrais são tão confiáveis quanto os grandes filtros de mangas centrais e requerem muito menos energia. Na Figura 3, um coletor dedicado localizado próximo à fonte de pó exigiria apenas cerca de 20% mais energia em comparação com os 74% necessários para um coletor com maior velocidade do ventilador.  A versão integral de um coletor dedicado tem a vantagem adicional de não necessitar de nenhum duto, nenhum dispositivo de descarga de pó e até mesmo gerar custos menores de energia, uma vez que todas as perdas no duto são eliminadas.

Para maximizar o impacto, procure oportunidades de colocação de unidades dedicadas:

• Nos pontos de geração de pó mais afastados do coletor central de pó; ou
• Nos pontos de geração de pó onde o equipamento de exaustão nem sempre está em uso. Então, o coletor dedicado pode ser desligado quando o equipamento de produção sendo descarregado não está em uso nem produz pó. (Nada economiza energia como um botão de desligamento devidamente apertado).
  

Elementos filtrantes de desempenho

Lembre-se de que a economia de energia resulta da minimização do fluxo de ar e da redução da queda de pressão, satisfazendo ao mesmo tempo os requisitos da aplicação. Uma maneira de reduzir a queda de pressão é substituir os elementos filtrantes em coletores de pó tipo tecido e cartucho por elementos filtrantes de desempenho mais recentes. O elemento filtrante de desempenho se enquadra em quatro categorias gerais.

1. Elementos filtrantes com tratamentos de superfície;
2. Elementos de manga plissada;
3. Elementos de tecnologia avançada; e
4. Tecnologia inovadora de configuração de elementos filtrantes.

Elementos filtrantes com tratamentos de superfície

Os tratamentos de superfície podem melhorar o desempenho de muitas maneiras: aumento da eficiência, diminuição da queda de pressão do filtro, aumento da resistência à umidade e à química, melhor liberação da aglutinação de pó e redução da formação de pontes de ligação, para citar alguns.

Existem muitos tratamentos de superfície, sendo alguns mecânicos, enquanto outros são modificações químicas ou uma combinação de cada um deles. O objetivo principal dos tratamentos de superfície é reter e liberar a maioria das partículas sobre e da superfície do elemento filtrante.  Ao fazer isso, o filtro ficará mais limpo por mais tempo, o que resultará em menor queda de pressão. Estes tratamentos também podem ser usados para aumentar a resistência à umidade e à química e reduzir a formação de pontes de ligação.  Algumas das superfícies mais comuns dos elementos filtrantes incluem:

• Os filtro de mangas simples padrão têm acabamento de feltro liso com maciez natural atribuída às fibras abertas. Essas fibras ajudam na captura de partículas finas e impedem a aglutinação de pó. Um problema particular do pó como proteínas, amido e cal hidratada é que esses tipos de pó aglomeram-se facilmente e formam uma aglutinação dura na presença de alta umidade.
• Acabamento de feltro chamuscado é produzido pela fusão das fibras da superfície com uma chama de gás para reduzir a tendência das partículas de pó em aderir à superfície.  Um acabamento de feltro chamuscado geralmente proporciona melhor liberação da aglutinação de pó e, portanto, menor queda de pressão.
• Acabamento vitrificado, também conhecido como acabamento em casca de ovo, consiste em derreter e espalhar uma camada microscópica das fibras do elemento filtrante para formar uma superfície escorregadia para melhor liberação da aglutinação de pó. Isso melhora a liberação da aglutinação de pó e resulta em menor queda de pressão operacional para algumas pós muito aderentes.
• Os tratamentos com silicone ajudam o acúmulo inicial da aglutinação de pó e reduzem a absorção de umidade na fibra, permitindo melhor liberação do pó sensível à umidade e menor queda da pressão operacional.
• Acabamento oleofóbico, hidrofóbico e químico universal são todos termos que descrevem o feltro imerso em banho de fluorocarbono, espremido e depois termoendurecido no feltro.  O fluorocarbono reduz a absorção de umidade e ácidos nas fibras e proporciona uma superfície escorregadia para a liberação da aglutinação de pó. Pode aumentar a resistência das fibras à hidrólise por umidade e calor e aumenta a resistência à quebra ácida.
• O PTFE expandido, uma membrana, pode ser termoligado à superfície de feltros agulhados convencionais ou tecidos.  Esta membrana proporciona alta eficiência, liberação superior de aglutinação de pó e melhor fluxo de ar, tudo isso a um custo.

