Velocidade variável impulsiona crítica para as rodas térmicas de RainForest

Nos bastidores, muita engenharia mecânica é empregada na criação e manutenção de uma floresta tropical perto do Lago Erie, a apenas 40 milhas da fronteira canadense. É um feito realizado por Cleveland (Ohio) Metroparks, uma autoridade recreativa que fornece um “colar de esmeralda” de bosques, campos de golfe, trilhas para caminhadas e outras atrações que cercam esta cidade do meio-oeste - conhecida tanto por suas equipes esportivas quanto por sua classe mundial orquestra e Rock 'n Roll Hall of Fame. Sem a tecnologia HVAC de ponta, é duvidoso que esse habitat tropical único - localizado dentro do complexo do Zoológico Cleveland Metroparks - possa existir; e continua a se beneficiar de melhorias de equipamento, como motor avançado e design de acionamento.

Inaugurado pela primeira vez em 1992, o RainForest no Cleveland Metroparks Zoo é uma biosfera simulada em forma de cúpula que contém cerca de dois acres de plantas e vida selvagem, comparável àquela encontrada em florestas tropicais e selvas. Seu sistema de tratamento de ar, que inclui rodas térmicas de meia tonelada e motores e acionamentos ABB, conserva 18.000 libras de água por dia das instalações, transferindo a umidade para o ar fresco seco que entra a cada 2,5 horas.

O RainForest at Cleveland Metroparks Zoo contém dois hectares de plantas e vida selvagem semelhantes aos encontrados nas florestas tropicais ao redor do mundo. A cada ano, mais de um milhão de visitantes vêm a esta biosfera simulada de dois andares, em cúpula, para vivenciar como é caminhar pelas regiões tropicais da América Central, África ou Ásia - e ver cerca de 600 animais em um ambiente natural, incluindo pássaros, macacos, répteis e peixes coloridos que brincam em lagoas, pântanos e rios quentes.

Um ambiente frágil em um clima adverso
Apesar das grandes oscilações de temperatura e umidade nos Grandes Lagos, onde as tempestades de “Alberta Clipper” podem gerar temperaturas abaixo de zero no inverno e dias ensolarados de verão chegam a 90 graus Fahrenheit, os visitantes e habitantes de The RainForest desfrutam de uma temperatura quase constante. graus F e umidade de 76 por cento. Isso se deve a um sistema HVAC robusto que evoluiu ao longo dos anos para incorporar componentes que melhoraram a confiabilidade do sistema em 100 por cento.

O RainForest, um investimento de $ 30 milhões, não apenas envolve os visitantes em ambientes exóticos, mas também serve como um lembrete do que está sendo perdido - a menos que mais floresta tropical e áreas de floresta possam ser protegidas do superdesenvolvimento.

Aplicação da roda de calor crítica para o controle de temperatura e umidade constantes

Direct Air Systems Inc., com escritórios em Cleveland e Columbus, Ohio, trabalhando em conjunto com Zesco Inc., especialista em controle de movimento elétrico-mecânico e com sede em Cleveland, fornece serviço HVAC para The RainForest, bem como outros sites locais notáveis, incluindo o Hall da Fama do Rock 'n Roll.

O RainForest tem duas unidades de tratamento de ar que são 100 por cento do ar externo. Para fornecer e manter as condições ambientais ideais para a instalação, a Direct Air Systems instalou os sistemas de roda de energia SEMCO para as unidades, uma das quais tem 60.000 pés cúbicos por minuto, usados ​​principalmente para resfriamento; enquanto a outra unidade, avaliada em 40.000 cfm, está equipada com um pré-aquecedor e rack de umidificador. Ambas as unidades têm rodas térmicas dessecantes secas lado a lado, com 3 metros de diâmetro e 1.000 libras, que são necessárias para conservar 18.000 libras de água todos os dias, transferindo a umidade do ar de exaustão rançoso do RainForest e distribuindo-o para o exterior seco fluxo de ar uma vez a cada 2,5 horas.

São mostradas duas rodas térmicas, com 10 pés de diâmetro, que são os meios de mover a umidade e o calor da instalação RainForest e retornar o ar fresco. Eles são girados a uma taxa de sete a 18 vezes por minuto, usando o controle direto de torque do motor / inversor da ABB, que não requer uma caixa de engrenagens. A eliminação da caixa de engrenagens melhorou muito a confiabilidade do sistema de tratamento de ar.

O termo "dessecante" se refere ao material ligado à superfície das rodas de calor que coleta umidade, bem como odores, que são então exauridos do edifício pela parte superior das rodas.

