UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
CÍNTIA CARLA MELGAÇO DE OLIVEIRA
RESFRIAMENTO HÍBRIDO DE ÓLEO VEGETAL COM CARGA TÉRMICA VARIÁVEL
CAMPINAS - SP 2018
CÍNTIA CARLA MELGAÇO DE OLIVEIRA
RESFRIAMENTO HÍBRIDO DE ÓLEO VEGETAL COM CARGA TÉRMICA VARIÁVEL
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos/Departamento de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Engenharia de Alimentos.
Orientador: DR.VIVALDO SILVEIRA JUNIOR Coorientador: DR. JOSÉ LUIZ PEREIRA BRITTES
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA CÍNTIA CARLA MELGAÇO DE OLIVEIRA E ORIENTADA PELO PROF. DR. VIVALDO SILVEIRA JUNIOR
CAMPINAS - SP 2018
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7955-7570
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas
Biblioteca da Faculdade de Engenharia de Alimentos Claudia Aparecida Romano - CRB 8/5816
Oliveira, Cíntia Carla Melgaço de,
OL4r OliResfriamento híbrido de óleo vegetal com carga térmica variável / Cíntia Carla Melgaço de Oliveira. – Campinas, SP : [s.n.], 2018.
OliOrientador: Vivaldo Silveira Júnior. OliCoorientador: José Luiz Pereira Brittes.
OliTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos.
Oli1. Comportamento transiente. 2. Linearidade. 3. Resfriamento. 4.
Estratégias. 5. Gestão da energia. I. Silveira Júnior, Vivaldo. II. Brittes, José Luiz Pereira. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de
Engenharia de Alimentos. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Vegetal oil hybrid cooling with variable thermal load Palavras-chave em inglês: Transient behavior Linearity Cooling Strategies Energy management
Área de concentração: Engenharia de Alimentos Titulação: Doutora em Engenharia de Alimentos Banca examinadora:
Vivaldo Silveira Júnior [Orientador] Jaime Vilela de Resende
Rodrigo Aparecido Jordan Kamal Abdel Radi Ismail Mauro Donizeti Berni
Data de defesa: 19-03-2018
Programa de Pós-Graduação: Engenharia de Alimentos
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Vivaldo Silveira Junior
Orientador DEA/FEA/UNICAMP
Prof. Dr. Jaime Vilela de Resende
Membro titular
Universidade Federal de Lavras
Prof. Dr. Rodrigo Aparecido Jordan
Membro titular
Universidade Federal de Grande Dourados
Prof. Dr. Kamal Abdel Radi Ismail
Membro titular FEM/UNICAMP
Prof. Dr. Mauro Donizeti Berni
Membro titular NIPE/UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
“Aprender é a única coisa de que a mente nunca se cansa, nunca tem medo e nunca se arrepende”
(Leonardo da Vinci)
Dedico este trabalho aos meus pais, Carlos e Tânia, aos meus irmãos, Renato e Josiane, aos meus sobrinhos, João Pedro, Davi e Mateus, ao meu namorado, Davi, a todos os meus familiares e amigos pelas suas orações, amor e incentivo.
AGRADECIMENTOS
Eu gostaria de agradecer a minha família, aos meus pais, Carlos e Tânia, aos meus irmãos, Renato e Josiane, e aos meus sobrinhos, João Pedro, Davi e Mateus, pelo apoio, companheirismo, incentivo, orações, educação, caráter, confiança, diversão e valores. Aos professores Vivaldo Silveira Junior e José Luiz Pereira Brittes pelas orientações, atenção, paciência e confiança pelo meu trabalho.
Ao meu namorado, Davi, pelo companheirismo, afeto, paciência, momentos de descontração e pelas inúmeras traduções realizadas.
Aos grandes amigos, em especial a Fernanda, aos familiares e a todos que colaboraram direta ou indiretamente com a execução deste trabalho, pelas suas orações, conselhos e o constante estímulo transmitido nessa caminhada.
Aos funcionários, professores e alunos do Departamento de Engenharia de Alimentos e do Laboratório de Automação e Controle de Processos de Alimentos (LACPA) pelo acolhimento, paciência e constantes ensinamentos. Em especial, ao grande amigo Izaías, sem ele seria impossível a realização experimental da tese e até mesmo a finalização, pois a sua paciência e incentivo foi fundamental nesta jornada.
Aos apoios financeiros do CNPQ pela concessão da bolsa de estudos e da CPFL pela montagem experimental. A Universidade Estadual de Campinas pela oportunidade para realização do doutorado e a Autflex Automação, em especial ao Fábio e Gustavo, pelo excelente trabalho executado.
Aos membros da banca examinadora pelas contribuições para melhoria do meu trabalho, por meio de sugestões, correções, e críticas construtivas.
E por fim, gostaria de lembrar e agradecer a Deus que tornou tudo isso possível e real, guiando e abençoando meus passos. Com certeza, nada aconteceu por acaso ou por sorte, mas sim, por vontade Dele.
RESUMO
A indústria está buscando a implantação de sistemas de gestão da energia visando reduzir custos e aumentar lucros, além e talvez o mais importante, reduzir o impacto ambiental. A utilização de sistema de refrigeração/resfriamento é uma das operações unitárias de maior consumo energético, sendo portanto, um ponto crítico a ser analisado na implementação de uma eficiente gestão energética. Este trabalho traz o estudo dos comportamentos dinâmicos, as linearidades dos processos e os comportamentos térmicos e elétricos de um sistema de resfriamento híbrido de óleo vegetal. Este sistema foi composto por um conjunto de trocadores de calor com tubos aletados água/ar ambiente forçado, um sistema de resfriamento adiabático de ar por nebulização instalado no conjunto e um sistema de refrigeração de água interligado a um trocador de calor a placas água resfriada/água gelada. A água aquecida, retornada do resfriamento do óleo vegetal, ocorrida em um trocador de calor a placas óleo/água resfriada, teve sua temperatura reduzida inicialmente pelo conjunto de trocadores de calor com tubos aletados. O resfriamento desta água pôde ser potencializado com acionamentos do sistema de nebulização e com o sistema de refrigeração, chiller, por meio do trocador de calor a placas água resfriada/água gelada. Estes tipos de acionamentos foram administrados, conforme demanda térmica instantânea do óleo vegetal, sendo que, após todas as etapas de resfriamento da água, esta foi redirecionada para resfriamento do óleo em ciclo fechado. O objetivo deste estudo foi relacionar as condições operacionais do sistema de resfriamento híbrido com a potência de energia elétrica utilizada nos motores de cada equipamento, referente à demanda térmica variável de aquecimento do óleo para realizar a gestão do resfriamento com uso da energia elétrica dos sistemas. A unidade experimental foi constituída de dois setores: 1) setor de aquecimento modulado e resfriamento do óleo vegetal e 2) setor de resfriamento hibrido da água. Neste estudo, foram avaliadas as influências das variáveis independentes operacionais: vazão de ar, vazão de água resfriada, vazão de água gelada e potência da fonte de aquecimento. A escolha da estratégia de resfriamento para gestão da energia elétrica dependeu da temperatura máxima da água limitada à 90 °C, para evitar que a mesma ebulisse a pressão ambiente. Nos trocadores de calor estudados, sob cada perturbação degrau realizada, a função linear de segunda ordem apresentou bom ajuste e os processos apresentaram comportamentos com pequena não linearidade. Devido a esta não linearidade, as curvas de reação dos processos foram ajustadas por uma função de segunda ordem não-linear,
tendo seus parâmetros ajustados em função das variáveis manipuladas com bons ajustes. Após o estudo dos comportamentos das variáveis de processo foi possível verificar a menor potência elétrica utilizada para a demanda variável de aquecimento. Pôde-se sugerir as condições de operação e/ou os set-points variáveis das malhas de controle do sistema de resfriamento híbrido de óleo vegetal, e os respectivos indicadores de desempenho na gestão da energia. Concluiu-se que as condições de operação do sistema de resfriamento híbrido devem ser variáveis quando comparadas com condições fixas, para uma demanda térmica variável.
