Resolução de problemas de sistemas de ar comprimido

A maioria das instalações não prioriza o custo de operação dos sistemas de ar comprimido - elas apenas querem fazer o trabalho. Um estudo de mercado recente ¹ descobriram que apenas 17 por cento dos usuários de ar comprimido valorizavam a eficiência como uma meta de gerenciamento do sistema de ar comprimido. Nove por cento estavam preocupados em conter os custos de energia.

Setenta e um por cento desejavam simplesmente fornecer um suprimento de ar consistente e confiável.

Especialistas em ar comprimido notaram que muitos funcionários do chão de fábrica se comportam como se o ar comprimido fosse grátis, usando-o para soprar óleo excessivo de peças usinadas, serragem de dispositivos de madeira, poeira do chão, etc. Na realidade, fornecer ar comprimido requer equipamentos caros que consome grandes quantidades de eletricidade e requer manutenção substancial.

O custo inicial de um compressor de 100 cavalos de potência pode variar de $ 30.000 a $ 50.000 e pode consumir $ 50.000 em eletricidade anualmente. Ao mesmo tempo, os custos anuais de manutenção podem chegar a 10 por cento do custo inicial de um sistema. ² Ainda assim, a mesma fonte relata:“Muitas instalações não têm ideia de quanto custam seus sistemas de ar comprimido anualmente ou quanto dinheiro poderiam economizar melhorando o desempenho desses sistemas”.

Portanto, para muitas instalações, melhorar a eficiência do ar comprimido é uma oportunidade de ouro e esquecida, não apenas de economizar dinheiro em custos de energia, mas de obter um suprimento de ar comprimido ainda mais confiável.

Figura 1.

Primeiro, conheça seu sistema
Para melhorar a eficiência de um sistema de ar comprimido, é importante ver o seu sistema apenas como isso, um sistema. Quando você muda uma coisa no sistema, essa mudança afeta todo o resto. Por exemplo, consertar um vazamento aumentará a pressão no sistema, tornando outros vazamentos menores maiores. Assim, reparar vazamentos e eliminar outros casos do que se denomina demanda artificial (uso improdutivo do ar) não é uma solução completa por si só. A redução da demanda artificial deve ser combinada com estratégias para melhorar o uso de energia e melhorar seu sistema de controle. A primeira etapa é conhecer seu sistema, seus requisitos e como esses requisitos podem ser ajustados para economia de energia.

Determine seus custos operacionais
Os principais custos de operação de um sistema de ar comprimido são manutenção e energia. Os custos de manutenção podem ser determinados a partir do seu sistema de gerenciamento de ativos ou por auditoria dos pagamentos ao seu contratante de serviço do sistema de ar comprimido, se você usar um.

Opções para determinar os custos de eletricidade do seu sistema:

• Calcule a operação funcionando em plena carga, usando a classificação da placa de identificação do motor do compressor (em cavalos de potência de ruptura), a eficiência da placa de identificação do motor (ou uma estimativa), horas anuais de operação e custo de eletricidade por quilowatt-hora. O custo anual da eletricidade é o produto dessas quatro variáveis ​​ ³
• Determine com mais precisão o consumo de eletricidade em plena carga e, subsequentemente, os custos de energia usando um alicate amperímetro ou multímetro para medir a corrente e a tensão no compressor em plena carga
• Use um registrador de energia para determinar o uso real de energia em quilowatts e teste o fator de potência

Determine os requisitos de demanda
Estime seu perfil de carga de ar comprimido em termos de como a demanda em pés cúbicos por minuto muda ao longo do tempo. Instalações com requisitos de carga variados freqüentemente podem se beneficiar de estratégias de controle avançadas, enquanto instalações com períodos relativamente breves de alta demanda podem se beneficiar de opções de armazenamento de ar.

Para estabelecer um perfil de carga, meça o fluxo e a pressão em todo o sistema sob diferentes condições de demanda. Observe o efeito de várias cargas nos compressores. Variações significativas nos requisitos operacionais podem exigir um dia ou mais de monitoramento. Você pode usar um registrador de dados para reunir e armazenar perfis de demanda e perfis de consumo de energia. Isso mostrará quando e por que ocorrem as demandas máximas e mínimas.

Registre as pressões do sistema
Use medidores de pressão, um medidor de pressão / fluxo de ar ou um módulo de pressão conectado a um multímetro digital para fazer medições em vários pontos do sistema:

• Entradas do compressor (no filtro de entrada)
• Em sistemas lubrificados, o diferencial no separador de ar / lubrificante
• Os intermediários em compressores de vários estágios
• Diferenciais de pressão em vários componentes (por exemplo, pós-resfriadores, secadores, filtros, etc.)

Registrar o fluxo do sistema
Use um medidor de pressão / fluxo de ar portátil ou um medidor de fluxo de massa para medir o fluxo total em vários locais do sistema e durante diferentes turnos.