Outros tratamentos de superfície como a espuma acrílica estão disponíveis e foram desenvolvidos para atender às exigências exclusivas de indústrias e aplicações específicas.

Mangas plissadas: A necessidade de colocar cada vez mais elementos filtrantes em um filtro de mangas para proporcionar maior fluxo de ar, além do desejo de melhorar o desempenho da eficiência dos coletores de tubos redondos convencionais existentes, gerou a invenção do filtro de mangas plissadas. A colocação de filtros de mangas plissadas em um coletor de pó existente também pode reduzir a queda de pressão e, assim, resultar em economia de energia. O filtro de mangas plissadas pode ser oval ou redondo como uma manga convencional de 6 ou 6,25 polegadas de diâmetro, porém com o elemento filtrante plissado para proporcionar mais área total de superfície filtrante por pé linear do comprimento do filtro.

Os filtros de mangas plissadas frequentemente podem dobrar ou até triplicar a área total da superfície filtrante de um coletor de pó existente. Isso não significa que a capacidade de fluxo de ar do coletor possa ser triplicada. Mangas plissadas normalmente operam com velocidades de filtragem muito menores do que as mangas de tecido que substituem. O valor da redução da velocidade de filtragem dependerá das características do pó e do projeto do corpo do coletor.  A modernização dos coletores de filtro de mangas existentes com mangas plissadas oferece uma maneira potencialmente econômica de diminuir a queda de pressão no coletor, já que o aumento na área de filtragem é traduzido em redução da resistência ao fluxo de ar.  Os filtros de mangas plissadas estão disponíveis em uma ampla gama de elementos filtrantes.  Elementos filtrantes de spunbond com tratamento superficial de fibras finas de alta eficiência são comuns. A tecnologia de fibra fina mantém o pó na superfície do elemento filtrante plissado onde é facilmente pulsado durante o ciclo de limpeza do coletor. Os resultados são menores perdas de pressão e menores emissões do que os elementos de spunbond não revestidos convencionais. Atualmente, esse elemento filtrante está disponível tanto para mangas ovais ou redondas plissadas como para filtros cartucho convencionais.

Elemento filtrante de tecnologia avançada: incluem denier graduado, compostos, emaranhado hidraulicamente e elementos de fibra fina por eletrofiação. A maior parte desta tecnologia de elemento filtrante não existia há 10 anos e, no geral, foram introduzidas muito tempo depois que os coletores de pó existentes foram adquiridos e instalados, e que o elemento filtrante foi especificado. A atualização dos coletores com a instalação de elementos de maior desempenho em uma troca de filtro programada pode diminuir significativamente a queda de pressão operacional, além de aumentar a eficiência e a vida útil do filtro.

• Os elementos filtrantes graduados denier são construídos com uma camada de fibras de maior diâmetro no lado do ar limpo e uma camada de fibras mais finas no lado do ar sujo.  Isso melhora a filtragem da superfície ao mesmo tempo em que permite menor queda de pressão e melhor limpeza por pulso do que um feltro com todas as fibras finas.

• O elemento filtrante composto é construído com dois tipos diferentes de fibras para aproveitar as características inerentes a cada uma delas. Um dos compostos mais comuns é uma camada fina de fibras P84® na superfície de um feltro menos caro como o poliéster. O P84® tem excelente eficiência, liberação da aglutinação de pó e características de resistência ao calor mais elevadas (leia-se menor queda de pressão), mas é caro.  O poliéster é uma fibra barata, porém robusta. Um tecido todo feito de P84® poderia ter um custo proibitivo quando comprado apenas para reduzir a perda de pressão, mas combiná-lo com uma base de poliéster pode fornecer uma resposta econômica para alguns problemas difíceis de calor e de perda de pressão.