Palavras–chaves: Comportamento transiente, linearidade, resfriamento híbrido,
ABSTRACT
Industry is constantly seeking the implementation of energy management systems aiming costs reduction, profits increase and, mostly, reduction of the environmental impact. The use of cooling systems is one of the units operation with higher energy consumption, being therefore, a critical point to be analyzed in the implementation of an efficient energy management. This work presents a study of thermal dynamic behaviors, processes linearity and energy electrical related usage of a hybrid vegetable oil cooling system. This system consisted of a set of finned-tubes heat exchangers using water/forced ambient air, an adiabatic nebulization air cooling system and a water cooling system interconnected to a finned-tube heat exchanger using cooled water/ice water. The returned heated water from the vegetable oil cooling, took place in an oil/water plate heat exchanger, once it was initially cooled by set of finned-tubes heat exchangers. This water might potentiate its cooling with a nebulization and a chiller cooling systems, driving through the plate heat exchanger using cooled water/cold water. These types of drives were linked to the instantaneous thermal demand of vegetable oil, and after all the steps of the water cooling, it was directed to the oil cooling. Therefore, the objective of this study was to relate the operational conditions of the hybrid cooling system with the electric power used in each equipment engines, referring to the variable thermal demand of oil heating to perform an efficient electric energy management for the system. The experimental unit consisted of two sectors: 1) modulated heating and cooling of vegetable oil and 2) water cooling sector. In this study, the influence of the independent operating variables was evaluated: air flow rate, cooled water flow rate, ice water flow rate and heating source power. The choice of the cooling strategy for the efficient electric power management depended on the maximum water temperature limited to 90 ° C to avoid its boiling at ambient pressure. In the studied heat exchangers, in each step perturbation performed, a second order linear function presented a good fit and the processes presented behaviors with little non-linearity. Due to that, the processes reaction curves were adjusted by a non-linear second order function and their parameters were adjusted according to the manipulated variables, for which fitted the system response very well. After the behavior of the process variables evaluation, it was possible to verify the lowest electric power used for the variable heating demand. It was possible to suggest the operating conditions and / or the variable set points of the control meshes of the vegetable oil cooling system, and the performance indicators of the energy management. It was concluded that the operating conditions of the hybrid
cooling system must be variable when compared to fixed conditions, when it is present a variable thermal demand.
SUMÁRIO RESUMO ... 7 ABSTRACT ... 9 SUMÁRIO ... 11 1. INTRODUÇÃO ... 15 2. OBJETIVOS ... 17 2.1.OBJETIVO GERAL ... 17 2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 18
3.1.SISTEMAS HÍBRIDOS DE RESFRIAMENTO ... 18
3.1.1. Sistema de resfriamento por trocador de calor com tubos aletados e ar forçado ... 19
3.1.2. Sistema de refrigeração por compressão de vapor (Chiller) ... 20
3.1.3. Sistema de resfriamento evaporativo... 21
3.2.IDENTIFICAÇÃO DO PROCESSO DE RESFRIAMENTO EM TROCADORES DE CALOR ... 25
3.3.ESTRATÉGIA DE OPERAÇÃO COM VARIAÇÃO DO SET-POINT ... 26
3.4.GESTÃO DA ENERGIA ... 28
3.5.PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS OU DE ENSAIOS ... 32
4. MATERIAL E MÉTODOS ... 34
4.1.DESCRIÇÃO DOS SETORES ... 34
4.1.1. Montagem da unidade experimental ... 35
4.1.2. Instrumentação da unidade experimental ... 38
4.1.2.1. Transmissor de temperatura ... 39
4.1.2.2. Medidor de vazão eletromagnético ... 39
4.1.2.3. Inversor de frequência e transmissor de potência elétrica ... 39
4.1.2.4. Chave de fluxo ... 39
4.1.2.5. Transmissor de umidade relativa e temperatura... 39
4.1.2.6. Regulador, IHM e Supervisório ... 40
4.1.3. Controle da unidade experimental ... 41
4.1.3.1 Malhas fechadas de controle... 42
4.2.DESCRIÇÃO DOS MÓDULOS DE RESFRIAMENTO... 42
4.2.1. Automação ... 44
4.3.PLANEJAMENTO DAS ETAPAS ... 45
4.3.1. Etapa 01: Estudo da identificação do comportamento dinâmico e a caracterização quanto à ordem dos processos ... 45
4.3.1.1. Identificação do comportamento dinâmico dos processos ... 46
4.3.1.2. Caracterização quanto à ordem dos processos ... 47
4.3.2. Etapa 02: Estudo da linearidade do comportamento dinâmico dos processos ... 47
4.3.3. Etapa 03: Comportamento das variáveis de processo ... 48
4.3.3.1. Cenário de simulação ... 49
4.3.3.2. Validação do cenário de simulação ... 52
4.3.3.3. Limites de operação ... 53
4.3.3.4. Planejamento dos ensaios ... 54
4.3.4. Etapa 04: Estudo das estratégias de resfriamento ... 61
4.3.4.1. Avaliação do desempenho energético da unidade ... 64
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 66
5.1.CONDIÇÕES OPERACIONAIS ... 66
5.1.1. Faixas de vazões nominais utilizadas ... 66
5.1.2. Potência elétrica utilizada pelos equipamentos ... 67
5.2. COMPORTAMENTO DINÂMICO E CARACTERIZAÇÃO QUANTO À ORDEM DOS PROCESSOS DE RESFRIAMENTOS ... 67
5.3.LINEARIDADE DOS PROCESSOS DE RESFRIAMENTOS... 72
5.4.VALIDAÇÃO DO CENÁRIO DE SIMULAÇÃO ... 73
5.5.COMPORTAMENTO DAS VARIÁVEIS DE PROCESSO PARA DETERMINADAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS ... 78
5.5.1. Acionamento do módulo do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados ... 78
5.5.2. Acionamentos dos módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e o sistema de nebulização... 82
5.5.2.1. Sistema de nebulização ... 83
5.5.2.2. Acionamentos dos referidos módulos ... 84
5.5.3. Acionamentos dos módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e trocador de calor E-205 com o chiller ... 86
5.5.4. Acionamentos dos módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados, o sistema de nebulização e trocador de calor E-205 com o chiller ... 92
5.6.ESTRATÉGIAS DE RESFRIAMENTO PARA DETERMINADAS DEMANDAS TÉRMICAS E AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO ENERGÉTICO ... 95
5.6.2. Módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e o sistema
de nebulização ... 103
5.6.3. Módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e trocador de calor E-205 com o chiller ... 109
5.6.4. Módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados, o sistema de nebulização e trocador de calor E-205 com o chiller ... 122
5.6.5. Estratégias de intensidades e tipos de acionamentos de resfriamento na faixa de demanda térmica passiva de operação no Setor 02 ... 129
6. CONCLUSÕES ... 134
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 137
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 138
9. APÊNDICES ... 144
A–UNIDADE EXPERIMENTAL... 144
B – INSTRUMENTAÇÃO DA UNIDADE EXPERIMENTAL DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO DO ÓLEO VEGETAL E DE RESFRIAMENTO HÍBRIDO DA ÁGUA ... 147
C–VALIDAÇÃO DO CENÁRIO DE SIMULAÇÃO ... 149
D–COMPORTAMENTO DA POTÊNCIA ELÉTRICA DOS MOTORES DOS EQUIPAMENTOS MODULADOS DO SETOR 02 ... 154
E – COMPORTAMENTO DINÂMICO E CARACTERIZAÇÃO QUANTO À ORDEM DOS PROCESSOS DE RESFRIAMENTOS ... 156
F–LINEARIDADE DOS PROCESSOS DE RESFRIAMENTO ... 164
G–ERROS RELATIVOS, ANÁLISE DE VARIÂNCIA, DIAGRAMA DE PARETO E VALORES ENSAIADOS VERSUS VALORES PREDITOS PARA CADA TIPO DE ACIONAMENTO DE RESFRIAMENTO... 168
G.1 – Acionamento do módulo do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados (MCTCTA) ... 168
G.2 – Acionamentos dos módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e o sistema de nebulização (MCTCTA+MSN) ... 174
G.3 – Acionamentos dos módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e trocador de calor E-205 com o chiller (MCTCTA+MTC205C) ... 181
G.4 – Acionamentos dos módulos do conjunto de trocadores de calor com tubos aletados, o sistema de nebulização e trocador de calor E-205 com o chiller (MCTCTA+MSN +MTC205C) ... 192
10. ANEXOS... 204
A.1–TROCADOR DE CALOR ÓLEO VEGETAL/ÁGUA RESFRIADA (E-101)... 204
A.2–TROCADOR DE CALOR ÓLEO VEGETAL/VAPOR (E-102) ... 205
A.4–TROCADOR DE CALOR ÁGUA RESFRIADA/ÁGUA GELADA (E-205) ... 207
A.5–CHILLER ... 208
A.6–BOMBA CENTRÍFUGA HIDRÁULICA DE ÓLEO (P-101 E 102) ... 209
A.7–BOMBA CENTRÍFUGA HIDRÁULICA DE ÁGUA RESFRIADA E GELADA (P-201 E 202) ... 210
A.8–BOMBA DE DESLOCAMENTO POSITIVO DE ÁGUA DE NEBULIZAÇÃO (P-203) ... 211
1. INTRODUÇÃO
O preço de um produto repassado aos consumidores é função do custo de todos os gastos para sua produção, tais como: mão de obra, equipamentos, matérias primas, embalagens, energias, etc. Para o necessário incremento da competitividade, hoje, uma alternativa crescentemente adotada pelas organizações, independentemente de seu tipo e tamanho, é buscar redução no consumo de energia no processo de produção. Com isso, pode-se obter uma redução no preço para os consumidores de produtos em geral, o que é crucial para produtos intensivos em energia. Além de trazer benefícios econômico-financeiros para a própria empresa e para a sociedade, a redução do consumo de energia no processo de produção traz, principalmente, benefícios ambientais.
