A ação de redução de GEE selecionada visa melhorar a eficiência energética da tubulação principal do sistema de vapor de 19 bar da Indústria Química X. Considerou-se uma vida útil de 10 anos após a implantação da ação de redução de GEE, uma vez que a taxa de depreciação para instalações de distribuição em aço é de 10% por ano (BRASIL, 2017). A análise da viabilidade ambiental foi realizada por meio da estimativa do ganho energético proporcionado pela ação de redução, e sua consequente redução de GEE. A melhoria da eficiência energética na operação desta tubulação pode ser alcançada por meio da substituição de purgadores ineficientes e isolamentos degradados, por equipamentos novos. Logo, estimou-se o ganho energético desta ação por meio da estimativa das perdas energéticas devido à ineficiência dos purgadores de vapor e à degradação dos isolamentos térmicos. A tonelada de fluxo de vapor perdido foi considerada como unidade de referência da energia perdida estimada, a fim de viabilizar as análises ambiental e econômica, conforme descrito nas seções a seguir.
3.4.1 Estimativa da perda de energia no sistema de distribuição de vapor.
Em sistemas abertos com fluxo constante, como é o caso de sistemas de distribuição de vapor, é possível estimar a perda de energia a partir do princípio de conservação de energia (CEB, FUPAI / EFFICENTIA, 2005a). Segundo Çengel e Cimbala (2007), apesar da energia total de um sistema compressível simples consistir nas energias: interna (u), cinética (ec) e potencial
(ep), o fluido entrando e saindo de um volume de controle possui também a energia de
escoamento (P/ρ). Esta energia somada à energia interna resulta na entalpia do fluido. Çengel e Cimbala (2007) afirmam ainda que utilizando a entalpia em vez da energia interna, o trabalho do escoamento é automaticamente considerado. Considerando as perdas energéticas do vapor devido ao atrito na tubulação desprezíveis, e escoamento de regime permanente, a variação da energia total de um sistema de distribuição de vapor pode ser representada pela equação (13):
𝑄̇ = ∆𝐻̇ + ∆𝐸̇ + ∆𝐸𝑝 ̇ (13) 𝑐 Onde:
a) 𝑄̇: taxa de variação da energia total (J/h)
b) ∆𝐻̇ : taxa de variação de entalpia (J/h);
c) ∆𝐸̇ : taxa de variação de energia potencial (J/h); 𝑝 d) ∆𝐸̇ : taxa de variação de energia cinética (J/h); 𝑐
No trecho analisado do sistema de vapor, as variações de energia cinética e potencial podem ser consideradas insignificantes. A energia cinética não varia no trecho em questão, uma vez que o diâmetro da tubulação é constante. A variação da energia potencial pode ser considerada desprezível, pois a cota da tubulação varia apenas cerca de 2,5% em relação ao seu comprimento total. Logo, a variação de energia total do sistema equivale à variação de entalpia específica do vapor, conforme descrito na equação (14):
𝑄̇ = 𝑚̇ ∙ (ℎ𝑓− ℎ𝑖) (14)
Onde:
a) 𝑄̇: taxa de variação da energia total (J/h)
b) 𝑚̇: vazão mássica do vapor (kg/h);
c) ℎ𝑓: entalpia específica do vapor na condição final (J/kg);
d) ℎ𝑖: entalpia específica do vapor na condição inicial (J/kg).
Esta expressão resulta no valor da perda de calor total de um sistema de distribuição de vapor, que pode representar perdas energéticas pelo isolamento térmico, purgadores de vapor e vazamentos diversos (CEB, FUPAI / EFFICENTIA, 2005b). Segundo Setor de Manutenção
e Confiabilidade da Indústria Química X em reunião presencial (03/11/16), os vazamentos
de vapor na tubulação principal de 19 bar podem ser considerados desprezíveis. Portanto, neste caso, a equação (14) resulta na quantidade de energia perdida por meio do isolamento térmico e purgadores de vapor.
3.4.1.1 Estimativa da perda de energia por purgadores de vapor ineficientes
A fim de identificar e quantificar vazamentos de vapor, os fabricantes dos purgadores de vapor podem ser contatados, pois prestam serviços com instrumentos específicos para esse fim (CEB, FUPAI / EFFICENTIA, 2005a). Assim, a Indústria Química X contratou as empresas Spirax Sarco Industry and Commerce (Spirax Sarco) e Techsol Industry, Commerce and Services (Techsol) para avaliar as condições de operação de seus purgadores de vapor, em diferentes momentos (SPIRAX SARCO, 2006; TECHSOL, 2016). A Spirax Sarco (2006) usou o analisador de vibração ultrassônica UP-100 na inspeção de purgadores de vapor. Trata-se de um transmissor eletromecânico, que converte a vibração mecânica em um sinal elétrico audível de pequena intensidade que identifica a condição do purgador de vapor (SPIRAX SARCO, 2006). A avaliação da Techsol, por sua vez, apresentou dados atualizados sobre as condições de operação dos purgadores de vapor, embora não tenha quantificado os vazamentos de vapor (TECHSOL, 2016).