• Determine o consumo de ar durante as operações
• Estabeleça benchmarks para medir as melhorias em relação a
• Estimar a carga de vazamento durante a não produção

Registrar as temperaturas do sistema
Use a temperatura para avaliar a integridade do sistema. De modo geral, o equipamento que esquenta mais do que o esperado não está funcionando de maneira ideal e precisa de manutenção. Para máxima eficiência, use um termômetro infravermelho para registrar as temperaturas da superfície dos seguintes componentes:

• Temperaturas de saída do pós-resfriador - ação corretiva pode ser necessária se o ar de saída do pós-resfriador exceder a temperatura máxima de entrada de 100 graus Fahrenheit
• Temperatura de saída do ar de compressores rotativos lubrificados. As operações normais requerem temperaturas inferiores a 200 graus F
• Temperatura do ar de entrada nos compressores

Adote uma abordagem de sistema para melhorias
As três estratégias básicas para melhorar o desempenho dos sistemas industriais de ar comprimido são reduzir a demanda artificial, melhorar as estratégias de controle e melhorar o uso de energia. Lembre-se de que o progresso em uma área provavelmente afetará as outras duas, tornando este um processo contínuo.

Reduzir a demanda artificial significa consertar vazamentos e encontrar diferentes maneiras de realizar tarefas que desperdiçam ar comprimido. Observe as práticas do chão de fábrica e procure, por exemplo, o uso de ar do sistema para limpeza de peças e equipamentos. Em seguida, instrua o pessoal de que o ar comprimido não é de graça.

A primeira etapa no controle de vazamento é estimar a carga de vazamento. Algum vazamento (menos de 10 por cento da capacidade e energia) é esperado, mas o vazamento de 20 a 30 por cento é comum e desnecessariamente desperdiçador. Determine as cargas de vazamento como uma referência para comparar as melhorias.

Como os sistemas de controle variam, também variam os métodos para estimar a carga de vazamento. Se o seu for um sistema com controles de partida / parada, simplesmente dê partida no compressor quando não houver demanda no sistema (entre os turnos ou durante um off-shift se a sua operação não for 24 horas por dia, 7 dias por semana). Faça várias leituras para determinar o tempo médio para descarregar o sistema carregado devido a vazamentos.

Vazamento (%) =(T x 100) ÷ (T + t), onde

T =tempo de carregamento (minutos) e
t =tempo de descarregamento (minutos)

Em sistemas com estratégias de controle mais complexas, coloque um manômetro a jusante do receptor e estime o volume do sistema (V, em pés cúbicos), incluindo todos os receptores secundários, rede elétrica e tubulação. Novamente, sem demandas, exceto vazamentos no sistema, coloque o sistema em sua pressão operacional normal (P ₁ , em psig). Selecione uma segunda pressão (P ₂ , cerca de metade do valor de P ₁ ) e meça o tempo (T, em minutos) que leva para o sistema cair para P ₂ .

Vazamento (cfm ar livre) =[(V x (P1 - P2) ÷ (T x 14,7)] x 1,25

O multiplicador de 1,25 corrige o vazamento para a pressão normal do sistema, contribuindo assim para o vazamento reduzido com a diminuição da pressão do sistema.

Depois de ter esse benchmark, você pode encontrar e corrigir vazamentos usando um detector de vazamento ultrassônico que reconhece o assobio de alta frequência associado aos vazamentos de ar. Esse método de detecção é mais rápido e menos confuso do que a maneira antiga de aplicar água com sabão com um pincel em áreas suspeitas.

A área mais comum de vazamentos é no ponto de uso. Preste atenção especial aos acoplamentos, mangueiras, tubos, conexões, juntas roscadas de tubos, desconexões rápidas, FRLs (filtro, regulador, combinações de lubrificador), armadilhas de condensado, válvulas, flanges e embalagens.

A melhoria das estratégias de controle, incluindo a adição de componentes como expansores de demanda (controladores de pressão / fluxo), deve ocorrer em conjunto com o controle de vazamentos e outras demandas artificiais.

O objetivo é fornecer ar comprimido à planta com a pressão estável mais baixa, ao mesmo tempo que dá suporte à demanda inesperada com armazenamento adequado de ar de alta pressão. O reabastecimento do ar armazenado deve usar a potência mínima do compressor.

Monitore o uso do compressor e procure:

• Compressores funcionando sem necessidade;
• Compressores, exceto compressores de compensação, funcionando a menos do que a carga total;
• Operações que falham em manter uma pressão média relativamente baixa; e
• Operações que às vezes fornecem menos do que os requisitos mínimos do sistema.