No Brasil, o uso de energia elétrica é expressivo, o que se leva à busca pelo uso mais racional da energia com aumento no desempenho energético dos processos produtivos. Para tal, foi estabelecida uma norma, a ABNT NBR ISO 50001 – Sistema de gestão da energia, em junho de 2011 (ABNT, 2011). Esta norma visa buscar meios para melhorar o desempenho energético, visa reduzir as emissões de gases de efeito estufa e outros impactos ambientais associados e visa reduzir o custo de energia por meio de uma gestão sistemática da energia.
Toda indústria necessita de alguma base energética para o funcionamento de seus vários processos unitários, que a consomem para gerar trabalho. Na indústria de alimentos, uma das operações que possui elevado consumo de energia é a refrigeração/resfriamento. Este consumo é dependente do tipo de equipamento utilizado, da aplicação, dos fatores externos, do patamar de temperatura de trabalho e principalmente, da forma como é operado. Por exemplo, em frigoríficos de abate de aves, o consumo de energia elétrica do sistema de refrigeração é 80 a 90 % do consumo de energia da planta. Valor este expressivo e que pode diminuir pela aplicação de técnicas de eficiência energética, associadas ao resfriamento híbrido. O resfriamento híbrido consiste em dois ou mais sistemas ou máquinas de resfriamento associados em prol da melhoria do processo de resfriamento. Sendo também definido como a atenuação das desvantagens dos sistemas de resfriamento individuais por meio da combinação com outro(s) sistema(s) de resfriamento.
Uma ferramenta de trabalho pouco empregada e que tem influência no consumo de energia é a utilização de controle automático nos processos com set-points condicionados aos objetivos de eficiência energética. Esta alternativa pode trazer
benefícios econômicos de tal forma que os equipamentos operem só quando solicitados e na intensidade devida, de acordo com as estratégias de acionamentos e intensidades de operação. Com esta ferramenta as operações unitárias ocorrem de forma mais direcionada e a energia consumida será gasta com o objetivo específico de se manter constante a variável de processo no set-point desejado. Mas para atingir o set-point alterado, o controle deve ser eficiente. É necessário a escolha de uma ação de controle adequada para tal operação, cujos parâmetros de sintonia sejam sensíveis para gerar uma resposta rápida e com pequenas oscilações.
A ação de controle convencional é bastante utilizada nas indústrias e empregada para sistemas lineares. Em processos lineares, uma alteração da variável manipulada responde proporcionalmente a uma variação da variável de processo. Para os controladores convencionais em malha fechada há diferentes tipos de ações de controle, como: on-off; proporcional (P); proporcional-integral (PI); proporcional-derivativo (PD) e proporcional-integral-derivativo (PID), que são empregados de acordo com a resposta de cada processo. Normalmente, estes são implementados mesmo em processos que não respondam de forma linear aos distúrbios impostos ao sistema. Dependendo do grau de não linearidade, o desempenho e estabilidade do controle são afetados, demandando um consumo energético provavelmente maior para alcançar o mesmo objetivo. Uma alternativa para processos não lineares é o uso da ação de controle não convencionais, tais como: PID adaptativa, cujas constantes de sintonia passam a ser definidas como uma função de uma variável de processo; lógica fuzzy ou redes neurais.
A importância deste trabalho está na busca de estratégias de resfriamento para uma adequada utilização da potência elétrica de uma unidade de resfriamento híbrido de óleo vegetal, contendo dois sistemas de resfriamento e um sistema de refrigeração de água utilizada como fluido térmico. Este trabalho, portanto, propõe investigar se as estratégias de tipo (possibilidades de acionamento dos sistemas) e intensidade (condições operacionais ou set-points dos sistemas) de resfriamento do óleo vegetal para demanda térmica variável de aquecimento, afetam na utilização da potência elétrica total do setor de resfriamento híbrido de água.
2. OBJETIVOS
2.1.OBJETIVO GERAL
Investigar os efeitos das diferentes estratégias de resfriamento de óleo vegetal para demanda térmica variável de aquecimento, baseadas nas condições operacionais móveis e na temperatura limite da água, na utilização da potência elétrica total da unidade de resfriamento híbrido de água como fluido térmico.
2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Montar e instrumentar os dois setores experimentais: unidade de resfriamento e aquecimento de óleo vegetal e unidade de resfriamento híbrido de água;
Acompanhar o desenvolvimento do sistema de supervisão e controle de ambos os setores experimentais;
Identificar as funções de transferência experimentais de cada trocador de calor, referentes às variáveis manipuladas;
Avaliar a não linearidade do resfriamento do óleo e do fluido térmico secundário nos trocadores de calor em diferentes malhas da unidade de resfriamento, experimentalmente;
Construir um modelo, através do método da efetividade-NUT, de ambos os setores, unidade de resfriamento e aquecimento de óleo e unidade de resfriamento de água, e validar com os ensaios experimentais;
Realizar os planejamentos dos ensaios para os diferentes tipos de acionamentos, de acordo com as respectivas variáveis manipuladas envolvidas;
Aplicar as estratégias de gestão da energia baseada nas condições operacionais variáveis e na temperatura limite da água na unidade de resfriamento híbrido;
Avaliar os indicadores de desempenho energético de acordo com o consumo de energia e os efeitos fenomenológicos (transferência de calor e de quantidade de movimento).
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.1.SISTEMAS HÍBRIDOS DE RESFRIAMENTO
De acordo com Incropera et al. (2008), trocadores de calor são equipamentos responsáveis por promover a transferência de calor entre fluidos com temperaturas diferentes e que se encontram separados por uma parede sólida de resistência térmica baixa, ou seja, por contato indireto. No mercado há vários modelos que se diferenciam de acordo com seu arranjo de escoamento, forma construtiva, mecanismos de transferência de calor, grau de compactação, limites de operação, entre outras características.
Dentre essas diversas configurações de trocadores de calor, estes estão sempre vinculados a outros equipamentos para realização da troca térmica de uma aplicação e o adequado gerenciamento do sistema é imprescindível no apropriado consumo de energia. Quando dois ou mais processos ou máquinas de resfriamento estão associados em prol da melhoria do sistema de resfriamento individual, o sistema pode ser dito como sistema híbrido de resfriamento.