3.4.1.2 Estimativa de perda de energia devido à degradação do isolamento térmico
O isolamento térmico de uma tubulação de vapor é uma superfície cilíndrica que conduz calor, portanto, ele permite a perda de energia para o ambiente mesmo sendo novo. Dessa forma, estimou-se a perda de energia devido à degradação do isolamento térmico na tubulação principal de 19 bar do sistema de distribuição de vapor da IQX, por meio da diferença entre o fluxo de calor que ocorre pelo isolamento degradado, e a perda de energia esperada por um isolamento novo.
3.4.1.2.1 Estimativa de perda de energia pelo isolamento térmico degradado
A energia perdida pelo isolamento térmico degradado foi estimada pela diferença entre a perda de energia total no sistema, conforme disposto na seção 3.4.1 Estimativa da perda de energia no sistema de distribuição de vapor, e a energia perdida pelos purgadores de vapor. Todavia, faz-se necessário igualar as unidades a fim de calcular esta diferença, e neste estudo optou-se
por trabalhar com a energia em termos de fluxo de vapor. A fim de realizar a conversão de unidades, estimou-se a quantidade de energia necessária para a produção de 1kg/h de vapor, por meio da equação (14) e das condições iniciais e finais de pressão e temperatura de produção. As variações de energia cinética e potencial foram consideradas desprezíveis frente à variação da entalpia no processo de produção de vapor. A partir da quantidade total de calor perdida no sistema de distribuição (
𝑄
𝑡̇
), a energia necessária para a produção de 1kg/h de vapor (𝑄
𝑣̇
) pode ser comparada, resultando na vazão mássica de vapor (𝑚̇
𝑡) equivalente à energia total perdida, conforme a equação (15):𝑚̇ =
𝑡 𝑄𝑡̇𝑄𝑣̇
∙ 𝑚̇
𝑣(15)
Onde:
a)
𝑚̇
𝑡: vazão mássica de vapor (kg/h);b)
𝑄
𝑡̇
: taxa de variação da energia total devido a perdas no sistema (kJ/h)c)
𝑄
𝑣̇
: taxa de variação de energia necessária para a produção de 1kg/h de vapor (kJ/h) d)𝑚̇
𝑣: vazão mássica de vapor produzido de referência: 1 (kg/h).3.4.1.2.2 Estimativa de perda de energia pelo isolamento térmico novo
A equação que descreve a condução de calor em superfícies cilíndricas foi utilizada para estimar a taxa de emissão de calor pelo isolamento térmico novo. Contudo, algumas considerações foram feitas para fins de simplificação nos cálculos devido à ausência de dados (KRUCZEK, 2013): a resistência à condução da parede do tubo e a resistência convectiva entre o vapor e a parede interna do tubo foram consideradas insignificantes. Consequentemente, assumiu-se que a temperatura da superfície interna do isolamento térmico era a mesma que a temperatura do vapor, permitindo a estimativa da taxa de emissão de calor através da equação (16):
𝑄̇ =
2∙𝜋∙𝑘∙𝑙∙(𝑇𝑠−𝑇𝑒)𝑙𝑛 (𝑟𝑒⁄ )𝑟𝑖
(16)
Onde:
a)
𝑄̇
: taxa de transferência de calor pelo isolamento térmico novo (kJ/h); b)𝑘
: condutividade térmica do isolamento (kJ/m.h.°C);c)
𝑙
: comprimento da tubulação (m); d)𝑇
𝑠: temperatura do vapor (°C);e)
𝑇
𝑒: temperatura da superfície externa do isolamento (ºC); f)𝑟
𝑒: raio externo do isolamento (m);g)
𝑟
𝑖: raio interno do isolamento (m).Aplicando-se a equação (15), encontra-se a vazão mássica de vapor equivalente à energia emitida pelo isolamento térmico novo. A diferença entre as perdas energéticas pelo isolamento degradado e pelo isolamento novo resulta na energia perdida devido à degradação do isolamento térmico da tubulação de 19 bar do sistema de distribuição de vapor da Indústria
Química X.
3.4.2 Estimativa do impacto ambiental da ação de redução de GEE selecionada.
A ação de melhoria de eficiência energética teve como foco principal a redução de GEE, contudo, outros benefícios ambientais também foram levantados por meio de revisão bibliográfica. A fim de estimar a redução de GEE, utilizou-se dados da Indústria Química X de consumo de gás natural na produção do vapor.
3.5 ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA DA AÇÃO DE REDUÇÃO DE GEE