Controle eficiente de coletores de pó de aspersão térmica

Projeto de sistema adequado

As grandes operações de aspersão térmica normalmente incluem um espaço fechado onde ocorre a aspersão propriamente dita. Os compostos da aspersão não utilizados são então ventilados a partir da câmara enquanto o ar fresco é aspirado para dentro dele. Dependendo do projeto da câmara e da forma do alvo sendo pulverizado, pode-se determinar um volume de ar ideal para o controle adequado das partículas indesejáveis. Por exemplo, uma câmara pode precisar de 10.000 pés cúbicos por minuto (cfm) para um controle de pó adequado. Mais seria um desperdício, e menos seria insuficiente.

Tomando isso como ponto de partida, pode ser projetado um sistema adequado de coleta de pó. Normalmente, incluirá um duto para transportar o pó, um filtro para remover o pó do ar e um ventilador para fornecer a energia necessária para gerar o fluxo de ar. O exaustor para um sistema de 10.000 cfm pode exigir de 30 a 40 cavalos de potência. O requisito do fluxo de ar geralmente é fixo e não deve mudar a menos que a câmara seja reprojetada. É comumente aceito que uma velocidade de 3500 a 4000 fpm é ideal para transportar pó em um duto redondo¹. A movimentação mais lenta do ar permitirá que as partículas do pó caiam para fora e assentem no fundo do duto, criando um risco de incêndio e potencialmente bloqueando o duto. A movimentação mais rápida do ar desperdiça a energia dos ventiladores e cria desgaste desnecessário nos dutos. Para nosso exemplo, mover 10.000 pés cúbicos por minuto a uma velocidade de 3500 a 4000 pés por minuto requer a seleção de um duto redondo de 22" de diâmetro. Essa seleção tem uma área transversal de 2,6398 pés quadrados, resultando em uma velocidade de 3788 pés por minuto.

Ventiladores e pressão estática

Os ventiladores de ventilação industrial criam um vácuo parcial que puxa o ar através do sistema. Esse vácuo parcial é chamado de pressão estática, e geralmente é medido em “polegadas de coluna de água”. Os projetistas dos sistemas utilizam vários modelos matemáticos para estimar a pressão estática necessária para atingir o fluxo de ar desejado. Os fatores de um sistema que afetam a pressão estática necessária incluem, entre outros:

• Tamanho e geometria da câmara de aspersão térmica
• número e o raio dos cotovelos (ou curvas) do duto
• comprimento total dos dutos do sistema
• diâmetro do duto utilizado e velocidade do ar
• seleção do coletor de pó
• itens pós-filtro (tais como filtro HEPA ou silenciador de exaustão)

Muitos desses fatores não mudam no decorrer da operação do sistema. Com exceção dos filtros de coletor de pó e dos filtros HEPA. À medida que o pó acumula nos filtros, a queda de pressão, ou resistência através dos filtros, aumenta. O sistema requer pressão estática adicional para superar o acúmulo de poeira na superfície dos filtros.

Os ventiladores são normalmente selecionados para garantir um fluxo de ar adequado durante toda a vida útil dos filtros, incluindo pressão estática suficiente para manter o fluxo de ar quando os filtros atingem o final de sua vida útil. Os filtros que se aproximam do fim de sua vida útil exibirão uma queda de pressão maior do que os filtros novos. Para prolongar a vida útil, os filtros de um coletor de pó de aspersão térmica são projetados para serem limpos na linha enquanto o sistema está em funcionamento. O acúmulo repetido de pó, seguido pelo ciclo de autolimpeza do coletor de pó, causa uma pequena flutuação na necessidade de pressão estática do sistema. Se isso não for resolvido, o sistema pode apresentar diminuições e aumentos no fluxo de ar com os problemas associados de deposição de poeira no duto ou dentro da câmara de aspersão térmica.

O excesso de fluxo de ar através da câmara de aspersão térmica pode afetar a qualidade do revestimento ao empurrar o material pulverizado para longe da peça-alvo. Para evitar esses problemas potenciais, o volume de ar precisa ser controlado. O dispositivo mais comum usado para controlar o ventilador é uma válvula de controle, que cria uma carga artificial no ventilador para “girá-lo” de volta para o fluxo de ar desejado. Para manter o fluxo de ar, a válvula de controle teria que ser aberta ou fechada conforme necessário para manter a velocidade desejada no duto². Isso raramente é feito com a precisão necessária para atingir constantemente o fluxo de ar prescrito que passa pelo sistema e, se fosse feito manualmente, exigiria a supervisão constante de uma pessoa qualificada. Isso seria caro e difícil, o que explica por que a maioria das operações de aspersão térmica optam por uma mentalidade de “configurar e esquecer” no que diz respeito ao controle do ventilador.