• O elemento filtrante de feltro emaranhado hidraulicamente é o processo para fazer feltro e utiliza jatos de água de alta pressão controlados por computador em vez de agulhas no processo de fabricação. Os processos típicos de fabricação de elementos filtrantes incorporam um processo de agulhamento que puxa, tece e emaranha as fibras para formar um feltro grosso. O inconveniente deste processo mecânico de agulhamento é a inconsistência do espaçamento e tamanho dos poros das fibras. Essa inconsistência afeta a eficiência da filtragem e a perda de pressão, permitindo que o pó migre através da estrutura de poros e permitindo que partículas de pó se tornem carga de profundidade (ou alojadas na profundidade do feltro) bloqueando o fluxo de ar e causando perda de pressão excessiva através dos filtros. O feltro emaranhado hidraulicamente é muito mais uniforme no tamanho dos poros, resultando em poros menores. Isso significa redução na carga de profundidade e diminuição na queda de pressão.

• Eletrofiação é o processo usado para produzir elementos de fibra fina, que é uma camada muito fina, contínua e resiliente, medindo 0,2-0,3 mícron de espessura. Elementos filtrantes de fibra fina formam uma trama permanente na superfície do elemento, prendendo pó na superfície do elemento filtrante, o que torna o elemento filtrante mais eficiente na filtragem de partículas submicrônicas, proporciona maior vida útil do filtro, aumenta a eficiência da limpeza por pulso e garante menor queda de pressão durante um período operacional prolongado.

O processo de eletrofiação cria um material filtrante com maior proporção de fibras finas e tamanho de poro menor e mais consistente. Esta consistência e uniformidade criam um elemento filtrante que carrega o pó da superfície com maior eficiência, o que permite limpeza por pulso mais eficiente e menor queda de pressão.  O tamanho menor dos poros também:

• Retarda a carga de profundidade para promover limpeza mais eficiente do filtro; e

• Reduz as perdas de pressão, o que permite maiores fluxos de ar, maior vida útil do filtro e menores emissões.

Tecnologia inovadora de configuração de elementos

A mais nova tecnologia de projeto de filtros combina as vantagens da tecnologia de fibra fina com a primeira configuração de elementos do gênero. Ela utiliza canais pregueados em comparação com os elementos filtrantes de cartucho pregueados convencionais ou filtros de mangas. Esse projeto aumenta muito a eficiência da limpeza do filtro e a melhor limpeza por pulso diminui a queda de pressão operacional, aumentando assim a economia de energia.

Como gerar economia com elementos filtrantes de alto desempenho

Apenas colocar elementos filtrantes de alto desempenho no coletor de pó não resultará imediatamente em economia de energia. Por que não? Como a menor queda de pressão fornecida pelo elemento filtrante resulta em pressão menor na entrada do ventilador, e a menos que você ajuste o desempenho do ventilador, este irá apenas mover mais ar e usar mais potência (não menos). Para gerar a potencial economia de energia no elemento filtrante de desempenho, a velocidade do ventilador deve ser reduzida de tal forma que o fluxo de ar seja mantido no fluxo do projeto original.

A Figura 7 mostra uma curva de desempenho do ventilador com a curva de pressão estática (SP) e a curva de potência do freio (bhp). Uma curva do sistema está imposta sobre estas curvas de desempenho, que representa a resistência de todos os componentes do sistema de coleta (coifas, dutos, coletores, etc.) menos o eventual aumento da queda de pressão através do elemento filtrante.

Se o fluxo de ar do projeto for Q1 com projeto ∆P1 e filtros de mangas de alto desempenho estiverem instalados, que operem com queda de pressão reduzida ∆P2, a pressão estática na entrada do ventilador é reduzida para SP1, resultando em aumento do fluxo Q2 e aumento da potência bhp2 na Figura 8. Uma mudança mecânica no sistema do ventilador é necessária para retornar ao fluxo de projeto Q1.

Uma maneira de reduzir o fluxo de ar para o valor Q2 original é simplesmente fechar uma válvula de controle para substituir a resistência estática, conforme ilustrado na Figura 9. Isso reduz o fluxo de ar para o nível original, mas também retorna a bhp ao nível original.   De fato, a válvula de controle está criando uma nova curva do sistema, como mostra a Figura 10. Isso não cumpre o objetivo de reduzir a energia.

Para gerar a potencial economia de energia, a necessidade de bhp deve ser reduzida, o que requer mudança na velocidade de rotação do ventilador. As duas formas de mudar a velocidade do ventilador são unidades de motores de velocidade variável e trocas simples de correias e roldanas. 

