VINICIUS GISLON
ESTUDO DA REDUÇÃO DO TEMPO DE RECUPERAÇÃO DE
TEMPERATURA ATRAVÉS DA ANÁLISE DE DIFERENTES
PRESSÕES DE TRABALHO
LAGES, SC
2015
UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE UNIPLAC
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
VINICIUS GISLON
Para atender ao que determina a Lei 6.494/77 (regulamentada pelo Decreto n.º87.497/82), o Regimento Geral da UNIPLAC, a Resolução 030 de 1999 da UNIPLAC e a disciplina de Estágio Supervisionado que é parte do processo de formação acadêmica do curso de Engenharia de Produção, conforme projeto pedagógico do curso, apresenta-se através deste relatório o trabalho de estágio.
Relatório de Estágio submetido à
Universidade do Planalto Catarinense como parte dos requisitos para obtenção do título de bacharel em Engenharia de Produção. Orientador Técnico: Johnny Rocha Jordan
LAGES, SC
2015
VINICIUS GISLON
ESTUDO DA REDUÇÃO DO TEMPO DE RECUPERAÇÃO DE
TEMPERATURA ATRAVÉS DA ANÁLISE DE DIFERENTES
PRESSÕES DE TRABALHO
ESTE RELATÓRIO DE ESTÁGIO FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS DA DISCIPLINA DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO, DO 10º. SEMESTRE, ÁREA DE CONCENTRAÇÃO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO, E APROVADO EM SUA FORMA FINAL PELA COORDENAÇÃO DO CURSO DE
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO DA UNIVERSIDADE DO PLANALTO
CATARINENSE, COMO PARTE DO TÍTULO DE BACHAREL EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO.
Orientador
... Prof. Johnny Rocha Jordan
Orientador Pedagógico
Supervisor
... Prof. Carlos Eduardo de Liz
Supervisor de Estágio
LAGES, SC
2015
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 - Redutora de vapor ... 14
FIGURA 2 - Histórico de vazão de vapor ... 15
FIGURA 3 - Histórico de temperatura da água na saída do trocador de calor ... 16
GRÁFICO 1 – Temperatura da água ... 18
GRÁFICO 2 – Vazão de vapor ... 18
TABELA 1 - Dados sobre o período de recuperação de temperatura ... 17
TABELA 2 - Aplicação da ANOVA Fator único (resumo) ... 19
TABELA 3 - Aplicação da ANOVA fator único (ANOVA) ... 19
TABELA 4 - Aplicação do desvio padrão ... 19
TABELA 5 - Média de vazão X Tempo de recuperação ... 20
LISTA DE SÍMBOLOS
T/h Toneladas por hora;
T Toneladas;
°C Graus Celsius;
min Minutos;
SQ Soma dos quadrados;
gl Grau de liberdade;
F Fator resultante da análise; Fcrítico Fator crítico;
SUMÁRIO
1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA OU OPORTUNIDADE ... 7
1.1 Organização e seu Ambiente ... 7
1.2 Situação problemática ... 7 1.3 Objetivos ... 8 1.3.1 Objetivo Geral ... 8 1.3.2 Objetivos Específicos ... 8 1.4 Justificativa ... 9 1.4.1 Oportunidade de projeto ... 9 1.4.2 Viabilidade de projeto ... 9 1.4.3 Importância de projeto ... 9 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 10 2.1 Transferência de Calor ... 10 2.2 ANOVA ... 11 3 METODOLOGIA ... 13
3.1 Preparação do sistema e Coleta de dados ... 13
3.1.1 Preparação do sistema ... 13
3.1.2 Ajuste da pressão ... 14
3.1.3 Controle de condição ... 14
3.1.4 Coleta de dados ... 15
3.2 Análise dos dados ... 17
3.2.1 Construção da tabela de dados ... 17
3.2.2 Aplicação da ANOVA ... 19
3.2.3 Aplicação do desvio padrão ... 19
3.2.4 Resultados ... 20
4 CRONOGRAMA ... 21
CONCLUSÃO ... 22
7
1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA OU OPORTUNIDADE
1.1 Organização e seu Ambiente
A história da Ambev S/A começa em 1999, quando as centenárias Cervejaria Brahma e Companhia Antarctica se unem para criar a Companhia de Bebidas das Américas, Ambev. As 16 mil pessoas que as duas empresas empregavam à época juntaram esforços para dar início ao que fazem até hoje: impulsionar o setor de bebidas brasileiro, possibilitar a entrada no mercado de novas marcas, ampliar o leque de produtos de qualidade a preços acessíveis, estimular a inovação, gerar empregos e recursos.