Por meio de reparos de vazamentos e estratégias de controle aprimoradas, você pode eliminar um ou mais compressores grandes (em sistemas com múltiplos compressores), reduzindo significativamente o uso de energia. Você também pode adicionar de volta

um pequeno compressor para manter o sistema carregado durante baixa demanda e eliminar as ineficiências de grandes compressores operando a menos do que a carga total. Melhorar o uso de energia envolve melhorar a eficiência do equipamento tanto do lado da oferta quanto da demanda do sistema. A eficiência de todo o sistema depende da seleção adequada, instalação correta e manutenção rigorosa de cada componente.

Do lado da oferta, considere os seguintes componentes:

• Os motores principais dos seus compressores
• Controles do compressor
• Equipamento de tratamento de ar
• secadores
• Filtros
• Receptores
• Recipientes de armazenamento

Além disso, é fácil ignorar a forma como os tanques de ar lidam com o acúmulo de condensado. Alguns simplesmente deixam a água encher, reduzindo a capacidade e arriscando danos ao sistema. Outros têm um antigo sistema automatizado que abre uma válvula em uma base cronometrada, seja isso necessário ou não. Isso é basicamente um vazamento; uma solução melhor é uma válvula que abre apenas quando necessário e fecha assim que a água é retirada.

Finalmente, dimensione e organize todo o sistema de forma que a queda total de pressão do compressor até os pontos de uso seja significativamente menor que 10 por cento da pressão na descarga do compressor.

Do lado da demanda, preste atenção aos seguintes componentes:

• Separadores de condensado / lubrificante
• Separadores de ar / lubrificante
• Sistemas de recuperação de calor
• Sistemas de ponto de uso

Vincule o desempenho do sistema à produção
Em última análise, o aumento da produtividade é a medida final do sucesso. Usando as estratégias descritas aqui, correlacione periodicamente descobertas como produção do sistema (pés cúbicos por minuto em psig) e consumo de energia (quilowatt-hora) para unidades de produção. Em geral, espere melhorias que façam com que o uso de energia diminua, a menos que a produção aumente junto com aumentos correspondentes nas cargas de ar comprimido. Se a produção não aumentar com o aumento da pressão, ajuste os controles conforme necessário.

Para obter mais informações, visite o site da Fluke Corporation na Web em www.fluke.com.

Notas

¹ Consulte o “Apêndice D” de Melhoria do desempenho do sistema de ar comprimido:um livro de referência para a indústria online em http://www.compressedairchallenge.org/library/index.html#Sourcebook. Estudo encomendado pelo comissionado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) com suporte técnico do Compressed Air Challenge (CAC).

² Melhorando o desempenho do sistema de ar comprimido:um manual para a indústria:Seção 12, “Economia do sistema de ar comprimido e vendas de projetos para a administração”, p. 69

³ Consulte Ibid., Seção 10, “Baseando os sistemas de ar comprimido,” p. 61. e também a Seção 11, "Determinando as necessidades de análise do seu sistema de ar comprimido."

Quantificação dos custos de energia
Em uma instalação industrial típica dos Estados Unidos, a geração de ar comprimido consome cerca de 10% do total da conta de luz. Em alguns casos, é mais de 30 por cento, a um custo estimado de 18 a 30 centavos por 1.000 pés cúbicos de ar.

Enquanto isso, a eficiência de um sistema de ar comprimido pode ser tão baixa quanto 10 por cento. Por exemplo, operar um motor pneumático de um cavalo-vapor a 100 psig requer um fornecimento de 7 ou 8 cavalos-vapor para o compressor de ar.

Veja como calcular o custo em dólares do ar comprimido:

Custo = (bhp x 0,746 x horas de operação x $ / kWh x% tempo de execução x% bhp de carga total) , eficiência do motor,

Onde

bhp =potência do motor em plena carga, frequentemente superior à potência da placa de identificação do motor,

0,746 =o fator de conversão entre cavalos de força e quilowatts,

porcentagem de tempo de execução =porcentagem de tempo que o compressor funciona em seu nível operacional,

por cento de bhp com carga total =bhp como uma porcentagem do bhp de plena carga no nível operacional e

eficiência do motor =eficiência do motor no nível operacional

Suponha que uma fábrica tenha um compressor de 200 cavalos de potência que requeira 215 bhp e opere por 6.800 horas anuais. Se estiver totalmente carregado 85 por cento do tempo (eficiência do motor =0,95), descarregado o resto do tempo (25 por cento da carga total bhp e eficiência do motor =0,90) e a taxa elétrica agregada for $ 0,05 / kWh, então

Custo quando totalmente carregado =(215 bhp x 0,746 x 6800 horas x $ 0,05 / kWh x 0,85 x 1,0), 0,95 = $ 48.792 ,

Custo quando descarregado =215 bhp x 0,746 x 6800 horas x $ 0,05 / kWh x 0,15 x 0,25), 0,90 = $ 2.272 e

Custo anual de energia =$ 48.792 + $ 2.272 = $ 51.064 .

Fonte:US DOE Compressed Air Tip Sheet # 1, "Determine the Cost of Compressed Air for Your Plant", agosto de 2004.