Acionamentos de frequência variável e sistemas de controle de fluxo de ar

Uma melhor maneira de controlar o ventilador e manter o fluxo de ar constante no sistema é com um acionamento de frequência variável (VFD). Um VFD opera o motor do ventilador a uma velocidade de rotação específica com base no ajuste da frequência em hertz. Enquanto a alimentação trifásica normal na América do Norte normalmente funciona na frequência de 60 HZ, um VFD permite que o operador selecione uma frequência específica, diminuindo ou acelerando a velocidade de rotação do ventilador. Em um sistema ideal, o sistema apenas funcionaria em velocidade máxima quando a carga de pressão estática dos filtros sujos exigisse. No restante do tempo, o ventilador estaria funcionando a uma velocidade mais lenta para gerar exatamente a quantidade de estática necessária. Esse método de operação oferece benefícios em economia de custos. Em comparação com os operadores que utilizam a abordagem “configurar e esquecer”, em que sempre operam seus sistemas de coleta de pó a velocidades mais rápidas do que o necessário (para garantir a ventilação completa da câmara de aspersão térmica), a abordagem do VFD utiliza um sistema inteligente que funciona exatamente com a velocidade de fluxo de ar necessária, economizando energia.

Existem modelos matemáticos que podem ajudar a demonstrar isso, utilizando algumas suposições simples e algumas variáveis do sistema. Geralmente, uma atualização para VFD e sistema de controle de fluxo de ar pode se pagar em menos de dois anos e, mais importante ainda, o sistema de coleta de pó estará funcionando na velocidade certa. Isto pode evitar o desgaste do sistema, especialmente dos filtros de carga superficial de última geração, necessários para a aspersão térmica. Qualquer decisão de atualizar para um sistema de VFD e controle de fluxo de ar deve incluir as seguintes economias como fatores:

• Custos do filtro
• Custos de mão-de-obra
• Custos de descarte
• Custos de estoque
• Custos de envio (para novos filtros e descarte de filtros antigos)
• Processo de qualidade
• Estabilidade operacional do sistema e manutenção adequada do fluxo de ar no sistema

Controle do VFD

Uma vez determinada a utilização de um VFD, o próximo passo é determinar o método de fornecimento de entrada contínua. O objetivo é manter um fluxo de ar desejado, independentemente das flutuações na pressão estática do sistema. Utilizando um dispositivo de medição do fluxo de ar instalado no sistema de dutos, o controlador pode ajustar a velocidade do ventilador para corrigir as mudanças. Esses instrumentos são mais adequados para ambientes com ar limpo e, portanto, geralmente são instalados no duto em um local posterior ao ar filtrado. Pode ser um duto na saída do ventilador com o comprimento necessário para fornecer uma indicação uniforme e confiável do fluxo total de ar que passa pelo sistema.

Um método alternativo é medir a pressão estática do sistema, ao invés do fluxo de ar real, em um ponto do sistema de dutos pouco antes de o ar entrar no coletor de pó. No fluxo de ar prescrito, a quantidade de estática necessária é uma função de fatores que devem permanecer inalterados enquanto o sistema não for alterado mecanicamente. Os filtros ficarão sujos e depois serão limpos por pulsagem, mas a pressão estática necessária na entrada do coletor de pó permanecerá a mesma se o sistema estiver funcionando com o fluxo de ar prescrito. Um controlador que mantém essa estática é a maneira mais simples de controlar efetivamente um VFD em um sistema de coleta de pó. À medida que os filtros aumentam a resistência, o fluxo de ar fornecido pelo ventilador cai. Essa redução no fluxo de ar produz uma menor exigência estática no duto em frente ao coletor, de modo que o controlador ordenará ao VFD que aumente a potência para manter a estática. Por outro lado, como os filtros são limpos por pulsagem, a resistência no sistema cai e o VFD diminuirá a potência para manter o mesmo nível de estática. O resultado é um fluxo de ar uniforme com os benefícios e economias que lhe estão associados.

Considerações

Há situações em que o uso de um sistema de VFD e de controle de fluxo de ar terá benefícios limitados. Quando um único coletor de pó (e um único ventilador) é usado para manutenção intermitente de apenas uma ou duas células de cada vez em um sistema de várias células de aspersão térmica, não há uma maneira simples de utilizar efetivamente a potência variável do ventilador. Essa é uma limitação do sistema de dutos: não a limitação do VFD.

Conclusão

A tecnologia de aspersão térmica está evoluindo, e novas abordagens geralmente criam maiores desafios para componentes associados, como sistemas de exaustão. Como alternativa, os avanços em subcomponentes podem ajudar a refinar as operações gerais de aspersão térmica e praticamente todo sistema de coleta de pó de aspersão térmica existente pode se beneficiar do uso de um acionamento de frequência variável. Está se tornando cada vez mais evidente que o controle preciso do fluxo de ar é importante, e a economia de energia também pode ser um benefício adicional.