Se o sistema não tiver sido medido, uma curva do ventilador não estiver disponível, ou o fluxo do sistema for variável, a solução mais eficiente é provavelmente uma Unidade de Frequência Variável (VFD).  Uma VFD pode fornecer um número infinito de curvas SP de ventiladores e curvas bhp correspondentes, como mostrado na Figura 11.  Basta digitar a velocidade que gera o fluxo desejado para obter os benefícios das mudanças na potência do freio.

Recordação da terceira Lei dos ventiladores: Para um sistema fixo, a bhp diminui conforme o cubo da mudança de velocidade.

• Uma redução de 5% na velocidade resulta em economia de energia de 14%                  0,953 = 0,86
• Uma redução de 10% na velocidade resulta em 27% de economia de energia                0,903 = 0,73
• Uma redução de 12% na velocidade resulta em 32% de economia de energia                0,883 = 0,68

A desvantagem é que as VFDs são mais caras de adquirir do que uma simples troca de correias e roldanas. Para um sistema de 40hp, uma VFD independente pode custar entre US$ 5.000 e US$ 5.500 e exigir dois eletricistas durante meio dia para ser instalada, um valor que ainda pode alcançar retorno satisfatório em muitas situações. 

Para um sistema fixo sem requisitos de variação no fluxo de ar, basta uma simples troca de correias e roldanas no acionamento do ventilador. A mudança na velocidade retorna o fluxo para o valor original Q1 e reduz a necessidade de energia da bhp₁ para a bhp₂como mostrado na Figura 12. A mudança de velocidade fixa proporciona 100% de recuperação de energia e é barata. Para o sistema de exemplo com um motor de 40hp, o custo é de cerca de 300 dólares e exigirá dois trabalhadores de manutenção por cerca de meio dia para a instalação.

Histórico de casos

Uma grande instalação de tratamento de grãos e processamento de sementes oleaginosas no sul dos EUA possuía 35 coletores de filtro de mangas com filtros de tecido na instalação. Sob pressão para reduzir o custo de energia, e após muita pesquisa sobre elementos filtrantes de alto desempenho, foi tomada a decisão de equipar um coletor com elementos filtrantes emaranhados hidraulicamente. A intenção era que o novo elemento filtrante pudesse reduzir a perda de pressão através do coletor em 2 pol. H2O, e a economia de energia resultante com todos os 35 coletores equipados com esse elemento filtrante seria significativa.

A Figura 13 mostra os dados para a análise. O fluxo de ar foi fixado em 12.900 pés³/min.  A queda de pressão do feltro agulhado foi de 5 pol. H2O e as mangas de feltro emaranhado hidraulicamente se estabilizaram a 3 pol. H2O. O ventilador era de lâminas radiais com eficiência de 63%. Foi utilizada uma transmissão elétrica/eficiência do motor de 90%.  A instalação opera 24 horas por dia, 7 dias por semana, 51 semanas por ano. Seu custo elétrico era de US$ 0,09 por kW hora.

Além de estabilizarem a uma menor queda de pressão, os elementos filtrantes emaranhados hidraulicamente também tinham o dobro da vida útil. Quando o gerente da fábrica calculou tudo (economia de mão de obra com menos trocas de filtro, o custo adicional da troca do acionamento e o aumento do custo dos filtros de mangas) o tempo de retorno foi de 3,8 meses. 

Ao simplesmente adquirir e instalar os filtros de mangas emaranhados hidraulicamente e mudar as roldanas para uma velocidade menor, a instalação determinou que poderiam potencialmente economizar mais de US$ 77.000 por ano se todos os 35 coletores de pó fossem modernizados.

Resumo

O ar tem peso, e uma energia considerável é utilizada na movimentação do ar dentro dos sistemas de ventilação industrial. A fim de minimizar o custo da energia e assim reduzir o custo do produto, deve-se exercer o bom senso de engenharia ao projetar novos sistemas e sistemas alternativos devem ser considerados. Para sistemas existentes, considere produtos alternativos como mangas com melhor acabamento do filtro, elementos de desempenho avançado e/ou configuração inovadora de elementos filtrantes com o objetivo de reduzir a perda de pressão através do sistema. Todas essas possíveis soluções podem representar um custo inicial maior, mas quando a economia de energia é considerada, qualquer uma delas pode proporcionar economia geral no longo prazo.