Kojok et al. (2016) afirmam que o sistema híbrido de resfriamento provou ser uma tecnologia de economia de energia para condicionamento de ar na maioria dos casos. Um sistema de resfriamento híbrido adequadamente selecionado oferece uma grande redução no consumo da energia e melhora no coeficiente de desempenho, variando de acordo com demanda térmica, com o clima e com o projeto do sistema. Os autores trazem as vantagens e desvantagens dos sistemas de resfriamento individuais e como atenuar as desvantagens em combinação com outro(s) sistema(s) de resfriamento. Um esquema para a seleção do melhor sistema de resfriamento híbrido do ponto de vista energético e ambiental, de acordo com cada zona climática, foi sugerido pelos autores. Os mesmos relatam que os sistemas de resfriamento híbrido são classificados em cinco categorias principais, de acordo com a combinação dos processos ou máquinas de resfriamento, tais como: resfriamento a base de sistemas de refrigeração por compressão de vapor, por absorção, por adsorção ou por dessecante-evaporativo e por multi-evaporador.
Dentre essas categorias serão abordadas aquelas que estão no escopo do trabalho. O presente trabalho foi constituído de três sistemas de resfriamento, determinados de acordo com a potência térmica, área disponível para instalação e utilidades acessíveis. De acordo com a classificação de Kojok et al. (2016), estes sistemas podem ser classificados em: resfriamento por sistema de refrigeração por compressão de vapor, resfriamento evaporativo e não
classificado, mas aqui intitulado, resfriamento por trocadores de calor com tubos aletados e ar forçado. A seguir estão descritos brevemente as vantagens e desvantagens de cada tipo de sistema utilizado para a troca térmica neste trabalho e possíveis melhorias.
3.1.1.SISTEMA DE RESFRIAMENTO POR TROCADOR DE CALOR COM TUBOS ALETADOS E AR FORÇADO
O trocador de calor com tubos aletados é normalmente utilizado para operar em altas pressões ou para aumentar a superfície de troca térmica. A instalação de ventiladores permite uma maior troca térmica entre o fluido quente a ser resfriado e o ar, devido a convecção forçada do ar, que resulta no aumento do número de Reynolds e do coeficiente convectivo externo de transferência térmica. A sua densidade de área de transferência de calor chega até a 330 m²/m³, inferior aos trocadores de calor a placas, demonstrando não ser um trocador de calor compacto. A construção deste sistema de resfriamento é relativamente simples, além do próprio trocador de calor (Figura 3.1) também requer uma bomba para deslocamento do fluido a ser resfriado e tubulações.
Figura 3.1. Esquema de um trocador de calor com tubos aletados com escoamentos não misturados.
Este sistema opera para resfriamento de fluidos com temperaturas elevadas, acima da temperatura do ar ambiente, e possui baixo consumo de energia elétrica quando comparado ao sistema de refrigeração por compressão de vapor. Porém, a limitação encontrada na utilização deste sistema de resfriamento se dá pelas condições ambientais do ar, sendo mais eficiente quando operado em temperaturas baixas. Isto resulta em uma maior força motriz, ou seja, maior gradiente de temperatura entre o fluido a ser resfriado e o ar ambiente.
Uma alternativa relativamente simples para reduzir a desvantagem de uma temperatura ambiente elevada, quando há a disponibilidade de recursos hídricos, é o
resfriamento adiabático evaporativo do ar ambiente com água nebulizada. Esta combinação do sistema de resfriamento, constituído pelo trocador de calor com tubos aletados e ar forçado e o sistema de resfriamento evaporativo, resulta em um sistema de resfriamento híbrido com redução na desvantagem encontrada.
3.1.2.SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR (CHILLER)
O sistema de refrigeração por compressão de vapor é bastante usado devido ao seu satisfatório COP (Coeficiente de Performance). Este sistema opera em um grande intervalo de temperatura e com grande variedade de tipos de fluidos refrigerantes (DALKILIÇ; WONGWISES, 2011). Quando este sistema possui o evaporador para resfriamento de líquidos é comumente denominado de chiller. Os chillers são produtores de água gelada, ou seja, a carga térmica absorvida no evaporador do sistema de refrigeração advém da água, que se resfria e retorna para a aplicação. O sistema de refrigeração por compressão de vapor é composto basicamente por: evaporador (para água ou para ar), condensador (a água ou a ar), compressor e um dispositivo de expansão (Figura 3.2).
Figura 3.2. Esquema de um sistema de refrigeração por compressão de vapor com evaporador para água
(chiller) e condensador a ar.
.
As desvantagens encontradas neste tipo de sistema são a grande dependência e alto consumo de energia elétrica. Segundo Kojok et al. (2016), tais desvantagens tornam-se o uso desse sistema indesejável, especialmente em países com insuficiência de geração de eletricidade.
Um dos fatores que influencia no desempenho do sistema de refrigeração, originando um aumento no consumo de energia é a elevação da temperatura de condensação.
Segundo Cengel e Boles apud Kojok et al. (2016), o desempenho de um sistema de refrigeração diminui cerca de 2 a 4 %, quando a temperatura do condensador aumenta 1 °C.
Outra desvantagem encontrada para o uso deste tipo de sistema é sua onerosidade em demandas térmicas elevadas. Para operar em condições favoráveis, ou seja, dentro do limite da temperatura da água a ser resfriada no evaporador, é necessário um espaço maior para ser instalado, devido suas grandes dimensões, e uma bomba hidráulica para deslocamento da água cada vez mais potente. A elevada temperatura da água, restringe a utilização do sistema de refrigeração diretamente, devido ao aumento da temperatura de evaporação e ao maior gasto de energia elétrica.
Diversos estudos estão sendo realizados em busca da redução no consumo de energia deste tipo de sistema de refrigeração. Desde aplicações de novas tecnologias na operação do sistema até a inserção de outros tipos de sistema de resfriamento para amenizar suas desvantagens. Um dos tipos de hibridação realizada com o resfriamento a base de compressão de vapor é a combinação ao sistema de resfriamento evaporativo na condensação. Com o resfriamento adiabático do ar pela água, leva-se a redução no consumo de energia do sistema, devido ao abaixamento da temperatura de condensação, permitindo que o compressor opere menos ciclos.
Para trabalhar com sistemas de refrigeração sobre elevadas condições térmicas, faz-se necessário a utilização de sistema de resfriamento anterior ao mesmo. Com esta infaz-serção, ocorre o abaixamento prévio da temperatura do fluido térmico da aplicação, dando condições para chillers operarem de forma adequada.
3.1.3.SISTEMA DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO
O resfriamento evaporativo advém do resfriamento adiabático do ar pela água. O ar cede calor sensível para a água evaporar, tendo assim a sua temperatura reduzida, até no mínimo a temperatura de bulbo úmido, e sua umidade aumentada. Neste processo ocorre transferência de calor do ar para a água e transferência de massa da água para o ar, ocorrendo simultaneamente em processo isoentalpico.
Os equipamentos de resfriamento adiabático podem ser de resfriamento evaporativo direto (RED), de resfriamento evaporativo indireto (REI) e de resfriamento evaporativo semi-indireto. O RED resfria o ar por contato direto, tendo sua umidade relativa aumentada. Já o REI, o ar relativamente seco (ar primário) é resfriado e mantido separado, por meio de um trocador de calor, do ar frio e úmido (ar secundário) obtido pelo RED ou do líquido que também foi resfriado evaporativamente, por exemplo, por torre de resfriamento. Há vários estudos sobre
ambos tipos de equipamentos e até mesmo a combinação entre eles, tais como: Cerci (2003); Heidarinejad et al. (2009); Heidarinejad, Khalajzadeh e Delfani (2010); Duan et al. (2012); Khalajzadeh, Farmahini-Farahani e Heidarinejad (2012), e Sarntichartsak e Thepa (2013).
O sistema de resfriamento evaporativo direto do ar pode ocorrer por duas configurações, sejam elas: por bicos pulverizadores (Figura 3.3 - A) ou por recheio molhado de arrefecimento (Figura 3.3 - B).