O estudo será realizado na Ambev S/A Filial Santa Catarina, na área de pasteurização da cerveja.
1.2 Situação problemática
O tema vapor está diretamente ligado ao custo variável de uma indústria, assim contribuindo tanto positivamente quanto negativamente.
Desde o startup da máquina em 2013, trabalhamos com diversas pressões de vapor diferentes, as mesmas em algumas situações ocasionando deficiência no sistema e consumo elevado de vapor.
8
O funcionamento da máquina consiste em circulação de água em determinadas temperaturas, porém quando há alguma parada de linha, essas temperaturas são setadas abaixo do setpoint original para garantir a qualidade do produto. Quando a linha de produção volta a funcionar, a máquina precisa de um tempo para regularizar essas temperaturas. Esse tempo é o responsável pelo estudo. Conforme a condição ele se estende ou até mesmo dobra.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo Geral
Reduzir o tempo de recuperação de temperatura através do ajuste da pressão de entrada na redutora do trocador de calor, sem afetar a qualidade do processo produtivo e o consumo de vapor.
1.3.2 Objetivos Específicos
Definir se há diferença estatística entre as diferentes pressões de trabalho; Determinar a pressão ideal de vapor sem impactos negativos no processo; Realizar uma análise prática das diferenças e comparar com os resultados
9
1.4 Justificativa
1.4.1 Oportunidade de projeto
Com os resultados do estudo, encontraremos um valor e ajuste de pressão de vapor que o equipamento precisa para o funcionamento normal, reduzindo o tempo de recuperação sem impactar no funcionamento da máquina e sem consumir mais vapor.
1.4.2 Viabilidade de projeto
O estudo torna-se viável tanto pelo custo zero, quanto pelo ganho de eficiência no processo.
1.4.3 Importância de projeto
Entender as variáveis e seus impactos no processo produtivo será de suma importância para a efetiva aplicação de melhorias e modificações no equipamento caso sejam necessárias.
O estudo tem como base a otimização do consumo de vapor, melhorando não só o sistema como ajudando no contexto geral da empresa.
10
2 REVISÃO DE LITERATURA
Por se tratar de um estudo específico sobre um determinado sistema de troca térmica, torna-se difícil encontrar bibliografias específicas sobre o mesmo ou algum estudo. Contudo, há muito sobre o tema em geral e sobre formas de analisá-lo.
Assim, a revisão será dividida entre assuntos relativos ao sistema, como Transferência de Calor, além do método estatístico utilizado para estudar o e analisar o sistema, que é a ANOVA.
2.1 Transferência de Calor
“É da maior relevância para os profissionais interessados em sistema a vapor o conhecimento dos mecanismos de transferência de calor. De fato, seja nas situações em que se desejam altas taxas térmicas ou naquelas em que se pretende reduzir ao máximo os fluxos de calor, é naturalmente necessário entender como a energia flui apenas por uma diferença de temperatura” (LUIZ AUGUSTO NOGUEIRA, 2005, 32).
A transferência de calor de um corpo para outro ocorre quando há diferença de temperatura entre eles, sempre com o corpo que tem a temperatura mais elevada perdendo calor para o corpo mais frio. “O calor pode ser definido como a energia térmica que flui devido apenas à diferença de temperatura” (LUIZ AUGUSTO NOGUEIRA, 2005, 23).
11
A transferência de calor pode ser feita de três maneiras:
Condução: propagação da energia através da agitação das moléculas, característica principal dos metais, bons condutores de calor;
Convecção: propagação da energia através da densidade dos materiais, caracterizada por ser mais comum em fluídos;
Radiação: propagação da energia através de ondas eletromagnéticas, não tendo necessidade de contato para transferir o calor;
2.2 ANOVA
“Análise de variância é um método de testar a igualdade de três ou mais médias populacionais através da análise das variâncias amostrais” (MARIO F. TRIOLA, 2005, 464).
A análise de variância ou ANOVA é um modelo estatístico que consiste em comparar médias com a finalidade de determinar se há ou não diferença estatística entre situações diferentes. Assim, aceitando ou rejeitando hipóteses.“Em estatística, uma hipótese é uma afirmativa sobre uma propriedade da população” (MARIO F. TRIOLA, 2005, 284).
No estudo será utilizada a ANOVA de um critério ou fator único. Ela é chama assim por usar uma única propriedade ou característica no estudo, chamada também de tratamento. Para utilizá-la, foi necessário definir a unidade experimental, a variável a ser medida, os tratamentos em comparação e o número de unidades experimentais.