As rodas giram de sete a 18 vezes por minuto, dependendo do nível de umidade. O ar fresco, conhecido como “ar de processo”, é aspirado na parte inferior dos manipuladores de ar e filtros através das rodas.

A temperatura e a umidade do ar fresco são moderadas pela lenta revolução das rodas e pelo fato de que a massa das rodas e a superfície dessecante transferem uma parte do calor e da umidade coletados do interior. Aquecedores, quando necessário, aquecem o ar antes que ele passe para o interior espaçoso do The RainForest, que tem mais de 60 zonas de temperatura, incluindo aquelas para escritórios, cafeteria e lojas de presentes.

Unidades de tratamento de ar embutidas nas instalações
Em vez de serem montados no telhado e expostos aos elementos, como é comumente feito com unidades de tratamento de ar, os que atendem ao RainForest são integrados à instalação para manter a eficiência da unidade que, de outra forma, seria perdida nos verões quentes e invernos frios de Cleveland.

Eficiência e simplicidade distinguem o sistema
O processo dessecante foi selecionado tanto pela eficiência quanto pela simplicidade. Concluiu-se que caldeiras, dutos z, tubos de calor ou outros métodos não se comparam à eficiência de 85 por cento que as rodas térmicas fornecem. Além disso, as rodas térmicas são extremamente simples de operar. A ideia era que quanto mais simples o equipamento mecânico fundamental, maior a confiabilidade e facilidade de manutenção. Isso provou ser o caso - até certo ponto. Embora a tecnologia devesse ter funcionado perfeitamente, surgiu um problema persistente.

Cada roda gira com uma correia personalizada de 31 pés de comprimento e, quando instalada pela primeira vez, foi equipada com um motor elétrico CA de 1 cavalo-vapor classificado para 1.750 rpm e uma caixa de engrenagens mecânica para fornecer uma redução de marcha de 5:1.

No momento da instalação, esta era uma configuração de equipamento bastante comum. No entanto, foi descoberto que as caixas de engrenagens mecânicas usadas para o RainForest estavam falhando em uma taxa alarmante. Uma vez por ano, uma das caixas de câmbio precisava ser substituída. Não havia um padrão perceptível apontando para um arranjo específico de roda e caixa de câmbio. Foi aleatório. O único elemento constante no problema era a falha rotineira de uma caixa de câmbio.

A dificuldade foi finalmente identificada. Tratava das revoluções por minuto. O ritmo era lento demais para que os sistemas de lubrificação por respingo das caixas de câmbio engatassem adequadamente. Como resultado, as peças não estavam sendo lubrificadas corretamente e se desgastavam prematuramente.

Caminho para uma solução
Uma vez que o uso de uma caixa de câmbio era a abordagem comum quando as rodas térmicas foram instaladas, o problema não foi inicialmente visto como uma seleção de equipamento, mas visto como um problema de aplicação. Cada instalação da roda térmica é feita sob medida e tem seu próprio conjunto de dinâmicas para enfrentar.

As soluções para o problema incluíam continuar a prática de simplesmente substituir as caixas de engrenagens quando elas falhavam; no entanto, logo ficou óbvio que isso era caro e um tanto imprevisível.

Também foi considerada a utilização de caixas de engrenagens que lubrificam de forma diferente, bem como a fabricação de caixas de engrenagens customizadas específicas para a aplicação do RainForest. Quanto mais se pensava em desenvolver maneiras de lidar com o problema de lubrificação, concluía-se que essas possibilidades estavam beirando a experimentação. O RainForest, com seus 600 animais habitantes, não era um bom candidato para assumir tais riscos, especialmente quando uma solução mais atualizada estava disponível.

Com drives, nenhuma caixa de engrenagens necessária
A Direct Air Systems pensou em suas experiências com outras aplicações HVAC e mencionou à equipe de manutenção do Cleveland Metroparks Zoo uma solução de inversor CA / motor CA que não exigia caixas de engrenagens. Isso estava se tornando um arranjo cada vez mais comum e tinha um bom histórico. Era também uma tecnologia de ponta, afastando-se dos problemas e complexidades que os mecanismos das peças móveis apresentavam.