Figura 3.3. Configurações do sistema de resfriamento evaporativo direto: (A) por bicos pulverizadores
e (B) por recheio molhado de arrefecimento.
(A)
O sistema por bicos pulverizadores ou nebulização é utilizado para resfriamento do ar pela aspersão de gotículas de água. Este necessita de uma bomba de alta pressão para provocar o fluxo de nevoeiro, resultando em grande área de troca térmica e massa, porém com um gasto de energia maior. Com sistema por recheio molhado, o resfriamento do ar se dá pelo contato do mesmo com a camada de água que se desloca pelo recheio. Ao contrário do sistema por nebulização, o sistema por recheio molhado oferece uma manutenção maior e devido a sua construção origina uma perda de carga extra para o ventilador. Intuitivamente, a potência de resfriamento do ar pelo sistema de recheio molhado parece menor do que por nebulização, devido a menor área de troca térmica e massa. Em ambos os tipos de configurações é importante a desmineralização da água. Tanto para não entupir os bicos pulverizadores ou ser arrastado pelos ventiladores até o trocador de calor, no sistema por nebulização, quanto para não diminuir a molhabilidade do recheio e aumentar a concentração de minerais, no sistema de recheio molhado.
Ambos sistemas são constituídos basicamente por bomba hidráulica, tubulações e bicos pulverizadores ou recheio de arrefecimento, que são materiais mais baratos e possuem pequeno volume/peso para instalação quando comparado a outros sistemas de resfriamento. Outra vantagem deste sistema é não ser agressivo ao meio ambiente, pelo fato de não utilizar gases nocivos que se enquadram nos fatores ambientais [GWP (Índice relativo ao aquecimento global e ODP (Índice relativo à destruição da camada de ozônio)]. Mert e Riffat (2016) mostram em seu trabalho, que traz as tecnologias de resfriamento evaporativo aplicada em edifícios, que além do grande potencial de economia de energia, esta tecnologia é promissora na redução das emissões de carbono.
O sistema de resfriamento evaporativo tem uma excelente eficiência e requer pouca energia elétrica para sua operação, podendo trazer grandes benefícios térmicos e elétricos ao ser instalado em trocadores de calor a ar que operam em temperaturas elevadas. Kojok et al. (2016) compilaram vários trabalhos sobre as vantagens da hibridação do resfriamento a base de compressão de vapor combinada ao sistema de resfriamento evaporativo (Tabela 3.1).
Este sistema também possui limitações, tais como a umidade relativa e a temperatura do ar. Quanto menor a umidade relativa e maior a temperatura de bulbo seco do ar, melhor é o desempenho do sistema de nebulização. Portanto, este sistema é normalmente usado em locais de clima quente e seco.
Tabela 3.1. Estudos sobre a hibridação do resfriamento a base de sistema de refrigeração por
compressão de vapor combinada ao sistema de resfriamento evaporativo [Fonte: KOJOK et al. (2016)]. Autores Tipo de trabalho (*) Tipo de EC (**)
Clima Comparação com o VCC convencional (***) Delfani et al. (2010) E IEC Quente e árido ES > 55 % Hao et al. (2013) S DEC Quente e seco Quente e úmido
-ES relativo ao Var,e, erecheio e
condições climáticas -ES em clima quente e seco é maior do que ES em clima quente e úmido
- (Var,e ↑) → (ES ↓) -ES ∈ (2,4 a 14 %) Hajidavalloo (2007) E IEC Muito quente -PS = 16 % -COP ↑ (55 %) Hajidavalloo e Eghtedari (2010) E SIEC Quente -(Ta ↑) → maior (COP ↑) -PS > 20 % -(COP ↑) (> 50 %) -(ɳSIEC ↑) → (Melhoria no COP ↑)
Vrachopoulos et al. (2007) S COP ↑,Wcp↓,Vcd↓,ɳcp↑, ES > 58 %, Custo da instalação ↓ (10 %) e a duração de vida ↑ Nasr e Salah Hassan (2009) E e S SIEC -Tcd,vcc ↓ (20 °C)
- > calor rejeitado pelo condensador Thu e Sato (2013) E SIEC Quente e úmido -(Ta < 31 °C) → (ES > 30 %) -Tcod ↓ ∈ (5-10 °C) Hu e Huang (2005) E SIEC
-COP ↑ (de 2,96 para 3,45) e somente um acréscimo de 98W é necessário
-Período de retorno = 10 meses Hwang, Radermacher e Kopko (2001) E DEC - (Qc ↑) ∈ (1,8-8,1 %) - (COP ↑) ∈ (11,1-21,6 %) -(Wcp ↓) devido (Tcd ↓) Youbi-Idrissi et al. (2007) S COP ↑ (55 %) e Qc ↑ (13 %) Tissot et al. (2013) E e S DEC Quente e seco RH ≈ 20 % e Ta =308 K: COP ↑ (28,9 %), Qc ↑ (7,2 %) e ES=16,7 % Yang et al. (2012) E DEC Clima subtropical -Tcd ↓ (7,2 K) -COP ↑ (18,6 %)
*(E) Experimental e (S) Simulação. **(EC) Resfriamento evaporativo, (IEC) Resfriamento evaporativo indireto, (DEC) Resfriamento evaporativo direto e (SIEC) Resfriamento evaporativo semi-indireto. ***(VCC) Sistema de refrigeração por compressão de vapor, (ES) Economia de energia, (Var,e) Volume do ar de entrada, (erecheio)
Eficiência do recheio, (PS) Economia de potência [%], (COP) Coeficiente de performance, (Ta) Temperatura
ambiente [°C ou K], (ɳSIEC) Eficiência do resfriamento evaporativo semi-indireto [% ou - ], (Wcp) Potência do
compressor [W ou kW], (Vcd) Volume do condensador [m³ ou L], (ɳcp) Eficiência do compressor [% ou - ], (Tcd,vcc)
Temperatura do condensador no sistema de refrigeração por compressão de vapor [°C ou K], (Qc) Capacidade de
Além dos sistemas de resfriamento, descritos anteriormente, neste trabalho foi utilizado trocadores de calor a placas (Figura 3.4), cuja função era a troca térmica do fluido da aplicação e dos fluidos dos sistemas de resfriamento.
Figura 3.4. Esquema de um trocador a placas.
Este tipo de trocador de calor é construído com placas lisas ou com alguma forma de ondulações. Os arranjos de correntes podem ser feitos de forma concorrente ou contracorrente e com único ou multipasses. Quando comparado ao trocador de calor tubular, o trocador a placas não pode suportar pressões ou diferenças de temperaturas tão altas e pode ocupar uma área de instalação bem menor que outros trocadores.
Pelas vantagens encontradas na utilização deste tipo de trocador de calor, principalmente pela conveniência da área de instalação ser pequena quando comparada a outros tipos de trocadores e pela efetiva transferência de calor, a indústria de alimentos tem feito um vasto uso, inclusive para fluidos como o óleo e a água. Neagu et al. (2015) mostra em seu trabalho o setor de degomagem de uma planta industrial de refino de óleo de girassol. Nela está contido diversos trocadores de calor a placas, empregando água e vapor como utilidades para tratamentos do óleo.
3.2.IDENTIFICAÇÃO DO PROCESSO DE RESFRIAMENTO EM TROCADORES DE CALOR
O comportamento da variável de processo em regime transiente é importante para caracterizar o processo como para auxiliar na configuração dos controladores. Este comportamento em função do tempo, após uma perturbação degrau de uma variável manipulada, é caracterizado como “curva de reação do processo”, da qual, parâmetros gráficos são retirados para configurações de controles convencionais, sistemas lineares, pela
metodologia de Ziegler-Nichols, Cohen e Coon ou Astrõn e Hagglund, por exemplo, conforme descrita por Ogata (2003).
Para sistemas que respondam de forma linear, o comportamento de um processo em regime transiente pode ser representado por uma função de transferência. Essa função é definida como sendo a relação da transformada de Laplace da saída (função resposta y(s)) e a transformada de Laplace de entrada (função perturbação (u(s)), considerando-se nulas todas as condições iniciais.