12
Na ANOVA os resultados são obtidos comparando o valor de F, que é o valor resultante de cálculos, e o valor crítico de F, que é dado através de uma tabela. Assim há duas hipóteses:
H0: Médias iguais, ou seja, não há diferença estatística entre os tratamentos.
Isso ocorre se o valor de F calculado for menor do que o valor crítico de F.
H1: Médias diferentes, ou seja, há diferença estatística entre os tratamentos.
13
3 METODOLOGIA
A metodologia usada para este projeto foi uma pesquisa quantitativa, visando um experimento de campo, com observação de dados e métodos estatísticos para análise dos mesmos.
3.1 Preparação do sistema e Coleta de dados
3.1.1 Preparação do sistema
A primeira fase do estudo consiste no ajuste de pressão e na coleta dos dados que serão utilizados nas análises em cada situação. Para isso, o primeiro passo é ter o funcionamento estável do sistema de troca térmica.
O estudo será feito no sistema de aquecimento de água de um Pasteurizador, um sistema de troca térmica com placas que utiliza vapor. Assim, o setpoint de temperatura da água foi setado em 90°C e foram feitas ações de esterilização das placas e troca das borrachas de vedação para garantir uma troca térmica mais eficiente e dados mais confiáveis.
14
3.1.2 Ajuste da pressão
O ajuste da pressão de entrada de vapor é feito manualmente através de uma regulagem na redutora. Com isso, podemos regular e retirar os dados de todas as pressões.
FIGURA 1 - Redutora de vapor
3.1.3 Controle de condição
O funcionamento do sistema consiste em mudar o setpoint de temperatura conforme as condições da máquina, como em um regime de parada. Assim, quando a linha de produção volta a funcionar, a máquina precisa de um tempo para regularizar essas temperaturas.
15
Com a pressão ajustada, a condição de trabalho foi determinada conforme a produção no dia, utilizando horários específicos garantindo a qualidade dos dados. As medições foram feitas no momento de início de recuperação de temperatura da máquina após uma parada de 5 minutos até o sistema estabilizar.
3.1.4 Coleta de dados
O segundo passo são os dados. Há na máquina, um computador que armazena históricos de vazões, temperaturas, pressões e níveis. No estudo serão utilizadas duas dessas variáveis, que serão vazão de vapor, e temperatura da água na saída do trocador de calor.
16
FIGURA 3 - Histórico de temperatura da água na saída do trocador de calor
A partir do início da recuperação de temperatura até o sistema ficar estável, foram retiradas leituras de temperatura de água e vazão de vapor do histórico a cada 30 segundos para cada uma das 5 situações. Totalizando 136 dados a serem analisados.
Houve divergência já esperada no tempo de recuperação:
2 bar: recuperação em 10,5 minutos; 3 bar: recuperação em 8 minutos; 3,25 bar: recuperação em 6,5 minutos; 3,5 bar: recuperação em 5 minutos; 3,75 bar: recuperação em 4 minutos;
17
3.2 Análise dos dados
3.2.1 Construção da tabela de dados
Tendo terminada a fase de retirada dos dados, foram postos em uma tabela para a realização das análises.
TABELA 1 - Dados sobre o período de recuperação de temperatura
Pressão
2 bar
3 bar
3,25 bar
3,5 bar
3,75 bar
Tempo (min) Temp. (°C) Vazão (T/h) Temp. (°C) Vazão (T/h) Temp. (°C) Vazão (T/h) Temp. (°C) Vazão (T/h) Temp. (°C) Vazão (T/h) 0,5 91 2,8 89 0,8 89 0,8 89 0,8 89 0,7 1 89 3 91 3,6 90 3,8 89 1,2 91 5,1 1,5 83 3,4 93 4,3 91 3,9 93,5 4,6 91,5 4,9 2 80,5 3,4 92 4,2 92 4,2 88 4,8 92 4,9 2,5 82 3,2 89 4,1 91,5 4 89,5 4,6 91 4,7 3 83 3,2 85 4 91,5 3,9 87 4,6 89,5 4,7 3,5 83,5 3,2 86 3,9 91 3,9 87 4,5 91 3,7 4 84 3,2 87 3,8 91 3,8 88 4,5 91,5 2,1 4,5 85 3,1 88 3,8 91 3,8 89 4,3 5 85 3,1 89 3,6 91 3,7 90 3,3 5,5 86 3,1 91 2,9 91 3,7 6 86 3 91,5 2,8 91 3,6 6,5 87 3 91,5 2,8 91 3,2 7 87 3 90 3 7,5 87,5 3 91 3 8 88 2,9 91 2,6 8,5 90 2,8 9 91 2,8 9,5 91,5 2,8 10 91 2,5 10,5 90 1,6
18
Com a tabela pronta, também foram gerados gráficos para ajudar na visualização da comparação.