“Quando vimos que não estávamos indo muito longe com a questão da lubrificação da caixa de engrenagens, recorremos ao equipamento que estava disponível para nós - agora”, explicou Steve Snyder, presidente da Direct Air Systems. “A abordagem de torque direto que recomendamos foi algo de baixo custo, fácil de manter e simples em sua operação. A lubrificação da engrenagem não seria um problema. Além disso, o torque direto é uma engenharia comprovada. O Cleveland Metroparks buscou licitações para o projeto, por se tratar de um órgão público, e nossa licitação foi selecionada ”.

O retrofit envolveu a solução de Controle Direto de Torque da ABB, que usa o torque do motor CA como o elemento de controle primário.

Os inversores compactos ABB ACS 800, parte da solução de controle direto de torque da ABB, requerem uma pegada muito menor do que os modelos de inversores anteriores. Isso é especialmente útil em áreas onde o espaço é limitado.

O motor AC original de 1 cavalo-vapor e o equipamento de caixa de engrenagens em cada um dos sistemas de roda de energia foram removidos e substituídos por uma combinação de motor de indução ABB de 5 cavalos / força AC de baixa tensão. Este arranjo permite que o motor seja conectado diretamente ao motor / carga sem a necessidade de uma caixa de engrenagens ou codificador de pulso. A solução da ABB permite o torque total do motor até a velocidade zero.

Por meio do uso de um algoritmo, os drives ABB, neste caso modelos ACS de velocidade variável, podem funcionar sem um codificador para fornecer feedback de velocidade. O algoritmo permite que o inversor calcule o estado de torque e fluxo do motor 40.000 vezes por segundo. A eliminação do codificador reduz ainda mais a manutenção e diminui o tempo de inatividade.

Embora cada sistema de roda de energia seja controlado por sistemas individuais da Johnson Controls, o status dos motores e acionamentos é monitorado pelo abrangente sistema de gerenciamento de edifícios da Johnson Controls da RainForest.

No caso de uma falha de controle, os drives ABB ACS são projetados para ir, automaticamente, a uma taxa de rpm predefinida, para garantir que a transferência de calor seja mantida. Os motores sobressalentes são inventariados no The RainForest e os drives são mantidos no escritório da Direct Air Systems, a poucos minutos das instalações.

Desde a instalação da combinação motor / inversores ABB há mais de quatro anos, não houve nenhuma interrupção no serviço. A Direct Air Systems está vendo um uso crescente do controle de torque direto.

“É definitivamente uma das abordagens que recomendamos”, explica Snyder. “Freqüentemente, há mais de uma maneira de resolver um problema. Com base nas circunstâncias neste caso, o método de controle de torque direto provou ser uma boa solução. Nós o aplicamos em outros projetos também. Tem três características que gostamos. É econômico, simples e confiável. ”

Um modelo para salvar as florestas tropicais do mundo
Por meio de contribuições de visitantes ao RainForest e dos esforços de outras organizações e governos, quantidades limitadas de áreas escassas de florestas tropicais e selvas agora estão protegidas do superdesenvolvimento. O apoio contínuo reservará ainda mais desta valiosa terra que não só serve como um refúgio de vida selvagem para plantas e animais nativos, mas também melhora o meio ambiente da Terra, retirando dióxido de carbono da atmosfera. Além disso, essas áreas protegidas estão provando ser fontes importantes para os remédios milagrosos de amanhã.

Mais de um milhão de pessoas por ano visitam o RainForest, desfrutando de um ambiente de umidade quase constante de 76 graus F / 76 por cento mantido pelo sistema de tratamento de ar. Além de fornecer entretenimento e educação sobre biologia, a outra missão da instalação é lembrar os visitantes da necessidade de proteger as florestas tropicais nativas, que se estima terem sido perdidas a uma taxa de 1,5 hectares por segundo para o desmatamento.

Apresentado no Animal Planet, o RainForest é uma das várias atrações do Cleveland Metroparks Zoo, que cobre 168 acres e apresenta a maior coleção de espécies de primatas da América do Norte entre seus 3.000 animais.

Sobre o autor:

ABB, Automation Products, Low-Voltage Drives, é o maior fabricante mundial de motores e drives elétricos. Nos EUA, um canal integrado de representantes de vendas, distribuidores e integradores de sistema permite que a ABB, New Berlin, Wis., Forneça uma linha completa de acionamentos elétricos, motores e sistemas de acionamento projetados para uma ampla gama de sistemas industriais e comerciais clientes. Os produtos fabricados incluem drives de velocidade variável AC e DC para motores elétricos de 1/8 a 135.000 cavalos de potência e soluções de sistema de drive para aplicações específicas para atender às diversas necessidades dos clientes. Para obter mais informações, visite www.abb.us/drives.com.