Segundo Stephanopoulos (1984), o comportamento dinâmico do processo após perturbação imposta ao sistema pode ser classificado como função de transferência de primeira ordem, segunda ordem ou sistemas complexos de ordem superior (processos multicapacitivos, processos com tempo morto e processos com resposta inversa).
Em trocadores de calor, há uma tendência do comportamento da temperatura ser uma curva do tipo “S”, onde se adequam tanto funções de primeira ordem com tempo morto como funções de segunda ordem com o valor ξ, coeficiente de amortecimento do sistema, igual a 1. Esta última função foi considerada no trabalho de Berto e Silveira Jr. (2013) ao se obter a curva de reação do processo em trocadores a placas no sistema de pasteurização a alta temperatura e curto intervalo de tempo (HTST) e no trabalho de Gratão (2002), ao estudar as curvas de reação no processo de resfriamento de fluido newtoniano em trocador de tubo duplo.
3.3.ESTRATÉGIA DE OPERAÇÃO COM VARIAÇÃO DO SET-POINT
Nas grandes indústrias de processo, em geral, os trocadores de calor estão associados a controladores para manter a homogeneidade e qualidade do produto, como também para aumentar a eficiência do processo. Controlar um processo significa atuar sobre ele, de modo a manter as variáveis estáveis e em regime permanente, mesmo que interferências externas tendem desviá-lo desta condição. Para isso, há a necessidade de se ter um controlador que gere o sinal de controle para a variável manipulada e que esta atue sobre o processo no sentido de diminuir o erro e tentar levá-lo a zero. Erro é a diferença entre a magnitude da variável de processo no momento da operação em relação a magnitude dela desejada (set point) (Figura 3.5).
A maioria dos processos industriais utilizam controladores para manter a variável de processo em um único set-point desejado, em que os distúrbios ocorridos afetam a operação na variação do regime. Por outro lado, em sistemas térmicos, a operação ocorre em grande parte fora das condições nominais do processo e a fixação do set-point pode acarretar em consumo
de energia desnecessário. Lembrando que nas condições nominais de processo os equipamentos normalmente operam em seus limites máximos.
Figura 3.5. Esquema geral de uma malha de controle fechada.
O processo, na presença de uma demanda térmica inferior à nominal e utilizando o set-point fixo, resulta em condições de processo inferiores às nominais. Neste caso há um consumo de energia desnecessário, que poderia ser contornado ao determinar novas condições operacionais ou set points adequados. Isto procederia ao retorno das condições de processo as nominais, pelo menor uso das variáveis manipuladas. Sendo assim, uma alternativa para reduzir o consumo de energia em sistemas térmicos é utilizar set-point variável e dependente da demanda térmica instantânea do processo. Com isto novas estratégias de intensidade ou acionamento de resfriamento surgem baseadas em condições limites de operação.
É pertinente deixar claro que há duas maneiras de fazer a mudança de set-point com intuito de reduzir o consumo de energia em trocadores de calor. Uma maneira é mudar o set-point da malha sem interferir na taxa de resfriamento, no qual o ciclo opera em mais ou menos tempo sem variar as condições de operação do sistema. Há vários trabalhos com condicionadores de ar, tais como: Ingersoll e Huang (1985), Michael e Nicol (1998), Manning et al. (2005), Manning et al. (2007), Karjalainen (2009), Moon e Han (2011), Peffer et al. (2011) e Peffer et al. (2013) que trazem relatos da contribuição destes equipamentos no consumo de energia total em casas e escritórios, de quanto foi a redução do consumo de energia nestes sistemas a partir de um correto ajuste no set-point dos controladores e do impacto no consumo de energia pela forma de como as pessoas manuseiam tais equipamentos em busca do conforto térmico.
A outra maneira e objetivo desse estudo, é analisar a contribuição da alteração da condição operacional ou set-point numa malha de controle para interferir na taxa de
resfriamento por meio das mudanças nas condições operacionais, de acordo com a potência térmica instantânea do processo. Por exemplo, Salvador (1999) trabalhou na otimização energética do sistema frigorífico por compressão de vapor, que operou com a máxima temperatura de evaporação possível para que a temperatura do túnel de congelamento permanecesse a -30 °C. Ou seja, com a operação com carga térmica variável, ele utilizou o set-point variável da temperatura de evaporação para controlar a temperatura interna do túnel de congelamento e mantê-la a -30 °C com um controlador PI. Com 100 % da carga térmica total de projeto, houve uma redução de 2,77 % no consumo de energia quando se utilizou set-point variável da temperatura de evaporação em função da temperatura interna, comparando-se com a operação com o set-point fixo de – 40 °C. Já para 80 % da carga térmica total, a redução foi de 6,08 % quando comparado com set-point fixo. Na faixa de operação de 61 a 67 % da carga térmica total, o sistema com o set-point variável de pressão de sucção em função da temperatura ambiente operou somente com um compressor, enquanto que para o sistema com set-point fixo operou com dois compressores. Nesta situação, a redução no consumo de energia foi cerca de 30 %.
3.4.GESTÃO DA ENERGIA
A indústria está buscando a implantação de sistema de gestão da energia para reduzir custos e aumentar lucros com a aplicação da eficiência energética. Além destes benefícios a gestão da energia também é vantajosa do ponto de vista ambiental, pois promove a redução da queima de combustíveis fósseis, emissões atmosféricas de dióxido de carbono e efluentes aquosos.
Alguns meios para promover o uso racional e eficiente de energia elétrica se dá pelas intervenções junto as instalações consumidoras. Tais intervenções podem ser no reparo de equipamento ou instalação, na inserção de tecnologia como na logística de operação do sistema.
De acordo como se queira intervir junto as instalações consumidoras, existem diferentes métodos que podem ser utilizados para efetuar a gestão da energia. Um possível método de intervenção é a utilização da tecnologia Pinch. Esta tecnologia está associada a integração energética entre as correntes de processo através de uma rede de trocadores de calor. De forma geral, existe uma grande quantidade de correntes de processo em indústrias, sendo elas para transporte de utilidades quente e fria, subprodutos e produtos finais. Tais utilidades são geradas, utilizando sistemas externos ao processo, e empregam fontes de energia convencionais ou alternativas, em que seus usos devem ser eficientes. Como ao longo do
processo tem-se correntes frias que precisam ser aquecidas e vice-versa, utiliza-se trocador de calor para promover a troca de energia entre essas correntes e assim efetua-se a integração energética. Existem várias pesquisas sobre a implantação dessa tecnologia em processos industriais, tai como: Novazzi e Zemp (2009); Delatore et al. (2016); Hafizan et al. (2016); Huang e Karimi (2016); Lidu et al. (2016); Oliveira, Cruz e Costa (2016) e Quirante, Caballero e Grossmann (2017), nas quais trazem resultados da implantação e melhorias tecnológicas.
Outro método e que está sendo proposto neste trabalho é a implantação de estratégias de resfriamento, intensidade e tipo de acionamento de um sistema híbrido, de acordo com a potência térmica de aquecimento instantânea de um fluido. Neste método busca-se a intervenção na logística de operação das instalações consumidoras, sem mexer na sua estrutura física.
Como meio para analisar a viabilidade técnica e econômica dessas ações, está sendo amplamente utilizada como ferramenta a norma NBR ISO 50001:2011 “Sistema de gestão da energia (SGE)”. Esta Norma é uma adoção idêntica à ISO 50001:2011, elaborada pelo Project
Committee Energy Management. De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas,
ABNT (2011), a NBR ISO 50001:2011 “Sistema de gestão da energia – Requisitos com orientações para uso”, consiste em estabelecer sistemas e processos para melhorar o desempenho energético, incluindo eficiência energética, uso e consumo de qualquer tipo de energia.