GRÁFICO 1 – Temperatura da água
19
3.2.2 Aplicação da ANOVA
Para aplicar a ANOVA, foi utilizado o software EXCEL. Através dele, resultaram os seguintes dados:
TABELA 2 - Aplicação da ANOVA Fator único (resumo)
Grupo Contagem Soma Média Variância
2 bar 21 62,1 2,96 0,14 3 bar 16 53,2 3,33 0,77 3,25 bar 13 46,3 3,56 0,74 3,5 bar 10 37,2 3,72 2,23 3,75 bar 8 30,8 3,85 2,60
TABELA 3 - Aplicação da ANOVA fator único (ANOVA)
Fonte da variação SQ gl MQ F valor-P F crítico
Entre grupos 7,15 4,00 1,79 1,83 0,13 2,52 Dentro dos grupos 61,63 63,00 0,98
Total 68,78 67,00
3.2.3 Aplicação do desvio padrão
TABELA 4 - Aplicação do desvio padrão
Pressão DP 2 bar 0,378 3 bar 0,386 3,25 bar 0,396 3,5 bar 0,393 3,75 bar 0,387
20
Comparando o consumo de vapor entre as diferentes pressões temos:
TABELA 5 - Média de vazão X Tempo de recuperação
Pressões Média de vazão durante o tempo de recuperação (T/h) Tempo de recuperação (minutos) Consumo de vapor aproximado gasto na recuperação (T) 2 bar 2,96 10,5 0,518 3 bar 3,33 8 0,443 3,25 bar 3,56 6,5 0,386 3,5 bar 3,72 5 0,310 3,75 bar 3,85 4 0,257 3.2.4 Resultados
Com base nas análises temos o seguinte resultado:
F = 0,583077852445008 Fcrítico = 2,6236374857438 F < Fcrítico
Aceita-se a hipótese H0, ou seja, não há diferença estatística entre as
21
4 CRONOGRAMA
TABELA 6 - Cronograma
Estágio Supervisionado
Agosto Setembro Outubro Novembro
Construção da ideia
Identificação de
oportunidade 30/07/2015
Definição do foco do
estudo 05/08/2015
Definição das variáveis
estudadas 05/08/2015 Entrega pré-projeto 18/09/2015 Coleta de dados Coleta de dados 20/09/2015 21/09/2015 24/09/2015
Análise dos dados
Estudo dos dados e análise prática do comportamento do sistema 01/10/2015 à 31/10/2015 Conclusão
Analise dos resultados 01/11/2015 Desenvolvimento do
relatório final 08/11/2015
22
CONCLUSÃO
Com base nos dados estudados, não há diferença estatística entre as pressões, uma vez que a hipótese aceita foi a H0.
A partir daí, mudamos o foco para a quantidade total de vapor gasto no processo de recuperação, como mostrado na tabela 5. Sendo assim, o sistema utilizando a pressão de 3,75 bar recupera temperatura mais rápido, além de gastar menos vapor em todo o processo de recuperação.
Através da análise prática, foi percebido que com paradas acima de 5 minutos, fica inviável utilizar 2 bar de pressão pelo tempo de recuperação, que começa a aumentar exponencialmente. Outro ponto importante é em paradas em sequência, onde quando menor a pressão mais ocorre variação de temperatura coloca em risco a qualidade do processo produtivo.
Após o estudo, podemos concluir que a pressão de trabalho ideal para a recuperação de temperatura conforme as situações apresentadas é 3,75 bar, apresentando menor tempo de recuperação, menor custo de vapor e também mais confiabilidade em relação a qualidade do sistema produtivo.
23
BIBLIOGRAFIA
VIEIRA, S., Análise de variância (ANOVA). 1ª Ed. São Paulo: Atlas, 2006. NOGUEIRA, Luiz A., Eficiência energética no uso de vapor. 1ª Ed. 2005.
ROESCH, Sylvia, Projetos de estágio e de pesquisa em administração. 3ª Ed. São Paulo: Atlas, 2013.
MONTGOMERY, Douglas C., Estatística aplicada à Engenharia. 2ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004.