De acordo com o item 3.12 desta Norma, desempenho energético é um indicador do desempenho do sistema de gestão da energia. Sendo também definido como resultados mensuráveis relacionados à eficiência energética, uso de energia e consumo de energia. Eficiência energética (item 3.8) é definida como razão ou outra relação quantitativa entre uma saída de desempenho, serviços, produtos ou energia e uma entrada de energia, no qual tanto a entrada como a saída precisam ser claramente especificadas em quantidade e qualidade e ser mensuráveis. A Norma traz como exemplos de eficiência energética a eficiência de conversão, energia requerida/energia usada, saída/entrada ou energia teórica utilizada para operar/energia usada para operar. De acordo com Patterson apud Frozza (2013), eficiência energética é verificada pela produção da mesma quantidade de produto com menos energia.
A Norma define uso de energia (item 3.18) como modo ou tipo de aplicação de energia, como por exemplo, ventilação, iluminação, resfriamento, aquecimento, entre outros e consumo de energia (item 3.7) como quantidade de energia aplicada.
A Norma se baseia em uma estrutura de melhorias contínuas, utilizando a metodologia Planejar-Fazer-Verificar-Agir (PDCA), como mostrada na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Metodologia PDCA no contexto da gestão da energia. Fonte: ABNT, 2011.
Planejar (Plan) Fazer (Do) Verificar (Check) Agir (Act) Executar a revisão
energética e estabelecer a linha de base, indicadores de desempenho energético, objetivos, metas e planos de ação que levarão a melhoria de desempenho energético em conformidade com a política energética da organização Implementar os planos de ação da gestão da energia Monitorar e medir processos e características principais de operações que determinam o desempenho energético em relação à política e objetivos energéticos, e divulgar os resultados Tomar ações para melhorar continuamente o desempenho energético e o SGE
O modelo do SGE é estruturado na forma de política energética; planejamento energético; implementação e operação; verificação, podendo ser feita a monitoração, medição, análises, não conformidades, correção, ação corretiva, ação preventiva e auditoria interna do SGE; retornando a uma análise crítica pela direção para resultar em melhorias contínuas.
Com o intuito de fornecer parâmetros mensuráveis para realizar a gestão da energia, alguns itens desta Norma foram aplicados e avaliados no presente trabalho, entre eles: indiretamente a revisão energética e linhas de base energética e diretamente os indicadores de desempenho energético.
De acordo com o item 3.15 da Norma ISO 50001, “revisão energética é a determinação do desempenho energético da organização com base em dados e em outras informações, conduzindo à identificação de possíveis melhorias”. De acordo com o item 4.4.3, para desenvolver a revisão energética é preciso: “analisar o uso e o consumo de energia com base em medições e outros dados; identificar as áreas de uso significativo de energia e identificar, priorizar e registrar oportunidades de melhoria de desempenho energético”.
De acordo com o item 3.6 da Norma ISO 50001, “linhas de bases energéticas são referências quantitativas fornecendo uma base para comparação do desempenho energético do tipo antes e depois”, ou seja, a linha de base energética reflete um período de tempo especificado para análise comparativa do que se consumia antes, num dado momento antes de se iniciar o processo de eficiência energética e o que se passou a consumir depois da implementação de ações de melhoria. Pode ser normalizada usando-se variáveis que afetam o uso e/ou consumo de energia, como nível de produção, graus-dia (temperatura exterior), etc. e também é utilizada para cálculo da economia da energia de desempenho energético. Segundo Frozza (2013), as linhas de base são parâmetros de calibragem e são elas que definem se o sistema está ou não sob controle.
De acordo com o item 3.13 da Norma ISO 50001, indicador de desempenho energético é o valor ou medida quantitativa de desempenho energético, conforme definido pela organização, que pode ser expresso com uma métrica simples, razão ou um modelo mais complexo. A seguir são apresentados alguns indicadores de desempenho:
a) Coeficiente de Desempenho (CDD):
O CDD relaciona a potência térmica trocada por um trocador de calor com a potência de energia elétrica utilizada para fazê-lo (Equação 3.1).
𝐶𝐷𝐷 =𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 (3.1)
b) Índice de Eficiência Energética (IEE):
Este é um indicador simples que relaciona a saída útil de um processo com a entrada de energia para o processo, Equação 3.2 (PATTERSON apud FROZZA, 2013).
𝐼𝐸𝐸 = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜𝑆𝑎í𝑑𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑑𝑒 𝑢𝑚 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 (3.2) c) Índice Percentual de Consumo Total (PCT):
Este indicador objetiva verificar quanto cada centro de consumo impacta sobre o consumo total de energia elétrica da instalação, Equação 3.3 (SAIDEL; FAVATO; MORALES, 2005).
𝑃𝐶𝑇 =𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎çã𝑜 𝑥100 (3.3)
Frozza (2013) realizou a implantação de eficiência energética em um frigorífico de abate de aves e constatou que o sistema de refrigeração utilizou 81 % da potência de energia elétrica da planta, sendo esta a maior fonte energética utilizada. Os motores dos compressores foram os que mais impactaram neste uso, sendo substituídos ou “repotencializado”, segundo o fator de carregamento encontrado em medições. Outros fatores também contribuíram para se ter a diminuição deste uso como: verificação da temperatura de acordo a recomendada pela Portaria 210 MAPA, limpeza dos evaporadores, controle da iluminação, limpeza e conserto das aletas danificadas dos condensadores, isolação das portas e instruções para o uso correto e ações preventivas nas áreas administrativa e apoio. Sendo assim, na planta, Frozza (2013) calculou uma diminuição de demanda energética de aproximadamente 118 kW pela repotencialização
de motores, eliminação de vazamentos e alteração no contrato de demanda, com uma economia anual de aproximadamente 840 MWh, equivalente a 11 % do consumo total. Em termos comparativos, esta energia de 840 MWh é equivalente ao consumo médio anual de energia de 420 residências brasileiras de pequeno porte, segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Garcia (2014) relata que o potencial de economia no subsetor da indústria de bebidas é variável, segundo a manutenção dada nas instalações e seu estado, mas podendo identificar uma redução no consumo de energia da produção de até 10 %. E que, além dos benefícios econômicos, as empresas que implantarem a gestão da energia (Norma ISO 50001) poderão melhorar seu marketing, transmitindo o compromisso de sustentabilidade, inovação tecnológica, além do efeito no meio ambiente pelas reduções das emissões diretas e indiretas dos gases do efeito estufa.
Therkelsen, Masanet e Worrell (2014) propuseram medidas de eficiência energética em indústrias de panificação comercial nos Estados Unidos, podendo ser generalizados para padarias internacionais, pelo uso oriundo da ISO 50001. Os autores relataram que os maiores consumidores de energia são os equipamentos de fermentação, cozimento, resfriamento e congelamento e limpeza.
3.5.PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS OU DE ENSAIOS
A busca por técnicas sistemáticas de planejamento de experimentos vem crescendo devido a necessidade de otimizações de processos; maximizações de produtividade, rendimento e qualidade; minimizações de tempos e custos; dentre outros objetivos. Tais técnicas permitem extrair do sistema em estudo o máximo de informações úteis, fazendo o mínimo de experimentos, isto baseadas em princípios estatísticos. No entanto, é necessário que haja uma integração entre o processo, a estatística e o bom senso para que o uso da metodologia atinja os objetivos necessários (RODRIGUES e IEMMA, 2009).
O planejamento do experimento se inicia nas escolhas das variáveis independentes e nas respostas de interesse ou variáveis dependentes. A variável independente é o fator que se tem condição de manipular ou alterar com objetivo de observar o efeito dessa variável sobre a variável dependente. A resposta é a variável que depende das condições da variável independente. Com essas escolhas, o tipo de metodologia a ser utilizada é determinado de acordo com os objetivos que se pretendem alcançar com os experimentos.
A metodologia do Delineamento Composto Central é uma técnica estatística baseada no emprego de Planejamento Fatorial Completo e avalia quantitativamente a influência dos fatores (variáveis independentes) sobre as respostas de interesse (variáveis dependentes),
bem como suas possíveis interações sobre a variável dependente. Um Delineamento Composto Central que tem os pontos axiais determinados por ± α, onde α = (2K)1/4 e K é o número de fatores, é dito Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR). O número de ensaios em um DCCR com 2 níveis originais pode ser determinado por 2K + 2K pontos axiais + um número arbitrário de pontos centrais (RODRIGUES e IEMMA, 2009).
De acordo com Box, Hunter e Hunter (1978), a metodologia do Planejamento Fatorial que é uma ferramenta fundamentada na teoria estatística, associada à análise de superfície de respostas, fornece informações seguras sobre o processo, minimizando as técnicas de tentativa e erro, o empirismo. Superfície de respostas é a descrição gráfica do modelo ajustado e a projeção de seus cortes sobre o plano dos fatores é a curva de contorno. Ambas são utilizadas para simplificar a interpretação dos resultados (RODRIGUES e IEMMA, 2009).
Existem muitos estudos que utilizaram o planejamento experimental como ferramenta de trabalho. Por exemplo, Lopes (2008) utilizou a metodologia do Delineamento Composto Central para obter as correlações ajustadas para remoção de cor de óleo de soja, a partir das variáveis porcentagem em massa de adsorvente e temperatura. Kurozawa (2009) utilizou a metodologia do Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) para avaliar o efeito da temperatura, razão enzima:substrato e pH na cinética de hidrólise enzimática de peito de frango, grau de hidrólise e recuperação de proteína. A autora também utilizou a metodologia do DCCR para avaliar o efeito da temperatura do ar e vazão mássica da alimentação sobre o desempenho operacional do spray dryer (rendimento do processo, eficiência térmica e produtividade do secador), sobre a atividade antioxidante e propriedades físico-químicas do produto em pó (conteúdo de proteína e umidade, densidade, tamanho de partícula e morfologia). Portanto, este trabalho vislumbra a gestão energética de uma unidade de resfriamento híbrido de óleo vegetal com três diferentes sistemas de resfriamento/refrigeração de água como fluido de troca térmica, a partir de técnicas estatísticas. De acordo com a demanda térmica variável da aplicação, poder-se-á determinar qual tipo (possibilidades de acionamento dos módulos de resfriamento) e intensidade (condições operacionais ou set-points) de resfriamento devem ser acionados, para utilizar-se a menor potência elétrica total no setor.
4. MATERIAL E MÉTODOS
4.1.DESCRIÇÃO DOS SETORES
A montagem da unidade experimental, em escala piloto, foi realizada no Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético (NIPE experimental) e no Laboratório de Automação e Controle de Processos de Alimentos (LACPA) na Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA). Ambos localizados na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).
De forma análoga a uma etapa de resfriamento de um fluido alimentício, por exemplo o óleo de soja, foi construída uma unidade experimental com dois setores. Um setor foi o de aquecimento e resfriamento do óleo (Setor 01) e o outro de resfriamento híbrido da água como fluido de troca térmica para posterior resfriamento do óleo (Setor 02), conforme apresentados no diagrama de blocos da Figura 4.1.
Figura 4.1. Diagrama de blocos da unidade de resfriamento e aquecimento do óleo vegetal (Setor
01) e de resfriamento híbrido da água (Setor 02).
Trocador de calor óleo/ vapor (E-102) Vapor de água Óleo resfriado Óleo aquecido Trocador de calor óleo/água
(E-101) Chiller Água gelada Água aquecida Á g u a q u en te Á g u a re sf ri a d a Trocador de calor água resfriada/água gelada (E-205) Trocadores de calor água quente/ ar ambiente (E-201 a E-204) Água resfriada Ar ambiente Setor 02 Setor 01 Caldeira Sistema de nebulização A r ú m id o Água condensada Ar quente A r q u en te
O óleo contido no Setor 01 foi aquecido por vapores de água produzidos em caldeira, por meio de um trocador de calor a placas, E-102. Os vapores de água, após fornecerem calor para o óleo, condensavam e o óleo aquecido era deslocado para um tanque pulmão e em seguida para o trocador de calor a placas, E-101, para ser resfriado.
O óleo dissipava sua energia para a água bombeada do Setor 02, resfriava e retornava para o trocador de calor E-102 para ser novamente aquecido, em ciclo fechado.
A água quente resultante do Setor 01, após absorver energia dissipada pelo óleo, era resfriada por diferentes tipos de acionamentos contidos no Setor 02. Os acionamentos dos diferentes módulos de resfriamento foram determinados pela carga térmica variável fornecida pela fonte térmica. Impreterivelmente, a água passava por um conjunto de trocadores de calor com tubos aletados (E-201 a E-204), ocorrendo a troca térmica com ar ambiente por convecção forçada pelos ventiladores axiais. Esta água resfriada retornava ao Setor 01 para fazer o resfriamento do óleo ou antes, tinha sua temperatura reduzida ao fazer a troca térmica com a água gelada produzida pelo sistema de refrigeração, chiller. Essa nova redução na temperatura da água resfriada era realizada no trocador de calor a placas, E-205, com a água gelada produzida pelo chiller com condensação a ar. No Setor 02, ainda havia outro tipo de acionamento, o sistema de nebulização, que era acionado quando cabível, para um maior resfriamento da água quente de origem do Setor 01. Este provocava o resfriamento adiabático do ar que entrava no conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e ar forçado (E-201 a E-204).
Sendo assim, resultou-se quatro possibilidades de acionamento dos módulos de resfriamento contidos no Setor 02, para resfriamento da água quente e posterior resfriamento do óleo vegetal. Dentre elas estão: 1) conjunto de trocadores de calor com tubos aletados; 2) conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e o sistema de nebulização; 3) conjunto de trocadores de calor com tubos aletados e o trocador de calor a placas E-205 com o chiller; e 4) conjunto de trocadores de calor com tubos aletados, sistema de nebulização e trocador de calor a placas E-205 com o chiller.
4.1.1.MONTAGEM DA UNIDADE EXPERIMENTAL
A unidade experimental foi composta por dois setores. Um setor constituiu de equipamentos para o aquecimento modulado e o resfriamento do óleo vegetal (Setor 01), conforme Figura 4.2. O óleo vegetal foi inicialmente armazenado em um reservatório de inox, capacidade para 2 m³, sendo deslocado por bombas centrífugas hidráulicas em paralelo, P-101 e P-102, para o trocador de calor a placas E-102. No trocador E-102, o óleo vegetal foi aquecido por uma fonte térmica com demanda térmica variável, por contato indireto e em fluxo contracorrente. A fonte térmica, caldeiras a diesel, forneceu vapores saturados de água para aquecimento do óleo vegetal. Posteriormente, o óleo vegetal aquecido retornou ao reservatório de óleo e foi deslocado para o trocador de calor
a placas E-101. Neste trocador, ocorreu o resfriamento do mesmo pelo contato indireto e em contracorrente com água resfriada (fluido térmico) de origem do Setor 02, no qual os setores foram interligados por mangueiras flexíveis. Na Tabela 4.1, são apresentadas as descrições dos equipamentos utilizados no Setor 01.
Figura 4.2. Montagem da unidade experimental.
E-101 Tanque Pulmão Reservatório de óleo P-201 Caldeira E-102 E-205 CHILLER P-202 Nebulizadores E-201 E-202 E-203 E-204 P-203 Setor 01 Setor 02 Reservatório de água
desmineralizada para nebulizaçãoReservatório Legenda
Linha do óleo vegetal: Linha da água resfriada:
Linha da água gelada: Linha de vapor e condensado:
Linha da nebulização:
P-102
P-101
O Setor 02 constituiu de sistemas de resfriamento a ar e de refrigeração que realizaram a redução da temperatura da água para posterior resfriamento do óleo vegetal. No Setor 02, existiram dois circuitos, denominados de circuito de água resfriada e circuito de água gelada. O circuito de água resfriada, devido a operacionalidade, foi abastecido por água desmineralizada que circulava entre os trocadores E-101 e E-201 a E-205, sendo armazenada em reservatórios de aço inox, divididos e intercomunicados, com capacidade total de 2500 litros. Para o circuito de água gelada, a água circulava entre o evaporador do sistema de refrigeração, chiller, e o trocador de calor E-205. Esta também foi desmineralizada em um sistema de purificação por osmose reversa, para que não houvesse formação de incrustações internas e consequentemente perda de eficiência na troca térmica. Para uma maior segurança na linha de água gelada, foi diluído propilenoglicol
